探讨喀斯特高原地形因素对土壤养分的影响

　　西南喀斯特地区包括6种典型地貌类型:峰林平原、峰丛洼地、喀斯特槽谷、喀斯特高原、喀斯特峡谷和断陷盆地。受自然和人为因素的双重影响，喀斯特地区因水土流失引起的石漠化呈不断发展的态势，在以上6种地貌类型中喀斯特高原的生态环境问题最为严峻，而在同一地貌类型中，坡地更易石漠化。目前，关于喀斯特坡地石漠化以及水分变异规律的研究报道较多，有关土地利用方式对土壤养分影响的研究也不少;喀斯特坡地由于坡位较低的地段土层较厚，往往被开垦为农耕地，而随坡位升高受人类活动干扰较小，仍以自然灌木林地作为主要的土地利用方式。张伟、岳跃民等发现地形因素(裸岩率、坡度、土被厚度、海拔)对坡地土壤养分的影响较为复杂，但土地利用方式是影响坡地土壤养分含量的主要环境制约因子。而喀斯特坡地同一土地利用方式下地形因素对土壤养分的影响如何?还有待于进一步探究。只有充分了解喀斯特高原坡地(灌木林地)土壤养分分布规律及影响因素，才能结合当地实际情况提出合理生态修复的方案。

　　喀斯特地区不同的地貌类型、特有的地质环境及人文等因素的差异，对土壤养分的分布影响程度各异，木研究拟在前期对峰丛洼地和峰林平原研究的基础上，选择贵州喀斯特高原典型样区，以单一土地利用方式的坡地为研究对象，旨在了解不同海拔高度土壤的养分分布状况，揭示研究区坡地土壤养分的分布规律，在土地利用方式一致的前提下，探讨喀斯特高原地形因素(裸岩率、土层厚度、相对高程)对土壤养分的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 样区概况

　　工家寨小流域位于喀斯特高原区的清镇市簸箩村贵州省最大的人工湖—红枫湖北湖上游麦翁河东侧，地理坐标106020'5"一106021'8"E, 26031'45"一26030'27"N，而积约2.4kmz。海拔最高点1 451.1m,最低点1271m。地貌为典型喀斯特高原，坡地与低洼平地的而积比约为1.65:1,属亚热带季风湿润气候，多年平均降水量1200mm，主要集中在5-9月。

　　土地利用类型在低洼地中以耕地为主;坡地以灌木和草地为主，灌木树种主要有火棘(乃}racantha .florun-eana)、构树((Broussonetia papyrifera)、小果蔷薇(Rosacymosa),青((Itea ilicifolia),悬钩子((Rubussp)和顶坛花椒(Zanthoxylump lanispinum var dingtan-ensis);草木植物主要有庐山楼梯草伍latostemastewardu)、五节芒(Mlscan thusoridulus)、扭黄茅(Heteropogon contortus)、狗芽根(onodon dactylon)和莎草(Cyperus sp)，乔木主要为村寨风水林，区内成土母质较为一致，为石灰岩风化物，土壤类型为石灰土。

　　1.2 样品采集及处理

　　土壤采样时间为2010年1月，土壤样点的设计根据研究区内母质(均为石灰岩)、海拔、坡位、地形地貌、植被覆盖情况等综合考虑，采用坡脚、坡腰和坡顶沿山脊线形布点(线形布点间隔10 m)，用GPS定位读取采样点坐标，土壤取样的同时，进行样地调查并记录环境因子，在每个采样点周围2m范围内都选取1mX1 m的方格划分成0.1mX0.1m的小方格，估算其1m2内的裸岩率，最终根据各土地利用类型而积，估计该区裸岩率。共取0一15 cm表层土样80个，新鲜土壤样品拣出其中的动植物残体等，然后充分混匀，按照四分法取出一部分放入4C冰箱保存用于培养实验，剩余土壤充分混匀风干过2mm筛，对于未过筛的砾石称重记录，将过2mm筛的风干土样按四分法取出，一部分过20目筛用于土壤速效养分的测定，一部分过100目筛，用于土壤全量养分的测定，表层样点分布如图1所示。

　　1.3 样品分析和数据处理

　　土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化一外加热法测定;全氮(TN)采用硒粉一CuS04-HZS04消煮，流动注射仪(FIAStar 5000)测定;全磷(TP)采用NaOH熔融-紫外分光光度法测定;全钾(TK)采用NaOH熔融一原子吸收法测定;碱解氮(AN)采用碱解一扩散法测定;速效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO:提取一紫外分光光度法测定;速效钾(AK)采用NH4Ac浸提一原子吸收法测定;pH采用电极电位法测定。

　　数据分析及作图采用SPSS16.0和Excel2003软件。

　　2 结果与分析

　　2.1 相对高程对土壤养分分布的影响

　　调查结果发现，研究区内峰丛相对高程变化范围在300 m范围内。为更明显地体现土壤养分随相对高程的变化趋势，在剔除异常值的条件下，对养分与相对高程的关系进行曲线拟合，SOC, TN与相对高程的拟合曲线均为乘幂曲线，曲线方程分别为Y-22.928x 286和Y一2.749x 234;TK与相对高程的拟合曲线为二次曲线，对拟合方程进行显著性检验，得出各拟合曲线均具有极显著(P<0.01)统计学意义(图2)0而TP变化不明显，不受相对高程变化的影响，基木处于相对稳定的水平。由图2还可以看出，随着相对高程的变化，TP含量没有表现出明显的变化;土壤TK含量则随着相对高程的升高而降低;SOC, TN含量则随相对高程呈幂函数递增趋势。

　　以同样的方式对土壤速效养分AN, AP, AK及土壤pH与相对高程进行曲线拟合，发现AN及AP与相对高程的拟合曲线均为乘幂曲线，AK与相对高程的拟合曲线为三次曲线，土壤pH与相对高程的拟合曲线为二次曲线，且各拟合曲线均具有极显著(P<0.01)统计学意义(图3)。土壤速效养分含量及土壤pH均随相对高程的增加递增，其中AK的含量在50一200 m的相对高程内的变化较为稳定，在>200 m的相对高程内曲线的变化情况可以看出，该段曲线斜率较大，其含量递增速度加快。而土壤pH均值的变化范围在6.51一7.49之间，随相对高程的升高，呈现极显著递增趋势。

　　调查结果发现(图4)，研究区内随着相对高程增加，土层厚度变化规律不明显;而裸岩率逐渐增加，经过曲线拟合发现裸岩率与相对高程的拟合曲线为对数曲线，拟合方程为Y一9.8191n(x)+18.517，对拟合方程进行显著性检验，得出拟合曲线具有极显著(P<0.01)的统计学意义。

　　2.2 地形要素对土壤养分的影响

　　由于研究区内土地利用方式较为一致，说明人为影响也相对一致，土壤养分主要受环境因素的影响，因此木文针对地形要素对坡地土壤养分分布的影响进行分析。有研究认为，小尺度的生态环境内裸岩率较高地段有利于土壤养分的积累。木研究结果表明(表1)，研究区内坡地土壤pH与裸岩率之间不存在相关性;TK, AK与裸岩率具有一定的相关性，但相关性不明显;而SOC, TN, TP, AN, AP均与裸岩率呈极显著正相关沪<0.01)。说明研究区内坡地养分含量除TK和AK}裸岩率较高的坡段土壤SOC及氮、磷养分含量也较高。

　　由图2,图3可以看出，除TK含量随相对高程的增加而递减外，SOC, TN以及速效养分含量均随相对高程的升高呈现递增，相关性分析表明(表1),SOC, TN以及速效养分含量均与相对高程呈不同程度正相关，相关系数分别为0.506(SOC), 0.442(TN),0.358(AN),0.433(AP)和0.272(AK)，这说明随相对高程的增加上述土壤养分含量逐渐增大。而土壤TK含量与相对高程呈极显著负相关，相关系数为-0.535，说明随相对高程的增加，土壤TK含量呈现显著的递减趋势。

　　2.3 地形要素对土壤养分的贡献

　　受地质背景的制约，喀斯特地区成土过程缓慢，土层较薄，石漠化严重。在石漠化过程中，各地形要素都会发生一定程度的变化，地形要素之间是否具有一定的相关性?因此，结合前人的研究，通过对研究区所调查的地形要素进行相关性分析表明(表2):土层厚度与裸岩率均呈极显著负相关，相关系数为-0.354护<0.01);而裸岩率与相对高程则呈极显著正相关，这可能是由于研究区内土被不连续，且在较大岩石裂隙中保留了风化残余土，即所谓的“石碗土”。各地段土壤累积程度各异，从而导致随相对高程变化土层厚度变化规律不明显。

　　土壤养分含量的分布情况往往受到环境因素以及随机因素等的影响，因此，单纯的考虑某一地形要素与土壤养分的关系很难充分说明各地形要素对土壤养分的影响程度和影响的显著性。而协方差分析可以在排除协同变量的影响下，实现控制变量对观测变量作用效果的准确估计，而研究区内土地利用方式较为一致，因此在进行协方差分析中主要进行各地形要素对土壤养分的方差贡献。由表3可以看出裸岩率对土壤SOC,TN,TP,AN,AP和pH均有显著或极显著影响，土层厚度仅对土壤pH有极显著影响，相对高程则对SOC,TN,TK和pH有显著或极显著影响。其中相对高程对SOC的影响要大于裸岩率和土层厚度的方差贡献总和，由此可以说明研究区内土壤SOC含量分布受相对高程的影响最大，其次是裸岩率的影响。TN则受裸岩率与相对高程的影响较大，TP,AN和AP的含量分布主要受裸岩率的影响;TK的含量分布主要受相对高程的影响;裸岩率对土壤pH的方差贡献大于土层厚度以及相对高程的方差贡献。随机误差则反映了分析中未考虑的其他因素的影响或实验误差，而分析中较大的随机误差表明研究区其他未分析因素对土壤养分的重要影响，如SOC,AN,AP和AK的随机误差较大，这可能与土壤物理性质、地表生物量等因素有关。

　　3 讨论

　　当在综合考虑多种环境因子对土壤性质的共同作用时，不同的环境因子对土壤性质的影响程度不同。以往对岩溶地区的研究发现，土壤理化h}质随土地利用方式的变化而变化，植被不同演替阶段和不同退耕模式对土壤理化性质也有重要的影响。也有研究通过典型对应分析(CCA)综合研究喀斯特地区土壤性质和环境因子之间的关系表明，土地利用方式对土壤性质的影响最大，其次依次为植被类型、裸岩率、坡向和土壤厚度，坡度和海拔高度对土壤性质的影响较弱，这主要是由喀斯特地区脆弱的生态环境造成的。土壤养分分布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果，由于研究区域而积较小，峰丛地相对高程在300m范围内，具有相同的气候、母质、土壤类型以及土地利用类型，且植被类型和植被覆盖度较为一致，自然条件相对一致。因此结合前人的研究结果以及各环境因子对土壤性质影响强弱，木文选取裸岩率、土壤厚度和相对高程作为影响研究区内坡地土壤养分分布的主要环境因子。

　　裸岩率高是导致喀斯特环境脆弱的重要原因之一，随着岩石裸露率的增加，环境的脆弱性增强，同时裸岩率也反映了剩余的土壤空间容量的大小。有研究表明，土层厚度与裸岩率有极显著负相关性，木研究中也得出同样的结论，这说明岩石出露率高的地段土层较为浅薄。喀斯特地区独特的岩溶作用使许多岩石表而因溶蚀而凹陷成槽，土壤积累其中不易流失，由无数大小不等的凹槽聚集成坡而，虽然坡而坡度比较大，但是凹槽中土壤表而相对平坦，且土壤表而低于围绕的岩石，土壤侵蚀强度小，有利于养分的积累mo。结合前人的研究结果，发现裸岩率对土壤性质的影响仅次于土地利用方式和植被类型。相关性和协方差分析结果表明，裸岩率对土壤SOC,氮素和磷素的影响较为显著，因此，研究区内小尺度的生态环境研究中裸岩率高的地段在一定程度上有利于土壤有机碳及氮磷养分的蓄积。

　　与岳跃民等的研究结果不同的是，木文通过相关性分析表明，随着相对高程的增加，土壤SOC,TN以及速效养分均显著递增，这可能是由于相对高程的增加，一方面人类活动对植被及土壤环境的扰动较小;另一方面，裸岩率升高，且土层较浅薄，土壤在石槽或石峰中累积，植被凋落物在土层表而累积，为土壤提供更多的腐殖质。而TK则显著降低，由于土壤钾主要源于土壤母质，可溶性钾随着地表水由较高地段流方面向较低地段并在较低地段积累，较低坡位土层较厚，植被凋落物相对丰富，为土壤提供了丰富的钾素，同时相对高程较低的地段随着相对高程的增加，土壤pH升高，加强了对钾的固定，从而表现出随相对高程的增加TK呈降低趋势。土壤TP含量较为稳定，这可能由于陆地自然生态系统中的磷除小部分来自干湿沉降外，大部分来自土壤母质，全磷大部分是无机磷，其含量的高低主要取决于土壤母质及成土作用，而在研究区内土壤母质较为一致，可能主要受风化作用与淋溶作用的影响较大。与表1中相对高程与土壤养分相关性分析结果对比发现，协方差分析的结果表明相对高程仅对SOC,TN和TK的作用较为显著，而对速效养分无影响。在土壤长期的发育过程中，气候、地形、母质、植被等因素都可以影响土壤的酸碱度。协方差分析表明，研究区各地形要素对土壤pH的高低均有影响，Dunjo等认为土壤pH不依赖于土壤有机质的变化，而与母岩有关，而研究区母岩较为一致，因此，结合分析结果可能由于地势高的地方淋溶作用较强，因而盐基性也较强，从而使土壤pH较高。

　　对比随机误差结果以及各地形因素方差的贡献，SOC和TN的含量分布受裸岩率与相对高程的影响较大，但随机误差也较大，这说明研究区内土壤SOC和TN的含量不仅受裸岩率和相对高程的影响，同时还受到其他环境因子(如坡度等)以及人类活动等因素的影响。有研究认为，土壤AK的含量主要受植被类型的影响，排除了某些地形要素的作用，这与木文中地形要素对AK的影响不显著相符。而TK则主要受相对高程的影响，土壤中钾的含量主要和该区的母质、风化及成土条件有关，在母质相同的情况下，TK的含量主要受风化及成土条件的影响，高温多雨的环境为风化淋溶作用提供条件，使TK极易流失，同时，随地表径流土壤钾从相对高程较高的坡位向较低坡位迁移累积。

　　4 结论

　　(1)研究区内随相对高程的增加，土壤SOC, TN及速效养分含量显著递增，而TK含量显著递减，各地形要素相关性分析表明，裸岩率与土层厚度呈极显著负相关，与相对高程呈极显著正相关，土层厚度较浅薄，变化范围在0一30cm之间。

　　(2)结合单因素相关性分析和协方差分析的结果，研究区坡地土壤AN及磷素含量的分布主要受到裸岩率的影响较大，TK含量的分布主要受相对高程的影响，SOC和TN含量分布则受裸岩率与相对高程共同作用的影响，而土壤pH则受到各环境因子共同作用的影响。土壤SOC及速效养分的随机误差较大，说明影响它们空间分异的因素较为复杂，未知因素(如人为干扰、土壤侵蚀和淋溶等未量化的因素)对其分布的影响不可忽视。

　　(3)在相对高程、裸岩率等较难控制的外界因素下，只有通过提高人们对生态环境的保护意识，寻求适合在该区生长的优势植物来提高坡地地表植被覆盖度，控制和削弱生态破坏的进程。