孟凡德, 彭 韜, 王世杰, 蔡先立, 張 林

(1.中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550002;

2.普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 貴州 普定 562100; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

石灰?guī)r與白云巖坡地土壤飽和導(dǎo)水率對比研究

孟凡德1,2,3, 彭 韜1,2, 王世杰1,2, 蔡先立1,2, 張 林1,2

(1.中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550002;

2.普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 貴州 普定 562100; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

摘要：[目的] 對比研究不同下墊面特征和土地利用方式對兩類坡地表層土壤性質(zhì)及其土壤飽和導(dǎo)水率(Kspan)的影響。[方法] 以喀斯特地區(qū)不同巖性下墊面的石灰?guī)r和白云巖兩類坡地表層土壤為研究對象，采用Guleph穩(wěn)定入滲儀和土壤分析的方法。[結(jié)果] (1) 石灰?guī)r和白云巖表層土壤在受到放牧作用影響后，土壤均呈現(xiàn)顯著退化趨勢，其容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質(zhì)含量降低。(2) 石灰?guī)r和白云巖兩類坡地表層土壤在未受到人為干擾的自然植被條件下，由于表層巖溶帶的發(fā)育，Kspan都很高，平均值分別為328.6和257.2 mm/h。其中，石灰?guī)r坡地相比白云巖坡地，Kspan具有更高的空間變異性，二者Kspan變異系數(shù)變化范圍分別為90.71%～95.62%和59.60%～67.32%。(3) 受到放牧作用影響后，石灰?guī)r和白云巖坡地表層土壤Kspan相比自然植被狀態(tài)下呈顯著降低趨勢，Kspan分別降低52.2%和86.7%，白云巖坡地Kspan降低程度大，高于石灰?guī)r坡地。

關(guān)鍵詞：石灰?guī)r; 白云巖; 喀斯特; 飽和導(dǎo)水率(穩(wěn)滲率); 土壤

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是土壤全部孔隙都充滿水的情況下，在單位梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]，易受土壤容重、質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、土地耕作利用方式等諸多因素影響[2-4],且空間變異性強[5]。飽和導(dǎo)水率對于土壤是一個常數(shù)[6]，對表征水分的入滲能力，影響水分入滲、徑流產(chǎn)生及蒸散三者之間的分配關(guān)系具有重要作用[7]，是決定水分循環(huán)過程的重要參數(shù)之一[8]。同時，作為研究水分、溶質(zhì)在土壤中運動規(guī)律的重要土壤水文參數(shù)[7]，在土壤水分、溶質(zhì)(鹽分、養(yǎng)分)運移動力學(xué)模擬研究中，也發(fā)揮著重要作用[9]。因此，研究土壤飽和導(dǎo)水率對評價水源涵養(yǎng)、土壤水鹽運移模擬計算、生態(tài)恢復(fù)及土壤水分的有效利用與管理具有重要的意義。

目前對于土壤導(dǎo)水率的研究，多集中于非喀斯特地區(qū)，且研究內(nèi)容多數(shù)集中在測定方法和模型預(yù)測，以及土壤有機質(zhì)、植被覆蓋度、土壤容重、不同土地利用類型等因素對土壤飽和導(dǎo)水率的影響上。而對于喀斯特地區(qū)的不同干擾方式對坡地土壤飽和導(dǎo)水率的影響研究相對較少；而且，對于同一地區(qū)不同巖性背景條件下(石灰?guī)r和白云巖)的喀斯特坡地土壤導(dǎo)水性能的對比研究還幾乎未見報道。

喀斯特山區(qū)坡地多以石質(zhì)或土石質(zhì)坡地為主，土層淺薄，入滲強烈。石質(zhì)或土石質(zhì)喀斯特坡地年均地表徑流系數(shù)低于5%，90%以上的降雨通過土壤和表層巖溶帶入滲到地下，表層巖溶帶的發(fā)育對坡地水分入滲具有重要影響[10]。但喀斯特地區(qū)，地質(zhì)背景復(fù)雜，巖性差異較大，以石灰?guī)r和白云巖為下墊面的喀斯特坡地由于二者礦物組成和風(fēng)化速率上的差異，導(dǎo)致兩類坡地呈現(xiàn)出不同的巖石和土壤組成與結(jié)構(gòu)(巖土組構(gòu))特點[11-12]，進而可能對以石灰?guī)r和白云巖為下墊面的兩類喀斯特坡地土壤入滲過程及其空間變異性產(chǎn)生影響。

為此，本文根據(jù)土地利用類型(林地、灌草地)和人為干擾方式(放牧、未放牧)，分別選擇以石灰?guī)r和白云巖為下墊面的兩類喀斯特坡地開展表層土壤飽和導(dǎo)水率研究。并結(jié)合坡地土壤性質(zhì)，對比分析兩類坡地巖土組構(gòu)特征、土地利用和人為干擾方式對表層土壤飽和導(dǎo)水率及其空間變異性的影響，為揭示喀斯特不同巖性背景坡地土壤水分運移規(guī)律、水土保持措施以及生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省普定縣陳家寨(地理位置為北緯26°20′30″—26°21′37″，東經(jīng)105°48′36″—105°49′12″)和陳旗流域(北緯26°15′36″—26°15′56″，東經(jīng)105°43′30″—105°44′42″)，兩地相距20.5 km。氣候條件相同，多年年均降雨量約為1 300 mm，年平均氣溫為14 ℃。其中，陳家寨所選樣地下墊面均為白云巖，地層為三疊系下統(tǒng)第2段永寧鎮(zhèn)組；陳旗所選樣地下墊面均為石灰?guī)r，地層巖性均為三疊系中統(tǒng)第2段關(guān)嶺組。

研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)活動強烈，人為干擾方式除坡耕地外，主要以放牧為主。根據(jù)植被覆蓋條件和人為干擾方式在陳家寨白云巖坡地選擇了白云巖柏樹林—灌叢地和白云巖放牧灌草地兩類樣地。其中，柏樹林—灌叢地正處于封山育林恢復(fù)期，主要植被為柏樹林和低矮灌叢，人為活動干擾程度較?。话自茙r放牧灌草地人為干擾嚴(yán)重，樣地內(nèi)有稀疏灌叢分布，以灌草為主，是陳家寨主要放牧地點之一。陳旗流域選擇樣地為石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林地和石灰?guī)r放牧灌草地。其中，常綠落葉闊葉混交林人為干擾程度小，已封山育林近20 a，植被覆蓋好；石灰?guī)r放牧灌草地人為活動強烈，放牧現(xiàn)象嚴(yán)重，巖石裸露較多(基巖裸露率>50%)，植被覆蓋條件差，主要為稀疏灌叢和草本植物。

1.2　研究方法

1.2.1樣地設(shè)置及采樣方法根據(jù)地層巖性、植被覆蓋條件和人為干擾方式，分別在陳家寨白云巖區(qū)域和陳旗石灰?guī)r區(qū)域內(nèi)各選擇2個坡地作為研究樣地。陳家寨2個樣地分別為柏樹林—灌叢地和白云巖放牧灌草地，每個樣地內(nèi)設(shè)置1個10 m×10 m的樣方；陳旗2個樣地分別為常綠落葉闊葉混交林和石灰?guī)r放牧灌草地，其中常綠落葉闊葉混交林樣地內(nèi)設(shè)置4個10 m×10 m的樣方，石灰?guī)r放牧灌草地設(shè)置2個10 m×10 m的樣方。白云巖坡地土面平整且連續(xù)分布，生境類型較單一，全部歸為土面，樣點選擇采用S型法則；陳旗小流域樣地內(nèi)生境條件復(fù)雜，存在土面、土石面、石溝和石縫等小生境，采樣點主要選擇所占面積權(quán)重比例較大的土面、土石面和石縫3類小生境對其表層土壤樣品采集并開展入滲試驗。土壤樣品采集點位于土壤飽和導(dǎo)水率試驗點周邊表層土壤(0—15 cm)，采樣深度與飽和導(dǎo)水率試驗土層深度一致。

1.2.2土壤性質(zhì)測定土壤容重測定采用環(huán)刀法[13]。土壤比重采用比重瓶法[14]。土壤孔隙度結(jié)果由孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100計算得到。土壤有機質(zhì)含量測定采用TOC法，利用元素分析儀測定土壤樣品的TOC值，再用TOC值乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)(總有機碳與有機質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)1.724)得到土樣有機質(zhì)含量[15]。土壤粒度分析采用英國馬爾文公司Mastersize 2000型激光粒度儀測定[16]，土壤粒度分級采用國際制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3土壤飽和導(dǎo)水率測定土壤飽和導(dǎo)水率試驗采用美國Guelph土壤入滲儀。通過2次測定水頭高度分別為H1=5 cm，H2=10 cm的入滲率來計算土壤的飽和導(dǎo)水率Ks值[17]。計算公式為：

Ks=0.004 1×X×R2-0.005 4×X×R1

(1)

Ks=0.004 1×Y×R2-0.005 4×Y×R1

(2)

式中：R1——土壤入滲儀水頭(cm)；H1=5 cm的水頭下降穩(wěn)定速率；R2——土壤入滲儀水頭(cm)；H2=10 cm的水頭下降穩(wěn)定速率；X=35.22，應(yīng)用外層蓄水罐時的計算參數(shù)；Y=2.16，應(yīng)用內(nèi)層蓄水罐時的計算參數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1　石灰?guī)r與白云巖坡地土壤特征

以石灰?guī)r和白云巖為下墊面的兩類坡地土壤性質(zhì)存在較大差異，表1為各樣地表層土壤基本性質(zhì)。

以石灰?guī)r為下墊面的坡地土壤肥沃，具有較高的有機質(zhì)含量、孔隙度以及較好的土壤結(jié)構(gòu)。土壤有機質(zhì)變化范圍為7.3%～12.0%，容重變化范圍為0.8～1.0 g/cm3，孔隙度變化范圍為57.3%～65.9%，黏粒含量變化范圍為11.4%～16.3%。相比下墊面為石灰?guī)r的坡地土壤，白云巖坡地土壤，有機質(zhì)含量較低(7.1%～10.7%)，土壤容重較大(1.0～1.1 g/cm3)，孔隙度較低(57.1%～62.5%)，砂粒含量較高(29.2%～33.1%)。表明兩類坡地土壤性質(zhì)總體上受控于風(fēng)化成土過程，土壤與下伏基巖具有明顯的繼承關(guān)系[18]，是碳酸鹽巖中酸不溶物原地風(fēng)化殘積的產(chǎn)物[19]。由于石灰?guī)r中方解石礦物顆粒結(jié)構(gòu)致密,粒間孔隙度小,溶蝕速率大；而白云巖主要礦物白云石晶間孔隙分布較均勻,溶蝕作用以擴散為主，溶蝕速率較低[20](為石灰?guī)r的1/30～1/60)。因此，風(fēng)化成土過程中，白云巖坡地土壤砂粒含量普遍明顯高于石灰?guī)r坡地土壤，土壤熟化程度差。

表1　不同樣地表層土壤理化性質(zhì)

另外，土地利用方式的改變對兩類坡地土壤性質(zhì)具有較大影響。由林地轉(zhuǎn)變?yōu)榉拍凉嗖莸睾?，兩類石灰?guī)r和白云巖坡地表層土壤容重分別增大了22.9%和12.2%，黏粒含量分別大增了43.6%和12.7%，有機質(zhì)含量分別減少了39.2%和33.5%，孔隙度分別減少了13.1%和8.6%。長期放牧的影響，動物踩踏作用強烈，導(dǎo)致坡地植被遭受破壞，植被覆蓋度降低，凋落物減少。

同時，坡地表層土壤性質(zhì)也隨之發(fā)生變化,坡地土壤退化，土壤有機質(zhì)含量降低，表層土壤總孔隙度減少,容重增大。另外，隨著植被覆蓋度的減少，陽光直接照射到地表，凈輻射或凈有效能減少，導(dǎo)致晝夜溫差大，土體板結(jié)，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，緊實度增強[21]。

此外，在非喀斯特地區(qū)，放牧導(dǎo)致了水蝕作用增強，細顆粒物質(zhì)流失，坡地土壤易砂化[22]。但在喀斯特地區(qū)坡地土壤流失量低，細顆粒物質(zhì)發(fā)生局部搬運，可能填入土壤孔隙，導(dǎo)致黏粒含量增加。因此，兩類喀斯特坡地由林地轉(zhuǎn)變?yōu)榉拍凉嗖莸睾?，表層土壤均呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，容重和黏粒含量增加、孔隙度和有機質(zhì)含量減小。

2.2　石灰?guī)r與白云巖坡地土壤飽和導(dǎo)水率

不同巖性和土地利用方式導(dǎo)致喀斯特坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)較大差異(表2)。

表2　石灰?guī)r與白云巖坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率

由于喀斯特坡地表層巖溶帶的發(fā)育，總體上，覆蓋于表層巖溶帶上方的兩類坡地土壤飽和導(dǎo)水率均較高，變化范圍分別為157.3～328.6和34.1～257.2 mm/h(表2)。但兩類坡地不同的巖土組構(gòu)特征，也導(dǎo)致了兩類坡地土壤飽和導(dǎo)水率存在差異。白云巖礦物孔隙分布較均勻,在構(gòu)造應(yīng)力作用下,表層巖溶帶易產(chǎn)生均勻且密集的裂隙,裂隙張開度小，溶蝕作用形成類似海綿狀的微溶孔，成為地下水良好的存儲和運移空間。同時，土壤中由于含有較高砂粒和碎石含量(表1)，也有利于土壤水分入滲[23]。而石灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密,粒間孔隙度小,溶蝕作用過程中，受到各種構(gòu)造應(yīng)力作用易產(chǎn)生不均勻分布的張性節(jié)理裂隙，裂隙的開度較大，降雨主要通過土壤與巖石突變接觸的巖土界面向地下運移[24]。因此，石灰?guī)r坡地土壤飽和導(dǎo)水率高于白云巖坡地。

從空間變異性來看，兩類坡地對應(yīng)土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)差別較大，石灰?guī)r坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異性要顯著高于白云巖坡地(表2)。石灰?guī)r土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)變化范圍是90.7%～95.6%，白云巖土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)變化范圍是59.6%～67.4%。由于兩類坡地巖土組構(gòu)特征差異，石灰?guī)r坡地土壤被出露基巖分割，導(dǎo)致地表呈現(xiàn)不同類型的地塊(如厚層土面覆蓋，薄層土面覆蓋，土壤充填溶蝕裂隙等)與出露基巖呈斑塊狀分布特點，異質(zhì)性強。而白云巖坡地受整體風(fēng)化作用影響，風(fēng)化殼剖面往往具有統(tǒng)一的基底，土壤相對連續(xù)均勻的分布在地表，因此巖土組構(gòu)特點相對石灰?guī)r坡地單一，土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)較小。

2.3　土地利用方式對土壤飽和導(dǎo)水率影響

在林地自然植被條件下，石灰?guī)r和白云巖坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率高，Ks平均值分別為328.6和257.2 mm/h(表2)。已有研究表明，森林土壤飽和導(dǎo)水率普遍高于灌草地，在林地條件下，隨著植被覆蓋度增加，土壤入滲率呈冪函數(shù)增大[25]。與之相似，良好的喀斯特森林植被覆蓋條件，在維持土壤結(jié)構(gòu)和水文功能上發(fā)揮著重要的作用。森林植被特別是林地枯落物的分解，可以提高土壤有機質(zhì)的含量，調(diào)控土壤微環(huán)境，增加土壤動物和微生物的活動，產(chǎn)生團聚體[26]，從而改善土壤的孔隙狀況,提高土壤水分的滲透速度。同時，森林植被根系網(wǎng)絡(luò)發(fā)育廣泛，土壤動物活動性強，都有利于土壤大孔隙的形成，增強入滲。因此，在林地自然植被條件下，兩類坡地土壤均具有較高的土壤飽和導(dǎo)水率。

在放牧干擾方式影響下，兩類坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率均顯著降低(圖1)。白云巖和石灰?guī)r土壤飽和導(dǎo)水率平均值分別為34.1和157.3 mm/h(表2),但白云巖坡地飽和導(dǎo)水率下降程度明顯高于石灰?guī)r坡地,降幅分別為86.7%和52.1%。造成差異的原因可能與兩類坡地的巖土組構(gòu)特征有關(guān)。石灰?guī)r坡地土壤分布不連續(xù)，受到出露基巖的分割，易形成土面、土石面、石溝石縫等土體斑塊。在某些易受放牧影響的地塊(如土面、土石面)，受踩踏作用和降雨濺蝕作用影響，土壤退化嚴(yán)重，土體板結(jié)，土壤飽和導(dǎo)水率顯著降低；而在某些地塊(如石溝和石縫)，仍有較好的植被覆蓋，降雨或徑流仍可通過垂向發(fā)育的巖—土界面向垂向方向運移，進入表層巖溶帶，因此，在石灰?guī)r放牧坡地，此類地塊的飽和導(dǎo)水率仍能維持在較高水平[24]。相反，白云巖坡地由于土壤較為均勻地分布于地表，在放牧踩踏和降雨濺蝕作用影響下，坡地表層土壤整體受到影響，表層土壤團聚體破壞，容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質(zhì)含量減小，飽和導(dǎo)水率降低。此外，已有研究表明，表層碎石嵌入土壤，將導(dǎo)致土壤孔隙堵塞，減少土壤水分入滲[27]。白云巖坡地地表分布大量碎石，在踩踏作用下，大量碎石嵌入表層土壤，亦會對降低白云巖坡地土壤飽和導(dǎo)水率起到一定的作用。

注：HCLL.石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林； HFG.石灰?guī)r放牧灌草地； BSL.白云巖柏樹林—灌叢地； BFG.白云巖放牧灌草地。

圖1石灰?guī)r與白云巖坡地土壤飽和導(dǎo)水率對比

3結(jié) 論

(1) 以石灰?guī)r和白云巖為下墊面的兩類坡地土壤性質(zhì)存在較大差異。相對白云巖土壤，石灰?guī)r土壤具有較高的有機質(zhì)含量、孔隙度以及較好的土壤結(jié)構(gòu)，而白云巖土壤養(yǎng)分含量低，砂粒含量較高。當(dāng)土地利用方式由林地轉(zhuǎn)變?yōu)榉拍凉嗖莸睾?，兩類坡地表層土壤均呈現(xiàn)容重、黏粒含量增大，孔隙度、有機質(zhì)含量降低的特點。

(2) 由于喀斯特坡地表層巖溶帶的廣泛發(fā)育，兩類巖性的坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率在自然植被條件下均很高，分別為328.6和257.2 mm/h。受到巖土組構(gòu)影響，兩類坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)呈現(xiàn)較大差異。石灰?guī)r坡地相比白云巖坡地，其Ks具有更高的空間變異性。

(3) 當(dāng)土地利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉拍粮蓴_方式后，兩類坡地表層土壤飽和導(dǎo)水率均呈現(xiàn)顯著降低趨勢。白云巖坡地土壤飽和導(dǎo)水率下降程度明顯高于石灰?guī)r坡地,降幅分別為86.7%和52.1%。

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Comparative Study on Saturated Hydraulic Conductivity of

Limestone and Dolomite Slope

MENG Fande1,2,3, PENG Tao1,2, WANG Shijie1,2, CAI Xianli1,2, ZHANG Lin1,2

(1.TheStateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,

ChineseAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550002,China; 2.PudingKarstEcosystemResearch

Station,Puding,Guizhou562100,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To analyze the influence of land use and lithology on soil properties and saturated hydraulic conductivities (Kspan).[Methods] The surface soil from limestone and dolomite slopes in karst region was took as the study objective, and Guelph parameter and soil laboratory analysis were used.[Results] (1) Under over grazing condition, soil bulk density and clay content increased and porosity and organic matter content decreased significantly on both of limestone and dolomite slopes. (2) Under undistured land use condition, Kspanof limestone and dolomite soil was very high, the average value was 328.6 mm/h and 257.2 mm/h respectively. Compared to dolomite slope, the spatial distribution of Kspanon limestone slope was more heterogeneities that coefficients of variations (Cspan%), which changed between 90.71% and 95.62%. (3) Under the influence of over grazing, the Kspanof limestone and dolomite soil decreased by 52.2% and 86.7% respectively, significantly lower than average values.

Keywords:limestone; dolomite; karst; saturated hydraulic conductivity; soil

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0085-05

中圖分類號：S152.7

通信作者：王世杰(1965—),男(漢族),貴州省貴陽市人，博士，研究員，主要從事環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail:wangshijie@vip.skleg.cn。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-03-14

資助項目：國家重大科學(xué)研究計劃“基于水—巖—土—氣—生相互作用的喀斯特地區(qū)碳循環(huán)模式及調(diào)控機理”(2013CB956700); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項重大課題“典型石漠化地區(qū)植被恢復(fù)和增匯技術(shù)的試驗示范”(XDA05070400)； 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目(40721002)； 中國科學(xué)院“西部之光”西部博士項目； 貴州省科學(xué)技術(shù)資助項目(20132292)

第一作者：孟凡德(1988—),男(漢族),山東省臨沂市人，碩士研究生,研究方向為環(huán)境地球化學(xué)。E-mail:mfd5566@sina.com。