云南典型石漠化地区土壤结合态腐殖质分布特征研究*

黄晨元，刘建祥,，张叶飞，秀洁，李伞剑

(1.西南林业大学地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学生态与环境学院/石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.云南省高校石漠化防治工程研究中心，云南 昆明 650224)

截至2016年底，我国岩溶地区石漠化土地总面积为10.07×106hm2，占岩溶面积的22.3%，云南省石漠化土地面积约为 2.35×106hm2，居全国第二位，另有潜在石漠化土地2.04×106hm2[1]。石漠化作为一种生态环境退化现象，会带来土地退化、植被逆向演替、环境灾害频繁、饮用水困难和农民贫困程度加深等一系列问题[2]。云南地处云贵高原，喀斯特地貌显著，区域生态环境较为脆弱，加之不合理的土地利用方式，导致境内石漠化问题加剧[3]。“十四五”规划继续强调生态保护的重要性，坚持保护优先、自然恢复为主，守住自然生态安全边界[4]。对石漠化地区进行相关研究，利于深入了解石漠化发生机理，深度分析石漠化演变过程及生态环境的建设。

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，更是石漠化问题发生的关键所在[5]。土壤中的腐殖质对土壤肥力、结构和性质具有重要的调节功能，在土壤养分循环和农业生态系统稳定平衡方面发挥着显著作用[6]。土壤中腐殖质除少部分以游离态存在外，大部分与土壤矿质颗粒形成有机无机复合体，呈结合态存在，由于结合的方式和松紧程度不一，可分为松结态、联结态、稳结态和紧结态腐殖质[7]。研究腐殖质结合态对于鉴别发生土类的性质及培肥具有重要参考价值，对于提高石漠化地区土壤肥力具有重要作用。

土壤有机碳和氮素是重要的土壤养分，往往被作为评价土壤肥力的重要指标[8]，另有研究表明土壤有机质、全氮、全磷、全钾及黏粒含量是土壤理化性质的关键指标，对土壤性质的改良和养分循环起着重要作用[9]。杨贺[10]对湘西不同石漠化程度土壤特征进行研究，探讨了土壤理化性质随石漠化程度变化的特征。匡恩俊等[11]研究了原状土搬迁前和搬迁后4个典型处理(马粪+氮磷钾、马粪、氮磷钾、不施肥)的腐殖质结合形态的变化，掌握了土壤腐殖质随环境和土体的变化情况。韩宾等[12]采用大田取样、室内分析相结合的方法对不同耕作方式下土壤腐殖质结合形态及组成的变化规律进行了研究。前人关于石漠化理化性质及土壤腐殖质结合态方面做了诸多研究，但两者结合于石漠化地区的研究则少见于报道。本研究以高原岩溶石漠化地区为对象，测定不同石漠化程度土壤不同腐殖质结合态分布特征、土壤养分和粒径分布特征及其相互之间的相关性，揭示石漠化地区腐殖质结合态、土壤养分及粒径之间的内在联系，旨在通过系统分析不同石漠化程度土壤理化学性质差异反映此地区土壤状况并预测石漠化演变趋势，为石漠化地区生态恢复和农业可持续发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于云南省昆明市石林圭山国家森林公园内(24°26′N、103°20′E，海拔1 739～1 856 m)，属亚热带低纬高原山地气候，年降雨量970 mm，年平均气温14 ℃，年平均无霜期210 d。样地以石灰岩为主，土壤类型主要为红壤及黄棕壤。研究区内植被覆盖率较低，由于受高原亚热带季风影响，形成了以云南松(Pinusyunnanensis)、白刺花(Nitrariatangutorum)、紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)、火棘(Pyracanthafortuneana)等为主的植被类型。其中，重度石漠化区域植被覆盖率低，岩石间隙处覆盖有草本植物，土层中多含石砾。

1.2 样地布设与样品采集

在前期调研的基础上，依据张信宝等[13]的西南岩溶山地坡地石漠化分类标准，在研究区选取潜在、轻度、中度、重度石漠化4种石漠化程度的山地，每种石漠化程度山地选择3个典型代表性样地，样地具体情况见表1。每个样地按S型采样方式在其中心选择3个样点，除去表层枯枝落叶，环刀取土，带回实验室分析土壤物理指标，并采集3个0～30 cm的混合土样，四分法取1 kg土壤带回实验室分析其化学指标。

表1 样地基本信息

1.3 样品处理与分析

依据《土壤理化分析》[14]中的要求，捡去土壤样品中的枯枝落叶，放在室内阴凉通风处风干，环刀法所采样品用来测定土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量和容重。四分法所采土壤样品将其过0.25 mm孔径筛用于土壤化学性质测定。pH采用电位法测定；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠碱熔-火焰光度计法测定；速效磷采用Bray I法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[15]；速效氮采用凯氏定氮法测定[16]；粒径采用马尔文激光粒度仪测定[17]；土壤腐殖质结合态采用Anderson法测定[7]。为后续研究需要，依据Minasny B等[18]将土壤有机质换算成土壤有机碳，即除以van bemmelen因数——1.724。

1.4 数据处理与分析

运用Excel 2019进行数据处理，SPSS 26.0进行单因素方差分析、多重比较、皮尔逊相关性等分析，采用Origin 2019及Excel 2019软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同石漠化程度土壤物理性质

2.1.1 土壤机械组成

4种石漠化土壤的粒径分布皆以粉粒含量最高，不同石漠化程度土壤其粉粒含量大小为潜在>轻度>中度>重度，且彼此之间差异极显著(P<0.01)，黏粒含量随着石漠化程度加深而逐渐变小，潜在石漠化程度土壤其黏粒含量极显著大于重度石漠化程度土壤(P<0.01)，砂粒含量随石漠化程度加深而逐渐增大且差异极显著(P<0.01)；粉粒和砂粒含量均随土层深度的增加而递减，而黏粒变化规律则与之相反(表2)。

表2 不同石漠化程度土壤颗粒的粒径分布与分形维数

土壤分形维数能表征土壤颗粒大小，反映土壤结构、肥力和土壤退化程度[19]。土壤分形维数随石漠化程度的加重呈现递减趋势，且潜在极显著大于轻度、中度和重度石漠化(P<0.01)，反映了土壤随石漠化程度增加不断退化的过程；此外，随土壤深度的增加，各石漠化程度土壤的分形维数呈递减趋势(表2)。

2.1.2 土壤容重和持水状况

土壤容重能表征土壤的疏松程度与通气性，是土壤质量的一个重要参数，对土壤的通气性、透水性、溶质迁移和抗侵蚀能力有较大影响[20]。由表3可知，土壤容重随石漠化程度加深呈现减小趋势，在潜在与重度石漠化土壤间差异达极显著(P<0.01)。由于土壤容重的影响，3种持水量指标呈相同的变化规律——3种持水量指标值均随土层深度的增加而减小、随石漠化程度的加深而减小，其中土壤饱和持水量为潜在石漠化土壤的极显著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，土壤毛管持水量及田间持水量均为潜在石漠化土壤的极显著高于重度石漠化土壤的(P<0.01)。

表3 不同石漠化程度土壤物理性质比较

2.2 不同石漠化程度土壤基本化学性质

由表4可以看出，土壤pH值在潜在和重度石漠化土壤间呈现极显著差异(P<0.01)，不同石漠化程度土壤pH均值在5.37～6.29之间，呈微酸性。有机碳含量在不同石漠化程度土壤中呈现潜在>轻度>中度>重度的趋势，且潜在和轻度石漠化土壤的极显著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。

表4 不同石漠化程度土壤养分含量

土壤养分元素含量随石漠化程度的加重呈现递减的趋势(表4)。全氮含量在潜在和轻度石漠化土壤中的值显著高于其在中度和重度石漠化土壤中的(P<0.05)，速效氮含量在潜在和轻度石漠化土壤中的值显著高于其在重度石漠化土壤中的(P<0.05)，土壤氮素含量呈现潜在>轻度>中度>重度的趋势，表明随着石漠化程度的加深，土壤供氮能力降低；土壤全钾含量在潜在和轻度石漠化土壤中的值极显著高于其在重度石漠化土壤中的(P<0.01)，速效钾含量在潜在石漠化土壤中的值则极显著高于其在其它3种石漠化程度土壤中的(P<0.01)；土壤磷素含量在潜在和轻度石漠化土壤中的值极显著高于其在中度和重度石漠化土壤中的(P<0.01)。

2.3 不同石漠化程度土壤结合态腐殖质组成特征

松结态有机碳(腐殖质)是土壤腐殖质结合态中最为活跃的有机质，其结构简单，易被微生物分解、转化，对土壤养分的释放有着积极的作用[21]。由表5可知，不同石漠化程度土壤中松结态有机碳的含量有显著差异，其土壤松结态有机碳含量在(9.41±0.10)～(13.19±1.25)g/kg之间，且潜在和轻度石漠化土壤的松结态有机碳含量极显著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。土壤联结态有机碳介于松结态和稳结态之间，其含量可以直接反映土壤腐殖质转化的进程[22]。土壤联结态有机碳含量在潜在石漠化土壤中最高，为(1.90±0.34)g/kg，重度石漠化土壤有机碳含量最低，为(0.48±0.04)g/kg，潜在和轻度石漠化土壤的有机碳含量极显著大于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。不同石漠化程度土壤的稳结态有机碳含量在(0.40±0.04)～(1.39±0.23)g/kg，紧结态有机碳含量在(4.95±0.14)～(11.99±0.23)g/kg，土壤松紧比呈现潜在<轻度<中度<重度。

表5 不同程度石漠化土壤结合态腐殖质组成及其含量

由表6可知，在4种结合态腐殖质中富里酸(FA)、胡敏酸(HA)含量均表现为潜在和轻度石漠化土壤极显著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，总体呈现随石漠化程度加重而减小的趋势，结合态腐殖质含量变化也表现出相同的规律。

胡富比(H/F)可以进一步说明土壤肥力状况，具有重要意义[22]。不同石漠化程度土壤结合态有机碳H/F值均呈现随石漠化程度加重而减小的趋势，且潜在和轻度石漠化土壤的值均极显著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，潜在与轻度、中度和重度石漠化土壤之间差异不显著(P>0.05)。腐殖酸(即松、联及稳结态有机碳对应胡敏酸和富里酸加和)变化规律同结合态有机碳。参试土壤中稳结态有机碳含量占腐殖酸的4.0%～9.1%，除稳结态有机碳H/F>1外，松结态及联结态有机碳均小于1(表6)。

表6 不同石漠化程度土壤结合态腐殖质组成

2.4 不同石漠化程度土壤理化指标之间的相关性

土壤理化性质相关性分析(图1)表明，石漠化程度与结合态有机碳呈极显著负相关(P<0.01)；全磷、全氮和有机碳与结合态有机碳呈极显著正相关(P<0.01)；速效氮、速效磷和钾素均与结合态有机碳呈显著正相关(P<0.05)；砂粒与粉粒和黏粒及结合态有机碳呈极显著负相关(P<0.01)。各营养元素之间相关性显著(P<0.05)。

3 讨论与结论

土壤腐殖质是土壤构成中的关键物质，其含量和组成特征可以从一定程度上反映成土条件和过程，具有调节土壤肥力的功能[23]。腐殖质的4种结合形态的含量差异及对应的HA和FA含量变化对土体肥力、结构及生物群落稳定性的保持有直接影响，能较为全面地反映土壤质量[24]，这与本研究结论一致。本研究中，不同石漠化程度土壤的4种腐殖质结合态含量均呈现潜在>轻度>中度>重度的趋势，这与张晓曦等[25]的研究结果相似。紧结态腐殖质的稳定性很强，其碳含量的多少对于保持土体构造、积累和贮存养分等方面有显著作用。松紧比是衡量腐殖质活性和品质的重要指标之一，本研究表明，潜在和轻度石漠化土壤中的紧结态有机碳含量极显著高于中度和重度石漠化土壤中的(P<0.01)，松紧比呈现中度和重度石漠化土壤的极显著大于潜在和轻度石漠化土壤的(P<0.01)，由此表明潜在和轻度石漠化土壤腐殖质贮存养分的能力较高但相对活性较弱，而中度和重度石漠化土壤腐殖质养分储存能力较弱但活性强，有利于生物量较小的草本植物在此处生长。4种石漠化程度土壤结合态腐殖质胡富比除稳结态腐殖质H/F>1外，其余均小于1，但所有参试土壤中稳结态腐殖质仅占腐殖酸的4.0%～9.1%，对土壤腐殖酸整体H/F影响较小，说明该石漠化地区土壤腐殖酸均以富里酸为主，皆为富里酸型土壤，腐殖化程度整体相对较低，养分易流失[26]。重度石漠化程度土壤胡富比最小，表明其腐殖质品质较差，腐殖质聚合度较低，土壤肥力较低[27]。相关性分析表明4种腐殖质结合态含量与全磷呈极显著正相关，这是因为P的供应会限制土壤微生物对有机质的利用与转化，从而对腐殖质的形成和积累产生一定影响[25]。

本研究表明，土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量均随着石漠化程度的加深呈递减趋势，土壤容重变化规律则与此相反，这与颜萍等[28]的研究结果基本一致。这是因为土壤结合态分布特征可以对土壤的其他理化性质产生影响，与土壤的持水性及保温、保肥的能力息息相关，从而反映石漠化演变趋势[29-30]。本研究表明，随着土层深度的增加，土壤容重呈增加趋势，这与刘忠玲等[31]的研究结果一致。研究表明，土壤pH作为评价土壤质量的因子发挥着重要作用[32]，本研究中土壤pH随石漠化程度加深呈递增趋势，这与景宜然等[33]的研究结果一致。有研究表明土壤疏松度及保水能力与有机质和全N含量密切相关[33]，本研究中土壤结合态腐殖质、有机质、全N含量与土壤持水量变化趋势一致，这与本研究结论相吻合。

综上所述，研究区石漠化土壤主要以松、紧结态腐殖质为主，其中潜在和轻度石漠化地区土壤腐殖质腐殖化程度相对较高，潜在和轻度石漠化土壤腐殖质贮存养分的能力较高但相对活性较弱，而中度和重度石漠化地区土壤腐殖质养分储存能力较弱但活性强。4种石漠化土壤腐殖酸均以富里酸为主，皆为富里酸型土壤，养分易流失。通过对研究区土壤结合态腐殖质分布特征的研究以及理化性质分析可以发现，研究区土壤各理化性质均随石漠化程度变化呈严格规律变化趋势，并且石漠化形势不容乐观。本文以结合态腐殖质作为新的切入点，对云南省典型石漠化地区进行研究，进一步丰富石漠化地区理化性质的基础研究，从而加深对石漠化地区的认知，提高石漠化治理的成效，为石漠化治理乃至生态环境建设提供新的方向。