不同巖性背景下表層土壤理化性質(zhì)差異及其影響因素研究

張嵐峰，張 君，艾訓(xùn)儒*，朱 江

(1.湖北民族大學(xué) 林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000;2.中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙 410000)

土壤理化性質(zhì)相互關(guān)聯(lián)，影響著地球關(guān)鍵帶生物地球化學(xué)過程與地表物質(zhì)循環(huán)[1].土壤化學(xué)性質(zhì)例如土壤有機碳一方面為植被生長提供必需的養(yǎng)分，同時對改善土壤結(jié)構(gòu)起著重要的作用[2].土壤物理性質(zhì)例如土壤質(zhì)地、容重及孔隙度等對降雨入滲、地表-地下徑流產(chǎn)生及植物水分利用等生態(tài)水文過程有重要影響.因此，關(guān)注土壤理化性質(zhì)的變化對開展生物地球化學(xué)過程的相關(guān)研究具有重要意義.

土壤理化性質(zhì)受到多種因素的影響，其中包括氣候、母質(zhì)、地形等組成的環(huán)境因子，也包括耕作、放牧等組成的人為因素[3-5].學(xué)者針對土壤性質(zhì)變化的影響因子開展了大量的研究，發(fā)現(xiàn)地表巖性作為重要的環(huán)境因子，決定了巖石的地球化學(xué)、礦物學(xué)和物理性質(zhì)，顯著影響土壤養(yǎng)分、質(zhì)地、容重和水力性質(zhì)[6-8].例如碳酸鹽巖區(qū)別于其他巖性，具有易化學(xué)溶蝕、風(fēng)化強度大的特點，從而形成了獨具代表性的喀斯特地貌[5].另一方面，喀斯特地貌與其他環(huán)境或人為因子共同作用導(dǎo)致了僅在喀斯特地區(qū)出現(xiàn)的“石漠化現(xiàn)象”[5].海拔在小流域尺度上與坡度相關(guān)性極強，進而影響坡面生態(tài)水文過程；而到了區(qū)域尺度則與溫度或降雨等氣象因子耦合，影響著土壤性質(zhì)的變化[9-11].耕作、放牧及森林砍伐等人為活動會不同程度的導(dǎo)致土壤性質(zhì)變化，例如施肥直接改變土壤中養(yǎng)分比例，耕作措施則會對土壤質(zhì)地和容重產(chǎn)生顯著影響[12].然而，受制于空間異質(zhì)性，影響土壤理化性質(zhì)變化的主控因子并不一致，特定區(qū)域范圍的主控因子仍需進一步明確[13].另一方面，生態(tài)脆弱地區(qū)遭受自然災(zāi)害的風(fēng)險較大，這部分地區(qū)土壤性質(zhì)及其影響因子尤其值得關(guān)注.

受制于特殊的地質(zhì)背景，我國西南喀斯特地區(qū)土層淺薄，地表地下水文過程迅速[14]，再加上人為活動的影響，導(dǎo)致嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象，是我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)[15].西南喀斯特主要集中分布在云南、貴州和廣西三省，總面積達28萬km2[16].以往針對喀斯特地區(qū)土壤理化性質(zhì)開展了大量的研究，巖性、海拔土地利用方式、裸巖率等均不同程度對土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響，但即便是縣域或流域尺度上的影響因子也難以統(tǒng)一[17-19].另外，鄂西南喀斯特巖層面積達2.1×104km2，占總面積的2/3以上，也是我國石漠化治理的重點區(qū)域[20].以往針對該區(qū)域的相關(guān)研究主要集中在石漠化治理背景下植被覆蓋和土地利用的變化等方面，對土壤理化性質(zhì)及其影響因素(特別是環(huán)境因子)的相關(guān)研究報道較少.針對以上不確定性，本研究以鄂西南巖溶區(qū)的恩施市為研究對象，對比喀斯特和非喀斯特巖性背景下耕地和次生林土壤理化性質(zhì)差異，基于冗余分析解析土壤性質(zhì)變化的主控因子，進一步厘清影響喀斯特地區(qū)石漠化現(xiàn)象的影響因素，可為區(qū)域生態(tài)水文過程及模型預(yù)測等相關(guān)研究提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

恩施市屬于鄂西南山區(qū)中部，屬云貴高原東延部分，處于我國地勢的第二階梯末端.地勢起伏、高差懸殊，分為低山、二高山和高山三種類型，面積各占1/3[20].境內(nèi)山巒起伏，嶺谷切割明顯.碳酸鹽巖分布及出露不均勻，地貌類型復(fù)雜[21].但主要以侵蝕作用形成的斜坡峽谷巖溶地貌為主.全市最高點為板橋鎮(zhèn)大山頂石門子，海拔2 078 m，最低點為紅土鄉(xiāng)綿陽口，海拔262 m.研究區(qū)屬于中緯度亞熱帶季風(fēng)和季風(fēng)性濕潤氣候，受海拔影響溫度隨地勢的增高而降低，年平均溫度為7～17 ℃.平均年降雨量為1 200～2 000 mm，且主要集中在夏季(6-8月).本區(qū)喀斯特巖性主要為石灰?guī)r、白云巖及石灰?guī)r和白云巖混合物，非喀斯特巖性為碎屑巖，本研究中按巖性分為喀斯特和非喀斯特兩種.根據(jù)FAO/UNESCO的分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤類型可以劃分為鈣質(zhì)土壤(即喀斯特的白云巖和石灰?guī)r及其混合物)和鐵鋁土(即非喀斯特的碎屑巖)[22].

1.2 試驗設(shè)計

2018年8月至10月進行了實地調(diào)查和土壤取樣.如表1所示，在研究區(qū)內(nèi)沿不同海拔分別選擇7個(A～G)采樣點，每個采樣點覆蓋2種巖性(即喀斯特和非喀斯特巖性)及2種土地利用方式(即耕地和次生林)作為樣地.在每個樣地選擇覆蓋范圍為400 m2(20 m×20 m)的樣方(取3個重復(fù))采集土壤樣品.次生林樹齡在50 a左右；耕地耕作年限大于50 a，均屬于坡耕旱地，主要種植作物為玉米.在每個樣地記錄了土壤深度、坡度和裸巖率.土壤深度采用長度為100 cm、直徑為1.2 cm的測釬進行測定，將測釬垂直插入土壤剖面，直到到達基巖，隨機取30個測量點求平均值.土層厚度超過100 cm深度記錄為100 cm.用指南針確定每個樣本點的坡度，重復(fù)10次，取平均值.通過巖石的面積數(shù)除總面積進行估算裸巖率[19].

表1 采樣點及位置信息Tab.1 Schematic diagram of sampling site and location information

為測定容重、毛管孔隙度和非細管孔隙度，在每個樣地用環(huán)刀(直徑5.5 cm，高度5.0 cm)采集原狀土壤樣品.由于表層土是最活躍的土層，因此采樣深度均介于0～15 cm，每個樣地隨機采集4個土壤樣品，共計336個原狀土樣品，包括7個采樣點，每個采樣點2種巖性、2種土地利用及3個樣地重復(fù).此外,于樣地內(nèi)用土鉆(直徑為38 mm)隨機采集20個表層(0～15 cm)土壤樣品并充分混合，以測定土壤有機碳、pH值、總氮和土壤質(zhì)地(粉粒、砂粒和粘粒).取回的土樣按四分法部分風(fēng)干后過2 mm篩后測定粉粒、砂粒和粘粒含量，部分土壤樣品過0.25 mm篩后測定土壤養(yǎng)分.

1.3 土壤理化性質(zhì)

采集原狀土壤樣品后，烘干至恒重并記錄其重量，計算土壤容重和總孔隙度.采用吸水稱重法[23]測定土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙；粉粒、砂粒和粘粒含量采用激光粒度儀測定(Master sizer 2000)；土壤pH值采用pH計(FE20K：Mettler-Toledo,Switzerland)測定[24]；土壤有機碳含量采用KCr2O7+H2SO4氧化并用FeSO4滴定法測定[25]；土壤總氮采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定.

注： 小寫字母不同代表二者之間在0.05水平上差異顯著；數(shù)值類型為平均值(標(biāo)準(zhǔn)差).

1.4 數(shù)據(jù)處理與作圖

所有數(shù)據(jù)均進行正態(tài)分布和方差齊性檢驗.進行單因素方差分析和最小二乘法多重比較檢驗，以對比不同巖性和植被類型對土壤理化性質(zhì)的影響.應(yīng)用冗余分析(RDA)探索主要環(huán)境因子(裸巖率、土壤深度、海拔)與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián).采用Canoco 5.0軟件區(qū)分不同環(huán)境因子對土壤性質(zhì)差異的貢獻比例.基于999次隨機數(shù)據(jù)運行，采用蒙特卡洛排雷法確定RDA結(jié)果的顯著性.如果P值小于0.05，則認為結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義[19].使用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析檢驗，使用R語言繪制相關(guān)性圖，使用Origin 9.0繪制箱型圖及餅狀圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 主要環(huán)境因子差異

不同巖性條件下次生林和耕地土壤環(huán)境因子差異，如表2所示.由表2可知，耕地土壤深度顯著(P<0.05)高于次生林，且非喀斯特地區(qū)土壤厚度顯著(P<0.05)高于喀斯特地區(qū).本研究選取的耕地和次生林坡度相近(兩種巖性之間無顯著性差異)，可忽略坡度對土壤特性的影響.非喀斯特地區(qū)平均土壤厚度大于75.55±29.11 cm，其中耕地土壤厚度接近或超過100 cm(由于測釬深度為100 cm，故多數(shù)樣地實際土壤深度高于100 cm).喀斯特次生林土壤深度最低，僅為30.40±12.43 cm.

表2 不同巖性條件下次生林和耕地土壤環(huán)境因子差異Tab.2 Environmental factors of secondary forest and cropland under karst and non-karst areas

與土壤深度規(guī)律相反，裸巖率從大到小表現(xiàn)為喀斯特次生林>喀斯特耕地>非喀斯特次生林>非喀斯特耕地.其中喀斯特次生林裸巖率最高，為51.65%，其他土地利用類型之間無顯著性差異，非喀斯特耕地裸巖率為0，且標(biāo)準(zhǔn)差為0，即全土覆蓋.

2.2 不同巖性次生林和耕地土壤理化性質(zhì)對比

相對于非喀斯特土壤，喀斯特巖性表層土壤偏堿性，養(yǎng)分含量(有機碳和總氮)較高(如圖1所示).喀斯特土壤pH(平均值：6.53±0.82)顯著高于非喀斯特土壤(平均值：5.06±0.97)；有機碳和總氮含量平均值分別為33.44±19.62 g·kg-1和3.02±1.63 g·kg-1，是非喀斯特土壤的1.42和1.48倍.另外，喀斯特和非喀斯特樣地次生林土壤pH、有機碳及總氮均顯著(P<0.05).

不同巖性表層土壤物理性質(zhì)差異主要表現(xiàn)在土壤質(zhì)地(如圖1所示)，其中喀斯特土壤粘粒含量(平均值：27.79±22.27%)顯著(P<0.05)低于非喀斯特土壤(平均值：38.63±16.79%)，砂粒含量則相反，平均值分別為23.56±18.27%和10.16±5.88%.盡管無顯著性差異，但整體上喀斯特表層土壤容重較小，非毛管孔隙度較大.另外，無論是喀斯特還是非喀斯特地區(qū)，耕作會導(dǎo)致粘粒含量增加，砂粒含量減小，容重顯著(P<0.05)增大，而孔隙度顯著(P<0.05)降低(如圖1所示).

2.3 影響土壤理化性質(zhì)的主控因子

環(huán)境因子對土壤理化性質(zhì)的影響因巖性而異(如圖2、圖3所示).裸巖率是喀斯特土壤理化性質(zhì)變化的主控因素，解釋了土壤性質(zhì)63.6%的變異(P<0.01)，土地利用方式也達到顯著水平(P<0.05)，解釋率為15.2%.具體來說，裸巖率與有機碳、總氮、砂粒、毛管孔隙度呈顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系，容重呈顯著負相關(guān)關(guān)系.耕作條件下導(dǎo)致粘粒和容重增大，SOC、TN及砂粒減少.另外，盡管坡度對土壤性質(zhì)變化的解釋率較低，但與土壤性質(zhì)相關(guān)性較強，與裸巖率呈顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系.

注：小寫字母不同代表兩者之間存在顯著性(P<0.05)差異.K-F為喀斯特次生林；K-CR為喀斯特耕地；NK-F為非喀斯特次生林；NK-CR為非喀斯特耕地.圖1 不同巖性次生林和耕地土壤理化性質(zhì)差異Fig.1 The variation of soil physical and chemical properties in karst and non-karst lithologies

圖2 通過RDA分析的喀斯特和非喀斯特土壤性質(zhì)受環(huán)境影響因子排序Fig.2 Ordination diagrams generated by RDA analysis of the effect of environmental factors under karst and non-karst lithology

圖3 基于RDA分析的不同巖性地區(qū)各環(huán)境因子對土壤性質(zhì)變化的貢獻比例Fig.3 Individual contribution of primary parameters to the proportion of variation explained

土地利用變化是解釋非喀斯特土壤理化性質(zhì)變化的主控因子，解釋率達43.8%；另外，海拔解釋了27.5%的變異，兩者均為極顯著(P<0.01)水平(如圖2、圖3所示).與喀斯特地區(qū)一致，耕作導(dǎo)致有機碳和總氮含量降低，容重升高；另外還導(dǎo)致土壤毛管孔隙度增高.海拔對土壤性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為土壤有機碳、總氮和砂粒含量的變化，三者與海拔均呈顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系(如圖4所示).

3 討論與結(jié)論

研究表明，巖性對土壤理化性質(zhì)有重要影響.首先，喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分含量顯著高于非喀斯特地區(qū)，與前人的研究結(jié)果一致[8,11-19].這是由碳酸鹽巖富鈣鎂的特性決定的[16]，通常鈣質(zhì)土壤能夠獲取更高的有機碳和總氮積累量[8].然而，雖然養(yǎng)分含量整體較高，但喀斯特地區(qū)土壤層普遍淺薄，單位土體儲存的養(yǎng)分總量有限且有效性低，因此喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分的管理尤其重要.其次，巖性對土壤質(zhì)地也產(chǎn)生顯著影響，我國西南喀斯特碳酸鹽巖堅硬質(zhì)純，石灰?guī)r和白云巖節(jié)理裂隙構(gòu)造發(fā)育，容易發(fā)生物理風(fēng)化，從而易于形成砂質(zhì)風(fēng)化層[16].特別是次生林，由于坡地土壤層淺薄(小于30 cm)，土壤層與基巖層直接接觸(缺少母質(zhì)層)，再加上坡地易受降水侵蝕，土壤粘粒由于孔徑小而易于通過地表徑流或地下漏失的方式損失[26]，因此觀察到次生林砂粒含量顯著高于其他土地利用類型.本研究所取土壤深度小于5 cm，次生林容易受枯枝落葉影響，耕地則容易受到翻耕措施的影響，因此兩種巖性之間土壤孔隙和容重?zé)o顯著性差異.

(a)喀斯特 (b)非喀斯特注：**和*代表兩者分別在0.01和0.05水平上顯著相關(guān)，數(shù)字為顯著性系數(shù)，藍色代表正相關(guān)，紅色代表負相關(guān).Clay-粘粒含量，Silt-粉粒含量，Sand-砂粒含量，SOC-有機碳，TN-總氮，BD-容重，CP-毛管孔隙度，NCP-非毛管孔隙度，Elevation-海拔，Slope-坡度，SD-土壤深度，RO-裸巖率，LU-土地利用.圖4 喀斯特和非喀斯特地區(qū)土壤理化性質(zhì)及環(huán)境影響因子相關(guān)性Fig.4 Correlation between soil physicochemical properties and environmental factors

與大多數(shù)研究結(jié)果一致，耕作會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的顯著(P<0.05)降低，容重增大而孔隙度降低，這會進一步增加水土流失的風(fēng)險.耕作是導(dǎo)致全球土壤有機碳水平降低的主要管理方式，植被的吸收和重復(fù)耕作導(dǎo)致碳排放的增加[11,19].同時，耕作方式可直接改變土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤團聚體穩(wěn)定性，并可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和土壤孔隙特征的改變[27].因此，無論是喀斯特還是非喀斯特地區(qū)，保護性的耕作很有必要，對減少水土流失、防止土壤退化有重要意義.相對于非喀斯特地區(qū)，耕作還導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤質(zhì)地的顯著改變，耕作表層土壤粘粒增加、砂粒含量減小.與土層厚度普遍接近或大于100 cm的非喀斯特耕地不一樣，喀斯特耕層土壤較淺(約50 cm)，翻耕更耕作活動易導(dǎo)致粘粒上移，導(dǎo)致粘粒含量增加，相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn)粘粒含量與土壤深度呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，而砂粒則相反.值得注意的是，由于喀斯特快速的水文過程[28]，在強降雨情況下，坡腳和洼地(農(nóng)業(yè)種植區(qū)的主要分布區(qū)域)容易受到洪澇的風(fēng)險大，容易導(dǎo)致粘粒的流失.因此，特別是喀斯特地區(qū)，關(guān)注土壤質(zhì)地對于石漠化防止有重要意義.

巖性不同的地區(qū)土壤性質(zhì)變化主控因子存在差異，盡管土地利用在解釋兩個地區(qū)土壤性質(zhì)變化程度上均達顯著(P<0.05)水平，但主控喀斯特地區(qū)土壤性質(zhì)變化的主要環(huán)境因子是裸巖率(63.6%)，表明裸巖率對于巖溶地區(qū)土壤養(yǎng)分的預(yù)測至關(guān)重要.研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳和總氮含量與裸巖呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與Wang等[29]研究的結(jié)果一致.強烈的、不均勻的化學(xué)溶蝕造就了喀斯特地貌地形的非均質(zhì)性和破碎性，導(dǎo)致土壤斑塊狀分布，部分區(qū)域巖石裸露地表.裸巖分布區(qū)具有“漏斗”的作用，通過淋濾、滲透以及徑流等方式將營養(yǎng)物質(zhì)聚集在裸巖附近，使之成為空間資源可用的熱點區(qū)域[30].一些松散物質(zhì)例如枯枝落葉等容易覆蓋在裸巖區(qū)域表層，因此裸巖出露率越高的地方土壤孔隙度越大，容重越小.除了土地利用，海拔與非喀斯特地區(qū)有機碳和總氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而喀斯特地區(qū)海拔因子的作用很小.海拔可能通過氣候影響土壤性質(zhì)變化，由于本研究區(qū)域尺度較小，降雨量幾無差異，因此溫度因子是導(dǎo)致海拔梯度上養(yǎng)分含量分布差異的主要因子.隨海拔升高而降低溫度不僅降低了植被凋落物的產(chǎn)生，而且降低了有機物分解速率，導(dǎo)致有機碳和總氮積累量的增高[11].海拔與喀斯特土壤性質(zhì)相關(guān)性很弱，可見溫度對小尺度范圍土壤性質(zhì)的影響較小.

碳酸鹽巖發(fā)育的土壤具有富鈣鎂和易風(fēng)化溶蝕的特性，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)表層(0～15 cm)土壤養(yǎng)分有機碳、總氮和砂粒含量高于非喀斯特地區(qū)，粘粒則相反.淺薄的土壤層使喀斯特地區(qū)單位土體養(yǎng)分總量有限且有效性低.耕作活動會顯著(P<0.05)加劇土壤養(yǎng)分的流失，非喀斯特地區(qū)則還會導(dǎo)致粘粒增加和砂粒的減小，進一步增加了極端氣候下(特別是暴雨引發(fā)的洪水)粘粒流失的風(fēng)險.巖性差異導(dǎo)致土壤性質(zhì)變化的主控因子不一致，喀斯特地區(qū)裸巖率解釋了土壤性質(zhì)63.6%的變異，與土壤有機碳和總氮呈顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系.非喀斯特地區(qū)除了土地利用方式外(43.8%)，海拔(27.5%)梯度上溫度的差異也對土壤性質(zhì)變化產(chǎn)生重要影響，隨海拔升高而降低溫度減少了凋落物的產(chǎn)生和有機物的分解速率，導(dǎo)致有機碳和總氮積累量增加.因此，對區(qū)域尺度土壤性質(zhì)的預(yù)測需要關(guān)注率巖性等環(huán)境因子對土壤理化性質(zhì)的影響.