喀斯特坡地土層厚度及養分含量空間分布特征

周春衡，付智勇，吳麗萍，王發，陳洪松

（1. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙410125；2. 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站，廣西 環江 547100；3. 中國科學院大學，北京100049）

我國喀斯特地貌集中分布在西南部區域，是世界上喀斯特面積最大的國家，也是三大喀斯特集中分布區中連片裸露碳酸鹽面積最大、巖溶發育最強烈的地區[1-2]。地表出露巖石的非均勻性與地下巖石淺薄土層結構的多樣性形成的多層生態空間結構使得喀斯特生境極其復雜[3]。目前關于喀斯特地區土壤養分的研究主要集中于表層土壤的空間變異特征[4-6]、土地利用方式[7-8]以及不同植被類型[9-10]等方面。然而有關土壤類型空間分布格局及其基本理化性質空間變異特征的研究基礎薄弱，系統研究喀斯特坡地土壤分布格局特征與空間屬性變異情況，是該區土地資源合理利用和規劃保護工作的前提。

在西南喀斯特山區，碳酸鹽巖在風化成土過程中不斷溶蝕，形成石縫、石溝、石坑等微地貌，土壤在徑流的沖刷下從正地形聚集到負地形，由此造成喀斯特地區土層厚度不均、分布不連續的獨特現象，巖土結構具有高度的異質性[11]。王升等[12]、賈金田等[13]分別用探地雷達和全站儀對喀斯特坡地土層厚度和基巖深度進行測量，發現喀斯特坡地土層厚度不均，基巖起伏大，巖土結構表現為極其復雜的三維耦合構造。與非喀斯特區相比，喀斯特坡地巖土結構異質性極強，土被不連續，基于變異特征的傳統取樣調查方法可能在喀斯特區存在更多的不確定性。不同環境因子（土層厚度、裸巖率、坡度、海拔等）對喀斯特區土壤養分的影響較復雜[14-15]，劉淑娟等[16]發現在考慮土層厚度空間變異的情況下估算碳儲量提高了喀斯特區的估算精度，不同厚度的土壤類型其養分含量及空間分布可能有明顯差異。喀斯特坡地上坡位大部分巖石裸露、土層淺薄，不適合人為開發利用，農業利用主要集中在有土壤覆蓋的中坡和下坡位。基于環江站13個徑流場的觀測發現，農業利用的玉米和牧草小區植物長勢存在沿坡向下逐漸變好的趨勢，然而控制這種格局的土壤及養分機制是什么還需進一步研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區環江毛南族自治縣中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站（108°18'56.9″～108°19′58.4″E，24°43'58.9″～24°44'48.8″N）。海拔高度為272.0～647.2 m，地勢起伏較大，四周高，中間低，地形破碎，坡度較陡，坡地≥25°坡面占60%，基巖裸露面積約30%。該地屬中亞熱帶季風氣候，雨季高溫多雨，旱季低溫少雨，年平均氣溫19.9 ℃，年均降雨量為1 389.1 mm，5～9月降雨量占全年降雨量的75%以上，尤以6月中旬至7月中旬最多。研究區在1984年之前曾遭到砍伐、樵采、墾殖、放牧、火燒等大面積破壞，此后一直撂荒到現在，經長期自然恢復和植樹種草，形成不同的草叢、草灌叢及各種次生林群落。

1.2 樣品采集與分析

在坡度為25°的典型灌草坡面上選擇一塊面積為25 m×60 m的坡地作為研究區。植被清除后，從坡腳垂直向上開挖12條間隔為5 m，投影長24 m、寬1 m的樣溝，開挖深度以挖至基巖為準（圖1）。每條溝選取一側溝壁，從坡頂到坡腳，以1 m為間隔，用全站儀確定樣溝土壤表面及基巖表面的三維坐標，以便獲取樣溝土壤-巖石二維結構圖，對土壤分布格局進行直觀描述。喀斯特坡地土層厚度變異性強，空間分布極為不均，目前對該地區土層厚度分類尚未有統一標準，前期研究多根據土層厚度占比進行分類[11,17]。本文根據12條樣溝的土層厚度調查數據（表1），對樣溝土巖結構對比分析，將樣溝分成三類，即淺薄土層（0～30 cm）、中層土層（30～100 cm）及深厚土層（＞100 cm），三類樣溝在所有樣溝中分別占比33%、25%、42%，分別選取第1、6、11條樣溝（下稱溝a、溝b、溝c）（圖2）作為以上每種類型的代表性樣溝進行取樣分析。

開挖過程中，從坡頂到坡腳每隔4 m設置一個觀測剖面，具體觀測剖面的選擇則根據實際情況進行適當調整，共計6個觀測剖面；溝a由于土層淺薄，只采集0～10 cm深度以及剖面底部風化基巖土壤樣品，溝b和溝c的觀測剖面按0～10、10～30、30～60、60～120以及＞120 cm 5個層次采集樣品，每個深度隨機選取5個點混合成一個樣，3條樣溝共采集土壤樣品68個。將土壤樣品剔除石粒和樹根等雜物，風干研磨后過篩，裝袋待用。全氮(TN)含量采用半微量開氏法-流動注射儀法測定，全磷(TP)含量采用NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定，全鉀(TK)含量采用NaOH熔融-原子分光光度計法測定，速效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法測定，速效鉀(AK)采用NH4OAc浸提法測定，土壤pH采用電極電位法測定[18]。

表1 樣溝土層厚度及土體特征Table 1 Soil thickness and soil profile characteristics for the sample trenches

圖2 溝壁土壤-巖石剖面特征Fig. 2 Characteristics of the exposed soil-rock profiles

1.3 數據處理與統計分析

本文采用改進的內梅羅綜合指數[17]對三個樣溝的土壤肥力質量作綜合評價。基于本文研究數據，選擇土壤全氮、速效鉀、速效磷和pH值4個指標作為評價因子。其計算公式為[19]：

式中：P為土壤綜合肥力系數，Pi平均為各指標得分平均值，Pi最小為各指標得分的最小值，n為指標數，本文取n=4。根據計算的綜合肥力系數給出土壤的肥力評價：很肥沃（P≥2.7），肥沃（1.8≤P＜2.7），一般（0.9≤P＜1.8），貧瘠（P＜0.9）[19]。

采用Excel 2010對數據進行基本的統計分析，用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），用Origin 2018軟件繪制土壤-巖石二維結構圖以及土壤養分剖面垂直變化圖、坡位分布圖等。

2 結果與分析

2.1 樣溝土壤-巖石剖面結構特征

由樣溝土壤-巖石二維結構圖（圖3）及土層厚度描述性統計分析結果（表2）可以看出，三條樣溝土壤分布格局存在明顯差異，溝a土層淺薄，最厚處僅15 cm；溝b土層厚度分布不均，有基巖裸露，但深厚處土層厚度也可達120 cm；變異系數達到85.3%，屬于強變異。溝c土層較厚，淺薄處土層也可達60 cm，最厚甚至可達364 cm，平均土層厚度為160 cm。

圖3 樣溝土壤-巖石剖面結構示意圖Fig. 3 Schematic diagrams for the typical soil-rock structures of the sampled trenches

表2 樣溝土層厚度描述性統計分析Table 2 Descriptive statistics analysis of soil thickness of the trenches

2.2 不同厚度土壤剖面養分垂直分布特征

取樣溝6個剖面各層土壤養分平均值作為整個坡面在該層的養分含量，由圖4可知，不同厚度土層剖面土壤全氮含量均隨剖面深度增加而減少。溝b只在0～10 cm土層全氮含量（4.65 g/kg）高于溝a（3.72 g/kg）和溝c（3.26 g/kg），往下的其他土層均是溝a和溝c的全氮含量大于溝b。溝a和溝b土壤全磷含量隨剖面深度的增加而遞減，0～10 cm土層全磷含量與其他各土層之間均差異顯著，而溝c全磷含量在各土層之間變化不明顯，垂直分布相對均勻。溝a土壤全鉀含量垂直分布特征與溝c呈相反的趨勢。溝a土壤全鉀含量隨剖面深度的增加而遞減，溝c土壤全鉀含量隨土層深度的增加總體呈遞增趨勢，溝b全鉀含量隨剖面深度的增加整體呈遞減趨勢，在10 cm以下深度土層分布較均勻，溝c各土層全鉀含量比溝a和溝b都高。

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不同厚度土層剖面土壤速效磷的分布特征與土壤全磷的分布特征相似，即溝a和溝b土壤速效磷含量隨剖面深度的增加而遞減，而溝c速效磷含量在各層土壤全磷中均無明顯變化。其中表層土壤速效磷含量最高值出現在溝a，為5.69 mg/kg，溝c最低，為2.43 mg/kg。溝a、溝b及溝c土壤速效鉀含量隨剖面深度的增加均呈遞減趨勢，其中表層土壤速效鉀含量最高值出現在溝b，為100.68 mg/kg，溝c最低，僅為52.11 mg/kg。溝a和溝b土壤pH值均隨剖面深度的增加而增加，而溝c則呈遞減趨勢。不同厚度土層土壤呈中性至弱堿性，pH值介于7.14～8.81之間，溝a表層土壤pH值最大，為7.90，其次為溝b，溝c表層土壤pH值最小，為7.16。

圖4 土壤剖面養分含量垂直變化特征Fig. 4 Distributions of the main soil nutrient contents for different soil profile types

2.3 典型厚度土壤剖面表層土壤養分隨坡位變化特征

從坡頂沿坡向下，取相鄰兩個剖面0～10 cm土層土壤養分含量平均值，分別代表上坡、中坡、下坡表層土壤養分含量。由圖5可知，溝a和溝b表層土壤全氮含量與坡位顯著相關，從上坡到下坡均呈遞減趨勢。而溝c表層土壤全氮含量在上坡和下坡無明顯差異，中坡含量明顯低于上坡和下坡，且溝c表層土壤全氮含量在上、中、下坡都低于溝a和溝b。溝a、溝b和溝c表層土壤全磷含量在坡位分布上無明顯變化特征。溝a表層土壤全鉀含量隨坡位變化特征與全氮相反，從上坡到下坡呈遞增趨勢，而溝b表層土壤全鉀含量在上坡和下坡無明顯差異，中坡含量明顯低于上坡和下坡。溝c表層土壤全鉀含量與溝a相同，隨坡位向下呈遞增趨勢，且中坡、下坡含量都高于溝a和溝b。

溝a和溝b表層土壤速效磷含量隨坡位變化特征與全鉀相同，溝a下坡表層土壤速效磷含量顯著高于上坡和中坡，而溝b表層土壤速效磷含量在上坡和下坡無明顯差異，中坡含量顯著低于上坡和下坡。溝c上坡表層土壤速效磷含量顯著高于中坡，從中坡到下坡，速效磷含量有稍微增加。溝a下坡表層土壤速效鉀含量顯著高于上坡和中坡，溝c則相反，下坡含量顯著低于上坡和中坡，而溝b在坡位分布上無明顯變化特征。溝a、溝b和溝c表層土壤pH值上、中、下坡無明顯變化。

圖5 土壤養分沿坡分布特征Fig. 5 Characteristics of soil nutrient distribution along the hillslope

2.4 土層深度與土壤養分的相關性分析

根據土層深度與土壤養分的相關性分析結果（表3）發現，土層深度與土壤養分有很大的相關關系，相關系數相對較高，其中，土層深度與TN、TP呈極顯著負相關（P＜0.01），與AK呈顯著負相關（P＜0.05），與TK、AP雖未達顯著水平，但相關系數均大于0.5。同時，AK與TN、TP的相關性兩兩之間也達顯著水平。pH與土層深度和養分整體相關系數偏低，相關性不大。

表3 土層深度與土壤養分含量間的相關性Table 3 Relationship between soil thickness and soil nutrient contents

2.5 不同厚度土層土壤肥力綜合評價

不同厚度土層土壤各屬性肥力系數及綜合肥力系數結果見表4。總體而言，喀斯特坡地土壤肥力較弱，僅溝a與溝b在0～10 cm土層屬土壤肥沃程度一般，其他土層土壤肥沃程度都屬貧瘠。不同厚度土層土壤綜合肥力系數如圖6所示，在0～10 cm土層中，土壤肥力綜合評價值表現為溝b>溝a>溝c，其中溝b和溝a土壤綜合肥力系數較接近，分別為0.99和1.04，溝c相對稍低，為0.76。對溝b及溝c而言，隨著土層深度的增加，土壤綜合肥力系數呈遞減趨勢。在10～30、30～60、60～120 cm土層深度處，溝c的土壤養分綜合肥力系數都比溝b大。

表4 不同土壤-巖石結構樣溝各土層土壤肥力系數和綜合肥力系數Table 4 Soil fertility coefficients and comprehensive fertility coefficient of each soil layers in typical soil-rock profiles

3 討論

3.1 喀斯特坡地土層厚度空間格局的總體特征

喀斯特地區土層淺薄、土被不連續，巖石裸露[20]。王升等[12]基于探地雷達技術對典型喀斯特坡地土層厚度進行估測，測得坡地土層厚度介于0～336 cm之間，平均土層厚度為65.6 cm，變異系數達到91.0%。本研究選取的三個典型不同土層厚度樣溝與此范圍相近，樣溝之間差異較大，符合喀斯特地區土壤厚薄不一、變異性強的特點。馮騰等[21]研究喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征時，同樣發現不同利用方式及坡位的土層厚度具有顯著差異，其平均土層厚度介于10.6～50.0 cm之間。賈金田等[13]使用全站儀對喀斯特坡地3條開挖探槽測土層厚度，發現喀斯特坡地基巖起伏較大、土被不連續，平均土層厚度介于45～64 cm之間，變異系數最大可達82%。本研究坡地的平均土層厚度介于12～120 cm之間，變異系數范圍為12.0%～85.3%，除淺薄土層坡面土層厚度變異較小，中層土層坡面和深厚土層坡面的土層厚度都表現為強變異，且總體表現為中層土層坡面變異強度最大。

3.2 喀斯特坡地土壤剖面養分隨深度的垂直變化

土壤pH值升高會影響土壤養分的形態及有效性，最終導致植物營養不平衡、缺乏[22]。例如，梁月明等[23]發現植物根際速效磷與pH呈顯著負相關性，而這種相關性與喀斯特石灰土壤中較高pH值有關，高pH值增強土壤的固磷作用，形成難溶的磷灰石導致磷的有效性降低。本研究土壤pH介于7.14～8.81之間，呈中性偏堿性，雖然對土壤養分有效性造成一定的影響，但相關分析發現，土壤pH對幾個養分因子影響不顯著，相關系數偏低。在土壤的長期發育過程中，土壤pH初始值、土壤類型、成土母質和土地利用方式等因素都可以影響土壤的酸堿度[24]，而研究區外界影響因素完全一致，因此，可能主要受土壤發育程度和土壤類型的影響。

土壤氮素是植物吸收的大量元素之一，是土壤養分最重要的指標[22]。研究區不同厚度土層土壤全氮含量均隨深度的變深而減少，表聚效應明顯，這與李艷瓊等[25]、譚秋錦等[26]的研究結果一致。因土壤氮素主要來源于凋落物的歸還，這導致氮素首先在土壤表層密集，然后再隨水或者其他介質向下層遷移擴散，從而形成土壤氮素濃度從表層到底層越來越低的分布格局[27]。土壤中磷素主要來源于成土母質和動植物殘體歸還，其含量受土壤類型和環境條件的影響[28]。研究區土壤主要是發育在白云巖之上，3種不同厚度土壤受白云巖母巖的影響是一致的。淺薄土層表層土壤發育較好，土壤全磷主要聚集在表層，而下層土壤全磷含量很低，深厚土層剖面土壤不同深度全磷含量差別不大。而速效磷除了淺薄土層與中層土層0～10 cm土層大于3 mg/kg外，其他各土層速效磷含量均小于3 mg/kg，各土層厚度下的土壤速效磷含量均極低。這與很多學者的研究類似，例如：周傳艷等[29]，馬琨等[30]通過對農耕地與自然植被土壤養分的對比研究發現，受大量磷肥施加的影響，農耕地土壤速效磷含量高于自然植被土壤速效磷含量。胡忠良等[31]、范夫靜等[32]、宋同清等[33]對喀斯特地區土壤養分的研究也發現，喀斯特地區土壤磷含量比同緯度地區低。土壤磷素的缺乏使具有高效磷素利用率的植物類型成為演替后的優勢種，導致生態系統內優勢植被的變化[34]，由此可見，恢復土壤磷素特別是速效磷素含量對恢復和重建生態系統具有重要意義。全鉀含量主要受母質中礦物成分影響，李艷瓊等[25]研究表明，湘西喀斯特山區鉀受成土母質影響較大，高君亮等[22]在研究不同土地利用類型土壤養分特征分析時也發現各樣地間差異不顯著。而在本研究中，不同厚度土層土壤全鉀含量差異顯著，這主要可能與土壤類型有關。從土壤剖面垂直分布看，土壤速效鉀含量總體表現為隨土層深度加深而遞減，全鉀含量則無此特征，部分剖面下層土壤還出現升高現象，這可能是因為該地區高溫多雨，降雨季節集中，土壤淋溶強烈，從而導致深層土壤全鉀較高。

3.3 喀斯特坡地土壤養分隨坡位的變化

喀斯特地區土壤養分含量受地貌部位影響，已有研究發現喀斯特峰叢洼地的“養分倒置”現象，即坡地的養分含量高于洼地，坡地上坡位養分含量高于下坡位[5,35]，這是因為坡位越高，人類的干擾程度越小，更有利于養分的積累。在本研究中，全氮、深厚土層土壤全鉀、速效磷及速效鉀含量呈現“養分倒置”現象，全磷、pH、中層土層全鉀、速效磷及速效鉀上下坡位未出現顯著差異。而淺薄土層全鉀、速效磷及速效鉀含量則隨坡位降低而升高，可能是因為該坡地土層淺薄，更容易受到地表徑流侵蝕和淋溶作用，使得淺薄土層剖面土壤養分含量在坡位上更容易呈現與“養分倒置”現象相反的“洼積效應”。

3.4 喀斯特坡地不同厚度土層土壤肥力綜合評價

土壤肥力不僅受土壤養分含量變化的影響，而且還受植物對養分吸收能力的影響，但更取決于各因子的協調程度，是諸多肥力因素綜合作用的反映[22]。本研究結果顯示，在0～10 cm土層中，淺薄土層、中層土層和深厚土層土壤綜合肥力系數分別為0.09、1.04和0.76，而隨土層深度的增加，中層土層和深厚土層土壤綜合肥力系數呈遞減趨勢。目前盡管肥力等級的劃分及權重系數的確定在國內還沒有統一的標準[36]，但本研究所計算的綜合肥力系數在一定程度上也可以反映研究區當前的土壤肥力狀況，本研究結果表明喀斯特坡地土壤肥力相對較低，低于非喀斯特地區[37]，中層土層和深厚土層土壤肥力在10 cm以下深度相對變化不大，而淺薄土層和中層土層土壤肥力主要集中在0～10 cm土層中，中層土層在土層深度大于10 cm土層土壤貧瘠。由此可見，喀斯特坡地表層土壤一旦遭到破壞，不僅會造成作物減產，經濟效益低，還會導致生態環境的全面惡化。因此，在今后喀斯特地區生態植被建設中，應盡量避免淺薄土層的開墾與種植，防止淺薄土層坡地植被破壞從而引起土壤退化，土壤侵蝕加劇，薄層土壤流失等一系列問題。

4 結論

1）在巖溶作用下，喀斯特坡地溶溝、溶槽普遍發育，巖土結構表現出極強的空間異質性。淺薄土層、中層土層和深厚土層間土壤分布格局存在顯著差異，土被分布不連續，土層厚度變異大，部分無土層覆蓋，基巖裸露，而部分土層可厚達364 cm。

2）喀斯特坡地土壤養分含量隨土壤剖面垂直往下總體呈遞減趨勢，且大部分養分含量與坡位無明顯關系，全氮和深厚土層土壤全鉀、速效磷及速效鉀含量呈現“養分倒置”現象，只有淺薄土層的全鉀、速效磷及速效鉀含量呈現“洼積效應”。

3）研究區土壤肥力水平總體較低，僅淺薄土層和中層土層的表層土壤（0～10 cm）肥沃程度屬一般，其余皆為貧瘠。土壤養分主要聚集在表層土壤，隨土層深度的增加土壤肥力系數呈遞減變化。該結果在一定程度上可以為喀斯特地區生態設計提供養分狀況的科學支撐。