喀斯特地区不同等级石漠化土壤的理化性质

颜萍+熊康宁+王恒松+檀迪+郭杰+肖杰+李开萍

摘要： 以中国南方典型喀斯特地区不同等级石漠化的土壤为研究对象，运用野外定点取样和实验室分析测定方法，研究不同等级石漠化环境土壤理化性质特征，探讨喀斯特地区不同等级石漠化土壤理化性质的变化规律，为喀斯特石漠化脆弱生态环境的综合治理提供理论依据。结果表明： 土壤含水量和田间持水量呈现强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化；土壤容重在不同等级石漠化的差异性不显著；随着石漠化等级程度的增加，土壤有机质、氮素、磷素、钾素含量有降低的趋势；相关性分析表明，土壤含水量、有机质、全氮与其他土壤理化因子具有较强的相关性；主成分分析表明，土壤含水量、田间持水量、容重、孔隙度、有机质、氮素、磷素、钾素是喀斯特地区不同等级石漠化土壤理化性质的关键因子，在改善土壤理化性质和促进土壤养分循环方面起着重要作用。

关键词： 喀斯特；石漠化；土壤物理性质；土壤化学性质

中图分类号： S153；S157 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0322-06

20世纪30年代，前苏联土壤学家威廉斯根据近代科学知识给土壤下了一个科学的定义：“土壤是地球陆地上能够生长绿色植物收获物的疏松表层”[1]。土壤的本质属性是具有肥力，它是存在于地表的自然体，有自己的发生、发展过程，环境因素以及环境变化对土壤都会产生较大的影响。因此研究土壤一定要把土壤与周围环境当作一个整体考虑[2]。

石漠化是在喀斯特脆弱生态环境下，人类不合理的社会经济活动，造成人地矛盾突出、植被破坏、水土流失、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退丧失，地表在视觉上呈现类似于荒漠化景观的演变过程[3]。中国南方喀斯特地区，长期受强烈的碳酸盐岩化学溶蚀作用产生了地表-地下双层空间结构，土层浅薄，在强降雨作用下极易流失导致喀斯特地区的土质退化[4-6]，而人类不合理的土地利用加剧了该地区水土流失。水土流失使土壤肥力下降，养分流失，从而使得土壤退化、植被退化，最终使土地资源不能利用加重石漠化产生[7-9]。近年来，一些学者对喀斯特地区的土壤理化性质进行了大量研究，主要研究石漠化治理过程的土壤效应、植被退化对土壤有机质和养分的影响、土壤有机碳与容重的关系等等，这为喀斯特地区的石漠化治理工程提供了重要的科学依据和理论支撑。本研究试图在前人的研究基础上，通过对喀斯特地区不同等级石漠化土壤理化性质进行研究，认识喀斯特地区不同等级石漠化地区土壤理化性质变化规律，进而为实现喀斯特地区的石漠化治理提供量化指标。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

毕节市撒拉溪镇朝营小流域，代表温凉春干夏湿喀斯特高原山地轻-中度石漠化区，位于乌江上游段六冲河流域，流域总面积8 627.19 hm2，喀斯特面积占总面积的73.94%，属喀斯特高原山地生态环境。朝营小流域属六冲河流域，地处毕节市西南部，总面积5 633.30 hm2，平均海拔1 600 m，主要是高中山地貌类型，主要出露石灰岩、灰岩、砂页岩，由于石灰岩地区基岩裸露面积大，土壤母质疏松，风化快，因而水土流失严重。植被主要是针阔叶混交林，主要土壤为黄壤，部分地区有山地黄棕壤、石灰土和砂页岩。地貌类型多样，地形破碎，耕地多分布于坡面上、台地和山间谷地，常形成环山梯田和沟谷坝地。

1.2 土壤样品采集

对研究区详细踏查的基础上，根据熊康宁等2002年提出的喀斯特石漠化强度分级标准[11]，选取喀斯特地区4种等级石漠化（强度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化），每种等级选择具有代表性的3个10 m×10 m典型样地为研究对象 （表1），共计12个样地。于2013年8月，测定物理指标的土壤在每个样地中心按蛇形方式各选3～5个采样点用环刀取土，各点间距约2.5 m，带回实验室分析土壤水分含量、田间持水量和土壤总孔隙度等物理性质指标。同时，在每一样地采集3～5个0 ～ 20 cm混合土样，用四分法取约 1 kg 土样带回实验室，共计36个土样。依据《土壤理化分析与剖面描述》中的要求对土样进行通风处自然风干，除去动植物残体、树叶等杂质，混合均匀后，用玛瑙研磨将其粉碎并过100目尼龙筛，装入塑封袋中用于土壤化学性质的测定。

1.3 分析项目与方法

土壤物理指标：土壤含水量、田间持水量、毛管持水量、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的测定主要采用环刀法[13-14]。化学指标：pH值采用水浸提-电位法（GB 7859—1987《森林土壤pH值的测定》）测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热（GB 7857—1987《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》） 测定；全氮采用半微量开氏法（GB 7173—1987《土壤全氮测定法（半微量开氏法） 》） 测定；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法（GB 7852—1987《 森林土壤全磷的测定》） 测定；全钾采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法（GB 7854—1987《森林土壤全钾的测定》） 测定；碱解氮采用 FeSO4-Zn还原碱解扩散法（GB 7849—1987《森林土壤水解性氮的测定》） 测定；速效磷用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L 1/2H2SO4溶液浸提土壤样品测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法（GB 7856—1987《森林土壤速效钾的测定》） 测定。具体操作方法参见《土壤理化分析与剖面描述》[12]。

1.4 数据处理与分析

应用 Excel 2003 软件对数据进行图表统计，以SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比较分析（LSD最小显著性差异法）、皮尔逊（Pearson）相关性分析和主成分分析等，用Origin 8.5 软件进行绘图分析。

2 结果与分析

2.1 不同等级石漠化土壤的物理性质分析

2.1.1 土壤含水量与持水量 不同等级石漠化对土壤含水量、田间持水量和毛管持水量产生一定的影响，研究（图1）表明，土壤含水量、田间持水量表现为强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化。潜在石漠化的土壤含水量均值为27.65%，显著高于中度石漠化和强度石漠化（P<0.05），与潜在石漠化相比，轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化的土壤含水量分别降低了11.28%、44.34%、48.35%。潜在石漠化的田间持水量均值为32.12%，显著高于中度石漠化和强度石漠化（P<0.05），与轻度石漠化无显著性差异，相比潜在石漠化，轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化的土壤田间持水量分别降低了8.44%、26.59%、29.98%。潜在石漠化的毛管持水量均值为25.49%，与轻度石漠化有显著性差异（P<0.05），与中度石漠化和强度石漠化无显著性差异（P>0.05），相比潜在石漠化，轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化的毛管持水量分别降低了32.88%、23.46%、21.11%。

2.1.2 土壤容重 土壤容重是土壤肥瘦和耕作质量的重要指标，研究（图2）表明，研究区样地土壤容重在不同等级石漠化差异不显著（P>0.05），均值1.34～1.42 g/cm3，表现为轻度石漠化>潜在石漠化>中度石漠化>强度石漠化的分布规律。与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化的土壤容重分别增加了1.49%、5.97%、2.24%，其中轻度石漠化的土壤容重增幅最大，其次是潜在石漠化和中度石漠化。

2.1.3 土壤孔隙度 研究（图3）表明，不同等级石漠化土壤的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均无显著性差异（P>0.05）。强度石漠化土壤的总孔隙度均值为49.73%，与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别降低了1.49%、5.23%、1.71%，其中轻度石漠化降低的幅度最大。强度石漠化土壤的毛管孔隙度均值为27.22%，与强度石漠化相比，中度石漠化降低了1.80%，轻度石漠化降低了10.8%，而潜在石漠化增加了27.81%。强度石漠化土壤的非毛管孔隙度均值为22.52%，与强度石漠化相比，中度石漠降低了1.15%，轻度石漠化增加了1.42%，潜在石漠化降低了37.43%。

2.2 不同等级石漠化土壤的化学性质分析

2.2.1 土壤pH值与有机质 研究（图4）表明，不同等级石漠化的土壤pH值差异不显著，均值6.05～6.43，其中轻度石漠化环境的土壤pH值均值最高，为6.43，与轻度石漠化相比，强度石漠化、中度石漠化和潜在石漠化分别降低了 0.47%、5.91%、4.66%。说明研究区的土壤属于微酸性土壤（5.5～6.5） [1]，基本满足农业生产的需要。有机质的均值为32.91～ 40.14 g/kg，强度石漠化土壤的有机质（均值32.91 g/kg），与轻度石漠化、潜在石漠化差异显著，与中度石漠化差异不显著。与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别增加了9.02%、21.97%、21.36%。

2.2.2 土壤氮素 研究（图5）表明，强度石漠化土壤的全氮含量与中度石漠化差异不显著，与轻度石漠化和潜在石漠化差异显著，均值1.14～2.01 g/kg，呈现强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化的趋势，与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别增加了 23.68%、57.89%、76.32%，轻度石漠化与潜在石漠化土壤显著升高（P<0.05），说明随石漠化等级的加强，全氮含量逐渐减小。研究区土壤碱解氮均值为104.97～154.45 mg/kg，强度石漠化土壤碱解氮含量最低，为104.97 mg/kg，显著低于轻度和潜在石漠化土壤（P<0.05）。

2.2.3 土壤磷素 研究（图6）表明，强度石漠化的全磷与中度石漠化差异不显著，与轻度石漠化和潜在石漠化差异显著，表现为强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化的趋势，均值1.06～1.81 g/kg，与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别增加了34.91%、50.94%、70.75%，其中轻度石漠化的增加幅度最大，潜在石漠化和轻度石漠化的土壤全钾含量显著高于中度石漠化和强度石漠化（P<0.05）。潜在石漠化的速效磷与强度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化差异显著（P<0.05），均值 23.09～33.50 g/kg，随着石漠化等级程度的增加，土壤速效磷有降低的趋势，与潜在石漠化相比，强度石漠化、中度石漠化和潜在石漠化分别降低了 28.66%、24.44%、31.07%。

2.2.4 土壤钾素 研究（图7）表明，不同等级石漠化土壤的全钾与速效钾均呈现强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化的趋势。强度石漠化的全钾含量显著低于中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化（P<0.05），与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别增加了2659%、39.21%、73.54%。强度石漠化的速效钾含量显著低于中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化（P<0.05），与强度石漠化相比，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别增加了23.59%、39.75%、43.27%，其中潜在石漠化增加幅度最大。

2.3 喀斯特石漠化环境土壤理化性质的相关性分析

从表2分析可知，喀斯特地区不同等级石漠化的土壤理化性质之间具有较明显的相关性。土壤含水量与田间持水量、全氮、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著正相关（P<0.01），与有机质呈显著正相关（P<0.05）。有机质与田间持水量、全氮、全钾呈极显著正相关（P<0.01），相关系数分别为0.738、0.845、0.715，与毛管持水量、容重、毛管孔隙度呈负相关关系，与土壤含水量、速效钾呈显著正相关（P<005），相关系数分别为0.680、0.624。全氮与有机质的相关系数为0.845，达到极显著正相关，与土壤含水量、田间持水量、全磷、全钾、速效钾呈极显著正相关（P<0.01），与碱解氮、速效磷呈显著正相关（P<0.05），相关系数分别为0.622、0.670，而全氮与毛管持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度的相关性不大。由此可见，土壤含水量、有机质、全氮与土壤其他理化因子具有较强的相关性。

2.4 喀斯特石漠化环境土壤理化性质的主成分分析

通过主成分分析喀斯特石漠化环境土壤的含水量、田间持水量、毛管持水量、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾，共15个理化性质指标（表3）。研究表明，主成分1的贡献率为67.972%，主成分2的贡献率为26.421%，累积贡献率达94.393%，且特征值均大于1。说明前2个主成分保留了喀斯特不同等级石漠化土壤理化性质的绝大部分信息。因此选取这2个主成分作为评价石漠化特征主成分分析的依据。从表3分析可知，主成分1中，土壤含水量、田间持水量、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾所占权重系数较大，说明主成分1反映了土壤含水量、田间持水量、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾来表征喀斯特石漠化环境的信息。主成分2中，容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度所占权重系数较大，说明主成分2主要反映了容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度表征喀斯特石漠化环境的信息。综上分析可知，不同等级石漠化的土壤含水量、田间持水量、容重、孔隙度、有机质、氮素、磷素、钾素是土壤理化性质的关键因子，在改善土壤土壤养分循环、对土壤结构的形成和稳定中具有重要作用。

3 结论与讨论

喀斯特地区的土壤质量随石漠化等级的加强而降低，研究表明不同等级石漠化环境土壤物理性质存在显著差异。土壤含水量的多少，直接影响土壤的适耕性和植物的生长发育[13]。田间持水量是毛管水达到最大时的土壤含水量[14-16]。本研究表明土壤含水量和田间持水量均有强度石漠化<中度石漠化<轻度石漠化<潜在石漠化的变化趋势。毛管持水量是土壤含水量超过最大分子持水量后，在毛管力的作用下，保持在毛管空隙里的水[17]。潜在石漠化的毛管持水量均值最高，是因为潜在石漠化进行坡改梯后地表径流对土壤冲刷能力降低，保水能力增加。

土壤容重是指单位容积干土壤体（包括土壤孔隙和圡粒体积）的质量，它反映了土壤坚实度和孔隙度的大小[15，18]，本研究表明容重在不同等级石漠化的差异性不显著，均值 1.34～1.42 g/cm3，轻度石漠化土壤的容重最大，这与前人的研究结果有显著区别，刘云等2009年的研究结果为强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>潜在石漠化[19]。之所以会出现这种变化，是因为随着石漠化的治理，轻度石漠化和潜在石漠化的土地利用方式被改变，受人为干预较大，农用后人为踩踏频繁，导致土壤容重增大。强度石漠化属于原生态环境，受人为干预较小，体现为土壤容重也较小。

总孔隙度均值为47.13%～49.73%，从农业生产需要来看，旱作土壤耕作层的土壤总孔隙度为50%～56%，本研究的结果说明研究区土壤总孔隙度偏低，表明以壤土为主，仍需对研究区土壤掺沙掺黏改良土壤质地使之达到植物生长适宜的空隙范围。非毛管孔隙度在不同等级石漠化环境无明显差异，这与盛茂银等在研究中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应时得到的结果[20]一致，说明非毛管孔隙度与石漠化的等级程度相关性不大。

土壤pH值是土壤形成过程综合因子作用的结果，是土壤很多化学性质特别是盐基状况的综合反映[21-24]。本研究表明研究区的土壤属于微酸性土壤（5.5～6.5），基本满足农业生产的需要。土壤有机质中含有作物生长所需的各种养分，可直接或间接地为作物生长提供N、P、K、Ca、Mg、S和各种微量元素，能够改善土壤理化性状和提高土壤保水、保肥性能等[25-26]。研究表明，轻度石漠化的土壤有机质含量最高，潜在石漠化次之，这是由于在石漠化治理过程中，施加了有机肥，提高了农田的土壤肥力。土壤氮素是一种以生物来源为主的营养元素，全氮是土壤氮素养分的储备指标，在一定程度上说明土壤氮的供应水平[20-21]。研究表明全氮含量呈现潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化，碱解氮含量呈现轻度石漠化>潜在石漠化>中度石漠化>强度石漠化，说明轻度和潜在石漠化的土壤氮素供应能力高于强度和中度石漠化。土壤全磷和速效磷含量是衡量土壤养分容量和强度水平的重要指标[19-21]。陈洪云等[27]研究表明，全磷含量呈现潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化的趋势，本研究结果与之一致，可见石漠化等级越高，土壤的磷素含量越低。全钾和速效钾含量主要反映土壤供钾能力[21]。熊康宁等[28]和黄金国等[29]研究表明，随着石漠化等级程度的增加，土壤钾素含量有降低的趋势，本研究结果与之基本一致，主要原因是从潜在石漠化到强度石漠化，植被覆盖度降低，枯枝落叶减少，岩石裸露率增大，水土流失加强，导致土壤的营养元素流失。

不同等级石漠化环境土壤理化性质相关性分析表明，土壤含水量、有机质、全氮与土壤其他绝大多数理化因子具有明显的相关性。土壤含水量与田间持水量、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾相关性呈极显著正相关。总孔隙与毛管孔隙度呈极显著相关关系，与Wang等[30]2013年的研究结果一致，说明土壤的总孔隙度与毛管孔隙度有紧密的联系。土壤有机质与田间持水量、全氮、全钾呈极显著正相关，与含水量、速效钾呈显著正相关，与容重呈负相关，这与魏强等2012年得到的结论相似[31]，这是因为土壤一经开垦，并连续耕作之后，有机质含量发生变化，导致土壤的养分循环也发生变化，说明有机质是研究土壤理化性质的重要指标，在促进养分循环方面具有重要作用。通过主成分分析喀斯特石漠化环境土壤的15个理化性质指标可知，不同等级石漠化的土壤含水量、田间持水量、容重、孔隙度、有机质、氮素、磷素、钾素是土壤理化性质的关键因子，在改善土壤养分循环方面，对土壤结构的形成和稳定具有重要作用。主成分1和主成分2能反映所有指标信息量的94.39%，评价结果具有很高的代表性并且与实际情况相符，表明主成分分析方法能准确、客观反映喀斯特地区的土壤理化性质表征的石漠化信息，为石漠化生态治理提供科学依据。

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