不同土地利用土下溶蚀速率季节差异及其影响因素

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1、书书书第卷第期 年月地质论评 注： 本文为中国博士后科学基金（ 编号 ） 、中国地质科学院岩溶地质研究所所控项目（ 编号 ） ，国家自然科学基金资助项目（ 编号 ） 和中国地质调查局地质调查项目（ 编号 ） 的成果。收稿日期： ； 改回日期： ； 责任编辑： 章雨旭。作者简介： 章程，男， 年生。博士，研究员。主要从事岩溶环境、 水文地质与土地利用研究。通讯地址： ， 广西桂林市， 岩溶地质研究所； 电话： ； ： ； 。不同土地利用土下溶蚀速率季节差异及其影响因素 以重庆金佛山为例章程中国地质科学院岩溶地质研究所， 国土资源部岩溶动力学重点实验室， 广西桂林， 内容提要：不同土地利用土壤往往

2、具有不同的水分和 特征， 进而影响到土下岩溶作用的强度和方向。以重庆金佛山为例， 选择两个不同高程的岩溶泉流域， 研究了流域内典型土地利用土壤水和土壤 的变化， 土壤水分特征及土下溶蚀速率， 并分析了土下岩溶作用的主要驱动因子。结果表明土下溶蚀作用主要发生在夏季： 碧潭泉和水房泉流域不同土地利用土下雨季平均溶蚀量分别占年溶蚀量的 和 。进一步证实土壤 和土壤水的滞留时间是驱动岩溶作用的两个关键因子， 土壤水传导能力可能是控制旱季土下溶蚀速率的决定性因素。关键词：土地利用；土壤 ；土壤水分特征；土下溶蚀作用；重庆金佛山已有文献研究表明， 土壤在岩溶作用与岩溶生态系统中扮演着极其重要的角色（ ，

3、； 曹建华等， ； 李恩香等， ） ， 土壤有机质和土壤微生物对石灰岩溶蚀具明显的促进作用（ 陶于祥等， ； ， ） 。前人研究岩溶作用主要从宏观对比角度， 如不同地质背景、 气候与水文条件下岩溶作用强度及其差异（ ， ； ， ） ； 或从碳循环角度研究岩溶作用对大气 汇的贡献（ ， ； ， ； ， ； ， ） 。考虑到岩溶动力系统的不均一性及其对环境变化的敏感性（ 袁道先， ； ， ） ， 有必要在流域和短时间尺度上研究岩溶作用的空间（ 土地利用的影响） 及季节变化。岩溶区土壤水分亏缺往往具有明显的时空异质性。同时， 岩溶作用与碳循环作为全球变化研究的重要组成部分， 为了进一步提高其碳汇的估

4、算精度，也越来越多地关注土地利用方式和外源水的作用。本文以垂直气候带与不同地质环境为背景， 以土地利用为切入点， 研究土壤 、 土壤水分的时空动态及其对土下溶蚀作用的影响， 有助于把握土地利用方式对岩溶作用的影响程度， 为提高岩溶作用碳汇的估算精度奠定良好基础。研究区概况金佛山自然保护区位于四川盆地南缘川黔交接地带， 重庆市东南边缘的南川县境南部， 属于大娄山东段的一部分（ 钟章成， ） 。金佛山为国家级自然保护区。保护区面积 。山体上部由二叠纪栖霞组灰岩构成， 形成了海拔 左右的较大面积的缓坡与平台， 溶蚀洼地、 大型溶洞发育； 山体中部 由 志 留 纪 的页 岩、 粉 砂 岩 构成， 出露

5、 标 高 为 ； 山体下部由寒武纪、 奥陶纪的石灰岩、 白云岩构成， 小型、 微型岩溶形态发育。金佛山属亚热带湿润季风性气候区。全年雨量季节分配不均， 集中分布在 月， 占全年降雨量的 。由于垂直高度的变化， 金佛山气候带的垂直分异明显， 从山脚到山顶温度差可达。山 体 上 部 多 年 平 均 气 温 为 ， 降 雨 量 ， 山体下部平均气温为 ， 降雨量 。研究内容与研究方法选择两个不同高度的岩溶泉域： 碧潭泉， 海拔 和黄草坪水房泉， 海拔 。前者代表山体下部亚热带岩溶生态环境（ 袁道先等， ） ， 岩表重庆金佛山不同土地利用土壤水分犜 犪 犫 犾 犲犛 狅 犻 犾犿 狅 犻 狊 狋 狌

6、狉 犲犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犱 犲 狆 狋 犺犪 狀 犱 犾 犪 狀 犱狌 狊 犲 狊 犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵泉域与土地利用不同深度土壤水分（） 测定时间 年月（ 两次） 年月水房泉林地 竹林地 草地 碧潭泉林地 灌丛 耕地 性为寒武系上统毛田组灰质白云岩， 地貌属典型的低山峡谷岩溶地貌， 土壤厚度 ， 植被主要次生灌丛， 覆盖度 左右， 水热与植被条件较好；后者代表高原面上温带岩溶生态环境（ 袁道先等， ） ， 岩性为二叠系灰岩， 土壤厚度 。在两个岩溶泉流域分别选择代表性土地利用（ 林地、 灌丛、 草地、

7、 竹林地、 耕地等） ， 按不同季节埋放溶蚀试片、 现场测定土壤水分与 含量， 并取不同深度土壤样用于土壤水分特征评价。研究方法除土壤理化性质标准实验方法外， 主要有野外标准溶蚀试片法、 测试仪测试法、 便携式土壤水测试法及 土壤水分特征分析法。 结果 不同土地利用土壤水分含量变化碧潭泉和水房泉两流域内不同土地利用夏季和冬季土壤水分见表， 数据表明山上与山下土壤水分具有明显的差异， 山上均大于 ， 可能与山上降雨较丰富且气温较低蒸发量较小有关。总体上，随着土壤深度的增加， 水分含量均有逐渐增加的趋势， 说明随着雨季的来临， 土壤水分高值区逐渐向下迁移。山上以草地增幅较大， 山下以耕地增幅较大，

8、说明两者表层土壤的保水能力较弱。同流域而言，林地土壤的含水量较高， 进一步表明植被条件在保持土壤水分中的重要作用。从表可以看出， 山上水房泉土壤水分含量较高， 均高于 （ 重量百分比） ， 其中表层土壤含水量从大到小依次为竹林地、 林地、 草地； 碧潭泉流域则大多小于 ， 其中林地又高于灌丛， 耕地水分含量最低， 说明植被的退化或人类活动会显著影响土壤水分及其保持能力。 不同土地利用土壤 变化碧潭泉和水房泉两流域内不同土地利用夏季和冬季土壤 见表。从表可以看出， 土壤 存在较大的时空变化， 总体上， 雨季大于旱季， 山上大于山下。以 年月数据为例， 山上水房泉土壤 浓度平均达 ， 而山下碧潭泉

9、土壤 浓度平均为 ， 耕地只有 。旱季土壤 含量明显小于雨季，多在 左右， 水房泉和碧潭泉平均土壤 浓度分别为 和 （ 表） 。表重庆金佛山不同土地利用土壤剖面犆 犗浓度犜 犪 犫 犾 犲犆 犗犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 狅 犻 犾狆 狉 狅 犳 犻 犾 犲犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犾 犪 狀 犱狌 狊 犲 狊 犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 犻 狀 犵取样地点不同深度土壤 浓度（ ） 测量时间 年月 年月水房泉林地 水房泉草地 水房泉竹林地 碧潭泉林地 碧潭泉灌丛 碧潭泉耕地 从不同土地利用看， 夏季

10、土壤 浓度从大到小依次为水房泉竹林地、 水房泉草地、 碧潭泉林地、 水房泉林地、 碧潭泉灌丛和耕地。从土壤剖面 浓度变化看， 夏季土壤层中部含量相对较高，表层与下部含量较低； 冬季这一规律不明显， 总体表现为上部含量较低， 下部较高。与夏季相比， 冬季土壤 浓度明显减小， 耕地土壤 在冬季依然保持较高的含量， 这一异常可能与试验期间玉米收割后其根茬残留原地有关， 说明在旱季水分不足和气温下降条件， 人类活动方式对土壤 能产生极大的影响。 土壤水分特征评价 ， 利用 土壤数据库中大量土壤结构与有机质数据建立了土壤水特征方程。这些方程与目前广泛应用的已有方程 （ ）类似但更符合实际情况。新方程综合

11、考虑土壤水势与导水性， 及容重、 砾度、 盐度等因子的影响， 形成一个可用于农业用水管理及水文分析综合预测 系 统 （ ） （ ， ， ， ） 。从而用于水文分析中评估土壤中水的入渗、 导水率、 储存及植物与水分相互关系。本文利用该模型对金佛山不同土地利用类型土壤的水分特征进行了初步研究， 并探讨了水分特征对岩溶作用的地质论评 年贡献。该模型只要输入给定土壤的含砂与粘土量及有机质含量， 即可获得相关土壤特征值及特征曲线图，如凋萎系数、 田间持水量、 饱和含水量、 有效含水量及土壤导水率（ 表） 。此外， 还可计算获得不同土壤水势的水分含量及比水容量。表重庆金佛山表层土壤水分特征参数值犜 犪 犫

12、 犾 犲犛 狋 犪 狀 犱 犪 狉 犱狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉狏 犪 犾 狌 犲 狊 犳 狅 狉 狊 狅 犻 犾狑 犪 狋 犲 狉犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵地点质地凋萎系数（， 体积）田间持水量（， 体积）饱和含水量（， 体积）有效含水量（， 体积）饱和水力传导率（）水房泉草地壤 土 水房泉林地砂质壤土 水房泉竹林地壤 土 碧潭泉灌草砂质壤土 碧潭泉林地砂质壤土 福南村耕地砂质壤土 表重庆金佛山土壤不同吸力段的比水容量值犿 犾 （犘 犪犵） 犜 犪 犫 犾 犲犛

13、狆 犲 犮 犻 犳 犻 犮狑 犪 狋 犲 狉犮 犪 狆 犪 犮 犻 狋 狔犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 狅 犻 犾 狊 狌 犮 狋 犻 狅 狀 犻 狀 狋 犲 狉 狏 犪 犾犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵地点 水房泉草地 水房泉林地 水房泉竹林地 碧潭泉灌草 碧潭泉林地 福南村耕地 表重庆金佛山不同吸力段表层土壤导水率（犿犿犺）犜 犪 犫 犾 犲犠 犪 狋 犲 狉 狋 狉 犪 狀 狊 犿 犻 狋 狋 犻 狀 犵狉 犪 狋 犲犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 狅 犻 犾 狊 狌 犮 狋 犻 狅 狀犻 狀 狋

14、犲 狉 狏 犪 犾 犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵地点 水房泉草地 水房泉林地 水房泉竹林地 碧潭泉草灌 碧潭泉林地 福南村耕地 总体上， 同一吸力下水房泉流域土壤样区间持水能力好于碧潭泉， 耕地居中。水房泉流域样区持水能力强主要与其物理性粘粒含量多、 有机质含量较高、 微团聚体发育程度高有关。比水容量（） 反映了各吸力条件下土壤的释水能力（ 表） 。从表可以看出， 随着土壤吸力的增加比水容量值降低得很快。当土壤吸力增至 时大部分土壤的比水容量已下降到 数量级。一般认为比水容量达到 数量级时土壤水分已处于或相当于毛管联系破裂含水量，

15、土壤的供水能力就开始不能满足作物生长的需要。总体看， 水房泉竹林地和草地供水能力较强， 碧潭泉林地与灌草土壤供水能力较弱。土壤水分传导性能对于土壤水分的运动及其吸收利用有重要的影响。由表可见研究区土壤导水率的空间变异性较大。总体上， 林地饱和导水率（ ） 大于草地（ 或灌草） ， 其中水房泉林地饱和导水率的值最大， 草地最小， 说明林地水分的渗透性能比灌草要好。 不同季节土下溶蚀速率在碧潭泉和水房泉流域内， 分别选择三种不同类型的土地利用区（ 林地、 灌丛、 草地、 耕地及竹林地） ， 在每一种土地利用区选择了一个代表性的点， 按雨季、 旱季和全年进行溶蚀试片埋放， 共埋放纯灰岩试片 片。埋放

16、时间雨季为 年月 日月 日， 旱季为 年月 日月 日， 全年为 年月 日 年月 日。共获得 个试片溶蚀量数据（ 片丢失） 。最大年绝对溶蚀量为 ， 发生在水房 泉 林 地 土 下 ， 最 小 为 ，发 生 在 碧 潭 泉 草 地 土 下 。说明溶蚀量变化明显， 不同地点岩面、 不同土壤深度甚至同一地点同一深度溶蚀量均存在较大差异。林地土下溶蚀量极大部分大于 ， 明显高于灌丛地及耕地（ 多小于 ）（ 表） 。总体上， 雨季溶蚀量从大到小依次为水房泉竹林地、 林地、 草地、 耕地、 碧潭泉林地与灌草丛（ 表） 。与南方年均温度相近的其它岩溶区比较， 溶蚀量偏小（ ， ） ， 这可能与溶蚀试片埋放期

17、间降雨量（ ） 偏低有关。已有的研究表明， 一般情况下， 在雨热配套的亚洲季风气候区， 降雨量越大， 年溶蚀量越大。总体上， 无论是岩面还是土下年绝对溶蚀量都是山上大于山下， 林地大于草地。山下碧潭泉从表层土到接近基岩面的下层土土下溶蚀量均有逐渐减第期章程等： 不同土地利用土下溶蚀速率季节差异及其影响因素小的趋势， 但灌草地（ 为林地受人类活动干扰） 的减小幅度明显大于林地； 山上水房泉林地则有先增大后减小的趋势， 但增减幅度均不明显（ 表） 。表重庆重庆金佛山不同土地利用不同埋放位置年平均溶蚀量犜 犪 犫 犾 犲犃 狀 狀 狌 犪 犾 狋 犪 犫 犾 犲 狋狑 犲 犻 犵 犺 狋 犾 狅 狊

18、 狊 犻 狀狊 狅 犻 犾 犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犾 犪 狀 犱狌 狊 犲 狊 犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵埋放地点埋放位置全年平均溶蚀量（ ）单位面积日平均溶蚀量 （ ） 福南村耕地岩面 碧潭泉灌草地表土下 土下 土下 碧潭泉林地岩面 表土下 土下 土下 水房泉林地岩面 土下 土下 土下 表重庆金佛山不同季节不同土地利用土下平均溶蚀量一览表犜 犪 犫 犾 犲犛 犲 犪 狊 狅 狀 犪 犾 狋 犪 犫 犾 犲 狋狑 犲 犻 犵 犺 狋 犾 狅 狊 狊 犻 狀狊 狅 犻 犾 犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犾

19、 犪 狀 犱狌 狊 犲 狊 犻 狀犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵埋放地点土下平均溶蚀量（ ）雨季旱季全年苟家坝耕地 碧潭泉灌草地 碧潭泉林地 水房泉竹林地 水房泉草地 水房泉林地 因试片丢失， 全年数据为雨季和旱季溶蚀量相加所得不同土地利用下不同埋放位置平均溶蚀量如下表， 从旱季与全年数据（ 均为 年月同时埋放）比较看， 溶蚀作用主要发生在雨季， 碧潭泉土下溶蚀量雨季占 ， 平均 ， 水房泉土下溶蚀量雨季占 平均 。反映了岩溶作用的不均一性， 即有空间上的差异性， 也有时间上的差异性。从表看 出， 水 房 泉 土 下 年 溶 蚀 量 均 大

20、 于 ， 相当于 （） ， 同一地点土下岩溶作用强于岩面。水房泉流域林地土下岩溶作用约为碧潭泉流域林地的倍。雨季土下溶蚀量总体上是山上大于山下， 水房泉流域多大于 ， 碧潭泉流域多小于 ； 剖面上， 随土壤深度的增加， 山下溶蚀量多呈下降趋势， 而山上则以上升为主。平均溶蚀量从大到小依次为水房泉竹林地、 林地、 草地，碧潭泉次生林地、 灌草地。旱季土下平均溶蚀量仍然是山上大于山下， 但不同土地利用土下溶蚀量均有显著减小， 山上在 之间， 山下多小于 。且山上竹林地土下溶蚀量下降幅度最大， 溶蚀量小于林地和草地。讨论如前所述， 雨季土下溶蚀量总体上是山上大于山下， 竹林地最大， 与 年月土壤 的

21、测试结果较为一致， 竹林地 含量高达 ， 可见 的多少直接影响到溶蚀作用的进行， 但到月份竹林地土下 急剧减小， 甚至低于山下（ ） ， 导致其旱季溶蚀量显著减小， 而此时林地土壤 含量最高， 草地次之， 进入旱季草地 含量最高， 明显高于其它土地利用类型， 因而， 旱季竹林地土下溶蚀量低于林地和草地。旱季土下溶蚀量的显著减小也与 含量较低相一致。可见 是土下溶蚀作用的重要驱动因子。从土壤水分特征评价结果看， 土壤持水供水能力为山上好于山下， 水房泉竹林地好于草地， 草地好于林地； 碧潭泉耕地好于林地， 林地好于灌草， 与土下溶蚀量也有较好的对应关系， 即持水特性越好， 对溶蚀作用的贡献越大。

22、但从供水强度看， 水房泉林地最好， 草地次之， 有利于旱季防止土壤水分蒸发，说明旱季土壤的供水强度可能是决定其溶蚀能力的关键控制因素。用多元线性回归分析统计方法分析了雨季土下溶蚀量与土壤水分、 及孔隙度的关系。以 （犡） 、 土壤水分（犡） 及孔隙度（犡） 为自变量， 土下溶蚀量为应变量， 建立回归方程犢 犡 犡 犡 。 。回归方程的复相关系数为犚 ， 决定系数（ 即狉） 为 ， 经方差分析，犉 ，犘 ， 回归方程有效。结论土下年绝对溶蚀量都是水房泉流域大于碧潭泉流域， 林地大于草地， 水房泉流域林地土下岩溶作用约为碧潭泉流域林地的倍。从旱季与全年数据比较看， 溶蚀作用主要发生在雨季， 水房泉

23、和碧潭泉雨季平均土下溶蚀量分别占全年的 和 。土下溶蚀速率主要与不同土地利用土壤 和土壤水分特征密切相关。在水热配套的西南岩溶地质论评 年区， 雨季溶蚀作用主要受土壤 控制， 土壤 含量越高， 溶蚀量越大； 旱季土壤的供水强度可能是控制土下溶蚀速率的关键因素。致谢： 在重庆金佛山野外工作期间得到西南大学地理科学学院蒋勇军博士及博士生杨平恒、 王冬银的大力支持， 在此一并致谢！参考文献犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊曹建华，袁道先，潘根兴 岩溶生态系统中的土壤地球科学进展， （） ： 李恩香，蒋忠诚，曹建华，姜光辉，邓艳 广西弄拉岩溶植被不同演替阶段的主要土壤因子及溶蚀速率对比研究生态学报

24、， （） ： 陶于祥，潘根兴，孙玉华， 滕永忠，韩富顺 岩土系统地球化学行为及其对岩溶作用驱动以丫吉岩溶试验场为例岩石矿物学杂志， （） ： 袁道先，蔡桂鸿 岩溶环境学重庆：重庆科学技术出版社袁道先 碳循环与全球岩溶第四纪研究， （） ：钟章成 植物生态学研究进展重庆： 西南师范大学出版社 （ ， ） ： ， ， ， ， ： ， ， ： ， ： ， ： ， ： ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ： ， （ ） ， ： ， ， ， ， （） ： ： ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， （） ， （） ： ： ， ： ， ， ， ， ， （） ： 犛 犲 犪 狊 狅 狀 犪

25、 犾犞 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犇 犻 狊 狊 狅 犾 狌 狋 犲 犻 狅 狀犚 犪 狋 犲狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲犛 狅 犻 犾 犪 狋犇 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犔 犪 狀 犱犝 狊 犲 狊犪 狀 犱犐 狋 狊 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲犉 犪 犮 狋 狅 狉 狊犃犆 犪 狊 犲犛 狋 狌 犱 狔狅 犳 犑 犻 狀 犳 狅犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犓 犪 狉 狊 狋犌 犲 狅 犾 狅 犵 狔，犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犌 犲 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犓 犪 狉 狊 狋犇 狔 狀 犪 犿 犻 犮 狊犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔，犕 犻 狀 犻 狊 狋 狉 狔狅 犳犔 犪 狀 犱犪 狀 犱犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊，犌 狌 犻 犾 犻 狀，犌 狌 犪 狀 犵 狓 犻， 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋： ， ， ， ， ， ， 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊： ； ； ； ； ， 第期章程等： 不同土地利用土下溶蚀速率季节差异及其影响因素地质论评 年