贵州喀斯特地区典型小流域土壤理化性质对不同土地利用类型的响应

钱 旭， 廖小锋， 谢元贵

(1.贵州省土地开发中心，贵州贵阳 550001； 2.贵州科学院贵州省山地资源研究所，贵州贵阳 550001；3.贵州省山地资源研究所有限公司，贵州贵阳 550001； 4.贵州科学院，贵州贵阳 550001)

生境的严酷性和生态的脆弱性是喀斯特环境的基本特征，贵州省位于中国西南喀斯特区域，由于长期受到土壤侵蚀和人类强烈活动的干预，生态环境逐渐恶化，石漠化程度加重，水土流失加剧，使恢复治理成为一个大而慢的难题[1-2]。土壤的理化性状是影响土壤肥力的内在条件，也是综合反映土壤质量的重要组成部分，土地利用和管理是影响土壤变化的最普遍、最直接的因素，了解不同土地利用类型下土壤理化性质的差异，是合理利用土地资源、发展持续农林业的前提[3]。在小流域尺度，不同土地利用类型对土壤理化性质产生的影响不同[4]。关于土地利用类型对土壤理化性质的影响，国内学者在南方红壤区、黄土高原区、干热河谷区等水土流失严重的地区进行了大量研究[4-7]，而对于土地利用类型与喀斯特小流域土壤理化性质关系的研究较少。事实上，对于人为干预下不同土地利用措施对喀斯特土壤环境影响的研究仍有待突破[2，8]，研究其土壤理化性质特征将有利于喀斯特地区生态环境的保护和土地的可持续利用。

1 研究区概况

根据贵州喀斯特地区的分布情况，选取黔西南中低山丘陵喀斯特区典型小流域——安龙县兴隆镇排冗河小流域(代号为QWSMHH)、黔东北低山丘陵喀斯特区典型小流域——江口县坝盘镇高墙河小流域(代号为QENLH)、黔北中山峡谷喀斯特区典型小流域——桐梓县高桥镇龙爪沟小流域(代号为QNMG)，共计3个典型小流域作为研究对象。

桐梓县高桥镇龙爪沟小流域地理位置为106°37′08″～106°40′17″E，28°04′20″～28°01′59″N，位于川黔南北构造带与东北向构造带的交接复合部位，属于喀斯特低中山中切割侵蚀-溶蚀地貌，有亚热带季风气候特征，水田土种为紫泥田，旱地为紫泥土，其他区域的土种为硅铝质中层黄壤。

江口县坝盘镇高墙河小流域地理位置为108°53′07″～108°56′36″E，27°43′57″～27°47′07″N，位于贵州高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带，属于喀斯特低中山深切割侵蚀-溶蚀地貌，有亚热带季风气候特征，水田土种为红泥田，旱地土种为硅铝层薄层红壤和硅铝质厚层黄红壤。

安龙县兴隆镇排冗河小流域地理位置为108°34′39.5″～108°34′39.5″E，25°01′36″～25°8′01.36″N。地处南北盘江分水岭位置，主要表现为喀斯特峰林盆地地貌，有亚热带季风气候特征，地下水系十分发达，土壤以大眼泥田和薄层黄色石灰土为主。

研究区的自然植被主要为常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林，种类较为丰富。桐梓县高桥镇龙爪沟小流域的植物主要为紫金牛科(Myrsinaceae)、安息香科(Styracaceae)、壳斗科(Fagaceae)、里白科(Gleicheniaceae)、禾本科(Gramineae)、大戟科(Euphorbiaceae)、菊科(Asteraceae)、蔷薇科(Rosaceae)、茜草科(Rubiaceae)和百合科(Liliaceae)等。江口县坝盘镇高墙河小流域的植物主要为金缕梅科(Hamamelidaceae)、榆科(Ulmaceae)、蚌壳蕨科(Dicksoniaceae)、樟科(Lauraceae)、蔷薇科(Rosaceae)、鳞始蕨科(Lindsaeaceae)、紫萁科(Osmundaceae)、猕猴桃科(Actinidiaceae)、葡萄科(Vitaceae)等。安龙县兴隆镇排冗河小流域的主要植物为苏铁科(Cycas revoluta)、红豆杉科(Taxaceae)、兰科(Orchidaceae)、柏科(Cupressaceae)、松科(Pinaceae)、马尾树科(Rhoipteleaceae)、苦木科(Simaroubaceae)、紫葳科(Bignoniaceae)等。

2 试验方法

2.1 采样方法

根据研究区土地利用分布情况，对该小流域进行广泛的实地调查，选择不同地类的典型代表区，包括水田(PF)、旱地(DF)、林地(FF)。于2015年10月在选定的地类设置典型样地，并在样地内随机挖取3个土壤剖面(深度50～100 cm)，分不同剖面层次取土样，其中研究物理性质(包括容重、最大田间持水量和土壤孔隙度)的样品采用环刀法取样(容积200 cm3)。水田由上而下分为3个土层，即耕作层(PL)、犁底层(PP)和心土层(SL)。旱地和林地由上而下分为2个土层，即表土层或耕作层(PL)和心土层(SL)。将土壤样品密封并迅速带回实验室，风干、磨碎、过筛后备用。

2.2 指标的测定方法

土壤理化性质的测定方法参照《土壤理化分析》[9]。其中，土壤总孔隙度Pt=(1-D/ρs)×100%。式中：Pt为土壤总孔隙度；D为土壤容重；ρs为土壤密度。毛管孔隙度Pc=土壤田间持水量(%)×D；非毛管孔隙度P0=Pt-Pc。在土壤化学性质方面，土壤全氮含量采用KT260凯氏定氮仪测定；全磷含量采用HClO4-H2SO4法测定；全钾含量采用 HF-HClO4消煮火焰光度法测定；水解氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；pH值采用pH计测定。

数据处理与分析采用Excel、SPSS 20.0软件。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用类型土壤的物理特征

3.1.1 土壤容重 土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，也是表征土壤质量的重要参数，土壤容重可以反映土壤的透水性和通气性[2]。由图1可知，土壤容重的变化幅度较小，在1.08～1.52 g/cm3间。在不同土地利用类型下，土壤容重在部分小流域大致表现为旱地>水田>林地；在不同土壤剖面，土壤容重表现为随土壤深度的加深而增大，即心土层>犁底层>耕作层；3个喀斯特小流域则表现为黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域>黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域>黔北中山峡谷喀斯特地区典型小流域。

3.1.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度可以反映土壤的蓄水能力和通气性能，可有效地调节土壤中水、肥、气、热环境，是评价土壤结构的重要指标之一[10]。由图2可知，土壤孔隙度总体变化较小，在不同土地利用类型下，土壤孔隙度在黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域的部分土层表现为PF>FF>DF，在黔北中山峡谷与黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域的部分土层表现为FF>PF>DF；在不同的土壤剖面，土壤孔隙度表现为随土壤深度的加深而减小，即表现为PL>PP>SL；3个喀斯特小流域土壤孔隙度整体表现为QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.1.3 田间持水量 土壤水分不仅是土壤系统养分循环与流动的载体，而且积极参与土壤中物质的转化过程[11]。田间持水量是表征土壤水分状况的一个指标，是重要的土壤肥力要素与土壤的重要物理性质之一[12]。由图3可知，在不同土地利用类型下土壤田间持水量的变化方面， 黔北中山峡谷和黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域在耕作层表现一致，即表现为PF>FF>DF；黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域在耕作层表现为FF>PF>DF。在不同土壤剖面，土壤田间持水量表现为随土壤深度的加深而减小，即表现为 PL>PP>SL。3个喀斯特小流域土壤田间持水量整体表现为QENLH>QNMG>QWSMHH。

3.2 不同土地利用类型土壤的化学特征

3.2.1 土壤pH值 土壤酸碱性是土壤的重要属性，直接影响土壤中许多物理、化学及生物学的过程和性质[13]。由表1可知， 不同喀斯特小流域pH值的变化范围在4.75～7.43之

间，基本为酸性土壤，最大值为QWSMHH旱地的心土层，最小值为QENLH旱地的耕作层。在不同土地利用类型下土壤pH值的变化方面，黔北中山峡谷喀斯特地区典型小流域表现为FF>PF>DF，黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域在耕作层表现为FF>PF>DF，黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域表现为DF>PF>FF。在不同的土壤剖面，土壤pH值与土壤容重的表现一致，随着土壤深度的加深而增加，即表现为PLQNMG>QENLH。

表1 不同土地利用类型土壤pH值

3.2.2 土壤有机质含量 有机质是土壤中较活跃的组成部分，是土壤中具有结构和生物学特征的基本物质，有机质既是生命活动的条件，也是生命活动的产物[13]。由图4可知，土壤有机质含量变化范围较大，在5.09～44.82 g/kg之间，最高值出现在QENLH林地的耕作层，最低值出现在QNMG水田的心土层。在不同土地利用类型下有机质含量的变化方面，QWSMHH和QNMG表现类似，在耕作层表现为 PF>DF、FF，QENLH表现为FF>PF>DF。在不同的土壤剖面方面，有机质含量表现为随土壤深度的加深而减小，即表现为PL>PP>SL。3个喀斯特小流域有机质含量整体表现为QENLH>QWSMHH>QNMG。

3.2.3 土壤氮磷钾含量 氮、磷、钾3种元素是植物生长所必需的三大营养元素，也是构成植物生命体的重要元素，在植物生长过程中占有重要地位[13]。

由图5可知，土壤全氮含量变化范围在0.45～2.64 g/kg之间，分别在水田的耕作层和心土层出现最大值和最小值。在不同土地利用类型下，耕作层全氮含量的变化表现为PF>FF>DF。在不同的土壤剖面，全氮含量表现为随土壤深度的加深而减小，即PL>PP>SL。3个喀斯特小流域全氮含量整体表现为QENLH>QWSMHH>QNMG。

由图6可知，土壤全磷含量范围在0.36～1.20 g/kg之间，与全氮含量一致，2个极值分别出现在水田的耕作层和心土层。QNMG的耕作层全磷含量表现为FF>PF>DF，QENLH的耕作层全磷含量表现为PF>FF>DF，QWSMHH全磷含量在不同土地利用类型间的差异较小。在不同的土壤剖面，全磷含量表现为随土壤深度的加深而减小，即PL>PP>SL。3个喀斯特小流域全磷含量整体上表现为QENLH>QNMG>QWSMHH。

由图7可知，土壤全钾含量范围较大，在11.24～59.36 g/kg 之间，与全氮含量一致，2个极值分别出现在林地的耕作层和心土层。QNMG土壤全钾含量表现为 FF>DF>PF，QENLH小流域全钾含量在耕作层表现为FF>PF>DF，QWSMHH小流域表现为PF>DF>FF。在不同土壤剖面，全钾含量随土壤深度的加深而减小，表现为PL>PP>SL。3个喀斯特小流域全钾含量整体表现为QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.3 土壤理化性质之间的相关性分析

相关性分析可揭示土壤理化性质间的相关关系，由表2可知，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相关，土壤容重与pH值呈极显著正相关(P<0.01)，这3项指标与其他多数理化性质指标均呈显著负相关，土壤容重与土壤总孔隙度、田间持水量呈极显著负相关(P<0.01)。全钾含量与土壤其他化学指标之间的相关性不显著。土壤总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、有机质含量、全氮含量、速效氮含量、全磷含量、速效磷含量、速效钾含量间呈显著正相关，尤其是毛管孔隙度和田间持水量的相关系数最高(0.972)，其次为有机质和全氮含量的相关系数(0.953)。

表2 贵州喀斯特典型小流域土壤理化性质相关性

注：“**”表示在0.01水平显著相关，“*”表示在0.05水平显著相关。

4 结论与讨论

典型小流域13个理化性质指标对旱地、水田、林地等土地利用类型的响应方式和响应强度不同，以同一土层为基础分析不同小流域土壤理化性质在不同土地利用类型下的变化情况，结果显示，林地和水田在土壤结构、质地、肥力上优于旱地。研究表明，不合理的毁林开垦和耕种破坏了土壤原有的结构，恶化了土壤质地，导致土壤容重增加，总孔隙度减少，不利于拦洪蓄水，使水土流失加重，土地退化，导致喀斯特土地石漠化[14]。人为干扰是影响上壤理化性质的主导因素，不合理的干扰强度大，土壤理化性质退化严重，控制不合理的人为干扰及恢复结构良好的地上植被对改善上壤质量具有重要意义[15]。本研究得出，不同土地利用类型对喀斯特山区土壤容重、孔隙度、毛管持水力等物理性质具有一定影响，与尹刚强等关于湘中丘陵地区的研究结果[16]一致；与陈超等对贵州省不同土地利用类型对土壤理化性质的研究结果[5]不尽相同。

不同土壤剖面层的分析结果表明，不同土地利用类型下3个典型小流域土壤理化性质的变化呈现出一定的规律，即随着土壤层深度的加深，土壤容重和pH值逐渐升高，土壤总孔隙度和田间持水量逐渐降低，土壤有机质含量递减，氮、磷、钾3种元素大体表现为随土层深度的加深而递减，氮素表现出显著的随土层深度加深而递减的规律，而磷、钾2个元素的变化趋势则具有一定的波动性。各耕作层pH值明显低于犁底层和心土层，且低于各区域pH值的平均值，说明研究区土壤有一定的淋溶作用[17]。土壤养分含量呈现明显的表聚性，土壤有机质、全氮、全磷含量均存在从上往下依次递减的趋势，而水田的钾素含量呈现出自上而下先升高后降低的特点，造成这种现象的原因可能是由于腐殖质随着时间的推移，由表层逐渐向下分解、转化、累积，形成上层的有机质含量大于下层；而钾的迁移性较强，易随着水分向下淋溶，使得下层土壤钾素含量发生改变，同时由于犁底层的透水性较差，使得速效钾积聚在此层。三大营养元素在各土壤剖面层的变化趋势存在不同，造成这种现象的原因可能有以下2点：(1)不同地类、不同作物对水分或养分的吸收能力、利用比例的差异使得土壤理化性质出现不同；(2)旱地和水田的施肥种类及施肥量造成的差异[18]。

黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域田间持水量、有机质含量、全氮含量、全磷含量、速效氮含量、速效磷含量最高；黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域土壤总孔隙度、田间持水量、速效氮含量、全磷含量、全钾含量、速效钾含量最低。也就是说，在3个喀斯特地区典型小流域中，黔东北低山丘陵喀斯特地区典型小流域土壤结构最好，肥力最高，而黔西南中低山丘陵喀斯特地区典型小流域土壤结构和肥力表现最差。以黔北中山峡谷喀斯特地区高桥镇斋郎河、龙爪沟小流域为例，针对该小流域土壤肥力较差，养分含量不一，且存在一定的水土流失现象，建议对该小流域采取水土保持工程措施。如对坡地进行坡改梯，修建截流沟改变水流冲刷等措施；在水土流失严重的地段种植防护林，降低水土流失的风险。建议对该小流域的耕地适当施用有机肥，提高有机质含量；根据不同耕地养分的含量高低有针对性地施肥，做到“因地制宜”，减少不必要的浪费，尽量降低化肥对生态环境的影响。黔东北低山丘陵喀斯特地区高墙河小流域土壤质量较高，肥力较强，应在保护好现有耕地的基础上适度开发，发展生态农业等特色产业，提高土地利用率。同时，采取水土保持措施降低水土流失的风险，提高耕地的保水保肥能力。黔西南中低山丘陵喀斯特地区排冗河小流域受水土流失的影响，土壤质量总体一般，农业生产力不高。建议对于该地区多种植经济林和草地，加强对自然林地的保护；通过坡改梯等土地利用类型，蓄水保土，减轻土壤侵蚀，改善土壤质量，提高产量。

相关性分析表明，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相关，其余各指标呈负相关。土壤容重和土壤总孔隙度、田间持水量呈显著负相关，毛管孔隙度和田间持水量及有机质和全氮含量呈显著正相关。贵州喀斯特典型小流域土壤理化性质对不同土地利用类型的响应表明，与土壤的物理性质相比，土壤养分含量在不同土地利用类型下和不同小流域中的变化较为明显，原因可能是施肥是较为常用且明显影响土壤理化性质的方式，人为干扰中施肥对土壤化学性质的影响比改良土壤物理性质的影响大。有机质含量在林地的耕作层中最高，而在水田的心土层中最低的原因可能是林地的土表较为丰富的枯枝落叶，加厚了其腐殖质层，而水田土表的枯枝落叶较少，腐殖质自上而下地分解、转化、累积，使得林地耕作层的有机质含量较高，而水田的心土层含量最低。旱地因为普遍施过氮肥，因此土壤全氮含量整体高于其他利用方式的土壤，而由于农作物对氮肥的吸收，因此造成表层(耕作层)的全氮含量低于底层。

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