巖溶山區(qū)土壤水的地球化學(xué)特征及其與土壤環(huán)境的關(guān)系

覃星銘 何丙輝 吳華英

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 重慶 400716； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004)

巖溶山區(qū)土壤水的地球化學(xué)特征及其與土壤環(huán)境的關(guān)系

覃星銘1,2何丙輝1吳華英2

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 重慶 400716； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004)

巖溶峰叢山區(qū)； 土壤水； 地球化學(xué)性質(zhì)； 土壤環(huán)境因子； 灰度關(guān)聯(lián)； 典范對應(yīng)分析

引言

作為全球巖溶三大分布中心之一的中國西南地區(qū)，境內(nèi)碳酸鹽巖類巖層縱深橫廣，巖溶現(xiàn)象普遍、多樣，類型繁雜、發(fā)育強(qiáng)烈，在相對脆弱的巖溶多重介質(zhì)與不合理的人為活動的疊加影響下，引發(fā)植被破壞、土地質(zhì)量衰退、水土流失、干旱缺水、群眾生活貧困等一系列的問題[1-2]。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)的環(huán)境地質(zhì)簡圖Fig.1 Schematic environmental geology map of monitoring point in research area

土壤水是大氣降雨經(jīng)巖溶表層帶中的土壤向地下水轉(zhuǎn)化的重要紐帶，也是巖溶關(guān)鍵帶植物、微生物生存發(fā)展的物質(zhì)和水分來源，直接關(guān)系到巖溶關(guān)鍵帶水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗。土壤作為土壤水的空間存儲載體和物質(zhì)能量來源，可認(rèn)為土壤質(zhì)量條件是響應(yīng)土壤水的重要環(huán)境因子。目前，有部分專家學(xué)者對巖溶峰叢山區(qū)土壤異質(zhì)性及其環(huán)境的影響進(jìn)行了研究[3-9]，也取得了很多研究成果[10-11]，但對巖溶峰叢山區(qū)土壤水的地球化學(xué)性質(zhì)方面的研究較少[12-13]，特別是利用灰度關(guān)聯(lián)分析(Grey relational analysis，GRA)和典范對應(yīng)分析(Canonical correspondence analysis，CCA)等方法討論巖溶山區(qū)土壤水地球化學(xué)性質(zhì)及其環(huán)境響應(yīng)方面的研究鮮有報道[14-15]。因此，本文選擇巖溶峰叢山區(qū)土壤-土壤水為研究對象，研究土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的空間變化特征及其對土壤環(huán)境條件的響應(yīng)關(guān)系，以期完善土壤水與環(huán)境關(guān)系的方法研究、指導(dǎo)巖溶峰叢山區(qū)生態(tài)重建和農(nóng)林水土工程調(diào)蓄。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于桂西南右江中游石漠化最為嚴(yán)重的中心地帶之一的廣西平果縣果化鎮(zhèn)布堯村一帶，面積約3 km2，由多組高低錯落的錐狀山峰聯(lián)座組合形成巖溶峰叢洼地地貌，海拔150～500 m，為典型的巖溶峰叢山區(qū)。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、茅口組(P1m)和石炭系上統(tǒng)(C3)[16]，成土母巖和主要含水層為中厚層狀灰?guī)r，地表水系不發(fā)育。受人為活動和巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，研究區(qū)內(nèi)石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，土層淺薄，坡地土壤厚度為0～60 cm，土被不連續(xù)分布，土壤主要為棕褐色石灰土。植被類型單一，主要以稀疏林地、低矮灌草叢為主，耕種地主要以火龍果(HylocereusundulatusBritt)為主，種植面積較大，間種黃豆(Glycinemax)和花生(Arachishypogaea)等農(nóng)作物。研究區(qū)所設(shè)置的7個樣地為旱耕地土被條件，均為二疊系下統(tǒng)棲霞組地層，地表為散流狀表層巖溶帶(圖1)。

1.2 樣品采集與分析

于2015年4—8月在研究區(qū)內(nèi)對7個樣地進(jìn)行野外觀測和采樣分析，挖開土壤剖面按0～20 cm、20～40 cm分層采集土壤樣品，樣品的采集按剖面深度分別選取4～6個樣點(diǎn)，分層采集樣點(diǎn)土壤混合風(fēng)干，經(jīng)研磨過篩后備用。土壤樣品測定由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤分析檢測中心依據(jù)《土壤分析技術(shù)規(guī)范》及常規(guī)的方法測定[17-18]。土壤水由自行研制的滲流土壤水收集器分層進(jìn)行水樣采集[19]，樣品由國土資源部巖溶地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心依據(jù)地下水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法進(jìn)行水化學(xué)性質(zhì)的測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法與統(tǒng)計分析

運(yùn)用Excel 2016、Matlab 7.0和Canoco 5.0等軟件對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計、分析和作圖。其中Excel 2016主要用于描述性統(tǒng)計分析，計算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等；Matlab 7.0用于灰度關(guān)聯(lián)分析；Canoco 5.0用于降趨對應(yīng)分析(Detrended correspondence analysis，DCA)和典范對應(yīng)分析[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1巖溶峰叢山區(qū)土壤-土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的空間變化特征

表1為巖溶峰叢山區(qū)土壤性質(zhì)的空間描述性統(tǒng)計分析，分析結(jié)果表明：土壤pH值的變異系數(shù)小于10.5%，遠(yuǎn)低于土壤的其他地球化學(xué)指標(biāo)，說明其空間變化較?。幌鄬Χ?，土壤速效磷含量和有效鋅含

量的變異系數(shù)在0～20 cm和20～40 cm均較大，其空間變化較大；全磷含量、pH值、有效鋅含量、有效鐵含量、有效硼含量、交換性鈣含量在0～20 cm的含量的變異系數(shù)比20～40 cm的大，而全氮含量、全鉀含量、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、有效銅含量、有效錳含量、交換性鎂含量的變異系數(shù)則表現(xiàn)相反。從巖溶峰叢山區(qū)土壤水的地球化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)果可知(表2)，土壤水pH值的變異系數(shù)最小，屬于弱變異，而鉀離子含量、鎂離子含量的變異系數(shù)均大于100%；除了鎂離子含量和氯離子含量的變異系數(shù)表現(xiàn)出0～20 cm小于20～40 cm，土壤水的其他地球化學(xué)指標(biāo)含量的變異系數(shù)均表現(xiàn)為0～20 cm大于20～40 cm。由此說明巖溶峰叢山區(qū)不同土地利用條件與不同深度土壤-土壤水地球化學(xué)性質(zhì)均存在不同程度的異質(zhì)性，各地球化學(xué)指標(biāo)值對巖溶峰叢山區(qū)的環(huán)境條件和人為活動影響的響應(yīng)程度不盡相同。

2.2巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)特征的灰色關(guān)聯(lián)分析

表1 巖溶峰叢山區(qū)土壤地球化學(xué)的空間描述性統(tǒng)計特征Tab.1 Descriptive statistical analysis of soil geochemical indicators in karst peak-cluster area

表2 巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)的空間描述性統(tǒng)計特征Tab.2 Descriptive statistical analysis of soil water geochemical indicators in karst peak-cluster area

表3 巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.3 Grey correlation coefficient analysis of soil water geochemical indicators in karst peak-cluster area

2.3 巖溶峰叢山區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的灰度關(guān)聯(lián)分析

以土壤全氮含量(TN)、全鉀含量(TK)、全磷含量(TP)、速效氮含量(AN)、速效磷含量(AP)、速效鉀含量(AK)、有機(jī)質(zhì)含量(OM)、pH值和土壤腐殖質(zhì)中的胡敏酸含量(HA)、富里酸含量(FA)、胡敏素含量(HM)等指標(biāo)作為綜合評價土壤環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)。由表4的灰度關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，峰叢山區(qū)土壤地球化學(xué)指標(biāo)對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響各不相同；0～20 cm淺層土壤各地球化學(xué)指標(biāo)對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響能力由大到小依次為TN、HA、AK、FA、TK、pH值、OM、HM、TP、AN、AP，而20～40 cm深度指標(biāo)影響由大到小排序為pH值、TK、TN、HA、TP、AK、FA、AP、HM、AN、OM；0～20 cm淺層土壤各地球化學(xué)指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響程度相差較大，其中TN、HA、AK、FA、TK、pH值對土壤質(zhì)量的影響較大，相對而言，除了pH值和TK含量的影響較大外，20～40 cm深度土壤其他各地球化學(xué)指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響程度較為接近，說明隨著土壤深度的增加，土壤環(huán)境質(zhì)量受單一地球化學(xué)指標(biāo)的影響不突出，而是趨向于受土壤地球化學(xué)指標(biāo)的綜合影響。

表4 巖溶峰叢山區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.4 Grey correlation coefficient of soil geochemical indicators in karst peak-cluster area

2.4土壤水地球化學(xué)特征對土壤環(huán)境因子響應(yīng)程度的典范對應(yīng)分析

2.4.1排序模型的選擇及其可靠性分析

先利用Canoco 5.0軟件對巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行降趨對應(yīng)分析，DCA分析結(jié)果顯示4個排序軸中梯度最大值(即第一排序軸)大于4，說明單峰模型比線性模型更適合用于分析巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)特征與土壤環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系。分別將土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量和pH值)、土壤中微量元素有效態(tài)和交換態(tài)含量(交換性鈣ECa、交換性鎂EMg、有效銅ACu、有效鐵AFe、有效鋅AZn、有效錳AMn、有效硼AB)、土壤機(jī)械和腐殖質(zhì)組成(0.2～2.0 mm粒徑、0.02～0.20 mm粒徑、0.002～0.020 mm粒徑、小于0.002 mm粒徑、土壤含水率、胡敏酸含量、富里酸含量、胡敏素含量)作為3類土壤環(huán)境因子，分別與土壤水地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行典范對應(yīng)分析。由單峰模型中的約束性排序方法的排序圖判圖規(guī)則進(jìn)行相關(guān)關(guān)系的判斷。

通過CCA排序分析討論土壤環(huán)境特征和土壤水地球化學(xué)特征之間的關(guān)系，其響應(yīng)關(guān)系研究結(jié)果如表5所示，典范對應(yīng)分析排序軸第一軸和第二軸的特征值變化范圍分別為0.361～0.381、0.092～0.100，土壤水地球化學(xué)指標(biāo)與土壤環(huán)境因子排序軸的相關(guān)系數(shù)均大于或等于0.940，用蒙特卡擬合(Monte Carlo permutation test)對其關(guān)系的顯著性進(jìn)行檢驗的結(jié)果值范圍為0.002～0.008，且第一和第二排序軸對土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的解釋量分別大于等于51.50%和13.12%，對土壤與土壤水地球化學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的累計百分比變化率大于62.3%，第一軸和第二軸相關(guān)關(guān)系分別為趨近于零的0.020、0.013和0.040而表現(xiàn)出兩軸幾近于垂直的關(guān)系，以上分析結(jié)果說明典范對應(yīng)分析能可靠地反映土壤水的地球化學(xué)指標(biāo)值隨土壤地球化學(xué)環(huán)境因子的變化趨勢，可通過前2個排序軸的二維排序圖來分析討論土壤水地球化學(xué)特征對土壤環(huán)境因子的響應(yīng)。

表5 土壤水地球化學(xué)性質(zhì)與土壤環(huán)境因子的CCA分析Tab.5 CCA results of soil water geochemical indicators and soil environmental factors

2.4.2土壤養(yǎng)分環(huán)境因子對土壤水地球化學(xué)特征的影響

由圖2中CCA排序分析的結(jié)果說明土壤養(yǎng)分的8個環(huán)境因子對土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的空間分布特征都表現(xiàn)出了不同程度的影響，由箭頭連線長度可判斷出土壤養(yǎng)分的速效鉀對土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的影響最大，全氮的影響最小。由線段箭頭所在的象限可知，土壤養(yǎng)分環(huán)境因子與土壤水地球化學(xué)特征的第一排序軸正相關(guān)的由大到小排序依次為全鉀含量、pH值、全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.45、0.42、0.31、0.30、0.18；負(fù)相關(guān)的由大到小排序依次為速效鉀含量、全磷含量、速效磷含量。由此可以得出土壤養(yǎng)分環(huán)境因子與土壤水地球化學(xué)性質(zhì)第一排序軸的相關(guān)性由大到小依次為速效鉀含量、全鉀含量、pH值、全磷含量、有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量、速效磷含量、全氮含量。土壤養(yǎng)分環(huán)境因子與土壤水地球化學(xué)性質(zhì)第二排序軸的相關(guān)性由大到小排序依次為速效鉀含量、全鉀含量、速效氮含量、速效磷含量、pH值、全氮含量、全磷含量、有機(jī)質(zhì)含量，由此說明速效鉀含量、全鉀含量、pH值和速效氮含量是影響土壤水地球化學(xué)特征的主要土壤養(yǎng)分因子，結(jié)合研究區(qū)施肥情況的走訪調(diào)查分析可知，受人工施用鉀肥影響下的土壤速效鉀和全鉀的含量對土壤水地球化學(xué)特征的影響最大。

圖2 土壤水地球化學(xué)特征與土壤養(yǎng)分因子的CCA二維排序圖Fig.2 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil nutrients environmental factors

2.4.3土壤中微量元素含量與土壤水地球化學(xué)特征的相關(guān)聯(lián)分析

由土壤中微量元素有效態(tài)和交換態(tài)含量與土壤水地球化學(xué)特征的CCA排序分析結(jié)果可知(圖3)，土壤交換性鎂含量對土壤水地球化學(xué)特征的影響最大，有效鐵、錳、硼含量的影響非常弱，與土壤水地球化學(xué)特征的第一排序軸相關(guān)關(guān)系由大到小排序依次為EMg、AZn、ACu、ECa、AFe、AB、AMn，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.54、-0.29、0.12、0.06、-0.04、-0.01。土壤中微量元素有效態(tài)與交換態(tài)含量與第二排序軸的相關(guān)系數(shù)整體比第一排序軸小，其由大到小排序依次為ACu、AFe、AZn、EMg、AMn、AB、ECa，其中有效硼和交換性鈣含量的影響非常小。根據(jù)以上分析可知土壤中微量元素中的交換性鎂、有效鋅、有效銅含量對土壤水地球化學(xué)特征的影響較大。

圖3 土壤水地球化學(xué)特征與土壤中微量元素因子的CCA二維排序圖Fig.3 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil medium and microelements environmental factors

2.4.4土壤水地球化學(xué)特征對土壤機(jī)械與腐殖質(zhì)組成因子的響應(yīng)分析

由于土壤腐殖質(zhì)具有較好的黏結(jié)性，是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的良好膠結(jié)劑，對土壤的結(jié)構(gòu)有一定的影響，因此將土壤腐殖質(zhì)的3種重要組成成分與土壤機(jī)械組成、土壤含水率歸類在一起討論它們與土壤水地球化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果顯示(圖4)，土壤機(jī)械和腐殖質(zhì)組成與土壤水地球化學(xué)特征第一排序軸的相關(guān)關(guān)系由大到小依次為土壤含水率、0.2～2.0 mm粒徑、小于0.002 mm粒徑、0.002～0.020 mm粒徑、FA、0.02～0.20 mm粒徑、HM、HA，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.799、0.705、-0.568、0.441、0.419、0.364、0.244、-0.107，土壤含水率與第一排序軸的相關(guān)關(guān)系最大，呈顯著負(fù)相關(guān)，這符合土壤水地球化學(xué)指標(biāo)值濃度隨土壤含水率增加而降低的客觀現(xiàn)象；土壤機(jī)械和腐殖質(zhì)組成與土壤水地球化學(xué)特征第二排序軸的相關(guān)關(guān)系由大到小依次為HA、HM、0.002～0.020 mm粒徑、小于0.002 mm粒徑、0.02～0.20 mm粒徑、FA、土壤含水率、0.2～2.0 mm粒徑，胡敏酸與第二排序軸呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.736。相關(guān)系數(shù)大小與第一軸的差別不大，但是大小排序的前后指標(biāo)卻呈相反的方向，由此說明土壤機(jī)械和腐殖質(zhì)組成的各項指標(biāo)對土壤水地球化學(xué)特征指標(biāo)的影響比較復(fù)雜且具有多重影響性，因此需要對土壤含水率、0.2～2.0 mm粒徑、HA、HM、0.002～0.020 mm粒徑、小于0.002 mm粒徑6個指標(biāo)與土壤水地球化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行適應(yīng)值分析。

圖4 土壤水地球化學(xué)特征與土壤腐殖質(zhì)和機(jī)械組成因子的CCA二維排序圖Fig.4 Two-dimensional sorting diagram of CCA for soil water geochemical indicators and soil humus and mechanical composition factors

3 討論

CCA分析的結(jié)果顯示土壤水中Ca2+與影響土壤水地球化學(xué)特征的主要土壤環(huán)境因子之間的響應(yīng)程度較弱，這可能與富鈣的巖溶地質(zhì)背景條件有關(guān)[27-28]，此外本文只綜合性的對土壤水與土壤環(huán)境因子進(jìn)行典范對應(yīng)分析，未細(xì)分樣地的坡度、坡向、土地利用等條件，這些問題有待于進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

(1)巖溶峰叢山區(qū)土壤水地球化學(xué)性質(zhì)與土壤環(huán)境指標(biāo)均存在不同程度的空間異質(zhì)性，其中土壤水和土壤中pH值變異系數(shù)最小，能較好地保持巖溶地球化學(xué)背景條件下中性偏弱堿的酸堿條件；土壤水地球化學(xué)和土壤的其他指標(biāo)則受植被條件、人為活動等因素的影響而表現(xiàn)出不同的異質(zhì)性特征，而且除了鎂離子和氯離子，土壤水其他地球化學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)均表現(xiàn)為0～20 cm大于20～40 cm，說明表層土壤水地球化學(xué)性質(zhì)更易受環(huán)境條件的影響。

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CharacteristicsofSoilWaterGeochemistryandItsResponsetoSoilEnvironmentalFactorsinKarstPeak-clusterArea

QIN Xingming1,2HE Binghui1WU Huaying2

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China2.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China)

karst peak-cluster area; soil water; geochemistry; soil environmental factors; grey correlation; canonical correspondence analysis

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.034

S153.5； X824

A

1000-1298(2017)11-0280-09

2017-08-10

2017-09-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0502402)、國家自然科學(xué)基金項目(41502257)、中國地質(zhì)大調(diào)查項目(DD20160324)和中國地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目(2017026)

覃星銘(1983—)，男，博士生，中國地質(zhì)科學(xué)院高級工程師，主要從事巖溶水土工程研究，E-mail: qxm212@karst.ac.cn

何丙輝(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究，E-mail: hebinghui@swu.edu.cn