巖層傾向?qū)δ戏娇λ固氐貐^(qū)坡耕地土壤理化性質(zhì)的影響

賈洪杰,甘鳳玲,李振輪,黃雪嬌,馮 密,馮 適,毛鑫羽

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400716

我國南方喀斯特地區(qū)面積大、分布廣、地形條件復(fù)雜、水土流失快、裸巖率高、土層淺薄,是典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)該地區(qū)承載人口多,人為活動(dòng)強(qiáng)烈,導(dǎo)致石漠化風(fēng)險(xiǎn)極大。為此,恢復(fù)和維持該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境對(duì)我國南方環(huán)境生態(tài)建設(shè)具有重要意義。而土壤理化性質(zhì)對(duì)喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)起決定性作用[1- 2],因此喀斯特土壤理化性質(zhì)及其影響因素得到廣大研究者的重點(diǎn)關(guān)注。

作為土壤重要的基本屬性,土壤理化性質(zhì)受母質(zhì)、氣候、生物、地形、時(shí)間等成土五因素和人類活動(dòng)的顯著影響。目前,人們研究了母質(zhì)類型[3]、石漠化程度[4- 6]、植被組成[7]、土地利用方式[8]、地形以及人為措施[9]等方面對(duì)喀斯特土壤理化性質(zhì)的影響。地形因素雖然不直接影響土壤理化性質(zhì),但可以通過影響母質(zhì)、水分、光照、生物等因子的重新分布來影響土壤理化性質(zhì)。人們發(fā)現(xiàn)坡度、坡向、海拔等地形因子對(duì)坡地土壤有機(jī)質(zhì)[10]、土壤酶活性[11]、土壤含水量[12]、容重和飽和導(dǎo)水率[13]等理化性質(zhì)有顯著影響。

從土壤形成的實(shí)質(zhì)來看,土壤理化性質(zhì)是母質(zhì)與生物、氣候因素以及土體內(nèi)部所進(jìn)行的物質(zhì)與能量的遷移和轉(zhuǎn)化的綜合作用的體現(xiàn),水分運(yùn)移在這個(gè)過程中起至關(guān)重要的作用[14],因此所有影響土表或土壤內(nèi)部水分運(yùn)移的因素均會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生直接或間接影響。巖層傾向是地形因子之一,也是描述巖層空間位置的巖層產(chǎn)狀三要素之一,在不同條件下形成的地形不同,如順向坡(巖層傾向與坡面傾向一致),逆向坡(巖層傾向與坡面傾向相反),斜向坡(巖層傾向與坡面傾向交叉)等,因此巖層傾向?qū)Φ孛嫘螒B(tài)及巖石出露有著直接影響[15]。張志才等[16- 17]研究發(fā)現(xiàn)喀斯特峰叢山體巖石出露位置及其破碎程度對(duì)不同部位土壤水分含量有顯著影響,因此巖層傾向通過影響巖石位置進(jìn)而影響土壤水分入滲。而土壤水分是土壤中物質(zhì)運(yùn)移、轉(zhuǎn)化等重要的影響因素,土壤水分越多、保持時(shí)間越久,越有利于土壤中物質(zhì)的淋溶,從而影響和改變土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。因此不同巖層傾向會(huì)影響土壤的水分含量從而影響土壤理化性質(zhì)的空間變異,然而目前還未見相關(guān)研究的報(bào)道。本文以重慶酉陽縣泔溪鎮(zhèn)典型槽谷區(qū)形成的順逆向坡為研究對(duì)象,分析不同巖層傾向下土壤理化性質(zhì)的差異,結(jié)果表明順向坡有利于水分入滲和保持,從而促進(jìn)土壤的淋溶與發(fā)育。研究結(jié)果為深入理解喀斯特坡耕地土壤肥力形成與恢復(fù)提供了較為重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于重慶酉陽泔溪鎮(zhèn)龍?zhí)恫酃葍?nèi)的和信花椒基地(108°57′E,29°00′N),龍?zhí)恫酃任挥谟详柨h桐麻嶺背斜的東南翼中,呈東北-西南走向,槽谷兩側(cè)巖層傾向一致,坡向相反,出現(xiàn)坡向和巖層傾向一致的順向坡(位于龍?zhí)恫酃鹊奈鱾?cè))、坡向和巖層傾向不一致的逆向坡(位于龍?zhí)恫酃鹊臇|側(cè))。順向坡坡長(zhǎng)約為1000m,坡度為29.6°,土層厚度20—80cm,逆向坡坡長(zhǎng)約為600m,坡度為58.7°,土層厚度20—100cm,順向坡土壤巖石裸露率高于逆向坡?；ń坊卣w種植青花椒5年左右,植被以次生灌木、藤本、蕨類以及零稀的喬木為主,原生植被破壞殆盡。桐麻嶺背斜軸部以寒武系的白云巖和奧陶系灰?guī)r為主,背斜兩翼分別為志留系的砂頁巖和二疊、三疊系的灰?guī)r。龍?zhí)恫酃鹊撞繉捈s1—4km,海拔300—500m,東西兩翼山體海拔900—1100m,高差為400—800m。本區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年降水量為1200mm左右,4—10月降水充沛,其中5—6月、9—10月為降水的集中期,年均氣溫為14.6℃。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

本實(shí)驗(yàn)于2017年6月進(jìn)行采樣,按坡向和坡位選擇長(zhǎng)200m,寬200m的正方形作為一個(gè)取樣區(qū)域,在取樣區(qū)域隨機(jī)確定5個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)分表層(5—15cm)和下層(20—30cm)取樣,每樣點(diǎn)上下層分別取樣200克,5個(gè)樣點(diǎn)表層和下層土分別混合作為一個(gè)取樣區(qū)域的表層和下層土壤樣品,總計(jì)16個(gè)區(qū)域,32個(gè)土壤樣品。

1.2.2樣品處理方法

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法參照楊劍虹主編的《土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測(cè)》[18]。

環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度(孔隙直徑小于或等于0.1mm)、非毛管孔隙度(孔隙直徑大于0.1mm)；烘干法測(cè)定樣品自然含水量；電極法測(cè)定pH；重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測(cè)定全氮、擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮；全鉀、速效鉀采用火焰光度法；全磷、有效磷采用硫酸鉬銻比色法測(cè)定；樣品全量Fe、Al、Si的消解采用NaOH熔融法,然后用ICP-OES(安捷倫 5110)測(cè)定。

以上指標(biāo)測(cè)定時(shí)每個(gè)土樣均做3次重復(fù)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖層傾向?qū)τ谕寥牢锢硇再|(zhì)的影響

土壤物理性狀指土壤含水率、土壤容重及土壤孔隙度等,是土壤結(jié)構(gòu)狀況、持水能力和保水能力的綜合體現(xiàn)。順向坡表層土壤的自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水量均顯著高于逆向坡表層土壤(表1)。逆向坡表層和下層的土壤容重、表層非毛管孔隙度均顯著高于順向坡相應(yīng)層位。逆向坡下層非毛管孔隙度顯著低于順向坡下層。土壤中總孔隙度和毛管孔隙度高,容重小有利于土壤接受營養(yǎng)物質(zhì),吸收水分和空氣?？傮w來說,順向坡和逆向坡土壤物理性質(zhì)差異顯著,順向坡土壤通透性較好,飽和含水率高,土壤物理性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。

表1 巖層傾向?qū)λ固仄赂赝寥牢锢硇再|(zhì)的影響

NC:自然含水量 Natural moisture content,BD:土壤容重Bulk density,tP:總孔隙度Total porosity,CP:毛管隙度Capillary porosity,NP:非毛管孔隙度Non capillary porosity,SC:飽和含水率Saturated water content,ASS:逆向坡表層 Anti-dip stratified rock slope surface,ASL:逆向坡下層 Anti-dip stratified rock slope lower layer,BSS:順向坡表層Bedding rock slope surface,BSL:順向坡下層Bedding rock slope lower layer; 不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.2 巖層傾向?qū)τ谕寥阑瘜W(xué)性質(zhì)的影響

土壤化學(xué)性質(zhì)深刻影響土壤的供肥能力,是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。順向坡表層土壤的有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮、全氮均顯著高于逆向坡表層(表2)。逆向坡表層和下層的pH值顯著高于順向坡相應(yīng)層位。全磷、全鉀在順向坡和逆向坡之間沒有顯著差異,但順向坡表層和下層含量均高于逆向坡相應(yīng)層位。逆向坡表層和下層有效磷顯著高于對(duì)應(yīng)順向坡的表層和下層。除了有效磷和全鉀含量以外,土壤化學(xué)性質(zhì)總體呈現(xiàn)：順向坡表層>逆向坡表層>順向坡下層>逆向坡下層,土壤表層>土壤下層的規(guī)律?？傮w來說順向坡的土壤化學(xué)性質(zhì)顯著優(yōu)于逆向坡。

OC:有機(jī)質(zhì)Organic matter,TN:全氮Total nitrogen,TP:全磷Total phosphorus,TK:全鉀Total potassium, AN:堿解氮Alkaline nitrogen,AP:有效磷Available phosphorus, AK:速效鉀Available potassium;不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.3 巖層傾向?qū)ζ赂寥懒苋艿挠绊?/h3>

土壤淋溶是土壤的重要屬性之一,深刻影響著土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。順向坡表層和下層土壤全量Al含量均高于逆向坡對(duì)應(yīng)的表層和下層,逆向坡表層和下層的Si含量顯著高于順向坡對(duì)應(yīng)的表層和下層(表3)。Fe含量在順向坡和逆向坡沒有顯著差異,但逆向坡表層和下層含量均高于順向坡對(duì)應(yīng)的表層和下層。Sa(Sa=SiO2/Al2O3)值、Saf(Saf=SiO2/(Al2O3+Fe2O3))值是土壤淋溶發(fā)育的指標(biāo),Sa值、Saf值越低,土壤淋溶發(fā)育情況越好。上表中可以發(fā)現(xiàn),順向坡土壤表層和下層的Sa值和Saf值顯著低于逆向坡的表層和下層。因此順向坡土壤淋溶發(fā)育情況要強(qiáng)于逆向坡。

不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.4 逆向坡土壤理化性狀之間的相關(guān)性分析

逆向坡土壤有機(jī)質(zhì)與飽和含水量呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。全氮含量與飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著(P<0.01)或顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系。有效磷和飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。速效鉀與飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤pH值與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著或者顯著正相關(guān)關(guān)系,與自然含水量、飽和含水量、容重、非毛管孔隙度呈極顯著或者顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。除全磷、全鉀和堿解氮以外,有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀與土壤飽和含水量均表現(xiàn)出較大的相關(guān)性,并且,土壤飽和含水量也深刻的影響著土壤的物理性質(zhì),與土壤容重、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可見,大部分土壤養(yǎng)分含量與土壤的物理性質(zhì)有極大的相關(guān)性,尤其是土壤的飽和含水量,深刻的影響著土壤理化性質(zhì)。

2.5 順向坡土壤理化性狀之間的相關(guān)性分析

順向坡有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全磷、全氮含量與自然含水量、飽和含水量、毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。有效磷與自然含水量、飽和含水量、毛管孔隙度呈極顯著或是顯著正相關(guān)關(guān)系,與非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。堿解氮與飽和含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。pH值與自然含水量、飽和含水量、容重呈極顯著或是顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度和毛管孔隙度呈極顯著或是顯著正相關(guān)關(guān)系。除了全鉀含量以外,全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤pH與飽和含水量、自然含水量有一定的相關(guān)性,并且,土壤飽和含水量與土壤容重、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度、毛管孔隙度、自然含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

**為P<0.01,極顯著相關(guān);*為P<0.05,顯著相關(guān)

表5 順向坡土壤理化性狀之間相關(guān)性分析

**為P<0.01,極顯著相關(guān);*為P<0.05,顯著相關(guān)

3 討論

3.1 巖層傾向?qū)ν寥浪趾康挠绊?/h3>

相對(duì)于逆向坡而言,山體坡向和巖層傾向一致的順向坡巖層對(duì)土壤阻擋作用小,土壤容易隨著徑流或者巖層流失,導(dǎo)致順向坡的巖石裸漏率比逆向坡高,這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相符合。有研究表明,裸巖周圍的土壤能夠大量吸收和吸附部分降雨,并且裸巖能降低地表的徑流速度[19- 20]。降雨期間,雨水降落在裸巖上,降雨資源化程度較高,裸巖改變了降雨的再分配,匯集和補(bǔ)充周邊的土壤水分[21- 22]。因此巖層傾向會(huì)影響土壤水分的匯聚,使得順向坡土壤自然含水量和飽和含水量高于或是顯著高于逆向坡,這與游賢慧的研究結(jié)果相似[23]。

3.2 土壤水分含量對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤水分含量作為土壤的本質(zhì)屬性之一,深刻影響著土壤理化性質(zhì)。研究結(jié)構(gòu)表明,無論在順向坡還是在逆向坡,土壤自然含水量和飽和含水量與土壤理化性質(zhì)之間存在著巨大關(guān)系。土壤飽和含水量跟土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤總孔隙度,毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,在逆向坡,土壤飽和含水量與土壤非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,在順向坡,土壤飽和含水量與土壤非毛管孔隙度也有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)區(qū)位于巖溶區(qū),土壤母質(zhì)以石灰?guī)r為主要成分,水分含量高,就將有利于土壤淋溶,從而導(dǎo)致土壤容重減少[24- 25],總孔隙度增加[26],毛管孔隙度增加,非毛管孔隙度減少。并且,水分含量的多少也將會(huì)直接影響到土壤的淋溶發(fā)育情況,水分多的土壤淋溶發(fā)育狀況較好[27]。

3.3 土壤水分含量對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

本研究的結(jié)果顯示在順向坡和逆向坡土壤飽和含水量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,自然含水量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是土壤飽和含水量和土壤自然含水量與土壤全量氮、磷、鉀,速效氮、磷、鉀的含量在順向坡和逆向坡之間顯著性有巨大的差異,或是相關(guān)性不大。這主要是因?yàn)樵撛囼?yàn)區(qū)為坡耕地,長(zhǎng)期大量的使用化肥干擾了土壤中氮磷鉀總量。吳軍虎[28]、高鑫宇[24]的研究都展現(xiàn)了土壤水分對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的影響,即土壤水分含量越高,土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,這與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

3.4 相同坡向不同深度下巖層傾向?qū)ν寥览砘再|(zhì)的影響

總體來說,由于巖層傾向與坡向的不同,土壤水分含量在坡面上重新分布,導(dǎo)致了順向坡土壤水分含量比逆向坡土壤水分含量高,進(jìn)而影響了土壤的淋溶發(fā)育,使得順向坡土壤的理化性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,順向坡水分含量高于逆向坡,pH值低于逆向坡,總孔隙度、毛管孔隙度高于逆向坡。順向坡土壤淋溶發(fā)育情況比逆向坡好,土壤理化性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。當(dāng)巖層傾向與坡向相同時(shí),更有利于水分的入滲,促進(jìn)土壤的淋溶與發(fā)育。