貴州喀斯特地區典型小流域土壤理化性質對不同土地利用類型的響應

錢 旭， 廖小鋒， 謝元貴

(1.貴州省土地開發中心，貴州貴陽 550001； 2.貴州科學院貴州省山地資源研究所，貴州貴陽 550001；3.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州貴陽 550001； 4.貴州科學院，貴州貴陽 550001)

生境的嚴酷性和生態的脆弱性是喀斯特環境的基本特征，貴州省位于中國西南喀斯特區域，由于長期受到土壤侵蝕和人類強烈活動的干預，生態環境逐漸惡化，石漠化程度加重，水土流失加劇，使恢復治理成為一個大而慢的難題[1-2]。土壤的理化性狀是影響土壤肥力的內在條件，也是綜合反映土壤質量的重要組成部分，土地利用和管理是影響土壤變化的最普遍、最直接的因素，了解不同土地利用類型下土壤理化性質的差異，是合理利用土地資源、發展持續農林業的前提[3]。在小流域尺度，不同土地利用類型對土壤理化性質產生的影響不同[4]。關于土地利用類型對土壤理化性質的影響，國內學者在南方紅壤區、黃土高原區、干熱河谷區等水土流失嚴重的地區進行了大量研究[4-7]，而對于土地利用類型與喀斯特小流域土壤理化性質關系的研究較少。事實上，對于人為干預下不同土地利用措施對喀斯特土壤環境影響的研究仍有待突破[2，8]，研究其土壤理化性質特征將有利于喀斯特地區生態環境的保護和土地的可持續利用。

1 研究區概況

根據貴州喀斯特地區的分布情況，選取黔西南中低山丘陵喀斯特區典型小流域——安龍縣興隆鎮排冗河小流域(代號為QWSMHH)、黔東北低山丘陵喀斯特區典型小流域——江口縣壩盤鎮高墻河小流域(代號為QENLH)、黔北中山峽谷喀斯特區典型小流域——桐梓縣高橋鎮龍爪溝小流域(代號為QNMG)，共計3個典型小流域作為研究對象。

桐梓縣高橋鎮龍爪溝小流域地理位置為106°37′08″～106°40′17″E，28°04′20″～28°01′59″N，位于川黔南北構造帶與東北向構造帶的交接復合部位，屬于喀斯特低中山中切割侵蝕-溶蝕地貌，有亞熱帶季風氣候特征，水田土種為紫泥田，旱地為紫泥土，其他區域的土種為硅鋁質中層黃壤。

江口縣壩盤鎮高墻河小流域地理位置為108°53′07″～108°56′36″E，27°43′57″～27°47′07″N，位于貴州高原向湘西丘陵過渡的斜坡地帶，屬于喀斯特低中山深切割侵蝕-溶蝕地貌，有亞熱帶季風氣候特征，水田土種為紅泥田，旱地土種為硅鋁層薄層紅壤和硅鋁質厚層黃紅壤。

安龍縣興隆鎮排冗河小流域地理位置為108°34′39.5″～108°34′39.5″E，25°01′36″～25°8′01.36″N。地處南北盤江分水嶺位置，主要表現為喀斯特峰林盆地地貌，有亞熱帶季風氣候特征，地下水系十分發達，土壤以大眼泥田和薄層黃色石灰土為主。

研究區的自然植被主要為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林，種類較為豐富。桐梓縣高橋鎮龍爪溝小流域的植物主要為紫金牛科(Myrsinaceae)、安息香科(Styracaceae)、殼斗科(Fagaceae)、里白科(Gleicheniaceae)、禾本科(Gramineae)、大戟科(Euphorbiaceae)、菊科(Asteraceae)、薔薇科(Rosaceae)、茜草科(Rubiaceae)和百合科(Liliaceae)等。江口縣壩盤鎮高墻河小流域的植物主要為金縷梅科(Hamamelidaceae)、榆科(Ulmaceae)、蚌殼蕨科(Dicksoniaceae)、樟科(Lauraceae)、薔薇科(Rosaceae)、鱗始蕨科(Lindsaeaceae)、紫萁科(Osmundaceae)、獼猴桃科(Actinidiaceae)、葡萄科(Vitaceae)等。安龍縣興隆鎮排冗河小流域的主要植物為蘇鐵科(Cycas revoluta)、紅豆杉科(Taxaceae)、蘭科(Orchidaceae)、柏科(Cupressaceae)、松科(Pinaceae)、馬尾樹科(Rhoipteleaceae)、苦木科(Simaroubaceae)、紫葳科(Bignoniaceae)等。

2 試驗方法

2.1 采樣方法

根據研究區土地利用分布情況，對該小流域進行廣泛的實地調查，選擇不同地類的典型代表區，包括水田(PF)、旱地(DF)、林地(FF)。于2015年10月在選定的地類設置典型樣地，并在樣地內隨機挖取3個土壤剖面(深度50～100 cm)，分不同剖面層次取土樣，其中研究物理性質(包括容重、最大田間持水量和土壤孔隙度)的樣品采用環刀法取樣(容積200 cm3)。水田由上而下分為3個土層，即耕作層(PL)、犁底層(PP)和心土層(SL)。旱地和林地由上而下分為2個土層，即表土層或耕作層(PL)和心土層(SL)。將土壤樣品密封并迅速帶回實驗室，風干、磨碎、過篩后備用。

2.2 指標的測定方法

土壤理化性質的測定方法參照《土壤理化分析》[9]。其中，土壤總孔隙度Pt=(1-D/ρs)×100%。式中：Pt為土壤總孔隙度；D為土壤容重；ρs為土壤密度。毛管孔隙度Pc=土壤田間持水量(%)×D；非毛管孔隙度P0=Pt-Pc。在土壤化學性質方面，土壤全氮含量采用KT260凱氏定氮儀測定；全磷含量采用HClO4-H2SO4法測定；全鉀含量采用 HF-HClO4消煮火焰光度法測定；水解氮含量采用堿解擴散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；pH值采用pH計測定。

數據處理與分析采用Excel、SPSS 20.0軟件。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤的物理特征

3.1.1 土壤容重 土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，也是表征土壤質量的重要參數，土壤容重可以反映土壤的透水性和通氣性[2]。由圖1可知，土壤容重的變化幅度較小，在1.08～1.52 g/cm3間。在不同土地利用類型下，土壤容重在部分小流域大致表現為旱地>水田>林地；在不同土壤剖面，土壤容重表現為隨土壤深度的加深而增大，即心土層>犁底層>耕作層；3個喀斯特小流域則表現為黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域>黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域>黔北中山峽谷喀斯特地區典型小流域。

3.1.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度可以反映土壤的蓄水能力和通氣性能，可有效地調節土壤中水、肥、氣、熱環境，是評價土壤結構的重要指標之一[10]。由圖2可知，土壤孔隙度總體變化較小，在不同土地利用類型下，土壤孔隙度在黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域的部分土層表現為PF>FF>DF，在黔北中山峽谷與黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域的部分土層表現為FF>PF>DF；在不同的土壤剖面，土壤孔隙度表現為隨土壤深度的加深而減小，即表現為PL>PP>SL；3個喀斯特小流域土壤孔隙度整體表現為QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.1.3 田間持水量 土壤水分不僅是土壤系統養分循環與流動的載體，而且積極參與土壤中物質的轉化過程[11]。田間持水量是表征土壤水分狀況的一個指標，是重要的土壤肥力要素與土壤的重要物理性質之一[12]。由圖3可知，在不同土地利用類型下土壤田間持水量的變化方面， 黔北中山峽谷和黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域在耕作層表現一致，即表現為PF>FF>DF；黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域在耕作層表現為FF>PF>DF。在不同土壤剖面，土壤田間持水量表現為隨土壤深度的加深而減小，即表現為 PL>PP>SL。3個喀斯特小流域土壤田間持水量整體表現為QENLH>QNMG>QWSMHH。

3.2 不同土地利用類型土壤的化學特征

3.2.1 土壤pH值 土壤酸堿性是土壤的重要屬性，直接影響土壤中許多物理、化學及生物學的過程和性質[13]。由表1可知， 不同喀斯特小流域pH值的變化范圍在4.75～7.43之

間，基本為酸性土壤，最大值為QWSMHH旱地的心土層，最小值為QENLH旱地的耕作層。在不同土地利用類型下土壤pH值的變化方面，黔北中山峽谷喀斯特地區典型小流域表現為FF>PF>DF，黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域在耕作層表現為FF>PF>DF，黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域表現為DF>PF>FF。在不同的土壤剖面，土壤pH值與土壤容重的表現一致，隨著土壤深度的加深而增加，即表現為PLQNMG>QENLH。

表1 不同土地利用類型土壤pH值

3.2.2 土壤有機質含量 有機質是土壤中較活躍的組成部分，是土壤中具有結構和生物學特征的基本物質，有機質既是生命活動的條件，也是生命活動的產物[13]。由圖4可知，土壤有機質含量變化范圍較大，在5.09～44.82 g/kg之間，最高值出現在QENLH林地的耕作層，最低值出現在QNMG水田的心土層。在不同土地利用類型下有機質含量的變化方面，QWSMHH和QNMG表現類似，在耕作層表現為 PF>DF、FF，QENLH表現為FF>PF>DF。在不同的土壤剖面方面，有機質含量表現為隨土壤深度的加深而減小，即表現為PL>PP>SL。3個喀斯特小流域有機質含量整體表現為QENLH>QWSMHH>QNMG。

3.2.3 土壤氮磷鉀含量 氮、磷、鉀3種元素是植物生長所必需的三大營養元素，也是構成植物生命體的重要元素，在植物生長過程中占有重要地位[13]。

由圖5可知，土壤全氮含量變化范圍在0.45～2.64 g/kg之間，分別在水田的耕作層和心土層出現最大值和最小值。在不同土地利用類型下，耕作層全氮含量的變化表現為PF>FF>DF。在不同的土壤剖面，全氮含量表現為隨土壤深度的加深而減小，即PL>PP>SL。3個喀斯特小流域全氮含量整體表現為QENLH>QWSMHH>QNMG。

由圖6可知，土壤全磷含量范圍在0.36～1.20 g/kg之間，與全氮含量一致，2個極值分別出現在水田的耕作層和心土層。QNMG的耕作層全磷含量表現為FF>PF>DF，QENLH的耕作層全磷含量表現為PF>FF>DF，QWSMHH全磷含量在不同土地利用類型間的差異較小。在不同的土壤剖面，全磷含量表現為隨土壤深度的加深而減小，即PL>PP>SL。3個喀斯特小流域全磷含量整體上表現為QENLH>QNMG>QWSMHH。

由圖7可知，土壤全鉀含量范圍較大，在11.24～59.36 g/kg 之間，與全氮含量一致，2個極值分別出現在林地的耕作層和心土層。QNMG土壤全鉀含量表現為 FF>DF>PF，QENLH小流域全鉀含量在耕作層表現為FF>PF>DF，QWSMHH小流域表現為PF>DF>FF。在不同土壤剖面，全鉀含量隨土壤深度的加深而減小，表現為PL>PP>SL。3個喀斯特小流域全鉀含量整體表現為QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.3 土壤理化性質之間的相關性分析

相關性分析可揭示土壤理化性質間的相關關系，由表2可知，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相關，土壤容重與pH值呈極顯著正相關(P<0.01)，這3項指標與其他多數理化性質指標均呈顯著負相關，土壤容重與土壤總孔隙度、田間持水量呈極顯著負相關(P<0.01)。全鉀含量與土壤其他化學指標之間的相關性不顯著。土壤總孔隙度、毛管孔隙度、田間持水量、有機質含量、全氮含量、速效氮含量、全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量間呈顯著正相關，尤其是毛管孔隙度和田間持水量的相關系數最高(0.972)，其次為有機質和全氮含量的相關系數(0.953)。

表2 貴州喀斯特典型小流域土壤理化性質相關性

注：“**”表示在0.01水平顯著相關，“*”表示在0.05水平顯著相關。

4 結論與討論

典型小流域13個理化性質指標對旱地、水田、林地等土地利用類型的響應方式和響應強度不同，以同一土層為基礎分析不同小流域土壤理化性質在不同土地利用類型下的變化情況，結果顯示，林地和水田在土壤結構、質地、肥力上優于旱地。研究表明，不合理的毀林開墾和耕種破壞了土壤原有的結構，惡化了土壤質地，導致土壤容重增加，總孔隙度減少，不利于攔洪蓄水，使水土流失加重，土地退化，導致喀斯特土地石漠化[14]。人為干擾是影響上壤理化性質的主導因素，不合理的干擾強度大，土壤理化性質退化嚴重，控制不合理的人為干擾及恢復結構良好的地上植被對改善上壤質量具有重要意義[15]。本研究得出，不同土地利用類型對喀斯特山區土壤容重、孔隙度、毛管持水力等物理性質具有一定影響，與尹剛強等關于湘中丘陵地區的研究結果[16]一致；與陳超等對貴州省不同土地利用類型對土壤理化性質的研究結果[5]不盡相同。

不同土壤剖面層的分析結果表明，不同土地利用類型下3個典型小流域土壤理化性質的變化呈現出一定的規律，即隨著土壤層深度的加深，土壤容重和pH值逐漸升高，土壤總孔隙度和田間持水量逐漸降低，土壤有機質含量遞減，氮、磷、鉀3種元素大體表現為隨土層深度的加深而遞減，氮素表現出顯著的隨土層深度加深而遞減的規律，而磷、鉀2個元素的變化趨勢則具有一定的波動性。各耕作層pH值明顯低于犁底層和心土層，且低于各區域pH值的平均值，說明研究區土壤有一定的淋溶作用[17]。土壤養分含量呈現明顯的表聚性，土壤有機質、全氮、全磷含量均存在從上往下依次遞減的趨勢，而水田的鉀素含量呈現出自上而下先升高后降低的特點，造成這種現象的原因可能是由于腐殖質隨著時間的推移，由表層逐漸向下分解、轉化、累積，形成上層的有機質含量大于下層；而鉀的遷移性較強，易隨著水分向下淋溶，使得下層土壤鉀素含量發生改變，同時由于犁底層的透水性較差，使得速效鉀積聚在此層。三大營養元素在各土壤剖面層的變化趨勢存在不同，造成這種現象的原因可能有以下2點：(1)不同地類、不同作物對水分或養分的吸收能力、利用比例的差異使得土壤理化性質出現不同；(2)旱地和水田的施肥種類及施肥量造成的差異[18]。

黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域田間持水量、有機質含量、全氮含量、全磷含量、速效氮含量、速效磷含量最高；黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域土壤總孔隙度、田間持水量、速效氮含量、全磷含量、全鉀含量、速效鉀含量最低。也就是說，在3個喀斯特地區典型小流域中，黔東北低山丘陵喀斯特地區典型小流域土壤結構最好，肥力最高，而黔西南中低山丘陵喀斯特地區典型小流域土壤結構和肥力表現最差。以黔北中山峽谷喀斯特地區高橋鎮齋郎河、龍爪溝小流域為例，針對該小流域土壤肥力較差，養分含量不一，且存在一定的水土流失現象，建議對該小流域采取水土保持工程措施。如對坡地進行坡改梯，修建截流溝改變水流沖刷等措施；在水土流失嚴重的地段種植防護林，降低水土流失的風險。建議對該小流域的耕地適當施用有機肥，提高有機質含量；根據不同耕地養分的含量高低有針對性地施肥，做到“因地制宜”，減少不必要的浪費，盡量降低化肥對生態環境的影響。黔東北低山丘陵喀斯特地區高墻河小流域土壤質量較高，肥力較強，應在保護好現有耕地的基礎上適度開發，發展生態農業等特色產業，提高土地利用率。同時，采取水土保持措施降低水土流失的風險，提高耕地的保水保肥能力。黔西南中低山丘陵喀斯特地區排冗河小流域受水土流失的影響，土壤質量總體一般，農業生產力不高。建議對于該地區多種植經濟林和草地，加強對自然林地的保護；通過坡改梯等土地利用類型，蓄水保土，減輕土壤侵蝕，改善土壤質量，提高產量。

相關性分析表明，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相關，其余各指標呈負相關。土壤容重和土壤總孔隙度、田間持水量呈顯著負相關，毛管孔隙度和田間持水量及有機質和全氮含量呈顯著正相關。貴州喀斯特典型小流域土壤理化性質對不同土地利用類型的響應表明，與土壤的物理性質相比，土壤養分含量在不同土地利用類型下和不同小流域中的變化較為明顯，原因可能是施肥是較為常用且明顯影響土壤理化性質的方式，人為干擾中施肥對土壤化學性質的影響比改良土壤物理性質的影響大。有機質含量在林地的耕作層中最高，而在水田的心土層中最低的原因可能是林地的土表較為豐富的枯枝落葉，加厚了其腐殖質層，而水田土表的枯枝落葉較少，腐殖質自上而下地分解、轉化、累積，使得林地耕作層的有機質含量較高，而水田的心土層含量最低。旱地因為普遍施過氮肥，因此土壤全氮含量整體高于其他利用方式的土壤，而由于農作物對氮肥的吸收，因此造成表層(耕作層)的全氮含量低于底層。

參考文獻：

[1]Parise M，Closson D，Gutiérrez F，et al. Facing engineering problems in the fragile karst environment[J]. Engineering Geology for Society and Territory，2014，26(5)：479-482.

[2]田漣祎. 石漠化地區土壤性質對不同土地利用類型的響應研究[D]. 貴陽：貴州師范大學，2016.

[3]張源潤，董立國，蔡進軍，等. 半干旱退化山區不同土地利用類型土壤理化性質的特征研究[J]. 水土保持通報，2009，29(5)：65-68.

[4]唐柄哲，何丙輝，閆建梅. 川中丘陵區土地利用類型對土壤理化性質影響的灰色關聯分析[J]. 應用生態學報，2016，27(5)：1445-1452.

[5]陳 超，楊 豐，趙麗麗，等. 貴州省不同土地利用類型對土壤理化性質及其有效性的影響[J]. 草地學報，2014，22(5)：1007-1013.

[6]趙錦梅，張德罡，劉長仲，等. 祁連山東段高寒地區土地利用類型對土壤性狀的影響[J]. 生態學報，2012，32(2)：548-556.

[7]鞏 杰，陳利頂，傅伯杰，等. 黃土丘陵區小流域植被恢復的土壤養分效應研究[J]. 水土保持學報，2005，19(1)：93-96.

[8]Li Z Y，Jin Z J，Li Q. Changes in land use and their effects on soil properties in Huixian karst wetland system[J]. Polish Journal of Environmental Studies，2017，26(2)：699-707.

[9]南京土壤研究所.土壤理化分析[M]. 上海：上海科學技術出版社，1978.

[10]劉云鵬，張社奇，谷 潔，等. 不同土地利用類型對陜西黃河濕地土壤水分物理性質的影響[J]. 安徽農業科學，2011，39(5)：2725-2728.

[11]黃曉強，趙云杰，信忠保，等. 北京山區典型土地利用類型對土壤理化性質及可蝕性的影響[J]. 水土保持研究，2015，22(1)：5-10.

[12]蘇廣實，王世杰，胡寶清，等. 喀斯特小流域不同土地利用類型對土壤物理性狀和微生物的影響——以廣西都安澄江小流域為例[J]. 地球與環境，2013，41(1)：29-36.

[13]杜 昕. 長沙市不同土地利用類型對土壤理化性質及生態服務功能的影響[D]. 長沙：中南林業科技大學，2015.

[14]蘇廣實. 喀斯特小流域不同土地利用方式土壤物理性狀分析[J]. 安徽農業科學，2012，40(14)：8130-8132.

[15]李 生，任華東，姚小華. 土地利用類型對桂西北石漠化地區土壤理化性質的影響[J]. 水土保持通報，2013，33(3)：58-62，190.

[16]尹剛強，田大倫，方 晰，等. 不同土地利用類型對湘中丘陵區土壤質量的影響[J]. 林業科學，2008，44(8)：9-15.

[17]李建輝，李曉秀，張汪壽. 北運河下游不同土地利用類型下土壤剖面養分研究[J]. 安徽農業科學，2011，39(19)：11881-11883，11901.

[18]蔡 義. 彰武縣土壤養分變化狀況及改良對策[J]. 現代農業科技，2011，1(5)：280-282.