岩层倾向对南方喀斯特地区坡耕地土壤理化性质的影响

2019-10-15贾洪杰甘凤玲李振轮黄雪娇毛鑫羽

生态学报 2019年16期

贾洪杰,甘凤玲,李振轮,黄雪娇,冯密,冯适,毛鑫羽

西南大学资源环境学院,土壤多尺度界面过程与调控重庆重点实验室,重庆 400716

我国南方喀斯特地区面积大、分布广、地形条件复杂、水土流失快、裸岩率高、土层浅薄,是典型的脆弱生态系统。同时该地区承载人口多,人为活动强烈,导致石漠化风险极大。为此,恢复和维持该地区的生态环境对我国南方环境生态建设具有重要意义。而土壤理化性质对喀斯特地区生态环境恢复建设起决定性作用[1- 2],因此喀斯特土壤理化性质及其影响因素得到广大研究者的重点关注。

作为土壤重要的基本属性,土壤理化性质受母质、气候、生物、地形、时间等成土五因素和人类活动的显著影响。目前,人们研究了母质类型[3]、石漠化程度[4- 6]、植被组成[7]、土地利用方式[8]、地形以及人为措施[9]等方面对喀斯特土壤理化性质的影响。地形因素虽然不直接影响土壤理化性质,但可以通过影响母质、水分、光照、生物等因子的重新分布来影响土壤理化性质。人们发现坡度、坡向、海拔等地形因子对坡地土壤有机质[10]、土壤酶活性[11]、土壤含水量[12]、容重和饱和导水率[13]等理化性质有显著影响。

从土壤形成的实质来看,土壤理化性质是母质与生物、气候因素以及土体内部所进行的物质与能量的迁移和转化的综合作用的体现,水分运移在这个过程中起至关重要的作用[14],因此所有影响土表或土壤内部水分运移的因素均会对土壤理化性质产生直接或间接影响。岩层倾向是地形因子之一,也是描述岩层空间位置的岩层产状三要素之一,在不同条件下形成的地形不同,如顺向坡(岩层倾向与坡面倾向一致),逆向坡(岩层倾向与坡面倾向相反),斜向坡(岩层倾向与坡面倾向交叉)等,因此岩层倾向对地面形态及岩石出露有着直接影响[15]。张志才等[16- 17]研究发现喀斯特峰丛山体岩石出露位置及其破碎程度对不同部位土壤水分含量有显著影响,因此岩层倾向通过影响岩石位置进而影响土壤水分入渗。而土壤水分是土壤中物质运移、转化等重要的影响因素,土壤水分越多、保持时间越久,越有利于土壤中物质的淋溶,从而影响和改变土壤的物理、化学和生物性质。因此不同岩层倾向会影响土壤的水分含量从而影响土壤理化性质的空间变异,然而目前还未见相关研究的报道。本文以重庆酉阳县泔溪镇典型槽谷区形成的顺逆向坡为研究对象,分析不同岩层倾向下土壤理化性质的差异,结果表明顺向坡有利于水分入渗和保持,从而促进土壤的淋溶与发育。研究结果为深入理解喀斯特坡耕地土壤肥力形成与恢复提供了较为重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于重庆酉阳泔溪镇龙潭槽谷内的和信花椒基地(108°57′E,29°00′N),龙潭槽谷位于酉阳县桐麻岭背斜的东南翼中,呈东北-西南走向,槽谷两侧岩层倾向一致,坡向相反,出现坡向和岩层倾向一致的顺向坡(位于龙潭槽谷的西侧)、坡向和岩层倾向不一致的逆向坡(位于龙潭槽谷的东侧)。顺向坡坡长约为1000m,坡度为29.6°,土层厚度20—80cm,逆向坡坡长约为600m,坡度为58.7°,土层厚度20—100cm,顺向坡土壤岩石裸露率高于逆向坡。花椒基地整体种植青花椒5年左右,植被以次生灌木、藤本、蕨类以及零稀的乔木为主,原生植被破坏殆尽。桐麻岭背斜轴部以寒武系的白云岩和奥陶系灰岩为主,背斜两翼分别为志留系的砂页岩和二叠、三叠系的灰岩。龙潭槽谷底部宽约1—4km,海拔300—500m,东西两翼山体海拔900—1100m,高差为400—800m。本区属亚热带季风性湿润气候,年降水量为1200mm左右,4—10月降水充沛,其中5—6月、9—10月为降水的集中期,年均气温为14.6℃。

1.2 研究方法

1.2.1样品采集

本实验于2017年6月进行采样,按坡向和坡位选择长200m,宽200m的正方形作为一个取样区域,在取样区域随机确定5个样点,每个点分表层(5—15cm)和下层(20—30cm)取样,每样点上下层分别取样200克,5个样点表层和下层土分别混合作为一个取样区域的表层和下层土壤样品,总计16个区域,32个土壤样品。

1.2.2样品处理方法

土壤理化性质的测定方法参照杨剑虹主编的《土壤农化分析与环境监测》[18]。

环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度(孔隙直径小于或等于0.1mm)、非毛管孔隙度(孔隙直径大于0.1mm)；烘干法测定样品自然含水量；电极法测定pH；重铬酸钾法测定土壤有机质；凯氏定氮法测定全氮、扩散法测定碱解氮；全钾、速效钾采用火焰光度法；全磷、有效磷采用硫酸钼锑比色法测定；样品全量Fe、Al、Si的消解采用NaOH熔融法,然后用ICP-OES(安捷伦 5110)测定。

以上指标测定时每个土样均做3次重复。

1.2.3数据分析

采用SPSS 19.0进行显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 岩层倾向对于土壤物理性质的影响

土壤物理性状指土壤含水率、土壤容重及土壤孔隙度等,是土壤结构状况、持水能力和保水能力的综合体现。顺向坡表层土壤的自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量均显著高于逆向坡表层土壤(表1)。逆向坡表层和下层的土壤容重、表层非毛管孔隙度均显著高于顺向坡相应层位。逆向坡下层非毛管孔隙度显著低于顺向坡下层。土壤中总孔隙度和毛管孔隙度高,容重小有利于土壤接受营养物质,吸收水分和空气。总体来说,顺向坡和逆向坡土壤物理性质差异显著,顺向坡土壤通透性较好,饱和含水率高,土壤物理性质优于逆向坡。

表1 岩层倾向对喀斯特坡耕地土壤物理性质的影响

NC:自然含水量 Natural moisture content,BD:土壤容重Bulk density,tP:总孔隙度Total porosity,CP:毛管隙度Capillary porosity,NP:非毛管孔隙度Non capillary porosity,SC:饱和含水率Saturated water content,ASS:逆向坡表层 Anti-dip stratified rock slope surface,ASL:逆向坡下层 Anti-dip stratified rock slope lower layer,BSS:顺向坡表层Bedding rock slope surface,BSL:顺向坡下层Bedding rock slope lower layer; 不同小写字母表示各处理间差异性显著 (P<0.05)

2.2 岩层倾向对于土壤化学性质的影响

土壤化学性质深刻影响土壤的供肥能力,是衡量土壤肥力的一个重要指标。顺向坡表层土壤的有机质、速效钾、碱解氮、全氮均显著高于逆向坡表层(表2)。逆向坡表层和下层的pH值显著高于顺向坡相应层位。全磷、全钾在顺向坡和逆向坡之间没有显著差异,但顺向坡表层和下层含量均高于逆向坡相应层位。逆向坡表层和下层有效磷显著高于对应顺向坡的表层和下层。除了有效磷和全钾含量以外,土壤化学性质总体呈现：顺向坡表层>逆向坡表层>顺向坡下层>逆向坡下层,土壤表层>土壤下层的规律。总体来说顺向坡的土壤化学性质显著优于逆向坡。

OC:有机质Organic matter,TN:全氮Total nitrogen,TP:全磷Total phosphorus,TK:全钾Total potassium, AN:碱解氮Alkaline nitrogen,AP:有效磷Available phosphorus, AK:速效钾Available potassium;不同小写字母表示各处理间差异性显著 (P<0.05)

2.3 岩层倾向对坡耕土壤淋溶的影响

土壤淋溶是土壤的重要属性之一,深刻影响着土壤的物理化学性质。顺向坡表层和下层土壤全量Al含量均高于逆向坡对应的表层和下层,逆向坡表层和下层的Si含量显著高于顺向坡对应的表层和下层(表3)。Fe含量在顺向坡和逆向坡没有显著差异,但逆向坡表层和下层含量均高于顺向坡对应的表层和下层。Sa(Sa=SiO2/Al2O3)值、Saf(Saf=SiO2/(Al2O3+Fe2O3))值是土壤淋溶发育的指标,Sa值、Saf值越低,土壤淋溶发育情况越好。上表中可以发现,顺向坡土壤表层和下层的Sa值和Saf值显著低于逆向坡的表层和下层。因此顺向坡土壤淋溶发育情况要强于逆向坡。

不同小写字母表示各处理间差异性显著 (P<0.05)

2.4 逆向坡土壤理化性状之间的相关性分析

逆向坡土壤有机质与饱和含水量呈显著(P<0.05)负相关关系(表4)。全氮含量与饱和含水量、总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著(P<0.01)或显著负相关关系,与土壤容重呈显著正相关关系。有效磷和饱和含水量、总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关关系,与土壤容重呈极显著负相关关系。速效钾与饱和含水量呈极显著正相关关系,与土壤毛管孔隙度呈显著正相关关系。土壤pH值与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著或者显著正相关关系,与自然含水量、饱和含水量、容重、非毛管孔隙度呈极显著或者显著负相关关系。除全磷、全钾和碱解氮以外,有机质、全氮、有效磷、速效钾与土壤饱和含水量均表现出较大的相关性,并且,土壤饱和含水量也深刻的影响着土壤的物理性质,与土壤容重、非毛管孔隙度呈极显著负相关关系,与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关关系。由此可见,大部分土壤养分含量与土壤的物理性质有极大的相关性,尤其是土壤的饱和含水量,深刻的影响着土壤理化性质。

2.5 顺向坡土壤理化性状之间的相关性分析

顺向坡有机质、速效钾、全磷、全氮含量与自然含水量、饱和含水量、毛管孔隙度呈显著正相关关系(表5)。有效磷与自然含水量、饱和含水量、毛管孔隙度呈极显著或是显著正相关关系,与非毛管孔隙度呈极显著负相关关系。碱解氮与饱和含水量呈显著正相关关系。pH值与自然含水量、饱和含水量、容重呈极显著或是显著负相关关系,与总孔隙度和毛管孔隙度呈极显著或是显著正相关关系。除了全钾含量以外,全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤pH与饱和含水量、自然含水量有一定的相关性,并且,土壤饱和含水量与土壤容重、非毛管孔隙度呈极显著负相关关系,与总孔隙度、毛管孔隙度、自然含水量呈极显著正相关关系。

**为P<0.01,极显著相关;*为P<0.05,显著相关

表5 顺向坡土壤理化性状之间相关性分析

**为P<0.01,极显著相关;*为P<0.05,显著相关

3 讨论

3.1 岩层倾向对土壤水分含量的影响

相对于逆向坡而言,山体坡向和岩层倾向一致的顺向坡岩层对土壤阻挡作用小,土壤容易随着径流或者岩层流失,导致顺向坡的岩石裸漏率比逆向坡高,这与实际观测结果相符合。有研究表明,裸岩周围的土壤能够大量吸收和吸附部分降雨,并且裸岩能降低地表的径流速度[19- 20]。降雨期间,雨水降落在裸岩上,降雨资源化程度较高,裸岩改变了降雨的再分配,汇集和补充周边的土壤水分[21- 22]。因此岩层倾向会影响土壤水分的汇聚,使得顺向坡土壤自然含水量和饱和含水量高于或是显著高于逆向坡,这与游贤慧的研究结果相似[23]。

3.2 土壤水分含量对土壤物理性质的影响

土壤水分含量作为土壤的本质属性之一,深刻影响着土壤理化性质。研究结构表明,无论在顺向坡还是在逆向坡,土壤自然含水量和饱和含水量与土壤理化性质之间存在着巨大关系。土壤饱和含水量跟土壤容重呈极显著负相关关系,与土壤总孔隙度,毛管孔隙度呈极显著正相关关系,在逆向坡,土壤饱和含水量与土壤非毛管孔隙度呈极显著负相关关系,在顺向坡,土壤饱和含水量与土壤非毛管孔隙度也有一定的负相关关系。这主要是因为本实验区位于岩溶区,土壤母质以石灰岩为主要成分,水分含量高,就将有利于土壤淋溶,从而导致土壤容重减少[24- 25],总孔隙度增加[26],毛管孔隙度增加,非毛管孔隙度减少。并且,水分含量的多少也将会直接影响到土壤的淋溶发育情况,水分多的土壤淋溶发育状况较好[27]。

3.3 土壤水分含量对土壤化学性质的影响

本研究的结果显示在顺向坡和逆向坡土壤饱和含水量与土壤有机质含量呈显著正相关关系,与土壤pH呈极显著负相关关系,自然含水量与土壤有机质含量呈正相关关系,与土壤pH呈显著负相关关系。但是土壤饱和含水量和土壤自然含水量与土壤全量氮、磷、钾,速效氮、磷、钾的含量在顺向坡和逆向坡之间显著性有巨大的差异,或是相关性不大。这主要是因为该试验区为坡耕地,长期大量的使用化肥干扰了土壤中氮磷钾总量。吴军虎[28]、高鑫宇[24]的研究都展现了土壤水分对于土壤有机质的影响,即土壤水分含量越高,土壤有机质含量越高,这与本研究的实验结果相同。