西南喀斯特地区小流域磁化率分布特征研究

赵恬茵

(黔南民族师范学院，贵州 都匀 558000)

1 引言

土壤磁性是土壤重要的物化性质，记录了土壤环境信息。磁化率作为最常用的磁性参数之一[1～5]，在环境科学研究中被广泛应用[2～4]，其不仅可以作为土壤发生分类的指标，也可用于指示土壤环境变化，确定河流泥沙来源，研究土壤侵蚀发展等[5～11]。邓成龙等通过研究北方黄土发现磁化率可以作为指示成土作用强弱和古气候变化的指标[6]；Hay及Denting等采用磁化率指示人类活动对土壤造成的污染[7,8]；磁化率还可以用于指示土壤重金属污染[9,10]；大量研究表明即使在小流域尺度内土壤物化性质也存在巨大的空间变异[1～3]。磁化率的空间分布研究可以在土壤调查制图、母质判别及土壤侵蚀强度分布等多方面发挥作用。近年来，国内外学者更侧重于通过研究黄土剖面磁化率及大尺度范围内磁化率变化特征，探讨土壤磁化率与土壤环境变化的关系，而土壤磁化率的空间分布特征及其与土地利用的关系等方面的研究相对较少。研究小流域尺度内土壤磁化率的空间分布特征及不同土地利用方式下的土壤磁化率分布状况，可以为研究流域内泥沙来源、土壤侵蚀发展、土壤污染状况、土地利用方式的优化等提供科学的理论依据。本文通过研究岩溶区小流域尺度土壤磁化率的分布特征，探讨不同土地利用方式对磁化率的影响，分析小流域尺度内磁化率分布特征在泥沙来源研究中的意义。

2 研究方法

2.1 研究区概况

以贵州省普定县陈旗小流域为研究区。陈旗小流域是西南典型喀斯特的代表区，属潮湿气候，年均降水量1300 mm，年平均气温15 ℃。研究区土地利用方式为农耕地、林地和荒草地。农耕地地面人为扰动较大。

2.2 土壤样品的采集

采用手持GPS定位仪记录各样点地理坐标，按流域内研究区所有土地利用类型(农耕地、荒草地和林地)和地貌类型(岩溶洞穴和岩溶裂隙沟壁)布点采样。样点布设覆盖全流域，共采集110 个土壤样，其中农耕地土壤样品30 个、林地土壤样品24 个、草地样品20 个、岩溶洞穴土壤样品14 个、岩溶裂隙土壤样品22 个。土样置于室内自然风干。称重后，碾磨，过1 mm尼龙筛后，与磁化率仪同处放置。全程采用Bartington MS2 型磁化率仪测定土壤高频质量磁化率(Xhf)和低频质量磁化率(Xlf)。土壤样品样磁化率的计算公式如下：

(1)

式(1)中：X为土壤样品质量磁化率，10-8m3/kg(SI单位)；X0为测定体积磁化率，无量纲；X1为本底值，无量纲；m为测量样品的质量，kg。

利用样品的低频和高频质量磁化率得出样品的频率磁化率，计算公式如下：

Xfd=(1-Xhf/Xlf)×100

(2)

式(2)中：Xfd为频率磁化率，%；Xhf为高频质量磁化率，10-8m3/kg(SI单位)；Xlf为低频质量磁化率，10-8m3/kg(SI单位)。

3 结果与分析

3.1 相同土地利用方式下土壤磁化率的分布

研究区磁化率值在最小值12.10×10-8m3/kg和最大值113.20×10-8m3/kg范围内变动，平均值为56.37×10-8m3/kg。对照变异系数的划分等级[11]，研究区不同土地类型土壤磁化率变异系数在0.2～0.7 之间变化，均属于中等变异强度。这说明研究区内同种土地利用方式下土壤表层磁化率及频率磁化率变化幅度相对较小。Xif及Xfd的变异系数均是岩溶洞穴的最大，分别为0.61 和0.57。农耕地、林地、荒草地、岩溶裂隙的Xif变异系数为：农耕地最小接近林地，岩溶裂隙最大，荒草地次之；Xfd的为林地的最小，农耕地最大，荒草地与岩溶裂隙次之(表1)。

表1 土壤磁化率统计特征值

3.2 不同土地类型土壤磁化率与频率磁化率的比较

磁化率是用来表示物质的磁性强弱的，而影响物质磁性的主要因素是物质中磁性矿物的含量和种类[12,13]。土壤Xif一般小于100×10-8m3/kg，土壤剖面中最高的Xif不超过400×10-8m3/kg。频率磁化率主要用来鉴定物质中超顺磁物质。只有在物质的风化成土过程中，通过化学生物过程，才会将大的晶粒转化为超顺磁物质。一般当物质频率磁化率值为5%左右时，说明超顺磁物质较多，当大于10%时，已相当可观[14]。Fine[14]在研究中国土壤磁性中认为Xfd<5%基本不存在SP磁性颗粒，Xfd>10%表明有相当数量的SP颗粒。此外，有人将高Xfd表层的缺失作为土壤侵蚀的依据。由表1可知：小流域内Xif、Xfd在正常范围内，但整体偏小，均值分别为：56.37×10-8m3/kg、6.40×10-8m3/kg；在不同土地类型的变化趋势：Xif为农耕地>林地>荒草地>岩溶裂隙>岩溶洞穴；Xfd为林地>农耕地>岩溶裂隙>荒草地>岩溶洞穴。除岩溶洞穴外，研究区的Xfd均大于5%。表明研究区表土土壤风化成土作用较好。

就农耕地、林地、荒草地而言，土地利用方式、利用年限及人类活动强度在三者之间存在很大差别：研究区内林地为多为灌木林，存在少量经济林，只用非定期地在树下等局部地区施肥，不用频繁翻地，且灌溉频度于灌溉量均远小与农耕地；农耕地一年四季种植的作物不同，且受到长期耕作、大面积施肥、频繁灌溉等人为因素影响；荒草地大多为退耕的农耕地而沟坡鲜有耕作历史。农业耕作过程一般是采用铁制农具，这可能对农耕地和林地磁化率值会有较大影响。综上，3 种土地类型人类活动强度大小关系为：农耕地>林地和荒草地，与3 种土地类型的Xif的大小关系一致。这说明人类农业活动(施肥、灌溉、翻耕频度)可能会增加土壤磁化率，且活动强度与影响程度呈正相关。

表2显示：除岩溶洞穴外的Xif、Xfd在不同土地类型间均呈显著差异外。对于Xif：农耕地与荒草地、沟坡呈显著差异，果园与沟坡呈显著差异；果园与农耕地和荒草地不呈显著差异，沟坡和荒草地不呈显著差异；对于Xfd仅农耕地与荒草地、果园呈显著差异。这一结果说明：小流域尺度内不同土地类型间土壤磁化率存在分布差异；研究区磁化率对土地利用类型的响应可能比频率磁化率更为敏感。

表2 Xif和Xfd非参数Mann-Whitney U检验

对磁化率而言，荒草地与农耕地差异显著，而与林地无显著差异；农耕地与林地差异不显著。也就是说农耕地这一土地利用方式对土壤Xif的影响明显区别于荒草地，而林地对土壤Xfd的影响与荒草地不存在显著差异。若将林地与农耕地两种土地利用方式对土壤Xif的影响进行比较，则差异不显著。即，林地对土壤Xif的影响介于荒草地与农耕地之间。荒草地土壤Xif受人类活动影响较小，因此，可将荒草地Xif作为该研究区土壤磁化率标准，比较农耕地与林地2种土地利用类型对土壤Xif的影响，则农耕地与林地两种土地利用方式都对土壤磁化率均有增加作用，且农耕地的作用要大于林地。

4 结论

(1)研究区相同土地利用方式和地貌类型土壤磁化率与频率磁化率均差异不大。

(2)不同土地利用方式和不同地貌类型间土壤磁化率存在显著差异。

(3)分析得出：农耕地这一土地利用方式对土壤磁化率增加的作用大于林地土地利用方式。