滇东海峰岩溶盆地石漠化坡地土壤机械组成和有机碳的变化特征

陈进豪, 范 弢, 户红红

(云南师范大学 地理学部， 云南省高原地理过程与环境变化重点实验室, 云南 昆明 650500)

喀斯特地区由于强烈的岩溶作用，地表破碎，大面积基岩出露，地表形态起伏多变，发育有多样的石沟、石坑、土面等小生境类型，这些小生境由于其形状、面积不一、土壤厚度不同，受纳水分、热量等环境因子的差异，导致其土壤的颗粒组成、团聚体、有机碳等存在明显的空间异质性[1-3]；廖洪凯等[2]在研究喀斯特地区不同小生境有机碳的空间异质性时发现石沟小生境、石坑小生境有机碳保持在较高的含量，在研究不同小生境对喀斯特地区有机碳的影响时发现有机碳促进大颗粒团聚体的形成[4]。

喀斯特岩层由于具有特殊的裂隙、管道和地下洞穴系统，导致地表地下形成相互联系统一的整体。诸多小生境往往底部与裂隙连通，裂隙上覆土壤由于蠕滑、错落等重力侵蚀方式发生垂直迁移[5]，造成小生境内土壤的沉陷与漏失。小生境裂隙内土壤质量的好坏影响土壤漏失的发生[6]；由于漏蚀的发生存在于地下，具有隐蔽性，无法直接观测，因此大部分采用一些指标的变化来进行相关研究；魏兴萍等[7]利用137Cs的垂直变化特征说明了岩溶槽谷区存在土壤漏失，并且发现有机质在剖面的垂直变化特征可以反映土壤漏失运动的规律；雷俐等[8]研究粤北山地土壤垂直渗漏时发现，漏失通道的形状、大小、发育成度，植被类型，降雨等因素都会影响土壤的渗漏，但土壤总体下渗趋势无法改变；杨宇琼等[9]在研究浅层裂隙土壤机械组成对降雨的响应时发现降雨过程中浅层裂隙土壤颗粒发生迁移；唐益群等[10]发现土壤团聚体的稳定性影响土壤的渗漏，当土壤团聚体稳定性较差时，土壤易崩解成细小颗粒，为土壤的漏失提供的有利条件。

滇东岩溶盆地属西南喀斯特片区典型的生态脆弱区，石漠化问题严重，盆地内缺水严重，周边山地与坡地喀斯特发育程度高，地下裂隙纵横，地表高程起伏侵溶蚀作用强烈，发育多种类型小生境，水源漏失，地下水深埋，山地与坡地是石漠化发生的主要地点，特殊的盆—山一体构造限制了当地的植被恢复与生态经济发展[11-12]。为此本文通过研究滇东海峰岩溶盆地小生境裂隙内土壤机械组成、有机碳、水稳性团聚体的变化特征，探讨滇东海峰岩溶盆地内小生境异质性特征以及与土壤漏失的关联，以期为海峰水土流失的治理提供一些科学支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省曲靖市沾益县西部海峰自然保护区(103°29′—103°39′E，25°35′—25°57′N)，属断陷盆地构造。该地区主要岩石地层为二叠纪中期的茅口组和栖霞组灰岩，在地壳抬升和地下水溶蚀或侵蚀的作用下，该地区地表形成了石芽、溶沟、溶丘、溶斗、溶蚀洼地、峰丛、峰林、孤峰等独特地貌，地下形成落水洞、竖井、地下河、地下溶洞等地貌形态。该保护区主要植被类型为湿润常绿阔叶林、半湿润常绿阔叶林、硬叶常绿阔叶林、落叶阔叶林、暖温性针叶林、灌丛、沼泽和水生植被。区内主要土壤类型为红壤。该区属于亚热带高原季风气候类型，干湿季分明，全年平均气温13.8～14 ℃，年降水量1 073～1 089.7 mm左右，雨季降雨量占年降水量的87.3%。

采样点位于岩竹小海子大研公路旁的一处因修路而挖开的剖面(103°47′E，25°36′N)和兰石坡海子犀牛塘落水洞底部的地下暗河(103°36′E，25°45′N)，挖开剖面所处坡地发育有土面小生境、石沟小生境、石坑小生境，植被是以小铁仔(Myrsineafricanna)、清香木(Pistaciaweinmannifolia)为主的灌丛，土壤为红壤，表层疏松，下层紧实；采样剖面上存在3种裂隙，且处于同一坡位，相距较近，填充土壤一般都是地表土壤流失沉积，形成具有同期性；小生境底部与裂隙相连，使地表地下形成统一有序的多层生态空间结构。3种裂隙中，1号裂隙，剖面上形状为漏斗形，地表属于土面小生境，结合小生境类型和裂隙形态，将其命名为土面漏斗，土面漏斗上部宽190 cm，中部宽60 cm，下部宽40 cm，土面漏斗剖面出露总体长为295 cm.。2号裂隙，剖面上形状为狭长形，地表属于石沟小生境，将其命名为石沟裂隙，石沟裂隙上部宽40 cm，中部较窄处为15 cm，中下部弯曲部分宽21 cm，下部宽为11 cm，石沟裂隙剖面出露总体长为345 cm。3号剖面深度较浅，地表属石坑小生境，将其直接命名为石坑，石坑深度约124 cm左右，宽180 cm左右，底部为基岩。兰石坡海子犀牛塘落水洞为几个落水洞群组成，最大的落水洞底部，存在一条地下暗河。

1.2 样品采集

土壤样品为2019年5月采集，每隔20 cm为一层，用小铲刀采集。共采集土面漏斗样品15个，石沟裂隙样品15个，土面石坑样品6个，另外采集地下暗河土壤样品一个。将土样装入自封袋中带回实验室，自然风干后，将土样中的植物落叶、残根、砾石、动物残体等挑出，一部分研磨成2 mm与1 mm土壤，用于裂隙土壤的机械组成试验与有机碳检测。一部分将土样中土块较大的按其自然破碎面轻轻掰开成直径1 cm左右的小土块，用于进行裂隙土样的团聚体检测。

1.3 样品测试

土壤的机械组成试验步骤按照GB7845-87中比重计法的要求进行试验，并将土壤颗粒分为黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.05～0.002 mm)、砂粒(2～0.05 mm)。土壤团聚体采用湿筛的方法进行，并将其分为>5 mm，5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm以及<0.25 mm，共6个粒级。有机碳采用《土壤农化分析》[13]中重铬酸钾容量法进行检测。

1.4 数据处理

(1) 土壤团聚体几何平均直径(geometric mean diameter， GMD)计算公式[14]

(1)

(2) 土壤团聚体平均重量直径(mean weight diameter， MWD)计算公式[15]。

(2)

数据的分析采用Excel 2013，SPSS 21.0进行数据统计、差异性分析以及图表的制作。

2 结果与分析

2.1 不同小生境裂隙的机械组成变化

土面漏斗、石沟裂隙与石坑各小生境的土壤机械组成见图1。土面漏斗土壤机械组成砂粒(2～0.05 mm)含量在53.63%～61.26%之间，粉砂粒(0.05～0.002 mm)含量在7.12%～19.34%之间，黏粒(<0.002)含量在24.41%～39.08%。根据土壤性质的变异系数对变异程度进行分类[16]：变异系数<15%时为小变异，在16%～35%之间的为中等变异，>35%的为高等变异。而土面漏斗黏粒总体变异系数为12.77%，属小变异，砂粒变异系数为4.15%，属于小变异，粉砂粒变异系数为24.25%，属中等变异。总体来看，砂粒变异程度最小，粉砂粒变异程度最大。不同层次来看，在0—40 cm，黏粒、粉砂粒、砂粒均出现较大波动，在40～300 cm，黏粒呈减少趋势，变化较为稳定，变异系数为7.13%，属于小变异。而在0—200 cm范围内，砂粒含量随深度的增加，时增时降，表现出无规律性，其变异系数为4.64%，尽管仍属于小变异，但大于总体变异系数(4.64%>4.15%)。粉砂粒含量也表现出随深度的增加忽增忽减，规律性不明显。

石沟裂隙土壤机械组成表现为砂粒含量在51.72%～58.22%之间，粉砂粒含量在14.40%～21.66%之间，黏粒含量在23.92%～32.19%之间。砂粒的总体变异系数为3.8%，属于小变异，黏粒的变异系数为7.24%，属于小变异，粉砂粒的变异系数为12.7%，属于小变异。整体来看，石沟裂隙的颗粒组成随深度的变化，变异程度均较小，较为稳定。不同层次来看，在0—80 cm处，砂粒呈减少趋势，变异系数为2.03%，粉砂粒呈减少趋势，变异系数为2.84%，黏粒呈增加趋势，变异系数为4.82%。从变异系数来看，3种粒级均属于小变异，变异程度不大。从3种粒级随深度的变化情况来看，地表颗粒粗化，与土面漏斗一致。在80—160 cm范围内，砂粒呈先增加后持续减少的趋势，黏粒呈减少趋势，粉砂粒呈增加趋势。且黏粒变异系数为8.9%，砂粒变异系数为3.29%，粉砂粒变异系数为14.72%，尽管仍属于小变异，但粉砂粒和黏粒变异幅度增大，砂粒变异幅度与整体相比仍较小，但与0—80 cm相比，变异幅度增大。在160—300 cm范围内，黏粒含量呈先增加后减小趋势，砂粒含量波动较大，整体呈增加趋势，粉砂粒呈先减小再增加趋势。

石坑机械组成表现为砂粒含量为60.04%～62.09%，粉砂粒含量为6.67%～16.94%，黏粒含量为22.44%～32.9%。总体来看，砂粒含量呈减少趋势，黏粒呈减少趋势，粉砂粒呈增加趋势。并且砂粒总体变异系数为1.07%，粉砂粒变异系数为6.09%，黏粒变异系数为14.37%。3种粒级都属于小变异，但砂粒变异程度最小，说明砂粒随深度的变化最稳定，黏粒含量波动较大，变异程度高。

图1 土面漏斗、石沟裂隙、石坑小生境的机械组成

对土面漏斗、石沟裂隙与石坑的土壤粒级进行差异性分析。同一小生境，砂粒，粉砂粒和黏粒之间存在显著差异(p<0.05)。不同小生境，土面漏斗的砂粒与石坑、石沟裂隙均存在显著差异，黏粒差异不显著(p>0.05)，并且土面漏斗的粉砂粒与石坑粉砂粒不存在显著差异，与石沟裂隙的粉砂粒存在显著差异(见图2)。

注:不同大写字母表示同一样地不同粒级间差异显著(p<0.05);不同小写字母表示同一粒级不同样地间差异显著。

2.2 不同小生境裂隙的有机碳的变化

研究区有机碳含量分布见图3。土面漏斗有机碳在3.05～12.58 g/kg之间，石沟裂隙有机碳在6.73～30.65 g/kg之间，石坑有机碳在6.15～10.21 g/kg之间。土面漏斗与石沟裂隙均存在地表有机碳汇聚现象。即地表有机碳含量高，地下有机碳含量较低。但石坑土壤有机碳并未遵循该特性。表现为地表表层含量小，底部含量大的特点。差异性分析发现土面漏斗在地表0—120 cm范围内与石坑的有机碳差异不显著(p>0.05)，与石沟裂隙存在显著差异(p<0.05)。

2.3 不同小生境裂隙的水稳性团聚体的变化

团聚体的水稳性通常采用湿筛所得的>5 mm和>0.25 mm团聚体质量百分数所谓水稳性评价指标。研究表明[17]，>0.25 mm的土壤水稳性团聚体是土壤中最好的结构体，通常被称作土壤团粒结构体，其数量往往反应土壤的稳定性。

土面漏斗、石沟裂隙和石坑小生境的水稳性团聚体见图4。土面漏斗土壤湿筛所得>5 mm团聚体质量百分数在0.14%～26.71%，>0.25 mm团聚体质量百分数在60.02%～83.78%。石沟裂隙土壤湿筛所得>5 mm团聚体质量百分数在0.02%～9.48%，>0.25 mm团聚体质量百分数在64.37%～85.94%。石坑土壤湿筛所得>5 mm团聚体质量百分数在7.14%～24%之间，>0.25 mm团聚体质量百分数在75.23%～83.19%。总体来看，土面漏斗、石沟裂隙和石坑其水稳性随深度的增加都出现逐渐减少趋势。表现为大颗粒团聚体随深度逐渐减少，细颗粒逐渐增多。

图3 土面漏斗、石沟裂隙、石坑有机碳含量分布

图4 土面漏斗、石沟裂隙、石坑>5 mm和>0.25 mm团聚体重量比分布

>5 mm和>0.25 mm的土壤团聚体含量在一定程度上体现了土壤的水稳性特征，但仍存在一定的问题。通常采用平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)，来说明土壤团聚体的稳定状况，数值越大，土壤水稳性越好[17]。土面漏斗、石沟裂隙和石坑的MWD和GMD见图5，土面漏斗MWD在0.6～3.3 mm之间，GMD在0.36～1.74 mm之间，MWD与GMD变化趋势相似，都呈现随深度的增加逐渐减小趋势。石沟裂隙MWD在0.82～2.28 mm之间，GMD在0.44～1.28 mm之间，MWD与GMD都随深度的增加逐渐减小。石坑MWD在1.87～2.89 mm之间，GMD在0.86～1.31 mm之间。总体来看土面漏斗、石沟裂隙和石坑的MWD与GMD都随深度的增加，呈减小趋势，与>5 mm和>0.25 mm的土壤团聚体含量所得结果一致。说明土壤团聚体稳定性随深度的增加呈逐渐减少趋势。

图5 土面漏斗、石沟裂隙与石坑几何平均直径和平均重量直径

3 讨 论

3.1 不同小生境土壤的空间异质性

3.1.1 不同小生境土壤机械组成的差异 通过数据分析发现，3种小生境的土壤机械组成变化特征存在差异。土面漏斗在0—40 cm的表层，砂粒含量逐渐减少，粉砂粒含量逐渐减少，黏粒含量逐渐增大，这与雷俐等[8]人的研究一致，细颗粒物渗漏或流失，导致粗颗粒物滞留，表现出地表粗颗粒化趋势[10]。在280 cm处，土面漏斗与岩层层面有一定的接触，比较岩层层面的土壤(黏粒27.22%，砂粒53.18%，粉砂粒19.61%)与土面漏斗280 cm处土壤(黏粒25.56%，砂粒54.10%，粉砂粒19.34%)的颗粒组成，发现二者具有相似性，推测岩层层面对土面漏斗有一定的补给作用。总体来看土面漏斗土壤粒径变化随深度的增加，时增时减，表现出无规律性，这与杨宇琼等[9]的研究结果一致。

石沟裂隙呈现出分段式的规律性，即在某段范围内土壤颗粒随深度呈现出规律性。这与石沟裂隙存在一条自上而下贯穿裂隙的粗根有关。王大力等[18]人在研究植物根孔时发现植物根系(包括植物的地下根状茎)在生长过程中以及根系死亡后土壤中易形成孔道，土壤水分和溶质易沿这些通道优先流失。而土壤的细颗粒也易沿这些通道，随水流流失。而且在土面漏斗与石沟裂隙底部，黏粒含量均出现减少，推测底部仍存在细小的裂隙，细粒径土壤仍向深部继续渗漏[8]。

石坑土壤堆积属于整体填充，各层土壤起始的粒级差异不大，但由于存在细小裂隙，砂粒由于粒径较大，垂直渗漏不明显，而粉砂粒和黏粒由于粒径较小发生渗漏，但裂隙可能越往下越细小，导致粉砂粒每层沉积一小部分，而黏粒则继续向下渗漏，出现粉砂粒逐渐增大，黏粒逐渐减少的趋势，而由于石坑底部不发生渗漏，在石坑底部100—120 cm范围内，黏粒沉积，含量增加，粉砂粒在渗漏过程中，每层沉积，导致最底部沉积时，粉砂粒含量增加并不明显。本次采样还发现海峰湿地的落水洞底部存在一条地下暗河。地下暗河土壤砂粒、粉砂粒含量较高，黏粒含量较低(黏粒17.03%，砂粒55.48%，粉砂粒27.49%)。这与唐益群等[10]人所得溶洞中土壤颗粒以黏粒为主的结果不一致，与曹建华等[19]人的研究结果一致。这说明土壤的地下漏失主要以地表土壤随地表径流流入低洼的落水洞、竖井等地下通道，坡地的裂隙主要起存储土壤作用，进入地下通道的量很少。因此要减缓当地的水土流失，落水洞是治理的关键。

3.1.2 小生境裂隙土壤有机碳的差异 有机碳含量在土面漏斗与石沟裂隙中呈现出表聚现象。这与魏兴萍等[7]研究所得结论一致，即岩溶区土壤有机碳仍遵循土壤的表聚特性。石坑底部有机碳含量高，与罗海波等[3]，刘方等[1]所研究的一致。因为石坑形成初期与石沟裂隙一样具有汇聚作用，有机碳等养分汇聚于底部，随着石坑内土壤逐渐增多，汇聚作用逐渐减小，当石坑内土壤与周边土壤等高时，由于其面积较小，表层植被少，土壤侵蚀加水土流失，导致地表形成的有机碳被地表径流冲走。因而石坑地表有机碳含量较低，底部含量较大。石沟裂隙表层有机碳含量显著高于土面漏斗和石坑。这与廖洪凯等[20]人的研究结果一致。这是因为石沟裂隙具有汇聚水分、养分的功能，且地表的枯枝落叶可能会随水流汇聚到石沟裂隙中，大量的枯枝落叶经过生物的分解转化为腐殖质。因而表层有机碳要高于石坑与土面漏斗。

总体来说，小生境裂隙由于地表小生境的差异，导致地表植被覆盖度，枯落物的汇聚、水分的接收、吸纳、蒸发等存在较大的差异[1]，再加上裂隙的形状、裂隙内根系的发育、有无边缘土壤补给以及裂隙是否贯通地下空间等因素，导致小生境裂隙内土壤性质存在异质性。

3.2 小生境裂隙土壤稳定性对土壤漏失的影响

滇东海峰地区属岩溶断陷盆地构造，地下裂隙纵横，地表石牙出露，小生境类型复杂多样。由于岩溶区成土缓慢，土层浅薄，土体不连续，土壤多集中于小生境内；小生境内土壤的好坏很大程度上影响了滇东岩溶盆地植被的恢复与水土流失的治理。土壤团聚体是土壤结构的基本单位[21]，其构成比例以及稳定性的变化，直接影响土壤结构的好坏。本次研究结果发现土面漏斗、石沟裂隙内填充土壤>5 mm和>0.25 mm的团聚体以及MWD与GMD均随深度的增加呈逐渐减少趋势，这说明土壤的稳定性随深度的增加在逐渐减小。小生境裂隙底部土壤稳定性差，经雨水的浸润，土壤易崩解成更细小的颗粒，在底部存在管道联通的状况下，继续向土层深处渗漏，最终漏失堆积于地下空间内(溶洞或暗河)。有机碳的胶结作用有助于土壤大颗粒团聚体的形成与稳定性能的增强，团聚体则吸附、包被有机碳，降低有机碳的分解速率，起到保护有机碳的作用[22-23]，两者具有一定耦合关系。本次发现虽然有机碳和土壤团聚体之间不存在显著相关关系，但二者的整体变化趋势一致，都随土层深度的增加呈逐渐减小趋势，这也是解释水稳性团聚体为什么随土层深度的增加而稳定性降低的原因之一。

植物措施是巩固土壤，增强土壤有机碳含量，减少水土流失的有效措施[24]。对于小生境应该合理保护和利用，选取合适的植被种类，种植深根系落叶植被，促进土壤的有机碳含量的增加，有助于大颗粒团聚体的形成；发挥植被根系的锚固和加筋作用[25-26]，促使土壤和根系形成“根—土复合体”[24]，增强土壤的抗侵蚀能力，减缓了土壤的漏失。

4 结 论

(1) 地表小生境与地下裂隙相互联系，形成统一有序的多空间生态结构。根据地表小生境类型和裂隙形态特征，初步将这种统一的空间生态结构以小生境结合裂隙形态加以分类命名。命名为土面漏斗、石沟裂隙；土面漏斗地表属土面小生境，地下裂隙为漏斗形，表层有机碳含量较低；石沟裂隙地表属石沟小生境，地下裂隙为狭长形，表层有机碳含量较高。

(2) 地表小生境类型、地下裂隙形态、裂隙内有无根系以及裂隙是否贯通地下空间等因素的差异导致海峰岩溶盆地小生境裂隙土壤存在异质性。土面漏斗、石沟裂隙和石坑各小生境土壤机械组成主要以砂粒为主；石沟裂隙砂粒含量显著低于土面漏斗和石坑，粉砂粒含量显著高于土面漏斗和石坑；土面漏斗和石沟裂隙土壤发生渗漏，在无根系时，土壤颗粒渗漏存在无规律、随机性；当存在粗根时，土壤颗粒优先以根土之间的通道渗漏；当裂隙或漏斗底部存在贯通时，土壤以细颗粒继续发生渗漏；土面漏斗和石沟裂隙有机碳含量遵循土壤有机碳表聚特性，石坑有机碳不遵循，石沟裂隙表层有机碳含量高于土面漏斗和石坑。

(3) 小生境裂隙底部土壤团聚体随深度的增加，稳定性逐渐减小，细颗粒团聚体含量逐渐增多，易发生土壤的漏蚀，深根系植被介入裂隙土壤，有助于改善土壤理化性质，增加土壤有机碳含量，增强其抗侵蚀性能，对于地下水土的保持有重要作用。