喀斯特地區不同等級石漠化土壤的理化性質

顏萍+熊康寧+王恒松+檀迪+郭杰+肖杰+李開萍

摘要： 以中國南方典型喀斯特地區不同等級石漠化的土壤為研究對象，運用野外定點取樣和實驗室分析測定方法，研究不同等級石漠化環境土壤理化性質特征，探討喀斯特地區不同等級石漠化土壤理化性質的變化規律，為喀斯特石漠化脆弱生態環境的綜合治理提供理論依據。結果表明： 土壤含水量和田間持水量呈現強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化；土壤容重在不同等級石漠化的差異性不顯著；隨著石漠化等級程度的增加，土壤有機質、氮素、磷素、鉀素含量有降低的趨勢；相關性分析表明，土壤含水量、有機質、全氮與其他土壤理化因子具有較強的相關性；主成分分析表明，土壤含水量、田間持水量、容重、孔隙度、有機質、氮素、磷素、鉀素是喀斯特地區不同等級石漠化土壤理化性質的關鍵因子，在改善土壤理化性質和促進土壤養分循環方面起著重要作用。

關鍵詞： 喀斯特；石漠化；土壤物理性質；土壤化學性質

中圖分類號： S153；S157 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0322-06

20世紀30年代，前蘇聯土壤學家威廉斯根據近代科學知識給土壤下了一個科學的定義：“土壤是地球陸地上能夠生長綠色植物收獲物的疏松表層”[1]。土壤的本質屬性是具有肥力，它是存在于地表的自然體，有自己的發生、發展過程，環境因素以及環境變化對土壤都會產生較大的影響。因此研究土壤一定要把土壤與周圍環境當作一個整體考慮[2]。

石漠化是在喀斯特脆弱生態環境下，人類不合理的社會經濟活動，造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產力衰退喪失，地表在視覺上呈現類似于荒漠化景觀的演變過程[3]。中國南方喀斯特地區，長期受強烈的碳酸鹽巖化學溶蝕作用產生了地表-地下雙層空間結構，土層淺薄，在強降雨作用下極易流失導致喀斯特地區的土質退化[4-6]，而人類不合理的土地利用加劇了該地區水土流失。水土流失使土壤肥力下降，養分流失，從而使得土壤退化、植被退化，最終使土地資源不能利用加重石漠化產生[7-9]。近年來，一些學者對喀斯特地區的土壤理化性質進行了大量研究，主要研究石漠化治理過程的土壤效應、植被退化對土壤有機質和養分的影響、土壤有機碳與容重的關系等等，這為喀斯特地區的石漠化治理工程提供了重要的科學依據和理論支撐。本研究試圖在前人的研究基礎上，通過對喀斯特地區不同等級石漠化土壤理化性質進行研究，認識喀斯特地區不同等級石漠化地區土壤理化性質變化規律，進而為實現喀斯特地區的石漠化治理提供量化指標。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

畢節市撒拉溪鎮朝營小流域，代表溫涼春干夏濕喀斯特高原山地輕-中度石漠化區，位于烏江上游段六沖河流域，流域總面積8 627.19 hm2，喀斯特面積占總面積的73.94%，屬喀斯特高原山地生態環境。朝營小流域屬六沖河流域，地處畢節市西南部，總面積5 633.30 hm2，平均海拔1 600 m，主要是高中山地貌類型，主要出露石灰巖、灰巖、砂頁巖，由于石灰巖地區基巖裸露面積大，土壤母質疏松，風化快，因而水土流失嚴重。植被主要是針闊葉混交林，主要土壤為黃壤，部分地區有山地黃棕壤、石灰土和砂頁巖。地貌類型多樣，地形破碎，耕地多分布于坡面上、臺地和山間谷地，常形成環山梯田和溝谷壩地。

1.2 土壤樣品采集

對研究區詳細踏查的基礎上，根據熊康寧等2002年提出的喀斯特石漠化強度分級標準[11]，選取喀斯特地區4種等級石漠化（強度石漠化、中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化），每種等級選擇具有代表性的3個10 m×10 m典型樣地為研究對象 （表1），共計12個樣地。于2013年8月，測定物理指標的土壤在每個樣地中心按蛇形方式各選3～5個采樣點用環刀取土，各點間距約2.5 m，帶回實驗室分析土壤水分含量、田間持水量和土壤總孔隙度等物理性質指標。同時，在每一樣地采集3～5個0 ～ 20 cm混合土樣，用四分法取約 1 kg 土樣帶回實驗室，共計36個土樣。依據《土壤理化分析與剖面描述》中的要求對土樣進行通風處自然風干，除去動植物殘體、樹葉等雜質，混合均勻后，用瑪瑙研磨將其粉碎并過100目尼龍篩，裝入塑封袋中用于土壤化學性質的測定。

1.3 分析項目與方法

土壤物理指標：土壤含水量、田間持水量、毛管持水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的測定主要采用環刀法[13-14]。化學指標：pH值采用水浸提-電位法（GB 7859—1987《森林土壤pH值的測定》）測定；有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱（GB 7857—1987《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》） 測定；全氮采用半微量開氏法（GB 7173—1987《土壤全氮測定法（半微量開氏法） 》） 測定；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法（GB 7852—1987《 森林土壤全磷的測定》） 測定；全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法（GB 7854—1987《森林土壤全鉀的測定》） 測定；堿解氮采用 FeSO4-Zn還原堿解擴散法（GB 7849—1987《森林土壤水解性氮的測定》） 測定；速效磷用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L 1/2H2SO4溶液浸提土壤樣品測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法（GB 7856—1987《森林土壤速效鉀的測定》） 測定。具體操作方法參見《土壤理化分析與剖面描述》[12]。

1.4 數據處理與分析

應用 Excel 2003 軟件對數據進行圖表統計，以SPSS 19.0 軟件進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比較分析（LSD最小顯著性差異法）、皮爾遜（Pearson）相關性分析和主成分分析等，用Origin 8.5 軟件進行繪圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同等級石漠化土壤的物理性質分析

2.1.1 土壤含水量與持水量 不同等級石漠化對土壤含水量、田間持水量和毛管持水量產生一定的影響，研究（圖1）表明，土壤含水量、田間持水量表現為強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化。潛在石漠化的土壤含水量均值為27.65%，顯著高于中度石漠化和強度石漠化（P<0.05），與潛在石漠化相比，輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化的土壤含水量分別降低了11.28%、44.34%、48.35%。潛在石漠化的田間持水量均值為32.12%，顯著高于中度石漠化和強度石漠化（P<0.05），與輕度石漠化無顯著性差異，相比潛在石漠化，輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化的土壤田間持水量分別降低了8.44%、26.59%、29.98%。潛在石漠化的毛管持水量均值為25.49%，與輕度石漠化有顯著性差異（P<0.05），與中度石漠化和強度石漠化無顯著性差異（P>0.05），相比潛在石漠化，輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化的毛管持水量分別降低了32.88%、23.46%、21.11%。

2.1.2 土壤容重 土壤容重是土壤肥瘦和耕作質量的重要指標，研究（圖2）表明，研究區樣地土壤容重在不同等級石漠化差異不顯著（P>0.05），均值1.34～1.42 g/cm3，表現為輕度石漠化>潛在石漠化>中度石漠化>強度石漠化的分布規律。與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化的土壤容重分別增加了1.49%、5.97%、2.24%，其中輕度石漠化的土壤容重增幅最大，其次是潛在石漠化和中度石漠化。

2.1.3 土壤孔隙度 研究（圖3）表明，不同等級石漠化土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均無顯著性差異（P>0.05）。強度石漠化土壤的總孔隙度均值為49.73%，與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別降低了1.49%、5.23%、1.71%，其中輕度石漠化降低的幅度最大。強度石漠化土壤的毛管孔隙度均值為27.22%，與強度石漠化相比，中度石漠化降低了1.80%，輕度石漠化降低了10.8%，而潛在石漠化增加了27.81%。強度石漠化土壤的非毛管孔隙度均值為22.52%，與強度石漠化相比，中度石漠降低了1.15%，輕度石漠化增加了1.42%，潛在石漠化降低了37.43%。

2.2 不同等級石漠化土壤的化學性質分析

2.2.1 土壤pH值與有機質 研究（圖4）表明，不同等級石漠化的土壤pH值差異不顯著，均值6.05～6.43，其中輕度石漠化環境的土壤pH值均值最高，為6.43，與輕度石漠化相比，強度石漠化、中度石漠化和潛在石漠化分別降低了 0.47%、5.91%、4.66%。說明研究區的土壤屬于微酸性土壤（5.5～6.5） [1]，基本滿足農業生產的需要。有機質的均值為32.91～ 40.14 g/kg，強度石漠化土壤的有機質（均值32.91 g/kg），與輕度石漠化、潛在石漠化差異顯著，與中度石漠化差異不顯著。與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別增加了9.02%、21.97%、21.36%。

2.2.2 土壤氮素 研究（圖5）表明，強度石漠化土壤的全氮含量與中度石漠化差異不顯著，與輕度石漠化和潛在石漠化差異顯著，均值1.14～2.01 g/kg，呈現強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化的趨勢，與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別增加了 23.68%、57.89%、76.32%，輕度石漠化與潛在石漠化土壤顯著升高（P<0.05），說明隨石漠化等級的加強，全氮含量逐漸減小。研究區土壤堿解氮均值為104.97～154.45 mg/kg，強度石漠化土壤堿解氮含量最低，為104.97 mg/kg，顯著低于輕度和潛在石漠化土壤（P<0.05）。

2.2.3 土壤磷素 研究（圖6）表明，強度石漠化的全磷與中度石漠化差異不顯著，與輕度石漠化和潛在石漠化差異顯著，表現為強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化的趨勢，均值1.06～1.81 g/kg，與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別增加了34.91%、50.94%、70.75%，其中輕度石漠化的增加幅度最大，潛在石漠化和輕度石漠化的土壤全鉀含量顯著高于中度石漠化和強度石漠化（P<0.05）。潛在石漠化的速效磷與強度石漠化、中度石漠化、輕度石漠化差異顯著（P<0.05），均值 23.09～33.50 g/kg，隨著石漠化等級程度的增加，土壤速效磷有降低的趨勢，與潛在石漠化相比，強度石漠化、中度石漠化和潛在石漠化分別降低了 28.66%、24.44%、31.07%。

2.2.4 土壤鉀素 研究（圖7）表明，不同等級石漠化土壤的全鉀與速效鉀均呈現強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化的趨勢。強度石漠化的全鉀含量顯著低于中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化（P<0.05），與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別增加了2659%、39.21%、73.54%。強度石漠化的速效鉀含量顯著低于中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化（P<0.05），與強度石漠化相比，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別增加了23.59%、39.75%、43.27%，其中潛在石漠化增加幅度最大。

2.3 喀斯特石漠化環境土壤理化性質的相關性分析

從表2分析可知，喀斯特地區不同等級石漠化的土壤理化性質之間具有較明顯的相關性。土壤含水量與田間持水量、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀呈極顯著正相關（P<0.01），與有機質呈顯著正相關（P<0.05）。有機質與田間持水量、全氮、全鉀呈極顯著正相關（P<0.01），相關系數分別為0.738、0.845、0.715，與毛管持水量、容重、毛管孔隙度呈負相關關系，與土壤含水量、速效鉀呈顯著正相關（P<005），相關系數分別為0.680、0.624。全氮與有機質的相關系數為0.845，達到極顯著正相關，與土壤含水量、田間持水量、全磷、全鉀、速效鉀呈極顯著正相關（P<0.01），與堿解氮、速效磷呈顯著正相關（P<0.05），相關系數分別為0.622、0.670，而全氮與毛管持水量、總孔隙度、非毛管孔隙度的相關性不大。由此可見，土壤含水量、有機質、全氮與土壤其他理化因子具有較強的相關性。

2.4 喀斯特石漠化環境土壤理化性質的主成分分析

通過主成分分析喀斯特石漠化環境土壤的含水量、田間持水量、毛管持水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀，共15個理化性質指標（表3）。研究表明，主成分1的貢獻率為67.972%，主成分2的貢獻率為26.421%，累積貢獻率達94.393%，且特征值均大于1。說明前2個主成分保留了喀斯特不同等級石漠化土壤理化性質的絕大部分信息。因此選取這2個主成分作為評價石漠化特征主成分分析的依據。從表3分析可知，主成分1中，土壤含水量、田間持水量、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀所占權重系數較大，說明主成分1反映了土壤含水量、田間持水量、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀來表征喀斯特石漠化環境的信息。主成分2中，容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度所占權重系數較大，說明主成分2主要反映了容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度表征喀斯特石漠化環境的信息。綜上分析可知，不同等級石漠化的土壤含水量、田間持水量、容重、孔隙度、有機質、氮素、磷素、鉀素是土壤理化性質的關鍵因子，在改善土壤土壤養分循環、對土壤結構的形成和穩定中具有重要作用。

3 結論與討論

喀斯特地區的土壤質量隨石漠化等級的加強而降低，研究表明不同等級石漠化環境土壤物理性質存在顯著差異。土壤含水量的多少，直接影響土壤的適耕性和植物的生長發育[13]。田間持水量是毛管水達到最大時的土壤含水量[14-16]。本研究表明土壤含水量和田間持水量均有強度石漠化<中度石漠化<輕度石漠化<潛在石漠化的變化趨勢。毛管持水量是土壤含水量超過最大分子持水量后，在毛管力的作用下，保持在毛管空隙里的水[17]。潛在石漠化的毛管持水量均值最高，是因為潛在石漠化進行坡改梯后地表徑流對土壤沖刷能力降低，保水能力增加。

土壤容重是指單位容積干土壤體（包括土壤孔隙和圡粒體積）的質量，它反映了土壤堅實度和孔隙度的大小[15，18]，本研究表明容重在不同等級石漠化的差異性不顯著，均值 1.34～1.42 g/cm3，輕度石漠化土壤的容重最大，這與前人的研究結果有顯著區別，劉云等2009年的研究結果為強度石漠化>中度石漠化>輕度石漠化>潛在石漠化[19]。之所以會出現這種變化，是因為隨著石漠化的治理，輕度石漠化和潛在石漠化的土地利用方式被改變，受人為干預較大，農用后人為踩踏頻繁，導致土壤容重增大。強度石漠化屬于原生態環境，受人為干預較小，體現為土壤容重也較小。

總孔隙度均值為47.13%～49.73%，從農業生產需要來看，旱作土壤耕作層的土壤總孔隙度為50%～56%，本研究的結果說明研究區土壤總孔隙度偏低，表明以壤土為主，仍需對研究區土壤摻沙摻黏改良土壤質地使之達到植物生長適宜的空隙范圍。非毛管孔隙度在不同等級石漠化環境無明顯差異，這與盛茂銀等在研究中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質的響應時得到的結果[20]一致，說明非毛管孔隙度與石漠化的等級程度相關性不大。

土壤pH值是土壤形成過程綜合因子作用的結果，是土壤很多化學性質特別是鹽基狀況的綜合反映[21-24]。本研究表明研究區的土壤屬于微酸性土壤（5.5～6.5），基本滿足農業生產的需要。土壤有機質中含有作物生長所需的各種養分，可直接或間接地為作物生長提供N、P、K、Ca、Mg、S和各種微量元素，能夠改善土壤理化性狀和提高土壤保水、保肥性能等[25-26]。研究表明，輕度石漠化的土壤有機質含量最高，潛在石漠化次之，這是由于在石漠化治理過程中，施加了有機肥，提高了農田的土壤肥力。土壤氮素是一種以生物來源為主的營養元素，全氮是土壤氮素養分的儲備指標，在一定程度上說明土壤氮的供應水平[20-21]。研究表明全氮含量呈現潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化，堿解氮含量呈現輕度石漠化>潛在石漠化>中度石漠化>強度石漠化，說明輕度和潛在石漠化的土壤氮素供應能力高于強度和中度石漠化。土壤全磷和速效磷含量是衡量土壤養分容量和強度水平的重要指標[19-21]。陳洪云等[27]研究表明，全磷含量呈現潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化的趨勢，本研究結果與之一致，可見石漠化等級越高，土壤的磷素含量越低。全鉀和速效鉀含量主要反映土壤供鉀能力[21]。熊康寧等[28]和黃金國等[29]研究表明，隨著石漠化等級程度的增加，土壤鉀素含量有降低的趨勢，本研究結果與之基本一致，主要原因是從潛在石漠化到強度石漠化，植被覆蓋度降低，枯枝落葉減少，巖石裸露率增大，水土流失加強，導致土壤的營養元素流失。

不同等級石漠化環境土壤理化性質相關性分析表明，土壤含水量、有機質、全氮與土壤其他絕大多數理化因子具有明顯的相關性。土壤含水量與田間持水量、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀相關性呈極顯著正相關。總孔隙與毛管孔隙度呈極顯著相關關系，與Wang等[30]2013年的研究結果一致，說明土壤的總孔隙度與毛管孔隙度有緊密的聯系。土壤有機質與田間持水量、全氮、全鉀呈極顯著正相關，與含水量、速效鉀呈顯著正相關，與容重呈負相關，這與魏強等2012年得到的結論相似[31]，這是因為土壤一經開墾，并連續耕作之后，有機質含量發生變化，導致土壤的養分循環也發生變化，說明有機質是研究土壤理化性質的重要指標，在促進養分循環方面具有重要作用。通過主成分分析喀斯特石漠化環境土壤的15個理化性質指標可知，不同等級石漠化的土壤含水量、田間持水量、容重、孔隙度、有機質、氮素、磷素、鉀素是土壤理化性質的關鍵因子，在改善土壤養分循環方面，對土壤結構的形成和穩定具有重要作用。主成分1和主成分2能反映所有指標信息量的94.39%，評價結果具有很高的代表性并且與實際情況相符，表明主成分分析方法能準確、客觀反映喀斯特地區的土壤理化性質表征的石漠化信息，為石漠化生態治理提供科學依據。

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