西南岩溶区土壤养分保持能力和土壤退化研究

摘要

岩溶生态系统是一种脆弱的生态系统，具有环境因子的利弊兼容性、生境的多样性和严酷性、水分亏缺的异质性和派生性、环境的脆弱性和改造的艰难性。因此岩溶区土壤退化和土壤的养分保持能力研究是一项非常重要和有意义的工作。 本文系统分析了岩溶区不同石漠化程度下土壤的指纹电荷特征，及其所表征的土壤养分保持能力和土壤退化程度；选择三个岩溶区域进行对比，探讨岩溶区土壤在自然生态恢复、人为生态重建、人类无规划利用等方式下的养分保持能力，得出人为生态重建能有效恢复岩溶区土壤的养分保持能力；同时通过对人为生态重建区一年前后的土壤进行分析，提出运用土壤指纹电荷方法对某一研究区域的土壤养分保持能力进行研究，制作图谱，后期研究则只需取少量土壤测定pH值后查询前期土壤指纹电荷图谱即可得出某时段内土壤养分保持能力的变化趋势；最后对南平镇石庆村西南坡退耕樟树林坡地不同坡位处土壤的营养元素进行分析，进一步验证了岩溶区坡地土壤流失的双重性，即不仅存在地表流失，而且还有地下漏失。 土壤pH值是土壤重要的基本性质之一，对土壤的理化性质、微生物活动以及植物生长发育都有很大的影响，因此在一定区域，根据土壤pH值的变异可以评估土壤的养分保持能力。土壤指纹电荷特征是通过土壤pH值获得的一系列特征值，由于任何区域、类型土壤所含可变电荷特征都不一样，如同人类指纹般具有唯一的特征性，因而被称为指纹电荷。它能表征岩溶区土壤退化中的养分保持能力，且与非岩溶区土壤对比，土壤指纹电荷特征对岩溶区土壤的养分保持能力和土壤退化能力有更明显的指示作用。 通过对缙云山非岩溶区与南平岩溶区旱地、撂荒地的土壤指纹电荷特征进行对比分析，得出无论是旱地还是撂荒草地，非岩溶区土壤实际pH值所对应的指纹电荷都处于中等水平，这说明在非岩溶区，旱地由于一定量的施肥使土壤养分保持能力处于中等水平，撂荒草地由于少有人类活动干扰，土壤养分保持能力也处于中等水平。但岩溶区撂荒草地土壤B层实测pH值所对应的指纹电荷处于低值，表明岩溶区土壤退化后恢复较慢，指纹电荷特征更能表征岩溶区土壤的养分保持能力。 岩溶区土壤剖面中，碱性界面处与远离基岩处土壤pH值变异较大，因此，岩溶区土壤样品的采集不同于非岩溶区土壤样品的常规采集，应具有岩溶的特殊性： 本研究在岩溶区这一特定地域，通过对碱性界面处与远离基岩处土壤pH值进行变异分析，发现在同一土壤剖面中，土壤pH值变异系数竟然>2％，由此可见岩溶区碱性基岩对界面附近土壤pH值的影响较大。尤其在碱性基岩面上20cm范围内，土壤pH值变化最大，如在退耕樟树林土壤地质剖面中，碱性基岩面上20cm范围内土壤pH值比20cm范围外土壤高出0．14个pH值单位，比土壤表层土壤高出0．24个pH值单位。在马尾松土壤地质剖面中，基岩表面20cm范围内土壤pH值与土壤表层pH值的差值更大，达到0．5个pH值单位，变异系数为5．11％。金银花种植地土壤地质剖面中，碱性基岩表明20cm范围内土壤pH值为7．15，基岩表面20cm～40cm土壤的pH值为7．05，差值为0．1个pH值单位。因此，在对岩溶区域范围内土壤的环境质量、肥力质量、健康质量进行整体性、综合性分析和评价时，其土壤样品的采集应避免碱性基岩界面对土壤理化等一系列性质的影响。而在对岩溶区小范围内土壤的异质性进行分析和评价时，要注意基岩、岩石裂隙对土壤发生、发育的影响。 在研究方法上，根据岩溶区土壤pH值特征，对土壤指纹电荷的测定进行了参数修正，将pH值梯度范围修正为（8．0、7．2、6．4、5．6、4．8、4．0），使之更适合岩溶区土壤特征： 土壤pH值与土壤发生密切相关，岩溶区发育于碱性母岩上的土壤，由于Ca2+的大量存在常使土壤呈碱性反应，一般石灰土的pH值为中性到微碱性，如安徽省石灰岩风化物发育土壤的pH值在6．15～8．06之间，重庆北碚鸡公山石灰土的pH值在5．98～8．00之间，重庆巫山地区石灰土pH值在5．68～8．51之间，重庆黔江地区石灰土pH值在5．18～7．69之间，广东阳山黑色石灰土pH值在7．00～8．06之间，重庆金佛山岩溶石灰土pH值在4．25～6．95之间。因此，在对研究区岩溶土壤样品进行分析时，对pH值的上限做了扩展，pH值设定区域为4．0～8．0，具体的梯度值分别为（8．0、7．2、6．4、5．6、4．8、4．0）。 得出不同石漠化程度下土壤指纹电荷特征：把金佛山土壤样品根据分析划分为无石漠化阶段、轻度石漠化阶段、中度石漠化、强度石漠化阶段，并对不同石漠化程度下土壤样品进行土壤指纹电荷特征和土壤有机质及其组分关系分析，得出在不同石漠化程度下，土壤指纹电荷有明显变化，且呈衔接式——阶梯状发展，即：在无石漠化的山顶，土壤A、B层土壤保持养分能力最强的pH值范围与土壤实测pH值较为吻合；轻度石漠化条件下，土壤B层养分保持能力与无石漠化的土壤A层较为一致，土壤A层养分保持能力受到明显扰动；中、强度石漠化条件下，土壤A、B保持养分能力的相对平衡点的pH值明显偏酸，这在A层表现尤为明显，主要是人为施肥的结果。土壤有机质对土壤指纹电荷即土壤保持能力有重要作用，其中富里酸的正相关作用较大，而胡敏酸的负相关作用较大。 通过区域对比分析，得出三种生态恢复与重建模式下土壤的养分保持能力，并通过土壤指纹电荷特征予以验证：选择重庆北碚鸡公山槽上，重庆南川区南平镇，重庆南川区东胜镇分别作为三种生态恢复与重建模式（自然生态恢复、人为生态重建、人类无规划利用区）的研究区作对比分析，从土壤结构退化、土壤水分退化、土壤微生物退化、土壤养分退化四个方面得出鸡公山自然生态恢复区基本无退化；南平镇人为生态恢复区主要处于轻度退化阶段；而东胜镇人类无规划利用区则处于退化中度阶段。这与基于土壤指纹电荷特征得到的三区域土壤退化趋势是相一致的。 通过时间对比分析，得出不同土壤利用方式下土壤养分保持能力和土壤退化的变化趋势，提出运用土壤指纹电荷方法对某一研究区域的土壤养分保持能力进行研究，可以减少研究区土壤的破坏程度，只要前期充分展开相关指纹电荷工作研究，制作图谱，后期研究则只需取少量土壤测定土壤pH值后查询前期土壤指纹电荷图谱即可得出某时段内土壤养分保持能力的变化趋势,通过对重庆南平镇石庆村人为生态恢复区不同土壤利用方式下前后一年土壤样品的分析，得出退耕后撂荒草地土壤的各项养分保持指标含量增长最快，对恢复土壤退化程度最为有利，其次是杉树林和樟树林；而从人为生态恢复的各种利用方式来看，花椒林土壤的养分保持能力最好，土壤退化恢复的程度最快，其次是金银花和桃林。结合岩溶区的环境效益、生态效益和社会经济效益，岩溶贫困山区栽种花椒、金银花的措施，能够在短时期内有效改善土壤养分保持能力，有利于土壤的稳定培肥，同时有效改善石漠化状况，阻止水土流失。 通过对南平镇石庆村西南坡退耕樟树林坡地采样分析，以坡地土壤中营养元素为媒介，对岩溶区坡体的地表流失和地下漏失有了更深一步的了解：从Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Mo、si、Fe八个营养元素在岩溶区坡体中的含量分析得出，从坡顶到坡底都有不同程度的流失过程，然而在坡底却没有明显的堆积过程，这说明岩溶区坡体中由于地上和地下的双层结构，使坡体土壤的流失形式异于其他红黄壤区，不仅存在着地表土壤流失，还有地下岩溶裂缝、落水洞的土壤漏失，其中Cu、Mn、Zn、Mg、Mo五个营养元素在坡体的坡腰部位开始出现拐点，因而可以看做是地表流失和地下漏失双重作用的结果，Fe、Ca、Si则是在坡麓处就出现转折点，地表土壤流失与地下土壤漏失在此处得到明显表现。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究现状

1.1.1土壤退化研究现状

1.1.2岩溶区生态环境退化及生态重建研究现状

1.1.3恢复生态学的研究现状

1.1.4土壤指纹电荷研究现状

1.2研究目的及意义

1.3研究区概况与样点分布

1.3.1重庆南川

1.3.2重庆北碚鸡公山

1.4技术路线

1.5研究目标和内容

1.6拟解决的关键问题

1.7研究特色

第二章试验材料及数据收集

2.1样品的采集

2.1.1常规土壤样品的采集

2.1.2研究区土壤样品采集

2.2试验

2.2.1土壤理化性质测定方法

2.2.2土壤指纹电荷测定方法

第三章不同石漠化程度下土壤有机质分组与土壤指纹电荷特征分析

3.1石漠化等级划分

3.1.1石漠化概念演化

3.1.2石漠化表现及过程

3.1.3石漠化的发生原因

3.2研究区石漠化划分

3.3不同石漠化程度下土壤指纹电荷表征的土壤养分状况分析

3.3.1不同石漠化程度下土壤指纹电荷特征

3.4土壤指纹电荷特征与土壤有机质各组分的关系

3.4.1土壤与土壤有机质及其作用

3.4.2土壤有机质组分

3.4.3土壤有机质组分与土壤指纹电荷特征关系

3.5小结

第四章不同生态恢复与利用模式下的土壤退化研究

4.1生态恢复与重建

4.1.1定义

4.1.2方式

4.2岩溶区生态恢复与重建

4.3研究区土壤分析

4.3.1基本理化性质

4.3.2因子分析确定土壤退化方式

4.3.3基于指纹电荷的土壤退化程度

4.3.4层次分析法分析三研究区土壤质量与土壤退化

4.4小结

第五章人为生态恢复与重建对土壤养分保持能力和土壤退化程度分析

5.1土壤退化与土壤养分保持能力评价典型性指标说明

5.1.1土壤磁化率

5.1.2土壤胶体比表面积

5.2研究区生态恢复一年前后土壤养分保持能力与土壤退化分析

5.2.1指标选取与分析

5.2.2一年后土壤养分保持能力变化分析

5.2.3指纹电荷特征值的验证

5.3小结

5.4防止岩溶区土壤退化和土壤养分保持能力下降的措施

5.4.1加强对岩溶生态脆弱区的环境管理

5.4.2推广各种生态恢复与重建模式

5.4.3优化岩溶区农业生态系统与复合农林模式构建技术

5.4.4加强岩溶干旱区综合治理与高效节水技术

5.4.5加快农村能源建设，提高生态休养时间

5.4.6培育替代产业，减少农业人口，降低生态负荷

5.4.7规范资源开发和工程建设，减少生态干扰

第六章岩溶生态恢复区退耕樟树林坡地土壤的双重流失

6.1岩溶区土壤流失

6.1.1水土流失研究进展

6.1.2岩溶区坡地土壤流失的双重性

6.1.3岩溶区水土流失原因分析

6.2土壤样品采集与数据处理方法

6.3数据分析

6.3.1坡地土壤基本营养元素

6.3.2坡地土壤其它营养元素

6.3.3坡地各坡位土壤地表流失与地下漏失的趋势分析

第七章结论

7.1主要成果

7.2存在的问题

7.3研究展望

主要参考文献

表附录

图附录

致谢

附录