岩溶山区土壤水的地球化学特征及其与土壤环境的关系

2017-12-05覃星铭何丙辉吴华英

农业机械学报 2017年11期

关键词：土壤水土壤环境速效

覃星铭何丙辉吴华英

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400716； 2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004)

岩溶山区土壤水的地球化学特征及其与土壤环境的关系

覃星铭1,2何丙辉1吴华英2

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400716； 2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004)

岩溶峰丛山区；土壤水；地球化学性质；土壤环境因子；灰度关联；典范对应分析

引言

作为全球岩溶三大分布中心之一的中国西南地区，境内碳酸盐岩类岩层纵深横广，岩溶现象普遍、多样，类型繁杂、发育强烈，在相对脆弱的岩溶多重介质与不合理的人为活动的叠加影响下，引发植被破坏、土地质量衰退、水土流失、干旱缺水、群众生活贫困等一系列的问题[1-2]。

图1 研究区采样点的环境地质简图Fig.1 Schematic environmental geology map of monitoring point in research area

土壤水是大气降雨经岩溶表层带中的土壤向地下水转化的重要纽带，也是岩溶关键带植物、微生物生存发展的物质和水分来源，直接关系到岩溶关键带水资源的形成、转化与消耗。土壤作为土壤水的空间存储载体和物质能量来源，可认为土壤质量条件是响应土壤水的重要环境因子。目前，有部分专家学者对岩溶峰丛山区土壤异质性及其环境的影响进行了研究[3-9]，也取得了很多研究成果[10-11]，但对岩溶峰丛山区土壤水的地球化学性质方面的研究较少[12-13]，特别是利用灰度关联分析(Grey relational analysis，GRA)和典范对应分析(Canonical correspondence analysis，CCA)等方法讨论岩溶山区土壤水地球化学性质及其环境响应方面的研究鲜有报道[14-15]。因此，本文选择岩溶峰丛山区土壤-土壤水为研究对象，研究土壤水地球化学性质的空间变化特征及其对土壤环境条件的响应关系，以期完善土壤水与环境关系的方法研究、指导岩溶峰丛山区生态重建和农林水土工程调蓄。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于桂西南右江中游石漠化最为严重的中心地带之一的广西平果县果化镇布尧村一带，面积约3 km2，由多组高低错落的锥状山峰联座组合形成岩溶峰丛洼地地貌，海拔150～500 m，为典型的岩溶峰丛山区。区内出露的地层主要有二叠系下统栖霞组(P1q)、茅口组(P1m)和石炭系上统(C3)[16]，成土母岩和主要含水层为中厚层状灰岩，地表水系不发育。受人为活动和岩溶地质结构的影响，研究区内石漠化现象严重，土层浅薄，坡地土壤厚度为0～60 cm，土被不连续分布，土壤主要为棕褐色石灰土。植被类型单一，主要以稀疏林地、低矮灌草丛为主，耕种地主要以火龙果(HylocereusundulatusBritt)为主，种植面积较大，间种黄豆(Glycinemax)和花生(Arachishypogaea)等农作物。研究区所设置的7个样地为旱耕地土被条件，均为二叠系下统栖霞组地层，地表为散流状表层岩溶带(图1)。

1.2 样品采集与分析

于2015年4—8月在研究区内对7个样地进行野外观测和采样分析，挖开土壤剖面按0～20 cm、20～40 cm分层采集土壤样品，样品的采集按剖面深度分别选取4～6个样点，分层采集样点土壤混合风干，经研磨过筛后备用。土壤样品测定由广西农业科学院土壤分析检测中心依据《土壤分析技术规范》及常规的方法测定[17-18]。土壤水由自行研制的渗流土壤水收集器分层进行水样采集[19]，样品由国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心依据地下水标准检验方法进行水化学性质的测定。

1.3 数据处理方法与统计分析

运用Excel 2016、Matlab 7.0和Canoco 5.0等软件对试验数据结果进行统计、分析和作图。其中Excel 2016主要用于描述性统计分析，计算数据的平均值、标准差和变异系数等；Matlab 7.0用于灰度关联分析；Canoco 5.0用于降趋对应分析(Detrended correspondence analysis，DCA)和典范对应分析[20-21]。

2 结果与分析

2.1岩溶峰丛山区土壤-土壤水地球化学性质的空间变化特征

表1为岩溶峰丛山区土壤性质的空间描述性统计分析，分析结果表明：土壤pH值的变异系数小于10.5%，远低于土壤的其他地球化学指标，说明其空间变化较小；相对而言，土壤速效磷含量和有效锌含

量的变异系数在0～20 cm和20～40 cm均较大，其空间变化较大；全磷含量、pH值、有效锌含量、有效铁含量、有效硼含量、交换性钙含量在0～20 cm的含量的变异系数比20～40 cm的大，而全氮含量、全钾含量、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量、有效铜含量、有效锰含量、交换性镁含量的变异系数则表现相反。从岩溶峰丛山区土壤水的地球化学指标分析结果可知(表2)，土壤水pH值的变异系数最小，属于弱变异，而钾离子含量、镁离子含量的变异系数均大于100%；除了镁离子含量和氯离子含量的变异系数表现出0～20 cm小于20～40 cm，土壤水的其他地球化学指标含量的变异系数均表现为0～20 cm大于20～40 cm。由此说明岩溶峰丛山区不同土地利用条件与不同深度土壤-土壤水地球化学性质均存在不同程度的异质性，各地球化学指标值对岩溶峰丛山区的环境条件和人为活动影响的响应程度不尽相同。

2.2岩溶峰丛山区土壤水地球化学特征的灰色关联分析

表1 岩溶峰丛山区土壤地球化学的空间描述性统计特征Tab.1 Descriptive statistical analysis of soil geochemical indicators in karst peak-cluster area

表2 岩溶峰丛山区土壤水地球化学的空间描述性统计特征Tab.2 Descriptive statistical analysis of soil water geochemical indicators in karst peak-cluster area

表3 岩溶峰丛山区土壤水地球化学指标的灰色关联系数Tab.3 Grey correlation coefficient analysis of soil water geochemical indicators in karst peak-cluster area

2.3 岩溶峰丛山区土壤环境质量的灰度关联分析

以土壤全氮含量(TN)、全钾含量(TK)、全磷含量(TP)、速效氮含量(AN)、速效磷含量(AP)、速效钾含量(AK)、有机质含量(OM)、pH值和土壤腐殖质中的胡敏酸含量(HA)、富里酸含量(FA)、胡敏素含量(HM)等指标作为综合评价土壤环境质量的指标。由表4的灰度关联分析结果可知，峰丛山区土壤地球化学指标对土壤环境质量的影响各不相同；0～20 cm浅层土壤各地球化学指标对土壤环境质量的影响能力由大到小依次为TN、HA、AK、FA、TK、pH值、OM、HM、TP、AN、AP，而20～40 cm深度指标影响由大到小排序为pH值、TK、TN、HA、TP、AK、FA、AP、HM、AN、OM；0～20 cm浅层土壤各地球化学指标对土壤质量的影响程度相差较大，其中TN、HA、AK、FA、TK、pH值对土壤质量的影响较大，相对而言，除了pH值和TK含量的影响较大外，20～40 cm深度土壤其他各地球化学指标对土壤质量的影响程度较为接近，说明随着土壤深度的增加，土壤环境质量受单一地球化学指标的影响不突出，而是趋向于受土壤地球化学指标的综合影响。

表4 岩溶峰丛山区土壤环境质量的灰度关联系数Tab.4 Grey correlation coefficient of soil geochemical indicators in karst peak-cluster area

2.4土壤水地球化学特征对土壤环境因子响应程度的典范对应分析

2.4.1排序模型的选择及其可靠性分析

先利用Canoco 5.0软件对岩溶峰丛山区土壤水地球化学指标进行降趋对应分析，DCA分析结果显示4个排序轴中梯度最大值(即第一排序轴)大于4，说明单峰模型比线性模型更适合用于分析岩溶峰丛山区土壤水地球化学特征与土壤环境的响应关系。分别将土壤养分(全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有机质的含量和pH值)、土壤中微量元素有效态和交换态含量(交换性钙ECa、交换性镁EMg、有效铜ACu、有效铁AFe、有效锌AZn、有效锰AMn、有效硼AB)、土壤机械和腐殖质组成(0.2～2.0 mm粒径、0.02～0.20 mm粒径、0.002～0.020 mm粒径、小于0.002 mm粒径、土壤含水率、胡敏酸含量、富里酸含量、胡敏素含量)作为3类土壤环境因子，分别与土壤水地球化学指标进行典范对应分析。由单峰模型中的约束性排序方法的排序图判图规则进行相关关系的判断。

通过CCA排序分析讨论土壤环境特征和土壤水地球化学特征之间的关系，其响应关系研究结果如表5所示，典范对应分析排序轴第一轴和第二轴的特征值变化范围分别为0.361～0.381、0.092～0.100，土壤水地球化学指标与土壤环境因子排序轴的相关系数均大于或等于0.940，用蒙特卡拟合(Monte Carlo permutation test)对其关系的显著性进行检验的结果值范围为0.002～0.008，且第一和第二排序轴对土壤水地球化学性质的解释量分别大于等于51.50%和13.12%，对土壤与土壤水地球化学性质之间关系的累计百分比变化率大于62.3%，第一轴和第二轴相关关系分别为趋近于零的0.020、0.013和0.040而表现出两轴几近于垂直的关系，以上分析结果说明典范对应分析能可靠地反映土壤水的地球化学指标值随土壤地球化学环境因子的变化趋势，可通过前2个排序轴的二维排序图来分析讨论土壤水地球化学特征对土壤环境因子的响应。

表5 土壤水地球化学性质与土壤环境因子的CCA分析Tab.5 CCA results of soil water geochemical indicators and soil environmental factors

2.4.2土壤养分环境因子对土壤水地球化学特征的影响

由图2中CCA排序分析的结果说明土壤养分的8个环境因子对土壤水地球化学性质的空间分布特征都表现出了不同程度的影响，由箭头连线长度可判断出土壤养分的速效钾对土壤水地球化学性质的影响最大，全氮的影响最小。由线段箭头所在的象限可知，土壤养分环境因子与土壤水地球化学特征的第一排序轴正相关的由大到小排序依次为全钾含量、pH值、全氮含量、有机质含量、速效氮含量，对应的相关系数分别为0.45、0.42、0.31、0.30、0.18；负相关的由大到小排序依次为速效钾含量、全磷含量、速效磷含量。由此可以得出土壤养分环境因子与土壤水地球化学性质第一排序轴的相关性由大到小依次为速效钾含量、全钾含量、pH值、全磷含量、有机质含量、速效氮含量、速效磷含量、全氮含量。土壤养分环境因子与土壤水地球化学性质第二排序轴的相关性由大到小排序依次为速效钾含量、全钾含量、速效氮含量、速效磷含量、pH值、全氮含量、全磷含量、有机质含量，由此说明速效钾含量、全钾含量、pH值和速效氮含量是影响土壤水地球化学特征的主要土壤养分因子，结合研究区施肥情况的走访调查分析可知，受人工施用钾肥影响下的土壤速效钾和全钾的含量对土壤水地球化学特征的影响最大。

图2 土壤水地球化学特征与土壤养分因子的CCA二维排序图Fig.2 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil nutrients environmental factors

2.4.3土壤中微量元素含量与土壤水地球化学特征的相关联分析

由土壤中微量元素有效态和交换态含量与土壤水地球化学特征的CCA排序分析结果可知(图3)，土壤交换性镁含量对土壤水地球化学特征的影响最大，有效铁、锰、硼含量的影响非常弱，与土壤水地球化学特征的第一排序轴相关关系由大到小排序依次为EMg、AZn、ACu、ECa、AFe、AB、AMn，对应的相关系数分别为0.83、0.54、-0.29、0.12、0.06、-0.04、-0.01。土壤中微量元素有效态与交换态含量与第二排序轴的相关系数整体比第一排序轴小，其由大到小排序依次为ACu、AFe、AZn、EMg、AMn、AB、ECa，其中有效硼和交换性钙含量的影响非常小。根据以上分析可知土壤中微量元素中的交换性镁、有效锌、有效铜含量对土壤水地球化学特征的影响较大。

图3 土壤水地球化学特征与土壤中微量元素因子的CCA二维排序图Fig.3 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil medium and microelements environmental factors

2.4.4土壤水地球化学特征对土壤机械与腐殖质组成因子的响应分析

由于土壤腐殖质具有较好的黏结性，是团粒结构形成的良好胶结剂，对土壤的结构有一定的影响，因此将土壤腐殖质的3种重要组成成分与土壤机械组成、土壤含水率归类在一起讨论它们与土壤水地球化学性质的相关关系。分析结果显示(图4)，土壤机械和腐殖质组成与土壤水地球化学特征第一排序轴的相关关系由大到小依次为土壤含水率、0.2～2.0 mm粒径、小于0.002 mm粒径、0.002～0.020 mm粒径、FA、0.02～0.20 mm粒径、HM、HA，对应的相关系数分别为-0.799、0.705、-0.568、0.441、0.419、0.364、0.244、-0.107，土壤含水率与第一排序轴的相关关系最大，呈显著负相关，这符合土壤水地球化学指标值浓度随土壤含水率增加而降低的客观现象；土壤机械和腐殖质组成与土壤水地球化学特征第二排序轴的相关关系由大到小依次为HA、HM、0.002～0.020 mm粒径、小于0.002 mm粒径、0.02～0.20 mm粒径、FA、土壤含水率、0.2～2.0 mm粒径，胡敏酸与第二排序轴呈显著正相关关系，相关系数为0.736。相关系数大小与第一轴的差别不大，但是大小排序的前后指标却呈相反的方向，由此说明土壤机械和腐殖质组成的各项指标对土壤水地球化学特征指标的影响比较复杂且具有多重影响性，因此需要对土壤含水率、0.2～2.0 mm粒径、HA、HM、0.002～0.020 mm粒径、小于0.002 mm粒径6个指标与土壤水地球化学性质进行适应值分析。

图4 土壤水地球化学特征与土壤腐殖质和机械组成因子的CCA二维排序图Fig.4 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil humus and mechanical composition factors

3 讨论

CCA分析的结果显示土壤水中Ca2+与影响土壤水地球化学特征的主要土壤环境因子之间的响应程度较弱，这可能与富钙的岩溶地质背景条件有关[27-28]，此外本文只综合性的对土壤水与土壤环境因子进行典范对应分析，未细分样地的坡度、坡向、土地利用等条件，这些问题有待于进一步的研究。

4 结论

(1)岩溶峰丛山区土壤水地球化学性质与土壤环境指标均存在不同程度的空间异质性，其中土壤水和土壤中pH值变异系数最小，能较好地保持岩溶地球化学背景条件下中性偏弱碱的酸碱条件；土壤水地球化学和土壤的其他指标则受植被条件、人为活动等因素的影响而表现出不同的异质性特征，而且除了镁离子和氯离子，土壤水其他地球化学指标的变异系数均表现为0～20 cm大于20～40 cm，说明表层土壤水地球化学性质更易受环境条件的影响。

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CharacteristicsofSoilWaterGeochemistryandItsResponsetoSoilEnvironmentalFactorsinKarstPeak-clusterArea

QIN Xingming1,2HE Binghui1WU Huaying2

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China2.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China)