江西省红砂岩地退化过程中土壤理化性质的变化特征*

杨明，董星宇，郭晓敏，兰龙焱，牛德奎

(1.江西农业大学 林学院/森林培育重点实验室，江西 南昌330045；2.江西省宜春市袁州区林业局，江西 宜春 336000)

土壤退化是指在各种自然和人为因素影响下，导致土壤生产力、环境调控潜力和可持续发展能力下降甚至完全丧失的过程[1-2]。随着人口-资源-环境之间矛盾的尖锐化，土壤退化问题早已是全球关注的焦点。据统计，我国因水土流失、沙漠化、盐渍化、沼泽化、土壤肥力衰减和土壤污染及酸化等造成的土壤退化总面积约4.6×108hm2，占全国土地总面积的40%[3]。红砂岩是侏罗纪到新近纪的陆相沉积岩系[4]，分布面积占全国陆地面积的8.6 %[5]，其中江西省红砂岩发育的土壤面积广泛，约为1.24×106hm2，占红壤土类11.63 %，占全省土壤总面积7.53 %，仅次于花岗岩、变质岩类发育的红壤[6]，在江西全省红壤土类中的分布面积占第三位。在地质作用的长期影响下，因为长期对红砂岩区域的不合理的开发和利用，加之治理措施不及时和不得当导致红砂岩区的植被破坏较为严重，红砂岩区出现了较为强烈的土壤侵蚀，使土壤质量严重退化[7]；红砂岩地严重的土壤退化问题也对人类生存环境和经济发展造成了一定威胁，已经成为制约区域经济社会发展的一个重大生态问题。有关江西红砂岩地的研究主要集中在红砂岩土土水特性及边坡稳定性[8]、高含水率红砂岩泥化洞渣的路用改良土力学特性研究[9]以及红砂岩侵蚀区水土流失治理模式[7]等方面，针对江西省红砂岩地退化过程中土壤理化性质的变化特征的研究鲜有报道。为此，本研究采用空间代替时间的方法，在赣东、赣南、赣北、赣中、赣西5个区域选择不同退化等级的红砂岩地为研究对象，根据红砂岩退化地残留土层厚度，对土壤退化程度进行分级，采集不同区域不同红砂岩地退化等级下的土壤样品，研究土壤理化性质对红砂岩地退化的响应，分析不同退化程度土壤理化性质的变化和土壤理化因子间的相关性，以期找出代表红砂岩退化地土壤理化性质的关键因子，探讨红砂岩土壤退化过程对土壤特性的影响机理，为红砂岩地的生态恢复和保护利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究选择赣北(Ⅰ)——九江市武宁县，赣东(Ⅱ)——上饶市玉山县，赣西(Ⅲ)——宜春市万载县，赣中(Ⅳ)——抚州市崇仁县，赣南(Ⅴ)——赣州市寻乌县，共5个红砂岩退化区域作为研究区，所选各类型样地尽量保证光照、地形地貌、坡位及海拔的一致性。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[10]，按照土壤构型和发生层残留土层厚度的变化标准，将红砂岩土壤的退化程度分为潜在退化、轻度退化中度退化、重度退化和极度退化5个等级梯度。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

在5个研究区对每种退化程度红砂岩地设立规格20 m×20 m样地3个，共计75个土壤样地。采用100 cm3环刀取原状土样3份，在各个样地中随机选3个点采集土壤养分测定的样品，将3点土样均匀混合成待测土样。红砂岩退化地区因土层较薄，只取0～10 cm土层的土壤进行研究，如果退化地土层厚度< 10 cm，则依情况剖取表层土。

1.2.2 土壤物理性质测定

土壤持水性能与孔隙度状况的计算参照林业行业标准森林土壤水分-物理性质的测定[11]；土壤机械组成采用智能激光粒度仪(Mastersizer 3 000英国)测定[12]，并参照土壤质地分类表[13]，进行土壤质地划分。

1.2.3 土壤化学性质测定

测定方法参照鲍士旦[14]的方法：土壤pH采用电位计法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；有机质测定为重铬酸钾(H2SO4-K2Cr2O7)外加热法；铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)测定先采用2 mol/L的KCI溶液浸提，全氮、全磷先联合消煮，而后均使用Smartchem全自动间断化学分析仪(AMS法国)测定。

1.2.4 数据处理与分析

数据均采用Excel 2010整理，用SPSS 25.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 红砂岩地不同退化程度土壤物理性质变化特征

2.1.1 土壤机械组成变化特征

由表1可知，红砂岩地土壤砂粒含量随退化程度的加深逐渐增多，由潜在退化的(52.17±9.43)%增大到重度退化的(72.44±1.55)%；粉粒含量和黏粒含量随着退化程度加深逐渐减少，均为潜在退化时最大，重度退化和极度退化时最小。砂粒和粉粒含量均为重度退化和极度退化与潜在退化差异显著(P<0.05)；其中，重度退化和极度退化砂粒含量显著增加(P<0.05)，粉粒含量显著减少(P<0.05)，黏粒含量在各个退化等级间差异不显著(P>0.05)，但整体随着退化等级增加而减少。根据土壤质地三角图判断，红砂岩母质发育的土壤为砂质土壤。整体来看，不同退化等级土壤质地没有根本改变。

2.1.2 土壤孔隙度变化特征

由表1可知，随着退化程度加剧土壤总孔隙度减小，与潜在退化相比，轻度、中度和重度退化的土壤总孔隙度分别减小2.29%、36.34%和45.59%，中度和重度退化与轻度退化差异显著(P<0.05)，与潜在退化差异极显著(P<0.01)。土壤毛管孔隙度随退化程度加剧而减小，中度和重度退化与轻度退化呈显著性差异(P<0.05)。土壤非毛管孔隙度随着退化程度加剧而减小，与潜在退化相比，轻度、中度和重度退化的土壤非毛管孔隙度分别减小26.35%、33.67%和46.90%。可见，从中度退化开始，总孔隙度尤其是毛管孔隙度发生显著变化，总孔隙度、毛管孔隙显著减小，非毛管孔隙变化不显著。

表1 红砂岩地不同退化等级土壤物理性质变化Tab.1 Changes of soil physical properties in different degradation grades of red sandstone

2.1.3 土壤含水率与持水量变化特征

随着退化程度加剧，土壤含水率逐渐减小，极度退化土壤含水率(2.02±0.39)%显著低于潜在退化土壤含水率(11.15±2.49)%(P<0.05)。土壤持水量也随着退化程度加剧逐渐减小，饱和持水量在中度和重度退化阶段显著降低(P<0.05)。毛管持水量重度退化显著低于轻度和潜在退化(P<0.05)；田间持水量重度退化显著低于轻度和潜在退化(P<0.05)。整体来看，随着退化程度的加剧，土壤含水率和土壤持水量显著下降，极度退化土壤含水率下降到最低；重度退化土壤持水量下降到最低。

2.2 红砂岩地不同退化程度土壤化学性质变化特征

2.2.1 土壤pH值和有机质变化特征

红砂岩地不同退化程度土壤pH值的变化见表2，变化范围在5.02～5.67之间，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[15]，土壤偏酸性。土壤有机质随着退化程度加剧逐渐减小，与潜在退化相比，轻度、中度、重度和极度退化的土壤有机质含量分别减少53.41%、72.69%、77.72%和86.08%；潜在退化与轻度退化差异显著(P< 0.05)，潜在退化与中度、重度、极度退化差异极显著(P<0.01)。

2.2.2 土壤全量养分变化特征

由表2可知，随着退化程度加剧，轻度、中度、重度和极度退化的土壤全磷含量较潜在退化分别减小2.44%、39.02%、41.46%和42.68%。潜在退化和轻度退化的全磷含量显著高于中度、重度、极度退化程度。轻度、中度、重度和极度退化的土壤全氮含量较潜在退化分别减小20.35%、45.93%、49.42%和76.16%，潜在退化土壤全氮含量显著高于极度退化土壤。整体来看，随着退化程度加剧，全氮和全磷含量逐渐降低，中度退化开始全磷含量显著下降，全氮含量在极度退化程度下显著下降且属于最低级别。

2.2.3 土壤有效养分变化特征

由表2可知，红砂岩地不同退化程度土壤有效磷和有效氮含量均随着退化程度的加剧而减小，潜在退化的土壤有效磷含量显著高于中度、重度和极度退化(P<0.05)。

潜在退化的土壤NH4+-N含量显著高于中度、重度、极度退化(P<0.05)，与潜在退化相比，轻度、中度、重度和极度退化的土壤NH4+-N含量分别减小13.51%、33.99%、45.97%和69.72%。土壤NO3--N含量为潜在退化与极度退化差异显著(P<0.05)。土壤有效磷含量潜在退化显著高于中度、重度、极度退化土壤(P<0.05)，与潜在退化相比，轻度、中度、重度和极度退化的土壤NO3--N含量分别减小22.61%、29.69%、48.06%和62.20%。可见，随着退化程度加剧，土壤有效养分含量逐渐降低。其中，土壤NH4+-N和有效磷均在中度退化显著降低。土壤有效氮含量在极度退化下降明显，由于土壤中的NO3--N大部分是由NH4+-N通过硝化作用快速转变[15]，所以有效氮的积累程度不同，且不同退化程度土壤NO3--N的含量始终低于NH4+-N含量。

表2 红砂岩地不同退化等级土壤化学性质变化Tab.2 Changes of soil chemical properties in different degradation grades of red sandstone

2.3 土壤理化因子的相关性分析

由表3可知，土壤有机质与全氮、NO3--N、NH4+-N、非毛管孔隙度呈极显著正相关；全磷与有效磷、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度成极显著正相关，与NH4+-N呈显著正相关；有效磷与全磷呈极显著正相关，与饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关；饱和持水量与全磷、毛管持水、田间持水、毛管孔隙、总孔隙度呈极显著正相关，与粉粒、含水率、pH、有效磷、非毛管孔隙呈显著正相关；总孔隙度与饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、全磷、毛管孔隙度呈极显著正相关，与粉粒、含水率、pH、有效磷呈显著正相关。

综上可知，有机质、全磷、有效磷、饱和持水量、总孔隙度与大多数理化因子具有明显的相关性，所以，土壤有机质、磷素、饱和持水量、总孔隙度是土壤理化性质中的重要因子。

表3 红砂岩退化地土壤理化性质相关性分析Tab.3 Correlation analysis of physical and chemical properties of red sandstone degraded soil

2.4 红砂岩退化地土壤理化性质的主成分分析

通过对红砂岩退化土壤17个理化性质指标进行主成分分析结果见表4。

表4 红砂岩退化地土壤理化性质的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of soil physicochemical properties in degraded red sands

共筛选到4个主要成分，贡献率分别为42.55%、19.80%、12.24%、8.38%，累计贡献率82.97%。由此可见，前4个主成分保留17 个土壤理化性质指因子评价土壤化特征的绝大部分信息，因此选取这4个主成分作为评价红砂岩土壤发生退化的依据。主成分1中，全磷、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度的权重系数较大，显示主成分1主要反映了土壤全磷、持水状况和孔隙度表征土壤退化的信息。主成分2中，有机质、全氮和NH4+-N的权重系数较大，显示主成分2主要反映了土壤有机质和氮素表征土壤退化的信息。主成分3中，砂粒和粉粒的权重系数较大，显示主成分3主要反映了土壤机械组成表征土壤退化的信息。主成分4中，土壤含水率权重系数较大，显示主成分4主要反映了土壤含水率表征土壤退化的信息。

2.5 不同区域土壤因子的变化特征

根据土壤理化性质重要因子在赣北、赣东、赣西、赣中、赣南退化区域的变化，综合比较不同区域的红砂岩地的退化情况，对不同区域土壤重要因子的变化特征进行单因素方差分析，结果如表5所示：有机质含量变化表现为西部退化地显著高于其他4个区域，变化程度为赣西>赣南>赣东>赣中>赣北，赣西是赣北的9.66倍；全磷含量为南西部退化地极显著高于其他区域，变化趋势为赣南>赣西>赣东>赣中>赣北，赣南是赣北的2.67倍；有效磷含量南部极显著高于其他区域，其趋势为赣南>赣北>赣西>赣中>赣东，赣南是赣东的4.21倍；饱和持水量变化趋势为赣南>赣西>赣北>赣中>赣东，其中，南部与东部差异极显著，与中部差异显著，赣南是赣东的2.48倍；总孔隙度变化趋势为赣南>赣西>赣北>赣中> 赣东，且南部与中部差异显著，南部与东部差异极显著，赣南是赣东的2.19倍。

表5 不同区域土壤重要因子的变化特征Tab.5 Mechanical composition of soils with varying degrees of degradation

综上所述，红砂岩南部退化区域土壤的全磷、有效磷、饱和持水量、总孔隙度明显高于其他4个退化区域，有机质为赣西地区最大。西部退化地土壤的有机质、全磷、有效磷、饱和持水量、总孔隙度明显高于东部退化地。由此可以推断出，赣北红砂岩土壤退化程度高于南部，赣东退化程度高于西部，北部和东部红砂岩退化程度较南部和西部严重，南部地区的退化程度最弱，这可能与所在区域土壤本身的特性有关，也可能与不同区域的降雨、太阳辐射和温度等气象因素有关，其原因还有待进一步探究。

3 讨论与结论

本研究显示随着红砂岩地退化程度的加剧，土壤的砂粒含量升高，土壤含水率、持水量、孔隙度、有机质以及各种营养元素含量下降，这与目前关于湿地退化、土壤退化和草地退化中土壤物理性质变化研究的结果一致[17-19]。在重度和极度退化土壤中砂粒含量显著增加，粉粒含量显著减少，这是由于侵蚀作用随着退化程度加深而剧烈，侵蚀过程是对土壤颗粒进行分选，最先移走最细的土壤颗粒，而粗砂粒移动距离很近或者停留在原地。随着土壤粒级变化，砂粒增加，土壤孔隙度尤其是毛管孔隙显著降低，土壤持水和保水能力下降，并且随着红砂岩土壤退化程度加剧，植物根系减少也会导致土壤孔隙减少，土壤的固定能力减弱，渗透阻力增加，仅剩少量水分能留存在土壤中，持水能力继续下降。而植被盖度降低，裸露地面积大，地表水分蒸散较快，自然含水率降低。长此以往就造成了土壤持水量、紧实度以及土壤质地结构等性状的改变，使红砂岩地土壤结构变差。

随土壤退化程度加剧，土壤有机质含量在轻度退化阶段就显著下降，这说明有机质对于红砂岩土壤退化反应速度较快，这是由于有机质是土壤养分的主要来源，土壤养分又为植物的生长发育提供了必须的营养元素，所以有机质下降直接影响植被群落物种数量和结构，导致植物物种数量减少，产量降低，凋落物减少，进而减少了有机质的输入[20]。土壤有机质含量降低，减弱了微生物矿化作用[21]，随着退化加剧，土壤养分含量在中度退化时显著下降，全氮和全磷含量相比较潜在退化时分别下降了39.02%和45.93%，土壤全量养分矿化作用转化为有效养分部分减少，有效养分输入减少，土壤NH4+-N和有效磷均表现为中度退化显著降低。

综上所述，土壤的形成过程受气候、植被、地形等因子的综合影响，并且随着植被演替的进行而发生改变[22]。红砂岩退化过程中土壤理化性质对土壤退化的响应及机制可以归纳为：随着植被群落物种数量及结构的改变，土壤养分随着水土流失作用而流失，植物及其他有机物质输入的减少等影响红砂岩地生态系统中营养物质的循环，从而影响土壤的化学特性，导致土壤退化，因为土壤的物理和化学特性具有一定的交互作用，化学性质的改变会影响土壤物理结构的变化。另外，养分含量的下降程度越来越小，也说明随着退化程度增加，水土流失作用减弱，可流失的养分越来越少，养分含量减少得越来越少，这也是极度退化发展成为顶级群落的一个原因。以上讨论也表明修复土壤物理结构和存留的土壤养分是解决红砂岩土壤退化的关键问题。

本研究表明红砂岩土壤退化过程中有机质、磷素、总孔隙度、饱和持水量是土壤理化性质的重要因子，对土壤理化性质的改善和养分循环的促进方面起着关键性作用。因此，在今后针对红砂岩地土壤退化治理时，要着重对土壤有机质、全磷、总孔隙度和饱和持水量等理化性质进行改良，以使红砂岩地土壤质量得到提升。