典型岩溶小流域不同土地利用类型土壤钙分布及形态特征

倪大伟 王 妍,2 刘云根,2 侯 磊,2 杨桂英 王艳霞 闻国静

(1. 西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2. 西南林业大学农村污水处理研究所，云南 昆明 650224)

作为碳酸盐岩液相与固相交流的重要介质之一，钙是决定沉积、岩石溶解、土壤理化指标及水化学特征等的重要元素，驱动并制约着岩溶环境的元素迁移，因此研究钙的分布及其形态特征对岩溶地区生物有效性及钙循环的影响具有重要的指导意义[1-3]。当前，国内外学者对影响土壤钙元素的赋存形态、迁移动态的因素进行了大量的研究。如Plan[4]、Li等[5]及Jorgensen等[6]的研究表明地貌部位、微生物和碳酸酐酶及酸雨对岩溶区土壤中钙元素的分布和迁移特征有影响；蓝家程等[7]、关共凑等[8]及陈家瑞等[9]的研究表明有机质含量、降雨及石灰土中腐殖质的种类和含量也同样影响着岩溶土壤的理化性质及元素迁移。近年来受自然因素及人为干扰影响的加剧，岩溶区不同土地利用类型的钙元素变化明显，其分布特征是近年来研究的热点[10]，而目前关于国内高原典型岩溶区流域内不同土地利用类型中土壤钙的分布及形态特征的研究却鲜有报道。

本研究特选择滇东南普者黑小流域典型岩溶区不同土地利用类型为研究对象，探究小流域内不同土地利用类型中土壤钙的分布及形态特征，并探寻引起其分布差异性的主要土壤理化指标，研究成果可为普者黑流域内岩溶湖滨湿地保护及石漠化防治提供参考。

1 研究区概况

研究区位于云南省文山壮族苗族自治州丘北县境内的普者黑湿地公园开发区小矣堵村，地处东经104°06′，北纬24°08′N。研究区属低纬度季风气候，具有终年温和湿润的中亚热带气候特征，平均气温16.4 ℃，极端高温35.7 ℃，极端低温-7.6 ℃，7月气温最高，1月气温最低，平均降雨量1 206.8 mm，年平均日照时数1 800 h，年相对湿度77%，无霜期259 d，平均风速2.0 m/s。

普者黑流域 (东经103°55′～104°13′，北纬24°05′～24°12′) 位于滇东南岩溶区，地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带，属于普者黑岩溶盆地，盆地内广泛分布着古生代石炭系、二叠系和中生三叠系灰岩，盆地东部边缘有部分碎屑岩分布，为中低山剥蚀地貌，地形坡度一般为20°～25°。普者黑流域水域面积为13.00 km2，流域土壤以石灰土为主，石灰土受岩溶山地母岩的影响，土壤结构较好，肥力较高。普者黑流域因其国内罕见的水文地质条件在西南部地貌中极为代表性，是非常典型的生态脆弱区。

依据国标GB-T 21010—2007 《土地利用现状分类》，结合研究区内各土地利用类型自身的特点，将研究区划分为裸地、林地、旱地、水田、湿地5种土地利用类型。其中，裸地为表层有岩石、石砾，基本无植被覆盖的土地且坡度大于40°；林地指大量人工林和天然林覆盖的土地；旱地指无灌溉设施，主要靠天然降水种植旱生农作物的耕地；水田指用于种植水稻田等水生农作物的耕地；湿地位于水田下游的岩溶湖滨带。

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

采样选用典型样地取样法，分别在裸地、林地、旱地、水田及湿地5种不同利用类型土地选取20 m × 20 m的样方，在样方内随机3点取样，取样时挖取土壤剖面，剥去表层枯枝落叶和腐殖质后，采用3点混合的方法分层采集表层 (0～10 cm)、底层 (10～20 cm) 的土壤样品，并将采集好的3个土样在采样现场进一步混合均匀后立即放入密封袋。待土样经自然风干后，磨细过20目和100目筛备用。

2.2 测定内容及方法

需要测定土壤中的全钙含量、各形态钙 (酸可提取态钙、可还原态钙、可氧化态钙和残渣态钙) 含量、全磷含量、有机质含量、土壤酸碱度以及土壤粒径组成 (黏粒、粉粒和砂粒)。土壤中酸可提取态钙为可交换态及碳酸盐结合态钙，因具备活性大，迁移性强等特点，容易被生物吸收利用；可还原态钙是铁锰氧化物结合的钙，在还原条件下，该部分钙可被生物所利用；可氧化态钙主要指被有机酸聚合物结合的钙，在氧化条件下，该部分钙可释放出来；残渣态钙取决于矿物的天然组成，该部分钙在自然条件下很难被利用[9,11]。

全钙含量采用盐酸-硝酸-高氯酸消解制备待测液，各形态钙含量采用BCR连续提取法制备待测液，用电感耦合等离子体光谱仪测定；全磷含量采用高氯酸-硫酸消解，钼锑抗比色法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化-比色法测定；土壤酸碱度用pH值来衡量，采用电位法测定；土壤粒径组成采用马尔文激光粒度仪测定。

2.3 分析方法

冗余分析 (RDA) 是约束化的主成分分析，排序轴是参与排序的环境变量的线性组合，冗余分析能够结合多个环境因子一起分析，从而能够更好地反映物种与环境之间的关系。冗余分析可将物种排序和环境因子排序表示在一个图上，可以直观地看出它们之间的关系，环境因子用箭头表示，箭头所处的象限表示环境因子与排序轴之间的正负相关性，箭头连线的长度代表着某个环境因子与物种分布相关程度的大小，连线越长，代表这个环境因子对物种的分布影响越大；2个箭头之间的夹角大小代表着2个环境因子之间相关性的大小，夹角越小，相关性越大；箭头和排序轴的夹角代表着某个环境因子与排序轴的相关性大小。

将5种土地利用类型的全钙及各形态钙作为物种数据，将pH、有机质、全磷、黏粒、粉粒、砂粒作为环境因子，进行冗余分析，数据采用Excel 2010及Canoco 4.5软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 5种土地利用类型钙含量的空间分布

5种土地利用类型钙的空间分布见表1。

表1 同一种土地利用类型下表层与底层之间不同类型钙的单因素方差分析结果Table 1 ANOVA for different types of calcium between the surface and bottom under the same type of land use g/kg

注：同列不同小写字母表示差异显著 (P< 0.05)。

由表1可知，残渣态钙含量的最小值出现在裸地的底层中，最大值出现在湿地底层中；可氧化态钙含量的最小值出现在裸地的底层中，最大值出现在水田表层中；可还原态钙含量的最小值出现在裸地的底层中，最大值出现在水田表层中；酸可提取态钙含量的最小值出现在裸地的底层中，最大值出现在林地表层中；全钙含量的最小值出现在裸地的底层中，最大值出现在林地表层中。总体来看，在5种土地利用类型中，裸地和旱地的钙含量处于较低水平，林地、水田及湿地钙含量处于较高水平；全钙及4种形态钙含量的空间分布趋势一致，均表现为林地 > 水田 > 湿地 > 旱地 > 裸地；每种土地利用类型下钙含量大小排序均表现为酸可提取态钙 > 可还原态钙 > 可氧化态钙 > 残渣态钙。

3.2 5种土地利用类型钙含量的单因素方差分析

5种土地利用类型之间钙含量的单因素方差分析结果见表2。

表2 5种土地利用类型之间同种类型钙的单因素方差分析结果Table 2 ANOVA for the same type of calcium between 5 land use types g/kg

注：同列不同小写字母表示差异显著 (P< 0.05)。

由表2可知，5种土地利用类型下除残渣态钙含量之间差异不显著外，其余每种钙含量之间均存在显著差异 (P< 0.05)。总体来看，钙含量均受土地利用类型的变化而变化。

3.3 同种土地利用类型不同土层间钙含量的单因素方差分析

同一种土地利用类型下表层与底层之间钙含量的单因素方差分析结果见表1。

由表1可知，除裸地中表层与底层的可氧化态钙含量之间差异不显著以及林地和旱地中的表层与底层的残渣态钙含量之间差异不显著外，每种土地利用类型下表层与底层的钙含量之间均呈显著差异 (P< 0.05)。总体来看，在每种土地利用类型下，钙含量均受土层深度的变化而变化，并且以表层富集明显。

3.4 5种土地利用类型各土壤理化指标特征

5种土地利用类型各土壤理化指标见表3。由表3可知，水田的pH高于其他4种土地利用类型，除林地的pH随着土壤深度的增加而降低外，其他4种土地利用类型的pH都随着土壤深度的增加而升高，平均值排序为：水田 > 湿地 > 旱地 > 林地 > 裸地。基于对土壤酸碱度的分析，表明普者黑流域土壤多呈中性或微酸性。

随着土壤深度的增加，5种土地利用类型有机质含量都随着土壤深度的增加而降低，从裸地到湿地，有机质含量逐渐升高，从裸地的17.89 g/kg升高到湿地的89.68 g/kg，有机质空间变异非常大，平均值排序为：湿地 > 水田 > 旱地 > 林地 > 裸地。基于对土壤有机质含量的分析，表明普者黑流域土壤的有机质含量较为丰富。

表3 5种土地利用类型各土壤的理化指标Table 3 Characteristics of soil physical and chemical indexes of 5 land use types

注：黏粒 (d≤ 0.005 mm)，粉粒 (0.005

除裸地的全磷含量随着土壤深度的增加而升高外，其他4种土地利用类型的全磷含量都随着土壤深度的增加而降低；从裸地到旱地，全磷含量呈梯度升高，从旱地到湿地，全磷含量呈梯度降低，整个变化过程中，在旱地达到最大值3.07 g/kg，而在不同土壤深度上，裸地全磷含量均最低。基于对土壤全磷含量的分析，表明普者黑流域土壤的磷素水平较高。

5种土地利用类型粒径组成均以砂粒为主，并且砂粒的百分含量均大于65%，与砂粒、粉粒不同的是，5种土地利用类型的黏粒百分含量特别低，其中林地表层粒径组成中没有黏粒。基于对粒径组成的分析，表明砂粒在所有颗粒组分中占有绝对优势，流域内土壤质地应该归类于砂质土。

3.5 钙含量与土壤理化指标的的冗余分析

从排序图 (图1) 可以看出，pH与全钙、各形态钙、有机质、全磷、砂粒的相关性均较高，说明随着土壤从酸性向碱性过渡，全钙、各形态钙、有机质、全磷、砂粒的含量均呈上升趋势；黏粒和粉粒与全钙、各形态钙和其他4种土壤理化指标的夹角均呈钝角，说明随着黏粒和粉粒占整个粒径组成的比重上升，全钙、各形态钙和其他4种土壤理化指标的含量呈下降趋势；全钙与4种形态钙之间的夹角均比较小，说明全钙与各形态钙之间的相关性都比较高；从排序图中同一种土地利用类型下样方之间的连线距离可以看出，裸地、林地与湿地的表层和底层差异均比较大，对于5种土地利用类型所有样方之间的连线看，湿地表与林地表、旱地、水田之间的连线距离均比较短，说明湿地表与几处样方之间的差异性比较小。

1～10分别代表裸地表、裸地底、林地表、林地底、旱地表、旱地底、水田表、水田底、湿地表、湿地底。

图1钙含量与土壤理化指标的RDA排序图
Fig.1 RDA ordination diagram of calcium content of soil physical and chemical indexes

土壤理化指标与排序轴之间的相关系数见表4。由表4可知，对于钙含量来讲，第1、第2排序轴间相关系数仅为0.198，默认这2个排序轴近乎垂直，对于土壤理化指标来讲，这2个排序轴的相关性为0，表明RDA的排序结果是正确的[12]；在土壤理化指标中，黏粒和粉粒与第1排序轴呈正相关性，相关系数为0.518 3和0.608 4，其他土壤理化指标与第1排序轴呈负相关性，相关系数绝对值排序为：pH (-0.814 1)> 有机质 (-0.745 7)> 砂粒 (-0.606 8)> 全磷 (-0.573 8)；和第2排序轴相比，土壤理化指标与第1排序轴的相关性明显较高，表明排序图的水平方向大体上反映了钙含量对土壤理化指标的适应关系；在第2排序轴上，除全磷含量的相关系数为-0.464 8，具有研究意义外[13]，其他土壤理化指标与第2排序轴都呈很低的相关性，表明第2排序轴大体反映的是钙含量分布随全磷的梯度变化，这与韩湘云等[14]获得的结论一致；土壤理化指标对钙含量分布影响程度大小依次为：pH > 有机质 > 粉粒 > 砂粒 > 全磷 > 黏粒。表明酸碱度是影响不同土地利用类型钙含量分布的最主要土壤理化指标。

表4 土壤理化指标与排序轴之间的相关系数Table 4 Correlation coefficient of soil physical and chemical indexes with ordinal axis

注：SPX1表示土壤属性第1排序轴，SPX2表示土壤属性轴第2排序轴；ENX1表示环境因子第1排序轴，ENX2表示环境因子第2排序轴。

4 结论与讨论

石灰岩的富钙特征导致石灰土具有较高的钙含量，而石灰土具有淋溶脱钙的特点[15]。本研究中，林地、水田及湿地钙含量均处于较高水平，其中林地钙含量大于其他4种土地利用类型，原因可能是林地植被覆盖率高，导致土壤中的钙元素不易被淋溶流失，又因为林地底层地质作用强烈，碳酸盐岩的溶解能释放出大量钙，使得大量钙不停的输入到土壤中[16]，导致林地表层钙大量积累。土壤钙元素在土壤剖面上存在淋溶累积现象，钙含量从土壤底层到表层减少[17]，裸地、林地、旱地和湿地的钙含量均为表层显著大于底层，可能由于普者黑流域表层土质较底层松软且底泥浅，导致表层富集明显。而水田钙含量为表层显著小于底层，可能由于水田长期耕种施肥导致磷素水平较高，而磷元素会与碳酸钙发生共沉淀，沉积到底层土壤，使得表层全钙小于底层。5种土地利用类型中的钙均以酸可提取态钙含量居多，说明流域内的大部分钙易于迁移和可被生物吸收利用。此外，在5种土地利用类型中，虽然全钙含量差异较大，但残渣态钙含量相差并不多，而且含量均表现很低，原因可能是随着石灰土的发育，由碳酸盐岩溶蚀产生的由钙镁形成的易溶性重碳酸钙、镁随水流失严重，而由碳酸盐岩溶蚀风化后的残余物却很少[9]。

酸碱度是土壤重要的理化指标，受土壤盐基状况的支配，盐基饱和度越大，对酸的缓冲能力越强，土壤的酸碱度也较高[18]。冗余分析表明，酸碱度是影响不同土地利用类型钙含量分布的最主要土壤理化指标，合理调节土壤的酸碱度，对改善普者黑流域的土壤质量起着重要的作用。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，土壤有机质含量的增多，抵御水土流失的能力增强[9]，岩溶土壤的有机质含量对钙元素有很强的吸附和络合作用，流域内有机质含量丰富，从而可以抑制钙的流失[19]。根据化党领等[20]的研究，土壤中的磷含量呈现表层高，底层低的特点是因为农业生产把磷肥投放在土壤表层，并且磷肥的当季利用率较低，旱地与水田由于长期的耕种作用，使得其表层磷含量高于底层，且高于其他土地利用类型，岩溶地貌农田土壤养分流失的相关研究表明，农田土壤的高钙特性使得氮、磷等营养物迁移转化过程加剧，从而导致土壤养分流失加快[21]，水田中较高的钙含量可以加速磷向湿地的迁移，也进一步加速了下游湿地水体富营养化的风险。土壤的蓄水能力受土壤孔隙状况与比表面积共同影响[22-23]，砂粒是土粒粒径组成中较粗的部分，由于比表面积小，并且互相之间支撑较易形成大的孔隙，从而影响土壤的蓄水能力，并且土壤持水能力随砂粒含量的增加而递减[24]。流域内土壤粒径组成均以砂粒为主，从而严重降低了土壤的蓄水能力，加速了流域内钙的迁移和溶蚀。

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