引用本文
陈伟志, 张亚, 李静婷, 巴永, 潘家荣. 川滇干热河谷区土壤容重空间变异特征——以滇中楚雄地区为例[J].中国地质调查, 2024,11(2): 62-71.
CHEN Weizhi, ZHANG Ya, LI Jingting, BA Yong, PAN Jiarong. Spatial variability characteristics of the soil bulk density in the dry hot valley of Sichuan-Yunnan region: Taking Chuxiong area in Central Yunnan as an example[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 62-71.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.08
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川滇干热河谷区土壤容重空间变异特征——以滇中楚雄地区为例
陈伟志1, 张亚1,*, 李静婷2, 巴永1, 潘家荣1,3
1.中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心,自然资源部自然生态系统碳汇工程技术创新中心,中国地质学会西南山地生态地质演化与保护修复创新基地,云南 昆明 650100
2.昆明冶金高等专科学校 云南 昆明 650033
3.中国地质大学 湖北 武汉 430074
通信作者简介: 张亚(1987—),男,高级工程师,主要从事土地质量地球化学调查与评价方面的研究工作。Email: 176500023@qq.com。

第一作者简介: 陈伟志(1991—),男,工程师,主要从事土地质量地球化学调查与评价工作。Email: cwz_email@163.com。

收稿日期: 2022-02-22 修订日期: 2022-06-20
基金资助: 中国地质调查局“珠江源黑色岩系风化区地表基质调查(编号: DD20242036)”和“滇西北高寒草甸区生态修复综合调查(编号: DD20230482)”项目联合资助
摘要

土壤容重是土壤最重要的物理性质之一,是植被恢复、生态修复和估算土壤有机碳储量的重要参数。滇中楚雄州北部特殊的地理位置和独特的地形地貌特征组合形成了典型的干热河谷气候和非干热河谷气候,为探讨土壤容重变化影响因素提供了极好的自然条件。通过系统实测土壤容重,采用统计学方法拟合容重传递函数,探讨了研究区内土壤容重特征和空间分布规律。结果显示: 研究区干热河谷区土壤容重高,果园对土壤容重影响深度最大,燥红土容重最高,容重传递函数中有机碳贡献最大。研究结果可为干热河谷区生态保护修复、土壤碳储量估算提供基础数据和理论支撑。

关键词: 土壤容重; 干热河谷; 成土母质; 土壤结构; 土壤类型; 土壤深度
中图分类号:P681.7 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)02-0062-10
Spatial variability characteristics of the soil bulk density in the dry hot valley of Sichuan-Yunnan region: Taking Chuxiong area in Central Yunnan as an example
CHEN Weizhi1, ZHANG Ya1, LI Jingting2, BA Yong1, PAN Jiarong1,3
1. Kunming Natural Resources Comprehensive Survey Center, China Geological Survey; Technology Innovation Center for Natural Carbon Sink, Ministry of Natural Resources; Innovation Base for Eco-geological Evolution, Protection and Restoration of Southwest Mountainous Areas, Geological Society of China, Yunnan Kunming 650100, China
2. Kunming Metallurgy College, Yunnan Kunming 650033, China
3. China University of Geosciences, Hubei Wuhan 430074, China
Abstract

Soil bulk density is one of the most important properties of soil, and it is an important parameter for vegetation restoration, ecological restoration and estimation of soil organic carbon storage. The typical dry hot valley climate and non-dry hot valley climate formed for the special geographical location and the unique combination of topography and geomorphology in the northern Chuxiong area of Central Yunnan, providing an excellent natural condition for influencing factors investigation of soil bulk density. The soil bulk density characteristics and spatial distribution were investigated by systematical field measurement and bulk-density transfer function using geostatistics methods. The result show that the soil bulk density in the dry hot valley was high, and the orchard had the greatest influence on the soil bulk density. And the dry laterite had the highest bulk density and contribution of organic carbon in the bulk-density transfer function was the largest. This research could provide some basic data and theoretical support for the ecological protection and restoration, and the estimation of soil carbon storage in the dry hot valley.

Keyword: soil bulk density; dry hot valley; soil forming parent material; soil structure; soil type; soil depth
0 引言

土壤容重是土壤最重要的物理性质之一[1], 在土壤物理、化学和植物学特性中发挥着极其重要作用[2], 其变化会对植物生长、农作物产量和全球大气CO2浓度产生重要影响[3]。土壤容重是单位容积自然状态下土壤(包括土壤空隙的体积)的烘干质量, 单位为g/cm3, 是土壤紧实度的一个指标, 影响土壤的空隙状况、透气性、储水空间、持水能力、入渗性、土壤侵蚀、溶质迁移和养分运输等[4], 最终直接影响到植物的生长发育。土壤容重反应土壤生产力水平, 是植被恢复和生态修复的重要参数[5]。滇中楚雄地区具备典型的干热河谷和非干热河谷气候环境: 干热河谷区水热平衡失调, 土壤严重退化, 水土流失严重, 生态环境脆弱[6]; 非干热河谷气候干湿交替频率高[7], 地形高差大、山坡陡长, 生态环境退化会导致山洪、泥石流等地质灾害。由于野外测定土壤容重费时费力, 研究区土壤容重数据较少。本研究在滇中楚雄地区内的武定县、元谋县、永仁县、牟定县4县实测56个垂向深度为200 cm的土壤剖面, 采集658个土壤容重数据, 采用统计学方法拟合土壤容重传递函数, 并通过对区内土壤容重空间变异特征研究, 探寻其影响因素及其变化规律, 旨在为干热河谷区土壤保持和植被恢复、金沙江流域生态保护提供理论支撑, 同时为准确估算区域内土壤碳贮量提供基础数据支撑。

1 研究区与研究方法
1.1 研究区概况

研究区属于川滇干热河谷土壤保持功能区, 位于云贵高原西部、云南省滇中高原北部。区内干热河谷区分布在金沙江沿岸和元谋县山间盆地, 海拔885~1 400 m(局部最高海拔达 1 600 m), 具有高温、低湿的气候特征。非干热河谷区分布在研究区西北部、西南部、东部的永仁、牟定、武定3县, 海拔2 000~2 928 m, 较干热河谷区温度显著降低, 湿度显著升高。其中研究区东部的武定县降水丰沛, 而西北部的永仁县雨量偏少[8]。研究区包含地带性土壤有棕壤、黄棕壤、红壤, 非地带性土壤有紫色土、水稻土、燥红土、石灰土, 共7个土类(图1)[9]。各类用地分布零散, 土地利用现状复杂, 主要有林地、草地、旱地、水田、果园[10, 11]。

图1 研究区土壤类型图[9]Fig.1 Soil type of the study area[9]

研究区地层除缺失下志留统、石炭系、二叠系外, 出露较为齐全, 研究区构造主要有元谋— 绿汁江断裂带和罗茨— 易门断裂带, 分别近SN向和NE向展布, 均为逆冲构造。岩浆岩有二长花岗岩岩体和辉绿岩与辉长岩岩脉、岩株[12]。

研究区成土母质主要有前寒武纪— 泥盆纪泥岩类风化物、前寒武纪— 泥盆纪碳酸盐类风化物、三叠纪砂岩类风化物、侏罗纪— 白垩纪泥岩类风化物、第三纪砂砾岩风化物、第四纪冲洪积风化物、花岗岩类风化物、辉绿岩类风化物[11]。

1.2 采样与测定方法

综合考虑研究区土壤类型的分布特点、土地利用现状和样品代表性方面进行土壤容重垂向剖面测定。每类土壤测定了2~12个垂向剖面, 按照耕地、林地、草地、果园等分布面积大小, 并充分考虑不同生态系统特征, 实地选择样品代表性好的地区, 尽量避开村庄、道路、工矿企业等人为活动影响明显区, 整个调查区大致均匀分布[13]。在全区范围内共设置了56个土壤垂向剖面(图2)。避开不利气候条件和灌溉农事活动, 于2020年7— 9月对研究区全部垂向剖面进行实地GPS定位, 对区内选定土壤垂向剖面进行实测与采样并详细记录描述。土壤容重采集使用环刀法, 采样过程严格依照规范, 确保准确一致。本次研究土壤垂向剖面采样深度为0~2.0 m, 每20 cm处取一个样, 每个剖面共取11个土壤容重, 重复样品的采集同时进行, 分别在每个层位分别采集3件土壤容重样品, 已保证容重测量的准确度。在土壤容重样品采集点位上, 同时采集土壤砾石样品。

图2 研究区位置及剖面点位分布Fig.2 Location of the study area and profile point distribution

1.3 数据处理

用经典统计学方法和地球化学成图方法对样本数据进行分析处理。地下深度200 cm以内每20 cm进行分析, 对土壤容重(BD)、土壤含水率(z)、土壤砂砾含量(y)、土壤有机碳含量(c)进行描述性统计分析, 使用统计软件为SPSS 19.0。

经典统计学对变异特征的分析主要以变异函数(Cv)进行。变异函数可定义为

Cv=S/n　。(1)

式中: S为标准方差; n为变量均值。根据变异程度分级: Cv≤ 0.1属于弱变异, 0.1< Cv< 1属于中等变异, Cv≥ 1属于强变异。

2 结果与分析
2.1 研究区土壤容重基本特征和空间分布

研究区土壤容重在数值上符合正态分布特征(不确定度< 0.001), 峰度和偏度分别为1.47和-0.90(图3)。研究区土壤容重平均值和中值分别为1.51 g/cm3、1.55 g/cm3 (图4, 表1), 比全国土壤容重平均值(1.32 g/cm3)和中值(1.35 g/cm3)[1]

图3 研究区土壤容重垂向变化特征Fig.3 Vertical variation characteristics of soil bulk density in the study area

图4 研究区表层土壤容重(a)和深层土壤容重(b)空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of surface soil bulk density (a) and deep soil bulk density (b) in the study area

表1 研究区土壤容重特征 Tab.1 Characteristics of soil bulk density in the study area

高。在 0~200 cm土壤垂直剖面, 不同深度的土壤容重也呈正态分布(Ps< 0.001), 峰度值介于0.36~1.63之间, 偏度值介于-1.22~-0.37之间。土壤容重(BD)随土壤深度(x)增加而增大, 最低值出现在0 cm(0.59 g/cm3), 最高值出现在180 cm(2.15 g/cm3), 土壤容重(BD)与土壤深度(x)的关系可用幂函数拟合: BD=1.36x0.332(R2=0.93, 不确定度< 0.001)。

2.2 不同土壤类型的土壤容重及其剖面分布特征

研究区土壤容重总体随土壤深度增加而增大, 表生环境对土壤容重的影响主要在100 cm深度范围内。0~100 cm, 土层变异系数(Cv)逐渐变小, 100 cm以下变异系数(Cv)达到最小且相对稳定, 0~200 cm变异系数(Cv)均小于0.1, 属于弱变异(表1)。在不同土壤类型间土壤容重差异较大, 平均值的变化范围为1.29~1.62 g/cm3, 其中, 土壤容重平均值最低为石灰土, 土壤容重平均值最高为燥红土(表1)。在不同土地利用现状中, 草地土壤容重最大(表1)。从变异系数来看, 不同土地利用现状对土壤容重影响的深度不同, 其中草地影响深度小于40 cm, 林地和果园影响深度大于 40 cm。不同县域土壤容重大小不同, 元谋县土壤容重最大且变异系数最小, 武定县土壤容重最小且变异系数最大。干热河谷区土壤容重明显大于非干热河谷区。

3 讨论
3.1 成土母质对土壤容重的影响

研究区土壤容重整体符合正态分布特征, 平均值为1.51 g/cm3, 土壤容重在不同土壤类型间存在较大差异(1.29~1.62 g/cm3)。研究区成土母质多是各种岩石在原地风化形成的风化壳, 并以红色风化壳分布最广, 主要为泥岩、砂岩类风化物。采样过程中发现深层土壤继承了成土母质部分粗粒矿物成分, 从而导致土壤成土母质不同, 改变了深层土壤紧实度。如花岗岩类成土母质原地形成的土壤中粗粒矿物含量高、土壤极紧实、土壤容重较高; 而泥灰岩类、碳酸盐岩类成土母质原地形成的土壤由于大量元素随碳酸根离子淋滤迁移, 土壤容重较低; 泥岩砂岩类成土母质由于侵蚀快, 土壤有机质含量低, 土壤容重中等。

3.2 土壤结构对土壤容重的影响

土壤结构是土壤内有机质、矿物质即砂砾含量、有机质和无机质复合颗粒的排列组合。土壤有机质含量、砂砾含量、复合颗粒排列组合形成的孔隙对土壤容重产生不同程度的影响。

研究区土壤有机质含量(c)与土壤容重(BD)存在显著的负相关关系, 土壤有机质含量等于土壤有机碳含量乘以换算因数1.724。研究区浅表层土壤有机碳含量较高(均值1.43%), 土壤容重较小(均值1.33 g/cm3), 深部土壤随着有机碳含量减少, 土壤容重增大(表1, 表2), 全部数据统计显示有机碳含量(c)和土壤容重(BD)为显著的指数函数关系: BD=1.65e-0.22c(R2=0.60, 不确定度< 0.01, n=658)。一般土壤矿物的密度为2.6~2.8 g/cm3, 土壤有机质密度为1.25~1.40 g/cm3, 因此土壤有机碳含量越高, 土壤密度就越小。此外, 土壤内有机碳含量的增加能明显提高土壤孔隙度, 降低土壤容重[14, 15, 16]。前人已证实土壤内有机碳含量会影响有机胶体状态, 进而影响土壤微团聚体含量, 微团聚体孔隙性好, 其含量高则孔隙度高, 土壤容重则低[17, 18]。本次90%以上的土壤容重变异与土壤有机碳含量变化有关。

表2 研究区不同深度土壤有机碳含量特征 Tab.2 Characteristics of soil organic carbon content at different depths in the study area

土壤砂砾含量(y)与土壤容重(BD)呈现弱相关性: BD=0.000 89y+1.5(R2=0.000 58, P< 0.54, n=658), 随土壤砂砾含量的增加土壤容重呈升高的趋势。前人室内实验确定当含砂量由40%增加到100%时, 土壤容重增加了2%~15%, 砂砾含量70%~80%时, 土壤容重值达到最大[19], 研究区砂砾含量主要集中在2%~18%之间, 土壤容重与土壤砂砾含量相关性较弱。

土壤含水率(z)与土壤容重(BD)呈明显负相关性: BD=-0.013z+1.78(R2=0.42, 不确定度< 0.01, n=658)。土壤水分的保持首先需要存蓄空间, 即复合颗粒排列组合形成的孔隙, 孔隙度的大小和数量的多少直接影响土壤含水率[4]。本次土壤容重采集过程中, 避开了干旱、下雨等不利气候条件和灌溉等农事活动期的影响。除水田外, 土壤含水率反映了土壤孔隙, 因此, 本次所采样品土壤含水率越高, 反映土壤孔隙度越高, 则土壤容重越低。

3.3 不同深度对土壤容重的影响

研究区土壤容重沿0~200 cm土壤剖面呈现出从低到高的趋势(表1), 这与全国其他地区的研究结果[1, 2]类似。随着土壤深度的增加, 土壤有机质含量逐渐降低, 是造成土壤容重随土壤深度增加逐渐增大的主要原因。此外, 随着土壤剖面深度的增加, 土体由于超负荷的压力而变得更加坚实, 也是造成土壤容重沿土壤剖面逐渐增大的重要原因。Han等[20]研究发现当土壤类型相似且采样区域不大时, 土壤容重与土壤深度呈极显著正相关。

3.4 不同土壤类型对土壤容重的影响

研究区不同土壤类型的土壤容重高低排序为: 燥红土> 紫色土> 红壤> 黄棕壤> 水稻土> 棕壤> 石灰土(图5, 表1)。不同的土壤类型决定了其有不同的发育阶段、形成水热条件、成土母岩、酸碱度、成土过程等成土因素和土壤属性, 不同土壤类型必然有不同的土壤容重特征。研究区不同的土壤类型形成环境和特征明显不同(表3): 燥红土因长期处于高温低湿的环境中, 有机质快速分解含量较低(均值0.26%), 干燥时间长干燥强度大, 使土壤体积收缩, 最终土壤容重最高(均值1.62 g/cm3); 紫色土为初育土, 以物理风化为主, 生物作用影响弱, 土壤容重较高; 红壤成土过程为富铝化和生物富集两个过程长期作用, 土层厚, 土壤容重中等; 黄棕壤和棕壤分布海拔最高, 气温低, 受人类活动影响小, 积累大量有机质且不易分解, 有机质含量高(均值分别为0.44%和0.68%), 土壤容重低(均值分别为1.48 g/cm3 和1.46 g/cm3); 石灰土成土过程以风化淋失为主, 孔隙度高, 土壤容重最低; 水稻土是其他土壤类型经人类水耕熟化过程形成的特殊土壤, 分布零星, 土壤容重中等。

图5 不同土壤类型的土壤容重特征Fig.5 Soil bulk density characteristics of different soil types

表3 研究区不同土壤类型形成环境和特征 Tab.3 Formation environment and characteristics of different soil types in the study area
3.5 不同土地利用现状对土壤容重的影响

研究区不同土地利用现状的在0~200 cm深度土壤容重高低排序为: 草地> 水田> 旱地> 果园> 林地(图6)。不同土地利用现状对容重影响的深度不同(表4), 以土壤容重变化率RBD值5%为标准, 果园影响深度为80 cm, 林地和旱地影响深度为60 cm, 水田影响深度为20 cm, 草地影响深度小于20 cm。除果园外, 土地利用现状主要影响0~40 cm 土壤容重, 对深部土壤容重影响较小。

图6 不同土地利用现状的土壤容重特征Fig.6 Soil bulk density characteristics of different soil utilization status

表4 研究区不同土地利用现状下土壤容重随深度变化特征 Tab.4 Variation characteristics of soil bulk density with depth under different land use status in the study area

土壤利用过程中肥料施用、翻耕、压实等因素影响土壤理化性质从而改变土壤容重。长期单施化肥能够使土壤容重增加[21], 施用生物炭后, 土壤容重会明显降低[20]。人为运用不同的耕作方式能改变土壤容重, 翻耕能够降低0~20 cm的土壤容重[22], 田间作业时农业机械的压实作用使土壤容重增加, 这种压实效果能够持续很多年[23], 草地土壤容重增高与放牧和践踏有关[24]。

0~40 cm土壤容重受不同土地利用现状影响最大, 研究区0~40 cm的土壤容重数据统计结果显示其排序为草地> 旱地> 水田> 果园> 林地。林地受人类活动影响小, 有机碳含量最高, 土壤容重最小; 草地受放牧影响, 由于牛羊的踩踏而压实; 水田、旱地因耕地长期施用化肥, 使土壤中孔隙度下降, 造成土壤板结, 使土壤容重增加; 而果园因其施用化肥时配合有机肥和落叶降低了土壤容重。

3.6 干热河谷区气候环境对土壤容重的影响

本研究以元谋县和金沙江两岸海拔1 600 m及以下的样地为干热河谷区土壤容重研究样点, 以海拔2 000 m及以上的样地为非干热河谷区土壤容重研究样点, 研究区土壤容重特征和剖面变化见图7。

图7 干热河谷区和非干热河谷区土壤剖面容重分布特征Fig.7 Distribution characteristics of soil bulk density profile in dry hot valley area and non-dry hot valley area

0~200 cm干热河谷区土壤容重平均值为1.65 g/cm3, 非干热河谷区土壤容重平均值为1.43 g/cm3, 各土层深度也可得出干热河谷区土壤容重比非干热河谷区土壤容重高。此外, 全国0~100 cm土壤容重平均值[1]为1.32 g/cm3, 研究区0~100 cm土壤容重平均值为1.46 g/cm3, 明显研究区土壤容重偏高。剖面上, 干热河谷土壤容重0~40 cm随土壤深度增加而增高, 40 cm以下基本不随深度增加而改变; 非干热河谷区土壤容重0~100 cm随土壤深度增加而增高, 100 cm以下基本不随深度增加而改变。土壤容重从干热河谷区到非干热河谷区是渐变过渡关系: 土壤容重(BD)随海拔(h)升高而降低, BD=-0.19h+1.87(R2=0.12, 不确定度< 0.001, n=658), 海拔每升高1 km土壤容重下降约0.19 g/cm3。

研究区土壤容重(BD)随土壤深度(x)增加而增加, 随海拔(h)增加而降低, 随有机碳含量(c)增加而降低, 随土壤含水率(z)增加而降低, 随土壤砂砾含量(y)增加而不明显地降低。其函数关系分别为: ①BD=1.36c0.032; ②BD=-0.19h+1.87; ③BD=1.65e-0.22x; ④BD=-0.013z+1.78; ⑤BD=0.000 89y+1.5。综合分析因变量土壤容重(BD)与各因子土壤深度(x)、海拔(h)、有机碳含量(c)、土壤含水率(z)、土壤砂砾含量(y)间函数关系, 得出: BD=4.90× 10-4x+1.82× 10-2h2-0.16c-0.01z+7.1× 10-3y+1.63(R2=0.69, 不确定度=0.13, n=658), 由此可知各影响因素中有机碳含量(x)所占权重最大。干热河谷区与非干热河谷区除海拔(h)不同外, 干热河谷区气温高, 造成有机碳(c)分解快而含量低, 蒸发量大造成田间含水率(z)低, 因此从函数关系可以解释干热河谷土壤容重偏高的原因。

4县0~200 cm土壤容重数据(表1, 图8)中, 元谋县土壤容重最高, 为1.64 g/cm3, 武定县土壤容重最低, 为1.41 g/cm3。自然界中土壤干湿交替会对土壤物理性质产生明显影响。曹立[4]为通过室内模拟发现干湿交替会使土壤较大的土壤容重(> 1.50 g/cm3)下降, 使较小的土壤容重(< 1.30 g/cm3)小幅上升。在自然降水条件下干湿交替对土壤容重的影响与室内模拟相类似。研究区干热河谷区长期高温干燥, 土壤体积收缩, 土壤容重增高最多, 东部非干热河谷区湿润多雨, 太阳有效辐射强、蒸发量大, 高频率的干湿交替使较紧实的土壤容重降低, 使较低的土壤容重稍微增高, 最终非干热河谷区土壤容重降低, 研究区内永仁县、牟定县降雨较少, 蒸发量大, 土壤干燥, 体积收缩, 土壤容重较高, 从而造成了研究区土壤容重较全国偏高的格局。

图8 不同区域土壤容重特征Fig.8 Characteristics of soil bulk density in different regions

4 结论

(1)滇中楚雄地区土壤容重平均值为1.46 g/cm3, 明显高于全国土壤容重平均值1.32 g/cm3。干热河谷区土壤容重均值为1.65 g/cm3, 明显大于非干热河谷区土壤容重均值1.43 g/cm3, 气候对研究区土壤容重具有决定性作用。

(2)滇中楚雄地区不同土地利用类型中, 果园对土壤容重影响深度最大, 林地其次, 草地最小。不同土壤类型中, 石灰土土壤容重最低, 燥红土土壤容重最高。

(3)滇中楚雄地区土壤容重随土壤深度增加而增加, 随海拔增加而降低, 随有机碳含量增加而降低, 随田间含水率增加而降低, 随土壤砂砾含量增加而不明显地降低, 其中有机碳含量对土壤容重贡献最大。

(4)滇中楚雄地区土壤容重较高, 表明土壤孔隙状况、透气性、储水空间、持水能力较差, 阻滞着溶质迁移和养分运输, 最终造成土壤生产力水平降低, 植被恢复难度增加。植被恢复和生态修复过程中应注意降低土壤容重。

致谢: 在成文过程中, 中国地质科学院岩溶地质研究所张连凯副研究员、云南大学国际河流与生态安全研究院段兴武研究员提供了支持, 审稿专家提供了宝贵的意见, 中国地质调查局昆明中心范佳帅、侯征、王守营、向经纬助理工程师在野外考察中给予了帮助, 在此一并表示衷心的感谢。

(责任编辑: 王晗)

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