黔中喀斯特地区岩性对表土理化性状及抗冲性影响

2011-06-21孙珍玲高华端张光辉孙泉忠

水土保持研究 2011年5期

孙珍玲，高华端，张光辉，3，孙泉忠，袁勇

（1.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875；2.贵州大学林学院，贵阳550025；3.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875）

贵州省是我国西南亚热带地区喀斯特强烈发育的省份，可溶性碳酸盐岩出露面积占全省国土面积的73%［1］。在脆弱的喀斯特环境下，由于土壤侵蚀导致可利用耕地减少，土地生产力低下。喀斯特地区成土速率低、土层浅薄等特点，导致该区土壤允许流失量小，同等侵蚀的后果远比非喀斯特地区严重。土壤侵蚀引起的石漠化、土壤贫瘠化、土壤结构恶化等问题十分凸显［2］，已严重制约了该地区经济社会的可持续发展。

在喀斯特地区，岩性是影响土壤侵蚀最主要的原因之一［3］，发育在不同性质母岩上的土壤，其理化性状存在显著差异［4］，进而可能引起土壤抗冲性能的变化。国内关于土壤抗冲性的研究主要从植被［5－6］、土地利用［7－9］及根系［10－12］等方面展开，且大多集中在黄土高原地区。有少数人在喀斯特地区做过不同土地利用方式的土壤抗冲抗蚀性研究［13－15］。但岩性对土壤理化性状和抗冲性影响的研究鲜见报道。土壤的理化性状之间相互影响，定量分析理化性状有助于分析土壤抗冲性。本研究采集贵州中部白云岩、长石砂岩、煤系地层、石灰岩、紫色长石石英砂岩上发育的表层土壤，分析岩性对表土理化性状及土壤抗冲性的影响规律，为阐述喀斯特地区土壤侵蚀机理，优化水土保持措施配置及恢复生态环境提供理论依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黔中腹地花溪区，地处东经106°27′－106°52′，北纬26°11′－26°34′，全区地貌以山地和丘陵为主，土地总面积957.6 km2。区内地表出露较全，有石灰岩、白云岩、砂岩、砂页岩等，其中以碳酸盐岩为主，属于典型的喀斯特地区。森林覆盖率达到41.4%，海拔1 130～1 326 m。该区气候温和湿润，雨量充沛。年均气温14.9℃，7月平均温度23℃，1月平均温度4.7℃，年均降水量1 299 mm，属于亚热带高原季风性气候。

1.2 研究方法

按线路法进行野外调查，在研究区内选取不同岩性发育的原状土典型样地，共计51个样点，不同岩性组样点数如表1所示。每个样点采用美国DICKEY－john6100型土壤紧实度仪进行原状土紧实度测量，重复5次，取平均值作为该点的土壤紧实度值。然后进行剖面开挖，统一采集A层中部土壤，分别用铝盒、环刀和自封袋采集土样带回室内做土壤理化性状和抗冲性分析。其中机械组成用比重计法重复测1次；容重和孔隙度用环刀法重复1次；有机质用KCr2O7－H2SO4氧化法重复3次；抗冲性采用蒋定生设计的原状土冲刷法［16］。冲刷时坡度选25°，将采集的土样削成20 cm×10 cm×6 cm土样，采用恒定流量30 ml／s冲刷4 min，烘干称重每次冲刷产生的泥沙，并计算冲刷模数［g／（m2·min）］用以表征抗冲性。

表1 不同岩性样点数

2 结果与分析

2.1 岩性对土壤理化性状的影响

通过对不同岩性发育土壤的机械组成、孔隙度、容重、紧实度和有机质指标的测定，按照指标归类分别得到质地类型与机械组成表（见表2），其中机械组成采用美国农部制土壤分类机制，取每个岩性组均值作为机械组成指标值。质地类型运用张丽萍等研发的STAC程序［17］。计算每个样本的三种颗粒含量得出。各岩性土壤其它理化指标组平均值见表3。在原始数据统计的基础上，进行5种岩性各类理化指标的组间差异性检验，得到表4。

表2 不同岩性发育土壤的质地与机械组成

机械组成是土壤结构体的基本单元，受基岩和母质的影响很大。从表2可以看出，整体而言喀斯特地区的土壤质地偏粘，多数在壤土到黏土之间。其中煤系地层发育的土壤黏粒含量最高，土壤的质地最粘，加之黏粒具有强吸附力，所以矿质养分丰富。长石砂岩黏粒含量最低，仅有煤系地层土壤黏粒含量的1／2，砂粒含量最高。因为砂岩类风化过程保留了较多的粗骨质颗粒，因此土壤中砂粒多且粗。白云岩和石灰岩属于碳酸盐岩，在其风化成土过程中，只有少部分黏土杂质堆积成土，粉粒含量最大，黏粒和砂粒含量较少。由于白云岩和石灰岩风化成土性能不同［16］，造成二者机械组成不同，石灰岩地区土壤石砾含量较低（砂粒含量11.43%），而白云岩地区土壤石砾含量较高（砂粒含量13.72%）。

由表3可知，5种岩性的土壤孔隙度、容重、有机质含量和紧实度之间的相互联系可以综合反映土壤的结构和肥力状况。孔隙度和容重指标密切相关，孔隙度大的，容重则小。喀斯特地区土壤总孔隙度为47%～60%，变动幅度较大。有机质含量都比较高，为46.5～60 g／kg，说明喀斯特地区土壤肥力状况总体良好。碳酸盐岩类发育的土壤孔隙度和有机质含量均最大，砂岩类土壤最小，容重的变化规律与孔隙度相反。说明碳酸盐岩发育的土壤结构疏松，保水透气性好，较高的有机质含量有助于形成更多团粒结构，土壤的肥力也最好。砂岩类具有最差的结构性。土壤紧实度指标变化规律为：煤系地层＞长石砂岩＞石灰岩＞紫色长石石英砂岩＞白云岩。煤系地层土壤最紧，与其质地粘重有密切关系，紧实的土壤不利于植物根系生长，也不利于通气透水，土壤的水土保持功能不好。

由表4可知，不同岩性组的土壤除紧实度外，其他理化性状之间均具有极显著差异，说明岩性对土壤的理化性状有显著影响，因此实施水土保持措施要重视不同岩性发育土壤之间理化性状的差异性。各岩性组之间的紧实度没有明显差异，说明紧实度可能受其它因素（如植被根系等）影响更为强烈，与岩性之间没有必然联系

表3 不同岩性发育土壤的其他理化性状指标平均值

表4 不同岩性土壤理化性状组间差异性检验

2.2 岩性对土壤抗冲性的影响

抗冲性是指土壤抵抗径流机械破坏和推移的能力，它反映了土壤抵抗侵蚀性能的强弱，受土壤理化性状、岩性及土地利用等多种因素的影响。

图1 不同岩性的土壤冲刷模数

从图1中可以看出，煤系地层土壤冲刷模数显著高于其它岩性，其它岩性组冲刷模数在40 g／（m2·min）左右，煤系地层组土壤冲刷模数是其它的2倍多，达到96 g／（m2·min）。煤系地层的岩性组成复杂，有泥岩、粉砂岩、砂岩等，发育成的土壤性质更为复杂。其它几种岩性的土壤冲刷模数差异不显著，冲刷模数大小依次排列为：紫色长石石英砂岩＞石灰岩＞白云岩＞长石砂岩。在土壤侵蚀防治时，尤其注意煤系地层的土壤状况，应实施更好的水土保持措施。

从表5可见土壤冲刷模数与有机质、砂粒、粉粒含量呈显著的相关关系，充分说明土壤抗冲性主要受到3个指标的影响。有机质能促进团粒结构形成，粉粒是形成良好土壤结构体的最好颗粒，粉粒越多，土壤的固体颗粒结构越均匀，使土壤具有更强的抗冲刷性能。因此随有机质含量的增大，土壤抗冲性增强；但随着砂粒含量的增大，土壤抗冲性下降，因为砂粒土壤颗粒粗大，缺少粘结力，容易被冲刷而分离。冲刷模数与土壤其它理化性状相关关系不显著，其中与黏粒含量、孔隙度、紧实度之间呈反相关关系，与容重呈正相关关系。

表5 冲刷模数和土壤理化性状相关性分析

3 结论

（1）不同岩性的土壤理化性状除紧实度外均存在极显著差异。碳酸盐岩（白云岩和石灰岩）发育的土壤结构性最好，砂岩类（长石砂岩和紫色长石石英砂岩）次之，煤系地层质地粘重，紧实度最大，结构性差。

（2）煤系地层的土壤抗冲刷能力最弱，其冲刷模数大约是其它岩性组的2倍，需要针对煤系地层发育的土壤进行更好的保护措施。不同岩性土壤冲刷模数变化规律：煤系地层＞紫色长石石英砂岩＞石灰岩＞白云岩＞长石砂岩，另外所有土壤的冲刷模数与有机质、砂粒、粉粒含量间呈显著相关，随着有机质及粉粒含量的增大而增大，随砂粒含量的增大而减小。研究结果对阐述喀斯特地区土壤侵蚀机理，优化水土保持措施配置及恢复生态环境具有一定的理论和实践意义。

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