典型石漠化地区旱雨季土壤理化性质与腐殖质结合态分布特征

黄晨元， 刘建祥， 张叶飞， 秀 洁

(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)

石漠化是脆弱环境下自然因素和人为因素共同作用的结果，是我国西南地区的灾祸之源、贫困之因、落后之根，严重制约着区域经济和社会发展。据2018年石漠化公报显示，我国岩溶地区石漠化土地总面积为1 007万hm，而云南省石漠化土地面积约235万hm，高居全国第2位，另有潜在石漠化土地面积约204万hm。石漠化治理虽取得一定成效，但“十四五”规划政策背景下，防治形势依然严峻。云南省地处喀斯特高原，区域生态环境脆弱，加之人类不合理的土地利用，致省内石漠化问题加剧。此等背景条件下，对石漠化地区进行相关研究，深入了解石漠化发生机理，深度分析石漠化演变过程，对社会经济的发展及生态环境的建设十分重要。

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。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、紧结态腐殖质。土壤中的腐殖质能调节土壤肥力、改善土壤结构和性质，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。土壤腐殖质组成对于鉴别发生土类的性质及培肥具有重要参考价值。因此，研究土壤腐殖质结合态，对于提高石漠化地区土壤肥力及促进农业的发展具有积极作用。

目前石漠化地区土壤的理化性质受到业界学者的广泛关注。颜萍等发现随着石漠化程度的加强，土壤有机质、氮素、磷素、钾素含量有降低的趋势。盛茂银等通过对西南典型喀斯特石漠化生态系统土壤研究发现，土壤理化指标并不是严格按照石漠化等级呈规律变化，而是呈现先退化后改善的过程。吴丽芳等研究发现，结合碳氮磷生态化学计量和土壤酶活性特征，喀斯特高原石漠化区土壤质量的主要限制因子是全氮含量。金秋珠等研究发现，研究区内土壤有机质、土壤全磷含量和土壤有效钾含量无显著差异，土壤含水量、土壤有效磷含量和土壤pH值存在显著差异。迄今为止，针对石漠化地区旱雨季理化性质对比的研究较少，关于石漠化地区土壤腐殖质结合态的相关研究也很少报道。本研究以高原岩溶石漠化地区为研究对象，测定不同石漠化程度旱雨季土壤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性质差异反映此地区土壤状况并预测石漠化演变趋势，完善相关理论成果，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，总面积为3 206 hm，属亚热带低纬高原山地气候，年降水量为970 mm，年平均气温为14 ℃，年平均无霜期为210 d。样地以石灰岩为主，土壤类型主要为红壤、黄棕壤，土壤偏酸性。区内由于其受高原亚热带季风影响，形成了主要以云南松()、白刺()、紫茎泽兰()、火棘()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被，土层中多含石块。

1.2 研究方法

1.2.1 样地布设与样品采集 在前期调研的基础上，依据张信宝等的西南岩溶山地坡地石漠化分类标准，选取研究区潜在、轻度、中度、重度石漠化等4 种石漠化程度进行研究。分别于2020年7月(研究区为雨季)和2021年4月(研究区为旱季)进行采样，每种石漠化程度选择3个典型代表性样地，样地具体情况见表1，为使后续表格内容显得精简，采用表1中石漠化程度对应英文前2个字母大写进行表述。每个样地按“S”形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的混合土壤，用四分法取1 kg土壤带回实验室分析其化学指标。

表1 样地基本信息

1.2.2 样品处理与分析 依据《土壤理化分析》中的要求，去除土壤样品中的枯枝落叶，放在室内阴凉通风处风干，一部分土壤过1 mm孔径筛用于土壤物理性质试验，另一部分土壤过0.25 mm孔径筛用于土壤化学性质试验。

采用环刀法测定土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤容重；采用电位法测定土壤pH值；采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定全磷含量；采用氢氧化钠碱熔-火焰光度计法测定全钾含量；采用Bray I法测定速效磷含量；采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量；采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量；采用重铬酸钾外加热法测定有机碳含量；采用凯氏定氮法测定速效氮含量；采用马尔文激光粒度仪测定土壤粒径；采用安德森(Anderson)法测定土壤腐殖质结合态。为后续研究需要，依据Heaton等的方法将土壤有机质含量换算成土壤有机碳含量，即除以van bemmelen因数(1.724)。

1.3 数据处理与分析

运用Excel 2019进行数据处理，用SPSS 26.0软件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、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分析

2.1.1 土壤粒径特征 土壤粒径特征是组成土壤的重要部分，影响土壤的物理和化学性质，间接作用于土壤的保肥保水能力和通透等性能。由表2可知，不同石漠化程度不论旱季还是雨季，粉粒含量均为最高，沙粒含量最低，且黏粒和粉粒含量均随石漠化程度加深呈递减趋势，沙粒含量变化趋势相反。旱季土壤黏粒含量表现为潜在石漠化极显著大于重度石漠化(<0.01)，雨季黏粒含量表现为潜在和轻度石漠化极显著大于重度石漠化(<0.01)；旱季不同石漠化程度的土壤粉粒含量存在极显著差异(<0.01)，潜在和轻度石漠化下的雨季粉粒含量极显著高于中度、重度石漠化(<0.01)；无论旱雨季，不同石漠化程度沙粒含量差异极显著(<0.01)。

表2 不同石漠化程度土壤颗粒的粒径分布与分形维数

无论旱季还是雨季，土壤黏粒含量均随土层深度的增加而增加，沙粒和粉粒含量随土层深度的增加而减少。另外从旱季、雨季对比来看，潜在、轻度、中度、重度石漠化样地雨季黏粒含量分别比旱季低19.70%、20.71%、18.62%、22.80%；潜在、轻度、中度、重度石漠化样地粉粒含量雨季分别比旱季高1.76%、1.55%、1.25%、1.79%；潜在、轻度、中度、重度石漠化样地沙粒含量雨季均比旱季高58.20%、42.53%、23.32%、17.05%。

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。土壤分形维数无论旱雨季均随石漠化程度的增加及土层深度的增加大体呈递减趋势。其中，旱季土壤分形维数表现为潜在石漠化极显著高于轻度、中度、重度石漠化(<0.01)，雨季土壤分形维数表现为潜在石漠化极显著高于重度石漠化(<0.01)，且潜在、轻度、中度、重度石漠化样地雨季土壤分形维数分别比旱季低5.63%、4.68%、4.69%、1.15%。

2.1.2 土壤容重及持水状况 由表3可知，无论旱季、雨季，土壤容重均随石漠化程度、土层深度的增加而增加，而土壤3种持水量(饱和持水量、毛管持水量、田间持水量)均随石漠化程度及土层深度增加呈递减趋势。其中无论旱雨季，潜在石漠化的土壤容重均极显著低于重度石漠化(<0.01)；土壤3种持水量均表现为潜在石漠化极显著高于重度石漠化(<0.01)。潜在、轻度、中度、重度石漠化样地雨季的土壤容重较旱季分别增加了6.25%、11.11%、8.94%、6.20%；饱和持水量雨季较旱季分别增加了3.40%、9.40%、10.30%和15.82%；毛管持水量雨季较旱季分别增加了14.73%、5.57%、5.32%和11.73%；田间持水量雨季较旱季分别增加了79.21%、72.50%、59.65%和38.77%，雨季对土壤物理性质变化的规律性影响不明显。

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化学性质分析

由表4可知，不同石漠化程度土壤养分元素含量无论旱雨季均呈现随石漠化程度的增加而减少的趋势。其中旱季土壤全氮含量表现为潜在、轻度石漠化显著高于中度、重度石漠化(<0.05)，旱季速效氮含量表现为潜在、轻度石漠化显著高于重度石漠化(<0.05)；雨季全氮含量表现为潜在石漠化极显著高于重度石漠化(<0.01)，速效氮含量表现为潜在、轻度石漠化极显著高于中度、重度石漠化(<0.01)。旱季土壤全钾含量表现为潜在、轻度石漠化极显著高于重度石漠化(<0.01)，速效钾含量表现为潜在石漠化极显著高于其他3种石漠化程度(<0.01)；雨季土壤全钾含量表现为潜在石漠化极显著高于轻度、中度和重度石漠化(<0.01)，速效钾含量无显著差异(>0.05)。无论旱雨季，土壤全磷含量表现为潜在、轻度石漠化极显著高于中度、重度石漠化(<0.01)，旱季土壤速效磷含量表现为潜在、轻度石漠化极显著高于重度石漠化(<0.01)，雨季速效磷含量表现为潜在石漠化极显著高于其他3种石漠化程度(<0.01)。旱季土壤pH值表现为重度石漠化极显著高于潜在、轻度石漠化(<0.01)，雨季pH值表现为潜在、轻度石漠化极显著低于中度、重度石漠化(<0.01)。无论旱雨季，土壤有机碳含量表现为潜在、轻度石漠化极显著高于中度、重度石漠化(<0.01)。

表4 不同石漠化程度土壤养分含量和pH值

此外，潜在、轻度、中度、重度石漠化程度下全氮含量雨季较旱季分别减少22.54%、31.14%、45.45%、50.41%，速效氮含量雨季较旱季分别减少7.14%、7.69%、39.13%、39.06%，全钾含量雨季较旱季分别减少88.23%、89.61%、88.21%、88.65%，速效钾含量雨季较旱季分别减少62.33%、35.29%、16.15%、10.00%，全磷含量雨季较旱季分别减少77.05%、76.36%、68.42%、55.56%，速效磷含量雨季较旱季分别减少98.30%、98.54%、98.46%、97.70%，土壤pH值雨季较旱季分别增加4.66%、 4.56%、1.95%、0.48%，土壤有机碳含量雨季较旱季分别减少40.80%、42.85%、40.61%、40.07%。

2.3 土壤腐殖质结合态分布特征

由表5可知，不论旱雨季，不同石漠化程度土壤4种结合态(松结合态、联结合态、稳结合态、紧结合态)有机碳含量均呈现出潜在>轻度>中度>重度石漠化的趋势。不同石漠化程度下， 土壤松结合态和紧结合态有机碳含量雨季较旱季分别减少35.86%、37.36%、45.45%、46.65%和52.54%、58.91%、42.83%、49.70%；联结合态和稳结合态有机碳含量潜在和轻度石漠化表现为雨季较旱季分别减少15.79%、7.38%和20.14%、22.83%，中度和重度石漠化含量雨季较旱季分别增加29.73%、81.25%和3.45%、25.00%。

松结合态腐殖质是土壤结合态腐殖质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。由表5可知，不同石漠化程度对松结合态腐殖质的含量存在显著影响。不同石漠化程度无论旱雨季土壤松结合态有机碳含量表现为潜在、轻度石漠化极显著大于中度、重度石漠化(<0.01)。联结合态土壤腐殖质介于松结合态和稳结合态之间，其含量可以直接反映土壤腐殖质转化的进程。不同石漠化程度，无论旱雨季土壤联结合态有机碳含量表现为潜在、轻度石漠化显著大于重度石漠化(<0.05)，这表明潜在、轻度石漠化地区土壤腐殖质的腐殖化程度较高，这可能是由于潜在和轻度石漠化地区植被覆盖率高，土质疏松，植物凋落物长期积累所致。潜在和轻度土壤由于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。松紧比则是衡量腐殖质活性和品质的重要指标之一，比值大说明腐殖质活性较高，相反则较低。无论旱雨季土壤稳结合态和紧结合态有机碳含量表现为潜在、轻度石漠化极显著大于中度、重度石漠化(<0.01)，松紧比呈相反趋势，表明潜在、轻度石漠化土壤贮存养分能力强，中度、重度石漠化土壤腐殖质活性高。由表6可知，松结合态、联结合态、稳结合态3种结合态有机碳富里酸、胡敏酸含量均表现为潜在石漠化显著高于中度、重度石漠化(<0.05)，呈现潜在>轻度>中度>重度石漠化趋势，与对应结合态有机碳含量变化相同。

表5 不同程度石漠化土壤腐殖质结合态有机碳含量

表6 不同石漠化程度土壤腐殖质结合态组成

胡富比(H/F)可以进一步说明土壤肥力状况，具有重要意义。由图1、图2可知，不同石漠化程度土壤结合态有机碳H/F无论旱雨季均呈潜在>轻度>中度>重度石漠化趋势，潜在、轻度石漠化均显著高于中度、重度石漠化(<0.05)，潜在、轻度石漠化之间差异不显著(>0.05)，中度、重度石漠化之间差异不显著(>0.05)。不同石漠化程度旱季土壤稳结态有机碳胡富比大于1，松结合态及联结合态有机碳胡富比均小于1，但所有受试土壤中稳结合态有机碳仅占腐殖酸的4.0%～9.1%，对土壤腐殖酸整体胡富比影响较小。不同石漠化程度雨季土壤除联结合态、稳结合态有机碳重度石漠化胡富比小于1外，其他均大于1，说明雨季4种石漠化程度土壤胡敏酸含量较高，腐殖质化程度相对旱季高。无论旱雨季重度石漠化程度土壤胡富比均最小，表明其腐殖质品质较差，腐殖质聚合度较低，土壤肥力较低。

2.4 土壤理化指标之间的相关性

由表7可知，不论旱雨季，石漠化程度与土壤理化指标存在显著相关性(<0.05)，4种结合态有机碳含量均与全氮、 有机碳及全磷含量存在极显著正相关(<0.01)，各营养元素之间存在显著相关性(<0.05)。无论旱雨季4种结合态有机碳含量之间均呈极显著正相关(<0.01)。旱季速效氮含量与联结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)，与松、稳、紧结合态有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)。旱季全钾含量与松和稳结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)，与联和紧结合态有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)。旱季速效钾含量与松和紧结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)，与联和稳结合态有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)。旱季速效磷含量与紧结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)，与松、联和稳结合态有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)。雨季4种结合态有机碳含量与氮素含量呈极显著正相关(<0.01)，与速效钾含量无显著相关性(>0.05)；全钾含量与松、联结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)，与稳、紧结合态有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)；速效磷含量与松、紧结合态有机碳含量呈极显著正相关，与联、稳结合态有机碳含量呈显著正相关(<0.05)。由此可见土壤结合态有机碳、全氮、总有机碳、全磷含量是表征石林地区不同石漠化程度土壤性质的重要因子。

3 结论与讨论

本研究中，无论旱雨季土壤黏粒和粉粒含量均随石漠化程度的加深而递减，沙粒含量变化趋势相反，这与龙健等的研究结果一致，并且沙粒含量明显大于正常土壤，表现出粗骨化特征。无论旱雨季，土壤粉粒含量均为最高，黏粉粒含量随石漠化程度增加而递减，颗粒较小物质的含量越多，其颗粒的表面积就越大，黏性就越强，水分的吸附和固定能力也就越强，从而使得研究区内不同石漠化程度土壤的水分状况呈现随石漠化程度的增加而递减趋势。土壤分形维数随石漠化程度的增加呈递减趋势，这与许多学者的研究结果相似，都认为土壤分形维数的大小主要由粒级较细的颗粒含量所决定。土壤容重呈现随石漠化程度的增加而递增趋势，原因在于随着石漠化程度的加强，植被覆盖度降低，土壤易被侵蚀，土壤细粒颗粒含量越来越低，粗粒含量越来越高，外在表现在土壤容重的增加。本研究结果表明，土壤养分元素含量随石漠化程度的加深呈递减趋势，这与李开萍等的研究结果一致，由此可见，土壤养分元素含量和不同石漠化程度土壤之间关系密切，随着石漠化程度的加强，植被覆盖度的降低，土壤结构偏紧实，土壤持水量下降，使得土壤中的水分和空气通透性降低，土壤中微生物的活动减弱、有机质分解的速度减缓以及影响到矿物质的矿化作用，最终使得土壤有机质、氮素、磷素和钾素的含量降低。雨季由于土壤中较高的水分含量，使得反硝化作用强烈，土壤中大量氮以气态氮的形式释放，从而使得雨季土壤氮素含量较旱季低。在含水量较高的情况下，土壤中的电解质会被稀释，阳离子解离进入溶液的量会增多，从而导致雨季土壤pH值较旱季升高。研究表明，石灰性土壤的主要固磷基质是物理性黏粒和碳酸钙含量，本研究中，随石漠化程度的增加，土壤黏粒含量下降，这就解释了本研究中土壤磷素含量随石漠化程度的增加而降低的趋势。雨季，由于土壤受到侵蚀，细小颗粒随流水搬运到他处，使得黏粒含量减少，从而也使得雨季磷素的含量较旱季低。雨季土壤钾素的含量比旱季低，这是因为土壤含水量较多时，土壤溶液中的钾离子浓度遭到稀释，从而释放黏土矿物固定的钾，转化为水溶性钾。有研究表明，土壤含水量会改变土壤碳排放中源于土壤有机质和外源有机质的比例，雨季由于土壤含水量高，微生物的活动受到抑制，使得其更多利用外源添加碳作为能量，则会较少分解土壤有机质，导致雨季土壤有机碳含量较旱季低。另外从旱雨季土壤养分指标数据对比来看，部分指标存在较大差异，这是因为喀斯特石漠化地区缺乏成片连续的土壤，土壤的异质性很高，给取样造成一定困难，从而造成了不同石漠化阶段土壤理化性质的起伏，但其变化趋势是明确的。

本研究中，不同石漠化程度土壤结合态有机碳含量均呈现潜在>轻度>中度>重度石漠化的趋势，这是因为随石漠化程度加强，在水力和重力的影响下，土壤地上、地下二元流失加剧，岩石裸露率提高，形成土壤肥力下降与地上生物量减少的恶性循环，最终导致土壤有机碳含量显著减少。有研究表明，腐殖质的4种结合形态含量及对应的胡敏酸和富里酸含量变化对土体肥力、结构及保持生物群落的稳定性有直接影响，能较为全面地反映土壤质量，本研究结果与之相互印证。本研究表明，潜在和轻度土壤腐殖质贮存养分的能力较高但相对活性较弱，而中度和重度地区土壤腐殖质养分储存能力较弱但活性强，使得潜在和轻度地区能生长较大的乔木和灌木，而中度和重度地区宜于生物量较小的草本植物生长。无论旱雨季4种腐殖质结合态含量与全磷呈极显著正相关，这是因为磷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。4种石漠化程度旱季土壤腐殖酸胡富比均小于1，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。雨季土壤腐殖酸胡富比与旱季相反，说明含水量充足的土壤利于胡敏酸的积累，这与江春玉等的研究结果相符。无论旱雨季重度石漠化程度土壤胡富比均最小，表明其腐殖质品质较差，腐殖质聚合度较低，土壤肥力较低。随石漠化程度的加深，不同结合态腐殖质胡富比均逐渐减小，这是由腐殖质和矿物质结合的难易程度所决定的。