典型巖溶石山山坡土壤剖面水分分層性特征及其影響因素

摘要：【目的】揭示巖溶石山山坡土壤剖面水分的分層性及其與土壤理化性質間的相互關系，為我國南方巖溶地區石漠化治理、水土流失和巖溶水文過程等研究提供科學依據。【方法】選取典型巖溶石山山坡土壤剖面進行分層取樣，結合統計分析方法，研究巖溶石山地區土壤水含量的垂向分布特征及其影響因素，分析土壤剖面水含量的分層特征。【結果】巖溶石山山坡土壤剖面水含量具有明顯差異，變化范圍為34.66%～47.10%，平均值為38.15%，土壤質量水含量的最大值出現在35 cm深處。相關性分析結果表明，土壤質量水含量與有機質含量呈顯著正相關（P<0.05，下同），與pH呈顯著負相關，與中值粒徑相關性不顯著（P>0.05）；有機質通過改善土壤團聚體結構影響土壤質量水含量變化。土壤質量水含量及理化性質的變化具有分層性，地表至35 cm為表土層，35～85 cm為過渡層，85～115 cm為穩定層。【結論】巖溶石山地區土壤剖面水分具有明顯的分層性，是土壤性質、結構特征、根系活動、水分運動、化學淋濾作用及基巖界面綜合作用的結果，尤其應注意20～40 cm處植被根系活動及基巖界面對土壤剖面水分變化的影響。

關鍵詞： 巖溶石山；土壤質量水含量；理化性質；土壤分層；有機質；pH

中圖分類號： S152.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1196-08

0 引言

【研究意義】喀斯特環境是以地表、地下巖溶發育的二元結構性組成的獨特自然景觀，由于地表土壤淺薄且分布不均勻，加之不合理的人類活動影響，引起了嚴重的生態環境地質問題（王世杰，2003；袁道先，2003）。喀斯特、黃土、沙漠和寒漠被列為我國四大生態環境脆弱區（龍健等，2005）。巖溶區地表土壤水是影響生態環境、生物多樣性、水文循環及水環境保護的重要因素。因此，研究巖溶石山土壤水分分布規律，分析不同深度土壤理化性質與土壤水分的相互關系，對于防止石漠化、生態環境恢復、水土保持、表層巖溶帶調蓄及水文循環過程具有重要意義。【前人研究進展】影響土壤水分變化的因素較多，曹建華等（2003）研究指出，巖溶生態系統中的土壤黏粒含量高，當有機質含量高時具有良好的團粒結構，使得土壤有效水含量高，有防御水土流失的能力；王紅梅等（2004）、張志才等（2008）揭示了山坡地形、土壤特性、土地利用方式、植被、巖石界面等對土壤水分的重要影響；劉效東等（2011）研究表明，土壤孔隙度對土壤水含量的影響最大，飽和水含量、土壤有機質次之，并認為土壤有機質控制著土壤水含量及其有效性；張繼光等（2014）研究了桂西北洼地表層土壤水分的空間分布特征及其影響因素，指出不同季節土壤水分含量受前期降雨量的影響；張川等（2014）研究指出，土壤水含量與土壤容重、飽和導水率呈極顯著負相關；趙培等（2016）探討了淤地壩對坡地土壤水分含量的影響，結果表明，淤地壩對壩內坡地土壤平均水含量和土壤表層水分含量無明顯影響，僅增加了壩內坡地80～200 cm深土壤的水分含量。喀斯特地區脆弱的生態環境與地表土壤較少關系密切，巖溶區成土速度慢，土壤淺薄且不均勻，常分布在溶蝕裂隙、溶盤、溶蝕平臺和洞穴等特殊的小生境環境，以地表沖蝕和地下漏失的方式流失（唐益群等，2010；蔣忠誠等，2014），使得土壤水分具有空間變異性、空間相關性和尺度效應（陳洪松等，2013；王家文等，2013；付同剛等，2014；張川等，2014）。雖然很多學者對土壤水分時空變化特征及影響因素進行大量研究，但均以表層土壤水分研究居多（付同剛等，2014；張繼光等，2014），且主要集中在貴州和廣西環江等地區。【本研究切入點】由于巖溶區特殊的地質背景、地形地貌和水文地質結構的復雜性，以及生境的高度異質性和多樣性，對土壤剖面水分變化規律及其與土壤理化性質間的相互關系研究較少，還難以揭示巖溶石山地區土壤水分的分布規律及調控機理。【擬解決的關鍵問題】選取桂林典型巖溶石山山坡土壤剖面為研究對象，分析不同深度土壤理化性質與土壤水含量間的相互關系及其垂向分布特征，揭示喀斯特地區土壤水分的分層性及規律，為我國南方巖溶地區石漠化治理、水土流失和巖溶水文過程等研究提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

研究區位于廣西桂林市東南郊區8 km的丫吉試驗場內，屬于典型的亞熱帶濕潤地區峰叢洼地。土壤取樣點位于10號洼地東坡硝鹽洞洞頂的1號平臺上（東經110°22′24″，北緯25°15′06″），海拔227 m。區內屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛，分布不均勻，年均降雨量1886 mm，年均氣溫18.9 ℃。大氣降水主要集中在4～8月，其降雨量占年降雨量的70%，主要受東亞（東南）夏季風影響，多暴雨發生。從9月～翌年3月為旱季，其降雨量僅為年降雨量的30%，降雨受內陸或局地蒸發和冬季風控制，冬季降雨相對偏少。

從地形上看采樣點東壁為裸露的基巖陡坎，西面為硝鹽洞洞口巖壁（圖1）。取樣點平臺近似半圓形，面積約30 m2，土壤最大深度為1.40 m，該取樣點最大土壤深度為1.15 m。土壤性質為碳酸鹽巖風化的石灰土，從上往下依次為深棕色粉黏土（0～40 cm）、淺棕色黏土（40～90 cm）、黃泥土（90～140 cm）。表層土壤疏松，多顆粒狀，接近基巖面土壤黏重，水含量較高。土壤容重在10、50和90 cm深度處分別為0.9382、1.3467 和1.4038 g/cm3（陳國富等，2013）。植被根系主要集中于10～50 cm處，該采樣點周圍分布少量灌木。

試驗場內第四紀地層主要為殘坡積層，以灰褐色和褐黃色砂質黏土為主（袁道先等，1996），主要分布在西部峰林平原及峰叢洼地底部。各地貌部位土壤理化性質見表1，土壤呈斑塊狀分布且不連續，厚度在0～5.0 m，土壤覆蓋率約30%（何師意等，1997；呂保櫻等，2006）。硝鹽洞洞頂上覆蓋土壤厚度分布不均勻，介于0.3～1.5 m。植被主要以灌木叢為主，主要物種為黃荊（Vitex negundo）、檵木（Loropetalum chinnensis）、金竹（Phyllostachys sulphurea）、小果薔薇（Rose cy-

mosa）、老虎刺（Pterolobium punctatum）等（何師意等，2001）。

1. 2 樣品采集及測定方法

2015年8月利用AMS公司生產的定深土壤取樣器（Environmental Soil Sampling Kits）對土壤進行分層取樣，取樣間隔10 cm，共采集土壤樣品11份，取樣總深度115 cm，最深處為基巖面。取鉆頭下方新鮮的土樣1000 g，密封于塑封袋帶回實驗室測試土壤質量水含量、有機質、pH和顆粒組成等指標。

土壤質量水含量采用烘干法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，pH采用電位法測定，各指標測定均在中國地質科學院巖溶地質研究所測試中心完成。土壤顆粒組成分析在中國地質科學院水文地質環境地質研究所采用德國產馬爾文Mastersizer 2000粒度儀測試完成。

1. 3 統計分析

試驗數據采用Origin 8.5和SPSS 16.0進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 土壤剖面理化性質、質量水含量垂向分布特征

2. 1. 1 質量水含量 由圖2可看出，試驗點土壤剖面質量水含量具有明顯的差異性。在垂直剖面上，土壤質量水含量變化范圍為34.66%～47.10%，平均值為38.15%，隨著深度的增加整體呈先增大后變小的變化趨勢，在35 cm深度處出現土壤質量水含量最大值，85 cm深度處出現最小值，35～115 cm土壤平均質量水含量較表土層整體呈減小趨勢。

2. 1. 2 中值粒徑 由圖2可看出，土壤中值粒徑隨土壤深度的增加呈不規則的波動變化，變化范圍為10.02～15.42 μm，平均值為13.10 μm，最大值出現在35 cm深度處，最小值在65 cm深度，可能反映了巖溶區成土過程及土壤類型在深度上的變化特征。中值粒徑在35～85 cm范圍內變化不規則，尤其是65 cm處最小，可能與上下層土壤性質的轉變有關；85 cm至基巖面中值粒徑逐漸減小，可能與底層黏粒含量增加有關。

2. 1. 3 有機質含量 由圖2可看出，土壤有機質含量隨深度增加而減小，變化范圍在1.14%～6.36%。地表至35 cm深度有機質含量相對較高且變化較大；土下35～85 cm有機質含量變化幅度減小，85 cm至基巖面有機質含量趨于穩定。地表有機質含量較高是因為地表植被茂盛，枯枝落葉量多，微生物、動物活動強烈且根系主要集中在30～50 cm土層內，水—熱—氣條件較好使得地表有機質含量高。有機質含量在土壤剖面中的分布反映了土壤有機質和腐殖質在滲透水作用下的淋溶、遷移、淀積等作用（王金樂，2008）。

2. 1. 4 土壤pH 由圖2可看出，土壤pH整體呈先減小后逐漸增大的變化趨勢，變化范圍為6.48～7.45，平均值為6.99，接近于中性。pH最小值出現在25 cm深度處，最大值出現在土—巖界面處。

2. 2 土壤剖面顆粒組成

土壤機械組成是構成土壤結構體的基本單元，與其成土母質及其理化性質和侵蝕強度有關。通過對采樣點土壤剖面機械組成進行測定，結果（圖3）表明，土壤中粉粒占主體部分，黏粒次之，砂粒含量最少。各層土壤顆粒組成含量表現為細粉砂（4～16 μm）>中粉砂（16～32 μm）>黏土（<4 μm）>粗粉砂（32～63 μm）>砂（>63 μm）。細粉砂土壤表層（地面至25 cm深處）含量較高，25～55 cm含量較低，可能與植被根系主要分布于該層有關。細粉砂、黏粒含量的最高值出現在65 cm深處，中粉砂的最大值在35 cm深處，而粗粉砂和砂含量出現在85 cm深處。由此可看出，土壤剖面中可能存在由土壤性質控制的多個土壤臨界面，土體分層結構可能影響不同深度土壤水含量變化而具有分層特點。

按照國際制土壤分類標準中的土壤質地分類三角坐標（圖4），可判斷該取樣點的土壤質地為粉砂質壤土。黏土、細粉砂、中粉砂、粗粉砂和砂的平均含量分別為18.21%、40.54%、30.11%、10.75%和0.38%，中值粒徑平均值為13.10 μm。

2. 3 土壤理化性質及顆粒組成對剖面水含量的影響

對土壤理化性質與質量水含量間進行相關性分析，結果見圖5。從圖5-a可看出，土壤有機質和pH具有明顯的冪指數關系，地表有機質含量高、微生物、植被根系活動強烈使得表層土壤CO2和腐殖酸較高，因此地表pH較低。隨著土壤深度增加，有機質含量降低，pH增大。土壤水含量和有機質含量呈顯著正相關（P<0.05，下同），二者間的擬合方程為Y=1.51X+ 34.25（R2=0.53）（圖5-b）。土壤水含量與pH呈顯著負相關（R2=0.41）（圖5-c），與中值粒徑呈不顯著正相關（R2=0.09）（圖5-d）。雖然土壤水含量與中值粒徑相關性不顯著，但土壤顆粒組成在垂向上的變化直接影響土壤結構及孔隙度而控制土壤水含量的分層性。從圖5中還可看出，35 cm深處土壤水含量與有機質、pH和中值粒徑的相關性出現異常，偏離其線性擬合線，指示在20～40 cm深處土壤水含量及土壤理化性質均存在突變，可能是影響土壤營養元素、根系吸水及土壤碳匯等方面的重要土壤層位。

2. 4 土壤質量水含量的分層性及其特點

根據土壤剖面質量水含量變化，結合土壤有機質、pH和中值粒徑在垂向上變化規律（圖2），將土壤水分劃分為三層，即表土層、過渡層和穩定層（表2）。表土層為地表至35 cm深處，土壤質量水含量為41.12%～ 47.10%，平均值為43.28%，變異系數為6.25%；土壤質量水含量、中值粒徑和pH在表土層均呈先減小后增大的變化趨勢，有機質含量變化較大，變異系數為20.30%；該層主要受地表氣候條件和植被等影響明顯。過渡層為35～85 cm，土壤質量水含量為34.66%～ 47.10%，平均值為38.10%；土壤質量水含量在35～45 cm變化較大，土壤質量水含量、pH、有機質和中值粒徑在過渡層的變異系數均較大，該層處于土壤剖面的中間層，主要受根系活動、水分傳輸、淋濾作用等影響。穩定層為85～115 cm，土壤質量水含量為34.66%～37.26%，平均值為35.74%；各指標變異系數均最小，土壤質量水含量、pH和有機質均有增加趨勢；地表氣候條件和植被活動對該層土壤水分基本無影響，基巖面對該層土壤質量水含量有重要影響，土壤理化性質的變化受水分下滲和淋濾淀積作用影響。

3 討論

土壤質量水含量及理化性質在垂向上的分層特征綜合反映了土壤性質變化、結構特征、根系活動及水分運動、化學淋濾作用及基巖界面等因素的影響。本研究通過分析不同深度土壤質量水含量、中值粒徑、有機質和pH的分布規律及其之間的相互關系，得出有機質與土壤質量水含量呈正相關，且相關性最明顯，其主要是通過改善土壤團聚體結構控制土壤孔隙度而影響土壤質量水含量。有機質對土壤水分的控制作用，很多學者得出類似的結論。劉效東等（2011）指出土壤有機質通過改善土壤結構、增加孔隙度，增強土壤吸附作用而影響土壤水含量及其有效性；張繼光等（2014）研究表明，土壤水含量與土壤有機碳含量呈顯著正相關。雖然土壤顆粒組成與水含量相關性不明顯，不同粒徑含量在深度上的變化反映了土壤性質的改變，可能存在多個界面層引起土壤水含量的突變，從而決定土壤水分的分層界面。因此，在巖溶石山地區應充分考慮界面層處土壤有機質、pH、中值粒徑和土壤水含量的特殊性，對土壤呼吸作用、生物活動和植被水分利用具有重要作用（鄧艷等，2015）。Yang和Fu（2017）在研究西北黃土高原安家溝流域土壤水分遷移過程時指出40～60 cm深度處土壤水分對植物水分利用的貢獻最大，是植物根系吸水的主要來源。由于巖溶石山地區土壤淺薄不連續，小生境環境復雜，該土壤深度與黃土高原有所差異。本研究中35 cm深度土壤水含量最高，且35 cm深度土壤有機質、pH和中值粒徑均有較大變化，與植被根系活動有關。因此，確定巖溶區土壤剖面中水含量最高的深度范圍及植被根系吸水利用的主要來源位置，不僅對巖溶石漠化地區的生態環境治理有重要作用，而且20～40 cm處土壤水含量通過影響土壤呼吸作用而控制土壤中CO2濃度的動態變化，對于巖溶區水化學變化及巖溶碳匯研究具有重要意義。

在巖溶石山地區還應注意基巖界面對下層土壤水分的影響，這對于表層巖溶帶調蓄潛力研究具有重要作用。本研究中下層土壤水分有增加趨勢，一方面與土壤性質有關，在接近基巖界面處土壤主要為黃泥土，黃泥土顆粒細小，比表面積大，黏性高。土壤黏粒含量自表層到剖面底層均有富集現象，是由于受到土壤化學淋溶作用，土壤剖面中黏粒發生了淋濾淀積作用，造成土壤上松下緊，從而使得底層土壤水含量增加。張志才等（2008）的研究結果也表明，黃泥土水含量比石灰土水含量高13%～20%。另一方面，在土—巖界面處由于介質滲透差異通常會使土壤水含量變高（Ries et al.，2014）。

土壤剖面水分受眾多因素影響具有明顯差異（張志才等，2008），使其具有分層特點。土壤水分的分層性，有相關研究得出類似結論。龍健等（2005）研究表明，土壤剖面土體構型一般為A-B-C，表層A為腐殖質層或淋溶層，中間層為淀積層，下部C為母質層；Gao等（2015）在研究黃土高原土壤剖面水分時空變化特征時將土壤剖面劃分為三層，0～60 cm為不規則變化層，60～160 cm為規則變化，160～300 cm為相對穩定層。本研究中將土壤水分劃分為表土層（0～35 cm），過渡層（35～85 cm）和穩定層（85～115 cm），綜合反映了氣候、植被、土壤性質及結構、化學淋濾和基巖等多因素影響。郭小嬌等（2016）通過高分辨率土壤水分監測，指出土壤剖面水分變化主要受土壤—大氣、土壤—植被、土壤—基巖界面控制的氣候、植被蒸散發和介質滲透性差異影響，與本研究結果一致。在巖溶區小生境環境復雜且多樣化，土壤水分的分層深度具有明顯差異，應綜合考慮土壤物理化學性質變化、植被和下墊面條件而確定界面深度。下一步將加密采樣間隔和采樣點，分析土壤理化性質變化規律，確定土壤水分分層的界面深度。

4 結論

巖溶石山地區土壤剖面水分具有明顯的分層性，是土壤性質、結構特征、根系活動、水分運動、化學淋濾作用及基巖界面綜合作用的結果，尤其應注意20～40 cm處植被根系活動及基巖界面對土壤剖面水分變化的影響。

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（責任編輯 王 暉）