典型巖溶小流域不同土地利用類型土壤鈣分布及形態(tài)特征

倪大偉 王 妍,2 劉云根,2 侯 磊,2 楊桂英 王艷霞 聞國靜

(1. 西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)農(nóng)村污水處理研究所，云南 昆明 650224)

作為碳酸鹽巖液相與固相交流的重要介質(zhì)之一，鈣是決定沉積、巖石溶解、土壤理化指標(biāo)及水化學(xué)特征等的重要元素，驅(qū)動并制約著巖溶環(huán)境的元素遷移，因此研究鈣的分布及其形態(tài)特征對巖溶地區(qū)生物有效性及鈣循環(huán)的影響具有重要的指導(dǎo)意義[1-3]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對影響土壤鈣元素的賦存形態(tài)、遷移動態(tài)的因素進(jìn)行了大量的研究。如Plan[4]、Li等[5]及Jorgensen等[6]的研究表明地貌部位、微生物和碳酸酐酶及酸雨對巖溶區(qū)土壤中鈣元素的分布和遷移特征有影響；藍(lán)家程等[7]、關(guān)共湊等[8]及陳家瑞等[9]的研究表明有機(jī)質(zhì)含量、降雨及石灰土中腐殖質(zhì)的種類和含量也同樣影響著巖溶土壤的理化性質(zhì)及元素遷移。近年來受自然因素及人為干擾影響的加劇，巖溶區(qū)不同土地利用類型的鈣元素變化明顯，其分布特征是近年來研究的熱點(diǎn)[10]，而目前關(guān)于國內(nèi)高原典型巖溶區(qū)流域內(nèi)不同土地利用類型中土壤鈣的分布及形態(tài)特征的研究卻鮮有報道。

本研究特選擇滇東南普者黑小流域典型巖溶區(qū)不同土地利用類型為研究對象，探究小流域內(nèi)不同土地利用類型中土壤鈣的分布及形態(tài)特征，并探尋引起其分布差異性的主要土壤理化指標(biāo)，研究成果可為普者黑流域內(nèi)巖溶湖濱濕地保護(hù)及石漠化防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省文山壯族苗族自治州丘北縣境內(nèi)的普者黑濕地公園開發(fā)區(qū)小矣堵村，地處東經(jīng)104°06′，北緯24°08′N。研究區(qū)屬低緯度季風(fēng)氣候，具有終年溫和濕潤的中亞熱帶氣候特征，平均氣溫16.4 ℃，極端高溫35.7 ℃，極端低溫-7.6 ℃，7月氣溫最高，1月氣溫最低，平均降雨量1 206.8 mm，年平均日照時數(shù)1 800 h，年相對濕度77%，無霜期259 d，平均風(fēng)速2.0 m/s。

普者黑流域 (東經(jīng)103°55′～104°13′，北緯24°05′～24°12′) 位于滇東南巖溶區(qū)，地處云貴高原向桂西平原的斜坡地帶，屬于普者黑巖溶盆地，盆地內(nèi)廣泛分布著古生代石炭系、二疊系和中生三疊系灰?guī)r，盆地東部邊緣有部分碎屑巖分布，為中低山剝蝕地貌，地形坡度一般為20°～25°。普者黑流域水域面積為13.00 km2，流域土壤以石灰土為主，石灰土受巖溶山地母巖的影響，土壤結(jié)構(gòu)較好，肥力較高。普者黑流域因其國內(nèi)罕見的水文地質(zhì)條件在西南部地貌中極為代表性，是非常典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

依據(jù)國標(biāo)GB-T 21010—2007 《土地利用現(xiàn)狀分類》，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型自身的特點(diǎn)，將研究區(qū)劃分為裸地、林地、旱地、水田、濕地5種土地利用類型。其中，裸地為表層有巖石、石礫，基本無植被覆蓋的土地且坡度大于40°；林地指大量人工林和天然林覆蓋的土地；旱地指無灌溉設(shè)施，主要靠天然降水種植旱生農(nóng)作物的耕地；水田指用于種植水稻田等水生農(nóng)作物的耕地；濕地位于水田下游的巖溶湖濱帶。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

采樣選用典型樣地取樣法，分別在裸地、林地、旱地、水田及濕地5種不同利用類型土地選取20 m × 20 m的樣方，在樣方內(nèi)隨機(jī)3點(diǎn)取樣，取樣時挖取土壤剖面，剝?nèi)ケ韺涌葜β淙~和腐殖質(zhì)后，采用3點(diǎn)混合的方法分層采集表層 (0～10 cm)、底層 (10～20 cm) 的土壤樣品，并將采集好的3個土樣在采樣現(xiàn)場進(jìn)一步混合均勻后立即放入密封袋。待土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，磨細(xì)過20目和100目篩備用。

2.2 測定內(nèi)容及方法

需要測定土壤中的全鈣含量、各形態(tài)鈣 (酸可提取態(tài)鈣、可還原態(tài)鈣、可氧化態(tài)鈣和殘渣態(tài)鈣) 含量、全磷含量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸堿度以及土壤粒徑組成 (黏粒、粉粒和砂粒)。土壤中酸可提取態(tài)鈣為可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈣，因具備活性大，遷移性強(qiáng)等特點(diǎn)，容易被生物吸收利用；可還原態(tài)鈣是鐵錳氧化物結(jié)合的鈣，在還原條件下，該部分鈣可被生物所利用；可氧化態(tài)鈣主要指被有機(jī)酸聚合物結(jié)合的鈣，在氧化條件下，該部分鈣可釋放出來；殘渣態(tài)鈣取決于礦物的天然組成，該部分鈣在自然條件下很難被利用[9,11]。

全鈣含量采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解制備待測液，各形態(tài)鈣含量采用BCR連續(xù)提取法制備待測液，用電感耦合等離子體光譜儀測定；全磷含量采用高氯酸-硫酸消解，鉬銻抗比色法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-比色法測定；土壤酸堿度用pH值來衡量，采用電位法測定；土壤粒徑組成采用馬爾文激光粒度儀測定。

2.3 分析方法

冗余分析 (RDA) 是約束化的主成分分析，排序軸是參與排序的環(huán)境變量的線性組合，冗余分析能夠結(jié)合多個環(huán)境因子一起分析，從而能夠更好地反映物種與環(huán)境之間的關(guān)系。冗余分析可將物種排序和環(huán)境因子排序表示在一個圖上，可以直觀地看出它們之間的關(guān)系，環(huán)境因子用箭頭表示，箭頭所處的象限表示環(huán)境因子與排序軸之間的正負(fù)相關(guān)性，箭頭連線的長度代表著某個環(huán)境因子與物種分布相關(guān)程度的大小，連線越長，代表這個環(huán)境因子對物種的分布影響越大；2個箭頭之間的夾角大小代表著2個環(huán)境因子之間相關(guān)性的大小，夾角越小，相關(guān)性越大；箭頭和排序軸的夾角代表著某個環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性大小。

將5種土地利用類型的全鈣及各形態(tài)鈣作為物種數(shù)據(jù)，將pH、有機(jī)質(zhì)、全磷、黏粒、粉粒、砂粒作為環(huán)境因子，進(jìn)行冗余分析，數(shù)據(jù)采用Excel 2010及Canoco 4.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 5種土地利用類型鈣含量的空間分布

5種土地利用類型鈣的空間分布見表1。

表1 同一種土地利用類型下表層與底層之間不同類型鈣的單因素方差分析結(jié)果Table 1 ANOVA for different types of calcium between the surface and bottom under the same type of land use g/kg

注：同列不同小寫字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

由表1可知，殘渣態(tài)鈣含量的最小值出現(xiàn)在裸地的底層中，最大值出現(xiàn)在濕地底層中；可氧化態(tài)鈣含量的最小值出現(xiàn)在裸地的底層中，最大值出現(xiàn)在水田表層中；可還原態(tài)鈣含量的最小值出現(xiàn)在裸地的底層中，最大值出現(xiàn)在水田表層中；酸可提取態(tài)鈣含量的最小值出現(xiàn)在裸地的底層中，最大值出現(xiàn)在林地表層中；全鈣含量的最小值出現(xiàn)在裸地的底層中，最大值出現(xiàn)在林地表層中?？傮w來看，在5種土地利用類型中，裸地和旱地的鈣含量處于較低水平，林地、水田及濕地鈣含量處于較高水平；全鈣及4種形態(tài)鈣含量的空間分布趨勢一致，均表現(xiàn)為林地 > 水田 > 濕地 > 旱地 > 裸地；每種土地利用類型下鈣含量大小排序均表現(xiàn)為酸可提取態(tài)鈣 > 可還原態(tài)鈣 > 可氧化態(tài)鈣 > 殘渣態(tài)鈣。

3.2 5種土地利用類型鈣含量的單因素方差分析

5種土地利用類型之間鈣含量的單因素方差分析結(jié)果見表2。

表2 5種土地利用類型之間同種類型鈣的單因素方差分析結(jié)果Table 2 ANOVA for the same type of calcium between 5 land use types g/kg

注：同列不同小寫字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

由表2可知，5種土地利用類型下除殘渣態(tài)鈣含量之間差異不顯著外，其余每種鈣含量之間均存在顯著差異 (P< 0.05)。總體來看，鈣含量均受土地利用類型的變化而變化。

3.3 同種土地利用類型不同土層間鈣含量的單因素方差分析

同一種土地利用類型下表層與底層之間鈣含量的單因素方差分析結(jié)果見表1。

由表1可知，除裸地中表層與底層的可氧化態(tài)鈣含量之間差異不顯著以及林地和旱地中的表層與底層的殘渣態(tài)鈣含量之間差異不顯著外，每種土地利用類型下表層與底層的鈣含量之間均呈顯著差異 (P< 0.05)?？傮w來看，在每種土地利用類型下，鈣含量均受土層深度的變化而變化，并且以表層富集明顯。

3.4 5種土地利用類型各土壤理化指標(biāo)特征

5種土地利用類型各土壤理化指標(biāo)見表3。由表3可知，水田的pH高于其他4種土地利用類型，除林地的pH隨著土壤深度的增加而降低外，其他4種土地利用類型的pH都隨著土壤深度的增加而升高，平均值排序為：水田 > 濕地 > 旱地 > 林地 > 裸地?；趯ν寥浪釅A度的分析，表明普者黑流域土壤多呈中性或微酸性。

隨著土壤深度的增加，5種土地利用類型有機(jī)質(zhì)含量都隨著土壤深度的增加而降低，從裸地到濕地，有機(jī)質(zhì)含量逐漸升高，從裸地的17.89 g/kg升高到濕地的89.68 g/kg，有機(jī)質(zhì)空間變異非常大，平均值排序為：濕地 > 水田 > 旱地 > 林地 > 裸地?；趯ν寥烙袡C(jī)質(zhì)含量的分析，表明普者黑流域土壤的有機(jī)質(zhì)含量較為豐富。

表3 5種土地利用類型各土壤的理化指標(biāo)Table 3 Characteristics of soil physical and chemical indexes of 5 land use types

注：黏粒 (d≤ 0.005 mm)，粉粒 (0.005

除裸地的全磷含量隨著土壤深度的增加而升高外，其他4種土地利用類型的全磷含量都隨著土壤深度的增加而降低；從裸地到旱地，全磷含量呈梯度升高，從旱地到濕地，全磷含量呈梯度降低，整個變化過程中，在旱地達(dá)到最大值3.07 g/kg，而在不同土壤深度上，裸地全磷含量均最低?；趯ν寥廊缀康姆治?，表明普者黑流域土壤的磷素水平較高。

5種土地利用類型粒徑組成均以砂粒為主，并且砂粒的百分含量均大于65%，與砂粒、粉粒不同的是，5種土地利用類型的黏粒百分含量特別低，其中林地表層粒徑組成中沒有黏粒?；趯α浇M成的分析，表明砂粒在所有顆粒組分中占有絕對優(yōu)勢，流域內(nèi)土壤質(zhì)地應(yīng)該歸類于砂質(zhì)土。

3.5 鈣含量與土壤理化指標(biāo)的的冗余分析

從排序圖 (圖1) 可以看出，pH與全鈣、各形態(tài)鈣、有機(jī)質(zhì)、全磷、砂粒的相關(guān)性均較高，說明隨著土壤從酸性向堿性過渡，全鈣、各形態(tài)鈣、有機(jī)質(zhì)、全磷、砂粒的含量均呈上升趨勢；黏粒和粉粒與全鈣、各形態(tài)鈣和其他4種土壤理化指標(biāo)的夾角均呈鈍角，說明隨著黏粒和粉粒占整個粒徑組成的比重上升，全鈣、各形態(tài)鈣和其他4種土壤理化指標(biāo)的含量呈下降趨勢；全鈣與4種形態(tài)鈣之間的夾角均比較小，說明全鈣與各形態(tài)鈣之間的相關(guān)性都比較高；從排序圖中同一種土地利用類型下樣方之間的連線距離可以看出，裸地、林地與濕地的表層和底層差異均比較大，對于5種土地利用類型所有樣方之間的連線看，濕地表與林地表、旱地、水田之間的連線距離均比較短，說明濕地表與幾處樣方之間的差異性比較小。

1～10分別代表裸地表、裸地底、林地表、林地底、旱地表、旱地底、水田表、水田底、濕地表、濕地底。

圖1鈣含量與土壤理化指標(biāo)的RDA排序圖
Fig.1 RDA ordination diagram of calcium content of soil physical and chemical indexes

土壤理化指標(biāo)與排序軸之間的相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可知，對于鈣含量來講，第1、第2排序軸間相關(guān)系數(shù)僅為0.198，默認(rèn)這2個排序軸近乎垂直，對于土壤理化指標(biāo)來講，這2個排序軸的相關(guān)性為0，表明RDA的排序結(jié)果是正確的[12]；在土壤理化指標(biāo)中，黏粒和粉粒與第1排序軸呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.518 3和0.608 4，其他土壤理化指標(biāo)與第1排序軸呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對值排序為：pH (-0.814 1)> 有機(jī)質(zhì) (-0.745 7)> 砂粒 (-0.606 8)> 全磷 (-0.573 8)；和第2排序軸相比，土壤理化指標(biāo)與第1排序軸的相關(guān)性明顯較高，表明排序圖的水平方向大體上反映了鈣含量對土壤理化指標(biāo)的適應(yīng)關(guān)系；在第2排序軸上，除全磷含量的相關(guān)系數(shù)為-0.464 8，具有研究意義外[13]，其他土壤理化指標(biāo)與第2排序軸都呈很低的相關(guān)性，表明第2排序軸大體反映的是鈣含量分布隨全磷的梯度變化，這與韓湘云等[14]獲得的結(jié)論一致；土壤理化指標(biāo)對鈣含量分布影響程度大小依次為：pH > 有機(jī)質(zhì) > 粉粒 > 砂粒 > 全磷 > 黏粒。表明酸堿度是影響不同土地利用類型鈣含量分布的最主要土壤理化指標(biāo)。

表4 土壤理化指標(biāo)與排序軸之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of soil physical and chemical indexes with ordinal axis

注：SPX1表示土壤屬性第1排序軸，SPX2表示土壤屬性軸第2排序軸；ENX1表示環(huán)境因子第1排序軸，ENX2表示環(huán)境因子第2排序軸。

4 結(jié)論與討論

石灰?guī)r的富鈣特征導(dǎo)致石灰土具有較高的鈣含量，而石灰土具有淋溶脫鈣的特點(diǎn)[15]。本研究中，林地、水田及濕地鈣含量均處于較高水平，其中林地鈣含量大于其他4種土地利用類型，原因可能是林地植被覆蓋率高，導(dǎo)致土壤中的鈣元素不易被淋溶流失，又因為林地底層地質(zhì)作用強(qiáng)烈，碳酸鹽巖的溶解能釋放出大量鈣，使得大量鈣不停的輸入到土壤中[16]，導(dǎo)致林地表層鈣大量積累。土壤鈣元素在土壤剖面上存在淋溶累積現(xiàn)象，鈣含量從土壤底層到表層減少[17]，裸地、林地、旱地和濕地的鈣含量均為表層顯著大于底層，可能由于普者黑流域表層土質(zhì)較底層松軟且底泥淺，導(dǎo)致表層富集明顯。而水田鈣含量為表層顯著小于底層，可能由于水田長期耕種施肥導(dǎo)致磷素水平較高，而磷元素會與碳酸鈣發(fā)生共沉淀，沉積到底層土壤，使得表層全鈣小于底層。5種土地利用類型中的鈣均以酸可提取態(tài)鈣含量居多，說明流域內(nèi)的大部分鈣易于遷移和可被生物吸收利用。此外，在5種土地利用類型中，雖然全鈣含量差異較大，但殘渣態(tài)鈣含量相差并不多，而且含量均表現(xiàn)很低，原因可能是隨著石灰土的發(fā)育，由碳酸鹽巖溶蝕產(chǎn)生的由鈣鎂形成的易溶性重碳酸鈣、鎂隨水流失嚴(yán)重，而由碳酸鹽巖溶蝕風(fēng)化后的殘余物卻很少[9]。

酸堿度是土壤重要的理化指標(biāo)，受土壤鹽基狀況的支配，鹽基飽和度越大，對酸的緩沖能力越強(qiáng)，土壤的酸堿度也較高[18]。冗余分析表明，酸堿度是影響不同土地利用類型鈣含量分布的最主要土壤理化指標(biāo)，合理調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，對改善普者黑流域的土壤質(zhì)量起著重要的作用。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，土壤有機(jī)質(zhì)含量的增多，抵御水土流失的能力增強(qiáng)[9]，巖溶土壤的有機(jī)質(zhì)含量對鈣元素有很強(qiáng)的吸附和絡(luò)合作用，流域內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量豐富，從而可以抑制鈣的流失[19]。根據(jù)化黨領(lǐng)等[20]的研究，土壤中的磷含量呈現(xiàn)表層高，底層低的特點(diǎn)是因為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)把磷肥投放在土壤表層，并且磷肥的當(dāng)季利用率較低，旱地與水田由于長期的耕種作用，使得其表層磷含量高于底層，且高于其他土地利用類型，巖溶地貌農(nóng)田土壤養(yǎng)分流失的相關(guān)研究表明，農(nóng)田土壤的高鈣特性使得氮、磷等營養(yǎng)物遷移轉(zhuǎn)化過程加劇，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失加快[21]，水田中較高的鈣含量可以加速磷向濕地的遷移，也進(jìn)一步加速了下游濕地水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。土壤的蓄水能力受土壤孔隙狀況與比表面積共同影響[22-23]，砂粒是土粒粒徑組成中較粗的部分，由于比表面積小，并且互相之間支撐較易形成大的孔隙，從而影響土壤的蓄水能力，并且土壤持水能力隨砂粒含量的增加而遞減[24]。流域內(nèi)土壤粒徑組成均以砂粒為主，從而嚴(yán)重降低了土壤的蓄水能力，加速了流域內(nèi)鈣的遷移和溶蝕。

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