森林与环境学报  2017, Vol. 37 Issue (3): 353-359   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2017.03.018
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符裕红, 彭琴, 李安定, 黄宗胜
FU Yuhong, PENG Qin, LI Anding, HUANG Zongsheng
喀斯特石灰岩产状地下生境的土壤质量
Soil quality of the limestone underground habitat types in karst areas
森林与环境学报,2017, 37(3): 353-359.
Journal of Forest and Environment,2017, 37(3): 353-359.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2017.03.018

文章历史

收稿日期: 2016-12-26
修回日期: 2017-03-08
喀斯特石灰岩产状地下生境的土壤质量
符裕红1, 彭琴2, 李安定3, 黄宗胜4     
1. 贵州师范学院化学与生命科学学院, 贵州 贵阳 550018;
2. 黔西南民族职业技术学院, 贵州 兴义 562400;
3. 贵州省山地资源研究所, 贵州 贵阳 550001;
4. 贵州大学建筑与城市规划学院, 贵州 贵阳 550025
摘要:为揭示喀斯特石灰岩地下生境的土壤质量差异,选择基于喀斯特石灰岩的3种不同典型地下生境类型样地(石灰岩低倾产状地下生境、石灰岩中倾产状地下生境、石灰岩高倾产状地下生境)的土壤为研究对象,测定不同类型样地土壤的物理、化学及生物学指标,计算土壤质量综合指数,对其土壤质量进行综合评价。结果表明,不同石灰岩地下生境类型及其不同层次的土壤指标值差异显著,层次性明显,土壤质量均表现为表层>中层>下层;不同类型的土壤质量存在差异,石灰岩低倾产状生境最好,中倾生境次之,高倾生境最差。
关键词喀斯特    石灰岩    地下生境    土壤质量    
Soil quality of the limestone underground habitat types in karst areas
FU Yuhong1, PENG Qin2, LI Anding3, HUANG Zongsheng4     
1. School of Chemistry and Life Science, Guizhou Normal College, Guiyang, Guizhou 550018, China;
2. Southwest Guizhou Vocational and Technical College for Nationalities, Xingyi, Guizhou 562400, China;
3. Guizhou Institute of Mountain Resources, Guiyang, Guizhou 550001, China;
4. College of Architecture and Urban Planning, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China
Abstract: To reveals the soil quality differences of karst limestone underground habitat type, taking three different habitat types of soil of the typical limestone underground in karst areas as the research objects (limestone low yield underground habitat type, limestone middle yield underground habitat type and limestone high yield underground habitat type), to test the different types of soil physical, chemical and biological indicators, and calculate the integrated soil indexes for the soil quality evaluating; the results showed that:soil indexes of different limestone underground habitat types and different soil levels were significant different and had a clear hierarchy, the soil quality in the surface level was the best, the secondary was the middle level and the lower level was the worst; soil quality of different types existed differences, the soil quality indicated that limestone low yield underground habitat type was the best, the limestone middle yield underground habitat type was the secondary, and the limestone high yield underground habitat type was the worst.
Key words: karst     limestone     underground habitat     soil quality    

土壤是生态环境的重要组成部分,其质量的优劣直接关系到动植物生存、人类生活及社会经济的可持续发展[1]。土壤质量是土壤功能与外部环境之间进行相互作用的能力[2],正不断受到学者们的共同关注。喀斯特地区石漠化强、土层浅薄、土被间断、成土较慢[3]、环境脆弱,岩石中存在可供植物根系生长的地下多层空间[4],土壤的保水保肥性能相对较差,导致土壤质量成为制约喀斯特地区植物生长的重要因素。喀斯特地下生境,主要受到岩石类型、岩层产状、空间层次的控制[4],岩石类型决定了基岩的可溶性,而基岩可溶导致裂隙产生[5],岩石产状倾角影响岩层中土壤水分的含量和分布[6],不同地下生境类型的土壤养分含量[3]、土壤酶活性[7]、土壤微生物生物量差异显著[8],最终导致其土壤质量差异[3]。在之前基于喀斯特地区的土壤质量研究中,大多体现的是地表小生境[9-12]的特征,部分地下生境的研究主要体现在喀斯特白云岩产状的不同地下生境方面[3],对喀斯特石灰岩产状地下生境土壤质量不得而知,其土壤质量如何、有何差异均待进一步的研究。基于上述原因,通过在喀斯特地区选择典型的石灰岩产状地下生境样地,以其土壤为研究对象进行综合评价,从而完善喀斯特地区地下生境类型土壤质量的相关数据体系,促进喀斯特地区的生态修复。

1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市,市中心位于北纬26°44′,东经106°27′,属低纬度高海拔高原区,系亚热带季风气候;年平均气温15.3 ℃,年极端最高温35.1 ℃,极端最低温-7.3 ℃,年平均降水量1 129.5 mm,相对湿度77%,年平均日照时间1 148.3 h。区域内主要分布碳酸盐岩,主要类型是石灰岩和白云岩;土壤类型多样,呈条带状镶嵌分布,主要有黄壤、黄棕壤、石灰土、紫色土、沼泽土和水稻土等;植被多样性高。

以野外调查中所划分的18个地下生境类型为基础[4],为增强试验对比,选择了其中3个石灰岩的典型类型进行土壤质量分析评定,典型样地同时具备相同的微地貌条件、岩石类型、土壤类型, 满足要求的岩层产状, 相同种组的优势树种和大致相当的区域条件。3个样地均为丘陵地貌、石灰岩、黄棕壤,样地面积2 700 m2,海拔1 200~1 300 m,均处于东北坡,坡度30°~45°;具体类型为:石灰岩低倾产状地下生境(简称灰-低倾生境,limestone low yield underground habitat type,L-LO)、石灰岩中倾产状地下生境(简称灰-中倾生境,limestone middle yield underground habitat type,L-TO)、石灰岩高倾产状地下生境(简称灰-高倾生境,limestone high yield underground habitat type,L-UO),样地基本特征见表 1

表 1 样地类型及其基本特征 Table 1 Types and basic characteristics of plots
类型
Type
地点
Place
岩层倾角
ARS/(°)
土层厚度
Thickness ofsoil/cm
优势树种Dominant species
乔木Arbor灌木Shurbs草本Herbs
灰-低倾生境L-LO百花湖
Baihua Lake
80~110女贞Ligustrum lucidum铁仔Myrsine africana荩草Arthraxon hispidus、蕨Pteridium aquilinum
灰-中倾生境L-TO燕楼
Yanlou
460~180光皮桦Betula luminifera铁仔Myrsine africana苔草Carex tristachya、蕨P. aquilinum
灰-高倾生境L-UO阿哈湖
Aha Lake
850~230白栎Quercus fabric铁仔Myrsine africanaP. Aquilinum、五节芒Miscanthus floridulus
2 材料与方法 2.1 土样采集

土壤采集方法与白云岩产状地下生境的方法[3]相同,每个样方的面积均设置900 m2[13],每个类型分别设置条件相似的3个样方,共9个样方;按照相应条件和随机性原则[14]在各样方内选取岩石产状倾角相当、生境相似的6个样点,3种类型共54个样点。土壤采集时以30 cm为界,分表层、中层、下层进行采样,每个层次的采样在其范围内随机选取4~6个土样均匀混合为1个样品,共采集土壤样品162个。

2.2 评价指标与方法

评价指标是进行土壤质量评价的核心和重点,主要反映土壤的健康状况、性状、功能或条件[15],关系到评价结果的准确性与客观性;土壤质量评价可在多尺度下进行,其评价指标是相对的,而不是绝对的[16]。根据研究目的和要求,评价指标主要从土壤的物理学、化学、生物学指标中进行选择[17]。土壤物理学指标有:水分含量、容重;土壤化学指标有:pH值、有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、速效磷含量、全钾含量、速效钾含量;土壤生物学指标有:蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶活性共18个指标,分别标记为x1~x18

容重采用环刀称重法、水分含量选用烘干法[18-20]

pH值采用电位法, 有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4外加热法,全氮含量选用蒸馏法, 碱解氮含量选用扩散法, 全磷、速效磷含量采用钼锑抗试剂比色法, 全钾、速效钾含量采用火焰光度计法测定[18-20]

蔗糖酶和淀粉酶活性均采用C7H4N2O7比色法;脲酶活性采用C6H5ONa-NaClO比色法;蛋白酶活性选用C9H6O4比色法;磷酸酶活性采用C6H5Na比色法;过氧化氢酶和过氧化物酶活性均采用容量法;多酚氧化酶活性选用I2滴定法[21]

土壤质量评价方法国际上尚无统一标准,也没有固定方法,目前主要分为定性评价和定量评价两种[16]。土壤质量评价方法采用定量评价法中的土壤质量指数法,其具体步骤是选择指标;转化指标成分值;计算指数[3, 16, 22],由此得出土壤质量的系统评价结果。

指标标准化、土壤质量指数计算公式如下

$x_{ij}^\prime = \frac{{{x_{ij}} - \overline {{x_j}} }}{{{s_j}}}$
${I_{{\rm{IFI}}}}{\rm{ = }}\sum\limits_1^3 {{a_i}{y_j}} $

式中:i为样本数;j为指标个数;xij为第i个主成分中第j个指标的数值;xij为标准化数值;xj为第j个指标的平均值;sj为第j个指标的标准差。IIFI为土壤质量指数;ai为第i个主成分的贡献率;yj为第j个主成分的得分值。

3 结果与分析 3.1 土壤指标统计分析

土壤指标统计分析目的是检验采样方法的正确性和评价指标的代表性。以生境类型、土壤层次进行双因素方差分析,结果见表 2。针对因变量,类型Sig.=0.000<0.01;层次Sig.=0.000<0.01;类型×层次Sig.=0.000<0.01,表明土壤各评价指标数值及其两两间受到生境类型和土壤层次的影响极显著,说明所采集的土壤样品具有较强的代表性,为后续土壤质量综合评价的科学性、合理性及准确性奠定了基础。

表 2 土壤指标的方差分析 Table 2 Analysis of variance of soil indexes
因变量DV源Ⅳ Ⅲ型平方和Ⅲ QS df均方MS FSig.
x1类型T433.6862216.843175.3760.000
层次L544.9302272.465220.3620.000
类型×层次T×L104.852426.21321.2000.000
x2类型T3.43521.718405.0550.000
层次L2.71921.359320.5730.000
类型×层次T×L0.52240.13130.7960.000
x3类型T19.16329.582275.4160.000
层次L21.368210.684307.1010.000
类型×层次T×L1.35940.3409.7690.000
x4类型T4 401.26422 200.63229 840.2090.000
层次L9 267.92124 633.96162 835.7460.000
类型×层次T×L399.071499.7681 352.8350.000
x5类型T1.20820.604893.2550.000
层次L7.91023.9555 849.8280.000
类型×层次T×L0.34940.087129.0330.000
x6类型T16 944.65028 472.32598 792.5850.000
层次L30 294.087215 147.044176 623.9590.000
类型×层次T×L6 067.54741 516.88717 687.8420.000
x7类型T0.05620.0284 401.0350.000
层次L0.01620.0081 230.7190.000
类型×层次T×L0.00440.001175.0800.000
x8类型T640.5382320.269389 138.4890.000
层次L404.3612202.180245 656.4920.000
类型×层次T×L49.656412.41415 083.5890.000
x9类型T54.002227.0017 128.9750.000
层次L29.131214.5653 845.6350.000
类型×层次T×L18.17444.5441 199.6060.000
x10类型T37 271.637218 635.818216 342.9750.000
层次L62 352.947231 176.473361 927.2770.000
类型×层次T×L17 378.44944 344.61250 436.5460.000
x11类型T32.404216.2028 794.8450.000
层次L8.18224.0912 220.7630.000
类型×层次T×L5.65441.414767.3210.000
x12类型T0.23520.118253.5710.000
层次L1.08620.5431 170.9430.000
类型×层次T×L0.17140.04392.2500.000
x13类型T146.769273.38424 388.5440.000
层次L219.1982109.59936 424.0390.000
类型×层次T×L25.07846.2702 083.6370.000
x14类型T419.0732209.53666 100.3800.000
层次L790.8382395.419124 738.9730.000
类型×层次T×L38.42949.6073 030.6680.000
x15类型T185.916292.95826 937.5040.000
层次L718.2872359.143104 073.2200.000
类型×层次T×L19.17544.7941 389.1610.000
x16类型T0.02020.010261.8910.000
层次L0.02320.012298.9970.000
类型×层次T×L0.00340.00116.0830.000
x17类型T0.07820.039250.8540.000
层次L0.23220.116745.6630.000
类型×层次T×L0.02640.00742.0530.000
x18类型T0.02920.015270.6620.000
层次L0.05820.029539.8760.000
类型×层次T×L0.00640.00229.6410.000
3.2 土壤指标标准化

不同生境类型和层次之间的土壤指标数值存在差异,为减小其量纲之间的差异影响、避免各指标间的绝对值和变化幅度较大,在分析前先对所测定的土壤指标原始数据进行标准化处理[3, 20],结果见表 3

表 3 土壤质量评价指标数值标准化 Table 3 Numerical standard of soil quality assessment indexes
土壤指标
Soil index
灰-低倾生境L-LO灰-中倾生境L-TO灰-高倾生境L-UO
表层SL中层ML下层LL表层SL中层ML下层LL表层SL中层ML下层LL
x1 -0.322 -0.773 -1.2651.7940.867 -0.5121.151 -0.335 -0.679
x20.0100.3340.628 -2.068 -0.542 -0.207 -0.4400.9631.340
x30.0810.6441.527 -1.0290.2950.907 -1.459 -1.0680.102
x41.8890.661 -0.3370.445 -0.362 -0.9070.538 -0.424 -1.503
x51.3440.234 -0.3280.869 -0.963 -1.1861.268 -0.094 -1.210
x62.2540.436 -0.4460.332 -0.456 -1.1870.125 -0.194 -0.866
x72.1460.8800.389 -0.010 -0.398 -0.880 -0.430 -0.767 -0.941
x81.2600.7490.3500.8960.567 -0.954 -0.375 -0.772 -1.720
x91.0960.609 -0.0851.8150.167 -0.637 -0.890 -0.995 -1.030
x10 -1.6500.6350.145 -1.6850.560 -1.330 -1.808 -1.150 -1.366
x112.3120.6600.376 -0.220 -0.602 -0.836 -0.445 -0.579 -0.688
x120.423 -0.192 -0.9701.5100.373 -0.2921.371 -1.093 -1.121
x131.6540.760 -0.1580.661 -1.024 -1.5930.414 -0.033 -0.681
x141.6410.734 -0.6720.9080.165 -0.5620.185 -0.852 -1.546
x151.8510.434 -0.5050.899 -0.376 -1.2140.444 -0.358 -1.175
x161.8960.403 -0.2540.9710.233 -0.785 -0.341 -0.807 -1.489
x171.4800.922 -0.7950.550 -0.698 -1.6470.703 -0.058 -0.509
x181.5300.5200.1570.554 -0.664 -1.3470.6550.190 -1.526
3.3 评价指标主成分分析

利用SPSS软件对所有土壤评价指标进行主成分分析,得到相应的成分矩阵和得分矩阵,提取了包括原始数据信息总量92.852%的3个主成分(y1y2y3)来代表所有评价指标的基本特征来反映土壤质量。

从表中可知(表 4),第一主成分(y1)主要包括x1(水分含量)、x4(有机质)、x5(全氮)、x6(碱解氮)、x7(全磷)、x8(速效磷)、x9(全钾)、x11(蔗糖酶)、x12(淀粉酶)、x13(脲酶)、x14(蛋白酶)、x15(磷酸酶)、x16(过氧化氢酶)、x17(多酚氧化酶)、x18(过氧化物酶),它们具有较大的荷载,分别为:0.334、0.977、0.882、0.939、0.854、0.862、0.777、0.803、0.630、0.903、0.946、0.990、0.940、0.873、0.920。第二主成分(y2)主要包括x2(容重)、x3(pH值),其荷载为:0.651、0.792。第三主成分(y3)主要包括x10(速效钾),其荷载为0.559。以上结果说明,第一主成分(y1)包含了大多数评价指标,在其影响上占绝对优势,第二主成分(y2)主要反映容重和pH值的影响,第三主成分(y3)主要体现土壤速效钾的作用。

表 4 土壤指标成分矩阵、特征值及贡献率 Table 4 Soil index composition matrix, eigenvalue and contributions
主成分PC x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18特征值
EV
贡献率
CR/%
累计贡献率
TCR/%
y10.334 -0.483 -0.2520.9770.8820.9390.8540.8620.777 -0.1140.8030.6300.9030.9460.9900.9400.8730.92013.95066.42866.428
y2 -0.8940.6510.7920.055 -0.2420.1570.5010.156 -0.0050.5580.540 -0.6810.098 -0.061 -0.0670.072 -0.0370.0453.52516.78683.214
y30.227 -0.5510.477 -0.078 -0.324 -0.2330.0120.4430.4900.559 -0.1270.248 -0.3520.231 -0.1070.268 -0.370 -0.2232.0249.63892.852
3.4 评价指标综合评价

根据各主成分指标的得分矩阵(表 5),得到各主成分的函数表达式分别为

表 5 土壤指标成分得分矩阵 Table 5 Soil index component score matrix
主成分PC x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18
y10.024 -0.035 -0.0180.0700.0630.0670.0610.0620.056 -0.0080.0580.0450.0650.0680.0710.0670.0630.066
y2 -0.2540.1850.2250.016 -0.0690.0440.1420.044 -0.0010.1580.153 -0.1930.028 -0.017 -0.0190.020 -0.0110.013
y30.112 -0.2720.236 -0.038 -0.160 -0.1150.0060.2190.2420.276 -0.0630.122 -0.1740.114 -0.0530.132 -0.183 -0.110
$\begin{array}{l} {y_1} = 0.024{x_1} - 0.035{x_2} - 0.018{x_3} + 0.070{x_4} + \cdots + 0.066{x_{18}};\\ {y_2} = - 0.254{x_1} + 0.185{x_2} + 0.225{x_3} + 0.016{x_4} + \cdots + 0.013{x_{18}};\\ {y_3} = 0.112{x_1} - 0.272{x_2} + 0.236{x_3} - 0.038{x_4} + \cdots - 0.110{x_{18}}。\end{array}$

将标准化后数据(表 3)代入上述的函数表达式中,即可得到3个主成分中相应土壤指标的得分值,并利用土壤质量指数(IIFI)进行综合评价[3, 20],结果见表 6。不同生境类型和不同土壤层次的得分值变化较大,由此说明各土壤质量间存在差异;针对第一主成分,3个类型的表层土壤得分较高;第二主成分中,以灰-低倾生境的中层和下层土壤占绝对优势;第三主成分,以灰-中倾生境的中层和下层占优势。

表 6 土壤指标主成分得分及排序 Table 6 Soil index principal component score and scorting
类型
Type
层次
Level
主成分一FPC主成分二SPC主成分三TPC综合评价CE
得分S排序R得分S排序R得分S排序R IIFI排序R
灰-低倾生境L-LO表层SL1.80340.7151 -0.88241.2331
中层ML0.60380.96730.08690.5712
下层LL -0.30791.19060.19570.0154
灰-中倾生境L-TO表层SL0.9031 -1.65850.62580.3813
中层ML -0.2853 -0.40881.3666 -0.1265
下层LL -1.1325 -0.24790.4355 -0.7518
灰-高倾生境L-UO表层SL0.3262 -1.5382 -1.2502 -0.1626
中层ML -0.5356 -0.2664 -1.5483 -0.5507
下层LL -1.33070.0527 -1.1511 -0.9869

根据最后的综合评分,其得分大小排序依次表现为:灰-低倾生境表层>灰-低倾生境中层>灰-中倾生境表层>灰-低倾生境下层>灰-中倾生境中层>灰-高倾生境表层>灰-高倾生境中层>灰-中倾生境下层>灰-高倾生境下层。针对不同层次的土壤,表层土壤中,以灰-低倾生境类型分值最高,灰-高倾生境类型最低;中层土壤中,以灰-低倾生境类型分值最高,灰-中倾生境类型最低;下层土壤中,以灰-低倾生境分值最高,灰-高倾生境类型最低。针对不同生境类型的土壤,层次分化比较明显,各生境类型条件下的土壤综合评分均表现为表层>中层>下层的规律。基于不同的生境类型和不同的土壤层次间的土壤质量存在差异,体现了不同的变化特征。

4 讨论与结论

不同类型和不同层次的土壤质量差异显著,层次性明显,均表现出表层最高、中层次之,下层最低的趋势;土壤质量主要受到生境类型和土壤层次的控制,这与前人的研究结果相吻合。在关于喀斯特地区的土壤研究中,不同岩石类型条件下,土壤理化性状差异极显著[23],土壤酶活性变化差异显著[24],土壤肥力变化较大[25];岩石的产状倾角使土壤水分分布呈现显著差异[6];白云岩不同产状生境的土壤质量差异显著[3]。由此说明, 岩石类型和岩石产状倾角改变了土壤生态条件,造成土壤水分及养分的变化,导致土壤质量的差异。

石灰岩产状地下生境类型的土壤质量差异显著,其中灰-低倾生境土壤质量最好,灰-高倾生境土壤质量最差,灰-中倾生境土壤质量居于二者之间。基于石灰岩不同地下生境土壤质量的差异,主要是由于喀斯特区的特殊地质背景,岩石种类的基本性质、岩石产状及土壤分布特点差异较大而导致的;石灰岩和白云岩均为碳酸盐岩类岩石,但石灰岩性脆、白云岩坚韧,石灰岩在形成1 cm厚土层所需溶蚀的碳酸盐岩时间远远小于白云岩[26],即石灰岩风化成土作用更强。当岩石为低倾产状时,土壤主要集中于基岩以上,但由于石灰岩整体产状不明显[4],故土壤空间分布较白云岩复杂,植物根系的生长延伸也较为多样,土壤养分利用与转化也更加有效;而在岩石为高倾产状时,土壤主要分布填充于近似直立的岩石夹层空间中,植物根系的分布多以垂直状态延伸,故土壤养分易随水分下渗流失,这与白云岩的地下生境较为相似[3];当岩石为中倾产状时,则基于二者之间;故在石灰岩低倾产状地下生境样地中的土壤养分及其质量相对较高。

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