喀斯特山區(qū)不同生境下土壤礦質(zhì)元素研究概述

王大龍， 胡 娟， 申 玲， 陳 瑩

(貴州省畢節(jié)市土肥站， 貴州 畢節(jié) 551700)

喀斯特是一種獨特的地貌類型的統(tǒng)稱，最早由原蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)和研究此類地貌特征而得名?？λ固氐孛卜植加谑澜绺鞯氐目扇苄詭r石地區(qū)，主要集中分布在東歐地區(qū)，中國西南部也是主要分布區(qū)，以廣西、貴州和云南最為典型且集中連片分布。我國西南喀斯特地區(qū)是世界三大巖溶區(qū)之一[1]，其中，云貴高原喀斯特分布面積達(dá)10.9萬km2。因受地球內(nèi)熱動力、劇烈的地質(zhì)地殼運動、高溫多雨的各種因素影響和碳酸鹽類溶解性強(qiáng)、地上地下部分水文二元結(jié)構(gòu)分布以及其適生性種類植物的嗜鈣性、耐干旱性、石生性、貧瘠性等多種因子共同作用、限制性特點的綜合影響[2]，喀斯特地貌具有脆弱性和破碎性的顯著特點，表現(xiàn)為環(huán)境容量小，土地承載力低抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，閾值低，物質(zhì)循環(huán)快，受干擾后自然恢復(fù)的速度慢、難度大[3]。同時，伴隨此類地區(qū)人類活動和水土流失而出現(xiàn)的石漠化現(xiàn)象，造成土壤物質(zhì)流失、土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)退化，以及土壤發(fā)生層次的變化[4]，對此類地區(qū)的人類生產(chǎn)生活、植被環(huán)境和生物物種多樣性具有較大影響。因此，針對喀斯特地區(qū)土壤環(huán)境開展相關(guān)研究，對促進(jìn)此類地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地利用具有重要意義，也受到了學(xué)者的關(guān)注。

礦質(zhì)元素是土壤組成的重要部分。土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成與成土條件和成土過程密切相關(guān)，對土壤的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)作用明顯，具有極大影響，是土壤分化、成土的基礎(chǔ)，同時參與植物生長發(fā)育的全過程[5-6]，是植物生長良好的保障條件。因此，開展土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)研究，能夠為深入了解土壤理化性質(zhì)及其有效性，實現(xiàn)土壤資源持續(xù)利用和防止土壤退化提供重要依據(jù)[3]。由于環(huán)境條件和成土?xí)r間不同，礦質(zhì)元素在土壤中的分布和轉(zhuǎn)化形式也不相同[6-7]，土壤礦物元素含量和分布主要來源于自然發(fā)育土壤的成土母質(zhì)的分布狀況。另外，隨著土壤的進(jìn)一步發(fā)育，成土母質(zhì)逐漸弱化對土壤礦物質(zhì)發(fā)育分布的影響。土壤礦物元素的含量和分布狀況，受土壤所處的外部環(huán)境，包括土壤理化特性、土地利用方式、植被覆蓋類型和環(huán)境污染等影響[8-10]。因此，通過對相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查與整理，從不同植被覆蓋類型和土地利用方式喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素的變化，以及微生態(tài)生境下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素特征方面，概述喀斯特山區(qū)不同生境下土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)研究，為更好開展喀斯特山區(qū)不同生境下土壤中礦質(zhì)元素的研究提供參考。

1 不同土壤植被覆蓋下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素變化特征

植被不同演替階段以及不同退耕模式對土壤的理化性質(zhì)具有重要影響[11]。于揚等[1]對廣西環(huán)江毛南族自治縣喀斯特峰叢洼地坡耕地、草叢、灌叢、人工林、次生林、原生林土壤的主要養(yǎng)分和礦質(zhì)養(yǎng)分進(jìn)行分析得出，各礦質(zhì)元素中，SiO2、Al2O3和Al2O3的含量占比較大。不同生態(tài)系統(tǒng)的礦質(zhì)養(yǎng)分含量存在差異，在次生演替過程中，SiO2含量大小排序為草叢、灌叢>原生林、次生林；Al2O3與Fe2O3含量大小排序為灌叢>草叢、次生林>原生林；CaO含量大小排序為原生林>草叢>次生林>灌叢；MgO含量大小排序為原生林>灌叢、草叢>次生林；MnO含量大小排序為草叢、次生林、灌叢>原生林，各級生態(tài)系統(tǒng)之間差異顯著或極顯著。隨著天然次生林改變?yōu)槠赂睾腿斯ち郑寥乐蠸iO2含量明顯增加，而CaO、MgO含量明顯減少。同時，運用典型相關(guān)分析方法對研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤主要養(yǎng)分、土壤礦質(zhì)養(yǎng)分、土壤微生物兩兩間相互關(guān)系得出，土壤主要養(yǎng)分與礦質(zhì)養(yǎng)分間的相互關(guān)系主要表現(xiàn)為土壤中SiO2、CaO、MgO、Al2O3對主要養(yǎng)分的影響較大。梁建宏等[12]對以黃荊、檵木、金竹、小果薔薇等次生灌叢植被為基本格局的廣西桂林丫吉巖溶試驗場為研究區(qū)，通過形態(tài)改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法，研究石灰性土壤中鈣、鐵、鋁3種礦質(zhì)元素在石灰土發(fā)育不同階段的賦存狀態(tài)。結(jié)果表明，隨著石灰土發(fā)育過程進(jìn)行，鈣總量及其形態(tài)均降低，而鋁、鐵總量和形態(tài)呈增加趨勢。吳海勇等[13]以桂西北中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)實驗站為研究區(qū)，針對草叢→草灌叢→灌叢→藤刺灌叢→喬灌叢→頂級群落的順向演替和發(fā)展過程中，對鈣、鎂、鐵、鋁、鈦、二氧化硅6種與喀斯特土壤關(guān)系較大的礦質(zhì)成分的全量分析得出，隨著植被的恢復(fù)，土壤礦質(zhì)全量的變化愈發(fā)明顯,不同演替階段之間的差異大部分均達(dá)極顯著水平。受高溫多雨的影響,巖石在溶蝕過程中,含量最高的鈣、鎂碳酸鹽大量淋失,僅有極少部分生成次生礦物并成為土壤的組成部分；同時,由“森林效應(yīng)”生成的潮濕生態(tài)環(huán)境加速巖石的溶蝕過程,使鈣、鎂含量顯著下降；生物累積作用增加及巖石在溶蝕過程中生成的重碳酸鈣、重碳酸鎂持續(xù)進(jìn)入土體,使土壤中硅的含量隨植被恢復(fù)呈極顯著增加趨勢,鐵、鋁、鈦的含量變化也表現(xiàn)出相同規(guī)律。

2 不同土壤利用下喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素變化特征

土地利用方式作為人類利用土地各種活動的綜合反映，是影響土壤質(zhì)量變化最普遍、最直接、最深刻的因素，是影響陸生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分有效性的主要因素[14]。顏德宏[15]以貴州喀斯特生態(tài)環(huán)境下發(fā)育的石灰性水稻土為研究對象，分析石灰土稻田土壤剖面各形態(tài)鐵和碳酸鈣分布變化發(fā)現(xiàn)，土壤碳酸鈣分布集中在犁底層和底層，表層石灰性水稻土的碳酸鈣含量比對照的旱地土壤要低，而表層石灰性水稻土剖面平均含量也低于旱地土壤。喻陽華等[16]對貴州安順市和貞豐縣交界地帶喀斯特山區(qū)典型人工林土壤礦質(zhì)元素含量特征及其相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤礦質(zhì)元素含量存在較大差異,且同一元素在不同樹種間的變化幅度各異，鋅、鉻、鐵、鈦、鋁、鎂、鎳、鈷等的變化規(guī)律較為一致,鈣、鍶等的變化趨勢較為相似,桉樹林、柏木林和枇杷林土壤中砷、硒、硅的含量較高,硫、鈉、氯等元素含量較低；不同礦質(zhì)元素隨林分類型的變化規(guī)律不完全一致。陳超等[3]對比分析貴州省惠水縣喀斯特山林地、草地、經(jīng)果林和農(nóng)田的土壤性質(zhì)得出，有效態(tài)銅、鋅和鉬在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤中的含量最低；有效態(tài)鐵在草地和農(nóng)田中的含量顯著低于林地和經(jīng)果林，有效態(tài)錳和硼在林地土壤中的含量最低。

3 喀斯特山區(qū)微生態(tài)生境下土壤礦質(zhì)元素特征

貴州境內(nèi)的喀斯特區(qū)是我國乃至世界熱帶、亞熱帶喀斯特地貌分布面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的高原山區(qū)也是世界上發(fā)育最完全的喀斯特連續(xù)地帶[4]。區(qū)域內(nèi)分布了大量的碳酸性鹽和硫酸性鹽等可溶性鹽類，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過長期風(fēng)化發(fā)育的石灰土因碳酸鈣的作用而呈現(xiàn)出偏堿性的特點。因風(fēng)化發(fā)育的強(qiáng)度和成土過程、時間及生物有機(jī)和無機(jī)環(huán)境的不同，形成了不同的土壤類型和產(chǎn)生多種石灰土亞類。因此，許多學(xué)者以貴州喀斯特山區(qū)為研究區(qū)，對其微生態(tài)生境下土壤礦質(zhì)元素特征進(jìn)行研究。寧倩[17]對貴州黔北、黔中、黔東南、黔西、黔西南5個地區(qū)不同生態(tài)環(huán)境下喀斯特碳酸鹽巖母質(zhì)發(fā)育土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析表明，土壤樣品的游離鐵含量均20 g/kg，粘粒中SiO2占絕對優(yōu)勢，P2O5含量較少，元素含量變化順序為SiO2>A12O3>Al2O3>CaO>MgO>K2O>P2O5。韓美榮等[18]采用經(jīng)典統(tǒng)計分析、主成分分析和典范相關(guān)分析方法，對喀斯特峰叢洼地農(nóng)作區(qū)、人工林、次生林、原生林土壤礦物質(zhì)的組成特征、作用以及與植被、地形、其他土壤性狀的耦合關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明:喀斯特峰叢洼地類型土壤礦物質(zhì)組成以SiO2、Al2O3、Al2O3、K2O氧化物形態(tài)為主，明顯低于全球土壤中硅鐵鋁鉀的平均背景值和同區(qū)域地帶性紅壤，而CaO、MgO的含量處于中等水平，MnO含量較低；不同生境和生態(tài)系統(tǒng)中土壤礦物質(zhì)組成和變異程度不同，土壤的發(fā)育程度也不同，與植被和土壤的原生性、共生性呈正相關(guān)關(guān)系，均有潛在的石漠化土壤退化風(fēng)險，表明土壤礦物質(zhì)的形成、分布和變異性是影響喀斯特峰叢洼地土壤肥力和植物生長的限制因子之一。陳超等[3]也指出，礦質(zhì)養(yǎng)分短缺可能是影響西南碳酸鹽巖石質(zhì)山地植被生長和修復(fù)的重要限制性因子之一。因此，有效利用土壤中的礦物質(zhì)資源、合理施用礦質(zhì)養(yǎng)分和化學(xué)肥料對喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建意義和作用較大[18]。宋照亮[19]對烏江流域盆地巖石、土壤、植物及溪水樣品的礦物、元素組成以及元素存在形態(tài)等進(jìn)行分析，結(jié)果表明，相對于研究區(qū)黃壤、中國土壤(CS)和世界土壤(WS)，研究區(qū)石灰土富集Mn、V、P、REE和U等礦質(zhì)元素，且多數(shù)礦質(zhì)營養(yǎng)元素對植物的供給能力高于其他土壤。風(fēng)化成土過程中礦質(zhì)元素的行為主要受巖性和地貌部位控制，還受元素性質(zhì)、土壤pH、氧化還原條件、鐵錳(氫)氧化物和有機(jī)質(zhì)含量、粘土礦物組成以及植被條件等的影響。石灰?guī)r等巖石風(fēng)化成土作用對研究區(qū)土壤的Mg、Ca、P、Mn和U等礦質(zhì)元素的分布特征較有影響。劉文景等[20]對貴陽市烏當(dāng)區(qū)和清鎮(zhèn)市的喀斯特地區(qū)黃壤和石灰土剖面土壤主量元素和微量元素組成變化特征進(jìn)行分析得出，土壤相對于上地殼普遍富集P和Mn，而虧損Na、K、Ca、Mg元素。與黃壤相比，石灰土具有較高含量的K、Rb和較低含量的Sr元素。舒英格等[21]從土壤重金屬污染狀況角度，以貴州省烏當(dāng)區(qū)石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的旱耕地土壤為研究對象,采用層次分析法和改進(jìn)的主成分分析法，對研究區(qū)喀斯特土壤質(zhì)量進(jìn)行了評價。

4 結(jié)語

綜合來看，對喀斯特山區(qū)土壤礦質(zhì)元素的研究主要從元素特征及數(shù)量分布變化方面分析[1,12-16]，也有對喀斯特不同生境下石灰土剖面的礦物組成和氧化物分布特征的研究[17-20]，還有從礦物的組成成分和地球化學(xué)行為角度研究喀斯特地區(qū)石灰土的風(fēng)化發(fā)育和地球化學(xué)特征[18-20]，而從金屬形態(tài)分析角度開展的研究不夠深入?？λ固氐刭|(zhì)的復(fù)雜性和地貌破碎性及土壤淺薄性等特征是影響此類地區(qū)森林植被、水土流失和元素地球化學(xué)行為的制約因素，治理水土流失，改善喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況仍是當(dāng)前研究的重點。今后應(yīng)對此類地區(qū)土壤中礦質(zhì)元素的性質(zhì)如遷移性、溶解性等開展針對性研究，以更好把握其土壤礦質(zhì)元素的變化和分布規(guī)律及數(shù)量特征，從元素豐缺度和背景值等土壤微觀元素層面，為喀斯特山區(qū)的土地利用、植被恢復(fù)、水土保持等提供可借鑒、可參考的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和模式。