喀斯特地区不同等级石漠化对土壤性质的响应

颜萍 熊康宁 王恒松 杨皓 胡晚枚

摘要：【目的】研究贵州典型喀斯特地区不同等级石漠化的土壤性质特征，为喀斯特石漠化脆弱生态环境的综合治理提供理论依据。【方法】选取喀斯特地区4种等级石漠化（强度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化）的12个样地，采样后测定并分析土壤物理及化学性质指标。【结果】土壤物理性质方面，随石漠化等级程度增加，土壤持水能力降低、土壤容重增加、总孔隙度降低。土壤化学性质方面，随石漠化等级程度增加，土壤pH变化规律不明显，但整体养分含量降低。中度、轻度和潜在石漠化土壤有机质含量分别比强度石漠化高12.78%、41.49%和48.84%。全氮含量为0.97～1.14 g/kg，碱解氮含量为81.86～171.81 mg/kg，两者均表现为潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化。不同等级石漠化土壤的全磷、全钾含量无显著性差异（P>0.05，下同）。土壤速效磷含量为8.55～11.17 mg/kg，潜在石漠化显著高于其他等级石漠化（P<0.05，下同）。土壤速效钾含量为84.87～110.87 mg/kg，强度石漠化显著低于其他等级石漠化。相关性分析结果表明，土壤水含量与田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾呈极显著正相关（P<0.01，下同），与容重呈极显著负相关；有机质与土壤水含量、全氮、碱解氮和速效钾呈极显著正相关，与田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、全磷、全钾和速效磷呈显著正相关，与容重呈显著负相关；土壤全氮与土壤水含量、田间持水量、有机质、碱解氮和速效磷呈极显著正相关，与总孔隙度、毛管孔隙度和速效钾呈显著正相关。【结论】喀斯特地区随石漠化等级增加，其土壤理化性质减弱，养分含量降低。土壤各理化性质指标间紧密相关，其中土壤水含量、有机质和全氮含量是反映该地区不同等级石漠化土壤理化性质的重要指标。

关键词： 喀斯特；石漠化；土壤物理性质；土壤化学性质

中图分类号： S151.9 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）04-0557-07

0 引言

【研究意义】贵州属裸露型喀斯特典型发育地区，该地区生态环境脆弱，加上人类不合理的社会经济活动，导致土壤水分亏缺、生境干旱、岩石裸露、水土流失、土地生产力丧失，从而出现石漠化现象（Drew，1983；熊康宁等，2011）。喀斯特石漠化是过程与结果的统一，石漠化在空间分布上存在强度差异，在治理时存在难易区别（熊康宁等，2012）。开展针对喀斯特地区土壤性质在不同等级石漠化环境中演变特征的研究，可为掌握土壤理化性质的变化规律及制定适合喀斯特石漠化脆弱生态环境的有效治理措施提供科学依据和实践指导。【前人研究进展】近年来，已有许多学者进行了有关喀斯特地区土壤理化特性的研究，并取得了显著成果（龙健等，2006；司彬等，2009；黄金国等，2014；盛茂银等，2015）。王金乐等（2012）研究认为，喀斯特地区植被覆盖率越低，土壤养分含量也越低，通过封山育林可提高植被覆盖率，可促进土壤养分积累和保肥固土；尹辉（2012）运用RS影像解译总结了不同喀斯特环境对土壤理化指标空间分布的影响因子；盛茂银等（2013）研究了不同等级石漠化环境土壤理化性质的差异，认为随着石漠化程度的增加，土壤理化性质显示了先退化后改善的响应过程；魏媛等（2014）研究认为，喀斯特地区的土壤肥力在植被恢复后，不同的植被模式有不同程度地提高，以桤木纯林、红豆杉+光皮树混交林、鹅掌楸+大叶樟混交林、桤木+大叶樟混交林配置模式最佳。【本研究切入点】目前针对不同等级石漠化环境土壤性质差异性的研究报道较少。本研究试图从石漠化治理的角度，分析喀斯特地区不同等级石漠化对土壤性质的响应。【拟解决的关键问题】通过研究喀斯特地区不同等级石漠化土壤的理化性质，探讨不同等级石漠化对土壤性质的响应情况，为不同等级石漠化治理措施的制定及实现喀斯特地区的石漠化治理和生态建设提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

“关岭—贞丰花江顶坛小流域”位于贵州省西南部，为典型的喀斯特中山峡谷地貌，具有干热河谷气候特点（于晨曦等，2013）。流域内岩石大多属三叠系的白云岩、泥质白云岩及页岩，碳酸盐岩占95%以上（盛茂银等，2013；崔高仰和熊康宁，2015）。年平均气温约18.4 ℃，年平均降水量1100 mm，平均海拔620～ 900 m。土壤以黄壤、黄色石灰土为主。植被主要为针阔叶混交林，以金银花（Lonicera japonica）、铁线莲（Clematis florida）为主的藤刺灌丛，以及零星分布的青冈（Cyclobalanopsis glauca）、香樟（Cinnamomum camphora）、柳杉（Cryptomeria fortunei）为主的乔木林。

1. 2 试验方法

在对研究区详细踏查的基础上，根据熊康宁等（2002）提出的喀斯特石漠化强度分级标准（表1），分别选取喀斯特地区4种等级石漠化（强度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化）进行研究，每种等级选择具有代表性的3个10 m×10 m典型样地为研究对象（表2），共计12个样地。2013年8月在每个样地中心按蛇形方式各选3～5个采样点，环刀法取土，各点间距约2.5 m，带回实验室分析土壤水含量、土壤容重、田间持水量和土壤总孔隙度等物理性质指标。同时在每一样地采集3～5个0～20 cm深度土样，混合后四分法取约1 kg带回实验室用于土壤化学性质测定（刘光菘，1996；鲁如坤，2000）。

1. 3 测定项目及方法

土壤水含量、土壤容重、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的测定采用环刀法。pH采用水浸提—电位法（水土比为2.5∶1）测定（GB 7859-1987）；有机質含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定（GB 7857-1987）；全氮含量采用半微量开氏法测定（GB 7173-1987）；全磷含量采用2 mol/L的氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法测定（GB 7852-1987）；全钾含量采用氢氧化钠碱熔—火焰光度法测定（GB 7854-1987）；碱解氮含量采用FeSO4-Zn还原碱解扩散法测定（GB 7849-1987）；速效磷含量采用0.05 mol/L HCL-0.025 mol/L 的1/2 H2SO4溶液浸提土壤样品；速效钾含量采用乙酸铵浸提法—火焰光度法测定（GB 7856-1987）。具体操作方法参见《土壤理化分析与剖面描述》（刘光菘，1996）。

1. 4 统计分析

利用Excel 2003软件对数据进行统计，以SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比较（LSD最小显著性差异法）和皮尔逊（Pearson）相关性分析。

2 结果与分析

2. 1 不同等级石漠化的土壤物理性质分析

2. 1. 1 土壤持水能力 由表3可看出，研究区土壤水含量为10.84%～23.91%，其中潜在石漠化的土壤水含量显著高于其他3种石漠化（P<0.05，下同），轻度石漠化和中度石漠化间差异不显著（P>0.05，下同），但两者均显著高于强度石漠化。研究区的土壤田间持水量为25.58%～41.33%，各石漠化等级之间变化规律与土壤水含量相类似。

2. 1. 2 土壤容重 由表3可知，研究区土壤容重为1.09～1.26 g/cm3，随石漠化等级的加强，土壤容重呈上升趋势，其大小变化顺序为强度石漠化>中度石漠化>轻度石漠化>潜在石漠化，前三者间土壤容重差异不显著，但均显著高于潜在石漠化。可见，强度石漠化等级的土壤较为紧实，不利于土壤的通气、透水和作物扎根，因此需进行增施有机肥、秸秆还田等以降低土壤容重。

2. 1. 3 土壤孔隙度 由表3可知，研究区土壤总孔隙度为52.28%～57.89%，土壤的毛管孔隙度为25.81%～

37.30%，土壤非毛管孔隙度为20.59%～26.47%。其中潜在石漠化等级环境的土壤总孔隙度显著高于其他等级石漠化。总孔隙度和毛管孔隙度随石漠化等级的增加呈降低趋势，表现为潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化，但轻度、中度和强度石漠化三者间差异均不显著。不同等级石漠化间土壤非毛管孔隙度无显著性差异。

2. 2 不同等级石漠化的土壤化学性质分析

2. 2. 1 土壤pH与有机质 从表4可看出，研究区土壤pH为6.47～7.46，不同石漠化等级间pH变化规律不明显。随石漠化等级的加强，土壤有机质含量呈降低趋势，强度石漠化和中度石漠化的土壤有机质含量显著低于轻度石漠化和潜在石漠化，中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化分别比强度石漠化高12.78%、41.49%和48.84%。

2. 2. 2 土壤氮素、磷素和钾素含量 由表5可知，研究区土壤的氮素含量随石漠化等级的增加呈降低趋势，全氮和碱解氮含量均表现为潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化，说明石漠化等级越强，土壤供氮能力越低。其中研究区全氮含量为0.97～1.14 g/kg，潜在石漠化显著高于其他石漠化等级；碱解氮含量为81.86～171.81 mg/kg，强度石漠化显著低于其他等级石漠化。不同等级石漠化土壤的全磷、全钾含量无显著性差异，可能与土壤全磷、全钾聚集效果强烈及取样随机有关。土壤速效磷含量为8.55～11.17 mg/kg，其中潜在石漠化的速效磷含量显著高于轻度、中度和强度石漠化，后三者间差异不显著。土壤速效钾含量为84.87～110.87 mg/kg，强度石漠化土壤的速效钾含量显著低于其他等级石漠化土壤。

2. 3 喀斯特石漠化环境土壤理化性质的相关性分析

由表6可知，喀斯特地区不同等级石漠化土壤的理化性质间具有较明显的相关性。土壤水含量与田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾间呈极显著正相关（P<0.01，下同），与容重呈极显著负相关。说明土壤水含量对土壤理化性质有明显的指示作用。研究区有机质与土壤水含量、全氮、碱解氮和速效钾呈极显著正相关，与田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、全磷、全钾和速效磷呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关。可见，喀斯特地区不同等级石漠化的土壤有机质与其他土壤理化指标因子关系密切。土壤全氮与土壤水含量、田间持水量、有机质、碱解氮和速效磷呈极显著正相关，与总孔隙度、毛管孔隙度和速效钾呈显著正相关。由此可见，土壤水含量、有机质和全氮是喀斯特地区不同等级石漠化土壤理化性质的重要因子，对该地区的土壤养分循环与积累有重要作用。

3 讨论

本研究结果表明，由于强度石漠化的土层厚度薄，导致土壤保水性和蓄水能力差，土被覆盖度低，对水分的截留作用明显低于潜在石漠化；潜在石漠化具有较强的蓄水保水能力，可避免或减少降雨强度大形成的地表径流。随着石漠化等级的增加，田间持水量和土壤含水量有降低的趋势（刘云，2009），说明土壤的持水能力是土壤肥力的重要促进因素，直接影响石漠化治理的进程。土壤孔隙度是反映土壤通透性的重要指标（康冰等，2012）。本研究结果表明，不同等级石漠化的非毛管孔隙度无显著性差异，类似的结果在盛茂银等（2013）研究我国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应也有体现，说明喀斯特地区土壤的非毛管孔隙度与石漠化等级的关系不明显。而本研究中随石漠化等级的增加，土壤总孔隙度有降低的趋势，说明石漠化等级低的土壤疏松，土壤结构优良，通透性好，蓄水保水效果好，与陈洪云等（2007）的研究结果一致。本研究结果表明，全氮、全磷和碱解氮均有潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>强度石漠化的变化规律，王恒松等（2012）的研究也表明随石漠化等级增加，土壤养分含量有降低的趋势。可见，在不同等级石漠化环境的土壤养分含量与石漠化等级有密切关系，石漠化等级高的土壤其水分和空气的通透性低，不利于通过土壤里的微生物活动、有机质的分解和矿物质的矿化作用来增加土壤的有机质、氮素、磷素和钾素的含量。因此，对贫瘠的强度石漠化的土壤可以采取冬耕晒垡加速土壤矿物的风化，增加土壤的养分含量。

相关性分析结果表明，土壤水含量、全氮和有机质与土壤其他绝大多数理化因子具有较强的相关性，是喀斯特地区保持土壤理化性质的主要因子。魏强等（2012）研究表明，土壤的全氮和有机质与其他理化特征具有相關性。说明土壤全氮和有机质在调节土壤性质方面起着关键作用，因此在喀斯特石漠化治理过程中，应通过土壤基质的能量转换，获得较多的生物潜能，合理施肥，补充养分，均衡满足植物生长的需要。盛茂银等（2013）证实了土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与其他绝大多数理化因子具有明显的相关性，在改善土壤理化性质和促进养分循环方面起着关键作用。本研究结果表明，土壤性质是评价石漠化程度的关键因素，石漠化等级越高，土壤性质越差。在石漠化治理进程中，针对不同等级石漠化的土壤环境，应采取不同的石漠化治理措施。因此，通过研究喀斯特地区不同等级石漠化对土壤性质的响应，可以为喀斯特地区石漠化生态治理提供理论依据和实践指导。

4 结论

本研究结果表明，喀斯特地区不同等级石漠化土壤的理化性质具有明显差异，与石漠化特征存在明显的耦合关系。随石漠化等级的增加，土壤的物理性质减弱，土壤养分含量降低。土壤各理化性质指标间具有紧密的相关性，其中土壤水含量、有机质和全氮含量是反映喀斯特地区不同等级石漠化土壤理化性质的重要指标。

参考文献：

陈洪云，熊康宁，兰安军，贺祥，常黎. 2007. 喀斯特峡谷地区不同等级石漠化治理的生态效应——以贵州省花江石漠化生态综合治理示范区为例[J]. 中国水土保持科学，5（6）：31-37.

Chen H Y，Xiong K N，Lan A J，He X，Chang L. 2007. Ecological effects of rocky desertification control in the karst Gorge area——a case study on the administration areas of the ecological integrated management for rocky desertification in Huajiang of Guizhou province[J]. Science of Soil and Water Conservation，5（6）：31-37.

崔高仰，熊康宁. 2015. 喀斯特地区不同程度石漠化综合治理的小气候效应[J]. 广东农业科学，42（1）：143-149.

Cui G Y，Xiong K N. 2015. Microclimate effect under different rocky desertification degrees in karst area by comprehensive treatment[J]. Guangdong Agricultural Science，42（1）：143-149.

黄金国，魏兴琥，王兮之，周红艺，李辉霞. 2014. 粤北典型岩溶区石漠化过程中植被退化对土壤有机质和养分含量的影响[J]. 中国土壤与肥料，（1）：15-18.

Huang J G，Wei X H，Wang X Z，Zhou H Y，Li H X. 2014. Effect of vegetation degradation on soil organic matte and nutrient in process of rocky desertification in typical karst area of northern Guangdong[J]. Soil and Fertilizer Science in China，（1）：15-18.

康冰，刘世荣，蔡道雄，卢立华，何日明，高妍夏，迪玮峙. 2012. 南亚热带不同植被恢复模式下土壤理化性质[J]. 应用生态学报，21（10）：2479-2486.

Kang B，Liu S R，Cai D X，Lu L H，He R M，Gao Y X，Di W Z. 2012. Soil physical and chemical characteristics under different vegetation restoration patterns in China south subtropical area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，21（10）：2479-2486.

劉光菘. 1996. 土壤理化分析与剖面描述[M]. 北京：中国标准出版社.

Liu G S. 1996. Analysis of Soil Physico-chemical Properties and Profile Description[M]. Beijing：China Standards Press.

刘云. 2009. 贵州典型小流域石漠化综合治理生态效益研究[D]. 贵阳：贵州师范大学：32-34.

Liu Y. 2009. Study on ecological benefit of the ecological rehabilitation of the karst rocky desertification in small karst basin in typical catchments of Guizhou province[D]. Guiyang：Guizhou Normal University：32-34.

龙健，李娟，邓启琼，李阳兵，熊康宁. 2006. 贵州喀斯特山区石漠化土壤理化性质及分形特征研究[J]. 土壤通报，37（4）：635-639.

Long J，Li J，Deng Q Q，Li Y B，Xiong K N. 2006. Soil properties and fractal features in the rocky desertification process of karst regions，Guizhou province[J]. Chinese Journal of Soil Science，37（4）：635-639.

鲁如坤. 2000. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社.

Lu R K. 2000. Analytical Methods of Soil Agrochemistry[M]. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press.

盛茂银，刘洋，熊康宁. 2013. 中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应[J]. 生态学报，33（19）：6303-6313.

Sheng M Y，Liu Y，Xiong K N. 2013. Response of soil physical-chemical properties to rocky desertification succession in South China karst[J]. Acta Ecologica Sinica，33（19）：6303-6313.

盛茂银，熊康宁，崔高仰，刘洋. 2015. 贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质[J]. 生态学报，35（2）：434-448.

Sheng M Y，Xiong K N，Cui G Y，Liu Y. 2015. Plant diversity and soil physical-chemical properties in karst rocky desertification ecosystem of Guizhou，China[J]. Acta Ecologica Sinica，35（2）：434-448.

司彬，姚小华，任华东，李生，何丙辉. 2009. 滇东喀斯特植被恢复演替过程中土壤理化性质分析[J]. 水土保持研究，16（1）：145-148.

Si B，Yao X H，Ren H D，Li S，He B H. 2009. Study on soil physical and chemical properties in the process of vegetation succession in karst area of eastern Yunnan[J]. Research of Soil and Water Conservation，16（1）：145-148.

王恒松，熊康宁，刘云. 2012. 黔西北典型喀斯特小流域综合治理的生态效益研究[J]. 干旱区资源与环境，26（8）：62-68.

Wang H S，Xiong K N，Liu Y. 2012. Ecological benefit of the ecological rehabilitation on the karst rocky desertification land in small karst basin in northwestern Guizhou[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment，26（8）：62-68.

王金乐，林昌虎，何腾兵，涂成龙，彭琴，张清海，罗文敏，刘绍霞. 2012. 贵州西部石漠化地区不同生态模式土壤理化指标的变异[J]. 贵州农业科学，40（6）：131-133.

Wang J L，Lin C H，He T B，Tu C L，Peng Q，Zhang Q H，Luo W M，Liu S X. 2012. Research on the variation of edaphic physicochemical indexes of western rocky desertification region under different ecological styles in Guizhou[J]. Guizhou Agricultural Sciences，40（6）：131-133.

魏強，凌雷，柴春山，张广忠，闰沛斌，陶继新，薛睿. 2012. 甘肃兴隆山森林演替过程中的土壤理化性质[J]. 生态学报，32（15）：4700-4713.

Wei Q，Ling L，Chai C S，Zhang G Z，Run P B，Tao J X，Xue R. 2012. Soil physical and chemical properties in forest succession process in Xinglong mountain of Gansu[J]. Acta Ecologica Sinica，32（15）：4700-4713.

魏媛，吴长勇，孙云，朱忠荣. 2014. 不同树种配置模式对喀斯特山地土壤理化性质的影响[J]. 贵州农业科学，42（9）：81-85.

Wei Y，Wu C Y，Sun Y，Zhu Z R. 2014. Effects of different configuration modes of tree species on physical and chemical properties of soil in karst mountainous area[J]. Guizhou Agricultural Sciences，42（9）：81-85.

熊康宁，陈永毕，陈起伟. 2011. 点石成金——贵州石漠化防治技术与模式[M]. 贵阳：贵州科技出版社：12-21.

Xiong K N，Chen Y B，Chen Q W. 2011. Control Techniques and Mode of Guizhou Rocky Desertification[M]. Guiyang：Guizhou Science and Technology Press：12-21.

熊康宁，李晋，龙明忠. 2012. 典型喀斯特石漠化治理区水土流失特征与关键问题[J]. 地理学报，67（7）：878-888.

Xiong K N，Li J，Long M Z. 2012. Features of soil and water loss and key issues in demonstration areas for combating karst rocky desertification[J]. Acta Geographica Sinica，67（7）：878-888.

熊康宁，黎平，周忠发. 2002. 喀斯特石化的遥感—GIS典型研究——以贵州省为例[M]. 北京：地质出版社：22-28.

Xiong K N，Li P，Zhou Z F. 2002. Remote Sensing of Karst Rocky Desertification——A Typical Research of GIS—A Case Study of Guizhou Province[M]. Beijing：Geology Publishing House：22-28.

尹辉. 2012. 我国西南典型喀斯特峰丛洼地土壤理化特征研究[D]. 北京：中国地质科学院：115-119.

Yin H. 2012. Research on soil physical and chemical properties in typical karst cluster-peak depression areas of southwest China[D]. Beijing：Chinese Academy of Geological Sciences：115-119.

于晨曦，陈浒，熊康宁. 2013. 喀斯特峡谷区干旱灾害下的水资源工程性保障研究——以花江石漠化综合示范区顶坛小流域为例[J]. 水土保持研究，20（3）：305-309.

Yu C X，Chen H，Xiong K N. 2013. Study on the sustainable utilization of water resources under the drought disaster in karst valley area——a case study of Dingtan watershed in the Huajiang demonstration zone[J]. Research of Soil and Water Conservation，20（3）：305-309.

Drew D P. 1983. Accelerated soil erosion in a karst area：The Burren，western ireland[J]. Journal of Hydrology，61（1-3）：113-124.

（責任编辑 王 晖）