西南喀斯特地区不同石漠化阶段土壤黏土矿物组成及其含量变异研究

杨新强，陈效民，李孝良，2，周炼川，陈 律，南江宽，李发金

（1.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京210095；2.安徽科技学院植物科学学院，安徽凤阳233100）

0 引言

喀斯特与黄土、沙漠、寒漠并列为中国四大生态环境脆弱区［1］。石漠化是指土壤侵蚀导致基岩大面积裸露、土壤生产力下降、自然景观受到严重破坏的喀斯特地区独有的现象［2］。以往的研究主要是从土壤物理参数［3］、土壤养分［4］、土壤植被［5］、治理模式与生态重建［6］等方面入手，在一定程度上忽视了从土壤黏土矿物角度对石漠化过程的探讨。黏土矿物是土壤的主要组分之一，其组成和含量受气候、地形、植被和基岩类型等综合因素制约［7］。研究黏土矿物有助于弄清楚土壤的形成过程，为土壤分类提供重要参考。

笔者以贵州省典型石漠化阶段土壤为研究对象，重点探讨土壤中黏土矿物在石漠化过程中的变化规律及其在土壤剖面中的分布状况，同时对粉粒和砂粒中的矿物组成进行初步探讨，试图为西南喀斯特地区石漠化阶段的划分提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土壤样品采自贵州省普定县和荔波县，按照植被覆盖度、基岩裸露率等指标选择典型石漠化阶段的区域进行采样［8］。普定县陈旗村为典型的喀斯特山地小流域地形；荔波县茂兰保护区是地球上唯一保存下来的喀斯特森林生态系统，采样点母岩为石炭纪灰岩［9－10］。根据梅再美等提出的石漠化划分标准［11］，在研究区典型地段选择不同石漠化阶段的样地，按照土壤发生层取样。供试土壤基本状况见表1。

表1 喀斯特地区采样点基本状况Tab.1 Basic Characteristics of the Sampling Sites in Karst Region

1.2 分析方法

1.2.1 黏粒的提取和黏土矿物分析

土壤中黏粒的提取方法是以司笃克斯定律为基础，利用土粒在静水中沉降规律，采用沉降－虹吸法对土壤进行粒级分组，将小于0.002mm的黏粒部分分离收集起来。然后进行以下4种处理：①用1mol／L KCl饱和样品；②用1mol／L KCl饱和样品再经550℃加热2h；③用1mol／L MgCl2饱和样品；④1mol／L MgCl2饱和风干后，再用10%甘油饱和样品。利用DMAX－B型X－射线衍射仪（XRD）对上述4种处理的黏粒、粉粒和细砂粒样品进行扫描分析，以测定单位晶层之间距离（d）。

根据MgCl2加甘油饱和处理样品的X－射线衍射仪图谱，可以计算黏粒中各矿物的质量分数

式中：wi为矿物i的质量分数；λi为矿物i的系数，根据文献［12］取值；Ai为矿物i最强峰的峰面积；Ii为矿物i主要衍射峰的积分强度；I为矿物主要衍射峰的积分总强度。由上述公式可知，黏粒中各矿物的质量分数即为各矿物主要衍射峰的积分强度与积分总强度之比。

1.2.2 土壤基本性质的测定

土壤基本性质的测定采用以下方法：①土壤机械组成测定采用吸管法；②土壤pH值测定采用pH计电位法；③土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热法；④土壤密度测定采用环刀法（表2）［13］。

2 结果与讨论

2.1 矿物组成

图1为荔波县茂兰保护区尧古村未石漠化阶段土壤黏粒矿物（KCl饱和样品）的定性分析。图谱显示，在d分别为14.5、10.1、7.1、5.0、3.6、3.33nm时出现衍射峰。图2为轻度石漠化阶段土壤黏土矿物（KCl饱和样品）的定性分析，在d为14.67、9.84、7.20、4.95、3.57、3.34nm出现衍射峰。图3为中度石漠化阶段土壤黏土矿物（KCl饱和样品）的定性分析，在d为14.87、7.26、4.84、3.62、3.38nm时出现衍射峰。根据衍射峰的位置和强度判断，黏粒中存在的矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石。各石漠化阶段样品的图谱基本一致，反映了它们具有相同的矿物组成。

表2 供试土壤基本性质Tab.2 Properties of the Tested Soils

图1 未石漠化阶段土壤剖面表层（0～12cm）黏土矿物X－射线衍射图谱Fig.1 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－12cm）Under the Non－degraded Stage of Rock Desertification

图2 轻度石漠化阶段土壤剖面表层（0～17cm）黏土矿物X－射线衍射图谱Fig.2 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－17cm）Under the Light Stage of Rock Desertification

研究区不同石漠化阶段土壤中黏土矿物的组成是相似的，土壤黏土矿物以伊利石、蒙脱石和高岭石为主。黏土矿物的类型分布受母岩、母质的矿物学组成的影响，又与风化和成土条件有密切关系。熊毅推论的黏土矿物变化规律为：伊利石→伊利石、蛭石→伊利石、蛭石、高岭石→高岭石、蛭石→高岭石、三水铝矿［14］，而西南喀斯特地区不同石漠化阶段黏土矿物为：伊利石直接演变为蒙脱石或高岭石；这说明石漠化过程对黏土矿物的演变有特殊的影响。

图3 中度石漠化阶段土壤剖面表层（0～15cm）黏土矿物X－射线衍射图谱Fig.3 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－15cm）Under the Moderate Stage of Rock Desertification

图4为荔波县茂兰保护区尧古村轻度石漠化阶段土壤中粉粒和砂粒矿物的定性分析。在d分别为4.30、3.30、2.45nm时出现衍射峰。结果表明，粉粒主要由石英和白云母组成，砂粒主要由石英组成。同样，各石漠化阶段土壤粉粒和砂砾的X－射线衍射图谱也是相似的，说明它们有着相同的组成。

图4 未石漠化阶段土壤剖面下层（12～24cm）粉粒和砂粒矿物X－射线衍射图谱Fig.4 X－ray Diffraction Spectrogram of Silt and Gravel Minerals in the Lower Part of Soil Section（12－24cm）Under the Non－degraded Stage of Rock Desertification

2.2 黏土矿物含量

喀斯特地区不同石漠化阶段土壤黏土矿物含量见表3。在未石漠化阶段的各个土壤发生层中，伊利石的质量分数最高，分别达到50.79%、47.55%和41.24%，占总量的一半左右。蒙脱石、高岭石在各层间的含量相差不大。随着石漠化程度的加深，蒙脱石和高岭石在剖面表层的含量逐渐增加，这说明上述两种矿物的风化程度随着石漠化作用的增强而增加；伊利石的质量分数逐渐减少。尤其在中度石漠化阶段，伊利石在剖面表层的质量分数由未石漠化阶段的50.79%和轻度石漠化阶段的38.85%锐减至中度石漠化阶段的4.75%。这说明在中度石漠化阶段，伊利石向高岭石（蒙脱石）的转化作用最为强烈。

未石漠化阶段土壤呈弱碱性，伊利石主要向蒙脱石方向演变，因此该阶段蒙脱石的含量较高岭石高。而到了轻度石漠化阶段，土壤由弱碱性向弱酸性转变，对矿物的演变方向产生了直接影响；伊利石主要演变为高岭石，高岭石在上下土层的质量分数分别为31.81%和8.09%，略高于蒙脱石的29.34%和6.49%。在中度石漠化阶段，土壤酸性进一步加强，但是此时蒙脱石在上、下层的质量分数分别为58.32%、44.62%，高于高岭石的36.93%、38.27%；这说明中度石漠化阶段土壤成土母质中蒙脱石的含量相对较高。土壤黏土矿物的组成及其含量变化，不仅可以说明各土壤间胶体性质的差异，还可以反映土壤形成过程的类型和程度。

表3 土壤黏土矿物含量Tab.3 Content of Clay Mineral in Soil

2.3 各黏土矿物含量之间的关系

按照黏土矿物的变化规律，通过对各个石漠化阶段伊利石和蒙脱石之间的质量分数作相关分析表明（图5），二者呈极显著性的线性关系，相关系数为－0.970 3，说明蒙脱石的含量随伊利石含量的降低而快速增加。

图5 蒙脱石与伊利石含量之间的关系Fig.5 Relationship Between the Contents of Montmorillonite and Illite

对各石漠化阶段伊利石和高岭石之间的质量分数作相关分析发现，二者也呈极显著的线性关系，相关系数为－0.945 6，也说明了高岭石的含量随伊利石含量变化而发生变化。

结合图5、6以及黏土矿物的演变规律，充分说明在西南喀斯特地区，伊利石、蒙脱石和高岭石之间存在显著相关性。伊利石在气候、土壤酸碱性等共同作用下，向蒙脱石和高岭石转化，而这些作用的强度也随着石漠化程度而加深。因此，特定黏土矿物的含量可以作为划分石漠化阶段的一个重要参考指标。

图6 高岭石与伊利石含量之间的关系Fig.6 Relationship Between the Contents of Kaolinite and Illite

3 结语

（1）受地带性规律的影响，西南喀斯特地区不同石漠化阶段黏土矿物和粉粒、砂粒矿物的组成是相同的。黏土矿物主要为伊利石、蒙脱石和高岭石；粉粒中的矿物主要为石英和白云母；砂砾中的主要矿物为石英。

（2）随着石漠化程度的加深，伊利石逐渐向蒙脱石和高岭石转化，土壤酸碱度在这一过程中起了重要作用。

（3）伊利石、蒙脱石和高岭石的含量之间呈极显著的线性负相关关系，相关系数分别为－0.970 3和－0.945 6。

（4）石漠化阶段的划分标准尚不统一，特定黏土矿物在不同土层深度的含量可以作为划分石漠化阶段的一个重要依据。

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