喀斯特山区不同生境下土壤矿质元素研究概述

王大龙， 胡 娟， 申 玲， 陈 莹

(贵州省毕节市土肥站， 贵州 毕节 551700)

喀斯特是一种独特的地貌类型的统称，最早由原苏联学者发现和研究此类地貌特征而得名。喀斯特地貌分布于世界各地的可溶性岩石地区，主要集中分布在东欧地区，中国西南部也是主要分布区，以广西、贵州和云南最为典型且集中连片分布。我国西南喀斯特地区是世界三大岩溶区之一[1]，其中，云贵高原喀斯特分布面积达10.9万km2。因受地球内热动力、剧烈的地质地壳运动、高温多雨的各种因素影响和碳酸盐类溶解性强、地上地下部分水文二元结构分布以及其适生性种类植物的嗜钙性、耐干旱性、石生性、贫瘠性等多种因子共同作用、限制性特点的综合影响[2]，喀斯特地貌具有脆弱性和破碎性的显著特点，表现为环境容量小，土地承载力低抗干扰能力弱，稳定性差，阈值低，物质循环快，受干扰后自然恢复的速度慢、难度大[3]。同时，伴随此类地区人类活动和水土流失而出现的石漠化现象，造成土壤物质流失、土壤的物理、化学和生物性质退化，以及土壤发生层次的变化[4]，对此类地区的人类生产生活、植被环境和生物物种多样性具有较大影响。因此，针对喀斯特地区土壤环境开展相关研究，对促进此类地区生态环境保护和土地利用具有重要意义，也受到了学者的关注。

矿质元素是土壤组成的重要部分。土壤矿物质的化学组成与成土条件和成土过程密切相关，对土壤的物理、化学、生物性质作用明显，具有极大影响，是土壤分化、成土的基础，同时参与植物生长发育的全过程[5-6]，是植物生长良好的保障条件。因此，开展土壤中矿质元素的相关研究，能够为深入了解土壤理化性质及其有效性，实现土壤资源持续利用和防止土壤退化提供重要依据[3]。由于环境条件和成土时间不同，矿质元素在土壤中的分布和转化形式也不相同[6-7]，土壤矿物元素含量和分布主要来源于自然发育土壤的成土母质的分布状况。另外，随着土壤的进一步发育，成土母质逐渐弱化对土壤矿物质发育分布的影响。土壤矿物元素的含量和分布状况，受土壤所处的外部环境，包括土壤理化特性、土地利用方式、植被覆盖类型和环境污染等影响[8-10]。因此，通过对相关文献的调查与整理，从不同植被覆盖类型和土地利用方式喀斯特山区土壤矿质元素的变化，以及微生态生境下喀斯特山区土壤矿质元素特征方面，概述喀斯特山区不同生境下土壤中矿质元素的相关研究，为更好开展喀斯特山区不同生境下土壤中矿质元素的研究提供参考。

1 不同土壤植被覆盖下喀斯特山区土壤矿质元素变化特征

植被不同演替阶段以及不同退耕模式对土壤的理化性质具有重要影响[11]。于扬等[1]对广西环江毛南族自治县喀斯特峰丛洼地坡耕地、草丛、灌丛、人工林、次生林、原生林土壤的主要养分和矿质养分进行分析得出，各矿质元素中，SiO2、Al2O3和Al2O3的含量占比较大。不同生态系统的矿质养分含量存在差异，在次生演替过程中，SiO2含量大小排序为草丛、灌丛>原生林、次生林；Al2O3与Fe2O3含量大小排序为灌丛>草丛、次生林>原生林；CaO含量大小排序为原生林>草丛>次生林>灌丛；MgO含量大小排序为原生林>灌丛、草丛>次生林；MnO含量大小排序为草丛、次生林、灌丛>原生林，各级生态系统之间差异显著或极显著。随着天然次生林改变为坡耕地和人工林，土壤中SiO2含量明显增加，而CaO、MgO含量明显减少。同时，运用典型相关分析方法对研究区土壤生态系统中土壤主要养分、土壤矿质养分、土壤微生物两两间相互关系得出，土壤主要养分与矿质养分间的相互关系主要表现为土壤中SiO2、CaO、MgO、Al2O3对主要养分的影响较大。梁建宏等[12]对以黄荆、檵木、金竹、小果蔷薇等次生灌丛植被为基本格局的广西桂林丫吉岩溶试验场为研究区，通过形态改进的BCR连续提取法，研究石灰性土壤中钙、铁、铝3种矿质元素在石灰土发育不同阶段的赋存状态。结果表明，随着石灰土发育过程进行，钙总量及其形态均降低，而铝、铁总量和形态呈增加趋势。吴海勇等[13]以桂西北中国科学院环江喀斯特生态实验站为研究区，针对草丛→草灌丛→灌丛→藤刺灌丛→乔灌丛→顶级群落的顺向演替和发展过程中，对钙、镁、铁、铝、钛、二氧化硅6种与喀斯特土壤关系较大的矿质成分的全量分析得出，随着植被的恢复，土壤矿质全量的变化愈发明显,不同演替阶段之间的差异大部分均达极显著水平。受高温多雨的影响,岩石在溶蚀过程中,含量最高的钙、镁碳酸盐大量淋失,仅有极少部分生成次生矿物并成为土壤的组成部分；同时,由“森林效应”生成的潮湿生态环境加速岩石的溶蚀过程,使钙、镁含量显著下降；生物累积作用增加及岩石在溶蚀过程中生成的重碳酸钙、重碳酸镁持续进入土体,使土壤中硅的含量随植被恢复呈极显著增加趋势,铁、铝、钛的含量变化也表现出相同规律。

2 不同土壤利用下喀斯特山区土壤矿质元素变化特征

土地利用方式作为人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤质量变化最普遍、最直接、最深刻的因素，是影响陆生态系统土壤养分有效性的主要因素[14]。颜德宏[15]以贵州喀斯特生态环境下发育的石灰性水稻土为研究对象，分析石灰土稻田土壤剖面各形态铁和碳酸钙分布变化发现，土壤碳酸钙分布集中在犁底层和底层，表层石灰性水稻土的碳酸钙含量比对照的旱地土壤要低，而表层石灰性水稻土剖面平均含量也低于旱地土壤。喻阳华等[16]对贵州安顺市和贞丰县交界地带喀斯特山区典型人工林土壤矿质元素含量特征及其相关性进行分析发现，研究区土壤矿质元素含量存在较大差异,且同一元素在不同树种间的变化幅度各异，锌、铬、铁、钛、铝、镁、镍、钴等的变化规律较为一致,钙、锶等的变化趋势较为相似,桉树林、柏木林和枇杷林土壤中砷、硒、硅的含量较高,硫、钠、氯等元素含量较低；不同矿质元素随林分类型的变化规律不完全一致。陈超等[3]对比分析贵州省惠水县喀斯特山林地、草地、经果林和农田的土壤性质得出，有效态铜、锌和钼在农田生态系统土壤中的含量最低；有效态铁在草地和农田中的含量显著低于林地和经果林，有效态锰和硼在林地土壤中的含量最低。

3 喀斯特山区微生态生境下土壤矿质元素特征

贵州境内的喀斯特区是我国乃至世界热带、亚热带喀斯特地貌分布面积最大、发育最强烈的高原山区也是世界上发育最完全的喀斯特连续地带[4]。区域内分布了大量的碳酸性盐和硫酸性盐等可溶性盐类，在此基础上经过长期风化发育的石灰土因碳酸钙的作用而呈现出偏碱性的特点。因风化发育的强度和成土过程、时间及生物有机和无机环境的不同，形成了不同的土壤类型和产生多种石灰土亚类。因此，许多学者以贵州喀斯特山区为研究区，对其微生态生境下土壤矿质元素特征进行研究。宁倩[17]对贵州黔北、黔中、黔东南、黔西、黔西南5个地区不同生态环境下喀斯特碳酸盐岩母质发育土壤的理化性质进行分析表明，土壤样品的游离铁含量均20 g/kg，粘粒中SiO2占绝对优势，P2O5含量较少，元素含量变化顺序为SiO2>A12O3>Al2O3>CaO>MgO>K2O>P2O5。韩美荣等[18]采用经典统计分析、主成分分析和典范相关分析方法，对喀斯特峰丛洼地农作区、人工林、次生林、原生林土壤矿物质的组成特征、作用以及与植被、地形、其他土壤性状的耦合关系进行研究。结果表明:喀斯特峰丛洼地类型土壤矿物质组成以SiO2、Al2O3、Al2O3、K2O氧化物形态为主，明显低于全球土壤中硅铁铝钾的平均背景值和同区域地带性红壤，而CaO、MgO的含量处于中等水平，MnO含量较低；不同生境和生态系统中土壤矿物质组成和变异程度不同，土壤的发育程度也不同，与植被和土壤的原生性、共生性呈正相关关系，均有潜在的石漠化土壤退化风险，表明土壤矿物质的形成、分布和变异性是影响喀斯特峰丛洼地土壤肥力和植物生长的限制因子之一。陈超等[3]也指出，矿质养分短缺可能是影响西南碳酸盐岩石质山地植被生长和修复的重要限制性因子之一。因此，有效利用土壤中的矿物质资源、合理施用矿质养分和化学肥料对喀斯特退化生态系统的恢复与重建意义和作用较大[18]。宋照亮[19]对乌江流域盆地岩石、土壤、植物及溪水样品的矿物、元素组成以及元素存在形态等进行分析，结果表明，相对于研究区黄壤、中国土壤(CS)和世界土壤(WS)，研究区石灰土富集Mn、V、P、REE和U等矿质元素，且多数矿质营养元素对植物的供给能力高于其他土壤。风化成土过程中矿质元素的行为主要受岩性和地貌部位控制，还受元素性质、土壤pH、氧化还原条件、铁锰(氢)氧化物和有机质含量、粘土矿物组成以及植被条件等的影响。石灰岩等岩石风化成土作用对研究区土壤的Mg、Ca、P、Mn和U等矿质元素的分布特征较有影响。刘文景等[20]对贵阳市乌当区和清镇市的喀斯特地区黄壤和石灰土剖面土壤主量元素和微量元素组成变化特征进行分析得出，土壤相对于上地壳普遍富集P和Mn，而亏损Na、K、Ca、Mg元素。与黄壤相比，石灰土具有较高含量的K、Rb和较低含量的Sr元素。舒英格等[21]从土壤重金属污染状况角度，以贵州省乌当区石灰岩母质发育的旱耕地土壤为研究对象,采用层次分析法和改进的主成分分析法，对研究区喀斯特土壤质量进行了评价。

4 结语

综合来看，对喀斯特山区土壤矿质元素的研究主要从元素特征及数量分布变化方面分析[1,12-16]，也有对喀斯特不同生境下石灰土剖面的矿物组成和氧化物分布特征的研究[17-20]，还有从矿物的组成成分和地球化学行为角度研究喀斯特地区石灰土的风化发育和地球化学特征[18-20]，而从金属形态分析角度开展的研究不够深入。喀斯特地质的复杂性和地貌破碎性及土壤浅薄性等特征是影响此类地区森林植被、水土流失和元素地球化学行为的制约因素，治理水土流失，改善喀斯特山区生态环境状况仍是当前研究的重点。今后应对此类地区土壤中矿质元素的性质如迁移性、溶解性等开展针对性研究，以更好把握其土壤矿质元素的变化和分布规律及数量特征，从元素丰缺度和背景值等土壤微观元素层面，为喀斯特山区的土地利用、植被恢复、水土保持等提供可借鉴、可参考的经验、数据和模式。