喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤關系的探討
——以貴州省普定縣后寨河小流域為例①

白云星，周運超*，周鑫偉，張春來

(1 貴州大學貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/貴州省高原山地林木培育重點實驗室/林學院，貴陽 550025；2 貴州省植物園，貴陽 550002；3 中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學重點室驗室/聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西桂林541004)

喀斯特石漠化是我國最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]，它是脆弱的生態(tài)環(huán)境和不合理的人類活動導致類似荒漠化景觀為標志的土壤退化過程。自2008年以來，喀斯特石漠化治理被納入我國社會經濟發(fā)展建設中一項重要內容，雖然為此投入了大量的人力物力[3-4]，但當前喀斯特石漠化現(xiàn)象仍然不容樂觀，截至2015 年喀斯特石漠化面積仍高達9.2 萬km2[5]，石漠化嚴重制約著喀斯特地區(qū)可持續(xù)性發(fā)展，直接威脅著兩江流域生態(tài)安全[6]。

隨著石漠化的加劇，喀斯特土壤流失明顯，支撐植物生長的能力被嚴重削弱，導致植被退化，進而使喀斯特土壤的基本結構受到破壞。土壤貧瘠、持水能力下降、植物受到頻繁的惡化環(huán)境脅迫，導致植被無法正常生長或最終走向死亡，增加喀斯特石質荒漠化的風險，進一步導致喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的崩潰，這些都直接或間接造成了對喀斯特土壤資源生產力及可持續(xù)性的嚴峻挑戰(zhàn)[7-9]。喀斯特石漠化的本質是喀斯特土壤的物質組成、理化性質和生產性能從根本上發(fā)生變化，進而環(huán)境惡化，巖石大面積裸露[7,10]。而土地利用方式、人為活動及干擾程度對喀斯特土壤的變化有著顯著的影響[11]。因此喀斯特土壤的改善和合理利用是土壤可持續(xù)能力和生產力提高的重要體現(xiàn)，更是喀斯特石漠化治理的關鍵。目前，植被恢復已成為喀斯特山區(qū)防治石漠化和促進生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展的重要措施，其物種選擇必須遵循“適地適樹”的原則[12]，若違背這一原則，必將導致植被恢復的失敗。明晰喀斯特土壤類型成為有效控制石漠化發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境的必要前提。

通過中國知網檢索已發(fā)表的文獻，結果表明，文獻篇名直接使用“喀斯特土壤”的有34 篇，間接使用“喀斯特土壤”的高達3 613 篇。隨著石漠化研究的深入，“喀斯特土壤”已然成為一個重要的詞匯受到了研究者越來越多的關注，因此，喀斯特土壤的科學性解釋將是未來喀斯特地區(qū)極具價值性的研究問題，對于喀斯特石漠化防治和生態(tài)修復具有重要的意義。為此，本研究以后寨河流域土壤為例，充分了解喀斯特區(qū)域內土壤類型及其差異，試圖闡述喀斯特土壤的正確定義，辨析在純碳酸鹽巖地區(qū)喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤的區(qū)別，為今后喀斯特地區(qū)的研究提供更好的導向及參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

后寨河小流域位于貴州省普定縣，屬于高原型喀斯特小流域，流域面積為75 km2(其中，陸地面積占98.89%，水域面積占1.11%)，覆蓋城關鎮(zhèn)、馬官鎮(zhèn)和白巖鎮(zhèn)等地，地理位置在105°40′43″ ～ 105°48′2″E，26°12′29″ ～ 26°17′15″ N，海拔在 854.1 ～1 567.4 m，氣壓在806.1 ～ 883.8 hPa。年均氣溫為15.3℃，年均降雨量為1 170.9 mm 以上，年蒸發(fā)量為920 mm。流域內分布地層為T2g，屬中三疊關嶺組地層，該地層為石灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r 3 種類型的巖石。土壤主要有石灰土、黃壤和水稻土。植被主要有柏木(Cupressus funebrisEndl.)構樹(Broussonetia papyrifera)、響葉楊(Populus adenopodaMaxim)、香椿(Toona sinensis(A.Juss.)Roem.)等；灌木主要有火棘(Pyracantha floruneana) 、月月青(Iteailicifolia)、小果薔薇(Rosa cymosa)等；農作物主要有水稻(Oryzasa-tiva Oryzaglaberrima)、玉米(Zea maysLinn. Sp.)、大豆(Glycine max(Linn.)Merr)、向日葵(Helianthus annuus)等。

1.2 樣品采集

利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS 10.3 對研究區(qū)1∶10 000 地形圖進行網格法樣點布設，網格面積為0.15 km × 0.15 km，在網格中心設置樣點3 333 個，因河流、公路、房屋等因素的影響，實際樣點2 755個?；谘芯繀^(qū)地形圖與野外實地調查，在每個樣點處挖據1 m 深的土壤剖面，土壤厚度不足1 m 時挖掘至基巖深度，土壤樣品自上而下分層采集，用自封袋裝好并編號后帶回實驗室。

1.3 樣品處理及測定

每個采樣點需記錄土壤、母巖、坡度及所處位置等信息，并測定土壤厚度和石礫含量等指標。

1.4 數(shù)據分析

研究數(shù)據利用 ArcGIS 10.3、Microsoft Excel 2007、SPSS19.0 等軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同土類在空間分布上的差異

根據《中國土壤分類系統(tǒng)》[13]，對2 755 個采樣點數(shù)據進行統(tǒng)計分析，流域內共有石灰土、水稻土和黃壤3 大土類(圖1)。其中，石灰土包括黑色石灰土、黃色石灰土、大土泥、小土泥、白大土泥、白沙土6大土屬，水稻土包括大泥田和黃泥田2 個土屬，黃壤僅有黃泥土1 個土屬。在整個后寨河流域內，由于地形地貌復雜、成土母質多樣，各屬性土壤相間分布且空間差異性較大。黑色石灰土與黃色石灰土主要分布在流域東部峰叢洼地及中部和西部的山巒之上。黃泥田與大泥田主要分布在流域東部洼地區(qū)域及中部河流西側，其余屬性土壤分布較散，無明顯規(guī)律?；诟魍翆俚臉狱c數(shù)，后寨河流域土壤分布概率從高到低依次為：黑色石灰土(19.06%)、黃泥土(16.84%)、小土泥(15.86%)、黃色石灰土(14.63%)、黃泥田(10.64%)、大土泥(8.17%)、大泥田(6.46%)、白大土泥(4.54%)和白砂土(3.81%)。

圖1 后寨河流域土壤類型空間分布特征Fig. 1 Spatial distribution of soil types in Houzhai River Watershed

2.2 不同土類在土壤剖面上的差異

據野外調查，流域內不同類別土壤的剖面形態(tài)差異較大(表2)。石灰土往往缺少淀積層，其土層較??；黃壤土層連續(xù)，土體厚重；水稻土受人為干擾較大。土壤剖面是土壤內在性質的外部表現(xiàn)，是成土因素長期作用的歷史記錄，通過土壤剖面能夠更好地識別喀斯特區(qū)域內的土壤類型。

表1 不同土類土壤剖面特征Table 1 Profile features of different soil groups

后寨河流域土壤類型多樣，且地帶性土壤與非地帶性土壤的厚度差異較大(表2)。不同土壤類型土壤厚度平均值大小為：黃壤(85.84 cm)＞水稻土(84.33 cm)＞石灰土(49.68 cm)。從變異系數(shù)來看，不同土壤類型的土壤厚度變異系數(shù)大小不同，其范圍在27.77% ～ 60.37%，石灰土相較其他土壤呈現(xiàn)出較強的變異。

2.3 不同土類在坡度分布上差異

流域內不同土壤類型的分布坡度差異較大(圖2)。不同土壤類型與坡度均呈顯著負相關關系，石灰土在0 ～ 85° 均有分布(A)，水稻土分布于0 ～ 40°(B)，黃壤分布于0 ～ 45°(C)。基于樣點數(shù)，流域內石灰土、水稻土和黃壤分布的平均坡度分別為18.92°、1.52° 和3.23°。說明流域內石灰土從地勢平緩到陡峭的區(qū)域均有分布，而水稻土和黃壤主要分布于地勢平緩的區(qū)域。

表2 不同土類土壤厚度Table 2 Pedon thickness of different soil groups (cm)

圖2 后寨河流域不同土壤類型與坡度的關系Fig. 2 Relationship between soil groups and slope in Houzhai River Watersheds

2.4 不同土類在海拔分布上的差異

流域內海拔范圍在854.1 ～ 1 567.4 m，其中石灰土主要分布在1 250 m 以上的區(qū)域(圖3)，在流域內隨著海拔的升高，石灰土的分布相應增多；水稻土和黃壤主要分布于1 350 m 以下，海拔＞1 350 m 區(qū)域分布較少。相關性分析表明，不同海拔地區(qū)的石灰土與水稻土、黃壤的差異顯著，即海拔的不同，導致了后寨河流域土壤資源分布上的差異。隨著海拔的升高，地理氣候環(huán)境惡劣，植物生長越發(fā)困難，降雨帶來的水土流失逐漸加重，針對不同的土壤類型應因地制宜選擇相應的水土保持措施，從而科學地保護土地資源。

圖3 后寨河流域不同海拔土壤類型分布Fig. 3 Altitude distribution of soil groups in Houzhai River Watershed

2.5 不同土類在石礫含量上的差異

流域內石灰土石礫含量與水稻土、黃壤差異性較大(圖4)，在0 ～ 100 cm 土層中，石灰土、水稻土和黃壤的平均石礫含量分別為7.94、4.28、4.54 g/kg。隨著土壤深度的增加，不同土壤類型的石礫含量均有所減少，但變化幅度有所差異。

圖4 后寨河流域不同土類石礫含量特征Fig. 4 Gravel contents in pedons of soil groups in Houzhai River Watershed

3 討論

3.1 喀斯特土壤

隨著石漠化研究的深入，喀斯特土壤已然成為當前研究的重要內容，但根據《中國土壤分類系統(tǒng)》的查閱，并未對喀斯特土壤進行描述。而喀斯特即指碳酸鹽巖發(fā)育演化而形成的具有特殊地上-地下二元結構的地貌類型[14-15]?？λ固赝寥赖囊话憷斫鈶强λ固貛r石發(fā)育形成的土壤，因此喀斯特土壤的正確理解是碳酸鹽巖(主要是石灰?guī)r和白云巖)發(fā)育形成的石灰土。

在氣候條件的影響下，碳酸鹽巖受到強烈的巖溶作用使得石灰土長期飽含鈣素和受到高pH 影響，鹽基飽和度高，成土速度緩慢，使土壤處于相對年幼階段。石灰土淋溶作用不充分，富鋁化特征不顯著，按淋溶作用的強弱可以細分為黃色石灰土、棕色石灰土、紅色石灰土和黑色石灰土等4 個亞類[16]。各亞類因母巖、海拔、植被、地理環(huán)境等外界因素制約，分布區(qū)域又有所不同。研究表明方解石是石灰?guī)r的主要成分，可和含CO2的水產生重碳酸鹽隨水而流失，剩下一些不易溶解的物質殘留形成土壤，因此在巖溶環(huán)境中土壤形成的年份較長?？λ固亓饔騼仁彝炼喟l(fā)育于巖溶丘陵山地，其土層較薄，土壤石礫含量較高，因地形坡度較大，面蝕相對嚴重，加之喀斯特地區(qū)特殊的二元水文結構使得土壤產生漏失現(xiàn)象[17-18]，一旦生態(tài)環(huán)境遭到破壞，在水流的沖刷下加劇基巖裸露，形成石質山地，從而使石灰土保持在相對年幼階段。石灰土剖面構型簡單，腐殖層明顯，呈暗棕色至灰黑色，厚度差別較大，一般為30 ～ 50 cm，由于地形原因導致部分樣點土層較厚。石灰土大多具有團粒結構，質地黏重；淀積層為塊狀或棱塊狀，緊實黏重，但往往缺失；暗色的腐殖質層僅僅經過色澤稍淡的過度即達母巖。研究發(fā)現(xiàn)未被破壞的原生植被多為喜鈣的常綠闊葉林或灌草叢草本植物，但現(xiàn)存較少，目前主要以人工種植為主，有柏木、青岡櫟、樸樹等。

因此，正確認識喀斯特土壤，對其現(xiàn)存植被和土壤的保護具有重要意義。

3.2 喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤辨析

貴州省喀斯特面積占全省土地總面積的73.60%，全省95% 的縣(市)均有喀斯特分布[19-20]，而由碳酸鹽巖發(fā)育形成的石灰土卻只占全省土地總面積的17.90%(不含碳酸鹽發(fā)育形成的水稻土)，境內還主要分布著黃壤、紅壤、黃棕壤、棕壤、潮土、水稻土等土壤類型[20-21]。本研究對高原型喀斯特小流域貴州省普定縣后寨河流域的調查同樣證明了純碳酸鹽巖區(qū)域不僅僅有石灰土，還存在著大量的水稻土及黃壤(圖1)。在2 755 個有效剖面中，有石灰土即喀斯特土壤1 811 個，主要分布于東部峰叢洼地及中部與西部的山脈之上；水稻土489 個和黃壤475 個主要分布在東部洼地和中部的河流兩側，非喀斯特土壤占總樣點數(shù)的35%。55.26% 的喀斯特土壤由石灰?guī)r發(fā)育，39.79% 由白云巖發(fā)育，其余5.01% 由泥灰?guī)r發(fā)育；水稻土及黃壤主要由第四紀黃黏土和砂頁巖發(fā)育?；谝陨闲畔?，喀斯特區(qū)域不僅存在喀斯特土壤(石灰土)，還包含了非喀斯特土壤(水稻土、黃壤等)。本研究通過空間范圍、土壤剖面、分布坡度、海拔高度和土壤石礫含量等方面佐證了喀斯特土壤與其他類型土壤之間存在較大差異，因此為了更好地區(qū)別喀斯特土壤，喀斯特區(qū)域內由其他成土母質發(fā)育形成的地帶性土壤應該稱為“喀斯特區(qū)域土壤”，而喀斯特土壤應特指由碳酸鹽巖發(fā)育形成的石灰土。

查閱分析喀斯特土壤研究文獻，發(fā)現(xiàn)存在著大量對喀斯特土壤定義混淆的現(xiàn)象[22-26]?？λ固氐貐^(qū)的土壤不可混為一談都稱之為“喀斯特土壤”，這不僅導致其研究結果的不可靠性，還可能導致人們將其研究中不確定的認知引用到喀斯特地區(qū)的科學研究和生產實踐中?；煜翱λ固赝寥馈备拍畹奈墨I，其主要體現(xiàn)在對于土壤類型、土壤與巖性、土壤與植被的理解不充分，誤認為研究區(qū)設定在喀斯特區(qū)域，其土壤必與喀斯特土壤產生聯(lián)系，例如部分研究者對喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)進行研究，其土壤類型與基巖類型、土壤類型與森林類型產生矛盾的現(xiàn)象[22-26](酸性土壤卻發(fā)育于碳酸鹽巖，堿性土壤上卻生長著馬尾松林)，導致其研究結果不屬于喀斯特土壤范疇；關于部分土壤碳的研究中，沒有明確理解喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤之間的區(qū)別，從而將喀斯特地區(qū)出現(xiàn)的紅壤歸納進典型喀斯特土壤[27-28]；再者有研究者將其調查區(qū)域設定在白云巖地區(qū)，其土壤剖面信息均為黃壤和黃棕壤，與石灰土毫無相干，但研究結果都冠以喀斯特土壤及其相關性質[29]。類似的關于混淆喀斯特土壤的文獻還有許多[30-35]，其特點為：①將喀斯特地區(qū)，非碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤當成喀斯特土壤(如：將黃壤、第四紀紅色黏土、紫色土、水稻土等誤認為屬于喀斯特土壤)；②誤以為喀斯特區(qū)域的土壤都是碳酸鹽巖發(fā)育(如：將紅壤、砂質黏土、黃壤等誤認為屬于碳酸鹽巖發(fā)育形成)；③文中所述土壤的母巖和土類符合喀斯特土壤，但其植被卻有矛盾之處(如：石灰?guī)r發(fā)育形成的喀斯特土壤，卻生長著馬尾松、楓香等矛盾的現(xiàn)象)；④非土壤學、地質學專業(yè)背景的相關文獻，容易誤用“喀斯特土壤”一詞。正確辨析兩者的意義在于石漠化植被恢復的重要原則——適地適樹。土壤是植物生長的基礎、是恢復區(qū)立地的本質，石漠化地區(qū)物種選擇必須考慮土壤與植被的關系[36]，不同植被因地制宜搭配種植才能提高石漠化地區(qū)造林效果和水土保持效益，若對喀斯特土壤認知存在偏差將會導致石漠化造林樹種選擇的不確定性、盲目性，增大植被恢復的難度，同時降低石漠化區(qū)域治理的綜合效益，甚至導致石漠化治理失敗[37]。

在喀斯特地區(qū)可以從以下兩種視角出發(fā)，判別喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤：①從土壤與母質分布的視角出發(fā)。土壤固體部分體積90% 的礦物質均由母巖風化而來，母巖又將其性狀遺傳給母質，母質的性狀又可以遺傳給土壤，因此土壤與母巖關系相當密切，在發(fā)育程度較低的土壤中尤為明顯[38]。發(fā)育在碳酸鹽巖母質上的土壤，由于碳酸鹽巖溶蝕作用能不斷釋放出鈣質，對土壤形成過程中產生的酸性物質起中和作用，因此限制了土壤酸化，降低土壤的發(fā)育速度，致使發(fā)育的土壤處在幼年階段。與之相反，喀斯特地區(qū)發(fā)育于砂頁巖等酸性母質上的土壤，因為土壤發(fā)育過程中產生的酸性物質被保留下來，土壤的富鐵鋁化作用明顯，使土壤更容易向地帶性土壤演變。因此，母質對土壤形成尤為重要，不僅影響土壤的理化性質，更影響土壤發(fā)育的速度，甚至在某些條件下影響土壤形成的方向。貴州碳酸鹽巖母質與非碳酸鹽巖母質(砂、頁巖)呈現(xiàn)相間帶狀分布，因此出現(xiàn)了貴州地帶性土壤與非地帶性土壤(石灰土即喀斯特土壤)交錯分布的規(guī)律[21]。②從土壤基本屬性的視角出發(fā)。石灰土的pH 呈中性、微堿性，鹽基飽和度＞50%，土層薄，質地黏重，富含鈣質，有機質含量高(鈣-腐殖質)[39-40]；具有碳酸鹽巖性特征，受氣候條件影響，分為黑色石灰土、棕色石灰土、黃色石灰土、紅色石灰土4 個亞類；原生植被為常綠闊葉林或灌叢草本植物，其生長植物特性為喜鈣，適應中性、弱堿性生長環(huán)境，如青岡櫟、構樹、樸樹、云南樟等。紅壤鐵鋁聚集、質地較黏重、pH 呈酸性、鹽基飽和度低；其成土母質多樣，主要有第四紀紅色黏土、砂頁巖，變質巖的風化物；發(fā)育于水熱條件較好的地段，因而母巖風化和淋溶作用較強，脫硅富鋁化過程徹底；未被破壞的紅壤剖面層次分明，原生植被為偏濕性亞熱帶常綠闊葉林，以拷屬、石櫟屬和岡櫟屬占優(yōu)勢，少數(shù)有馬尾松、杉、云南松等組成次生林；人工植被以松、杉和油茶、油桐等經濟林分為主。黃壤呈酸性，土層濕潤，含水量較高，富含磷、鉀等礦質養(yǎng)分，是貴州省面積最大的地帶性土壤；發(fā)育于不同母質，以花崗巖、砂頁巖為主，此外還有第四紀紅色黏土；由于成土條件的限制，極少量黃壤來自隧石灰?guī)r、硅質白云巖和泥質白云巖；土壤坡面具有明顯的發(fā)生層次；原生植被主要是亞熱帶常綠闊葉林，但保存較少，被破壞后為次生針葉林、針闊葉混交林和灌叢草被，植被以喜酸性植物為主，常見樹種為馬尾松、杉木、木蘭、楓香、光皮樺，次生櫟類灌叢、蕨類草本(如鐵芒箕)。

因此，喀斯特土壤與喀斯特區(qū)域土壤具有本質上的區(qū)別，喀斯特土壤就是石灰土的另一種稱呼，而喀斯特地區(qū)非碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤應稱之為喀斯特區(qū)域土壤。在辨析兩者時，應當從土壤的母質、土壤上所生長的植物和土壤相關屬性進行判別。

4 結論

“喀斯特土壤”這一詞匯已成為石漠化治理和生態(tài)恢復中，眾多學科和研究機構聚焦的熱點?！吨袊寥婪诸愊到y(tǒng)》并未對喀斯特土壤進行明確定義，因而根據喀斯特的定義喀斯特土壤應是石灰土的另一種說法，但相關文獻中喀斯特土壤與石灰土相去甚遠，這將導致其認知存在不可靠性，造成石漠化治理效果不理想。對后寨河流域的相關調查充分證明純碳酸鹽巖區(qū)域不僅僅只有石灰土，還存在由其他成土母質(如第四紀黃黏土和砂頁巖)和人為水耕熟化等原因形成的非喀斯特土壤?？λ固赝寥琅c非喀斯特土壤間差異較大，對于非碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤應當稱之為“喀斯特區(qū)域土壤”，在辨析兩者時應從土壤基本屬性和土壤與母質關系的視角出發(fā)，更好地區(qū)分二者，確保石漠化恢復工作的科學性。