人為干預下喀斯特峽谷區不同土地利用類型對土壤理化性質的影響

田漣祎, 周忠發, 閆利會

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001;

2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001)

人為干預下喀斯特峽谷區不同土地利用類型對土壤理化性質的影響

田漣祎1,2, 周忠發1,2, 閆利會1,2

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001;

2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001)

摘要：[目的] 探究人為干預下喀斯特峽谷區不同土地利用類型對土壤理化性質的影響，為巖溶山區的生態環境保護和可持續發展提供科學依據。[方法] 以貴州省花江喀斯峽谷示范區生態系統土壤為研究區，選取典型喀斯特石漠化治理區域進行野外定點取樣，通過室內分析的方法進行不同土地利用石漠化地區土壤理化性質比較研究。[結果] (1) 土壤含水量隨著土層深度的增加遞增，土壤含水量大小依次為：封山育林>徑流場>坡改梯>自然灌叢>撂荒地，形成土壤水分的垂直變化； (2) 經過改良后坡改梯通過種植花椒的田間持水量明顯比草地含量高，相對于進行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來說，荒草地的持水能力明顯下降； (3) 石漠化環境下土壤顆粒分散、土體結構破壞，土壤通透能力下降，孔隙的變化規律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地； (4) 示范區土壤總鉀偏高，與pH值呈正相關，總氮普遍低于全國農田氮含量，土壤養分不足。 [結論] 不同土地利用條件下土壤特征有顯著差異，這種差異是基于不同石漠化等級下不同土地利用的治理措施造成的。花江示范區土壤持水效益低，土壤養分不足，不利于耕作，農業產量不高，建議花江示范區應減少耕地，多種植經濟林和草地，保護天然林地。

關鍵詞：喀斯特峽谷區; 石漠化; 土地利用類型; 人為干預; 土壤理化性質

土壤和人類的關系十分密切，是人類賴以生存的物質基礎，地形通過影響土壤成土母質、影響土壤環境的物質和能量的再分配而間接作用于土壤，不同地形的土壤質地不同，由于喀斯特巖溶山區生態環境脆弱，加上人類不合理的社會經濟活動，形成人地矛盾突出，水土流失、巖石裸露率高、土壤含水量低，土壤肥力差導致土地生產力下降。嚴重制約著我國喀斯特地區的經濟發展。在目前對全球土壤系統的演變過程的研究比較深入，但是對于喀斯特生態脆弱地區的土壤理化性質的研究還比較缺乏，人類活動通過不同土地利用的影響，土壤水分的變化如何，不同土壤環境下土壤的質量條件如何來支持土壤表層的覆蓋植被，不同土地利用類型對土壤質量的影響。土壤具備不間斷的協調和供給植物生長發育所需要的養分、水分、空氣和熱量的能力，這種能力的大小能通過一系列的理化性質的監測來反映，而土壤水分的含量是重要的肥力因素，是土壤系統中物質與能量的介質，研究這些變化的土壤理化性質特征有利于巖溶山區的生態環境保護和可持續發展。

1研究區概況

花江示范區位于貴州省中部，貞豐縣和關嶺縣交界處,北盤江中游的花江峽谷地段，總面47.63 km2，地勢西高東低，最高海拔1 270 m，最低海拔650 m，花江峽谷發育在強巖溶化三疊系碳酸鹽巖組(石灰巖、白云質灰巖及白云巖)為主的法郎向斜構造上，上三疊系的碎屑巖組分布范圍小且厚度小,喀斯特地貌廣布。花江主要為中三疊系和上三疊系地層，主要發育了賴石科組、竹桿坡組、瓦窯組、楊柳樹組、壟頭組。地貌多為峰叢洼地、峰叢峽谷為主，土壤以潮泥土和沙壤土為主，由于示范區內土壤持續干旱，造成對土壤的水、氣、熱的影響，因而成土緩慢，土壤肥力比較薄弱，土壤狀況一般比較脆弱，基巖出露淺，石漠化程度嚴重，土層薄，分布不連續，造成農業產量較低。現有耕地1.34×106hm2，人口算術平均密度138人/km2，人口耕地密度為771人/km2，以中度、強度石漠化為主，是貴州省內生存環境惡劣的貧困地區之一，其自然、經濟社會發展具有顯著的區域性特征。

2樣品采集與試驗方法

2.1　樣點選取與評價

利用地理信息技術分析，通過空間自相關性分析，得出地理現象的空間相關特性，即距離越近的事物越相似，按照不同土地利用類型的規律來選取樣點，花江示范區土壤采樣值具有很強的空間相關性，半變異圖中的樣點不是形成一條水平直線，表明數據存在一定的空間相關性。通過研究空間結構可以看出，距離遠的樣地，方差較大，而距離近的樣點的值具有更大的相似性，結果表明采樣值及其屬性在空間具有一定的空間相關性,半變異函數圖的采樣點的變化規律是東北—西南比西北—東南方向具有更遠的空間距離，且樣點布置呈東北—西南方向趨勢而不是在一條水平直線上[1-2]，通過評價證明樣點選取合理。

2.2　樣品采集

通過野外實地考察，收集土地利用狀況、土壤采樣，記錄樣方所在的經緯度，海拔、地形地貌、坡度、石漠化等級、上覆植被類型等因子。選取10個樣地，在樣地內采樣選擇有代表性的點3～5個，鏟去表層約3 cm左右的土壤，然后傾斜向下切取10—20 cm深度的土壤。采用對角線采樣法進行采樣點的布設，將樣地對角線的土樣集中一起混合均勻[3]，每塊樣地采集土樣約1 kg，即為混合土壤樣品；同時，在樣方選取時還需考慮地形等背景，如在山坡上的土壤多為石灰土，通過不斷的沖刷，多數土壤流失并聚集在坡腳洼地或平坦處，經過脫硅富鋁化形成和山上相反土壤性質的黃壤，更適宜耕種。

2.3　樣品的分析測定

研究采用威爾科克斯法(環刀法)，用環刀測定的地段采取原狀土，同時在統一土層上取些散裝土，帶回室內測定，樣品帶回實驗室后，在山地重點實驗室對樣品處理后進行分析測定所需的土壤物理化學性質數據[4]，結合試驗得出土壤的理化性質數據進行綜合分析。

表1　花江示范區基礎信息

2.3.1土壤物理性質測定土壤自然含水量采用烘箱烘干法，室內用烘箱在80 ℃溫度下將土樣烘至恒重[5]，計算公式為：

θm=(m1-m2)/(m2-m)×100

(1)

式中：θm——土壤自然含水量(g/kg)；m——干燥鋁盒質量(g)；m1——風干土樣與鋁盒合重(g)；m2——烘干土樣與鋁盒合重(g)。

土壤飽和滲透性能采用環刀法，滲透性能的計算公式為：

(2)

式中：V——滲透速率(mm/min)；Qn——每次滲出的水量(ml)；S——滲透筒的橫斷面積(cm3)；tn——每次滲透所間隔時間(min)。

土壤容重、土壤持水量、土壤孔隙率運用環刀法測定，土壤持水量指標包括土壤田間持水量、土壤毛管持水量，土壤孔隙率指標包括土壤總孔隙率、毛管孔隙率及土壤非毛管孔隙率,具體方法參照張韞主編的《土壤水植物理化分析教程》[6]。

2.3.2土壤化學性質測定pH值采用水浸提—電位法(國標GB7859—87)，土壤全N含量采用半微量開氏法國標(GB7173—87)，土壤全P含量采用氫氧化鈉堿熔—鋁銻抗比色法(國標GB7852—87)，土壤全K含量采用氫氟酸高氯酸消煮法(國標GB7854—87)進行測定

3結果分析

3.1　土壤自然含水量和持水能力對比

土壤含水量是直接影響作物生長發育好壞及產量高低的重要因素之一，研究農田土壤含水量，對我們利用土壤水資源，合理分配灌溉用水，起到了重要的作用[7]。研究發現不同深度土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成土壤水分的垂直變化。反映不同深度土壤含水量變化程度。從表2可以看出，隨著土壤深度的增加，土壤含水量也會相應波動，是一個隨著土層深度增加而遞增的過程，表層含水量不穩定變化較大，10 cm以后土層從上到下土壤水分變化程度由劇烈趨于緩和，土壤水分的主要活動在耕地層。

表2　喀斯特不同土地利用類型土壤自然含水量

不同的土地利用對土壤自然含水量有影響，含水量變化依次表現為：封山育林>徑流場>坡改梯>自然灌叢>撂荒地，封山育林對喀斯特地區保水起著十分重要的作用，這種林下草被和灌木叢模式有很好的儲水能力，經過石漠化治理措施后的土壤含水量更高。在評定土壤持水性能時，不能僅以自然含水量的高低來評定土壤水分特性，同時也要看土壤田間持水量和毛管持水量這些指標的特征。

由圖1可以看出，花江示范區經過改良的坡改梯通過種植花椒(53.44%～59.44%)的田間持水量明顯比草地(32.88%)含量高，同時我們還測定了土壤中毛管懸著水的毛管持水量，代表土壤中毛管孔隙的最大含水量，如圖所示經過石漠化治理的坡改梯的土壤毛管持水量高于草地的毛管持水量(40.21%>28.37%),前者是后者的1.4倍，上述結果表明，相對于進行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來說，荒草地的持水能力明顯下降。

圖1　花江示范區不同土地利用類型土壤持水量變化

封山育林長期受到保護不受人類活動的影響，土壤水分存儲能力比草地、果園和耕地強，花江示范區石漠化程度強烈，土壤淺薄，影響含水率，進而影響土壤水分調蓄能力，保水能力差，建議在花江的強度石漠化地區采用天然保護林，或是封山育林的形式，使區域的土壤免受人類活動的干預，慢慢恢復土壤蓄水能力(表3)。

表3　不同土地利用類型土壤持水量

3.2　土壤孔隙性變化

孔隙性代表土壤結構的重要指標，孔隙的數量和質量反應了土壤結構的優劣，是能否儲存水的關鍵[8]，土壤緊實度影響土壤密度，土壤越緊實，則孔度小而密度大，導水率下降，土壤侵蝕增大，造成水土流失。從表4可以看出，封山育林和灌叢草地這種土地利用方式的土壤總孔隙比較高，而人工耕地的總孔隙相應較低，經過石漠化治理工程后的土地利用方式下的土地土壤通透性更高，坡改梯的總孔隙在60.51%至65.3%之間，封山育林也到達了56.56%，變化較為穩定，樣地1，4，6，7，8的孔隙分布比較均勻，毛管孔隙度占總孔隙的比例的34.91%以上，樣地1，4，8，10的非毛孔孔隙比例較高，樣地5的毛孔比例比坡改梯和耕地的孔隙高。在不同的土地利用，不同的植被條件下，土壤孔度的差異非常大，土壤總孔隙的變化規律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地，耕地和撂荒地的的土壤表層總孔隙較低，毛管孔隙和非毛管孔隙變化不明顯，在喀斯特石漠化土層淺薄的情況下，合理的土地利用能提高土壤孔隙的通透性和透水性，有效保持水土。

表4　土壤孔隙性能變化

3.3　土壤化學性質分析

通過不同土地利用方式對比分析可以發現(表5)，經過喀斯特石漠化綜合治理的水土保持成效明顯，研究發現潛在石漠化的pH值明顯小于輕度、強度石漠化，不同植被覆蓋下的土壤pH值有差異，石漠化嚴重地區相對輕度石漠化pH值偏高，強度石漠化的土壤生態環境惡劣，巖石裸露率高，易受堿性地質背景的影響，相反輕度石漠化植被覆蓋率高，隨著植覆蓋率的增加，植被覆蓋下的生物活動頻繁，微生物生長運動較快，在這些生物死亡后的殘體分泌成酸性的物質，這種酸性物質儲存在土壤中，導致土壤偏酸性，強度石漠化pH值均在7.6～7.8，pH值偏堿性。花江示范區地形破碎，土層淺薄，石漠化程度嚴重，土少石多，造成土壤養分供應不足，通過表5可以看出，土壤總鉀偏高，與pH值呈正相關，這樣的土壤環境不利于植被生長，中國農田氮含量一般為0.33以上，但是花江喀斯特地區的氮含量普偏低，低于全國土壤氮均值，甚至有些地區僅為全國平均的1/2。不同土地利用條件下的土壤環境狀況不同，林地和草地提供了基礎營養物質和較好的養分，當然由于農用耕地土地利用過程中會施肥，補充了所需要的養分，它的各項指標必然高于林草地和荒地[9]。說明可以通過改善土壤環境來提高土壤生產力。建議花江石漠化地區多種經濟林和草地，保護天然林地，合理利用石多土少的土地。

表5　不同土地利用土壤化學性質對比

4結 論

(1) 從土壤自然含水量的變化規律分析中發現，不同深度土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成土壤水分的垂直變化，土壤含水量呈現隨著土層深度增加而增加的過程。

(2) 從土壤持水量變化角度來看，花江示范區經過改良的坡改梯通過種植花椒(53.44%～59.44%)的田間持水量明顯比草地(32.88%)含量高，相對于進行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來說，荒草地的持水能力明顯下降。

(3) 石漠化環境下土壤顆粒分散、土體結構破壞，土壤通透能力下降，不同土地利用條件下，土壤孔度差異大，坡改梯和封山育林的總孔隙變化穩定，毛管孔隙占總孔隙比例的34.91%以上，說明土壤通透性較好，不同土地利用類型孔隙的變化規律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地。

(4) 不同土地利用方式下土壤質量條件存在顯著差異，這種差異是基于不同石漠化等級下采取的石漠化工程治理措施的不同造成的，花江石多土少，成土緩慢且分布不連續，巖石裸露率高，土壤持水效益低，土壤肥力差，導致了生產力下降，農業產量不高。通過土壤氮磷鉀和pH值的分析發現，花江的土壤質量不利于耕作，土壤養分不足，建議花江石漠化地應減少耕地，多種經濟林和草地，保護天然林地，通過一定的石漠化治理來優化生態環境。

(5) 通過封山育林和坡改梯這種土地利用方式和其他土地利用方式土壤自然環境的對比，前者的保水效益更優，自然含水量較高且田間最大持水量能支持上覆植被吸收，土壤孔隙性適宜，土壤通透性和透水性較好，能夠有效保持水土，通過撂荒地和其他土地利用方式的對比，土壤環境也是逐漸向良性發展。

[參考文獻]

[1]周忠發.遙感和GIS技術在貴州喀斯特地區土地石漠化研究中的應用[J].水土保持通報,2001,21(3):52-54.

[2]湯國安.地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社，2012:419-441.

[3]龍健.貴州喀斯特山區石漠化土壤理化性質及分形研究[J].土壤通報,2007,37(4):635-639.

[4]王兵,魯邵偉,李紅娟.LY/T1606—2003森林生態系統定位觀測指標體系[S].北京：國家林業局，2003.

[5]王家文.中國西南喀斯特土壤水分特征研究進展[J]. 中國水土保持,2013(2):37-41.

[6]張韞.土壤·水·植物理化分析教程[M].北京:中國林業出版社，2011:53-85.

[7]李陽兵.巖溶山地不同土地利用土壤的水分差異特性[J].水土保持通報,2007,23(1):12-15.

[8]王金樂.貴州喀斯特石漠化荒地土壤理化性質及環境效應研究[D].貴州 貴陽：貴州大學，2008.

[9]尹輝.我國西南典型喀斯特峰叢洼地土壤理化特征研究[D].廣西 南寧：中國地質科學院，2012.

Synergetic Influences of Human Intervention and Land Use Type on Soil Physical and Chemical Properties in Karst Valley Area

TIAN Lianyi1,2, ZHOU Zhongfa1,2, YAN Lihui1,2

(1.SchoolofKarstScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 2.TheStateKeyLaboratoryforKarstMountainEcologyEnvironmentofGuizhouProvince,Guiyang,Guizhou550001,China)

Abstract：[Objective] Under the background of artificial interference, the effects of different land use types on soil physicochemical properties in the karst gorge area were investigated in order to provide some supports for the environment protection and sustainable development in karst mountainous area. [Methods] Huajiang Karst Gorge Demoustration Zone of Guizhou Province was selected as the research area. Where the soils from different land use types of rocky desertification area were sampled and the physicochemical properties were assayed. [Results] (1) Soil moisture content was relative high at deeper soil layer. Soil moistures sampled from different land use types had a layer averaged rank as: closed mountain land>runoff land>slope-transformed terrace land>shrub land>abandoned land. (2) Filed moisture capacity of slope-transformed terrace with Chinese prickly ash established on it was higher than that of abandoned land. (3) The rocky desertification usually had the properties of dispersed soil particle, damaged soil structure, and declined soil permeability ability. The rank of porosity is: forest land>slope-transformed terrace>natural shrub>arable land>abandoned land. (4) Total potassium content is higher and positively correlated with pH values. The nitrogen content is below the country-wide mean level, soil nutrients are insufficient. [Conclusion] Land use patterns which have different soil features are the synergetic effects of rocky desertification grades and land use measures. The water carrying capacity and nutrition in the soil of Huajiang area were evaluated to be at low level and the products on it are low. Where the lands are not appropriate to be cultivated. Hence, it is suggested that the present cultivated lands should be dwindled; And meanwhile economic forest lands and grasslands be enlarged; and again the natural forest lands should be preserved.

Keywords:karst gorge area; rocky desertification; land use types; human intervention; physical and chemical properties of soils

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0092-05

中圖分類號：S151.9

通信作者：周忠發(1969—),男(漢族),貴州省貴陽市人,博士,教授,主要從事GIS、喀斯特資源與環境方面的研究。E-mail:fa6897@163.com。

收稿日期：2014-09-29修回日期：2014-10-12

資助項目：國家重點基礎科學(973)研究發展計劃項目“人為干預下喀斯特山地石漠化的演變機制與調控”(2012 CB723202); 貴州省重大科技專項計劃項目(黔科合重大專項字[2013]6024號); 貴州省國際科際合作計劃項目(黔科合外G字[2012]7022號)

第一作者：田漣祎(1991—),女(苗族),貴州省思南縣人,碩士研究生,研究方向為喀斯特旅游資源評價開發。E-mail:1206369102@qq.com。