贵州喀斯特石漠化演替阶段土壤质量属性变化特征

【摘要】：贵州省喀斯特地区石漠化是一种脆弱生态地质背景下与人类活动相关联的土地退化,石漠化的核心是人类对土地的不合理开发利用而导致土壤质量下降及至土地荒芜的过程。研究喀斯特生态系统中环境要素—土壤在石漠化过程中质量属性变化及其与石漠化程度的关联,是研究西南喀斯特山地石漠化发生规律及其动力学机制的基础和重要环节。本文选择贵州省具有典型石漠化特征的普定县后寨河流域和荔波县茂兰自然保护区为研究区域,以不同石漠化演替阶段的土壤为研究对象,分析了喀斯特地区不同石漠化阶段土壤水力学特征、土壤有机碳和全氮含量、土壤有机碳组分、低分子量有机酸及污染元素氟的含量特征,探讨了石漠化演替阶段土壤质量属性的变化特征,并从土壤氧化铁含量角度研究了喀斯特石漠化的演化特征,为喀斯特石漠化的生态系统恢复和土壤质量的提高提供了科学依据。 研究的主要结论如下： (1)喀斯特地区土壤水分特性在不同石漠化演替阶段有明显差异。随石漠化程度加重,土壤饱和导水率、水分含量和水分库容呈降低趋势。研究区域土壤的饱和导水率在27.2～50.8×10-4cm·s-1之间。研究区土壤水分特征曲线随水吸力增加呈先陡后缓的趋势,不同水吸力下的土壤水分含量也表现出未石漠化土壤高于石漠化土壤。研究区土壤田间持水量在341.5～587.8 g·kg-1之间,有效水总量在270.6～435.8 g·kg-1之间,随石漠化程度加重,土壤田间持水量和有效水总量呈降低趋势,喀斯特地区石漠化降低了土壤蓄持水分能力和水分在土体中的运移能力,表现出随石漠化加重,土壤贮水库容、有效水库容、通透库容降低。喀斯特地区土壤有机碳含量、颗粒组成、容重和孔性是影响土壤水分性质的主要因素。 (2)喀斯特石漠化降低了土壤碳、氮含量,随石漠化程度加重,土壤有机碳、全氮含量呈降低趋势。研究区表层土壤有机碳含量在14.89 g·kg-1～67.30 g·kg-1之间,石漠化造成土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量降低,且降低了土壤有机碳的更新比例年内土壤总有机碳库的更新比例以未石漠化和潜在石漠化阶段土壤最高,分别为19%和20%,而轻度和中度石漠化阶段土壤总有机碳库更新比例较低,仅为11%和14%。研究区表层土壤全氮含量在1.82 g·kg-1～5.42 g·kg-1之间,石漠化不仅降低了土壤全氮含量,还降低了土壤全氮的季节变异幅度。研究区土壤有机碳和全氮均表现出夏低冬高的趋势。 (3)喀斯特地区土壤有机碳组分在不同石漠化演替阶段有明显差异,随石漠化程度加重,土壤有机碳组分含量呈降低趋势。喀斯特地区土壤有机碳组分含量表现出胡敏素碳富里酸碳胡敏酸碳,土壤有机碳腐殖化程度低,HA/FA的比值在0.10～0.46之间。随石漠化程度加重,土壤胡敏素碳、富里酸碳、胡敏酸碳含量均呈降低趋势,而HA/FA呈先增加后降低现象。在石漠化程度较低情况下,土壤有机碳通过腐殖化作用以保持有机碳的稳定性。喀斯特地区土壤有机碳特性和土壤颗粒组成是影响土壤有机碳组分含量的主要因素。 (4)喀斯特地区土壤低分子量有机酸含量在不同石漠化演替阶段有明显差异,随石漠化程度加重,土壤中低分子量有机酸含量呈显著降低趋势。喀斯特地区表层土壤溶液中低分子量有机酸总量在0.358μmol·g-1～1.823μmol·g-1之间,平均为0.912μmol·g-1。土壤溶液中低分子量有机酸以乙酸、甲酸最高,其次为乳酸,而以草酸、苹果酸含量较低,研究区各有机酸平均含量分别为0.302±0.228μmol·g-1、0.301±0.214μmol·g-1、0.212±0.089μmol·g-1、0.086±0.118μmol·g-1、0.014±0.018μmol·g-1。喀斯特石漠化过程造成土壤溶液中低分子量有机酸含量显著降低,表现出未石漠化阶段潜在石漠化阶段轻度石漠化阶段中度石漠化阶段。土壤溶液中低分子量有机酸与土壤有效磷、速效钾、交换性钙、无机阴离子(Cl-、NO3-、SO42－)均呈显著正相关关系,低分子量有机酸在喀斯特土壤养分循环、碳酸盐岩的溶蚀风化过程中有重要作用。有机碳含量是影响喀斯特地区土壤低分子量有机酸含量的主要因素。 (5)喀斯特地区土壤氧化铁含量在不同石漠化演替阶段有明显差异,随石漠化程度加重,研究区自然生态系统与农田生态系统土壤游离氧化铁含量、氧化铁游离度均呈增加趋势,而铁活度呈明显降低趋势。研究区土壤表层全铁含量在38.9-53.9 Fe2O3 g·kg－1之间,游离氧化铁含量在18.0～26.7 Fe2O3 g·kg-1之间,铁游离度在44.1～73.4%之间,铁活度在7.2～11.4%之间。在土体分布上,研究区原始森林未石漠化土壤随剖面深度增加,土壤全铁含量呈增加趋势,而游离氧化铁、氧化铁游离度呈降低趋势,研究区自然生态系统土壤的石漠化过程表现出明显的表土侵蚀特征；研究区荔波玉米轻度石漠化土壤随剖面深度增加,全铁、游离氧化铁表现出明显的淋溶淀积特征,以心土层最高,而铁游离度呈增加趋势,研究区农业生态系统土壤的石漠化过程表现出明显的淋溶特征,是“土壤丢失”过程。 (6)喀斯特地区土壤氟含量在不同石漠化演替阶段有明显差异,随着石漠化的加重,土壤全氟含量在总体上呈先增加后降低的趋势,水溶性氟呈递减趋势。研究区土壤表层的全氟含量为45.2～97.7 mg·kg-1,平均为65.6 mg·kg-1;水溶性氟的质量比为0.38～3.12 mg·kg-1,平均为1.44 mg·kg-1,研究区普定县处于土壤氟污染状态,荔波县处于土壤氟安全水平。研究区土壤全氟、水溶性氟均表现出明显的淋溶特征,以底土层较高,而水力作用下的表土侵蚀过程可能会加重氟污染状况。喀斯特地区土壤全氟主要受土壤母质、生物作用和土壤无机胶体带电性能的影响,而水溶性氟主要受土壤无机胶体带电性能的影响。 (7)贵州属于亚热带季风湿润气候,具有良好的自然条件,但长期的土地不合理利用致使土壤质量恶化,上壤的水分性能、物理特性、肥力指标下降,导致植被生存的基础环境恶化甚至丧失,植被恢复极为困难。土壤是生物体和非生物体进行物质、能量交换和转化的重要介质与纽带,石漠化治理中首要问题是提高地区土壤质量,通过减少水土流失增加土层厚度,提高土壤的保水性能和肥力水平,改变土壤物理性状,为植被恢复提供基础的物质条件。