江西省紅砂巖地退化過程中土壤理化性質(zhì)的變化特征*

楊明，董星宇，郭曉敏，蘭龍焱，牛德奎

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330045；2.江西省宜春市袁州區(qū)林業(yè)局，江西 宜春 336000)

土壤退化是指在各種自然和人為因素影響下，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力、環(huán)境調(diào)控潛力和可持續(xù)發(fā)展能力下降甚至完全喪失的過程[1-2]。隨著人口-資源-環(huán)境之間矛盾的尖銳化，土壤退化問題早已是全球關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國因水土流失、沙漠化、鹽漬化、沼澤化、土壤肥力衰減和土壤污染及酸化等造成的土壤退化總面積約4.6×108hm2，占全國土地總面積的40%[3]。紅砂巖是侏羅紀(jì)到新近紀(jì)的陸相沉積巖系[4]，分布面積占全國陸地面積的8.6 %[5]，其中江西省紅砂巖發(fā)育的土壤面積廣泛，約為1.24×106hm2，占紅壤土類11.63 %，占全省土壤總面積7.53 %，僅次于花崗巖、變質(zhì)巖類發(fā)育的紅壤[6]，在江西全省紅壤土類中的分布面積占第三位。在地質(zhì)作用的長期影響下，因?yàn)殚L期對(duì)紅砂巖區(qū)域的不合理的開發(fā)和利用，加之治理措施不及時(shí)和不得當(dāng)導(dǎo)致紅砂巖區(qū)的植被破壞較為嚴(yán)重，紅砂巖區(qū)出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的土壤侵蝕，使土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化[7]；紅砂巖地嚴(yán)重的土壤退化問題也對(duì)人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了一定威脅，已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重大生態(tài)問題。有關(guān)江西紅砂巖地的研究主要集中在紅砂巖土土水特性及邊坡穩(wěn)定性[8]、高含水率紅砂巖泥化洞渣的路用改良土力學(xué)特性研究[9]以及紅砂巖侵蝕區(qū)水土流失治理模式[7]等方面，針對(duì)江西省紅砂巖地退化過程中土壤理化性質(zhì)的變化特征的研究鮮有報(bào)道。為此，本研究采用空間代替時(shí)間的方法，在贛東、贛南、贛北、贛中、贛西5個(gè)區(qū)域選擇不同退化等級(jí)的紅砂巖地為研究對(duì)象，根據(jù)紅砂巖退化地殘留土層厚度，對(duì)土壤退化程度進(jìn)行分級(jí)，采集不同區(qū)域不同紅砂巖地退化等級(jí)下的土壤樣品，研究土壤理化性質(zhì)對(duì)紅砂巖地退化的響應(yīng)，分析不同退化程度土壤理化性質(zhì)的變化和土壤理化因子間的相關(guān)性，以期找出代表紅砂巖退化地土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因子，探討紅砂巖土壤退化過程對(duì)土壤特性的影響機(jī)理，為紅砂巖地的生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究選擇贛北(Ⅰ)——九江市武寧縣，贛東(Ⅱ)——上饒市玉山縣，贛西(Ⅲ)——宜春市萬載縣，贛中(Ⅳ)——撫州市崇仁縣，贛南(Ⅴ)——贛州市尋烏縣，共5個(gè)紅砂巖退化區(qū)域作為研究區(qū)，所選各類型樣地盡量保證光照、地形地貌、坡位及海拔的一致性。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[10]，按照土壤構(gòu)型和發(fā)生層殘留土層厚度的變化標(biāo)準(zhǔn)，將紅砂巖土壤的退化程度分為潛在退化、輕度退化中度退化、重度退化和極度退化5個(gè)等級(jí)梯度。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

在5個(gè)研究區(qū)對(duì)每種退化程度紅砂巖地設(shè)立規(guī)格20 m×20 m樣地3個(gè)，共計(jì)75個(gè)土壤樣地。采用100 cm3環(huán)刀取原狀土樣3份，在各個(gè)樣地中隨機(jī)選3個(gè)點(diǎn)采集土壤養(yǎng)分測(cè)定的樣品，將3點(diǎn)土樣均勻混合成待測(cè)土樣。紅砂巖退化地區(qū)因土層較薄，只取0～10 cm土層的土壤進(jìn)行研究，如果退化地土層厚度< 10 cm，則依情況剖取表層土。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

土壤持水性能與孔隙度狀況的計(jì)算參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定[11]；土壤機(jī)械組成采用智能激光粒度儀(Mastersizer 3 000英國)測(cè)定[12]，并參照土壤質(zhì)地分類表[13]，進(jìn)行土壤質(zhì)地劃分。

1.2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

測(cè)定方法參照鮑士旦[14]的方法：土壤pH采用電位計(jì)法測(cè)定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)測(cè)定為重鉻酸鉀(H2SO4-K2Cr2O7)外加熱法；銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)測(cè)定先采用2 mol/L的KCI溶液浸提，全氮、全磷先聯(lián)合消煮，而后均使用Smartchem全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(AMS法國)測(cè)定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)均采用Excel 2010整理，用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅砂巖地不同退化程度土壤物理性質(zhì)變化特征

2.1.1 土壤機(jī)械組成變化特征

由表1可知，紅砂巖地土壤砂粒含量隨退化程度的加深逐漸增多，由潛在退化的(52.17±9.43)%增大到重度退化的(72.44±1.55)%；粉粒含量和黏粒含量隨著退化程度加深逐漸減少，均為潛在退化時(shí)最大，重度退化和極度退化時(shí)最小。砂粒和粉粒含量均為重度退化和極度退化與潛在退化差異顯著(P<0.05)；其中，重度退化和極度退化砂粒含量顯著增加(P<0.05)，粉粒含量顯著減少(P<0.05)，黏粒含量在各個(gè)退化等級(jí)間差異不顯著(P>0.05)，但整體隨著退化等級(jí)增加而減少。根據(jù)土壤質(zhì)地三角圖判斷，紅砂巖母質(zhì)發(fā)育的土壤為砂質(zhì)土壤。整體來看，不同退化等級(jí)土壤質(zhì)地沒有根本改變。

2.1.2 土壤孔隙度變化特征

由表1可知，隨著退化程度加劇土壤總孔隙度減小，與潛在退化相比，輕度、中度和重度退化的土壤總孔隙度分別減小2.29%、36.34%和45.59%，中度和重度退化與輕度退化差異顯著(P<0.05)，與潛在退化差異極顯著(P<0.01)。土壤毛管孔隙度隨退化程度加劇而減小，中度和重度退化與輕度退化呈顯著性差異(P<0.05)。土壤非毛管孔隙度隨著退化程度加劇而減小，與潛在退化相比，輕度、中度和重度退化的土壤非毛管孔隙度分別減小26.35%、33.67%和46.90%?？梢?，從中度退化開始，總孔隙度尤其是毛管孔隙度發(fā)生顯著變化，總孔隙度、毛管孔隙顯著減小，非毛管孔隙變化不顯著。

表1 紅砂巖地不同退化等級(jí)土壤物理性質(zhì)變化Tab.1 Changes of soil physical properties in different degradation grades of red sandstone

2.1.3 土壤含水率與持水量變化特征

隨著退化程度加劇，土壤含水率逐漸減小，極度退化土壤含水率(2.02±0.39)%顯著低于潛在退化土壤含水率(11.15±2.49)%(P<0.05)。土壤持水量也隨著退化程度加劇逐漸減小，飽和持水量在中度和重度退化階段顯著降低(P<0.05)。毛管持水量重度退化顯著低于輕度和潛在退化(P<0.05)；田間持水量重度退化顯著低于輕度和潛在退化(P<0.05)。整體來看，隨著退化程度的加劇，土壤含水率和土壤持水量顯著下降，極度退化土壤含水率下降到最低；重度退化土壤持水量下降到最低。

2.2 紅砂巖地不同退化程度土壤化學(xué)性質(zhì)變化特征

2.2.1 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)變化特征

紅砂巖地不同退化程度土壤pH值的變化見表2，變化范圍在5.02～5.67之間，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，土壤偏酸性。土壤有機(jī)質(zhì)隨著退化程度加劇逐漸減小，與潛在退化相比，輕度、中度、重度和極度退化的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別減少53.41%、72.69%、77.72%和86.08%；潛在退化與輕度退化差異顯著(P< 0.05)，潛在退化與中度、重度、極度退化差異極顯著(P<0.01)。

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分變化特征

由表2可知，隨著退化程度加劇，輕度、中度、重度和極度退化的土壤全磷含量較潛在退化分別減小2.44%、39.02%、41.46%和42.68%。潛在退化和輕度退化的全磷含量顯著高于中度、重度、極度退化程度。輕度、中度、重度和極度退化的土壤全氮含量較潛在退化分別減小20.35%、45.93%、49.42%和76.16%，潛在退化土壤全氮含量顯著高于極度退化土壤。整體來看，隨著退化程度加劇，全氮和全磷含量逐漸降低，中度退化開始全磷含量顯著下降，全氮含量在極度退化程度下顯著下降且屬于最低級(jí)別。

2.2.3 土壤有效養(yǎng)分變化特征

由表2可知，紅砂巖地不同退化程度土壤有效磷和有效氮含量均隨著退化程度的加劇而減小，潛在退化的土壤有效磷含量顯著高于中度、重度和極度退化(P<0.05)。

潛在退化的土壤NH4+-N含量顯著高于中度、重度、極度退化(P<0.05)，與潛在退化相比，輕度、中度、重度和極度退化的土壤NH4+-N含量分別減小13.51%、33.99%、45.97%和69.72%。土壤NO3--N含量為潛在退化與極度退化差異顯著(P<0.05)。土壤有效磷含量潛在退化顯著高于中度、重度、極度退化土壤(P<0.05)，與潛在退化相比，輕度、中度、重度和極度退化的土壤NO3--N含量分別減小22.61%、29.69%、48.06%和62.20%?？梢?，隨著退化程度加劇，土壤有效養(yǎng)分含量逐漸降低。其中，土壤NH4+-N和有效磷均在中度退化顯著降低。土壤有效氮含量在極度退化下降明顯，由于土壤中的NO3--N大部分是由NH4+-N通過硝化作用快速轉(zhuǎn)變[15]，所以有效氮的積累程度不同，且不同退化程度土壤NO3--N的含量始終低于NH4+-N含量。

表2 紅砂巖地不同退化等級(jí)土壤化學(xué)性質(zhì)變化Tab.2 Changes of soil chemical properties in different degradation grades of red sandstone

2.3 土壤理化因子的相關(guān)性分析

由表3可知，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、NO3--N、NH4+-N、非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)；全磷與有效磷、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度成極顯著正相關(guān)，與NH4+-N呈顯著正相關(guān)；有效磷與全磷呈極顯著正相關(guān)，與飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著正相關(guān)；飽和持水量與全磷、毛管持水、田間持水、毛管孔隙、總孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與粉粒、含水率、pH、有效磷、非毛管孔隙呈顯著正相關(guān)；總孔隙度與飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、全磷、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與粉粒、含水率、pH、有效磷呈顯著正相關(guān)。

綜上可知，有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、飽和持水量、總孔隙度與大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性，所以，土壤有機(jī)質(zhì)、磷素、飽和持水量、總孔隙度是土壤理化性質(zhì)中的重要因子。

表3 紅砂巖退化地土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of physical and chemical properties of red sandstone degraded soil

2.4 紅砂巖退化地土壤理化性質(zhì)的主成分分析

通過對(duì)紅砂巖退化土壤17個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析結(jié)果見表4。

表4 紅砂巖退化地土壤理化性質(zhì)的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of soil physicochemical properties in degraded red sands

共篩選到4個(gè)主要成分，貢獻(xiàn)率分別為42.55%、19.80%、12.24%、8.38%，累計(jì)貢獻(xiàn)率82.97%。由此可見，前4個(gè)主成分保留17 個(gè)土壤理化性質(zhì)指因子評(píng)價(jià)土壤化特征的絕大部分信息，因此選取這4個(gè)主成分作為評(píng)價(jià)紅砂巖土壤發(fā)生退化的依據(jù)。主成分1中，全磷、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度的權(quán)重系數(shù)較大，顯示主成分1主要反映了土壤全磷、持水狀況和孔隙度表征土壤退化的信息。主成分2中，有機(jī)質(zhì)、全氮和NH4+-N的權(quán)重系數(shù)較大，顯示主成分2主要反映了土壤有機(jī)質(zhì)和氮素表征土壤退化的信息。主成分3中，砂粒和粉粒的權(quán)重系數(shù)較大，顯示主成分3主要反映了土壤機(jī)械組成表征土壤退化的信息。主成分4中，土壤含水率權(quán)重系數(shù)較大，顯示主成分4主要反映了土壤含水率表征土壤退化的信息。

2.5 不同區(qū)域土壤因子的變化特征

根據(jù)土壤理化性質(zhì)重要因子在贛北、贛東、贛西、贛中、贛南退化區(qū)域的變化，綜合比較不同區(qū)域的紅砂巖地的退化情況，對(duì)不同區(qū)域土壤重要因子的變化特征進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表5所示：有機(jī)質(zhì)含量變化表現(xiàn)為西部退化地顯著高于其他4個(gè)區(qū)域，變化程度為贛西>贛南>贛東>贛中>贛北，贛西是贛北的9.66倍；全磷含量為南西部退化地極顯著高于其他區(qū)域，變化趨勢(shì)為贛南>贛西>贛東>贛中>贛北，贛南是贛北的2.67倍；有效磷含量南部極顯著高于其他區(qū)域，其趨勢(shì)為贛南>贛北>贛西>贛中>贛東，贛南是贛東的4.21倍；飽和持水量變化趨勢(shì)為贛南>贛西>贛北>贛中>贛東，其中，南部與東部差異極顯著，與中部差異顯著，贛南是贛東的2.48倍；總孔隙度變化趨勢(shì)為贛南>贛西>贛北>贛中> 贛東，且南部與中部差異顯著，南部與東部差異極顯著，贛南是贛東的2.19倍。

表5 不同區(qū)域土壤重要因子的變化特征Tab.5 Mechanical composition of soils with varying degrees of degradation

綜上所述，紅砂巖南部退化區(qū)域土壤的全磷、有效磷、飽和持水量、總孔隙度明顯高于其他4個(gè)退化區(qū)域，有機(jī)質(zhì)為贛西地區(qū)最大。西部退化地土壤的有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、飽和持水量、總孔隙度明顯高于東部退化地。由此可以推斷出，贛北紅砂巖土壤退化程度高于南部，贛東退化程度高于西部，北部和東部紅砂巖退化程度較南部和西部嚴(yán)重，南部地區(qū)的退化程度最弱，這可能與所在區(qū)域土壤本身的特性有關(guān)，也可能與不同區(qū)域的降雨、太陽輻射和溫度等氣象因素有關(guān)，其原因還有待進(jìn)一步探究。

3 討論與結(jié)論

本研究顯示隨著紅砂巖地退化程度的加劇，土壤的砂粒含量升高，土壤含水率、持水量、孔隙度、有機(jī)質(zhì)以及各種營養(yǎng)元素含量下降，這與目前關(guān)于濕地退化、土壤退化和草地退化中土壤物理性質(zhì)變化研究的結(jié)果一致[17-19]。在重度和極度退化土壤中砂粒含量顯著增加，粉粒含量顯著減少，這是由于侵蝕作用隨著退化程度加深而劇烈，侵蝕過程是對(duì)土壤顆粒進(jìn)行分選，最先移走最細(xì)的土壤顆粒，而粗砂粒移動(dòng)距離很近或者停留在原地。隨著土壤粒級(jí)變化，砂粒增加，土壤孔隙度尤其是毛管孔隙顯著降低，土壤持水和保水能力下降，并且隨著紅砂巖土壤退化程度加劇，植物根系減少也會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙減少，土壤的固定能力減弱，滲透阻力增加，僅剩少量水分能留存在土壤中，持水能力繼續(xù)下降。而植被蓋度降低，裸露地面積大，地表水分蒸散較快，自然含水率降低。長此以往就造成了土壤持水量、緊實(shí)度以及土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)等性狀的改變，使紅砂巖地土壤結(jié)構(gòu)變差。

隨土壤退化程度加劇，土壤有機(jī)質(zhì)含量在輕度退化階段就顯著下降，這說明有機(jī)質(zhì)對(duì)于紅砂巖土壤退化反應(yīng)速度較快，這是由于有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的主要來源，土壤養(yǎng)分又為植物的生長發(fā)育提供了必須的營養(yǎng)元素，所以有機(jī)質(zhì)下降直接影響植被群落物種數(shù)量和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致植物物種數(shù)量減少，產(chǎn)量降低，凋落物減少，進(jìn)而減少了有機(jī)質(zhì)的輸入[20]。土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，減弱了微生物礦化作用[21]，隨著退化加劇，土壤養(yǎng)分含量在中度退化時(shí)顯著下降，全氮和全磷含量相比較潛在退化時(shí)分別下降了39.02%和45.93%，土壤全量養(yǎng)分礦化作用轉(zhuǎn)化為有效養(yǎng)分部分減少，有效養(yǎng)分輸入減少，土壤NH4+-N和有效磷均表現(xiàn)為中度退化顯著降低。

綜上所述，土壤的形成過程受氣候、植被、地形等因子的綜合影響，并且隨著植被演替的進(jìn)行而發(fā)生改變[22]。紅砂巖退化過程中土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤退化的響應(yīng)及機(jī)制可以歸納為：隨著植被群落物種數(shù)量及結(jié)構(gòu)的改變，土壤養(yǎng)分隨著水土流失作用而流失，植物及其他有機(jī)物質(zhì)輸入的減少等影響紅砂巖地生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，從而影響土壤的化學(xué)特性，導(dǎo)致土壤退化，因?yàn)橥寥赖奈锢砗突瘜W(xué)特性具有一定的交互作用，化學(xué)性質(zhì)的改變會(huì)影響土壤物理結(jié)構(gòu)的變化。另外，養(yǎng)分含量的下降程度越來越小，也說明隨著退化程度增加，水土流失作用減弱，可流失的養(yǎng)分越來越少，養(yǎng)分含量減少得越來越少，這也是極度退化發(fā)展成為頂級(jí)群落的一個(gè)原因。以上討論也表明修復(fù)土壤物理結(jié)構(gòu)和存留的土壤養(yǎng)分是解決紅砂巖土壤退化的關(guān)鍵問題。

本研究表明紅砂巖土壤退化過程中有機(jī)質(zhì)、磷素、總孔隙度、飽和持水量是土壤理化性質(zhì)的重要因子，對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善和養(yǎng)分循環(huán)的促進(jìn)方面起著關(guān)鍵性作用。因此，在今后針對(duì)紅砂巖地土壤退化治理時(shí)，要著重對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、總孔隙度和飽和持水量等理化性質(zhì)進(jìn)行改良，以使紅砂巖地土壤質(zhì)量得到提升。