西南喀斯特地區(qū)小流域磁化率分布特征研究

趙恬茵

(黔南民族師范學(xué)院，貴州 都勻 558000)

1 引言

土壤磁性是土壤重要的物化性質(zhì)，記錄了土壤環(huán)境信息。磁化率作為最常用的磁性參數(shù)之一[1～5]，在環(huán)境科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用[2～4]，其不僅可以作為土壤發(fā)生分類的指標(biāo)，也可用于指示土壤環(huán)境變化，確定河流泥沙來(lái)源，研究土壤侵蝕發(fā)展等[5～11]。鄧成龍等通過(guò)研究北方黃土發(fā)現(xiàn)磁化率可以作為指示成土作用強(qiáng)弱和古氣候變化的指標(biāo)[6]；Hay及Denting等采用磁化率指示人類活動(dòng)對(duì)土壤造成的污染[7,8]；磁化率還可以用于指示土壤重金屬污染[9,10]；大量研究表明即使在小流域尺度內(nèi)土壤物化性質(zhì)也存在巨大的空間變異[1～3]。磁化率的空間分布研究可以在土壤調(diào)查制圖、母質(zhì)判別及土壤侵蝕強(qiáng)度分布等多方面發(fā)揮作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更側(cè)重于通過(guò)研究黃土剖面磁化率及大尺度范圍內(nèi)磁化率變化特征，探討土壤磁化率與土壤環(huán)境變化的關(guān)系，而土壤磁化率的空間分布特征及其與土地利用的關(guān)系等方面的研究相對(duì)較少。研究小流域尺度內(nèi)土壤磁化率的空間分布特征及不同土地利用方式下的土壤磁化率分布狀況，可以為研究流域內(nèi)泥沙來(lái)源、土壤侵蝕發(fā)展、土壤污染狀況、土地利用方式的優(yōu)化等提供科學(xué)的理論依據(jù)。本文通過(guò)研究巖溶區(qū)小流域尺度土壤磁化率的分布特征，探討不同土地利用方式對(duì)磁化率的影響，分析小流域尺度內(nèi)磁化率分布特征在泥沙來(lái)源研究中的意義。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

以貴州省普定縣陳旗小流域?yàn)檠芯繀^(qū)。陳旗小流域是西南典型喀斯特的代表區(qū)，屬潮濕氣候，年均降水量1300 mm，年平均氣溫15 ℃。研究區(qū)土地利用方式為農(nóng)耕地、林地和荒草地。農(nóng)耕地地面人為擾動(dòng)較大。

2.2 土壤樣品的采集

采用手持GPS定位儀記錄各樣點(diǎn)地理坐標(biāo)，按流域內(nèi)研究區(qū)所有土地利用類型(農(nóng)耕地、荒草地和林地)和地貌類型(巖溶洞穴和巖溶裂隙溝壁)布點(diǎn)采樣。樣點(diǎn)布設(shè)覆蓋全流域，共采集110 個(gè)土壤樣，其中農(nóng)耕地土壤樣品30 個(gè)、林地土壤樣品24 個(gè)、草地樣品20 個(gè)、巖溶洞穴土壤樣品14 個(gè)、巖溶裂隙土壤樣品22 個(gè)。土樣置于室內(nèi)自然風(fēng)干。稱重后，碾磨，過(guò)1 mm尼龍篩后，與磁化率儀同處放置。全程采用Bartington MS2 型磁化率儀測(cè)定土壤高頻質(zhì)量磁化率(Xhf)和低頻質(zhì)量磁化率(Xlf)。土壤樣品樣磁化率的計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：X為土壤樣品質(zhì)量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)；X0為測(cè)定體積磁化率，無(wú)量綱；X1為本底值，無(wú)量綱；m為測(cè)量樣品的質(zhì)量，kg。

利用樣品的低頻和高頻質(zhì)量磁化率得出樣品的頻率磁化率，計(jì)算公式如下：

Xfd=(1-Xhf/Xlf)×100

(2)

式(2)中：Xfd為頻率磁化率，%；Xhf為高頻質(zhì)量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)；Xlf為低頻質(zhì)量磁化率，10-8m3/kg(SI單位)。

3 結(jié)果與分析

3.1 相同土地利用方式下土壤磁化率的分布

研究區(qū)磁化率值在最小值12.10×10-8m3/kg和最大值113.20×10-8m3/kg范圍內(nèi)變動(dòng)，平均值為56.37×10-8m3/kg。對(duì)照變異系數(shù)的劃分等級(jí)[11]，研究區(qū)不同土地類型土壤磁化率變異系數(shù)在0.2～0.7 之間變化，均屬于中等變異強(qiáng)度。這說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)同種土地利用方式下土壤表層磁化率及頻率磁化率變化幅度相對(duì)較小。Xif及Xfd的變異系數(shù)均是巖溶洞穴的最大，分別為0.61 和0.57。農(nóng)耕地、林地、荒草地、巖溶裂隙的Xif變異系數(shù)為：農(nóng)耕地最小接近林地，巖溶裂隙最大，荒草地次之；Xfd的為林地的最小，農(nóng)耕地最大，荒草地與巖溶裂隙次之(表1)。

表1 土壤磁化率統(tǒng)計(jì)特征值

3.2 不同土地類型土壤磁化率與頻率磁化率的比較

磁化率是用來(lái)表示物質(zhì)的磁性強(qiáng)弱的，而影響物質(zhì)磁性的主要因素是物質(zhì)中磁性礦物的含量和種類[12,13]。土壤Xif一般小于100×10-8m3/kg，土壤剖面中最高的Xif不超過(guò)400×10-8m3/kg。頻率磁化率主要用來(lái)鑒定物質(zhì)中超順磁物質(zhì)。只有在物質(zhì)的風(fēng)化成土過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)生物過(guò)程，才會(huì)將大的晶粒轉(zhuǎn)化為超順磁物質(zhì)。一般當(dāng)物質(zhì)頻率磁化率值為5%左右時(shí)，說(shuō)明超順磁物質(zhì)較多，當(dāng)大于10%時(shí)，已相當(dāng)可觀[14]。Fine[14]在研究中國(guó)土壤磁性中認(rèn)為Xfd<5%基本不存在SP磁性顆粒，Xfd>10%表明有相當(dāng)數(shù)量的SP顆粒。此外，有人將高Xfd表層的缺失作為土壤侵蝕的依據(jù)。由表1可知：小流域內(nèi)Xif、Xfd在正常范圍內(nèi)，但整體偏小，均值分別為：56.37×10-8m3/kg、6.40×10-8m3/kg；在不同土地類型的變化趨勢(shì)：Xif為農(nóng)耕地>林地>荒草地>巖溶裂隙>巖溶洞穴；Xfd為林地>農(nóng)耕地>巖溶裂隙>荒草地>巖溶洞穴。除巖溶洞穴外，研究區(qū)的Xfd均大于5%。表明研究區(qū)表土土壤風(fēng)化成土作用較好。

就農(nóng)耕地、林地、荒草地而言，土地利用方式、利用年限及人類活動(dòng)強(qiáng)度在三者之間存在很大差別：研究區(qū)內(nèi)林地為多為灌木林，存在少量經(jīng)濟(jì)林，只用非定期地在樹(shù)下等局部地區(qū)施肥，不用頻繁翻地，且灌溉頻度于灌溉量均遠(yuǎn)小與農(nóng)耕地；農(nóng)耕地一年四季種植的作物不同，且受到長(zhǎng)期耕作、大面積施肥、頻繁灌溉等人為因素影響；荒草地大多為退耕的農(nóng)耕地而溝坡鮮有耕作歷史。農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程一般是采用鐵制農(nóng)具，這可能對(duì)農(nóng)耕地和林地磁化率值會(huì)有較大影響。綜上，3 種土地類型人類活動(dòng)強(qiáng)度大小關(guān)系為：農(nóng)耕地>林地和荒草地，與3 種土地類型的Xif的大小關(guān)系一致。這說(shuō)明人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)(施肥、灌溉、翻耕頻度)可能會(huì)增加土壤磁化率，且活動(dòng)強(qiáng)度與影響程度呈正相關(guān)。

表2顯示：除巖溶洞穴外的Xif、Xfd在不同土地類型間均呈顯著差異外。對(duì)于Xif：農(nóng)耕地與荒草地、溝坡呈顯著差異，果園與溝坡呈顯著差異；果園與農(nóng)耕地和荒草地不呈顯著差異，溝坡和荒草地不呈顯著差異；對(duì)于Xfd僅農(nóng)耕地與荒草地、果園呈顯著差異。這一結(jié)果說(shuō)明：小流域尺度內(nèi)不同土地類型間土壤磁化率存在分布差異；研究區(qū)磁化率對(duì)土地利用類型的響應(yīng)可能比頻率磁化率更為敏感。

表2 Xif和Xfd非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗(yàn)

對(duì)磁化率而言，荒草地與農(nóng)耕地差異顯著，而與林地?zé)o顯著差異；農(nóng)耕地與林地差異不顯著。也就是說(shuō)農(nóng)耕地這一土地利用方式對(duì)土壤Xif的影響明顯區(qū)別于荒草地，而林地對(duì)土壤Xfd的影響與荒草地不存在顯著差異。若將林地與農(nóng)耕地兩種土地利用方式對(duì)土壤Xif的影響進(jìn)行比較，則差異不顯著。即，林地對(duì)土壤Xif的影響介于荒草地與農(nóng)耕地之間?；牟莸赝寥繶if受人類活動(dòng)影響較小，因此，可將荒草地Xif作為該研究區(qū)土壤磁化率標(biāo)準(zhǔn)，比較農(nóng)耕地與林地2種土地利用類型對(duì)土壤Xif的影響，則農(nóng)耕地與林地兩種土地利用方式都對(duì)土壤磁化率均有增加作用，且農(nóng)耕地的作用要大于林地。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)相同土地利用方式和地貌類型土壤磁化率與頻率磁化率均差異不大。

(2)不同土地利用方式和不同地貌類型間土壤磁化率存在顯著差異。

(3)分析得出：農(nóng)耕地這一土地利用方式對(duì)土壤磁化率增加的作用大于林地土地利用方式。