雷 珊，魏興萍,2*

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

【研究意義】中國西南巖溶地區(qū)是我國主要的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，與黃土高原一樣，該地區(qū)的水土流失問題十分嚴(yán)重，威脅著長江、珠江水系的防洪和水土資源的保護(hù)[1]。巖溶洼地小流域是巖溶地區(qū)相對獨(dú)立的侵蝕產(chǎn)沙單元，具有地表、地下雙層空間的“二元結(jié)構(gòu)”，在研究土壤侵蝕過程中發(fā)揮著重要的作用，因此人們對于巖溶洼地的研究從未停歇。磁化率作為磁學(xué)性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，磁化率值與成壤強(qiáng)度有著明顯的正相關(guān)關(guān)系[2]。粒度主要反映形成時(shí)期的物源、物質(zhì)搬運(yùn)的能力以及氣候因素[3]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，盡管只占土壤總重量的很小一部分，但對于土壤生產(chǎn)力和土地可持續(xù)利用及環(huán)境保護(hù)等方面有著重要作用和意義[4]。隨著土壤細(xì)顆粒的損失，有機(jī)質(zhì)也隨之流失，土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)粒的穩(wěn)定性受到破壞，土壤養(yǎng)分含量及有效性降低，最終使土地生產(chǎn)力進(jìn)一步下降。【前人研究進(jìn)展】研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、粒度以及磁化率性質(zhì)與土壤的諸多理化性質(zhì)密切相關(guān)，它們既能改變土壤的物理性質(zhì)，影響營養(yǎng)元素的傳遞和有效吸收，例如磁化率和粒度具有顯著的相關(guān)性[5-6]，磁化率和有機(jī)碳對環(huán)境的影響[7]，有機(jī)質(zhì)和粒度的相關(guān)性[8]。重慶巖溶地區(qū)的水土流失往往伴隨著非巖溶地區(qū)水土流失，巖溶洼地小流域沉積泥沙主要來自兩個(gè)侵蝕產(chǎn)沙區(qū)即碎屑巖區(qū)和碳酸鹽巖區(qū)[9]。據(jù)現(xiàn)場實(shí)際走訪調(diào)查，洼地內(nèi)主要泥沙來源地可大致分為碳酸鹽巖表層土壤、深層土壤和碎屑巖區(qū)土壤。由于碳酸鹽巖和碎屑巖巖性和成分的差異，意味著成土母質(zhì)的差異較大，形成的土壤性質(zhì)差別較大，不同的土壤其對于植被、降雨的反應(yīng)也有不同的特點(diǎn)，因此其土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分、磁化率等差異較大?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】通過對重慶巖溶洼地小流域碳酸鹽巖區(qū)表層土壤、深層土壤和碎屑巖區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)、磁化率和粒度的分析，了解有機(jī)質(zhì)、磁化率特征和粒度組分特征，并分析它們之間的相關(guān)性特征，進(jìn)而初步揭示巖溶洼地土壤有機(jī)質(zhì)、磁化率和粒度特征并探究及其環(huán)境意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為研究巖溶洼地的水土流失，以及開發(fā)和開發(fā)提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地點(diǎn)位于重慶市西北部青木關(guān)巖溶槽谷區(qū)，東經(jīng)106°16′8"～106°17′2"，北緯29°37′37′′～29°38′2′′。研究區(qū)巖溶洼地是一個(gè)位于勞動村的封閉洼地。青木關(guān)巖溶槽谷區(qū)屬長江上游亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣溫垂直分布相差較大。區(qū)境內(nèi)大小河流均為山溪性雨洪河流，洪水由暴雨形成，洪水過程直接受暴雨的影響，歷時(shí)短，峰值大，陡漲陡落。

1.2 樣品的采集

樣品采集時(shí)間為2019年4月，將勞動洼地內(nèi)的土壤泥沙來源地分為表層土壤(碳酸鹽巖坡耕地、林地以及撂荒地)、深層土壤(溝道和裂隙)、碎屑巖區(qū)(林地、坡地、泥土路面)坡耕地和林地采取直線布設(shè)，以線控制面；坡耕地、林地撂荒地土樣采集時(shí)首先利用不銹鋼鏟去掉表土層枯枝落葉，然后使用不銹鋼鏟輕輕采集 2～5 cm厚土壤表層，放置于編織袋上，去除石塊等大塊雜質(zhì)、混勻，四分法取1地裝入樣品袋，盡量避免破壞土壤的結(jié)構(gòu)。深層土壤選取碳酸鹽巖匯水區(qū)巖縫裂隙剖面裂隙土以及主要溝道溝壁。根據(jù)各源地面積比，研究地共取樣41個(gè)，表層土壤(碳酸鹽巖坡耕地、林地以及撂荒地)共取樣19個(gè)，坡耕地6個(gè)、撂荒地5個(gè)，林地8個(gè)。深層土壤(溝道和裂隙)共取樣11個(gè)，溝道5個(gè)，裂隙6個(gè)。碎屑巖區(qū)(林地和坡地)共取樣11個(gè)林地6個(gè)、撂荒地2個(gè)、泥土路面3個(gè)。對潛在泥沙源地土壤樣品進(jìn)行編號、風(fēng)干、研磨過2 mm篩，實(shí)驗(yàn)分析前過2 mm篩。

1.3 樣品的處理與測定

于2019年6月在地理與旅游學(xué)院進(jìn)行土壤粒徑，磁化率，粒徑處理。土壤粒徑采用馬爾文激光粒度儀分析，將采集的土樣置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，自然風(fēng)干，去除小石塊、根系及動植物殘?bào)w等雜質(zhì)，將風(fēng)干土樣研磨過孔徑2 mm篩，用于馬爾文激光粒度儀(Mastersizer2000)測試土壤粒徑的體積百分比，測試誤差為95 %置信度，并以美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，劃分土壤機(jī)械組成：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)。土壤磁化率采用BartingtonMS2磁化率儀儀器對土壤樣品進(jìn)行測試，磁化率儀的低頻磁化率(0.47 kHz)和高頻磁化率(4.7 kHz)進(jìn)行測試，并計(jì)算結(jié)果。土壤有機(jī)質(zhì)采用烘箱加熱重絡(luò)酸鉀氧化容量法。

圖1 洼地地形Fig.1 Topographic map of depression

圖2 洼地地質(zhì)Fig.2 Geological map of depression

本文主要利用Excel2010、OriginPro9.1等軟件進(jìn)行分析繪圖，利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，于2019年7月將所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，解釋及論證，并撰寫成文。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳酸鹽巖區(qū)表層土壤、深層土壤和碎屑巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)特征分析

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動的能量來源[10]，對穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)起著重要的作用。

圖3 樣品采集點(diǎn)分布Fig.3 Sample collection point

根據(jù)研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的測試分析結(jié)果(表1) 顯示，碳酸鹽巖表層土壤有機(jī)質(zhì)含量在10.75～48.08 g/kg，平均值為28.05 g/kg，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量處于三級，有機(jī)質(zhì)含量較豐富；深層土壤有機(jī)質(zhì)含量在12.45～46.11 g/kg，平均值為25.46 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量處于三級，有機(jī)質(zhì)含量較豐富；碎屑巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在12.44～46.86 g/kg，平均值為28.05 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量處于三級，有機(jī)質(zhì)含量較豐富；3種類型的土壤變異系數(shù)皆低于0.4，說明有機(jī)質(zhì)在不同泥沙源地間均一性較好。

表1 泥沙來源地有機(jī)質(zhì)含量變化特征

從圖4～6可知，在碳酸鹽巖表層土壤中，碳酸鹽巖坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量相互之間變化相差較小，且有機(jī)質(zhì)含量相較于林地、撂荒地高，坡耕地平均含量在32.17 g/kg，含量較高；據(jù)了解，這跟土樣采于春耕之后，耕地普遍施有機(jī)肥有關(guān)；林地土壤有機(jī)質(zhì)含量相互之間變化差異較大，高低含量之間相差30.07 g/kg，有機(jī)質(zhì)平均含量為24.67 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)不穩(wěn)定，林地地區(qū)植被覆蓋率有差異，土壤微生物、枯枝落葉的數(shù)量都會影響到林地的有機(jī)質(zhì)含量，且碳酸鹽巖地區(qū)成土母質(zhì)酸不溶物含量低，風(fēng)化成土速率慢，導(dǎo)致碳酸鹽巖地區(qū)石漠化比較嚴(yán)重，植被覆蓋率偏低；撂荒地土壤有機(jī)質(zhì)含量相互之間差異也很大，但是低于林地，高低含量之間相差28.97 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量為28.53 g/kg，最大值為48.08 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量高；研究表明，撂荒地在撂荒后一段時(shí)間后，土壤有機(jī)質(zhì)會出現(xiàn)增高的情況，這與撂荒地植被增加，腐殖質(zhì)增加，但是撂荒地的撂荒年限不統(tǒng)一，因此有機(jī)質(zhì)流失的情況也不一樣，這就造成了有機(jī)質(zhì)含量，在各地之間產(chǎn)生差異性。深層土壤中溝道土有機(jī)質(zhì)相互之間均一性要小于裂隙土，說明溝道土有機(jī)質(zhì)的流失要大于裂隙土。碎屑巖區(qū)林地土壤有機(jī)質(zhì)含量相差較大，高低含量之間相差32.42 g/kg，平均值為32.82 g/kg，最大值為46.86 g/kg，撂荒地和泥土路面的有機(jī)質(zhì)含量具有均一性。碎屑巖林地和碳酸鹽巖林地有機(jī)質(zhì)含量相比，碎屑巖林地含量>碳酸鹽巖林地，這跟碎屑巖區(qū)土層厚，土壤成土速率快，植被覆蓋率高有關(guān)。

圖4 表層土壤有機(jī)質(zhì)分布Fig.4 Surface soil organic matter distribution

2.2 碳酸鹽巖區(qū)表層土壤、深層土壤和碎屑巖區(qū)土壤特征分析

土壤粒徑組成(PSD)是土壤重要的物理性質(zhì)之一，決定著土壤質(zhì)地狀況，影響著土壤肥力、持水力等特性以及植被生長狀況，對土壤抗蝕性也具有重要影響，但是其顆粒組成成分及其變化，既與其成土母質(zhì)息息相關(guān)，并受自然環(huán)境因子影響。因此，深入了解地下裂隙對土壤顆粒組成的影響，能為當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕種植提供幫助。

圖5 深層土壤有機(jī)質(zhì)分布Fig.5 Deep soil organic matter distribution

從表2可以得出，在表層土壤中碳酸鹽巖坡耕地、林地、撂荒地黏粒含量的范圍分別是10.69 %～24.1 %、13.66 %～14.97 %、17.2 %～18.58 %，平均值分別為17.03 %、14.32 %、17.94 %；粉粒含量的范圍分別是55.78 %～78.17 %、74.72 %～76.7 %、57.21 %～74.51 %,平均值分別為67.16 %、75.71 %、66.32 %；砂粒含量的范圍分別是8.7 %～31.62 %、8.33 %～11.62 %、6.91 %～24.74 %，平均值分別為15.81 %、9.97 %、15.74 %。深層土壤中碳酸鹽巖溝道、裂隙黏粒含量的范圍分別是15.45 %～18.98 %、13.33 %～18.58 %，平均值分別為16.87 %、15.84 %；粉粒含量的范圍分別是77.33 %～80.7 %、63.04 %～83.59 %,平均值分別為78.52 %、77.09 %；砂粒含量的范圍分別是3.56 %～7.22 %、1.76 %～20.98 %，平均值分別為4.62 %、6.57 %。碎屑巖區(qū)中林地、撂荒地、泥土路面的黏粒含量的范圍分別是13.17 %～17.7 %、11.02 %～17.39 %、9.88 %～14.73 %，平均值分別為14.80 %、12.25 %、11.80 %；粉粒含量的范圍分別是80.39 %～84.27 %、87.52 %～84.16 %、78.88 %～89.29 %,平均值分別為82.3 %、84.16 %、85.82 %；砂粒含量的范圍分別是1.67 %～4.56 %、0.91 %～5.97 %、0.21 %～8.87 %，平均值分別為2.9 %、2.59 %、2.38 %。由此可以看出3種泥沙來源的土壤其眾數(shù)粒級都是粉粒組分含量,其次是黏粒組分,再次是砂礫組分,根據(jù)粒度組成三角圖圖解可知，這3種泥沙來源的土壤都屬于粉(砂)壤土質(zhì)地,說明它們這些土壤還處在發(fā)育過程中?？偟恼f來黏粒、粉粒的平均值均大于砂粒，但是砂粒的波動較大說明粉粒、砂粒更容易流失，而導(dǎo)致土壤種砂粒含量出現(xiàn)波動狀況。它們都能直接的反映著土壤發(fā)育過程中風(fēng)化成壤作用，使得粒徑逐漸減小的趨勢,并且粉砂、黏粒的百分含量明顯比砂粒級要大得多,土壤在風(fēng)化成壤快慢程度上存在一定的差異,因此黏粒、粉砂、砂粒粒級的百分含量上體現(xiàn)著它們之間的不同。

圖6 碎屑巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分布Fig.6 Distribution of soil organic matter in clastic rock

表2 泥沙來源地粒度變化特征

在表層土壤中除林地和撂荒地的黏粒標(biāo)準(zhǔn)差在1以下，其他土壤的黏粒、粉粒砂粒都在2以上，根據(jù)?？宋值路诌x系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)[11]，它們在一定程度上反應(yīng)了粗細(xì)顆粒分布不均、較為分散，細(xì)顆粒流失嚴(yán)重。這3種源地泥沙土壤的變異系數(shù)都小于0.5，說明土壤各粒徑間的均一性較好。在深層土壤中，各土壤的標(biāo)準(zhǔn)差在2左右，溝道的砂粒和裂隙的粉粒、砂粒標(biāo)準(zhǔn)差都非常大，并且溝道和裂隙的砂粒變率都達(dá)到1左右，變率大，說明在深層土壤中，土壤的細(xì)顆粒流失嚴(yán)重，土壤粗顆粒變率大。碎屑巖區(qū)土壤的標(biāo)準(zhǔn)差基本上都在2左右，變異系數(shù)除撂荒地和泥土路面的砂粒比較大，其他的土壤變異系數(shù)都低于0.5，說明林地土壤的細(xì)顆粒流失要小于撂荒地和泥土路面。

圖7 粒度三角圖Fig.7 Particle size triangle

2.3 碳酸鹽巖區(qū)表層土壤、深層土壤和碎屑巖區(qū)土壤磁化率特征分析

磁化率值高低大多取決于風(fēng)積物中磁性物質(zhì)類型及粒徑大小粒度組分，為陸地表面覆蓋最普遍的一類沉積特性。地球表面土壤中各組分含量的差異又稱為顆粒級配或機(jī)械成分，其表示各組分含量在土壤中所占的比例。目前被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同的解釋是成土作用形成細(xì)小的、磁性強(qiáng)的礦物顆粒，從而磁化率增大[12]。

頻率磁化率是低頻磁化率與高頻磁化率數(shù)據(jù)之差的百分比，指示細(xì)粘滯性磁顆粒，細(xì)粘滯性磁顆粒只對低頻磁化率有貢獻(xiàn)。頻率磁化率(χfd)能夠指示土壤樣品中超順磁顆粒(SP，<0.03 μm)的相對含量[13]。根據(jù)已有研究成果，當(dāng)χfd﹤2 %時(shí)，表明土壤樣品中基本不含超順磁顆粒；當(dāng)χfd在2 %～10 %，表明土壤樣品中含有一定量的超順磁顆粒，但超順磁顆粒不是土壤中磁性礦物的主要組成成分，且χfd等于 5 %時(shí)，可以作為判定土壤樣品中是否存在超順磁顆粒的臨界值；當(dāng)χfd﹥10 %時(shí)，表明土壤樣品中含有大量的超順磁顆粒[14-15]。由于超順磁顆粒主要產(chǎn)生于風(fēng)化成土過程中，因此，研究區(qū)土壤中含有較多超順磁顆粒，表明土壤成土發(fā)育較好。

樣品測定結(jié)果顯示(表3)，碳酸鹽巖區(qū)表層土壤中坡耕地、林地、撂荒地的土壤χlf的變化范圍為6.67 ～167.46×10-8、5.94～150.10×10-8、45.45 ～154.01×10-8m3/kg，均值分別為106.01×10-8、67.64×10-8、93.63×10-8m3/kg，變化幅度較大；坡耕地、林地、撂荒地的土壤的變化范圍為5.59 %～9.02 %、4.62 %～10 %、6.58 %～10.04 %，平均值為7.81 %、7.49 %、8.79 %，χfd>5 %，說明在表層土壤中，含有較多的超順磁顆粒。在碳酸鹽巖區(qū)深層土壤中溝道和裂隙的土壤χlf的變化范圍為14.96～106.03×10-8、7.68～23.32×10-8m3/kg，均值分別為44.46×10-8、14.33×10-8m3/kg，變化幅度較大；坡耕地、林地、撂荒地的土壤的變化范圍為4.77 %～10.03 %、1.96 %～13.38 %，平均值為7.77 %、6.88 %，χfd>5 %，說明在表層土壤中，含有較多的超順磁顆粒。在碎屑巖區(qū)林地、撂荒地、泥土路面的土壤χlf的變化范圍為6.92 ～108.37×10-8、25.81～87.55×10-8、9.69～35.15×10-8m3/kg，均值分別為34.62×10-8、56.68×10-8、18.44×10-8m3/kg，變化幅度較大；碎屑巖區(qū)林地、撂荒地、泥土路面的土壤χlf的變化范圍為2.55 %～8.18 %、6.09 %～6.61 %、3.35 %～7.98 %，平均值為5.43 %、6.35 %、5.38 %，χfd>5 %，說明在表層土壤中，含有較多的超順磁顆粒。

表3 泥沙來源地磁化率變化特征

表4 表層土壤各參數(shù)相關(guān)性

表5 深層土壤各參數(shù)相關(guān)性

表6 碎屑巖區(qū)土壤各參數(shù)相關(guān)性

2.4 不同泥沙來源地土壤有機(jī)質(zhì)、粒度和磁化率相關(guān)性分析

為了準(zhǔn)確地描述土壤粒徑及有機(jī)質(zhì)不同土層之間及其相互之間的相關(guān)程度，利用 SPSS 統(tǒng)計(jì)分析中的相關(guān)分析對其進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，表明其相關(guān)性越顯著。從表4～6可以看出，碳酸鹽巖區(qū)表層土壤中有機(jī)質(zhì)與磁化率和粒徑都存在顯著相關(guān)性。有機(jī)質(zhì)與黏粒、砂粒之間形成較顯著的負(fù)相關(guān)，與粉粒形成顯著正相關(guān)，質(zhì)量磁化率與黏粒和砂粒形成顯著負(fù)相關(guān)與砂粒形成顯著正相關(guān)；磁化率與粉粒的相關(guān)性最大，究其原因可能與母巖本身的礦物含量、礦物類型以及人為因素；在深層土壤中有機(jī)質(zhì)與黏粒和砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒出現(xiàn)正相關(guān)，質(zhì)量磁化率與砂粒呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與黏粒和粉粒出現(xiàn)顯著正相關(guān)，并達(dá)到最大值；在碎屑巖區(qū)，有機(jī)質(zhì)與黏粒和砂粒呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒呈現(xiàn)正相關(guān)并達(dá)到最大值。這與表層土壤的研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文通過研究巖溶洼地小流域不同泥沙來源地的土壤有機(jī)質(zhì)、粒度和磁化率的特征及相關(guān)性，得出以下結(jié)論。

(1)巖溶洼地泥沙來源中土壤的有機(jī)質(zhì)含量較高，平均值為28.05、25.46、28.05 g/kg，變異系數(shù)處于低至中等變異、土壤的均一性較好。表層土壤中坡耕地有機(jī)質(zhì)>撂荒地>林地，碎屑巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)林地>撂荒地>泥土路面，碎屑巖林地和碳酸鹽巖林地有機(jī)質(zhì)含量相比，碎屑巖林地含量>碳酸鹽巖林地。

(2)巖溶洼地3種泥沙來源的土壤其眾數(shù)粒級都是粉粒組分含量，其次是黏粒組分,再次是砂礫組分，根據(jù)粒度組成三角圖圖解可知，這3種泥沙來源的土壤都屬于粉(砂)壤土質(zhì)地，說明它們這些土壤還處在發(fā)育過程中。在表層土壤中除林地和撂荒地的黏粒標(biāo)準(zhǔn)差在，其他土壤的黏粒、粉粒砂粒都在2以上，根據(jù)?？宋值路诌x系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，它們在一定程度上反應(yīng)了粗細(xì)顆粒分布不均、較為分散，細(xì)顆粒流失嚴(yán)重等問題。

(3)表層土壤質(zhì)量磁化率的變化范圍在5.94×10-8～167.46×10-8m3/kg，頻率磁化率變化范圍為4.62 %～10.04 %；深層土壤質(zhì)量磁化率的變化范圍在7.68×10-8～106.03×10-8m3/kg，頻率磁化率的變化范圍為1.96 %～13.38 %；碎屑巖區(qū)質(zhì)量磁化率的變化范圍在6.92×10-8～108.37×10-8m3/kg，頻率磁化率的變化范圍為變化幅度大2.55 %～8.18 %，土壤中普遍含有較多的超順磁顆粒。

(4)表層土壤、和碎屑巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、磁化率和黏粒、砂粒呈負(fù)相關(guān)，與粉粒呈正相關(guān)并達(dá)到最大值。在深層土壤中土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒不相關(guān)，與粉粒正相關(guān)、與砂粒負(fù)相關(guān)，而磁化率與黏粒砂粒呈負(fù)相關(guān)，與粉粒呈正相關(guān)。