西南喀斯特地區(qū)不同石漠化階段土壤黏土礦物組成及其含量變異研究

楊新強，陳效民，李孝良，2，周煉川，陳 律，南江寬，李發(fā)金

（1.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇南京210095；2.安徽科技學院植物科學學院，安徽鳳陽233100）

0 引言

喀斯特與黃土、沙漠、寒漠并列為中國四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)［1］。石漠化是指土壤侵蝕導致基巖大面積裸露、土壤生產(chǎn)力下降、自然景觀受到嚴重破壞的喀斯特地區(qū)獨有的現(xiàn)象［2］。以往的研究主要是從土壤物理參數(shù)［3］、土壤養(yǎng)分［4］、土壤植被［5］、治理模式與生態(tài)重建［6］等方面入手，在一定程度上忽視了從土壤黏土礦物角度對石漠化過程的探討。黏土礦物是土壤的主要組分之一，其組成和含量受氣候、地形、植被和基巖類型等綜合因素制約［7］。研究黏土礦物有助于弄清楚土壤的形成過程，為土壤分類提供重要參考。

筆者以貴州省典型石漠化階段土壤為研究對象，重點探討土壤中黏土礦物在石漠化過程中的變化規(guī)律及其在土壤剖面中的分布狀況，同時對粉粒和砂粒中的礦物組成進行初步探討，試圖為西南喀斯特地區(qū)石漠化階段的劃分提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤樣品采自貴州省普定縣和荔波縣，按照植被覆蓋度、基巖裸露率等指標選擇典型石漠化階段的區(qū)域進行采樣［8］。普定縣陳旗村為典型的喀斯特山地小流域地形；荔波縣茂蘭保護區(qū)是地球上唯一保存下來的喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)，采樣點母巖為石炭紀灰?guī)r［9－10］。根據(jù)梅再美等提出的石漠化劃分標準［11］，在研究區(qū)典型地段選擇不同石漠化階段的樣地，按照土壤發(fā)生層取樣。供試土壤基本狀況見表1。

表1 喀斯特地區(qū)采樣點基本狀況Tab.1 Basic Characteristics of the Sampling Sites in Karst Region

1.2 分析方法

1.2.1 黏粒的提取和黏土礦物分析

土壤中黏粒的提取方法是以司篤克斯定律為基礎(chǔ)，利用土粒在靜水中沉降規(guī)律，采用沉降－虹吸法對土壤進行粒級分組，將小于0.002mm的黏粒部分分離收集起來。然后進行以下4種處理：①用1mol／L KCl飽和樣品；②用1mol／L KCl飽和樣品再經(jīng)550℃加熱2h；③用1mol／L MgCl2飽和樣品；④1mol／L MgCl2飽和風干后，再用10%甘油飽和樣品。利用DMAX－B型X－射線衍射儀（XRD）對上述4種處理的黏粒、粉粒和細砂粒樣品進行掃描分析，以測定單位晶層之間距離（d）。

根據(jù)MgCl2加甘油飽和處理樣品的X－射線衍射儀圖譜，可以計算黏粒中各礦物的質(zhì)量分數(shù)

式中：wi為礦物i的質(zhì)量分數(shù)；λi為礦物i的系數(shù)，根據(jù)文獻［12］取值；Ai為礦物i最強峰的峰面積；Ii為礦物i主要衍射峰的積分強度；I為礦物主要衍射峰的積分總強度。由上述公式可知，黏粒中各礦物的質(zhì)量分數(shù)即為各礦物主要衍射峰的積分強度與積分總強度之比。

1.2.2 土壤基本性質(zhì)的測定

土壤基本性質(zhì)的測定采用以下方法：①土壤機械組成測定采用吸管法；②土壤pH值測定采用pH計電位法；③土壤有機質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法；④土壤密度測定采用環(huán)刀法（表2）［13］。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物組成

圖1為荔波縣茂蘭保護區(qū)堯古村未石漠化階段土壤黏粒礦物（KCl飽和樣品）的定性分析。圖譜顯示，在d分別為14.5、10.1、7.1、5.0、3.6、3.33nm時出現(xiàn)衍射峰。圖2為輕度石漠化階段土壤黏土礦物（KCl飽和樣品）的定性分析，在d為14.67、9.84、7.20、4.95、3.57、3.34nm出現(xiàn)衍射峰。圖3為中度石漠化階段土壤黏土礦物（KCl飽和樣品）的定性分析，在d為14.87、7.26、4.84、3.62、3.38nm時出現(xiàn)衍射峰。根據(jù)衍射峰的位置和強度判斷，黏粒中存在的礦物是蒙脫石、伊利石和高嶺石。各石漠化階段樣品的圖譜基本一致，反映了它們具有相同的礦物組成。

表2 供試土壤基本性質(zhì)Tab.2 Properties of the Tested Soils

圖1 未石漠化階段土壤剖面表層（0～12cm）黏土礦物X－射線衍射圖譜Fig.1 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－12cm）Under the Non－degraded Stage of Rock Desertification

圖2 輕度石漠化階段土壤剖面表層（0～17cm）黏土礦物X－射線衍射圖譜Fig.2 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－17cm）Under the Light Stage of Rock Desertification

研究區(qū)不同石漠化階段土壤中黏土礦物的組成是相似的，土壤黏土礦物以伊利石、蒙脫石和高嶺石為主。黏土礦物的類型分布受母巖、母質(zhì)的礦物學組成的影響，又與風化和成土條件有密切關(guān)系。熊毅推論的黏土礦物變化規(guī)律為：伊利石→伊利石、蛭石→伊利石、蛭石、高嶺石→高嶺石、蛭石→高嶺石、三水鋁礦［14］，而西南喀斯特地區(qū)不同石漠化階段黏土礦物為：伊利石直接演變?yōu)槊擅撌蚋邘X石；這說明石漠化過程對黏土礦物的演變有特殊的影響。

圖3 中度石漠化階段土壤剖面表層（0～15cm）黏土礦物X－射線衍射圖譜Fig.3 X－ray Diffraction Spectrogram of Clay Minerals in the Section Surface of Soil（0－15cm）Under the Moderate Stage of Rock Desertification

圖4為荔波縣茂蘭保護區(qū)堯古村輕度石漠化階段土壤中粉粒和砂粒礦物的定性分析。在d分別為4.30、3.30、2.45nm時出現(xiàn)衍射峰。結(jié)果表明，粉粒主要由石英和白云母組成，砂粒主要由石英組成。同樣，各石漠化階段土壤粉粒和砂礫的X－射線衍射圖譜也是相似的，說明它們有著相同的組成。

圖4 未石漠化階段土壤剖面下層（12～24cm）粉粒和砂粒礦物X－射線衍射圖譜Fig.4 X－ray Diffraction Spectrogram of Silt and Gravel Minerals in the Lower Part of Soil Section（12－24cm）Under the Non－degraded Stage of Rock Desertification

2.2 黏土礦物含量

喀斯特地區(qū)不同石漠化階段土壤黏土礦物含量見表3。在未石漠化階段的各個土壤發(fā)生層中，伊利石的質(zhì)量分數(shù)最高，分別達到50.79%、47.55%和41.24%，占總量的一半左右。蒙脫石、高嶺石在各層間的含量相差不大。隨著石漠化程度的加深，蒙脫石和高嶺石在剖面表層的含量逐漸增加，這說明上述兩種礦物的風化程度隨著石漠化作用的增強而增加；伊利石的質(zhì)量分數(shù)逐漸減少。尤其在中度石漠化階段，伊利石在剖面表層的質(zhì)量分數(shù)由未石漠化階段的50.79%和輕度石漠化階段的38.85%銳減至中度石漠化階段的4.75%。這說明在中度石漠化階段，伊利石向高嶺石（蒙脫石）的轉(zhuǎn)化作用最為強烈。

未石漠化階段土壤呈弱堿性，伊利石主要向蒙脫石方向演變，因此該階段蒙脫石的含量較高嶺石高。而到了輕度石漠化階段，土壤由弱堿性向弱酸性轉(zhuǎn)變，對礦物的演變方向產(chǎn)生了直接影響；伊利石主要演變?yōu)楦邘X石，高嶺石在上下土層的質(zhì)量分數(shù)分別為31.81%和8.09%，略高于蒙脫石的29.34%和6.49%。在中度石漠化階段，土壤酸性進一步加強，但是此時蒙脫石在上、下層的質(zhì)量分數(shù)分別為58.32%、44.62%，高于高嶺石的36.93%、38.27%；這說明中度石漠化階段土壤成土母質(zhì)中蒙脫石的含量相對較高。土壤黏土礦物的組成及其含量變化，不僅可以說明各土壤間膠體性質(zhì)的差異，還可以反映土壤形成過程的類型和程度。

表3 土壤黏土礦物含量Tab.3 Content of Clay Mineral in Soil

2.3 各黏土礦物含量之間的關(guān)系

按照黏土礦物的變化規(guī)律，通過對各個石漠化階段伊利石和蒙脫石之間的質(zhì)量分數(shù)作相關(guān)分析表明（圖5），二者呈極顯著性的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0.970 3，說明蒙脫石的含量隨伊利石含量的降低而快速增加。

圖5 蒙脫石與伊利石含量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship Between the Contents of Montmorillonite and Illite

對各石漠化階段伊利石和高嶺石之間的質(zhì)量分數(shù)作相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，二者也呈極顯著的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0.945 6，也說明了高嶺石的含量隨伊利石含量變化而發(fā)生變化。

結(jié)合圖5、6以及黏土礦物的演變規(guī)律，充分說明在西南喀斯特地區(qū)，伊利石、蒙脫石和高嶺石之間存在顯著相關(guān)性。伊利石在氣候、土壤酸堿性等共同作用下，向蒙脫石和高嶺石轉(zhuǎn)化，而這些作用的強度也隨著石漠化程度而加深。因此，特定黏土礦物的含量可以作為劃分石漠化階段的一個重要參考指標。

圖6 高嶺石與伊利石含量之間的關(guān)系Fig.6 Relationship Between the Contents of Kaolinite and Illite

3 結(jié)語

（1）受地帶性規(guī)律的影響，西南喀斯特地區(qū)不同石漠化階段黏土礦物和粉粒、砂粒礦物的組成是相同的。黏土礦物主要為伊利石、蒙脫石和高嶺石；粉粒中的礦物主要為石英和白云母；砂礫中的主要礦物為石英。

（2）隨著石漠化程度的加深，伊利石逐漸向蒙脫石和高嶺石轉(zhuǎn)化，土壤酸堿度在這一過程中起了重要作用。

（3）伊利石、蒙脫石和高嶺石的含量之間呈極顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為－0.970 3和－0.945 6。

（4）石漠化階段的劃分標準尚不統(tǒng)一，特定黏土礦物在不同土層深度的含量可以作為劃分石漠化階段的一個重要依據(jù)。

［1］ 龍 健，江新榮，鄧啟瓊，等.貴州喀斯特地區(qū)土壤石漠化的本質(zhì)特征研究［J］.土壤學報，2005，42（3）：419－427.

［2］ 蔣忠誠.廣西弄拉峰叢石山生態(tài)重建經(jīng)驗及生態(tài)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.廣西科學，2001，8（4）：308－312.

［3］ 周煉川，陳效民，李孝良，等.西南喀斯特地區(qū)不同石漠化階段土壤物理參數(shù)的變異研究［J］.地球科學與環(huán)境學報，2010，32（2）：195－199.

［4］ 周煉川，陳效民，李孝良，等.西南喀斯特地區(qū)不同石漠化階段土壤有效磷變異研究［J］.地球科學與環(huán)境學報，2009，31（4）：418－422.

［5］ 李陽兵，謝德體，魏朝富.巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤及表生植被某些特性變異與石漠化的相關(guān)性［J］.土壤學報，2004，41（2）：196－202.

［6］ 張清海.貴州喀斯特石漠化地區(qū)土壤磷素變異特征及生態(tài)恢復研究［D］.貴陽：貴州大學，2007.

［7］ 黃昌勇.土壤學［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

［8］ 彭 琴，林昌虎，何騰兵.貴州省喀斯特山區(qū)不同石漠化等級土壤粒級特征研究［J］.水土保持通報，2007，27（2）：29－32.

［9］ 周運超，張平究，潘根興，等.表層巖溶系統(tǒng)中土－氣－水界面碳流通的短尺度效應——以貴州茂蘭國家喀斯特森林公園的秋季日動態(tài)監(jiān)測為例［J］.第四紀研究，2002，22（3）：258－265.

［10］ 喻理飛，朱守謙，葉鏡中，等.人為干擾與喀斯特森林群落退化及評價研究［J］.應用生態(tài)學報，2002，13（5）：529－532.

［11］ 梅再美，王代懿，熊康寧，等.不同強度等級石漠化土地植被恢復技術(shù)初步研究——以貴州花江試驗示范區(qū)查爾巖試驗小區(qū)為例［J］.中國巖溶，2004，23（3）：253－258.

［12］ Gorbunov N I.Mineralogy and Physical Chemistry of Soils［M］.Moscow：Russian Science Press，1978.

［13］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

［14］ 熊 毅.中國土壤中黏粒礦物的分布規(guī)律［C］∥中國科學院南京土壤研究所.熊毅文集.北京：科學出版社，2003：187－192.