喀斯特山區(qū)不同生境下土壤礦質(zhì)元素研究概述

王大龍， 胡 娟， 申 玲， 陳 瑩

(貴州省畢節(jié)市土肥站， 貴州 畢節(jié) 551700)

喀斯特是一種獨(dú)特的地貌類型的統(tǒng)稱，最早由原蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)和研究此類地貌特征而得名。喀斯特地貌分布于世界各地的可溶性巖石地區(qū)，主要集中分布在東歐地區(qū)，中國(guó)西南部也是主要分布區(qū)，以廣西、貴州和云南最為典型且集中連片分布。我國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界三大巖溶區(qū)之一[1]，其中，云貴高原喀斯特分布面積達(dá)10.9萬km2。因受地球內(nèi)熱動(dòng)力、劇烈的地質(zhì)地殼運(yùn)動(dòng)、高溫多雨的各種因素影響和碳酸鹽類溶解性強(qiáng)、地上地下部分水文二元結(jié)構(gòu)分布以及其適生性種類植物的嗜鈣性、耐干旱性、石生性、貧瘠性等多種因子共同作用、限制性特點(diǎn)的綜合影響[2]，喀斯特地貌具有脆弱性和破碎性的顯著特點(diǎn)，表現(xiàn)為環(huán)境容量小，土地承載力低抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，閾值低，物質(zhì)循環(huán)快，受干擾后自然恢復(fù)的速度慢、難度大[3]。同時(shí)，伴隨此類地區(qū)人類活動(dòng)和水土流失而出現(xiàn)的石漠化現(xiàn)象，造成土壤物質(zhì)流失、土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)退化，以及土壤發(fā)生層次的變化[4]，對(duì)此類地區(qū)的人類生產(chǎn)生活、植被環(huán)境和生物物種多樣性具有較大影響。因此，針對(duì)喀斯特地區(qū)土壤環(huán)境開展相關(guān)研究，對(duì)促進(jìn)此類地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地利用具有重要意義，也受到了學(xué)者的關(guān)注。

礦質(zhì)元素是土壤組成的重要部分。土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成與成土條件和成土過程密切相關(guān)，對(duì)土壤的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)作用明顯，具有極大影響，是土壤分化、成土的基礎(chǔ)，同時(shí)參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的全過程[5-6]，是植物生長(zhǎng)良好的保障條件。因此，開展土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)研究，能夠?yàn)樯钊肓私馔寥览砘再|(zhì)及其有效性，實(shí)現(xiàn)土壤資源持續(xù)利用和防止土壤退化提供重要依據(jù)[3]。由于環(huán)境條件和成土?xí)r間不同，礦質(zhì)元素在土壤中的分布和轉(zhuǎn)化形式也不相同[6-7]，土壤礦物元素含量和分布主要來源于自然發(fā)育土壤的成土母質(zhì)的分布狀況。另外，隨著土壤的進(jìn)一步發(fā)育，成土母質(zhì)逐漸弱化對(duì)土壤礦物質(zhì)發(fā)育分布的影響。土壤礦物元素的含量和分布狀況，受土壤所處的外部環(huán)境，包括土壤理化特性、土地利用方式、植被覆蓋類型和環(huán)境污染等影響[8-10]。因此，通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查與整理，從不同植被覆蓋類型和土地利用方式喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素的變化，以及微生態(tài)生境下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素特征方面，概述喀斯特山區(qū)不同生境下土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)研究，為更好開展喀斯特山區(qū)不同生境下土壤中礦質(zhì)元素的研究提供參考。

1 不同土壤植被覆蓋下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素變化特征

植被不同演替階段以及不同退耕模式對(duì)土壤的理化性質(zhì)具有重要影響[11]。于揚(yáng)等[1]對(duì)廣西環(huán)江毛南族自治縣喀斯特峰叢洼地坡耕地、草叢、灌叢、人工林、次生林、原生林土壤的主要養(yǎng)分和礦質(zhì)養(yǎng)分進(jìn)行分析得出，各礦質(zhì)元素中，SiO2、Al2O3和Al2O3的含量占比較大。不同生態(tài)系統(tǒng)的礦質(zhì)養(yǎng)分含量存在差異，在次生演替過程中，SiO2含量大小排序?yàn)椴輩病⒐鄥?原生林、次生林；Al2O3與Fe2O3含量大小排序?yàn)楣鄥?草叢、次生林>原生林；CaO含量大小排序?yàn)樵?草叢>次生林>灌叢；MgO含量大小排序?yàn)樵?灌叢、草叢>次生林；MnO含量大小排序?yàn)椴輩病⒋紊帧⒐鄥?原生林，各級(jí)生態(tài)系統(tǒng)之間差異顯著或極顯著。隨著天然次生林改變?yōu)槠赂睾腿斯ち郑寥乐蠸iO2含量明顯增加，而CaO、MgO含量明顯減少。同時(shí)，運(yùn)用典型相關(guān)分析方法對(duì)研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤主要養(yǎng)分、土壤礦質(zhì)養(yǎng)分、土壤微生物兩兩間相互關(guān)系得出，土壤主要養(yǎng)分與礦質(zhì)養(yǎng)分間的相互關(guān)系主要表現(xiàn)為土壤中SiO2、CaO、MgO、Al2O3對(duì)主要養(yǎng)分的影響較大。梁建宏等[12]對(duì)以黃荊、檵木、金竹、小果薔薇等次生灌叢植被為基本格局的廣西桂林丫吉巖溶試驗(yàn)場(chǎng)為研究區(qū)，通過形態(tài)改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法，研究石灰性土壤中鈣、鐵、鋁3種礦質(zhì)元素在石灰土發(fā)育不同階段的賦存狀態(tài)。結(jié)果表明，隨著石灰土發(fā)育過程進(jìn)行，鈣總量及其形態(tài)均降低，而鋁、鐵總量和形態(tài)呈增加趨勢(shì)。吳海勇等[13]以桂西北中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)實(shí)驗(yàn)站為研究區(qū)，針對(duì)草叢→草灌叢→灌叢→藤刺灌叢→喬灌叢→頂級(jí)群落的順向演替和發(fā)展過程中，對(duì)鈣、鎂、鐵、鋁、鈦、二氧化硅6種與喀斯特土壤關(guān)系較大的礦質(zhì)成分的全量分析得出，隨著植被的恢復(fù)，土壤礦質(zhì)全量的變化愈發(fā)明顯,不同演替階段之間的差異大部分均達(dá)極顯著水平。受高溫多雨的影響,巖石在溶蝕過程中,含量最高的鈣、鎂碳酸鹽大量淋失,僅有極少部分生成次生礦物并成為土壤的組成部分；同時(shí),由“森林效應(yīng)”生成的潮濕生態(tài)環(huán)境加速巖石的溶蝕過程,使鈣、鎂含量顯著下降；生物累積作用增加及巖石在溶蝕過程中生成的重碳酸鈣、重碳酸鎂持續(xù)進(jìn)入土體,使土壤中硅的含量隨植被恢復(fù)呈極顯著增加趨勢(shì),鐵、鋁、鈦的含量變化也表現(xiàn)出相同規(guī)律。

2 不同土壤利用下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素變化特征

土地利用方式作為人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映，是影響土壤質(zhì)量變化最普遍、最直接、最深刻的因素，是影響陸生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分有效性的主要因素[14]。顏德宏[15]以貴州喀斯特生態(tài)環(huán)境下發(fā)育的石灰性水稻土為研究對(duì)象，分析石灰土稻田土壤剖面各形態(tài)鐵和碳酸鈣分布變化發(fā)現(xiàn)，土壤碳酸鈣分布集中在犁底層和底層，表層石灰性水稻土的碳酸鈣含量比對(duì)照的旱地土壤要低，而表層石灰性水稻土剖面平均含量也低于旱地土壤。喻陽(yáng)華等[16]對(duì)貴州安順市和貞豐縣交界地帶喀斯特山區(qū)典型人工林土壤礦質(zhì)元素含量特征及其相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤礦質(zhì)元素含量存在較大差異,且同一元素在不同樹種間的變化幅度各異，鋅、鉻、鐵、鈦、鋁、鎂、鎳、鈷等的變化規(guī)律較為一致,鈣、鍶等的變化趨勢(shì)較為相似,桉樹林、柏木林和枇杷林土壤中砷、硒、硅的含量較高,硫、鈉、氯等元素含量較低；不同礦質(zhì)元素隨林分類型的變化規(guī)律不完全一致。陳超等[3]對(duì)比分析貴州省惠水縣喀斯特山林地、草地、經(jīng)果林和農(nóng)田的土壤性質(zhì)得出，有效態(tài)銅、鋅和鉬在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤中的含量最低；有效態(tài)鐵在草地和農(nóng)田中的含量顯著低于林地和經(jīng)果林，有效態(tài)錳和硼在林地土壤中的含量最低。

3 喀斯特山區(qū)微生態(tài)生境下土壤礦質(zhì)元素特征

貴州境內(nèi)的喀斯特區(qū)是我國(guó)乃至世界熱帶、亞熱帶喀斯特地貌分布面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的高原山區(qū)也是世界上發(fā)育最完全的喀斯特連續(xù)地帶[4]。區(qū)域內(nèi)分布了大量的碳酸性鹽和硫酸性鹽等可溶性鹽類，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化發(fā)育的石灰土因碳酸鈣的作用而呈現(xiàn)出偏堿性的特點(diǎn)。因風(fēng)化發(fā)育的強(qiáng)度和成土過程、時(shí)間及生物有機(jī)和無機(jī)環(huán)境的不同，形成了不同的土壤類型和產(chǎn)生多種石灰土亞類。因此，許多學(xué)者以貴州喀斯特山區(qū)為研究區(qū)，對(duì)其微生態(tài)生境下土壤礦質(zhì)元素特征進(jìn)行研究。寧倩[17]對(duì)貴州黔北、黔中、黔東南、黔西、黔西南5個(gè)地區(qū)不同生態(tài)環(huán)境下喀斯特碳酸鹽巖母質(zhì)發(fā)育土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析表明，土壤樣品的游離鐵含量均20 g/kg，粘粒中SiO2占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，P2O5含量較少，元素含量變化順序?yàn)镾iO2>A12O3>Al2O3>CaO>MgO>K2O>P2O5。韓美榮等[18]采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析和典范相關(guān)分析方法，對(duì)喀斯特峰叢洼地農(nóng)作區(qū)、人工林、次生林、原生林土壤礦物質(zhì)的組成特征、作用以及與植被、地形、其他土壤性狀的耦合關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明:喀斯特峰叢洼地類型土壤礦物質(zhì)組成以SiO2、Al2O3、Al2O3、K2O氧化物形態(tài)為主，明顯低于全球土壤中硅鐵鋁鉀的平均背景值和同區(qū)域地帶性紅壤，而CaO、MgO的含量處于中等水平，MnO含量較低；不同生境和生態(tài)系統(tǒng)中土壤礦物質(zhì)組成和變異程度不同，土壤的發(fā)育程度也不同，與植被和土壤的原生性、共生性呈正相關(guān)關(guān)系，均有潛在的石漠化土壤退化風(fēng)險(xiǎn)，表明土壤礦物質(zhì)的形成、分布和變異性是影響喀斯特峰叢洼地土壤肥力和植物生長(zhǎng)的限制因子之一。陳超等[3]也指出，礦質(zhì)養(yǎng)分短缺可能是影響西南碳酸鹽巖石質(zhì)山地植被生長(zhǎng)和修復(fù)的重要限制性因子之一。因此，有效利用土壤中的礦物質(zhì)資源、合理施用礦質(zhì)養(yǎng)分和化學(xué)肥料對(duì)喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建意義和作用較大[18]。宋照亮[19]對(duì)烏江流域盆地巖石、土壤、植物及溪水樣品的礦物、元素組成以及元素存在形態(tài)等進(jìn)行分析，結(jié)果表明，相對(duì)于研究區(qū)黃壤、中國(guó)土壤(CS)和世界土壤(WS)，研究區(qū)石灰土富集Mn、V、P、REE和U等礦質(zhì)元素，且多數(shù)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物的供給能力高于其他土壤。風(fēng)化成土過程中礦質(zhì)元素的行為主要受巖性和地貌部位控制，還受元素性質(zhì)、土壤pH、氧化還原條件、鐵錳(氫)氧化物和有機(jī)質(zhì)含量、粘土礦物組成以及植被條件等的影響。石灰?guī)r等巖石風(fēng)化成土作用對(duì)研究區(qū)土壤的Mg、Ca、P、Mn和U等礦質(zhì)元素的分布特征較有影響。劉文景等[20]對(duì)貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)和清鎮(zhèn)市的喀斯特地區(qū)黃壤和石灰土剖面土壤主量元素和微量元素組成變化特征進(jìn)行分析得出，土壤相對(duì)于上地殼普遍富集P和Mn，而虧損Na、K、Ca、Mg元素。與黃壤相比，石灰土具有較高含量的K、Rb和較低含量的Sr元素。舒英格等[21]從土壤重金屬污染狀況角度，以貴州省烏當(dāng)區(qū)石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的旱耕地土壤為研究對(duì)象,采用層次分析法和改進(jìn)的主成分分析法，對(duì)研究區(qū)喀斯特土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

綜合來看，對(duì)喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素的研究主要從元素特征及數(shù)量分布變化方面分析[1,12-16]，也有對(duì)喀斯特不同生境下石灰土剖面的礦物組成和氧化物分布特征的研究[17-20]，還有從礦物的組成成分和地球化學(xué)行為角度研究喀斯特地區(qū)石灰土的風(fēng)化發(fā)育和地球化學(xué)特征[18-20]，而從金屬形態(tài)分析角度開展的研究不夠深入。喀斯特地質(zhì)的復(fù)雜性和地貌破碎性及土壤淺薄性等特征是影響此類地區(qū)森林植被、水土流失和元素地球化學(xué)行為的制約因素，治理水土流失，改善喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。今后應(yīng)對(duì)此類地區(qū)土壤中礦質(zhì)元素的性質(zhì)如遷移性、溶解性等開展針對(duì)性研究，以更好把握其土壤礦質(zhì)元素的變化和分布規(guī)律及數(shù)量特征，從元素豐缺度和背景值等土壤微觀元素層面，為喀斯特山區(qū)的土地利用、植被恢復(fù)、水土保持等提供可借鑒、可參考的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和模式。