賈洪杰,甘鳳玲,李振輪,黃雪嬌,馮 密,馮 適,毛鑫羽

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400716

我國南方喀斯特地區(qū)面積大、分布廣、地形條件復(fù)雜、水土流失快、裸巖率高、土層淺薄,是典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)該地區(qū)承載人口多,人為活動強(qiáng)烈,導(dǎo)致石漠化風(fēng)險(xiǎn)極大。為此,恢復(fù)和維持該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境對我國南方環(huán)境生態(tài)建設(shè)具有重要意義。而土壤理化性質(zhì)對喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)起決定性作用[1- 2],因此喀斯特土壤理化性質(zhì)及其影響因素得到廣大研究者的重點(diǎn)關(guān)注。

作為土壤重要的基本屬性,土壤理化性質(zhì)受母質(zhì)、氣候、生物、地形、時(shí)間等成土五因素和人類活動的顯著影響。目前,人們研究了母質(zhì)類型[3]、石漠化程度[4- 6]、植被組成[7]、土地利用方式[8]、地形以及人為措施[9]等方面對喀斯特土壤理化性質(zhì)的影響。地形因素雖然不直接影響土壤理化性質(zhì),但可以通過影響母質(zhì)、水分、光照、生物等因子的重新分布來影響土壤理化性質(zhì)。人們發(fā)現(xiàn)坡度、坡向、海拔等地形因子對坡地土壤有機(jī)質(zhì)[10]、土壤酶活性[11]、土壤含水量[12]、容重和飽和導(dǎo)水率[13]等理化性質(zhì)有顯著影響。

從土壤形成的實(shí)質(zhì)來看,土壤理化性質(zhì)是母質(zhì)與生物、氣候因素以及土體內(nèi)部所進(jìn)行的物質(zhì)與能量的遷移和轉(zhuǎn)化的綜合作用的體現(xiàn),水分運(yùn)移在這個(gè)過程中起至關(guān)重要的作用[14],因此所有影響土表或土壤內(nèi)部水分運(yùn)移的因素均會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生直接或間接影響。巖層傾向是地形因子之一,也是描述巖層空間位置的巖層產(chǎn)狀三要素之一,在不同條件下形成的地形不同,如順向坡(巖層傾向與坡面傾向一致),逆向坡(巖層傾向與坡面傾向相反),斜向坡(巖層傾向與坡面傾向交叉)等,因此巖層傾向?qū)Φ孛嫘螒B(tài)及巖石出露有著直接影響[15]。張志才等[16- 17]研究發(fā)現(xiàn)喀斯特峰叢山體巖石出露位置及其破碎程度對不同部位土壤水分含量有顯著影響,因此巖層傾向通過影響巖石位置進(jìn)而影響土壤水分入滲。而土壤水分是土壤中物質(zhì)運(yùn)移、轉(zhuǎn)化等重要的影響因素,土壤水分越多、保持時(shí)間越久,越有利于土壤中物質(zhì)的淋溶,從而影響和改變土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。因此不同巖層傾向會影響土壤的水分含量從而影響土壤理化性質(zhì)的空間變異,然而目前還未見相關(guān)研究的報(bào)道。本文以重慶酉陽縣泔溪鎮(zhèn)典型槽谷區(qū)形成的順逆向坡為研究對象,分析不同巖層傾向下土壤理化性質(zhì)的差異,結(jié)果表明順向坡有利于水分入滲和保持,從而促進(jìn)土壤的淋溶與發(fā)育。研究結(jié)果為深入理解喀斯特坡耕地土壤肥力形成與恢復(fù)提供了較為重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于重慶酉陽泔溪鎮(zhèn)龍?zhí)恫酃葍?nèi)的和信花椒基地(108°57′E,29°00′N),龍?zhí)恫酃任挥谟详柨h桐麻嶺背斜的東南翼中,呈東北-西南走向,槽谷兩側(cè)巖層傾向一致,坡向相反,出現(xiàn)坡向和巖層傾向一致的順向坡(位于龍?zhí)恫酃鹊奈鱾?cè))、坡向和巖層傾向不一致的逆向坡(位于龍?zhí)恫酃鹊臇|側(cè))。順向坡坡長約為1000m,坡度為29.6°,土層厚度20—80cm,逆向坡坡長約為600m,坡度為58.7°,土層厚度20—100cm,順向坡土壤巖石裸露率高于逆向坡?；ń坊卣w種植青花椒5年左右,植被以次生灌木、藤本、蕨類以及零稀的喬木為主,原生植被破壞殆盡。桐麻嶺背斜軸部以寒武系的白云巖和奧陶系灰?guī)r為主,背斜兩翼分別為志留系的砂頁巖和二疊、三疊系的灰?guī)r。龍?zhí)恫酃鹊撞繉捈s1—4km,海拔300—500m,東西兩翼山體海拔900—1100m,高差為400—800m。本區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年降水量為1200mm左右,4—10月降水充沛,其中5—6月、9—10月為降水的集中期,年均氣溫為14.6℃。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

本實(shí)驗(yàn)于2017年6月進(jìn)行采樣,按坡向和坡位選擇長200m,寬200m的正方形作為一個(gè)取樣區(qū)域,在取樣區(qū)域隨機(jī)確定5個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)分表層(5—15cm)和下層(20—30cm)取樣,每樣點(diǎn)上下層分別取樣200克,5個(gè)樣點(diǎn)表層和下層土分別混合作為一個(gè)取樣區(qū)域的表層和下層土壤樣品,總計(jì)16個(gè)區(qū)域,32個(gè)土壤樣品。

1.2.2樣品處理方法

土壤理化性質(zhì)的測定方法參照楊劍虹主編的《土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測》[18]。

環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度(孔隙直徑小于或等于0.1mm)、非毛管孔隙度(孔隙直徑大于0.1mm)；烘干法測定樣品自然含水量；電極法測定pH；重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測定全氮、擴(kuò)散法測定堿解氮；全鉀、速效鉀采用火焰光度法；全磷、有效磷采用硫酸鉬銻比色法測定；樣品全量Fe、Al、Si的消解采用NaOH熔融法,然后用ICP-OES(安捷倫 5110)測定。

以上指標(biāo)測定時(shí)每個(gè)土樣均做3次重復(fù)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖層傾向?qū)τ谕寥牢锢硇再|(zhì)的影響

土壤物理性狀指土壤含水率、土壤容重及土壤孔隙度等,是土壤結(jié)構(gòu)狀況、持水能力和保水能力的綜合體現(xiàn)。順向坡表層土壤的自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水量均顯著高于逆向坡表層土壤(表1)。逆向坡表層和下層的土壤容重、表層非毛管孔隙度均顯著高于順向坡相應(yīng)層位。逆向坡下層非毛管孔隙度顯著低于順向坡下層。土壤中總孔隙度和毛管孔隙度高,容重小有利于土壤接受營養(yǎng)物質(zhì),吸收水分和空氣?？傮w來說,順向坡和逆向坡土壤物理性質(zhì)差異顯著,順向坡土壤通透性較好,飽和含水率高,土壤物理性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。

表1 巖層傾向?qū)λ固仄赂赝寥牢锢硇再|(zhì)的影響

NC:自然含水量 Natural moisture content,BD:土壤容重Bulk density,tP:總孔隙度Total porosity,CP:毛管隙度Capillary porosity,NP:非毛管孔隙度Non capillary porosity,SC:飽和含水率Saturated water content,ASS:逆向坡表層 Anti-dip stratified rock slope surface,ASL:逆向坡下層 Anti-dip stratified rock slope lower layer,BSS:順向坡表層Bedding rock slope surface,BSL:順向坡下層Bedding rock slope lower layer; 不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.2 巖層傾向?qū)τ谕寥阑瘜W(xué)性質(zhì)的影響

土壤化學(xué)性質(zhì)深刻影響土壤的供肥能力,是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。順向坡表層土壤的有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮、全氮均顯著高于逆向坡表層(表2)。逆向坡表層和下層的pH值顯著高于順向坡相應(yīng)層位。全磷、全鉀在順向坡和逆向坡之間沒有顯著差異,但順向坡表層和下層含量均高于逆向坡相應(yīng)層位。逆向坡表層和下層有效磷顯著高于對應(yīng)順向坡的表層和下層。除了有效磷和全鉀含量以外,土壤化學(xué)性質(zhì)總體呈現(xiàn)：順向坡表層>逆向坡表層>順向坡下層>逆向坡下層,土壤表層>土壤下層的規(guī)律?？傮w來說順向坡的土壤化學(xué)性質(zhì)顯著優(yōu)于逆向坡。

OC:有機(jī)質(zhì)Organic matter,TN:全氮Total nitrogen,TP:全磷Total phosphorus,TK:全鉀Total potassium, AN:堿解氮Alkaline nitrogen,AP:有效磷Available phosphorus, AK:速效鉀Available potassium;不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.3 巖層傾向?qū)ζ赂寥懒苋艿挠绊?/h3>

土壤淋溶是土壤的重要屬性之一,深刻影響著土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。順向坡表層和下層土壤全量Al含量均高于逆向坡對應(yīng)的表層和下層,逆向坡表層和下層的Si含量顯著高于順向坡對應(yīng)的表層和下層(表3)。Fe含量在順向坡和逆向坡沒有顯著差異,但逆向坡表層和下層含量均高于順向坡對應(yīng)的表層和下層。Sa(Sa=SiO2/Al2O3)值、Saf(Saf=SiO2/(Al2O3+Fe2O3))值是土壤淋溶發(fā)育的指標(biāo),Sa值、Saf值越低,土壤淋溶發(fā)育情況越好。上表中可以發(fā)現(xiàn),順向坡土壤表層和下層的Sa值和Saf值顯著低于逆向坡的表層和下層。因此順向坡土壤淋溶發(fā)育情況要強(qiáng)于逆向坡。

不同小寫字母表示各處理間差異性顯著 (P<0.05)

2.4 逆向坡土壤理化性狀之間的相關(guān)性分析

逆向坡土壤有機(jī)質(zhì)與飽和含水量呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。全氮含量與飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著(P<0.01)或顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系。有效磷和飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。速效鉀與飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤pH值與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著或者顯著正相關(guān)關(guān)系,與自然含水量、飽和含水量、容重、非毛管孔隙度呈極顯著或者顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。除全磷、全鉀和堿解氮以外,有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀與土壤飽和含水量均表現(xiàn)出較大的相關(guān)性,并且,土壤飽和含水量也深刻的影響著土壤的物理性質(zhì),與土壤容重、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可見,大部分土壤養(yǎng)分含量與土壤的物理性質(zhì)有極大的相關(guān)性,尤其是土壤的飽和含水量,深刻的影響著土壤理化性質(zhì)。

2.5 順向坡土壤理化性狀之間的相關(guān)性分析

順向坡有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全磷、全氮含量與自然含水量、飽和含水量、毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。有效磷與自然含水量、飽和含水量、毛管孔隙度呈極顯著或是顯著正相關(guān)關(guān)系,與非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。堿解氮與飽和含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。pH值與自然含水量、飽和含水量、容重呈極顯著或是顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度和毛管孔隙度呈極顯著或是顯著正相關(guān)關(guān)系。除了全鉀含量以外,全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤pH與飽和含水量、自然含水量有一定的相關(guān)性,并且,土壤飽和含水量與土壤容重、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總孔隙度、毛管孔隙度、自然含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

**為P<0.01,極顯著相關(guān);*為P<0.05,顯著相關(guān)

表5 順向坡土壤理化性狀之間相關(guān)性分析

**為P<0.01,極顯著相關(guān);*為P<0.05,顯著相關(guān)

3 討論

3.1 巖層傾向?qū)ν寥浪趾康挠绊?/h3>

相對于逆向坡而言,山體坡向和巖層傾向一致的順向坡巖層對土壤阻擋作用小,土壤容易隨著徑流或者巖層流失,導(dǎo)致順向坡的巖石裸漏率比逆向坡高,這與實(shí)際觀測結(jié)果相符合。有研究表明,裸巖周圍的土壤能夠大量吸收和吸附部分降雨,并且裸巖能降低地表的徑流速度[19- 20]。降雨期間,雨水降落在裸巖上,降雨資源化程度較高,裸巖改變了降雨的再分配,匯集和補(bǔ)充周邊的土壤水分[21- 22]。因此巖層傾向會影響土壤水分的匯聚,使得順向坡土壤自然含水量和飽和含水量高于或是顯著高于逆向坡,這與游賢慧的研究結(jié)果相似[23]。

3.2 土壤水分含量對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤水分含量作為土壤的本質(zhì)屬性之一,深刻影響著土壤理化性質(zhì)。研究結(jié)構(gòu)表明,無論在順向坡還是在逆向坡,土壤自然含水量和飽和含水量與土壤理化性質(zhì)之間存在著巨大關(guān)系。土壤飽和含水量跟土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤總孔隙度,毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,在逆向坡,土壤飽和含水量與土壤非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,在順向坡,土壤飽和含水量與土壤非毛管孔隙度也有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)區(qū)位于巖溶區(qū),土壤母質(zhì)以石灰?guī)r為主要成分,水分含量高,就將有利于土壤淋溶,從而導(dǎo)致土壤容重減少[24- 25],總孔隙度增加[26],毛管孔隙度增加,非毛管孔隙度減少。并且,水分含量的多少也將會直接影響到土壤的淋溶發(fā)育情況,水分多的土壤淋溶發(fā)育狀況較好[27]。

3.3 土壤水分含量對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

本研究的結(jié)果顯示在順向坡和逆向坡土壤飽和含水量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,自然含水量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是土壤飽和含水量和土壤自然含水量與土壤全量氮、磷、鉀,速效氮、磷、鉀的含量在順向坡和逆向坡之間顯著性有巨大的差異,或是相關(guān)性不大。這主要是因?yàn)樵撛囼?yàn)區(qū)為坡耕地,長期大量的使用化肥干擾了土壤中氮磷鉀總量。吳軍虎[28]、高鑫宇[24]的研究都展現(xiàn)了土壤水分對于土壤有機(jī)質(zhì)的影響,即土壤水分含量越高,土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,這與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

3.4 相同坡向不同深度下巖層傾向?qū)ν寥览砘再|(zhì)的影響

總體來說,由于巖層傾向與坡向的不同,土壤水分含量在坡面上重新分布,導(dǎo)致了順向坡土壤水分含量比逆向坡土壤水分含量高,進(jìn)而影響了土壤的淋溶發(fā)育,使得順向坡土壤的理化性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,順向坡水分含量高于逆向坡,pH值低于逆向坡,總孔隙度、毛管孔隙度高于逆向坡。順向坡土壤淋溶發(fā)育情況比逆向坡好,土壤理化性質(zhì)優(yōu)于逆向坡。當(dāng)巖層傾向與坡向相同時(shí),更有利于水分的入滲,促進(jìn)土壤的淋溶與發(fā)育。