不同喀斯特峡谷土壤物理性质空间变异的研究

姜 霞，张 喜，张佐玉，刘 兰，文 弢

（贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005）

不同喀斯特峡谷土壤物理性质空间变异的研究

姜 霞，张 喜，张佐玉，刘 兰，文 弢

（贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005）

通过样地调查和取样测定，对贵州喀斯特地区清水江峡谷和南江峡谷的土壤物理性质进行研究。结果表明：（1）随着土层深度增加，土壤密度呈增大趋势，以B层最大，A层最小；而土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、最小持水量却呈减小的趋势，以A层最过大,B层最小。（2）两个峡谷土壤物理性质比较，土壤密度清水江峡谷＞江南峡谷，毛管孔隙度以清水江峡谷＞南江峡谷，非毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量和最小持水量南江峡谷＞清水江峡谷。

喀斯特峡谷；土壤物理性质；土壤密度；土壤孔隙度；持水能力

土壤是地球陆地生态系统的基础, 具有贮存并循环生物圈及地表的生源要素的功能，土壤物理性质是影响林木生长发育的重要因素，是反映土壤肥力的重要指标。不同的土壤物理性状影响土壤水、气、热特征和土壤矿质养分的供应状况，进而影响植物的生长发育[1]。贵州省是我国西南亚热带地区喀斯特强烈发育的省份, 由于自然和社会因素的综合影响, 致使贵州喀斯特山区水土流失十分严重[2]。喀斯特峡谷是贵州高原上常见的一种“负”地貌，是深度大宽度的陡峻谷地，由喀斯特地质基础形成。主因有喀斯特地貌抬升、河流下切，或喀斯特地下暗河扩张、崩塌而成河谷，或二者兼有之。其谷坡陡直、深切呈“V”或“U”型，冲积物和阶地不发育。由于这种特殊地质营力的作用，母岩层出露时间是高原面先于谷底、成土时间亦然，在峡谷的“V”或“U”型壁上还形成了一个成土时间序列。其上的森林组成、类型、结构与功能也因地质、地貌、土壤的变化而异。虽然国内部分学者对喀斯特山区土壤侵蚀[3-4]、土壤退化[5-6]作过一些研究，但对喀斯特峡谷的物理性质报道较少，只有王钰等[7]对贵州喀斯特峡谷地区花椒林地土壤物理性质研究。本研究通过对黔中开阳县南江峡谷，以及开阳和福泉两县交界的清水江峡谷土壤物理性质的研究，为研究峡谷对喀斯特森林结构与功能的影响提供基础数据。

1 试验区概况

试验区设南江峡谷、清水江峡谷。两个峡谷位于开阳境内，属北亚热带季风性温润气候，年平均气温在10.6至15.4℃之间，四季分明，春暖风和，冬无严寒，夏无酷暑，水热同季，无霜期长，春迟夏短，秋早冬长，多云雾，湿度大。

南江峡谷和清水江峡谷均属宽阔型喀斯特峡谷，其中南江峡谷长度18 km，宽度4～50 m、大多在15～25 m间，相对高差100～220 m，生物多样性丰富、森林覆盖率达80%以上。

南江峡谷森林主要构成物种有齿叶珊瑚冬青Ilex Corallina、 漆 树 Toxicodendron vericifluum、山矾Symplocos sumuntia、南酸枣Choerospondias axillaris、 鹅 掌 柴 Schefflera octophylla、 仿 粟Sloanea hemsleyana、香叶树Lindera communis等 。清水江峡谷森林主要构成物种有齿叶铁仔Myrsine semiserrata、刺楸Kalopanax septemlobus、构树Broussonetia papyrigera、椤木石楠Photinia davidsoniae、润楠Machilus SP.等。

2 研究方法

2.1 样点布设与环境因子测定

2009年6～10月在典型地貌踏查基础上，选取代表性森林类型，设立调查样地。样地面积为20 m×20 m，在每个标准样地内按对角线随机布点（3点）挖取土壤剖面，分别取样。样地采用GPS定位，记录海拔高度、坡度、坡位、坡向，地貌类型，等。

表1 各样地基本情况Table 1 Basic situations of the sample plots

2.2 土壤取样与分析方法

利用体积为100 cm3环刀(高5 cm；直径5 cm)在各个样点分层取原状土，每个测点3个重复，测定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、持水量（最大持水量、最小持水量）等土壤水文物理性质。每个峡谷土壤的物理性质取两个样地的平均值。

2.3 统计方法与数据处理

利用Excel和 DPS数据分析软件分析土壤物理数据。

3 结果与分析

3.1 喀斯特峡谷底部土壤物理性质特征

3.1.1 土壤质地

各研究样地的土壤质地见表2。由表2可看出，不同峡谷森林表层土壤质地呈粉质粘壤土、粘壤土组合，南江峡谷以粉质粘壤土为主，清水江峡谷以粘壤土和粉质粘壤土为主，同一剖面不同发生层的土壤质地在不同峡谷底部也呈不同组合，即使是同一峡谷相距不远的森林表层土壤质地也不同。

表2 样地土壤质地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质之一，它不仅直接影响到土壤孔隙度与孔隙度大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥气热变化，而且也间接影响植物生长及根系在土壤中的穿插和活力大小[8]。由图1可以看出：两个峡谷样地土壤密度为1.089～1.465 g/cm3，清水江峡谷样地土壤密度＞江南峡谷，土壤密度在土层上的变化表现为B层＞C层＞A层 ，表层土壤密度大小顺序为清水江峡谷＞江南峡谷，每层土壤密度方差分析显示两个峡谷差异不显著（P值为0.375 6）。

3.1.3 土壤孔隙度

图1 两个喀斯特峡谷不同深度土壤密度Fig.1 Soil density of different soil depth in two karst canyons

总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气善及土壤水分功能。土壤孔隙的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础,在一定土壤厚度条件下土壤的贮水特征取决于土壤孔隙[9]。从水土保持的角度看，土壤毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力；而土壤非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滞留水分以及发挥涵养水源和削减洪水的能力。土壤孔隙直接影响到土壤中水、热、气、肥的分配，与土壤质地，有机质含量、结构、容重等密切相关，可以说它是土壤各因子的综合反映[10]。土壤的总孔隙度并非越大就越好, 资料表明, 总孔隙度在50%左右, 其中非毛管孔隙占1 /5～2 /5时土壤的持水通气性较好[11]。由图2可见，样地土壤平均总孔隙度为44.75%～60.15%，毛管孔隙度为36.4%～49.15%，非毛管孔隙度为1.8%～12.1%。2个峡谷中毛管孔隙度以清水江峡谷（46.3%）＞南江峡谷（41.7%），说明清水江峡谷具有很强的持水保水能力；非毛管孔隙度以南江峡谷（11.75%）＞清水江峡谷（3.75%），说明南江峡谷林地的通气透水性能比清水江峡谷好,总孔隙度以南江峡谷（53.4%）＞清水江峡谷（50.05%）。这些说明南江峡谷和清水江峡谷土壤毛管孔隙与非毛管孔隙比例不协调，土壤通气透水能力并不理想，特别是清水江峡谷透水性较差。由图2～图4可看出，2个峡谷的总孔隙度和毛管孔隙度在土层上的变化趋势相同， A层＞C层＞B层 ，非毛管孔隙度表现为C层＞A层＞B层。均是中层比表层和底层的低。

图2 两个喀斯特峡谷不同深度土壤总孔隙度Fig.2 Soil total porosity of different soil depth in two karst canyons

图3 两个喀斯特峡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

图4 两个喀斯特峡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项物理性质，它的大小与土壤结构、质地、有机质含量以及土地利用状况有关，不同的土壤其持水量不同。由图5、图6可看出，两个峡谷样地土壤的最大持水量为307.50～553.89 g/kg，最小持水量为277.64～419.6 g/kg，最大持水量和最小持水量均表现为南江峡谷（460.29、342.36 g/kg）＞清水江峡谷（388.85、341.22 g/kg）。表明南江峡谷样地土壤贮水保水能力大于清水江峡谷。两个峡谷样地土壤的持水能力总体上随土壤深度的增加而降低，表现为A层＞C层＞B层。

图5 两个喀斯特峡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 土壤物理性质与环境因子的回归分析

从表3中可以看出，土壤密度与海拔高度和坡位呈正相关，相关系数分别为0.706和0.244；与郁闭度和土层厚度呈负相关，相关系数分别是-0.407、-0.865。最大持水量与海拔高度和坡位呈负相关，相关系数分别为-0.525、-0.030；与郁闭度和土层厚度呈正相关，相关系数分别是0.577、0.797；最小持水量与海拔高度、郁闭度和坡位呈负相关，相关系数分别为-0.979、-0.191、-0.769，与土层厚度呈正相关，相关系数为0.848；总孔隙度与海拔高度呈负相关关系，相关系数为-0.288；与郁闭度、土层厚度和坡位呈正相关关系，相关系数分别为0.702、0.698、0.191；毛管孔隙度与海拔高度、郁闭度和坡位呈显著负相关关系，相关系数为-0.659、-0.867、-0.938，与土层厚度呈正相关关系，相关系数为0.226；非毛管孔隙度与海拔高度、郁闭度、土层厚度和坡位均呈正相关关系，相关系数分别为0.259、0.926、0.215、0.696。

表3 土壤物理性质与环境因子的相关关系†Table 3 Correlation between soil physical properties and the environmental factors

4 结论与讨论

对喀斯特峡谷南江峡谷和清水江峡谷土壤物理性质进行分析发现，随着土层加深，土壤密度呈增大趋势，但表现为B层＞C层＞A层 ，有违自然发育土壤的一般特性，一般认为土壤密度随着土层加深逐渐增大[12]，总孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和最小持水量在土层上的变化趋势相同表现为 A层＞C层＞B层 ，一般认为土壤总孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和最小持水量随土层深度的加深逐渐减小[13-16]，本研究出现B层最小，这可能与峡谷底部成土母质来源组成有关，包括残留、堆积、坡积和洪积母质的种类与数量比例以及森林植被的作用，也可能由于喀斯特峡谷特有的地形使表层土壤向中层淀积和淋溶，形成明显的淀积层，影响土壤的通气透水性能。非毛管孔隙度表现为C层＞A层＞B层，土壤非毛管孔隙度随土壤深度变化的情况是复杂的，这与土壤中植物根系分布和土壤中石砾含量的多少有很大的关系。

土壤密度清水江峡谷＞江南峡谷，总孔隙度南江峡谷（53.4%）＞清水江峡谷（50.05%）。毛管孔隙度以清水江峡谷（46.3%）＞南江峡谷（41.7%），非毛管孔隙度以南江峡谷（11.75%）＞清水江峡谷（3.75%），总孔隙度以南江峡谷（53.4%）＞清水江峡谷（50.05%）。最大持水量和最小持水量南江峡谷（460.29 g/Kg，342.36 g/Kg）＞清水江峡谷（388.85 g/Kg，341.22 g/Kg）。表明南江峡谷样地土壤贮水保水能力大于清水江峡谷。清水江峡谷样地的持水能力较，主要是由于样地受人为干扰严重，使林下环境恶化，土壤板结，持水能力差。

土壤物理性质与环境因子能反应出一些土壤物理性质的变化规律，这说明土壤物理性质的空间变异性很大，影响因子很多，过程和机理很复杂，并且各影响因子间相互影响。喀斯特峡谷地域广阔，类型多样，今后工作有必要开展峡谷土壤物理性质动态监测工作，以进一步为喀斯特峡谷植被建设和生态环境建设提供更多的科学依据。

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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

贵州省科学技术基金项目: 喀斯特峡谷地形对森林土壤质量的影响（项目编号：[黔科合J字[2009]2083号]）

姜 霞（1981-），女，重庆人，助理研究员，硕士，主要从事造林生态、森林生态学研究；E-mail：43644135@qq.com

张 喜（1964-），四川人，研究员，从事林业生态工程和喀斯特生态系统研究

[本文编校：欧阳钦]