石灰巖與白云巖坡地土壤飽和導水率對比研究

孟凡德, 彭 韜, 王世杰, 蔡先立, 張 林

(1.中國科學院 地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550002;

2.普定喀斯特生態系統觀測研究站, 貴州 普定 562100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

石灰巖與白云巖坡地土壤飽和導水率對比研究

孟凡德1,2,3, 彭 韜1,2, 王世杰1,2, 蔡先立1,2, 張 林1,2

(1.中國科學院 地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550002;

2.普定喀斯特生態系統觀測研究站, 貴州 普定 562100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

摘要：[目的] 對比研究不同下墊面特征和土地利用方式對兩類坡地表層土壤性質及其土壤飽和導水率(Kspan)的影響。[方法] 以喀斯特地區不同巖性下墊面的石灰巖和白云巖兩類坡地表層土壤為研究對象，采用Guleph穩定入滲儀和土壤分析的方法。[結果] (1) 石灰巖和白云巖表層土壤在受到放牧作用影響后，土壤均呈現顯著退化趨勢，其容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質含量降低。(2) 石灰巖和白云巖兩類坡地表層土壤在未受到人為干擾的自然植被條件下，由于表層巖溶帶的發育，Kspan都很高，平均值分別為328.6和257.2 mm/h。其中，石灰巖坡地相比白云巖坡地，Kspan具有更高的空間變異性，二者Kspan變異系數變化范圍分別為90.71%～95.62%和59.60%～67.32%。(3) 受到放牧作用影響后，石灰巖和白云巖坡地表層土壤Kspan相比自然植被狀態下呈顯著降低趨勢，Kspan分別降低52.2%和86.7%，白云巖坡地Kspan降低程度大，高于石灰巖坡地。

關鍵詞：石灰巖; 白云巖; 喀斯特; 飽和導水率(穩滲率); 土壤

土壤飽和導水率(Ks)是土壤全部孔隙都充滿水的情況下，在單位梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]，易受土壤容重、質地、土壤結構、有機質含量、土地耕作利用方式等諸多因素影響[2-4],且空間變異性強[5]。飽和導水率對于土壤是一個常數[6]，對表征水分的入滲能力，影響水分入滲、徑流產生及蒸散三者之間的分配關系具有重要作用[7]，是決定水分循環過程的重要參數之一[8]。同時，作為研究水分、溶質在土壤中運動規律的重要土壤水文參數[7]，在土壤水分、溶質(鹽分、養分)運移動力學模擬研究中，也發揮著重要作用[9]。因此，研究土壤飽和導水率對評價水源涵養、土壤水鹽運移模擬計算、生態恢復及土壤水分的有效利用與管理具有重要的意義。

目前對于土壤導水率的研究，多集中于非喀斯特地區，且研究內容多數集中在測定方法和模型預測，以及土壤有機質、植被覆蓋度、土壤容重、不同土地利用類型等因素對土壤飽和導水率的影響上。而對于喀斯特地區的不同干擾方式對坡地土壤飽和導水率的影響研究相對較少；而且，對于同一地區不同巖性背景條件下(石灰巖和白云巖)的喀斯特坡地土壤導水性能的對比研究還幾乎未見報道。

喀斯特山區坡地多以石質或土石質坡地為主，土層淺薄，入滲強烈。石質或土石質喀斯特坡地年均地表徑流系數低于5%，90%以上的降雨通過土壤和表層巖溶帶入滲到地下，表層巖溶帶的發育對坡地水分入滲具有重要影響[10]。但喀斯特地區，地質背景復雜，巖性差異較大，以石灰巖和白云巖為下墊面的喀斯特坡地由于二者礦物組成和風化速率上的差異，導致兩類坡地呈現出不同的巖石和土壤組成與結構(巖土組構)特點[11-12]，進而可能對以石灰巖和白云巖為下墊面的兩類喀斯特坡地土壤入滲過程及其空間變異性產生影響。

為此，本文根據土地利用類型(林地、灌草地)和人為干擾方式(放牧、未放牧)，分別選擇以石灰巖和白云巖為下墊面的兩類喀斯特坡地開展表層土壤飽和導水率研究。并結合坡地土壤性質，對比分析兩類坡地巖土組構特征、土地利用和人為干擾方式對表層土壤飽和導水率及其空間變異性的影響，為揭示喀斯特不同巖性背景坡地土壤水分運移規律、水土保持措施以及生態恢復建設提供理論依據和基礎數據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于貴州省普定縣陳家寨(地理位置為北緯26°20′30″—26°21′37″，東經105°48′36″—105°49′12″)和陳旗流域(北緯26°15′36″—26°15′56″，東經105°43′30″—105°44′42″)，兩地相距20.5 km。氣候條件相同，多年年均降雨量約為1 300 mm，年平均氣溫為14 ℃。其中，陳家寨所選樣地下墊面均為白云巖，地層為三疊系下統第2段永寧鎮組；陳旗所選樣地下墊面均為石灰巖，地層巖性均為三疊系中統第2段關嶺組。

研究區內農業活動強烈，人為干擾方式除坡耕地外，主要以放牧為主。根據植被覆蓋條件和人為干擾方式在陳家寨白云巖坡地選擇了白云巖柏樹林—灌叢地和白云巖放牧灌草地兩類樣地。其中，柏樹林—灌叢地正處于封山育林恢復期，主要植被為柏樹林和低矮灌叢，人為活動干擾程度較??；白云巖放牧灌草地人為干擾嚴重，樣地內有稀疏灌叢分布，以灌草為主，是陳家寨主要放牧地點之一。陳旗流域選擇樣地為石灰巖常綠落葉闊葉混交林地和石灰巖放牧灌草地。其中，常綠落葉闊葉混交林人為干擾程度小，已封山育林近20 a，植被覆蓋好；石灰巖放牧灌草地人為活動強烈，放牧現象嚴重，巖石裸露較多(基巖裸露率>50%)，植被覆蓋條件差，主要為稀疏灌叢和草本植物。

1.2　研究方法

1.2.1樣地設置及采樣方法根據地層巖性、植被覆蓋條件和人為干擾方式，分別在陳家寨白云巖區域和陳旗石灰巖區域內各選擇2個坡地作為研究樣地。陳家寨2個樣地分別為柏樹林—灌叢地和白云巖放牧灌草地，每個樣地內設置1個10 m×10 m的樣方；陳旗2個樣地分別為常綠落葉闊葉混交林和石灰巖放牧灌草地，其中常綠落葉闊葉混交林樣地內設置4個10 m×10 m的樣方，石灰巖放牧灌草地設置2個10 m×10 m的樣方。白云巖坡地土面平整且連續分布，生境類型較單一，全部歸為土面，樣點選擇采用S型法則；陳旗小流域樣地內生境條件復雜，存在土面、土石面、石溝和石縫等小生境，采樣點主要選擇所占面積權重比例較大的土面、土石面和石縫3類小生境對其表層土壤樣品采集并開展入滲試驗。土壤樣品采集點位于土壤飽和導水率試驗點周邊表層土壤(0—15 cm)，采樣深度與飽和導水率試驗土層深度一致。

1.2.2土壤性質測定土壤容重測定采用環刀法[13]。土壤比重采用比重瓶法[14]。土壤孔隙度結果由孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100計算得到。土壤有機質含量測定采用TOC法，利用元素分析儀測定土壤樣品的TOC值，再用TOC值乘以轉化系數(總有機碳與有機質轉化系數1.724)得到土樣有機質含量[15]。土壤粒度分析采用英國馬爾文公司Mastersize 2000型激光粒度儀測定[16]，土壤粒度分級采用國際制標準。

1.2.3土壤飽和導水率測定土壤飽和導水率試驗采用美國Guelph土壤入滲儀。通過2次測定水頭高度分別為H1=5 cm，H2=10 cm的入滲率來計算土壤的飽和導水率Ks值[17]。計算公式為：

Ks=0.004 1×X×R2-0.005 4×X×R1

(1)

Ks=0.004 1×Y×R2-0.005 4×Y×R1

(2)

式中：R1——土壤入滲儀水頭(cm)；H1=5 cm的水頭下降穩定速率；R2——土壤入滲儀水頭(cm)；H2=10 cm的水頭下降穩定速率；X=35.22，應用外層蓄水罐時的計算參數；Y=2.16，應用內層蓄水罐時的計算參數。

2結果與討論

2.1　石灰巖與白云巖坡地土壤特征

以石灰巖和白云巖為下墊面的兩類坡地土壤性質存在較大差異，表1為各樣地表層土壤基本性質。

以石灰巖為下墊面的坡地土壤肥沃，具有較高的有機質含量、孔隙度以及較好的土壤結構。土壤有機質變化范圍為7.3%～12.0%，容重變化范圍為0.8～1.0 g/cm3，孔隙度變化范圍為57.3%～65.9%，黏粒含量變化范圍為11.4%～16.3%。相比下墊面為石灰巖的坡地土壤，白云巖坡地土壤，有機質含量較低(7.1%～10.7%)，土壤容重較大(1.0～1.1 g/cm3)，孔隙度較低(57.1%～62.5%)，砂粒含量較高(29.2%～33.1%)。表明兩類坡地土壤性質總體上受控于風化成土過程，土壤與下伏基巖具有明顯的繼承關系[18]，是碳酸鹽巖中酸不溶物原地風化殘積的產物[19]。由于石灰巖中方解石礦物顆粒結構致密,粒間孔隙度小,溶蝕速率大；而白云巖主要礦物白云石晶間孔隙分布較均勻,溶蝕作用以擴散為主，溶蝕速率較低[20](為石灰巖的1/30～1/60)。因此，風化成土過程中，白云巖坡地土壤砂粒含量普遍明顯高于石灰巖坡地土壤，土壤熟化程度差。

表1　不同樣地表層土壤理化性質

另外，土地利用方式的改變對兩類坡地土壤性質具有較大影響。由林地轉變為放牧灌草地后，兩類石灰巖和白云巖坡地表層土壤容重分別增大了22.9%和12.2%，黏粒含量分別大增了43.6%和12.7%，有機質含量分別減少了39.2%和33.5%，孔隙度分別減少了13.1%和8.6%。長期放牧的影響，動物踩踏作用強烈，導致坡地植被遭受破壞，植被覆蓋度降低，凋落物減少。

同時，坡地表層土壤性質也隨之發生變化,坡地土壤退化，土壤有機質含量降低，表層土壤總孔隙度減少,容重增大。另外，隨著植被覆蓋度的減少，陽光直接照射到地表，凈輻射或凈有效能減少，導致晝夜溫差大，土體板結，土壤結構遭到破壞，緊實度增強[21]。

此外，在非喀斯特地區，放牧導致了水蝕作用增強，細顆粒物質流失，坡地土壤易砂化[22]。但在喀斯特地區坡地土壤流失量低，細顆粒物質發生局部搬運，可能填入土壤孔隙，導致黏粒含量增加。因此，兩類喀斯特坡地由林地轉變為放牧灌草地后，表層土壤均呈現出相似的變化趨勢，容重和黏粒含量增加、孔隙度和有機質含量減小。

2.2　石灰巖與白云巖坡地土壤飽和導水率

不同巖性和土地利用方式導致喀斯特坡地表層土壤飽和導水率呈現較大差異(表2)。

表2　石灰巖與白云巖坡地表層土壤飽和導水率

由于喀斯特坡地表層巖溶帶的發育，總體上，覆蓋于表層巖溶帶上方的兩類坡地土壤飽和導水率均較高，變化范圍分別為157.3～328.6和34.1～257.2 mm/h(表2)。但兩類坡地不同的巖土組構特征，也導致了兩類坡地土壤飽和導水率存在差異。白云巖礦物孔隙分布較均勻,在構造應力作用下,表層巖溶帶易產生均勻且密集的裂隙,裂隙張開度小，溶蝕作用形成類似海綿狀的微溶孔，成為地下水良好的存儲和運移空間。同時，土壤中由于含有較高砂粒和碎石含量(表1)，也有利于土壤水分入滲[23]。而石灰巖結構致密,粒間孔隙度小,溶蝕作用過程中，受到各種構造應力作用易產生不均勻分布的張性節理裂隙，裂隙的開度較大，降雨主要通過土壤與巖石突變接觸的巖土界面向地下運移[24]。因此，石灰巖坡地土壤飽和導水率高于白云巖坡地。

從空間變異性來看，兩類坡地對應土壤飽和導水率的變異系數差別較大，石灰巖坡地表層土壤飽和導水率的空間變異性要顯著高于白云巖坡地(表2)。石灰巖土壤飽和導水率的變異系數變化范圍是90.7%～95.6%，白云巖土壤飽和導水率的變異系數變化范圍是59.6%～67.4%。由于兩類坡地巖土組構特征差異，石灰巖坡地土壤被出露基巖分割，導致地表呈現不同類型的地塊(如厚層土面覆蓋，薄層土面覆蓋，土壤充填溶蝕裂隙等)與出露基巖呈斑塊狀分布特點，異質性強。而白云巖坡地受整體風化作用影響，風化殼剖面往往具有統一的基底，土壤相對連續均勻的分布在地表，因此巖土組構特點相對石灰巖坡地單一，土壤飽和導水率的變異系數較小。

2.3　土地利用方式對土壤飽和導水率影響

在林地自然植被條件下，石灰巖和白云巖坡地表層土壤飽和導水率高，Ks平均值分別為328.6和257.2 mm/h(表2)。已有研究表明，森林土壤飽和導水率普遍高于灌草地，在林地條件下，隨著植被覆蓋度增加，土壤入滲率呈冪函數增大[25]。與之相似，良好的喀斯特森林植被覆蓋條件，在維持土壤結構和水文功能上發揮著重要的作用。森林植被特別是林地枯落物的分解，可以提高土壤有機質的含量，調控土壤微環境，增加土壤動物和微生物的活動，產生團聚體[26]，從而改善土壤的孔隙狀況,提高土壤水分的滲透速度。同時，森林植被根系網絡發育廣泛，土壤動物活動性強，都有利于土壤大孔隙的形成，增強入滲。因此，在林地自然植被條件下，兩類坡地土壤均具有較高的土壤飽和導水率。

在放牧干擾方式影響下，兩類坡地表層土壤飽和導水率均顯著降低(圖1)。白云巖和石灰巖土壤飽和導水率平均值分別為34.1和157.3 mm/h(表2),但白云巖坡地飽和導水率下降程度明顯高于石灰巖坡地,降幅分別為86.7%和52.1%。造成差異的原因可能與兩類坡地的巖土組構特征有關。石灰巖坡地土壤分布不連續，受到出露基巖的分割，易形成土面、土石面、石溝石縫等土體斑塊。在某些易受放牧影響的地塊(如土面、土石面)，受踩踏作用和降雨濺蝕作用影響，土壤退化嚴重，土體板結，土壤飽和導水率顯著降低；而在某些地塊(如石溝和石縫)，仍有較好的植被覆蓋，降雨或徑流仍可通過垂向發育的巖—土界面向垂向方向運移，進入表層巖溶帶，因此，在石灰巖放牧坡地，此類地塊的飽和導水率仍能維持在較高水平[24]。相反，白云巖坡地由于土壤較為均勻地分布于地表，在放牧踩踏和降雨濺蝕作用影響下，坡地表層土壤整體受到影響，表層土壤團聚體破壞，容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質含量減小，飽和導水率降低。此外，已有研究表明，表層碎石嵌入土壤，將導致土壤孔隙堵塞，減少土壤水分入滲[27]。白云巖坡地地表分布大量碎石，在踩踏作用下，大量碎石嵌入表層土壤，亦會對降低白云巖坡地土壤飽和導水率起到一定的作用。

注：HCLL.石灰巖常綠落葉闊葉混交林； HFG.石灰巖放牧灌草地； BSL.白云巖柏樹林—灌叢地； BFG.白云巖放牧灌草地。

圖1石灰巖與白云巖坡地土壤飽和導水率對比

3結 論

(1) 以石灰巖和白云巖為下墊面的兩類坡地土壤性質存在較大差異。相對白云巖土壤，石灰巖土壤具有較高的有機質含量、孔隙度以及較好的土壤結構，而白云巖土壤養分含量低，砂粒含量較高。當土地利用方式由林地轉變為放牧灌草地后，兩類坡地表層土壤均呈現容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質含量降低的特點。

(2) 由于喀斯特坡地表層巖溶帶的廣泛發育，兩類巖性的坡地表層土壤飽和導水率在自然植被條件下均很高，分別為328.6和257.2 mm/h。受到巖土組構影響，兩類坡地表層土壤飽和導水率的變異系數呈現較大差異。石灰巖坡地相比白云巖坡地，其Ks具有更高的空間變異性。

(3) 當土地利用方式轉變為放牧干擾方式后，兩類坡地表層土壤飽和導水率均呈現顯著降低趨勢。白云巖坡地土壤飽和導水率下降程度明顯高于石灰巖坡地,降幅分別為86.7%和52.1%。

[參考文獻]

[1]雷志棟.土壤水動力學[M].北京：清華大學出版社,1988.

[2]王小彬,蔡典雄,高緒科,等.不同農業措施對土壤持水特征的影響及其保水作用[J].植物營養與肥料學報,1996,2(4):297.

[3]Pinheiro E F M, Pereira M G, Anjos L H C. Aggregate distribution and soil organic matter under different tillage systems for vegetable crops in a red latosol from Brazil[J]. Soil and Tillage Research, 2004,77(1):79-84.

[4]Alletto L, Coquet Y. Temporal and spatial variability of soil bulk density and near-saturated hydraulic conductivity under two contrasted tillage management systems[J]. Geoderma, 2009,152(1):85-94.

[5]牛海山,李香真.放牧率對土壤飽和導水率及其空間變異的影響[J].草地學報,1999,7(3):211-216.

[6]馬履一,翟明普.京西山地棕壤和淋溶褐土飽和導水率的分析[J].林業科學,1999,35(3):109-112.

[7]鄭紀勇,邵明安,張興昌.黃土區坡面表層土壤容重和飽和導水率空間變異特征[J].水土保持學報, 2004,18(3):53-56.

[8]樊軍,邵明安,王全九.田間測定土壤導水率的方法研究進展[J].中國水土保持科學,2006,4(2):114-119.

[9]廖凱華,徐紹輝,吳吉春,等.土壤飽和導水率空間預測的不確定性分析[J].水科學進展,2012,23(2):200-205.

[10]Tao Peng, Wang Shijie. Effects of land use, land cover and rainfall regimes on the surface runoff and soil loss on karst slopes in Southwest China[J]. Catena, 2012,90(3):53-62.

[11]賈中,喻理飛.喀斯特石漠化區石灰巖與白云巖土壤理化性質分析：以貴州興義市為例[J].貴州科學,2010,28(3):29-33.

[12]張信寶,王世杰,賀秀斌,等.碳酸鹽巖風化殼中的土壤蠕滑與巖溶坡地的土壤地下漏失[J].地球與環境,2007,35(3):202-206.

[13]孔凡偉.如何精測土壤容重[J].黑龍江農業科學,2010(10):178-178.

[14]徐建民,李玲,孟憲毅.測定礦石粉末密度的簡單方法[J].有色金屬(選礦部分),1996(4):41-42.

[15]錢寶,劉凌,肖瀟.土壤有機質測定方法對比分析[J].河海大學學報：自然科學版,2011,39(1):34-39.

[16]雷國良,張虎才,張文翔,等.Mastersize 2000型激光粒度儀分析數據可靠性檢驗及意義：以洛川剖面S4層古土壤為例[J].沉積學報,2006,24(4):531-539.

[17]于東升,史學正.用Guelph法研究南方低丘緩坡地不同坡位土壤滲透性[J].水土保持通報,2002,22(1):6-9.

[18]王世杰,季宏兵.碳酸鹽巖風化成土作用的初步研究[J].中國科學:D輯,1999,29(5):441-449.

[19]孫承興,周德全.碳酸鹽巖酸不溶物作為貴州巖溶區紅色風化殼主要物質來源的證據[J].礦物學報,2002,22(3):235-242.

[20]劉再華.外源水對灰巖和白云巖的侵蝕速率野外試驗研究[J].中國巖溶,2000,19(1):1-4.

[21]李勝功,趙哈林,何宗穎.不同放牧壓力下草地微氣象的變化與草地荒漠化的發生[J].生態學報,1999,19(5):697-704.

[22]閆玉春,唐海萍,張新時,等.基于土壤粒度分析的草原風蝕特征探討[J].中國沙漠,2010,30(6):1263-1268.

[23]Bouwer H, Rice R C. Hydraulic Properties of Stony Vadose Zonesa[J]. Groundwater, 1984,22(6):696-705.

[24]方勝,彭韜,王世杰,等.喀斯特坡地土壤穩滲率空間分布變化特征研究[J].地球與環境,2014,42(1):1-10.

[25]石生新.高強度人工降雨條件下影響入滲速率因素的試驗研究[J].水土保持通報,1992,12(2):49-54.

[26]Lal R. Tropical ecology and physical edaphology[M]. Chichester etc.: Wiley, 1987.

[27]Poesen J, Ingelmo-Sanchez F, Mucher H. The hydrological response of soil surfaces to rainfall as affected by cover and position of rock fragments in the top layer[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 1990,15(7):653-671.

Comparative Study on Saturated Hydraulic Conductivity of

Limestone and Dolomite Slope

MENG Fande1,2,3, PENG Tao1,2, WANG Shijie1,2, CAI Xianli1,2, ZHANG Lin1,2

(1.TheStateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,

ChineseAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550002,China; 2.PudingKarstEcosystemResearch

Station,Puding,Guizhou562100,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To analyze the influence of land use and lithology on soil properties and saturated hydraulic conductivities (Kspan).[Methods] The surface soil from limestone and dolomite slopes in karst region was took as the study objective, and Guelph parameter and soil laboratory analysis were used.[Results] (1) Under over grazing condition, soil bulk density and clay content increased and porosity and organic matter content decreased significantly on both of limestone and dolomite slopes. (2) Under undistured land use condition, Kspanof limestone and dolomite soil was very high, the average value was 328.6 mm/h and 257.2 mm/h respectively. Compared to dolomite slope, the spatial distribution of Kspanon limestone slope was more heterogeneities that coefficients of variations (Cspan%), which changed between 90.71% and 95.62%. (3) Under the influence of over grazing, the Kspanof limestone and dolomite soil decreased by 52.2% and 86.7% respectively, significantly lower than average values.

Keywords:limestone; dolomite; karst; saturated hydraulic conductivity; soil

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0085-05

中圖分類號：S152.7

通信作者：王世杰(1965—),男(漢族),貴州省貴陽市人，博士，研究員，主要從事環境地球化學研究。E-mail:wangshijie@vip.skleg.cn。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-03-14

資助項目：國家重大科學研究計劃“基于水—巖—土—氣—生相互作用的喀斯特地區碳循環模式及調控機理”(2013CB956700); 中國科學院戰略性先導科技專項重大課題“典型石漠化地區植被恢復和增匯技術的試驗示范”(XDA05070400)； 國家自然科學基金創新群體項目(40721002)； 中國科學院“西部之光”西部博士項目； 貴州省科學技術資助項目(20132292)

第一作者：孟凡德(1988—),男(漢族),山東省臨沂市人，碩士研究生,研究方向為環境地球化學。E-mail:mfd5566@sina.com。