喀斯特地區不同等級石漠化對土壤性質的響應

顏萍 熊康寧 王恒松 楊皓 胡晚枚

摘要：【目的】研究貴州典型喀斯特地區不同等級石漠化的土壤性質特征，為喀斯特石漠化脆弱生態環境的綜合治理提供理論依據。【方法】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）的12個樣地，采樣后測定并分析土壤物理及化學性質指標。【結果】土壤物理性質方面，隨石漠化等級程度增加，土壤持水能力降低、土壤容重增加、總孔隙度降低。土壤化學性質方面，隨石漠化等級程度增加，土壤pH變化規律不明顯，但整體養分含量降低。中度、輕度和潛在石漠化土壤有機質含量分別比強度石漠化高12.78%、41.49%和48.84%。全氮含量為0.97～1.14 g/kg，堿解氮含量為81.86～171.81 mg/kg，兩者均表現為潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化。不同等級石漠化土壤的全磷、全鉀含量無顯著性差異（P>0.05，下同）。土壤速效磷含量為8.55～11.17 mg/kg，潛在石漠化顯著高于其他等級石漠化（P<0.05，下同）。土壤速效鉀含量為84.87～110.87 mg/kg，強度石漠化顯著低于其他等級石漠化。相關性分析結果表明，土壤水含量與田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與容重呈極顯著負相關；有機質與土壤水含量、全氮、堿解氮和速效鉀呈極顯著正相關，與田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、全磷、全鉀和速效磷呈顯著正相關，與容重呈顯著負相關；土壤全氮與土壤水含量、田間持水量、有機質、堿解氮和速效磷呈極顯著正相關，與總孔隙度、毛管孔隙度和速效鉀呈顯著正相關。【結論】喀斯特地區隨石漠化等級增加，其土壤理化性質減弱，養分含量降低。土壤各理化性質指標間緊密相關，其中土壤水含量、有機質和全氮含量是反映該地區不同等級石漠化土壤理化性質的重要指標。

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： S151.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）04-0557-07

0 引言

【研究意義】貴州屬裸露型喀斯特典型發育地區，該地區生態環境脆弱，加上人類不合理的社會經濟活動，導致土壤水分虧缺、生境干旱、巖石裸露、水土流失、土地生產力喪失，從而出現石漠化現象（Drew，1983；熊康寧等，2011）。喀斯特石漠化是過程與結果的統一，石漠化在空間分布上存在強度差異，在治理時存在難易區別（熊康寧等，2012）。開展針對喀斯特地區土壤性質在不同等級石漠化環境中演變特征的研究，可為掌握土壤理化性質的變化規律及制定適合喀斯特石漠化脆弱生態環境的有效治理措施提供科學依據和實踐指導。【前人研究進展】近年來，已有許多學者進行了有關喀斯特地區土壤理化特性的研究，并取得了顯著成果（龍健等，2006；司彬等，2009；黃金國等，2014；盛茂銀等，2015）。王金樂等（2012）研究認為，喀斯特地區植被覆蓋率越低，土壤養分含量也越低，通過封山育林可提高植被覆蓋率，可促進土壤養分積累和保肥固土；尹輝（2012）運用RS影像解譯總結了不同喀斯特環境對土壤理化指標空間分布的影響因子；盛茂銀等（2013）研究了不同等級石漠化環境土壤理化性質的差異，認為隨著石漠化程度的增加，土壤理化性質顯示了先退化后改善的響應過程；魏媛等（2014）研究認為，喀斯特地區的土壤肥力在植被恢復后，不同的植被模式有不同程度地提高，以榿木純林、紅豆杉+光皮樹混交林、鵝掌楸+大葉樟混交林、榿木+大葉樟混交林配置模式最佳。【本研究切入點】目前針對不同等級石漠化環境土壤性質差異性的研究報道較少。本研究試圖從石漠化治理的角度，分析喀斯特地區不同等級石漠化對土壤性質的響應。【擬解決的關鍵問題】通過研究喀斯特地區不同等級石漠化土壤的理化性質，探討不同等級石漠化對土壤性質的響應情況，為不同等級石漠化治理措施的制定及實現喀斯特地區的石漠化治理和生態建設提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

“關嶺—貞豐花江頂壇小流域”位于貴州省西南部，為典型的喀斯特中山峽谷地貌，具有干熱河谷氣候特點（于晨曦等，2013）。流域內巖石大多屬三疊系的白云巖、泥質白云巖及頁巖，碳酸鹽巖占95%以上（盛茂銀等，2013；崔高仰和熊康寧，2015）。年平均氣溫約18.4 ℃，年平均降水量1100 mm，平均海拔620～ 900 m。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被主要為針闊葉混交林，以金銀花（Lonicera japonica）、鐵線蓮（Clematis florida）為主的藤刺灌叢，以及零星分布的青岡（Cyclobalanopsis glauca）、香樟（Cinnamomum camphora）、柳杉（Cryptomeria fortunei）為主的喬木林。

1. 2 試驗方法

在對研究區詳細踏查的基礎上，根據熊康寧等（2002）提出的喀斯特石漠化強度分級標準（表1），分別選取喀斯特地區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）進行研究，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2），共計12個樣地。2013年8月在每個樣地中心按蛇形方式各選3～5個采樣點，環刀法取土，各點間距約2.5 m，帶回實驗室分析土壤水含量、土壤容重、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深度土樣，混合后四分法取約1 kg帶回實驗室用于土壤化學性質測定（劉光菘，1996；魯如坤，2000）。

1. 3 測定項目及方法

土壤水含量、土壤容重、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的測定采用環刀法。pH采用水浸提—電位法（水土比為2.5∶1）測定（GB 7859-1987）；有機質含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定（GB 7857-1987）；全氮含量采用半微量開氏法測定（GB 7173-1987）；全磷含量采用2 mol/L的氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定（GB 7852-1987）；全鉀含量采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法測定（GB 7854-1987）；堿解氮含量采用FeSO4-Zn還原堿解擴散法測定（GB 7849-1987）；速效磷含量采用0.05 mol/L HCL-0.025 mol/L 的1/2 H2SO4溶液浸提土壤樣品；速效鉀含量采用乙酸銨浸提法—火焰光度法測定（GB 7856-1987）。具體操作方法參見《土壤理化分析與剖面描述》（劉光菘，1996）。

1. 4 統計分析

利用Excel 2003軟件對數據進行統計，以SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比較（LSD最小顯著性差異法）和皮爾遜（Pearson）相關性分析。

2 結果與分析

2. 1 不同等級石漠化的土壤物理性質分析

2. 1. 1 土壤持水能力 由表3可看出，研究區土壤水含量為10.84%～23.91%，其中潛在石漠化的土壤水含量顯著高于其他3種石漠化（P<0.05，下同），輕度石漠化和中度石漠化間差異不顯著（P>0.05，下同），但兩者均顯著高于強度石漠化。研究區的土壤田間持水量為25.58%～41.33%，各石漠化等級之間變化規律與土壤水含量相類似。

2. 1. 2 土壤容重 由表3可知，研究區土壤容重為1.09～1.26 g/cm3，隨石漠化等級的加強，土壤容重呈上升趨勢，其大小變化順序為強度石漠化>中度石漠化>輕度石漠化>潛在石漠化，前三者間土壤容重差異不顯著，但均顯著高于潛在石漠化。可見，強度石漠化等級的土壤較為緊實，不利于土壤的通氣、透水和作物扎根，因此需進行增施有機肥、秸稈還田等以降低土壤容重。

2. 1. 3 土壤孔隙度 由表3可知，研究區土壤總孔隙度為52.28%～57.89%，土壤的毛管孔隙度為25.81%～

37.30%，土壤非毛管孔隙度為20.59%～26.47%。其中潛在石漠化等級環境的土壤總孔隙度顯著高于其他等級石漠化。總孔隙度和毛管孔隙度隨石漠化等級的增加呈降低趨勢，表現為潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化，但輕度、中度和強度石漠化三者間差異均不顯著。不同等級石漠化間土壤非毛管孔隙度無顯著性差異。

2. 2 不同等級石漠化的土壤化學性質分析

2. 2. 1 土壤pH與有機質 從表4可看出，研究區土壤pH為6.47～7.46，不同石漠化等級間pH變化規律不明顯。隨石漠化等級的加強，土壤有機質含量呈降低趨勢，強度石漠化和中度石漠化的土壤有機質含量顯著低于輕度石漠化和潛在石漠化，中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化分別比強度石漠化高12.78%、41.49%和48.84%。

2. 2. 2 土壤氮素、磷素和鉀素含量 由表5可知，研究區土壤的氮素含量隨石漠化等級的增加呈降低趨勢，全氮和堿解氮含量均表現為潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化，說明石漠化等級越強，土壤供氮能力越低。其中研究區全氮含量為0.97～1.14 g/kg，潛在石漠化顯著高于其他石漠化等級；堿解氮含量為81.86～171.81 mg/kg，強度石漠化顯著低于其他等級石漠化。不同等級石漠化土壤的全磷、全鉀含量無顯著性差異，可能與土壤全磷、全鉀聚集效果強烈及取樣隨機有關。土壤速效磷含量為8.55～11.17 mg/kg，其中潛在石漠化的速效磷含量顯著高于輕度、中度和強度石漠化，后三者間差異不顯著。土壤速效鉀含量為84.87～110.87 mg/kg，強度石漠化土壤的速效鉀含量顯著低于其他等級石漠化土壤。

2. 3 喀斯特石漠化環境土壤理化性質的相關性分析

由表6可知，喀斯特地區不同等級石漠化土壤的理化性質間具有較明顯的相關性。土壤水含量與田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀間呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與容重呈極顯著負相關。說明土壤水含量對土壤理化性質有明顯的指示作用。研究區有機質與土壤水含量、全氮、堿解氮和速效鉀呈極顯著正相關，與田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、全磷、全鉀和速效磷呈顯著正相關，與土壤容重呈顯著負相關。可見，喀斯特地區不同等級石漠化的土壤有機質與其他土壤理化指標因子關系密切。土壤全氮與土壤水含量、田間持水量、有機質、堿解氮和速效磷呈極顯著正相關，與總孔隙度、毛管孔隙度和速效鉀呈顯著正相關。由此可見，土壤水含量、有機質和全氮是喀斯特地區不同等級石漠化土壤理化性質的重要因子，對該地區的土壤養分循環與積累有重要作用。

3 討論

本研究結果表明，由于強度石漠化的土層厚度薄，導致土壤保水性和蓄水能力差，土被覆蓋度低，對水分的截留作用明顯低于潛在石漠化；潛在石漠化具有較強的蓄水保水能力，可避免或減少降雨強度大形成的地表徑流。隨著石漠化等級的增加，田間持水量和土壤含水量有降低的趨勢（劉云，2009），說明土壤的持水能力是土壤肥力的重要促進因素，直接影響石漠化治理的進程。土壤孔隙度是反映土壤通透性的重要指標（康冰等，2012）。本研究結果表明，不同等級石漠化的非毛管孔隙度無顯著性差異，類似的結果在盛茂銀等（2013）研究我國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質的響應也有體現，說明喀斯特地區土壤的非毛管孔隙度與石漠化等級的關系不明顯。而本研究中隨石漠化等級的增加，土壤總孔隙度有降低的趨勢，說明石漠化等級低的土壤疏松，土壤結構優良，通透性好，蓄水保水效果好，與陳洪云等（2007）的研究結果一致。本研究結果表明，全氮、全磷和堿解氮均有潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>強度石漠化的變化規律，王恒松等（2012）的研究也表明隨石漠化等級增加，土壤養分含量有降低的趨勢。可見，在不同等級石漠化環境的土壤養分含量與石漠化等級有密切關系，石漠化等級高的土壤其水分和空氣的通透性低，不利于通過土壤里的微生物活動、有機質的分解和礦物質的礦化作用來增加土壤的有機質、氮素、磷素和鉀素的含量。因此，對貧瘠的強度石漠化的土壤可以采取冬耕曬垡加速土壤礦物的風化，增加土壤的養分含量。

相關性分析結果表明，土壤水含量、全氮和有機質與土壤其他絕大多數理化因子具有較強的相關性，是喀斯特地區保持土壤理化性質的主要因子。魏強等（2012）研究表明，土壤的全氮和有機質與其他理化特征具有相關性。說明土壤全氮和有機質在調節土壤性質方面起著關鍵作用，因此在喀斯特石漠化治理過程中，應通過土壤基質的能量轉換，獲得較多的生物潛能，合理施肥，補充養分，均衡滿足植物生長的需要。盛茂銀等（2013）證實了土壤有機質、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度與其他絕大多數理化因子具有明顯的相關性，在改善土壤理化性質和促進養分循環方面起著關鍵作用。本研究結果表明，土壤性質是評價石漠化程度的關鍵因素，石漠化等級越高，土壤性質越差。在石漠化治理進程中，針對不同等級石漠化的土壤環境，應采取不同的石漠化治理措施。因此，通過研究喀斯特地區不同等級石漠化對土壤性質的響應，可以為喀斯特地區石漠化生態治理提供理論依據和實踐指導。

4 結論

本研究結果表明，喀斯特地區不同等級石漠化土壤的理化性質具有明顯差異，與石漠化特征存在明顯的耦合關系。隨石漠化等級的增加，土壤的物理性質減弱，土壤養分含量降低。土壤各理化性質指標間具有緊密的相關性，其中土壤水含量、有機質和全氮含量是反映喀斯特地區不同等級石漠化土壤理化性質的重要指標。

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（責任編輯 王 暉）