不同喀斯特峽谷土壤物理性質(zhì)空間變異的研究

姜 霞，張 喜，張佐玉，劉 蘭，文 弢

（貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005）

不同喀斯特峽谷土壤物理性質(zhì)空間變異的研究

姜 霞，張 喜，張佐玉，劉 蘭，文 弢

（貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005）

通過樣地調(diào)查和取樣測(cè)定，對(duì)貴州喀斯特地區(qū)清水江峽谷和南江峽谷的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）隨著土層深度增加，土壤密度呈增大趨勢(shì)，以B層最大，A層最??；而土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、最小持水量卻呈減小的趨勢(shì)，以A層最過大,B層最小。（2）兩個(gè)峽谷土壤物理性質(zhì)比較，土壤密度清水江峽谷＞江南峽谷，毛管孔隙度以清水江峽谷＞南江峽谷，非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量和最小持水量南江峽谷＞清水江峽谷。

喀斯特峽谷；土壤物理性質(zhì)；土壤密度；土壤孔隙度；持水能力

土壤是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ), 具有貯存并循環(huán)生物圈及地表的生源要素的功能，土壤物理性質(zhì)是影響林木生長發(fā)育的重要因素，是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。不同的土壤物理性狀影響土壤水、氣、熱特征和土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育[1]。貴州省是我國西南亞熱帶地區(qū)喀斯特強(qiáng)烈發(fā)育的省份, 由于自然和社會(huì)因素的綜合影響, 致使貴州喀斯特山區(qū)水土流失十分嚴(yán)重[2]?？λ固貚{谷是貴州高原上常見的一種“負(fù)”地貌，是深度大寬度的陡峻谷地，由喀斯特地質(zhì)基礎(chǔ)形成。主因有喀斯特地貌抬升、河流下切，或喀斯特地下暗河擴(kuò)張、崩塌而成河谷，或二者兼有之。其谷坡陡直、深切呈“V”或“U”型，沖積物和階地不發(fā)育。由于這種特殊地質(zhì)營力的作用，母巖層出露時(shí)間是高原面先于谷底、成土?xí)r間亦然，在峽谷的“V”或“U”型壁上還形成了一個(gè)成土?xí)r間序列。其上的森林組成、類型、結(jié)構(gòu)與功能也因地質(zhì)、地貌、土壤的變化而異。雖然國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)喀斯特山區(qū)土壤侵蝕[3-4]、土壤退化[5-6]作過一些研究，但對(duì)喀斯特峽谷的物理性質(zhì)報(bào)道較少，只有王鈺等[7]對(duì)貴州喀斯特峽谷地區(qū)花椒林地土壤物理性質(zhì)研究。本研究通過對(duì)黔中開陽縣南江峽谷，以及開陽和福泉兩縣交界的清水江峽谷土壤物理性質(zhì)的研究，為研究峽谷對(duì)喀斯特森林結(jié)構(gòu)與功能的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)南江峽谷、清水江峽谷。兩個(gè)峽谷位于開陽境內(nèi)，屬北亞熱帶季風(fēng)性溫潤氣候，年平均氣溫在10.6至15.4℃之間，四季分明，春暖風(fēng)和，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，水熱同季，無霜期長，春遲夏短，秋早冬長，多云霧，濕度大。

南江峽谷和清水江峽谷均屬寬闊型喀斯特峽谷，其中南江峽谷長度18 km，寬度4～50 m、大多在15～25 m間，相對(duì)高差100～220 m，生物多樣性豐富、森林覆蓋率達(dá)80%以上。

南江峽谷森林主要構(gòu)成物種有齒葉珊瑚冬青Ilex Corallina、 漆 樹 Toxicodendron vericifluum、山礬Symplocos sumuntia、南酸棗Choerospondias axillaris、 鵝 掌 柴 Schefflera octophylla、 仿 粟Sloanea hemsleyana、香葉樹Lindera communis等 。清水江峽谷森林主要構(gòu)成物種有齒葉鐵仔Myrsine semiserrata、刺楸Kalopanax septemlobus、構(gòu)樹Broussonetia papyrigera、欏木石楠Photinia davidsoniae、潤楠Machilus SP.等。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)布設(shè)與環(huán)境因子測(cè)定

2009年6～10月在典型地貌踏查基礎(chǔ)上，選取代表性森林類型，設(shè)立調(diào)查樣地。樣地面積為20 m×20 m，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按對(duì)角線隨機(jī)布點(diǎn)（3點(diǎn)）挖取土壤剖面，分別取樣。樣地采用GPS定位，記錄海拔高度、坡度、坡位、坡向，地貌類型，等。

表1 各樣地基本情況Table 1 Basic situations of the sample plots

2.2 土壤取樣與分析方法

利用體積為100 cm3環(huán)刀(高5 cm；直徑5 cm)在各個(gè)樣點(diǎn)分層取原狀土，每個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)重復(fù)，測(cè)定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、持水量（最大持水量、最小持水量）等土壤水文物理性質(zhì)。每個(gè)峽谷土壤的物理性質(zhì)取兩個(gè)樣地的平均值。

2.3 統(tǒng)計(jì)方法與數(shù)據(jù)處理

利用Excel和 DPS數(shù)據(jù)分析軟件分析土壤物理數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 喀斯特峽谷底部土壤物理性質(zhì)特征

3.1.1 土壤質(zhì)地

各研究樣地的土壤質(zhì)地見表2。由表2可看出，不同峽谷森林表層土壤質(zhì)地呈粉質(zhì)粘壤土、粘壤土組合，南江峽谷以粉質(zhì)粘壤土為主，清水江峽谷以粘壤土和粉質(zhì)粘壤土為主，同一剖面不同發(fā)生層的土壤質(zhì)地在不同峽谷底部也呈不同組合，即使是同一峽谷相距不遠(yuǎn)的森林表層土壤質(zhì)地也不同。

表2 樣地土壤質(zhì)地Table 2 Soil texture of the sample plots

3.1.2 土壤密度

土壤密度是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它不僅直接影響到土壤孔隙度與孔隙度大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥氣熱變化，而且也間接影響植物生長及根系在土壤中的穿插和活力大小[8]。由圖1可以看出：兩個(gè)峽谷樣地土壤密度為1.089～1.465 g/cm3，清水江峽谷樣地土壤密度＞江南峽谷，土壤密度在土層上的變化表現(xiàn)為B層＞C層＞A層 ，表層土壤密度大小順序?yàn)榍逅瓖{谷＞江南峽谷，每層土壤密度方差分析顯示兩個(gè)峽谷差異不顯著（P值為0.375 6）。

3.1.3 土壤孔隙度

圖1 兩個(gè)喀斯特峽谷不同深度土壤密度Fig.1 Soil density of different soil depth in two karst canyons

總孔隙主要包括毛管和非毛管孔隙，二者所起的作用不同。土壤孔隙度直接表征土壤的通氣善及土壤水分功能。土壤孔隙的大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ),在一定土壤厚度條件下土壤的貯水特征取決于土壤孔隙[9]。從水土保持的角度看，土壤毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長發(fā)育的能力；而土壤非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滯留水分以及發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力。土壤孔隙直接影響到土壤中水、熱、氣、肥的分配，與土壤質(zhì)地，有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)、容重等密切相關(guān)，可以說它是土壤各因子的綜合反映[10]。土壤的總孔隙度并非越大就越好, 資料表明, 總孔隙度在50%左右, 其中非毛管孔隙占1 /5～2 /5時(shí)土壤的持水通氣性較好[11]。由圖2可見，樣地土壤平均總孔隙度為44.75%～60.15%，毛管孔隙度為36.4%～49.15%，非毛管孔隙度為1.8%～12.1%。2個(gè)峽谷中毛管孔隙度以清水江峽谷（46.3%）＞南江峽谷（41.7%），說明清水江峽谷具有很強(qiáng)的持水保水能力；非毛管孔隙度以南江峽谷（11.75%）＞清水江峽谷（3.75%），說明南江峽谷林地的通氣透水性能比清水江峽谷好,總孔隙度以南江峽谷（53.4%）＞清水江峽谷（50.05%）。這些說明南江峽谷和清水江峽谷土壤毛管孔隙與非毛管孔隙比例不協(xié)調(diào)，土壤通氣透水能力并不理想，特別是清水江峽谷透水性較差。由圖2～圖4可看出，2個(gè)峽谷的總孔隙度和毛管孔隙度在土層上的變化趨勢(shì)相同， A層＞C層＞B層 ，非毛管孔隙度表現(xiàn)為C層＞A層＞B層。均是中層比表層和底層的低。

圖2 兩個(gè)喀斯特峽谷不同深度土壤總孔隙度Fig.2 Soil total porosity of different soil depth in two karst canyons

圖3 兩個(gè)喀斯特峽谷不同深度土壤毛管孔隙度Fig.3 Soil capillary porosity of different soil depth in two karst canyons

圖4 兩個(gè)喀斯特峽谷不同深度土壤非毛管孔隙度Fig.4 Soil non-capillary porosity of different soil depth in two karst canyons

3.1.4 土壤持水量

土壤最大持水量和最小持水量是土壤的一項(xiàng)物理性質(zhì)，它的大小與土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量以及土地利用狀況有關(guān)，不同的土壤其持水量不同。由圖5、圖6可看出，兩個(gè)峽谷樣地土壤的最大持水量為307.50～553.89 g/kg，最小持水量為277.64～419.6 g/kg，最大持水量和最小持水量均表現(xiàn)為南江峽谷（460.29、342.36 g/kg）＞清水江峽谷（388.85、341.22 g/kg）。表明南江峽谷樣地土壤貯水保水能力大于清水江峽谷。兩個(gè)峽谷樣地土壤的持水能力總體上隨土壤深度的增加而降低，表現(xiàn)為A層＞C層＞B層。

圖5 兩個(gè)喀斯特峽谷不同深度土壤最大持水量Fig.5 Soil maximum water-holding capacity of different soil in two karst canyons

3.2 土壤物理性質(zhì)與環(huán)境因子的回歸分析

從表3中可以看出，土壤密度與海拔高度和坡位呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.706和0.244；與郁閉度和土層厚度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是-0.407、-0.865。最大持水量與海拔高度和坡位呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.525、-0.030；與郁閉度和土層厚度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.577、0.797；最小持水量與海拔高度、郁閉度和坡位呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.979、-0.191、-0.769，與土層厚度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.848；總孔隙度與海拔高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.288；與郁閉度、土層厚度和坡位呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.702、0.698、0.191；毛管孔隙度與海拔高度、郁閉度和坡位呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.659、-0.867、-0.938，與土層厚度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.226；非毛管孔隙度與海拔高度、郁閉度、土層厚度和坡位均呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.259、0.926、0.215、0.696。

表3 土壤物理性質(zhì)與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系?Table 3 Correlation between soil physical properties and the environmental factors

4 結(jié)論與討論

對(duì)喀斯特峽谷南江峽谷和清水江峽谷土壤物理性質(zhì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著土層加深，土壤密度呈增大趨勢(shì)，但表現(xiàn)為B層＞C層＞A層 ，有違自然發(fā)育土壤的一般特性，一般認(rèn)為土壤密度隨著土層加深逐漸增大[12]，總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和最小持水量在土層上的變化趨勢(shì)相同表現(xiàn)為 A層＞C層＞B層 ，一般認(rèn)為土壤總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和最小持水量隨土層深度的加深逐漸減小[13-16]，本研究出現(xiàn)B層最小，這可能與峽谷底部成土母質(zhì)來源組成有關(guān)，包括殘留、堆積、坡積和洪積母質(zhì)的種類與數(shù)量比例以及森林植被的作用，也可能由于喀斯特峽谷特有的地形使表層土壤向中層淀積和淋溶，形成明顯的淀積層，影響土壤的通氣透水性能。非毛管孔隙度表現(xiàn)為C層＞A層＞B層，土壤非毛管孔隙度隨土壤深度變化的情況是復(fù)雜的，這與土壤中植物根系分布和土壤中石礫含量的多少有很大的關(guān)系。

土壤密度清水江峽谷＞江南峽谷，總孔隙度南江峽谷（53.4%）＞清水江峽谷（50.05%）。毛管孔隙度以清水江峽谷（46.3%）＞南江峽谷（41.7%），非毛管孔隙度以南江峽谷（11.75%）＞清水江峽谷（3.75%），總孔隙度以南江峽谷（53.4%）＞清水江峽谷（50.05%）。最大持水量和最小持水量南江峽谷（460.29 g/Kg，342.36 g/Kg）＞清水江峽谷（388.85 g/Kg，341.22 g/Kg）。表明南江峽谷樣地土壤貯水保水能力大于清水江峽谷。清水江峽谷樣地的持水能力較，主要是由于樣地受人為干擾嚴(yán)重，使林下環(huán)境惡化，土壤板結(jié)，持水能力差。

土壤物理性質(zhì)與環(huán)境因子能反應(yīng)出一些土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律，這說明土壤物理性質(zhì)的空間變異性很大，影響因子很多，過程和機(jī)理很復(fù)雜，并且各影響因子間相互影響?？λ固貚{谷地域廣闊，類型多樣，今后工作有必要開展峽谷土壤物理性質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，以進(jìn)一步為喀斯特峽谷植被建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供更多的科學(xué)依據(jù)。

[1] 李 勇,徐曉琴,朱顯謨.黃土高原油松人工林根系改善土壤物理性質(zhì)的有效性研究[J].林業(yè)科學(xué)，1993,29(3):193-198.

[2] 徐 燕,龍 健. 貴州喀斯特山區(qū)土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(1):157-175.

[3] 韋啟幡. 我國南方喀斯特區(qū)土壤侵蝕特點(diǎn)及防治途徑[J] . 水土保持研究, 1996,3(4) :72-85.

[4] 陳曉平. 喀斯特山區(qū)環(huán)境土壤侵蝕特性的分析研究[J] . 水土保持學(xué)報(bào), 1997(4) : 31-36.

[5] 龍 健,黃昌勇.我國西南地區(qū)的喀斯特環(huán)境與土壤退化及其恢復(fù)[J] . 水土保持學(xué)報(bào), 2002, 16(5) : 5-8.

[6] 楊勝天,朱啟疆.論喀斯特環(huán)境中土壤退化的研究[J] . 中國巖溶, 1999, 18(2) : 169-175.

[7] 王 鈺,楊少杰.貴州喀斯特峽谷地區(qū)花椒林地土壤物理性質(zhì)研究[J] .中國水土保持,2007,(11):48-55.

[8] 李潮海,王 群,郝四平.土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤生物活性及作物生長的影響研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,36(1):32-37.

[9] 林伯群,蔣毓蘅,彭志途,等.土壤學(xué)(上冊(cè))[M].北京：中國林業(yè)出版社，1982.

[10] 張志云,蔡學(xué)林,黎祖堯,等.土壤物理性與林木生長關(guān)系的研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，13（1）：28-32

[11] 田大倫,陳書軍．樟樹人工林土壤水文－物理性質(zhì)特征分析[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（2）：1-6

[12] 駱土壽,李意德,陳德祥,等.海南島熱帶山地雨林皆伐后不同更新方式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響及恢復(fù)研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2008,21(2):227-234.

[13] 李慶云,余新曉,信忠保,等.黃土高原典型流域不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)分析[J].水土保持研究,2010,17(6):106-114.

[14] 孫艷紅,張洪江,程金花,等. 縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J] . 水土保持學(xué)報(bào), 2006,20(2):106-109.

[15] 周 瑋,朱 軍,吳 鵬,等.杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,32(5):92-96.

[16] 趙朝輝,方 晰,田大倫,等.間伐對(duì)杉木林林下地被物生物理及土壤理化性質(zhì)的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012, 32(5):102-107.

Soil physical properties’ spatial variability in different karst canyons

JIANG Xia, ZHANG Xi, ZHANG Zuo-yu, LIU Lan, WEN Tao

(Guizhou Academy of Forestry, GuiYang 550005, Guizhou , China)

The soil physical properties of Qingshuijiang canyon and Nanjiang canyon in karst area were studied by sample-plot survey and sampling measurement. The results show that (1) the soil density increased with increasing soil depth , the B layer’s was the maximum, the A layer’s was the minimum; While total porosity, capillary porosity, non-capillary porosity, maximum water-holding capacity and minimum water-holding capacity decreased with increasing soil depth, the A layer’s was the maximum, the B layer’s was the minimum; (2)the soil physical properties of two canyons were compared, the soil density of Qingshuijiang canyon was higher than that of Nanjiang canyon, the capillary porosity of Qingshuijiang canyon was higher than that of Nanjiang canyon, but total porosity, noncapillary porosity, maximum water-holding capacity and minimum water-holding capacity of Qingshuijiang canyon was less than that of Nanjiang canyon.

karst canyon; soil physical properties; soil density; soil porosity; water-holding capacity

S718.1

A

1673-923X(2013)04-0087-04

2012-11-27

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目: 喀斯特峽谷地形對(duì)森林土壤質(zhì)量的影響（項(xiàng)目編號(hào)：[黔科合J字[2009]2083號(hào)]）

姜 霞（1981-），女，重慶人，助理研究員，碩士，主要從事造林生態(tài)、森林生態(tài)學(xué)研究；E-mail：43644135@qq.com

張 喜（1964-），四川人，研究員，從事林業(yè)生態(tài)工程和喀斯特生態(tài)系統(tǒng)研究

[本文編校：歐陽欽]