岩溶洼地小流域泥沙来源地土壤有机质、粒度和磁化率特征及影响因素分析

雷 珊，魏兴萍,2*

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331)

【研究意义】中国西南岩溶地区是我国主要的生态环境脆弱区之一，与黄土高原一样，该地区的水土流失问题十分严重，威胁着长江、珠江水系的防洪和水土资源的保护[1]。岩溶洼地小流域是岩溶地区相对独立的侵蚀产沙单元，具有地表、地下双层空间的“二元结构”，在研究土壤侵蚀过程中发挥着重要的作用，因此人们对于岩溶洼地的研究从未停歇。磁化率作为磁学性质的一项重要指标，磁化率值与成壤强度有着明显的正相关关系[2]。粒度主要反映形成时期的物源、物质搬运的能力以及气候因素[3]。土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，尽管只占土壤总重量的很小一部分，但对于土壤生产力和土地可持续利用及环境保护等方面有着重要作用和意义[4]。随着土壤细颗粒的损失，有机质也随之流失，土壤结构和团粒的稳定性受到破坏，土壤养分含量及有效性降低，最终使土地生产力进一步下降。【前人研究进展】研究表明，土壤有机质、粒度以及磁化率性质与土壤的诸多理化性质密切相关，它们既能改变土壤的物理性质，影响营养元素的传递和有效吸收，例如磁化率和粒度具有显著的相关性[5-6]，磁化率和有机碳对环境的影响[7]，有机质和粒度的相关性[8]。重庆岩溶地区的水土流失往往伴随着非岩溶地区水土流失，岩溶洼地小流域沉积泥沙主要来自两个侵蚀产沙区即碎屑岩区和碳酸盐岩区[9]。据现场实际走访调查，洼地内主要泥沙来源地可大致分为碳酸盐岩表层土壤、深层土壤和碎屑岩区土壤。由于碳酸盐岩和碎屑岩岩性和成分的差异，意味着成土母质的差异较大，形成的土壤性质差别较大，不同的土壤其对于植被、降雨的反应也有不同的特点，因此其土壤物理性质、养分、磁化率等差异较大。【本研究切入点】通过对重庆岩溶洼地小流域碳酸盐岩区表层土壤、深层土壤和碎屑岩区的土壤有机质、磁化率和粒度的分析，了解有机质、磁化率特征和粒度组分特征，并分析它们之间的相关性特征，进而初步揭示岩溶洼地土壤有机质、磁化率和粒度特征并探究及其环境意义。【拟解决的关键问题】为研究岩溶洼地的水土流失，以及开发和开发提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地点位于重庆市西北部青木关岩溶槽谷区，东经106°16′8"～106°17′2"，北纬29°37′37′′～29°38′2′′。研究区岩溶洼地是一个位于劳动村的封闭洼地。青木关岩溶槽谷区属长江上游亚热带湿润季风气候区，四季分明，气温垂直分布相差较大。区境内大小河流均为山溪性雨洪河流，洪水由暴雨形成，洪水过程直接受暴雨的影响，历时短，峰值大，陡涨陡落。

1.2 样品的采集

样品采集时间为2019年4月，将劳动洼地内的土壤泥沙来源地分为表层土壤(碳酸盐岩坡耕地、林地以及撂荒地)、深层土壤(沟道和裂隙)、碎屑岩区(林地、坡地、泥土路面)坡耕地和林地采取直线布设，以线控制面；坡耕地、林地撂荒地土样采集时首先利用不锈钢铲去掉表土层枯枝落叶，然后使用不锈钢铲轻轻采集 2～5 cm厚土壤表层，放置于编织袋上，去除石块等大块杂质、混匀，四分法取1地装入样品袋，尽量避免破坏土壤的结构。深层土壤选取碳酸盐岩汇水区岩缝裂隙剖面裂隙土以及主要沟道沟壁。根据各源地面积比，研究地共取样41个，表层土壤(碳酸盐岩坡耕地、林地以及撂荒地)共取样19个，坡耕地6个、撂荒地5个，林地8个。深层土壤(沟道和裂隙)共取样11个，沟道5个，裂隙6个。碎屑岩区(林地和坡地)共取样11个林地6个、撂荒地2个、泥土路面3个。对潜在泥沙源地土壤样品进行编号、风干、研磨过2 mm筛，实验分析前过2 mm筛。

1.3 样品的处理与测定

于2019年6月在地理与旅游学院进行土壤粒径，磁化率，粒径处理。土壤粒径采用马尔文激光粒度仪分析，将采集的土样置于实验室内，自然风干，去除小石块、根系及动植物残体等杂质，将风干土样研磨过孔径2 mm筛，用于马尔文激光粒度仪(Mastersizer2000)测试土壤粒径的体积百分比，测试误差为95 %置信度，并以美国制土壤质地分类标准为依据，划分土壤机械组成：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)。土壤磁化率采用BartingtonMS2磁化率仪仪器对土壤样品进行测试，磁化率仪的低频磁化率(0.47 kHz)和高频磁化率(4.7 kHz)进行测试，并计算结果。土壤有机质采用烘箱加热重络酸钾氧化容量法。

图1 洼地地形Fig.1 Topographic map of depression

图2 洼地地质Fig.2 Geological map of depression

本文主要利用Excel2010、OriginPro9.1等软件进行分析绘图，利用SPSS软件进行数据相关性分析，于2019年7月将所获取的实验数据进行结果分析，解释及论证，并撰写成文。

2 结果与分析

2.1 碳酸盐岩区表层土壤、深层土壤和碎屑岩区土壤有机质特征分析

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源[10]，对稳定土壤结构起着重要的作用。

图3 样品采集点分布Fig.3 Sample collection point

根据研究区土壤有机质的测试分析结果(表1) 显示，碳酸盐岩表层土壤有机质含量在10.75～48.08 g/kg，平均值为28.05 g/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级标准，土壤有机质含量处于三级，有机质含量较丰富；深层土壤有机质含量在12.45～46.11 g/kg，平均值为25.46 g/kg，土壤有机质含量处于三级，有机质含量较丰富；碎屑岩区土壤有机质含量在12.44～46.86 g/kg，平均值为28.05 g/kg，土壤有机质含量处于三级，有机质含量较丰富；3种类型的土壤变异系数皆低于0.4，说明有机质在不同泥沙源地间均一性较好。

表1 泥沙来源地有机质含量变化特征

从图4～6可知，在碳酸盐岩表层土壤中，碳酸盐岩坡耕地土壤有机质含量相互之间变化相差较小，且有机质含量相较于林地、撂荒地高，坡耕地平均含量在32.17 g/kg，含量较高；据了解，这跟土样采于春耕之后，耕地普遍施有机肥有关；林地土壤有机质含量相互之间变化差异较大，高低含量之间相差30.07 g/kg，有机质平均含量为24.67 g/kg，土壤有机质不稳定，林地地区植被覆盖率有差异，土壤微生物、枯枝落叶的数量都会影响到林地的有机质含量，且碳酸盐岩地区成土母质酸不溶物含量低，风化成土速率慢，导致碳酸盐岩地区石漠化比较严重，植被覆盖率偏低；撂荒地土壤有机质含量相互之间差异也很大，但是低于林地，高低含量之间相差28.97 g/kg，土壤有机质含量为28.53 g/kg，最大值为48.08 g/kg，有机质含量高；研究表明，撂荒地在撂荒后一段时间后，土壤有机质会出现增高的情况，这与撂荒地植被增加，腐殖质增加，但是撂荒地的撂荒年限不统一，因此有机质流失的情况也不一样，这就造成了有机质含量，在各地之间产生差异性。深层土壤中沟道土有机质相互之间均一性要小于裂隙土，说明沟道土有机质的流失要大于裂隙土。碎屑岩区林地土壤有机质含量相差较大，高低含量之间相差32.42 g/kg，平均值为32.82 g/kg，最大值为46.86 g/kg，撂荒地和泥土路面的有机质含量具有均一性。碎屑岩林地和碳酸盐岩林地有机质含量相比，碎屑岩林地含量>碳酸盐岩林地，这跟碎屑岩区土层厚，土壤成土速率快，植被覆盖率高有关。

图4 表层土壤有机质分布Fig.4 Surface soil organic matter distribution

2.2 碳酸盐岩区表层土壤、深层土壤和碎屑岩区土壤特征分析

土壤粒径组成(PSD)是土壤重要的物理性质之一，决定着土壤质地状况，影响着土壤肥力、持水力等特性以及植被生长状况，对土壤抗蚀性也具有重要影响，但是其颗粒组成成分及其变化，既与其成土母质息息相关，并受自然环境因子影响。因此，深入了解地下裂隙对土壤颗粒组成的影响，能为当地农耕种植提供帮助。

图5 深层土壤有机质分布Fig.5 Deep soil organic matter distribution

从表2可以得出，在表层土壤中碳酸盐岩坡耕地、林地、撂荒地黏粒含量的范围分别是10.69 %～24.1 %、13.66 %～14.97 %、17.2 %～18.58 %，平均值分别为17.03 %、14.32 %、17.94 %；粉粒含量的范围分别是55.78 %～78.17 %、74.72 %～76.7 %、57.21 %～74.51 %,平均值分别为67.16 %、75.71 %、66.32 %；砂粒含量的范围分别是8.7 %～31.62 %、8.33 %～11.62 %、6.91 %～24.74 %，平均值分别为15.81 %、9.97 %、15.74 %。深层土壤中碳酸盐岩沟道、裂隙黏粒含量的范围分别是15.45 %～18.98 %、13.33 %～18.58 %，平均值分别为16.87 %、15.84 %；粉粒含量的范围分别是77.33 %～80.7 %、63.04 %～83.59 %,平均值分别为78.52 %、77.09 %；砂粒含量的范围分别是3.56 %～7.22 %、1.76 %～20.98 %，平均值分别为4.62 %、6.57 %。碎屑岩区中林地、撂荒地、泥土路面的黏粒含量的范围分别是13.17 %～17.7 %、11.02 %～17.39 %、9.88 %～14.73 %，平均值分别为14.80 %、12.25 %、11.80 %；粉粒含量的范围分别是80.39 %～84.27 %、87.52 %～84.16 %、78.88 %～89.29 %,平均值分别为82.3 %、84.16 %、85.82 %；砂粒含量的范围分别是1.67 %～4.56 %、0.91 %～5.97 %、0.21 %～8.87 %，平均值分别为2.9 %、2.59 %、2.38 %。由此可以看出3种泥沙来源的土壤其众数粒级都是粉粒组分含量,其次是黏粒组分,再次是砂砾组分,根据粒度组成三角图图解可知，这3种泥沙来源的土壤都属于粉(砂)壤土质地,说明它们这些土壤还处在发育过程中。总的说来黏粒、粉粒的平均值均大于砂粒，但是砂粒的波动较大说明粉粒、砂粒更容易流失，而导致土壤种砂粒含量出现波动状况。它们都能直接的反映着土壤发育过程中风化成壤作用，使得粒径逐渐减小的趋势,并且粉砂、黏粒的百分含量明显比砂粒级要大得多,土壤在风化成壤快慢程度上存在一定的差异,因此黏粒、粉砂、砂粒粒级的百分含量上体现着它们之间的不同。

图6 碎屑岩区土壤有机质分布Fig.6 Distribution of soil organic matter in clastic rock

表2 泥沙来源地粒度变化特征

在表层土壤中除林地和撂荒地的黏粒标准差在1以下，其他土壤的黏粒、粉粒砂粒都在2以上，根据福克沃德分选系数的标准[11]，它们在一定程度上反应了粗细颗粒分布不均、较为分散，细颗粒流失严重。这3种源地泥沙土壤的变异系数都小于0.5，说明土壤各粒径间的均一性较好。在深层土壤中，各土壤的标准差在2左右，沟道的砂粒和裂隙的粉粒、砂粒标准差都非常大，并且沟道和裂隙的砂粒变率都达到1左右，变率大，说明在深层土壤中，土壤的细颗粒流失严重，土壤粗颗粒变率大。碎屑岩区土壤的标准差基本上都在2左右，变异系数除撂荒地和泥土路面的砂粒比较大，其他的土壤变异系数都低于0.5，说明林地土壤的细颗粒流失要小于撂荒地和泥土路面。

图7 粒度三角图Fig.7 Particle size triangle

2.3 碳酸盐岩区表层土壤、深层土壤和碎屑岩区土壤磁化率特征分析

磁化率值高低大多取决于风积物中磁性物质类型及粒径大小粒度组分，为陆地表面覆盖最普遍的一类沉积特性。地球表面土壤中各组分含量的差异又称为颗粒级配或机械成分，其表示各组分含量在土壤中所占的比例。目前被大多数学者认同的解释是成土作用形成细小的、磁性强的矿物颗粒，从而磁化率增大[12]。

频率磁化率是低频磁化率与高频磁化率数据之差的百分比，指示细粘滞性磁颗粒，细粘滞性磁颗粒只对低频磁化率有贡献。频率磁化率(χfd)能够指示土壤样品中超顺磁颗粒(SP，<0.03 μm)的相对含量[13]。根据已有研究成果，当χfd﹤2 %时，表明土壤样品中基本不含超顺磁颗粒；当χfd在2 %～10 %，表明土壤样品中含有一定量的超顺磁颗粒，但超顺磁颗粒不是土壤中磁性矿物的主要组成成分，且χfd等于 5 %时，可以作为判定土壤样品中是否存在超顺磁颗粒的临界值；当χfd﹥10 %时，表明土壤样品中含有大量的超顺磁颗粒[14-15]。由于超顺磁颗粒主要产生于风化成土过程中，因此，研究区土壤中含有较多超顺磁颗粒，表明土壤成土发育较好。

样品测定结果显示(表3)，碳酸盐岩区表层土壤中坡耕地、林地、撂荒地的土壤χlf的变化范围为6.67 ～167.46×10-8、5.94～150.10×10-8、45.45 ～154.01×10-8m3/kg，均值分别为106.01×10-8、67.64×10-8、93.63×10-8m3/kg，变化幅度较大；坡耕地、林地、撂荒地的土壤的变化范围为5.59 %～9.02 %、4.62 %～10 %、6.58 %～10.04 %，平均值为7.81 %、7.49 %、8.79 %，χfd>5 %，说明在表层土壤中，含有较多的超顺磁颗粒。在碳酸盐岩区深层土壤中沟道和裂隙的土壤χlf的变化范围为14.96～106.03×10-8、7.68～23.32×10-8m3/kg，均值分别为44.46×10-8、14.33×10-8m3/kg，变化幅度较大；坡耕地、林地、撂荒地的土壤的变化范围为4.77 %～10.03 %、1.96 %～13.38 %，平均值为7.77 %、6.88 %，χfd>5 %，说明在表层土壤中，含有较多的超顺磁颗粒。在碎屑岩区林地、撂荒地、泥土路面的土壤χlf的变化范围为6.92 ～108.37×10-8、25.81～87.55×10-8、9.69～35.15×10-8m3/kg，均值分别为34.62×10-8、56.68×10-8、18.44×10-8m3/kg，变化幅度较大；碎屑岩区林地、撂荒地、泥土路面的土壤χlf的变化范围为2.55 %～8.18 %、6.09 %～6.61 %、3.35 %～7.98 %，平均值为5.43 %、6.35 %、5.38 %，χfd>5 %，说明在表层土壤中，含有较多的超顺磁颗粒。

表3 泥沙来源地磁化率变化特征

表4 表层土壤各参数相关性

表5 深层土壤各参数相关性

表6 碎屑岩区土壤各参数相关性

2.4 不同泥沙来源地土壤有机质、粒度和磁化率相关性分析

为了准确地描述土壤粒径及有机质不同土层之间及其相互之间的相关程度，利用 SPSS 统计分析中的相关分析对其进行分析，相关系数的绝对值越大，表明其相关性越显著。从表4～6可以看出，碳酸盐岩区表层土壤中有机质与磁化率和粒径都存在显著相关性。有机质与黏粒、砂粒之间形成较显著的负相关，与粉粒形成显著正相关，质量磁化率与黏粒和砂粒形成显著负相关与砂粒形成显著正相关；磁化率与粉粒的相关性最大，究其原因可能与母岩本身的矿物含量、矿物类型以及人为因素；在深层土壤中有机质与黏粒和砂粒呈显著负相关，与粉粒出现正相关，质量磁化率与砂粒呈现显著负相关，与黏粒和粉粒出现显著正相关，并达到最大值；在碎屑岩区，有机质与黏粒和砂粒呈现显著负相关，与粉粒呈现正相关并达到最大值。这与表层土壤的研究结果一致。

3 结 论

本文通过研究岩溶洼地小流域不同泥沙来源地的土壤有机质、粒度和磁化率的特征及相关性，得出以下结论。

(1)岩溶洼地泥沙来源中土壤的有机质含量较高，平均值为28.05、25.46、28.05 g/kg，变异系数处于低至中等变异、土壤的均一性较好。表层土壤中坡耕地有机质>撂荒地>林地，碎屑岩区土壤有机质林地>撂荒地>泥土路面，碎屑岩林地和碳酸盐岩林地有机质含量相比，碎屑岩林地含量>碳酸盐岩林地。

(2)岩溶洼地3种泥沙来源的土壤其众数粒级都是粉粒组分含量，其次是黏粒组分,再次是砂砾组分，根据粒度组成三角图图解可知，这3种泥沙来源的土壤都属于粉(砂)壤土质地，说明它们这些土壤还处在发育过程中。在表层土壤中除林地和撂荒地的黏粒标准差在，其他土壤的黏粒、粉粒砂粒都在2以上，根据福克沃德分选系数的标准，它们在一定程度上反应了粗细颗粒分布不均、较为分散，细颗粒流失严重等问题。

(3)表层土壤质量磁化率的变化范围在5.94×10-8～167.46×10-8m3/kg，频率磁化率变化范围为4.62 %～10.04 %；深层土壤质量磁化率的变化范围在7.68×10-8～106.03×10-8m3/kg，频率磁化率的变化范围为1.96 %～13.38 %；碎屑岩区质量磁化率的变化范围在6.92×10-8～108.37×10-8m3/kg，频率磁化率的变化范围为变化幅度大2.55 %～8.18 %，土壤中普遍含有较多的超顺磁颗粒。

(4)表层土壤、和碎屑岩区土壤有机质、磁化率和黏粒、砂粒呈负相关，与粉粒呈正相关并达到最大值。在深层土壤中土壤有机质与黏粒不相关，与粉粒正相关、与砂粒负相关，而磁化率与黏粒砂粒呈负相关，与粉粒呈正相关。