粤北南雄红砂岭土壤物理性质研究

于 波，符加方，尤永春，明俊男，陈炳辉，陈 森

1.广东省环境地质勘查院，广东 广州 510080

2.南雄市自然资源局，韶关 南雄 512499

3.广东省地质建设工程集团公司，广东 广州 510080

4.中山大学，广东 广州 510275

红层是一种偏红色的陆相碎屑岩的总称，最早由李四光先生提出，一般指中生代以来的湖泊相、河流相、河湖交替相或山麓洪积相等陆相沉积的红色碎屑岩层，世界各地均有出露。红层的构成复杂，一般包含（紫）红色砾岩、砂岩、粉砂岩、砂质页岩等，间或夹石膏等蒸发岩类，软弱砂岩在红层中占很大比重，岩层中普遍存在软硬互层结构。彭华等人提出红层的界定依据：一是颜色一般为偏红色调；二是绝大多数红层形成于陆相沉积环境；三是红层往往是碎屑沉积岩层。我国红层出露面积达8.3×105km2，约占全国陆地面积的8.6%[1]，主要出露于四川、云南、湖南、江西、广东等地。

广东省境内广泛分布红层盆地，大小总计108 个，分布面积约占广东省总面积的16%，较大的有茂名市、东莞市和南雄盆地等，属于红层丘陵地貌。红层盆地人口密集，土地开发利用强度大，人类活动干扰严重，易导致植被退化、水土流失、土地状况恶化，甚至发育类似干旱地区的荒漠景观。其中南雄盆地尤为典型，其荒漠化面积近8×107m2，生态脆弱，极易退化，属于生态高度敏感区域。荒漠化多存在于干旱少雨地区，湿润区荒漠化现象少有研究。彭华通过卫星遥感以及实地调查，研究了南雄盆地土地退化的过程，并比对其与传统荒漠化的异同，提出湿润区也存在标准意义上的荒漠化现象[2]。

1 红砂岭典型特征

1.1 红砂岭类型

红砂岭分布在低矮丘陵或侵蚀岗地上，古近系的泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩或白垩系的粉砂岩、泥质粉砂岩、黏土岩等软岩为成土母岩，风化作用形成红色砂土为土层，侵蚀沟密集，红色基岩（硬岩）或风化壳（土层）裸露地表，局部发育为寸草不生的牛肝地，呈现生态脆弱的荒漠景观（源自于波2019 年第二届广东省地球科学与工程学术大会分会场报告《粤北南雄红砂岭生态保护修复初探》）。

根据地表特征，研究小组将南雄红砂岭分为裸岩式和劣地式两大红层荒漠化类型，此次研究主要以劣地式红砂岭为研究对象。

研究小组通过遥感影像配合实地调查，分析研究区荒漠化发育形态，将其划分为团块状、片状、星点状3 种形态。

（1）团块状。由分布在丘陵和侵蚀岗地上的近水平厚层红层软岩发育形成，表现为密集侵蚀沟，侵蚀沟沟坡较陡，沿山脊向两侧发育；卫星影像图上呈密集褶皱形态，没有植被覆盖，呈“光板地”，颜色呈红色且面积较大，当地人称牛肝地。牛肝地大多从中间向四周发展，荒漠化程度严重，且有快速扩张的趋势。

（2）片状。一般分布在比较低矮的丘陵和山地上，荒漠化主要发育在山脊和山顶处，侵蚀沟发育不多且较小，也可能不发育。山谷处植被破坏程度较小，荒漠化区域被植被切割分散，发育不连续，面积一般为中等大小，但其扩张速度较快。

（3）星点状。一般出现在地势起伏较小的低矮丘陵地区，在马尾松林下或灌木草地等区域可能存在星点状的红色软岩裸露，荒漠化面积小，呈扩张趋势；由于地形没有较大起伏，且植被覆盖率较高，荒漠化扩张速度较慢。

1.2 红砂岭荒漠化特征

研究小组通过系统的野外调查以及资料分析，参考前人荒漠化评价指标体系和分类依据的研究成果[3-4]，选取植被覆盖度（VFC）、裸露地表面积占比、土壤厚度、荒漠化景观典型特征等指标作为评估因素，将南雄红砂岭的荒漠化程度划分为极度、重度、中度和轻度4 种等级（见表1）。

2 红砂岭土壤物理性质

2.1 成土母岩特性

南雄红砂岭的成土母岩主要为古近系或白垩系以红色调为主的（泥质）粉砂岩、（粉砂质）泥岩、细砂岩和黏土岩等软岩，其风化极具特殊性。红层软岩胶结成熟度低、吸热性好但导热性极差，易物理风化。在自然状况下，块径60 cm 的岩块仅40 d 便风化为碎屑物，当地人俗称风见消。风见消钙质含量较高，常发育石膏薄层，具有易失水、干裂遇水易溶解的特点，极易溶解风化。风化后以细粒砂为主，占总量的87%左右，结构松散。盆地内丘陵岗地起伏不平，地表裸露，植被稀疏，风化碎屑物极易流失，难以形成土壤。

表1 南雄红砂岭荒漠化程度分类表

2.2 土壤特性

红砂岭土壤贫瘠，土地条件非常差，极易水土流失，导致部分地区无土壤层；土壤酸碱性从弱酸性到微碱性，由于母质缺乏胶结物质，颗粒较粗，形成的土壤较松透且风化壳的持水率极差，下部为基岩，透水性差，渗透系数仅为0.02 mm/min[5]。粤北地区多强降雨，极易产生地表径流，原岩中的钙质加剧了风化碎屑的淋溶作用，植被遭到破坏后，土壤流失十分迅速。坡顶的土壤一旦流失，极难恢复。南雄红砂岭区域由于自然演替、人类干预等原因，存在多种植被类型，不同植被类型下的土壤性质各异，其物理性质与荒漠化程度的关系亟待研究。

2.3 土壤采样和物理性质测试

研究小组在南雄红砂岭区域选取具有代表性的阔叶林、马尾松林、灌丛、草地、牛肝地以及农田6 个土壤采样区，其植被情况参见陈金凤等人[6]的研究论文，用环刀法采集原状土，测定土壤的含水率和容重。每个类型分别设置3 个采样区，每个采样区采集不少于20 cm 土壤样品5 个，共采集90 个土壤样品。采样区设置5 个采样点（分别在四角和中间），每个采样区的范围为50 m×50 m。采集土样时去除土壤表面的枯枝落叶等杂物，植被覆盖区去除表层腐殖质层，土壤样品中不能含有砾石、树根、草根、动物尸骸等，同时确保每一个取样点取样土壤的深度一致。用专用的密封袋装好，贴好标签，存放在保鲜盒中带回实验室。土样的土壤含水率和容重按照相关土壤标准测定[7-8]。测定完成后，运用Excel、SPSS 25.0 和Origin 2018 等软件相结合的方法统计并分析实验数据，用单因素方差分析检验不同植被类型之间土壤含水率和容重的差异性，并用Duncan多重比较法进行比较分析。

3 土壤物理性质描述性统计分析

土壤的物理性质是反映土壤健康状况和土壤肥力的重要指标，对植被的生长和繁殖起着重要的作用。土壤的含水率、容重直接决定着土壤的酸碱性、土壤结构和持水性等基本状况，对植物的生长发育起着至关重要的作用，而植被生长也会改善土壤的物理性质。

3.1 土壤含水率特征

南雄红砂岭土壤含水率平均值为12.89%，总体偏低。南雄红砂岭不同土地利用类型的土壤含水率大小顺序为：牛肝地（4.35%）＜草地（7.98%）＜灌丛（10.51%）＜马尾松林（13.27%）＜阔叶林（17.26%）＜农田（23.98%）。采样区内土壤性质偏砂质，较同等植被类型土壤总体含水率偏低；农田因管护而含水率较高，但仍处于较低水平。同类型地类的变异系数在18.19%～33.12%之间，变异程度为中等变异，差异最显著的是牛肝地，其次为草地，灌丛、马尾松林和阔叶林的差异较小，但总体来看变异程度较大。从方差分析来看（F=84.655，sig.=0），南雄红砂岭不同植被类型的土壤含水率差异达到极显著的水平（P＜0.05）（见表2）。研究小组运用Duncan 多重比较法进行检验分析，分析结果如表3 所示，农田的土壤含水率极显著高于其他5 种地类，这可能与农业耕作有密切关系。总体来看，南雄红砂岭偏低的含水率致使植被生长受到限制，造成土地干旱，加快土地荒漠化进程。由于采样时间为7—8 月，南雄红砂岭处于伏旱时期，气候炎热，蒸发量大，因此此次采样土壤的含水率总体偏低。

表2 土壤含水率方差分析表

3.2 土壤容重特征

土壤容重是描述土壤松紧程度及土壤肥力的一个重要指标，可反映土壤孔隙度、水分可利用度、水力传导性等情况，其与成土母岩、当地气候、土壤含水率、有机质等密切相关，人为因素对其干扰作用极大。土壤容重过小或过大都不适宜植物的生长，均会加剧土壤退化。通常认为，土壤容重在1.00 g/cm3以下为过松状态，1.00～1.25 g/cm3为适宜状态，超过1.25 g/cm3则为偏紧状态[9]。

从表4、表5 和图1 可知，南雄红砂岭土壤容重变化较大，随着荒漠化程度加深，土壤容重呈增大趋势。总体来看，南雄红砂岭平均土壤容重为1.31 g/cm3，土质偏紧实；6 种土地利用类型的土壤容重为：牛肝地（1.53 g/cm3）＞草地（1.37 g/cm3）＞马尾松林（1.33 g/cm3）＞灌丛（1.24 g/cm3）＞农田（1.21 g/cm3）＞阔叶林（1.16 g/cm3）。阔叶林地类植被茂密，（微）生物活动剧烈，但随着土地荒漠化程度加深，土壤容重增大。马尾松林地类土壤容重大于灌丛地类，这是由于马尾松林耐受性强，地表多为风化壳裸露，水土流失较严重，致使土壤容重较大。牛肝地为光板裸地，生物活动极弱，且地表径流和降雨侵蚀严重，致使其难以保留和形成土壤，导致土壤容重不断加大，极端区域土壤容重达1.93 g/cm3，含水率极低，植物难以存活。农田地类受人为干扰严重，导致容重增大。从变异系数来看，不同荒漠化程度下，土壤容重差异显著，变化范围在9.68%～19.61%之间；除草地为轻度变异，其他地类均为中等变异程度。从方差分析来看（F=6.166；sig.=0），各地类之间的土壤容重存在极显著差异。Duncan 多重比较法检验分析结果显示，牛肝地土壤容重（1.53 g/cm3）极显著高于其他地类；阔叶林地类土壤容重（1.16 g/cm3）极显著低于其他地类；牛肝地与不包含草地的其他地类土壤容重差异极显著（P ＜0.05）；草地除与阔叶林（P=0.08）差异极显著，与其他地类均无显著差异（P ＞0.05）；灌丛、马尾松林和农田土壤容重两两均无显著差异（P ＞0.05）。

表3 土壤含水率描述性统计表

表4 土壤容重方差分析表

表5 土壤容重描述性统计表

图1 不同地类土壤含水率和容重特征变化图

4 结 语

从南雄红砂岭土壤的调查分析可知，其土壤物理性质有以下2 个特征。

（1）南雄红砂岭土壤含水率低，土壤的表土层含水率在4.35%～23.98%之间，整体含水率偏低，牛肝地显著低于其他植被类型。南雄红砂岭虽处于湿润地区，降雨充沛，但季节性分布不均，加上红层的特殊性质，造成物理性干旱严重，土壤保水性差。

（2）南雄红砂岭土壤容重过高，土质偏砂质，土壤容重变化较大。随着荒漠化程度加深，土壤容重也呈增大趋势，其中牛肝地的土壤容重最高。南雄红砂岭母岩多为松散、胶结性差的软岩，抗侵蚀能力弱，风化强烈，形成的土壤颗粒大小混杂，分选性差，砂质含量高。土壤容重过大，含砂量高，会加重土壤荒漠化程度。

此次研究中，农田、马尾松林、阔叶林、灌丛、草地土壤含水率均显著高于牛肝地，这主要与植被类型的差异有关。植被覆盖度的增加，有利于改善土壤的空隙结构，增加土壤入渗能力[10]。植物根系可以改变土壤的物理结构，粗根系含量越多，容重越小[11]。此次研究中，阔叶林、马尾松林和灌丛土壤容重低于草地，马尾松林土壤容重却高于灌丛地。这与当地群众把马尾松林作为割取松脂、拾薪烧柴的场地有关，人为践踏较强烈，导致马尾松林土壤容重相对较高。牛肝地土壤含水率最低、土壤容重最大，与其植被覆盖率＜10%有直接关系。

综上分析，南雄红砂岭土壤物理性质与红层荒漠化发展有密切关系，南雄盆地从红层母岩成土开始到荒漠化的演化过程为：红层原岩风化成土→土壤厚度过低养分不足→植被群落衰退→水土流失加剧→基岩裸露→荒漠化快速发展，这是一个非良性的生态系统演化。研究小组通过对不同土地利用类型与土壤理化性质的相关性分析发现，南雄红砂岭土壤理化性质与其荒漠化发展呈线性关系。