喀斯特坡地土层厚度及养分含量空间分布特征

周春衡，付智勇，吴丽萍，王发，陈洪松

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125；2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，广西 环江 547100；3. 中国科学院大学，北京100049）

我国喀斯特地貌集中分布在西南部区域，是世界上喀斯特面积最大的国家，也是三大喀斯特集中分布区中连片裸露碳酸盐面积最大、岩溶发育最强烈的地区[1-2]。地表出露岩石的非均匀性与地下岩石浅薄土层结构的多样性形成的多层生态空间结构使得喀斯特生境极其复杂[3]。目前关于喀斯特地区土壤养分的研究主要集中于表层土壤的空间变异特征[4-6]、土地利用方式[7-8]以及不同植被类型[9-10]等方面。然而有关土壤类型空间分布格局及其基本理化性质空间变异特征的研究基础薄弱，系统研究喀斯特坡地土壤分布格局特征与空间属性变异情况，是该区土地资源合理利用和规划保护工作的前提。

在西南喀斯特山区，碳酸盐岩在风化成土过程中不断溶蚀，形成石缝、石沟、石坑等微地貌，土壤在径流的冲刷下从正地形聚集到负地形，由此造成喀斯特地区土层厚度不均、分布不连续的独特现象，岩土结构具有高度的异质性[11]。王升等[12]、贾金田等[13]分别用探地雷达和全站仪对喀斯特坡地土层厚度和基岩深度进行测量，发现喀斯特坡地土层厚度不均，基岩起伏大，岩土结构表现为极其复杂的三维耦合构造。与非喀斯特区相比，喀斯特坡地岩土结构异质性极强，土被不连续，基于变异特征的传统取样调查方法可能在喀斯特区存在更多的不确定性。不同环境因子（土层厚度、裸岩率、坡度、海拔等）对喀斯特区土壤养分的影响较复杂[14-15]，刘淑娟等[16]发现在考虑土层厚度空间变异的情况下估算碳储量提高了喀斯特区的估算精度，不同厚度的土壤类型其养分含量及空间分布可能有明显差异。喀斯特坡地上坡位大部分岩石裸露、土层浅薄，不适合人为开发利用，农业利用主要集中在有土壤覆盖的中坡和下坡位。基于环江站13个径流场的观测发现，农业利用的玉米和牧草小区植物长势存在沿坡向下逐渐变好的趋势，然而控制这种格局的土壤及养分机制是什么还需进一步研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区环江毛南族自治县中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站（108°18'56.9″～108°19′58.4″E，24°43'58.9″～24°44'48.8″N）。海拔高度为272.0～647.2 m，地势起伏较大，四周高，中间低，地形破碎，坡度较陡，坡地≥25°坡面占60%，基岩裸露面积约30%。该地属中亚热带季风气候，雨季高温多雨，旱季低温少雨，年平均气温19.9 ℃，年均降雨量为1 389.1 mm，5～9月降雨量占全年降雨量的75%以上，尤以6月中旬至7月中旬最多。研究区在1984年之前曾遭到砍伐、樵采、垦殖、放牧、火烧等大面积破坏，此后一直撂荒到现在，经长期自然恢复和植树种草，形成不同的草丛、草灌丛及各种次生林群落。

1.2 样品采集与分析

在坡度为25°的典型灌草坡面上选择一块面积为25 m×60 m的坡地作为研究区。植被清除后，从坡脚垂直向上开挖12条间隔为5 m，投影长24 m、宽1 m的样沟，开挖深度以挖至基岩为准（图1）。每条沟选取一侧沟壁，从坡顶到坡脚，以1 m为间隔，用全站仪确定样沟土壤表面及基岩表面的三维坐标，以便获取样沟土壤-岩石二维结构图，对土壤分布格局进行直观描述。喀斯特坡地土层厚度变异性强，空间分布极为不均，目前对该地区土层厚度分类尚未有统一标准，前期研究多根据土层厚度占比进行分类[11,17]。本文根据12条样沟的土层厚度调查数据（表1），对样沟土岩结构对比分析，将样沟分成三类，即浅薄土层（0～30 cm）、中层土层（30～100 cm）及深厚土层（＞100 cm），三类样沟在所有样沟中分别占比33%、25%、42%，分别选取第1、6、11条样沟（下称沟a、沟b、沟c）（图2）作为以上每种类型的代表性样沟进行取样分析。

开挖过程中，从坡顶到坡脚每隔4 m设置一个观测剖面，具体观测剖面的选择则根据实际情况进行适当调整，共计6个观测剖面；沟a由于土层浅薄，只采集0～10 cm深度以及剖面底部风化基岩土壤样品，沟b和沟c的观测剖面按0～10、10～30、30～60、60～120以及＞120 cm 5个层次采集样品，每个深度随机选取5个点混合成一个样，3条样沟共采集土壤样品68个。将土壤样品剔除石粒和树根等杂物，风干研磨后过筛，装袋待用。全氮(TN)含量采用半微量开氏法-流动注射仪法测定，全磷(TP)含量采用NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法测定，全钾(TK)含量采用NaOH熔融-原子分光光度计法测定，速效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法测定，速效钾(AK)采用NH4OAc浸提法测定，土壤pH采用电极电位法测定[18]。

表1 样沟土层厚度及土体特征Table 1 Soil thickness and soil profile characteristics for the sample trenches

图2 沟壁土壤-岩石剖面特征Fig. 2 Characteristics of the exposed soil-rock profiles

1.3 数据处理与统计分析

本文采用改进的内梅罗综合指数[17]对三个样沟的土壤肥力质量作综合评价。基于本文研究数据，选择土壤全氮、速效钾、速效磷和pH值4个指标作为评价因子。其计算公式为[19]：

式中：P为土壤综合肥力系数，Pi平均为各指标得分平均值，Pi最小为各指标得分的最小值，n为指标数，本文取n=4。根据计算的综合肥力系数给出土壤的肥力评价：很肥沃（P≥2.7），肥沃（1.8≤P＜2.7），一般（0.9≤P＜1.8），贫瘠（P＜0.9）[19]。

采用Excel 2010对数据进行基本的统计分析，用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），用Origin 2018软件绘制土壤-岩石二维结构图以及土壤养分剖面垂直变化图、坡位分布图等。

2 结果与分析

2.1 样沟土壤-岩石剖面结构特征

由样沟土壤-岩石二维结构图（图3）及土层厚度描述性统计分析结果（表2）可以看出，三条样沟土壤分布格局存在明显差异，沟a土层浅薄，最厚处仅15 cm；沟b土层厚度分布不均，有基岩裸露，但深厚处土层厚度也可达120 cm；变异系数达到85.3%，属于强变异。沟c土层较厚，浅薄处土层也可达60 cm，最厚甚至可达364 cm，平均土层厚度为160 cm。

图3 样沟土壤-岩石剖面结构示意图Fig. 3 Schematic diagrams for the typical soil-rock structures of the sampled trenches

表2 样沟土层厚度描述性统计分析Table 2 Descriptive statistics analysis of soil thickness of the trenches

2.2 不同厚度土壤剖面养分垂直分布特征

取样沟6个剖面各层土壤养分平均值作为整个坡面在该层的养分含量，由图4可知，不同厚度土层剖面土壤全氮含量均随剖面深度增加而减少。沟b只在0～10 cm土层全氮含量（4.65 g/kg）高于沟a（3.72 g/kg）和沟c（3.26 g/kg），往下的其他土层均是沟a和沟c的全氮含量大于沟b。沟a和沟b土壤全磷含量随剖面深度的增加而递减，0～10 cm土层全磷含量与其他各土层之间均差异显著，而沟c全磷含量在各土层之间变化不明显，垂直分布相对均匀。沟a土壤全钾含量垂直分布特征与沟c呈相反的趋势。沟a土壤全钾含量随剖面深度的增加而递减，沟c土壤全钾含量随土层深度的增加总体呈递增趋势，沟b全钾含量随剖面深度的增加整体呈递减趋势，在10 cm以下深度土层分布较均匀，沟c各土层全钾含量比沟a和沟b都高。

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不同厚度土层剖面土壤速效磷的分布特征与土壤全磷的分布特征相似，即沟a和沟b土壤速效磷含量随剖面深度的增加而递减，而沟c速效磷含量在各层土壤全磷中均无明显变化。其中表层土壤速效磷含量最高值出现在沟a，为5.69 mg/kg，沟c最低，为2.43 mg/kg。沟a、沟b及沟c土壤速效钾含量随剖面深度的增加均呈递减趋势，其中表层土壤速效钾含量最高值出现在沟b，为100.68 mg/kg，沟c最低，仅为52.11 mg/kg。沟a和沟b土壤pH值均随剖面深度的增加而增加，而沟c则呈递减趋势。不同厚度土层土壤呈中性至弱碱性，pH值介于7.14～8.81之间，沟a表层土壤pH值最大，为7.90，其次为沟b，沟c表层土壤pH值最小，为7.16。

图4 土壤剖面养分含量垂直变化特征Fig. 4 Distributions of the main soil nutrient contents for different soil profile types

2.3 典型厚度土壤剖面表层土壤养分随坡位变化特征

从坡顶沿坡向下，取相邻两个剖面0～10 cm土层土壤养分含量平均值，分别代表上坡、中坡、下坡表层土壤养分含量。由图5可知，沟a和沟b表层土壤全氮含量与坡位显著相关，从上坡到下坡均呈递减趋势。而沟c表层土壤全氮含量在上坡和下坡无明显差异，中坡含量明显低于上坡和下坡，且沟c表层土壤全氮含量在上、中、下坡都低于沟a和沟b。沟a、沟b和沟c表层土壤全磷含量在坡位分布上无明显变化特征。沟a表层土壤全钾含量随坡位变化特征与全氮相反，从上坡到下坡呈递增趋势，而沟b表层土壤全钾含量在上坡和下坡无明显差异，中坡含量明显低于上坡和下坡。沟c表层土壤全钾含量与沟a相同，随坡位向下呈递增趋势，且中坡、下坡含量都高于沟a和沟b。

沟a和沟b表层土壤速效磷含量随坡位变化特征与全钾相同，沟a下坡表层土壤速效磷含量显著高于上坡和中坡，而沟b表层土壤速效磷含量在上坡和下坡无明显差异，中坡含量显著低于上坡和下坡。沟c上坡表层土壤速效磷含量显著高于中坡，从中坡到下坡，速效磷含量有稍微增加。沟a下坡表层土壤速效钾含量显著高于上坡和中坡，沟c则相反，下坡含量显著低于上坡和中坡，而沟b在坡位分布上无明显变化特征。沟a、沟b和沟c表层土壤pH值上、中、下坡无明显变化。

图5 土壤养分沿坡分布特征Fig. 5 Characteristics of soil nutrient distribution along the hillslope

2.4 土层深度与土壤养分的相关性分析

根据土层深度与土壤养分的相关性分析结果（表3）发现，土层深度与土壤养分有很大的相关关系，相关系数相对较高，其中，土层深度与TN、TP呈极显著负相关（P＜0.01），与AK呈显著负相关（P＜0.05），与TK、AP虽未达显著水平，但相关系数均大于0.5。同时，AK与TN、TP的相关性两两之间也达显著水平。pH与土层深度和养分整体相关系数偏低，相关性不大。

表3 土层深度与土壤养分含量间的相关性Table 3 Relationship between soil thickness and soil nutrient contents

2.5 不同厚度土层土壤肥力综合评价

不同厚度土层土壤各属性肥力系数及综合肥力系数结果见表4。总体而言，喀斯特坡地土壤肥力较弱，仅沟a与沟b在0～10 cm土层属土壤肥沃程度一般，其他土层土壤肥沃程度都属贫瘠。不同厚度土层土壤综合肥力系数如图6所示，在0～10 cm土层中，土壤肥力综合评价值表现为沟b>沟a>沟c，其中沟b和沟a土壤综合肥力系数较接近，分别为0.99和1.04，沟c相对稍低，为0.76。对沟b及沟c而言，随着土层深度的增加，土壤综合肥力系数呈递减趋势。在10～30、30～60、60～120 cm土层深度处，沟c的土壤养分综合肥力系数都比沟b大。

表4 不同土壤-岩石结构样沟各土层土壤肥力系数和综合肥力系数Table 4 Soil fertility coefficients and comprehensive fertility coefficient of each soil layers in typical soil-rock profiles

3 讨论

3.1 喀斯特坡地土层厚度空间格局的总体特征

喀斯特地区土层浅薄、土被不连续，岩石裸露[20]。王升等[12]基于探地雷达技术对典型喀斯特坡地土层厚度进行估测，测得坡地土层厚度介于0～336 cm之间，平均土层厚度为65.6 cm，变异系数达到91.0%。本研究选取的三个典型不同土层厚度样沟与此范围相近，样沟之间差异较大，符合喀斯特地区土壤厚薄不一、变异性强的特点。冯腾等[21]研究喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征时，同样发现不同利用方式及坡位的土层厚度具有显著差异，其平均土层厚度介于10.6～50.0 cm之间。贾金田等[13]使用全站仪对喀斯特坡地3条开挖探槽测土层厚度，发现喀斯特坡地基岩起伏较大、土被不连续，平均土层厚度介于45～64 cm之间，变异系数最大可达82%。本研究坡地的平均土层厚度介于12～120 cm之间，变异系数范围为12.0%～85.3%，除浅薄土层坡面土层厚度变异较小，中层土层坡面和深厚土层坡面的土层厚度都表现为强变异，且总体表现为中层土层坡面变异强度最大。

3.2 喀斯特坡地土壤剖面养分随深度的垂直变化

土壤pH值升高会影响土壤养分的形态及有效性，最终导致植物营养不平衡、缺乏[22]。例如，梁月明等[23]发现植物根际速效磷与pH呈显著负相关性，而这种相关性与喀斯特石灰土壤中较高pH值有关，高pH值增强土壤的固磷作用，形成难溶的磷灰石导致磷的有效性降低。本研究土壤pH介于7.14～8.81之间，呈中性偏碱性，虽然对土壤养分有效性造成一定的影响，但相关分析发现，土壤pH对几个养分因子影响不显著，相关系数偏低。在土壤的长期发育过程中，土壤pH初始值、土壤类型、成土母质和土地利用方式等因素都可以影响土壤的酸碱度[24]，而研究区外界影响因素完全一致，因此，可能主要受土壤发育程度和土壤类型的影响。

土壤氮素是植物吸收的大量元素之一，是土壤养分最重要的指标[22]。研究区不同厚度土层土壤全氮含量均随深度的变深而减少，表聚效应明显，这与李艳琼等[25]、谭秋锦等[26]的研究结果一致。因土壤氮素主要来源于凋落物的归还，这导致氮素首先在土壤表层密集，然后再随水或者其他介质向下层迁移扩散，从而形成土壤氮素浓度从表层到底层越来越低的分布格局[27]。土壤中磷素主要来源于成土母质和动植物残体归还，其含量受土壤类型和环境条件的影响[28]。研究区土壤主要是发育在白云岩之上，3种不同厚度土壤受白云岩母岩的影响是一致的。浅薄土层表层土壤发育较好，土壤全磷主要聚集在表层，而下层土壤全磷含量很低，深厚土层剖面土壤不同深度全磷含量差别不大。而速效磷除了浅薄土层与中层土层0～10 cm土层大于3 mg/kg外，其他各土层速效磷含量均小于3 mg/kg，各土层厚度下的土壤速效磷含量均极低。这与很多学者的研究类似，例如：周传艳等[29]，马琨等[30]通过对农耕地与自然植被土壤养分的对比研究发现，受大量磷肥施加的影响，农耕地土壤速效磷含量高于自然植被土壤速效磷含量。胡忠良等[31]、范夫静等[32]、宋同清等[33]对喀斯特地区土壤养分的研究也发现，喀斯特地区土壤磷含量比同纬度地区低。土壤磷素的缺乏使具有高效磷素利用率的植物类型成为演替后的优势种，导致生态系统内优势植被的变化[34]，由此可见，恢复土壤磷素特别是速效磷素含量对恢复和重建生态系统具有重要意义。全钾含量主要受母质中矿物成分影响，李艳琼等[25]研究表明，湘西喀斯特山区钾受成土母质影响较大，高君亮等[22]在研究不同土地利用类型土壤养分特征分析时也发现各样地间差异不显著。而在本研究中，不同厚度土层土壤全钾含量差异显著，这主要可能与土壤类型有关。从土壤剖面垂直分布看，土壤速效钾含量总体表现为随土层深度加深而递减，全钾含量则无此特征，部分剖面下层土壤还出现升高现象，这可能是因为该地区高温多雨，降雨季节集中，土壤淋溶强烈，从而导致深层土壤全钾较高。

3.3 喀斯特坡地土壤养分随坡位的变化

喀斯特地区土壤养分含量受地貌部位影响，已有研究发现喀斯特峰丛洼地的“养分倒置”现象，即坡地的养分含量高于洼地，坡地上坡位养分含量高于下坡位[5,35]，这是因为坡位越高，人类的干扰程度越小，更有利于养分的积累。在本研究中，全氮、深厚土层土壤全钾、速效磷及速效钾含量呈现“养分倒置”现象，全磷、pH、中层土层全钾、速效磷及速效钾上下坡位未出现显著差异。而浅薄土层全钾、速效磷及速效钾含量则随坡位降低而升高，可能是因为该坡地土层浅薄，更容易受到地表径流侵蚀和淋溶作用，使得浅薄土层剖面土壤养分含量在坡位上更容易呈现与“养分倒置”现象相反的“洼积效应”。

3.4 喀斯特坡地不同厚度土层土壤肥力综合评价

土壤肥力不仅受土壤养分含量变化的影响，而且还受植物对养分吸收能力的影响，但更取决于各因子的协调程度，是诸多肥力因素综合作用的反映[22]。本研究结果显示，在0～10 cm土层中，浅薄土层、中层土层和深厚土层土壤综合肥力系数分别为0.09、1.04和0.76，而随土层深度的增加，中层土层和深厚土层土壤综合肥力系数呈递减趋势。目前尽管肥力等级的划分及权重系数的确定在国内还没有统一的标准[36]，但本研究所计算的综合肥力系数在一定程度上也可以反映研究区当前的土壤肥力状况，本研究结果表明喀斯特坡地土壤肥力相对较低，低于非喀斯特地区[37]，中层土层和深厚土层土壤肥力在10 cm以下深度相对变化不大，而浅薄土层和中层土层土壤肥力主要集中在0～10 cm土层中，中层土层在土层深度大于10 cm土层土壤贫瘠。由此可见，喀斯特坡地表层土壤一旦遭到破坏，不仅会造成作物减产，经济效益低，还会导致生态环境的全面恶化。因此，在今后喀斯特地区生态植被建设中，应尽量避免浅薄土层的开垦与种植，防止浅薄土层坡地植被破坏从而引起土壤退化，土壤侵蚀加剧，薄层土壤流失等一系列问题。

4 结论

1）在岩溶作用下，喀斯特坡地溶沟、溶槽普遍发育，岩土结构表现出极强的空间异质性。浅薄土层、中层土层和深厚土层间土壤分布格局存在显著差异，土被分布不连续，土层厚度变异大，部分无土层覆盖，基岩裸露，而部分土层可厚达364 cm。

2）喀斯特坡地土壤养分含量随土壤剖面垂直往下总体呈递减趋势，且大部分养分含量与坡位无明显关系，全氮和深厚土层土壤全钾、速效磷及速效钾含量呈现“养分倒置”现象，只有浅薄土层的全钾、速效磷及速效钾含量呈现“洼积效应”。

3）研究区土壤肥力水平总体较低，仅浅薄土层和中层土层的表层土壤（0～10 cm）肥沃程度属一般，其余皆为贫瘠。土壤养分主要聚集在表层土壤，随土层深度的增加土壤肥力系数呈递减变化。该结果在一定程度上可以为喀斯特地区生态设计提供养分状况的科学支撑。