石漠化是在亚热带湿润地区的自然环境背景下，受人为干扰和破坏，土壤被严重侵蚀，基岩大面积裸露的一种土地退化现象(Zhu et al., 1993)。贵州喀斯特地区石漠化现象最为严重，面积已达到3.20×10⁴km²，约占全省土地总面积的18.44%，而且每年仍以3.50%~6.00%的速度递增(Wang et al., 2002；涂成龙等，2004)，是中国西南石漠化集中连片区的核心地带。土壤质量变劣是石漠化的本质，突出表现在土壤物质流失，土壤物理、化学和生物性质退化，以及土壤发生层次的变化(龙健等，2002)。土壤是植物生存的基础，为植物存在和发展提供必要的物质基础，在植物生长、发育及其群落演替等方面起着决定性作用。土壤中的养分是土壤肥力的重要组成部分，对植物生态系统的结构和功能有着重要影响。

与石漠化土壤相关的研究已引起了广大科学工作者的关注，而且已取得了部分成果。如：利用GIS技术研究发现，喀斯特地区土地石漠化与岩性存在明显的相关性，石漠化分布区域的岩性主要以石灰岩为主(李瑞玲等，2003)；黔中石漠化地区土壤主要是发育在石灰岩之上(涂成龙等，2004)；石灰性土壤是发育于石灰质岩的岩成土，广泛分布于长江以南，其总面积高达30万km²(叶仲节等，1985)；因石灰性土壤呈中性至微碱性，适生树种不多，加之土层薄且有效水分缺乏，植物常受干旱胁迫，造成多数石灰性土壤植被减少，特别在人为活动频繁的石灰山，天然植被遭受破坏严重，破坏后自然更新困难而退化成为荒山(姜培坤等，2007)。目前对贵州石漠化土壤质量特征、理化性质研究较多(龙健等，2002；2005；2006；王德炉等，2003；贺祥等，2008)，然而针对贵州石漠化石灰土化学性质的研究尚不多见，特别是对石灰岩及由其发育成的石灰土和主要定居植物化学元素含量特征的研究尚未见报道。本研究分析贵州石漠化区石灰岩、石灰土及其主要定居植物的化学元素含量特征，为石漠化石灰土的改良、植被恢复及生态环境改善提供理论依据。

1 研究区概况

贵阳市位于贵州省中部，喀斯特面积占全市面积的85%。花溪区在贵阳市南郊(106°27′—106°52′E，26°11′—26°34′N)，地处黔中山原盆地，最高海拔1 655.9 m，最低海拔999 m。属亚热带季风湿润气候，年均气温15.2 ℃，年降水量1 178 mm，年平均日照时数1 214.6 h，相对湿度85%。具有冬无严寒、夏无酷暑、气候温和、雨量充沛、雨热同季的特点。母岩以碳酸盐岩(石灰岩)为主，土壤为石灰土。植被为中亚热带湿润常绿阔叶林，自然植被以壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)和山茶科(Theaceae)植物为主，次生植被有杨梅(Myrica rubra)、光皮桦(Betula luminifera)、柏木(Cpuressus funebris)、女贞(Ligustrum lucidum)、桃(Prunus persica)、李(Prunus salicina)、火棘(Pyracantha fortuneana)和粗叶悬钩子(Rubus alceaefolius)等。

2 研究方法 2.1 样品采集

在研究区内随机选择母岩、地形和土壤等条件相对一致的3个山坡地段各设置1个样地，面积均为667 m²。其中无林地2块(无林地1草本植物覆盖度为20%，无林地2草本植物覆盖度为30%)，有林地1块(林分郁闭度0.8)，在每个样地内按棋盘式布设8个采样点，每个采样点先按0~20和20~40 cm土层采集土壤后再混合成1个土壤样品，共采集24个土壤样品，土壤样品经室内风干后，分别过20和100目筛备用。在采集土样的同时，每个样地分别采集0~20和20~40 cm的岩石样品各3个，同一采样点不同土层的岩石样品混合成1个样品，即每个样地分别采集混合岩石样品各3个，共9个，用木锤敲碎，分别过20和100目筛备用。

在3块样地内，草本植物按同种植物采集根、茎、叶混合样品1.0 kg，灌木按同种植物采集3个植株的根、干和叶混合样品1.0 kg，乔木按同种植物采集3株地上部分混合样品1.0 kg。将样品带回实验室用自来水和蒸馏水清洗干净，置105 ℃烘箱杀青5 min，再置80 ℃烘箱烘至恒质量，研磨粉碎备用。

2.2 化学分析方法

岩石和土壤pH值用SJ-4A型pH计测定；全P含量用碱熔-钼锑钪比色法测定；速效P含量用盐酸-氟化铵法测定；全K含量用碱熔-火焰光度法测定；速效K含量用1 mol·L^-1醋酸铵浸提-火焰光度法测定；Ca，Mg，Cu，Fe，Zn，Mn，Cd，Ni，Pb及Co(全量)含量用碳酸钠碱熔-盐酸提取后，采用Hp3510原子吸收分光光度计测定；土壤有机质含量用重铬酸钾氧化法测定；全N含量用半微量凯氏法测定；速效N含量用蒸馏法测定。

植物样品全N含量用半微量凯氏法测定；全P含量用钒钼黄比色法测定；全K用火焰光度法测定；Ca，Mg，Mn，Cu，Zn，Fe，Co，Ni，Pb和Cd(全量)含量用Hp3510原子吸收分光光度计测定。

2.3 数据处理

用SPSS13.0软件进行数据处理。数据统计采用单因子方差分析，对无林地1、无林地2和有林地土壤化学元素含量进行比较。

3 结果与分析 3.1 石灰岩化学元素含量

从表 1可以看出，有林地与无林地石灰岩化学元素含量的差异不大，pH值为9.38，呈碱性。全P，全K平均含量分别为0.125，0.321 g·kg^-1，全Ca，全Mg元素平均含量分别为141.391和115.515 g·kg^-1。微量元素平均含量(全量)以Fe最高，为960.80 mg·kg^-1，Cd最低，仅4.57 mg·kg^-1，两者相差210倍。微量元素含量表现为Fe＞Pb＞Ni＞Mn＞Co＞Cu＞Zn＞Cd。

3.2 石灰土化学元素含量 3.2.1 大量元素含量

从表 2可以看出，有林地土壤有机质含量极显著高于无林地(P＜0.01)，是无林地1的3倍，无林地2的2倍，无林地2土壤有机质含量也显著高于无林地1(P＜0.05)。有林地土壤全N含量极显著高于无林地2(P＜0.01)，无林地2也极显著高于无林地1(P＜0.01)。

土壤速效N含量是土壤有效N的主要形式，反映土壤近期可供植物利用的有效N状况，可用速效N在全N含量中的百分率作为N素有效率(杨丁丁等，2007)。从表 2可以看出，有林地土壤速效N含量极显著高于无林地，是无林地的3~4倍(P＜0.01)；而无林地1显著高于无林地2(P＜0.05)。无林地1土壤N素有效率为1.01%，无林地2为0.47%，有林地也仅为1.18%，表明石灰土中N素有效率很低。

土壤中的P主要来自于土壤母质，石漠化土壤主要是发育在石灰岩之上，由于石灰岩中全P含量不高，仅为0.125 g·kg^-1(表 1)，石灰土中全P含量随之而低，仅为0.45~0.72 g·kg^-1(表 2)。有林地土壤中全P，速效P含量均极显著高于无林地(P＜0.01)，无林地2土壤全P和速效P含量极显著高于无林地1(P＜0.01)。

石灰土中全K平均含量为3.57~6.92 g·kg^-1，3块样地两两间的差异达极显著水平(P＜0.01)，无林地2最高，其次为有林地，无林地1最低。石灰土速效K含量水平是决定K元素肥效的重要指标，有林地有效K含量极显著高于无林地1和2(P＜0.01)，无林地1显著高于无林地2(P＜0.05)。土壤速效K含量水平等级划分标准为：＜80 mg·kg^-1为严重缺K；80~125 mg·kg^-1为缺K；125~155 mg·kg^-1适量；＞155 mg·kg^-1为富K(许联芳等，2008)。本研究中，无林地1和有林地属富K型土壤，无林地2为缺K型土壤。

表 2也显示，石灰土的pH值为7.53~7.98，呈碱性反应，无林地1和2极显著高于有林地(P＜0.01)，而无林地间差异不显著(α=0.05)。石灰土中全Ca含量以无林地1最高，为63.93 g·kg^-1，有林地最低，为14.61 g·kg^-1，两者相差4倍，无林地均极显著高于有林地，而且无林地1也极显著高于无林地2(P＜0.01)。同样，全Mg的含量仍以无林地1最高，为59.20 g·kg^-1，无林地2最低，无林地1极显著高于有林地和无林地2(＜0.01)。

3.2.2 微量元素含量

土壤中微量元素主要来自于成土母质，其含量、形态和分布规律可为微量元素肥料分区施用提供依据。如表 3所示，石灰土中Fe含量最高(52 388.47~61 131.19 mg·kg^-1)，Mn次之(463.51~1 043.50 mg·kg^-1)，Cd最低(1.91~3.00 mg·kg^-1)。石灰土中Fe含量均以无林地2最高，且显著高于无林地1和有林地(P＜0.05)，无林地1最低，且与有林地的差异显著(P＜0.05)。无林地2 Zn含量最高，且显著高于无林地1和有林地(P＜0.05)，无林地1最低，但与有林地的差异不显著(P＞0.05)。无林地2的Cu和Co含量最高，且极显著高于无林地1和有林地(P＜0.01)，无林地1最低，且与有林地的差异显著(P＜0.05)。无林地2的Mn含量最高，与无林地1和有林地差异极显著(P＜0.01)，无林地1的Mn含量最低，与有林地差异极显著(P＜0.01)。无林地1的Cd，Ni和Pb含量最高，与无林地2和有林地差异极显著(P＜0.01)，有林地的Ni和Pb含量最低，与无林地2差异极显著(P＜0.01)，而无林地2的Pb含量最低，与有林地差异极显著(P＜0.01)。以上结果表明由不同植物物种组成的林分土壤对重金属的吸附、累积作用明显不同。

将石灰土中各微量元素含量与贵州省土壤背景值和全国石灰(岩)土类环境背景值(陈书玉，2002)进行比较，Zn在3块样地土壤中的含量均低于贵州省土壤背景值和全国石灰(岩)土类环境背景值，Cd和Pb正好相反，高于贵州省土壤背景值和全国石灰(岩)土类环境背景值。

我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)中的三级标准主要适用于林地土壤(崔爽等，2006)，其中Pb，Zn，Cu和Cd的标准值分别不超过500，500，400和1.0 mg·kg^-1。由此可见，3块样地石灰土中Pb(43.46~74.25 mg·kg^-1)，Zn(55.50~60.81 mg·kg^-1)和Cu(24.53~35.27 mg·kg^-1)含量均未超标，仅Cd含量为三级标准的2~3倍，尤以无林地1明显。表明石灰土基本上适用于林地。

3.2.3 化学元素的迁移积累特征

对大多数土壤而言，母岩的元素组成是土壤发育过程中最初的背景含量。石灰岩土壤的成土过程比较特殊，化学风化(含有CO₂的水对岩石的溶解和溶融)是主要过程。在石灰岩的成土过程中，岩石的矿物及化学组成、岩层产状和构造等对土壤元素组成、迁移、累积有重要影响(温琰茂等，1994)。石灰土中各元素的迁移积累特征，可用迁移积累系数表示，并依据下列公式计算：

式中：K为迁移积累系数，K值小于1表示纯迁移，K值大于1表示相对积累。C_n为土层元素含量(表 2和3)，C_D为母岩元素含量(表 1)。如表 4所示，Ca，Mg和Cd的K值小于1，为纯迁移元素，P，K，Cu，Fe，Zn，Mn，Ni，Pb和Co的K值大于1，为相对积累的元素。表明了贵阳市花溪区在亚热带湿热气候条件下石灰岩发育成石灰土过程中，Ca，Mg和Cd元素受到剧烈的淋溶，含量迅速减少，使土壤中的含量低于母岩，而P，K，Cu，Fe，Zn，Mn，Ni，Pb和Co元素却处于相对积累状态，含量不断增加，在土壤中的含量高于母岩，尤以Fe，Mn，K和Zn元素明显。

3.2.4 石灰土中化学元素的相关分析

相关分析结果(表 5)表明，石灰土的pH值与全N、全P、全K、全Fe和全Zn含量呈极显著负相关(P＜0.01)，与全Mn含量呈显著负相关(P＜0.05)，而与全Ca、全Mg和全Cd含量呈极显著正相关(P＜0.01)，与全Cu、全Ni、全Pb和全Co含量相关性不强。表明随着降水和气温的增加，土壤酸化，导致Ca，Mg和Cd流失，含量下降，而全N，全P，全K，全Fe和全Zn积累，含量增加，全Cu、全Ni、全Pb和全Co的积累不甚明显。全N、全P、全K、全Fe、全Zn和全Mn两两之间均呈极显著的正相关(P＜0.01)；全N、全P、全K、全Fe、全Zn和全Mn含量分别与全Ca、全Mg和全Cd含量呈极显著负相关(P＜0.01)；全N含量与全Ni、全Pb、全Co和全Cu含量的相关性不强；全P含量与全Ni含量、全Pb含量和全Cu含量相关性不强，与全Co含量呈极显著的正相关(P＜0.01)；全K含量与全Ni含量相关性不强，与全Pb含量呈显著负相关(P＜0.05)，与全Co和全Cu呈极显著正相关(P＜0.01)；全Fe、全Zn、全Mn与全Cu、全Ni与全Co之间均呈极显著的正相关(P＜0.01)；全Fe与全Pb相关性不强；全Zn与全Pb呈极显著的正相关(P＜0.01)；全Mn与全Pb呈显著的负相关(P＜0.05)；全Ca、全Mg与全Cd两两之间均呈极显著的正相关(P＜0.01)；全Ca、全Mg和全Pb与全Cu和全Co分别呈极显著(P＜0.01)或显著负相关(P＜0.05)，与全Ni和全Pb相关性不强；全Ni与全Pb极显著正相关(P＜0.01)，与全Co相关性不强；全Pb与全Co显著负相关(P＜0.05)。以上结果表明土壤中不同元素之间相互影响较为明显，且主要表现为协同或拮抗2种类型。

3.3 主要定居植物化学元素含量 3.3.1 植物体内化学元素含量

植物体内化学元素的组成及含量水平，在很大程度上取决于土壤中化学元素的组成及含量水平，以及植物对土壤中各种化学元素的吸收和富集能力。如表 6所示，无林地1和2生长的植物种类较多，有草本、灌木及藤本植物，它们体内化学元素含量较丰富，全N、全P和全K含量普遍高于土壤。这些植物有的可以加工利用，如葛藤(Pueraria lobota)是加工淀粉的植物，五节芒(Miscanthus floridulus)和白茅(Imperata cylindrica)可以作为造纸原料。它们在石灰土上生长旺盛，长势良好，如果重新营造乔木或有经济价值的树种，这些草本植物还可作为肥料或水土保持原料。

从表 6可以看出，植物中不同元素含量的差异很大。大量营养元素平均含量在10 g·kg^-1以上的有N和K；1~8 g·kg^-1的有Ca，Mg和P。微量元素平均含量在400 mg·kg^-1以上的有Fe和Mn；10~60 mg·kg^-1的有Zn和Cu，1~8 mg·kg^-1的有Ni和Pb；＜1 mg·kg^-1的有Co和Cd。同一元素含量在不同植物体内的变化范围很大，高低值一般相差几倍到十几倍，甚至几十倍。如冬青(Ilex purpurea)Mn含量最高，为2 150.93 mg·kg^-1，葛藤(Pueraria Lobota)含量最低，仅92.50 mg·kg^-1，二者相差23倍多，这与植物对土壤中各种化学元素的吸收和富集能力有密切关系。不同植物中大量营养元素和微量元素的平均含量均有一定的差异，大量营养元素平均含量以拔葜(Smilax china)最低为3.35 g·kg^-1，以野菊(Dendranthema indicum)最高为13.51 g·kg^-1；微量元素平均含量以五节芒(Miscanthus floridulus)最低为70.21 mg·kg^-1，冬青最高为429.69 mg·kg^-1。

3.3.2 生物吸收系数比较

因植物生活习性的不同，针叶、阔叶和草本植物从环境中吸收和积累化学元素的能力有较大差别，可用生物吸收系数来表示植物对化学元素的吸收和积累能力(骆文华等，2001)，计算公式如下：

式中：A为生物吸收系数，C_p为植物体内某元素含量(表 6)，C_n为土层元素含量(表 2和3)。计算结果(表 7)表明，3块样地的植物对石灰土中12种化学元素的积累能力可分为3个层次：第1层次是N，P和K，植物对这3种元素的积累能力最强，生物吸收系数平均值均为100以上，但不同植物对同一元素的吸收系数略有所不同，如K在3块样地的生物吸收系数平均值均在100以上，但白茅(Imperata cylindrica)、悬钩子(Rubus palmatus)、柏木(Cupressus funebris)、朴树(Celtis tetrandra)对土壤中K的吸收系数仅为92.2，62.6，93.3，95.5；第2层次是Ca，Mg，Mn，Zn，Cu和Cd，其生物吸收系数平均值除无林地1的Ca和Mg为10以下外，其余均为10~100，其中Mg在无林地2及Mn和Zn在有林地的生物吸收系数平均值超过100，但Mn和Zn在无林地1和2的生物吸收系数均在100以下，因此将其归为第2层次；第3层次包含Fe，Ni和Pb，除Pb的生物吸收系数平均值在无林地2为18.0外，其余均在10以下，表明植物对它们的积累能力最弱。

4 结论与讨论

研究石灰岩化学成分，可为贵州石漠化土壤化学元素的研究提供基础数据。本研究试验林地内石灰岩的pH值为9.38，呈碱性。全P和全K含量分别仅为0.125和0.321 g·kg^-1。石灰岩为钙质岩类，在经受化学风化的溶蚀作用时，易溶性的氯化物和硫酸盐受流水作用逐渐淋溶流失，而残留溶解度较低的碳酸钙类物质，所以全Ca和全Mg含量高，分别为141.391和115.515 g·kg^-1。微量元素含量高低排序为：全Fe＞全Pb＞全Ni＞全Mn＞全Co＞全Cu＞全Zn＞全Cd，石灰岩中Pb(40.21 mg·kg^-1)，Ni(39.12 mg·kg^-1)，Co(15.45 mg·kg^-1)和Cd(5.86 mg·kg^-1)的平均含量明显高于我国东部石灰岩中Pb(32 mg·kg^-1)，Ni(3.8 mg·kg^-1)，Co(1.9 mg·kg^-1)和Cd(0.08 mg·kg^-1)的含量，而Mn(38.18 mg·kg^-1)，Cu(13.48 mg·kg^-1)和Zn(5.78 mg·kg^-1)的含量却低于我国东部石灰岩中Mn(112 mg·kg^-1)，Cu(30 mg·kg^-1)和Zn(16 mg·kg^-1)的含量(陈静生等，1999)。

对石灰土化学成分分析，可为石漠化治理前的土壤营养诊断提供参考。石灰岩富含Ca和Mg等元素，成土过程中母岩受溶蚀作用不断释放出Ca和Mg等碱土金属元素，即便是在湿润的亚热带淋溶作用较强的环境下，土壤仍呈碱性反应(张明等，1987)。本研究试验林地土壤主要是石灰岩发育的石灰土，pH值为7.53~7.98，呈碱性，全Ca和全Mg含量均以无林地1最高。有林地有机质、全N、速效N、全P和速效P含量均极显著高于无林地。原因是有林地植物生物量高，枯枝落叶等凋落物量高，随着根系分泌物和微生物的分解，枯落物释放养分归还土壤，提高了土壤有机质和养分含量。可见，植被对石灰土中有机质、N和P含量的影响是相当大的。石灰土中N素有效率低，仅占全N含量的0.47%~1.18%；有林地全P的含量略比无林地高，但P素有效率仍低，仅为全P含量的0.8%~1.5%，主要是由于动植物残体中的全P返回土壤后易被石灰土中的Ca固定。

由于含钾矿物的种类和含量对石灰土全K起支配作用，而石灰岩风化物发育的石灰土含K矿物缺乏，因此土壤的全K含量较低(许联芳等，2008)。本研究石灰土中全K含量为3.57~6.92 g·kg^-1。根据土壤速效K含量水平等级划分标准(许联芳等，2008)，有林地、无林地1属富K型土壤，无林地2为缺K型土壤，主要与土壤上生长的植物多少有关，植物对K的需求量大，因此在石漠化植被修复过程中，对缺K的土壤应补施K肥。

根据我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)规定，贵州花溪区石灰土全Pb、全Zn和全Cu的含量分别为43.46~74.25，55.50~60.81和24.53~35.27 mg·kg^-1，未超过规定中三级宜林地土壤的500，500和400 mg·kg^-1标准，仅全Cd含量1.91~3.00 mg·kg^-1超过标准1.0 mg·kg^-1。因此研究区可作为宜林地使用。但在造林时，应注意选用抗逆性强的乡土树种，如栾树(Koelreuteria paniculata)(Tian et al., 2007)，及富集Cd能力强的林下植物，如绿珠藜(Chenopodium acuminatum)和茼麻(Abutilon hybridum)等。

贵阳市花溪区受亚热带湿热气候影响，在石灰岩发育成石灰土的过程中，Ca，Mg和Cd元素在淋溶作用下，含量迅速减少，土壤中的含量低于母岩，为纯迁移元素；P，K，Cu，Fe，Zn，Mn，Ni，Pb和Co在成土过程中处于相对积累状态，土壤中含量高于母岩，为相对积累元素。

石灰土的pH值与全N、全P、全K、全Fe和全Zn含量呈极显著负相关(P＜0.01)，与全Mn含量呈显著负相关(P＜0.05)，而与全Ca、全Mg和全Cd含量呈极显著正相关(P＜0.01)，与全Cu、全Ni、全Pb和全Co含量相关性不强。表明随着降水和气温的增加，土壤酸化，导致Ca，Mg和Cd流失，而全N、全P、全K、全Fe和全Zn积累，全Cu、全Ni、全Pb和全Co的积累不甚明显。这与温琰茂等(1994)的研究结果基本相似。

本区植物中大量营养元素N，K，P，Ca和Mg的平均含量与全球植物平均含量相近，而微量元素的平均含量均高于全球植物平均含量，如Mn元素高出近10倍，Cu元素也高出2倍多(樊文华等，1996)。以本研究区植物与海南植物元素含量的大小顺序加以对比，可以看出植物中微量元素含量的序列基本一致，一般为Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞Co＞Cd，大量元素的含量序列有所不同，海南植物为N＞Ca＞K＞Mg＞P，而本研究区植物为K＞N＞Ca＞Mg＞P(樊文华等，1996)。