人為干預(yù)下喀斯特峽谷區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

田漣祎, 周忠發(fā), 閆利會(huì)

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院, 貴州 貴陽(yáng) 550001;

2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

人為干預(yù)下喀斯特峽谷區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

田漣祎1,2, 周忠發(fā)1,2, 閆利會(huì)1,2

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院, 貴州 貴陽(yáng) 550001;

2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

摘要：[目的] 探究人為干預(yù)下喀斯特峽谷區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，為巖溶山區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 以貴州省花江喀斯峽谷示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤為研究區(qū)，選取典型喀斯特石漠化治理區(qū)域進(jìn)行野外定點(diǎn)取樣，通過室內(nèi)分析的方法進(jìn)行不同土地利用石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)比較研究。[結(jié)果] (1) 土壤含水量隨著土層深度的增加遞增，土壤含水量大小依次為：封山育林>徑流場(chǎng)>坡改梯>自然灌叢>撂荒地，形成土壤水分的垂直變化； (2) 經(jīng)過改良后坡改梯通過種植花椒的田間持水量明顯比草地含量高，相對(duì)于進(jìn)行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來(lái)說(shuō)，荒草地的持水能力明顯下降； (3) 石漠化環(huán)境下土壤顆粒分散、土體結(jié)構(gòu)破壞，土壤通透能力下降，孔隙的變化規(guī)律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地； (4) 示范區(qū)土壤總鉀偏高，與pH值呈正相關(guān)，總氮普遍低于全國(guó)農(nóng)田氮含量，土壤養(yǎng)分不足。 [結(jié)論] 不同土地利用條件下土壤特征有顯著差異，這種差異是基于不同石漠化等級(jí)下不同土地利用的治理措施造成的。花江示范區(qū)土壤持水效益低，土壤養(yǎng)分不足，不利于耕作，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量不高，建議花江示范區(qū)應(yīng)減少耕地，多種植經(jīng)濟(jì)林和草地，保護(hù)天然林地。

關(guān)鍵詞：喀斯特峽谷區(qū); 石漠化; 土地利用類型; 人為干預(yù); 土壤理化性質(zhì)

土壤和人類的關(guān)系十分密切，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，地形通過影響土壤成土母質(zhì)、影響土壤環(huán)境的物質(zhì)和能量的再分配而間接作用于土壤，不同地形的土壤質(zhì)地不同，由于喀斯特巖溶山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，加上人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，形成人地矛盾突出，水土流失、巖石裸露率高、土壤含水量低，土壤肥力差導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降。嚴(yán)重制約著我國(guó)喀斯特地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在目前對(duì)全球土壤系統(tǒng)的演變過程的研究比較深入，但是對(duì)于喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)的土壤理化性質(zhì)的研究還比較缺乏，人類活動(dòng)通過不同土地利用的影響，土壤水分的變化如何，不同土壤環(huán)境下土壤的質(zhì)量條件如何來(lái)支持土壤表層的覆蓋植被，不同土地利用類型對(duì)土壤質(zhì)量的影響。土壤具備不間斷的協(xié)調(diào)和供給植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的養(yǎng)分、水分、空氣和熱量的能力，這種能力的大小能通過一系列的理化性質(zhì)的監(jiān)測(cè)來(lái)反映，而土壤水分的含量是重要的肥力因素，是土壤系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的介質(zhì)，研究這些變化的土壤理化性質(zhì)特征有利于巖溶山區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

1研究區(qū)概況

花江示范區(qū)位于貴州省中部，貞豐縣和關(guān)嶺縣交界處,北盤江中游的花江峽谷地段，總面47.63 km2，地勢(shì)西高東低，最高海拔1 270 m，最低海拔650 m，花江峽谷發(fā)育在強(qiáng)巖溶化三疊系碳酸鹽巖組(石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖)為主的法郎向斜構(gòu)造上，上三疊系的碎屑巖組分布范圍小且厚度小,喀斯特地貌廣布?；ń饕獮橹腥B系和上三疊系地層，主要發(fā)育了賴石科組、竹桿坡組、瓦窯組、楊柳樹組、壟頭組。地貌多為峰叢洼地、峰叢峽谷為主，土壤以潮泥土和沙壤土為主，由于示范區(qū)內(nèi)土壤持續(xù)干旱，造成對(duì)土壤的水、氣、熱的影響，因而成土緩慢，土壤肥力比較薄弱，土壤狀況一般比較脆弱，基巖出露淺，石漠化程度嚴(yán)重，土層薄，分布不連續(xù)，造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量較低?，F(xiàn)有耕地1.34×106hm2，人口算術(shù)平均密度138人/km2，人口耕地密度為771人/km2，以中度、強(qiáng)度石漠化為主，是貴州省內(nèi)生存環(huán)境惡劣的貧困地區(qū)之一，其自然、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有顯著的區(qū)域性特征。

2樣品采集與試驗(yàn)方法

2.1　樣點(diǎn)選取與評(píng)價(jià)

利用地理信息技術(shù)分析，通過空間自相關(guān)性分析，得出地理現(xiàn)象的空間相關(guān)特性，即距離越近的事物越相似，按照不同土地利用類型的規(guī)律來(lái)選取樣點(diǎn)，花江示范區(qū)土壤采樣值具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，半變異圖中的樣點(diǎn)不是形成一條水平直線，表明數(shù)據(jù)存在一定的空間相關(guān)性。通過研究空間結(jié)構(gòu)可以看出，距離遠(yuǎn)的樣地，方差較大，而距離近的樣點(diǎn)的值具有更大的相似性，結(jié)果表明采樣值及其屬性在空間具有一定的空間相關(guān)性,半變異函數(shù)圖的采樣點(diǎn)的變化規(guī)律是東北—西南比西北—東南方向具有更遠(yuǎn)的空間距離，且樣點(diǎn)布置呈東北—西南方向趨勢(shì)而不是在一條水平直線上[1-2]，通過評(píng)價(jià)證明樣點(diǎn)選取合理。

2.2　樣品采集

通過野外實(shí)地考察，收集土地利用狀況、土壤采樣，記錄樣方所在的經(jīng)緯度，海拔、地形地貌、坡度、石漠化等級(jí)、上覆植被類型等因子。選取10個(gè)樣地，在樣地內(nèi)采樣選擇有代表性的點(diǎn)3～5個(gè)，鏟去表層約3 cm左右的土壤，然后傾斜向下切取10—20 cm深度的土壤。采用對(duì)角線采樣法進(jìn)行采樣點(diǎn)的布設(shè)，將樣地對(duì)角線的土樣集中一起混合均勻[3]，每塊樣地采集土樣約1 kg，即為混合土壤樣品；同時(shí)，在樣方選取時(shí)還需考慮地形等背景，如在山坡上的土壤多為石灰土，通過不斷的沖刷，多數(shù)土壤流失并聚集在坡腳洼地或平坦處，經(jīng)過脫硅富鋁化形成和山上相反土壤性質(zhì)的黃壤，更適宜耕種。

2.3　樣品的分析測(cè)定

研究采用威爾科克斯法(環(huán)刀法)，用環(huán)刀測(cè)定的地段采取原狀土，同時(shí)在統(tǒng)一土層上取些散裝土，帶回室內(nèi)測(cè)定，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，在山地重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品處理后進(jìn)行分析測(cè)定所需的土壤物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)[4]，結(jié)合試驗(yàn)得出土壤的理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

表1　花江示范區(qū)基礎(chǔ)信息

2.3.1土壤物理性質(zhì)測(cè)定土壤自然含水量采用烘箱烘干法，室內(nèi)用烘箱在80 ℃溫度下將土樣烘至恒重[5]，計(jì)算公式為：

θm=(m1-m2)/(m2-m)×100

(1)

式中：θm——土壤自然含水量(g/kg)；m——干燥鋁盒質(zhì)量(g)；m1——風(fēng)干土樣與鋁盒合重(g)；m2——烘干土樣與鋁盒合重(g)。

土壤飽和滲透性能采用環(huán)刀法，滲透性能的計(jì)算公式為：

(2)

式中：V——滲透速率(mm/min)；Qn——每次滲出的水量(ml)；S——滲透筒的橫斷面積(cm3)；tn——每次滲透所間隔時(shí)間(min)。

土壤容重、土壤持水量、土壤孔隙率運(yùn)用環(huán)刀法測(cè)定，土壤持水量指標(biāo)包括土壤田間持水量、土壤毛管持水量，土壤孔隙率指標(biāo)包括土壤總孔隙率、毛管孔隙率及土壤非毛管孔隙率,具體方法參照張韞主編的《土壤水植物理化分析教程》[6]。

2.3.2土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定pH值采用水浸提—電位法(國(guó)標(biāo)GB7859—87)，土壤全N含量采用半微量開氏法國(guó)標(biāo)(GB7173—87)，土壤全P含量采用氫氧化鈉堿熔—鋁銻抗比色法(國(guó)標(biāo)GB7852—87)，土壤全K含量采用氫氟酸高氯酸消煮法(國(guó)標(biāo)GB7854—87)進(jìn)行測(cè)定

3結(jié)果分析

3.1　土壤自然含水量和持水能力對(duì)比

土壤含水量是直接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育好壞及產(chǎn)量高低的重要因素之一，研究農(nóng)田土壤含水量，對(duì)我們利用土壤水資源，合理分配灌溉用水，起到了重要的作用[7]。研究發(fā)現(xiàn)不同深度土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成土壤水分的垂直變化。反映不同深度土壤含水量變化程度。從表2可以看出，隨著土壤深度的增加，土壤含水量也會(huì)相應(yīng)波動(dòng)，是一個(gè)隨著土層深度增加而遞增的過程，表層含水量不穩(wěn)定變化較大，10 cm以后土層從上到下土壤水分變化程度由劇烈趨于緩和，土壤水分的主要活動(dòng)在耕地層。

表2　喀斯特不同土地利用類型土壤自然含水量

不同的土地利用對(duì)土壤自然含水量有影響，含水量變化依次表現(xiàn)為：封山育林>徑流場(chǎng)>坡改梯>自然灌叢>撂荒地，封山育林對(duì)喀斯特地區(qū)保水起著十分重要的作用，這種林下草被和灌木叢模式有很好的儲(chǔ)水能力，經(jīng)過石漠化治理措施后的土壤含水量更高。在評(píng)定土壤持水性能時(shí)，不能僅以自然含水量的高低來(lái)評(píng)定土壤水分特性，同時(shí)也要看土壤田間持水量和毛管持水量這些指標(biāo)的特征。

由圖1可以看出，花江示范區(qū)經(jīng)過改良的坡改梯通過種植花椒(53.44%～59.44%)的田間持水量明顯比草地(32.88%)含量高，同時(shí)我們還測(cè)定了土壤中毛管懸著水的毛管持水量，代表土壤中毛管孔隙的最大含水量，如圖所示經(jīng)過石漠化治理的坡改梯的土壤毛管持水量高于草地的毛管持水量(40.21%>28.37%),前者是后者的1.4倍，上述結(jié)果表明，相對(duì)于進(jìn)行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來(lái)說(shuō)，荒草地的持水能力明顯下降。

圖1　花江示范區(qū)不同土地利用類型土壤持水量變化

封山育林長(zhǎng)期受到保護(hù)不受人類活動(dòng)的影響，土壤水分存儲(chǔ)能力比草地、果園和耕地強(qiáng)，花江示范區(qū)石漠化程度強(qiáng)烈，土壤淺薄，影響含水率，進(jìn)而影響土壤水分調(diào)蓄能力，保水能力差，建議在花江的強(qiáng)度石漠化地區(qū)采用天然保護(hù)林，或是封山育林的形式，使區(qū)域的土壤免受人類活動(dòng)的干預(yù)，慢慢恢復(fù)土壤蓄水能力(表3)。

表3　不同土地利用類型土壤持水量

3.2　土壤孔隙性變化

孔隙性代表土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，孔隙的數(shù)量和質(zhì)量反應(yīng)了土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，是能否儲(chǔ)存水的關(guān)鍵[8]，土壤緊實(shí)度影響土壤密度，土壤越緊實(shí)，則孔度小而密度大，導(dǎo)水率下降，土壤侵蝕增大，造成水土流失。從表4可以看出，封山育林和灌叢草地這種土地利用方式的土壤總孔隙比較高，而人工耕地的總孔隙相應(yīng)較低，經(jīng)過石漠化治理工程后的土地利用方式下的土地土壤通透性更高，坡改梯的總孔隙在60.51%至65.3%之間，封山育林也到達(dá)了56.56%，變化較為穩(wěn)定，樣地1，4，6，7，8的孔隙分布比較均勻，毛管孔隙度占總孔隙的比例的34.91%以上，樣地1，4，8，10的非毛孔孔隙比例較高，樣地5的毛孔比例比坡改梯和耕地的孔隙高。在不同的土地利用，不同的植被條件下，土壤孔度的差異非常大，土壤總孔隙的變化規(guī)律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地，耕地和撂荒地的的土壤表層總孔隙較低，毛管孔隙和非毛管孔隙變化不明顯，在喀斯特石漠化土層淺薄的情況下，合理的土地利用能提高土壤孔隙的通透性和透水性，有效保持水土。

表4　土壤孔隙性能變化

3.3　土壤化學(xué)性質(zhì)分析

通過不同土地利用方式對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)(表5)，經(jīng)過喀斯特石漠化綜合治理的水土保持成效明顯，研究發(fā)現(xiàn)潛在石漠化的pH值明顯小于輕度、強(qiáng)度石漠化，不同植被覆蓋下的土壤pH值有差異，石漠化嚴(yán)重地區(qū)相對(duì)輕度石漠化pH值偏高，強(qiáng)度石漠化的土壤生態(tài)環(huán)境惡劣，巖石裸露率高，易受堿性地質(zhì)背景的影響，相反輕度石漠化植被覆蓋率高，隨著植覆蓋率的增加，植被覆蓋下的生物活動(dòng)頻繁，微生物生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)較快，在這些生物死亡后的殘?bào)w分泌成酸性的物質(zhì)，這種酸性物質(zhì)儲(chǔ)存在土壤中，導(dǎo)致土壤偏酸性，強(qiáng)度石漠化pH值均在7.6～7.8，pH值偏堿性?；ń痉秴^(qū)地形破碎，土層淺薄，石漠化程度嚴(yán)重，土少石多，造成土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足，通過表5可以看出，土壤總鉀偏高，與pH值呈正相關(guān)，這樣的土壤環(huán)境不利于植被生長(zhǎng)，中國(guó)農(nóng)田氮含量一般為0.33以上，但是花江喀斯特地區(qū)的氮含量普偏低，低于全國(guó)土壤氮均值，甚至有些地區(qū)僅為全國(guó)平均的1/2。不同土地利用條件下的土壤環(huán)境狀況不同，林地和草地提供了基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和較好的養(yǎng)分，當(dāng)然由于農(nóng)用耕地土地利用過程中會(huì)施肥，補(bǔ)充了所需要的養(yǎng)分，它的各項(xiàng)指標(biāo)必然高于林草地和荒地[9]。說(shuō)明可以通過改善土壤環(huán)境來(lái)提高土壤生產(chǎn)力。建議花江石漠化地區(qū)多種經(jīng)濟(jì)林和草地，保護(hù)天然林地，合理利用石多土少的土地。

表5　不同土地利用土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)比

4結(jié) 論

(1) 從土壤自然含水量的變化規(guī)律分析中發(fā)現(xiàn)，不同深度土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成土壤水分的垂直變化，土壤含水量呈現(xiàn)隨著土層深度增加而增加的過程。

(2) 從土壤持水量變化角度來(lái)看，花江示范區(qū)經(jīng)過改良的坡改梯通過種植花椒(53.44%～59.44%)的田間持水量明顯比草地(32.88%)含量高，相對(duì)于進(jìn)行石漠化治理并合理耕作的坡改梯花椒地來(lái)說(shuō)，荒草地的持水能力明顯下降。

(3) 石漠化環(huán)境下土壤顆粒分散、土體結(jié)構(gòu)破壞，土壤通透能力下降，不同土地利用條件下，土壤孔度差異大，坡改梯和封山育林的總孔隙變化穩(wěn)定，毛管孔隙占總孔隙比例的34.91%以上，說(shuō)明土壤通透性較好，不同土地利用類型孔隙的變化規(guī)律為：林地>坡改梯>灌草叢>耕地>撂荒地。

(4) 不同土地利用方式下土壤質(zhì)量條件存在顯著差異，這種差異是基于不同石漠化等級(jí)下采取的石漠化工程治理措施的不同造成的，花江石多土少，成土緩慢且分布不連續(xù)，巖石裸露率高，土壤持水效益低，土壤肥力差，導(dǎo)致了生產(chǎn)力下降，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量不高。通過土壤氮磷鉀和pH值的分析發(fā)現(xiàn)，花江的土壤質(zhì)量不利于耕作，土壤養(yǎng)分不足，建議花江石漠化地應(yīng)減少耕地，多種經(jīng)濟(jì)林和草地，保護(hù)天然林地，通過一定的石漠化治理來(lái)優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。

(5) 通過封山育林和坡改梯這種土地利用方式和其他土地利用方式土壤自然環(huán)境的對(duì)比，前者的保水效益更優(yōu)，自然含水量較高且田間最大持水量能支持上覆植被吸收，土壤孔隙性適宜，土壤通透性和透水性較好，能夠有效保持水土，通過撂荒地和其他土地利用方式的對(duì)比，土壤環(huán)境也是逐漸向良性發(fā)展。

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Synergetic Influences of Human Intervention and Land Use Type on Soil Physical and Chemical Properties in Karst Valley Area

TIAN Lianyi1,2, ZHOU Zhongfa1,2, YAN Lihui1,2

(1.SchoolofKarstScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 2.TheStateKeyLaboratoryforKarstMountainEcologyEnvironmentofGuizhouProvince,Guiyang,Guizhou550001,China)

Abstract：[Objective] Under the background of artificial interference, the effects of different land use types on soil physicochemical properties in the karst gorge area were investigated in order to provide some supports for the environment protection and sustainable development in karst mountainous area. [Methods] Huajiang Karst Gorge Demoustration Zone of Guizhou Province was selected as the research area. Where the soils from different land use types of rocky desertification area were sampled and the physicochemical properties were assayed. [Results] (1) Soil moisture content was relative high at deeper soil layer. Soil moistures sampled from different land use types had a layer averaged rank as: closed mountain land>runoff land>slope-transformed terrace land>shrub land>abandoned land. (2) Filed moisture capacity of slope-transformed terrace with Chinese prickly ash established on it was higher than that of abandoned land. (3) The rocky desertification usually had the properties of dispersed soil particle, damaged soil structure, and declined soil permeability ability. The rank of porosity is: forest land>slope-transformed terrace>natural shrub>arable land>abandoned land. (4) Total potassium content is higher and positively correlated with pH values. The nitrogen content is below the country-wide mean level, soil nutrients are insufficient. [Conclusion] Land use patterns which have different soil features are the synergetic effects of rocky desertification grades and land use measures. The water carrying capacity and nutrition in the soil of Huajiang area were evaluated to be at low level and the products on it are low. Where the lands are not appropriate to be cultivated. Hence, it is suggested that the present cultivated lands should be dwindled; And meanwhile economic forest lands and grasslands be enlarged; and again the natural forest lands should be preserved.

Keywords:karst gorge area; rocky desertification; land use types; human intervention; physical and chemical properties of soils

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0092-05

中圖分類號(hào)：S151.9

通信作者：周忠發(fā)(1969—),男(漢族),貴州省貴陽(yáng)市人,博士,教授,主要從事GIS、喀斯特資源與環(huán)境方面的研究。E-mail:fa6897@163.com。

收稿日期：2014-09-29修回日期：2014-10-12

資助項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)(973)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“人為干預(yù)下喀斯特山地石漠化的演變機(jī)制與調(diào)控”(2012 CB723202); 貴州省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合重大專項(xiàng)字[2013]6024號(hào)); 貴州省國(guó)際科際合作計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合外G字[2012]7022號(hào))

第一作者：田漣祎(1991—),女(苗族),貴州省思南縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)榭λ固芈糜钨Y源評(píng)價(jià)開發(fā)。E-mail:1206369102@qq.com。