西南喀斯特地區小流域磁化率分布特征研究

趙恬茵

(黔南民族師范學院，貴州 都勻 558000)

1 引言

土壤磁性是土壤重要的物化性質，記錄了土壤環境信息。磁化率作為最常用的磁性參數之一[1～5]，在環境科學研究中被廣泛應用[2～4]，其不僅可以作為土壤發生分類的指標，也可用于指示土壤環境變化，確定河流泥沙來源，研究土壤侵蝕發展等[5～11]。鄧成龍等通過研究北方黃土發現磁化率可以作為指示成土作用強弱和古氣候變化的指標[6]；Hay及Denting等采用磁化率指示人類活動對土壤造成的污染[7,8]；磁化率還可以用于指示土壤重金屬污染[9,10]；大量研究表明即使在小流域尺度內土壤物化性質也存在巨大的空間變異[1～3]。磁化率的空間分布研究可以在土壤調查制圖、母質判別及土壤侵蝕強度分布等多方面發揮作用。近年來，國內外學者更側重于通過研究黃土剖面磁化率及大尺度范圍內磁化率變化特征，探討土壤磁化率與土壤環境變化的關系，而土壤磁化率的空間分布特征及其與土地利用的關系等方面的研究相對較少。研究小流域尺度內土壤磁化率的空間分布特征及不同土地利用方式下的土壤磁化率分布狀況，可以為研究流域內泥沙來源、土壤侵蝕發展、土壤污染狀況、土地利用方式的優化等提供科學的理論依據。本文通過研究巖溶區小流域尺度土壤磁化率的分布特征，探討不同土地利用方式對磁化率的影響，分析小流域尺度內磁化率分布特征在泥沙來源研究中的意義。

2 研究方法

2.1 研究區概況

以貴州省普定縣陳旗小流域為研究區。陳旗小流域是西南典型喀斯特的代表區，屬潮濕氣候，年均降水量1300 mm，年平均氣溫15 ℃。研究區土地利用方式為農耕地、林地和荒草地。農耕地地面人為擾動較大。

2.2 土壤樣品的采集

采用手持GPS定位儀記錄各樣點地理坐標，按流域內研究區所有土地利用類型(農耕地、荒草地和林地)和地貌類型(巖溶洞穴和巖溶裂隙溝壁)布點采樣。樣點布設覆蓋全流域，共采集110 個土壤樣，其中農耕地土壤樣品30 個、林地土壤樣品24 個、草地樣品20 個、巖溶洞穴土壤樣品14 個、巖溶裂隙土壤樣品22 個。土樣置于室內自然風干。稱重后，碾磨，過1 mm尼龍篩后，與磁化率儀同處放置。全程采用Bartington MS2 型磁化率儀測定土壤高頻質量磁化率(Xhf)和低頻質量磁化率(Xlf)。土壤樣品樣磁化率的計算公式如下：

(1)

式(1)中：X為土壤樣品質量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)；X0為測定體積磁化率，無量綱；X1為本底值，無量綱；m為測量樣品的質量，kg。

利用樣品的低頻和高頻質量磁化率得出樣品的頻率磁化率，計算公式如下：

Xfd=(1-Xhf/Xlf)×100

(2)

式(2)中：Xfd為頻率磁化率，%；Xhf為高頻質量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)；Xlf為低頻質量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)。

3 結果與分析

3.1 相同土地利用方式下土壤磁化率的分布

研究區磁化率值在最小值12.10×10-8m3/kg和最大值113.20×10-8m3/kg范圍內變動，平均值為56.37×10-8m3/kg。對照變異系數的劃分等級[11]，研究區不同土地類型土壤磁化率變異系數在0.2～0.7 之間變化，均屬于中等變異強度。這說明研究區內同種土地利用方式下土壤表層磁化率及頻率磁化率變化幅度相對較小。Xif及Xfd的變異系數均是巖溶洞穴的最大，分別為0.61 和0.57。農耕地、林地、荒草地、巖溶裂隙的Xif變異系數為：農耕地最小接近林地，巖溶裂隙最大，荒草地次之；Xfd的為林地的最小，農耕地最大，荒草地與巖溶裂隙次之(表1)。

表1 土壤磁化率統計特征值

3.2 不同土地類型土壤磁化率與頻率磁化率的比較

磁化率是用來表示物質的磁性強弱的，而影響物質磁性的主要因素是物質中磁性礦物的含量和種類[12,13]。土壤Xif一般小于100×10-8m3/kg，土壤剖面中最高的Xif不超過400×10-8m3/kg。頻率磁化率主要用來鑒定物質中超順磁物質。只有在物質的風化成土過程中，通過化學生物過程，才會將大的晶粒轉化為超順磁物質。一般當物質頻率磁化率值為5%左右時，說明超順磁物質較多，當大于10%時，已相當可觀[14]。Fine[14]在研究中國土壤磁性中認為Xfd<5%基本不存在SP磁性顆粒，Xfd>10%表明有相當數量的SP顆粒。此外，有人將高Xfd表層的缺失作為土壤侵蝕的依據。由表1可知：小流域內Xif、Xfd在正常范圍內，但整體偏小，均值分別為：56.37×10-8m3/kg、6.40×10-8m3/kg；在不同土地類型的變化趨勢：Xif為農耕地>林地>荒草地>巖溶裂隙>巖溶洞穴；Xfd為林地>農耕地>巖溶裂隙>荒草地>巖溶洞穴。除巖溶洞穴外，研究區的Xfd均大于5%。表明研究區表土土壤風化成土作用較好。

就農耕地、林地、荒草地而言，土地利用方式、利用年限及人類活動強度在三者之間存在很大差別：研究區內林地為多為灌木林，存在少量經濟林，只用非定期地在樹下等局部地區施肥，不用頻繁翻地，且灌溉頻度于灌溉量均遠小與農耕地；農耕地一年四季種植的作物不同，且受到長期耕作、大面積施肥、頻繁灌溉等人為因素影響；荒草地大多為退耕的農耕地而溝坡鮮有耕作歷史。農業耕作過程一般是采用鐵制農具，這可能對農耕地和林地磁化率值會有較大影響。綜上，3 種土地類型人類活動強度大小關系為：農耕地>林地和荒草地，與3 種土地類型的Xif的大小關系一致。這說明人類農業活動(施肥、灌溉、翻耕頻度)可能會增加土壤磁化率，且活動強度與影響程度呈正相關。

表2顯示：除巖溶洞穴外的Xif、Xfd在不同土地類型間均呈顯著差異外。對于Xif：農耕地與荒草地、溝坡呈顯著差異，果園與溝坡呈顯著差異；果園與農耕地和荒草地不呈顯著差異，溝坡和荒草地不呈顯著差異；對于Xfd僅農耕地與荒草地、果園呈顯著差異。這一結果說明：小流域尺度內不同土地類型間土壤磁化率存在分布差異；研究區磁化率對土地利用類型的響應可能比頻率磁化率更為敏感。

表2 Xif和Xfd非參數Mann-Whitney U檢驗

對磁化率而言，荒草地與農耕地差異顯著，而與林地無顯著差異；農耕地與林地差異不顯著。也就是說農耕地這一土地利用方式對土壤Xif的影響明顯區別于荒草地，而林地對土壤Xfd的影響與荒草地不存在顯著差異。若將林地與農耕地兩種土地利用方式對土壤Xif的影響進行比較，則差異不顯著。即，林地對土壤Xif的影響介于荒草地與農耕地之間?；牟莸赝寥繶if受人類活動影響較小，因此，可將荒草地Xif作為該研究區土壤磁化率標準，比較農耕地與林地2種土地利用類型對土壤Xif的影響，則農耕地與林地兩種土地利用方式都對土壤磁化率均有增加作用，且農耕地的作用要大于林地。

4 結論

(1)研究區相同土地利用方式和地貌類型土壤磁化率與頻率磁化率均差異不大。

(2)不同土地利用方式和不同地貌類型間土壤磁化率存在顯著差異。

(3)分析得出：農耕地這一土地利用方式對土壤磁化率增加的作用大于林地土地利用方式。