錢 旭， 廖小鋒， 謝元貴

(1.貴州省土地開發(fā)中心，貴州貴陽(yáng) 550001； 2.貴州科學(xué)院貴州省山地資源研究所，貴州貴陽(yáng) 550001；3.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州貴陽(yáng) 550001； 4.貴州科學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001)

生境的嚴(yán)酷性和生態(tài)的脆弱性是喀斯特環(huán)境的基本特征，貴州省位于中國(guó)西南喀斯特區(qū)域，由于長(zhǎng)期受到土壤侵蝕和人類強(qiáng)烈活動(dòng)的干預(yù)，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，石漠化程度加重，水土流失加劇，使恢復(fù)治理成為一個(gè)大而慢的難題[1-2]。土壤的理化性狀是影響土壤肥力的內(nèi)在條件，也是綜合反映土壤質(zhì)量的重要組成部分，土地利用和管理是影響土壤變化的最普遍、最直接的因素，了解不同土地利用類型下土壤理化性質(zhì)的差異，是合理利用土地資源、發(fā)展持續(xù)農(nóng)林業(yè)的前提[3]。在小流域尺度，不同土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響不同[4]。關(guān)于土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者在南方紅壤區(qū)、黃土高原區(qū)、干熱河谷區(qū)等水土流失嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行了大量研究[4-7]，而對(duì)于土地利用類型與喀斯特小流域土壤理化性質(zhì)關(guān)系的研究較少。事實(shí)上，對(duì)于人為干預(yù)下不同土地利用措施對(duì)喀斯特土壤環(huán)境影響的研究仍有待突破[2，8]，研究其土壤理化性質(zhì)特征將有利于喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和土地的可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)貴州喀斯特地區(qū)的分布情況，選取黔西南中低山丘陵喀斯特區(qū)典型小流域——安龍縣興隆鎮(zhèn)排冗河小流域(代號(hào)為QWSMHH)、黔東北低山丘陵喀斯特區(qū)典型小流域——江口縣壩盤鎮(zhèn)高墻河小流域(代號(hào)為QENLH)、黔北中山峽谷喀斯特區(qū)典型小流域——桐梓縣高橋鎮(zhèn)龍爪溝小流域(代號(hào)為QNMG)，共計(jì)3個(gè)典型小流域作為研究對(duì)象。

桐梓縣高橋鎮(zhèn)龍爪溝小流域地理位置為106°37′08″～106°40′17″E，28°04′20″～28°01′59″N，位于川黔南北構(gòu)造帶與東北向構(gòu)造帶的交接復(fù)合部位，屬于喀斯特低中山中切割侵蝕-溶蝕地貌，有亞熱帶季風(fēng)氣候特征，水田土種為紫泥田，旱地為紫泥土，其他區(qū)域的土種為硅鋁質(zhì)中層黃壤。

江口縣壩盤鎮(zhèn)高墻河小流域地理位置為108°53′07″～108°56′36″E，27°43′57″～27°47′07″N，位于貴州高原向湘西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，屬于喀斯特低中山深切割侵蝕-溶蝕地貌，有亞熱帶季風(fēng)氣候特征，水田土種為紅泥田，旱地土種為硅鋁層薄層紅壤和硅鋁質(zhì)厚層黃紅壤。

安龍縣興隆鎮(zhèn)排冗河小流域地理位置為108°34′39.5″～108°34′39.5″E，25°01′36″～25°8′01.36″N。地處南北盤江分水嶺位置，主要表現(xiàn)為喀斯特峰林盆地地貌，有亞熱帶季風(fēng)氣候特征，地下水系十分發(fā)達(dá)，土壤以大眼泥田和薄層黃色石灰土為主。

研究區(qū)的自然植被主要為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林，種類較為豐富。桐梓縣高橋鎮(zhèn)龍爪溝小流域的植物主要為紫金牛科(Myrsinaceae)、安息香科(Styracaceae)、殼斗科(Fagaceae)、里白科(Gleicheniaceae)、禾本科(Gramineae)、大戟科(Euphorbiaceae)、菊科(Asteraceae)、薔薇科(Rosaceae)、茜草科(Rubiaceae)和百合科(Liliaceae)等。江口縣壩盤鎮(zhèn)高墻河小流域的植物主要為金縷梅科(Hamamelidaceae)、榆科(Ulmaceae)、蚌殼蕨科(Dicksoniaceae)、樟科(Lauraceae)、薔薇科(Rosaceae)、鱗始蕨科(Lindsaeaceae)、紫萁科(Osmundaceae)、獼猴桃科(Actinidiaceae)、葡萄科(Vitaceae)等。安龍縣興隆鎮(zhèn)排冗河小流域的主要植物為蘇鐵科(Cycas revoluta)、紅豆杉科(Taxaceae)、蘭科(Orchidaceae)、柏科(Cupressaceae)、松科(Pinaceae)、馬尾樹科(Rhoipteleaceae)、苦木科(Simaroubaceae)、紫葳科(Bignoniaceae)等。

2 試驗(yàn)方法

2.1 采樣方法

根據(jù)研究區(qū)土地利用分布情況，對(duì)該小流域進(jìn)行廣泛的實(shí)地調(diào)查，選擇不同地類的典型代表區(qū)，包括水田(PF)、旱地(DF)、林地(FF)。于2015年10月在選定的地類設(shè)置典型樣地，并在樣地內(nèi)隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面(深度50～100 cm)，分不同剖面層次取土樣，其中研究物理性質(zhì)(包括容重、最大田間持水量和土壤孔隙度)的樣品采用環(huán)刀法取樣(容積200 cm3)。水田由上而下分為3個(gè)土層，即耕作層(PL)、犁底層(PP)和心土層(SL)。旱地和林地由上而下分為2個(gè)土層，即表土層或耕作層(PL)和心土層(SL)。將土壤樣品密封并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩后備用。

2.2 指標(biāo)的測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法參照《土壤理化分析》[9]。其中，土壤總孔隙度Pt=(1-D/ρs)×100%。式中：Pt為土壤總孔隙度；D為土壤容重；ρs為土壤密度。毛管孔隙度Pc=土壤田間持水量(%)×D；非毛管孔隙度P0=Pt-Pc。在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，土壤全氮含量采用KT260凱氏定氮儀測(cè)定；全磷含量采用HClO4-H2SO4法測(cè)定；全鉀含量采用 HF-HClO4消煮火焰光度法測(cè)定；水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel、SPSS 20.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤的物理特征

3.1.1 土壤容重 土壤容重是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo)，也是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)，土壤容重可以反映土壤的透水性和通氣性[2]。由圖1可知，土壤容重的變化幅度較小，在1.08～1.52 g/cm3間。在不同土地利用類型下，土壤容重在部分小流域大致表現(xiàn)為旱地>水田>林地；在不同土壤剖面，土壤容重表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而增大，即心土層>犁底層>耕作層；3個(gè)喀斯特小流域則表現(xiàn)為黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域>黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域>黔北中山峽谷喀斯特地區(qū)典型小流域。

3.1.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度可以反映土壤的蓄水能力和通氣性能，可有效地調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱環(huán)境，是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一[10]。由圖2可知，土壤孔隙度總體變化較小，在不同土地利用類型下，土壤孔隙度在黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域的部分土層表現(xiàn)為PF>FF>DF，在黔北中山峽谷與黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域的部分土層表現(xiàn)為FF>PF>DF；在不同的土壤剖面，土壤孔隙度表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而減小，即表現(xiàn)為PL>PP>SL；3個(gè)喀斯特小流域土壤孔隙度整體表現(xiàn)為QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.1.3 田間持水量 土壤水分不僅是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與流動(dòng)的載體，而且積極參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程[11]。田間持水量是表征土壤水分狀況的一個(gè)指標(biāo)，是重要的土壤肥力要素與土壤的重要物理性質(zhì)之一[12]。由圖3可知，在不同土地利用類型下土壤田間持水量的變化方面， 黔北中山峽谷和黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域在耕作層表現(xiàn)一致，即表現(xiàn)為PF>FF>DF；黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域在耕作層表現(xiàn)為FF>PF>DF。在不同土壤剖面，土壤田間持水量表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而減小，即表現(xiàn)為 PL>PP>SL。3個(gè)喀斯特小流域土壤田間持水量整體表現(xiàn)為QENLH>QNMG>QWSMHH。

3.2 不同土地利用類型土壤的化學(xué)特征

3.2.1 土壤pH值 土壤酸堿性是土壤的重要屬性，直接影響土壤中許多物理、化學(xué)及生物學(xué)的過(guò)程和性質(zhì)[13]。由表1可知， 不同喀斯特小流域pH值的變化范圍在4.75～7.43之

間，基本為酸性土壤，最大值為QWSMHH旱地的心土層，最小值為QENLH旱地的耕作層。在不同土地利用類型下土壤pH值的變化方面，黔北中山峽谷喀斯特地區(qū)典型小流域表現(xiàn)為FF>PF>DF，黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域在耕作層表現(xiàn)為FF>PF>DF，黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域表現(xiàn)為DF>PF>FF。在不同的土壤剖面，土壤pH值與土壤容重的表現(xiàn)一致，隨著土壤深度的加深而增加，即表現(xiàn)為PLQNMG>QENLH。

表1 不同土地利用類型土壤pH值

3.2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量 有機(jī)質(zhì)是土壤中較活躍的組成部分，是土壤中具有結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特征的基本物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)既是生命活動(dòng)的條件，也是生命活動(dòng)的產(chǎn)物[13]。由圖4可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化范圍較大，在5.09～44.82 g/kg之間，最高值出現(xiàn)在QENLH林地的耕作層，最低值出現(xiàn)在QNMG水田的心土層。在不同土地利用類型下有機(jī)質(zhì)含量的變化方面，QWSMHH和QNMG表現(xiàn)類似，在耕作層表現(xiàn)為 PF>DF、FF，QENLH表現(xiàn)為FF>PF>DF。在不同的土壤剖面方面，有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而減小，即表現(xiàn)為PL>PP>SL。3個(gè)喀斯特小流域有機(jī)質(zhì)含量整體表現(xiàn)為QENLH>QWSMHH>QNMG。

3.2.3 土壤氮磷鉀含量 氮、磷、鉀3種元素是植物生長(zhǎng)所必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素，也是構(gòu)成植物生命體的重要元素，在植物生長(zhǎng)過(guò)程中占有重要地位[13]。

由圖5可知，土壤全氮含量變化范圍在0.45～2.64 g/kg之間，分別在水田的耕作層和心土層出現(xiàn)最大值和最小值。在不同土地利用類型下，耕作層全氮含量的變化表現(xiàn)為PF>FF>DF。在不同的土壤剖面，全氮含量表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而減小，即PL>PP>SL。3個(gè)喀斯特小流域全氮含量整體表現(xiàn)為QENLH>QWSMHH>QNMG。

由圖6可知，土壤全磷含量范圍在0.36～1.20 g/kg之間，與全氮含量一致，2個(gè)極值分別出現(xiàn)在水田的耕作層和心土層。QNMG的耕作層全磷含量表現(xiàn)為FF>PF>DF，QENLH的耕作層全磷含量表現(xiàn)為PF>FF>DF，QWSMHH全磷含量在不同土地利用類型間的差異較小。在不同的土壤剖面，全磷含量表現(xiàn)為隨土壤深度的加深而減小，即PL>PP>SL。3個(gè)喀斯特小流域全磷含量整體上表現(xiàn)為QENLH>QNMG>QWSMHH。

由圖7可知，土壤全鉀含量范圍較大，在11.24～59.36 g/kg 之間，與全氮含量一致，2個(gè)極值分別出現(xiàn)在林地的耕作層和心土層。QNMG土壤全鉀含量表現(xiàn)為 FF>DF>PF，QENLH小流域全鉀含量在耕作層表現(xiàn)為FF>PF>DF，QWSMHH小流域表現(xiàn)為PF>DF>FF。在不同土壤剖面，全鉀含量隨土壤深度的加深而減小，表現(xiàn)為PL>PP>SL。3個(gè)喀斯特小流域全鉀含量整體表現(xiàn)為QNMG>QENLH>QWSMHH。

3.3 土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可揭示土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系，由表2可知，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相關(guān)，土壤容重與pH值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這3項(xiàng)指標(biāo)與其他多數(shù)理化性質(zhì)指標(biāo)均呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤容重與土壤總孔隙度、田間持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。全鉀含量與土壤其他化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性不顯著。土壤總孔隙度、毛管孔隙度、田間持水量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效氮含量、全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量間呈顯著正相關(guān)，尤其是毛管孔隙度和田間持水量的相關(guān)系數(shù)最高(0.972)，其次為有機(jī)質(zhì)和全氮含量的相關(guān)系數(shù)(0.953)。

表2 貴州喀斯特典型小流域土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

注：“**”表示在0.01水平顯著相關(guān)，“*”表示在0.05水平顯著相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

典型小流域13個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)旱地、水田、林地等土地利用類型的響應(yīng)方式和響應(yīng)強(qiáng)度不同，以同一土層為基礎(chǔ)分析不同小流域土壤理化性質(zhì)在不同土地利用類型下的變化情況，結(jié)果顯示，林地和水田在土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、肥力上優(yōu)于旱地。研究表明，不合理的毀林開墾和耕種破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu)，惡化了土壤質(zhì)地，導(dǎo)致土壤容重增加，總孔隙度減少，不利于攔洪蓄水，使水土流失加重，土地退化，導(dǎo)致喀斯特土地石漠化[14]。人為干擾是影響上壤理化性質(zhì)的主導(dǎo)因素，不合理的干擾強(qiáng)度大，土壤理化性質(zhì)退化嚴(yán)重，控制不合理的人為干擾及恢復(fù)結(jié)構(gòu)良好的地上植被對(duì)改善上壤質(zhì)量具有重要意義[15]。本研究得出，不同土地利用類型對(duì)喀斯特山區(qū)土壤容重、孔隙度、毛管持水力等物理性質(zhì)具有一定影響，與尹剛強(qiáng)等關(guān)于湘中丘陵地區(qū)的研究結(jié)果[16]一致；與陳超等對(duì)貴州省不同土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果[5]不盡相同。

不同土壤剖面層的分析結(jié)果表明，不同土地利用類型下3個(gè)典型小流域土壤理化性質(zhì)的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即隨著土壤層深度的加深，土壤容重和pH值逐漸升高，土壤總孔隙度和田間持水量逐漸降低，土壤有機(jī)質(zhì)含量遞減，氮、磷、鉀3種元素大體表現(xiàn)為隨土層深度的加深而遞減，氮素表現(xiàn)出顯著的隨土層深度加深而遞減的規(guī)律，而磷、鉀2個(gè)元素的變化趨勢(shì)則具有一定的波動(dòng)性。各耕作層pH值明顯低于犁底層和心土層，且低于各區(qū)域pH值的平均值，說(shuō)明研究區(qū)土壤有一定的淋溶作用[17]。土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)明顯的表聚性，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均存在從上往下依次遞減的趨勢(shì)，而水田的鉀素含量呈現(xiàn)出自上而下先升高后降低的特點(diǎn)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于腐殖質(zhì)隨著時(shí)間的推移，由表層逐漸向下分解、轉(zhuǎn)化、累積，形成上層的有機(jī)質(zhì)含量大于下層；而鉀的遷移性較強(qiáng)，易隨著水分向下淋溶，使得下層土壤鉀素含量發(fā)生改變，同時(shí)由于犁底層的透水性較差，使得速效鉀積聚在此層。三大營(yíng)養(yǎng)元素在各土壤剖面層的變化趨勢(shì)存在不同，造成這種現(xiàn)象的原因可能有以下2點(diǎn)：(1)不同地類、不同作物對(duì)水分或養(yǎng)分的吸收能力、利用比例的差異使得土壤理化性質(zhì)出現(xiàn)不同；(2)旱地和水田的施肥種類及施肥量造成的差異[18]。

黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域田間持水量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、速效氮含量、速效磷含量最高；黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域土壤總孔隙度、田間持水量、速效氮含量、全磷含量、全鉀含量、速效鉀含量最低。也就是說(shuō)，在3個(gè)喀斯特地區(qū)典型小流域中，黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域土壤結(jié)構(gòu)最好，肥力最高，而黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)典型小流域土壤結(jié)構(gòu)和肥力表現(xiàn)最差。以黔北中山峽谷喀斯特地區(qū)高橋鎮(zhèn)齋郎河、龍爪溝小流域?yàn)槔?，針?duì)該小流域土壤肥力較差，養(yǎng)分含量不一，且存在一定的水土流失現(xiàn)象，建議對(duì)該小流域采取水土保持工程措施。如對(duì)坡地進(jìn)行坡改梯，修建截流溝改變水流沖刷等措施；在水土流失嚴(yán)重的地段種植防護(hù)林，降低水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。建議對(duì)該小流域的耕地適當(dāng)施用有機(jī)肥，提高有機(jī)質(zhì)含量；根據(jù)不同耕地養(yǎng)分的含量高低有針對(duì)性地施肥，做到“因地制宜”，減少不必要的浪費(fèi)，盡量降低化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。黔東北低山丘陵喀斯特地區(qū)高墻河小流域土壤質(zhì)量較高，肥力較強(qiáng)，應(yīng)在保護(hù)好現(xiàn)有耕地的基礎(chǔ)上適度開發(fā)，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)等特色產(chǎn)業(yè)，提高土地利用率。同時(shí)，采取水土保持措施降低水土流失的風(fēng)險(xiǎn)，提高耕地的保水保肥能力。黔西南中低山丘陵喀斯特地區(qū)排冗河小流域受水土流失的影響，土壤質(zhì)量總體一般，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力不高。建議對(duì)于該地區(qū)多種植經(jīng)濟(jì)林和草地，加強(qiáng)對(duì)自然林地的保護(hù)；通過(guò)坡改梯等土地利用類型，蓄水保土，減輕土壤侵蝕，改善土壤質(zhì)量，提高產(chǎn)量。

相關(guān)性分析表明，土壤容重、非毛管孔隙度和pH值呈正相關(guān)，其余各指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。土壤容重和土壤總孔隙度、田間持水量呈顯著負(fù)相關(guān)，毛管孔隙度和田間持水量及有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈顯著正相關(guān)。貴州喀斯特典型小流域土壤理化性質(zhì)對(duì)不同土地利用類型的響應(yīng)表明，與土壤的物理性質(zhì)相比，土壤養(yǎng)分含量在不同土地利用類型下和不同小流域中的變化較為明顯，原因可能是施肥是較為常用且明顯影響土壤理化性質(zhì)的方式，人為干擾中施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響比改良土壤物理性質(zhì)的影響大。有機(jī)質(zhì)含量在林地的耕作層中最高，而在水田的心土層中最低的原因可能是林地的土表較為豐富的枯枝落葉，加厚了其腐殖質(zhì)層，而水田土表的枯枝落葉較少，腐殖質(zhì)自上而下地分解、轉(zhuǎn)化、累積，使得林地耕作層的有機(jī)質(zhì)含量較高，而水田的心土層含量最低。旱地因?yàn)槠毡槭┻^(guò)氮肥，因此土壤全氮含量整體高于其他利用方式的土壤，而由于農(nóng)作物對(duì)氮肥的吸收，因此造成表層(耕作層)的全氮含量低于底層。

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