湘北壺瓶山主峰地區(qū)土壤性質(zhì)與分類初探

沈珍珠，田 宇，盛 浩，尹澤潤，劉 鑫，袁 紅

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

湖南省東、南、西三面環(huán)山，山丘合計占全省總面積的約80%，由于氣候資源（光、熱和水）優(yōu)越，植物組成豐富，母巖/母質(zhì)類型多樣，山地土壤多樣性高、生產(chǎn)潛力大[1]。山地既承載著巨大的農(nóng)林產(chǎn)品供給、生態(tài)系統(tǒng)服務與環(huán)境調(diào)節(jié)功能，也是經(jīng)濟社會發(fā)展重要的生態(tài)屏障和原材料供應地[2]。因此，深入了解山地土壤性質(zhì)、類型與功能，對于科學評估山區(qū)人地關(guān)系脆弱性以及制定可持續(xù)的山區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。

湖南省山地土壤分類最早可追溯到20 世紀60 年代，如高冠民等[3]報道的衡山土壤發(fā)生分類和利用對策。20 世紀80 年代，全省第二次土壤普查表明，山地土壤具有明顯的垂直地帶分布規(guī)律，在亞類等級上，基帶主要分布紅壤，紅壤以上依次出現(xiàn)山地黃紅壤、山地黃壤、山地暗黃棕壤和山地草甸土[4]。2000年以來，湖南山地土壤分類逐漸由地理發(fā)生分類過渡到系統(tǒng)分類，研究主要集中在湘東花崗巖、板巖山地（如大圍山、井崗山）[1,5-7]。然而，由于山地面積廣大、土壤類型多樣，有關(guān)石灰?guī)r山地土壤的野外調(diào)查、分類與性質(zhì)仍有待深入探索，特別是石灰?guī)r山地土壤分類研究更是缺乏。

壺瓶山屹立于湘鄂邊境，素稱“湖南屋脊”，主峰海拔2 098.7 m，山體主要為石灰?guī)r和板巖組成。近30 a 來，關(guān)于壺瓶山植被群落、動物多樣性和大型真菌分類等已有相關(guān)研究報道[8]，但關(guān)于壺瓶山土壤形成、分類和土壤質(zhì)量特征等的研究鮮有報道。因此，筆者通過收集壺瓶山成土環(huán)境的歷史資料，結(jié)合野外土壤實地調(diào)查、取樣和實驗室分析，初步探討了湘北壺瓶山的成土環(huán)境、土壤理化性質(zhì)和土壤類型分布，以期明晰湘北地區(qū)石灰?guī)r/板巖山地土壤發(fā)生分類體系，確定山地土壤垂直帶譜，為亞熱帶巖溶山區(qū)土壤資源保護和利用提供參考。

1 壺瓶山成土環(huán)境概述

1.1 地質(zhì)環(huán)境與成土母巖/母質(zhì)

在區(qū)域地質(zhì)上，壺瓶山地區(qū)屬湘西北褶皺帶東山峰復背斜西翼的壺瓶山向斜，其主峰位于向斜的核部，該核部為震旦系地層。從元古界板溪群到新生界第三系，幾乎各個時代地層均有出露，以下古生界寒武系出露面積最廣。壺瓶山主要成土母質(zhì)為石灰?guī)r和板巖殘積物、坡積物；其中，淺海相碳酸巖（鹽）類巖層占主峰面積的2/3，山頂為中生界三疊系石灰?guī)r，巖石成分雜質(zhì)較多，可溶性程度不高[9]。野外調(diào)查表明，硬軟巖層分異十分明顯；硬巖成山，發(fā)育薄層土；軟巖成谷，母質(zhì)以坡積物為主，發(fā)育土層較厚。石灰?guī)r風化物發(fā)育的土壤，多呈中性或微堿性（pH 值＞6.5），而板巖風化物發(fā)育土壤多呈酸性（4.9 ＜pH 值＜6.0）。

1.2 地形、地貌

壺瓶山主峰地區(qū)地處武陵山脈東北端、貴州高原向東南丘陵平原延伸的過渡地帶，屬典型向斜中山、山原地貌[8]。地勢總體由西向東傾斜，四周高、中間較低，形似“壺口”，主峰與最低處的壺瓶山鎮(zhèn)相對高差達1 878.7 m，坡向具有半陰坡、半陽坡特點。由于新構(gòu)造運動和流水侵蝕作用強烈，形成年輕的地貌景觀，呈現(xiàn)出多級的剝蝕夷平面、深切峽谷和明顯斷層[9]。這種地形條件導致土壤產(chǎn)生后容易剝蝕與堆積，形成的土壤厚薄不一，具有高度的空間異質(zhì)性。

1.3 氣 候

壺瓶山基帶氣候為典型中亞熱帶濕潤季風氣候，山腳的壺瓶山鎮(zhèn)年平均氣溫16～17℃，年降雨量1 400～1 600 mm，主要集中在4—6 月，水熱資源充沛。這種氣候條件有利于礦物化學風化和土壤發(fā)育。但在山體中上部轉(zhuǎn)變?yōu)樯降貪駶櫆貨鰵夂颍昶骄鶜鉁?～9℃，年降雨量1 900～2 100 mm，山頂有季節(jié)性積雪和冰凍。山體中上部的溫暖、潮濕、季節(jié)性冰凍氣候條件有利于礦物物理風化和化學風化的進行[8]。

1.4 植 被

壺瓶山主峰地區(qū)物種豐富，起源古老，其保護區(qū)是中國亞熱帶地區(qū)保存比較完好、且范圍較大的地區(qū)之一。植被分區(qū)屬華中植物區(qū)系，地帶性植被在森林分區(qū)上為中亞熱帶北部常綠闊葉林亞地帶。植被垂直帶分異明顯，從山腳到山頂主要分布4 個植被類型[10]。在海拔＜1 100 m 的區(qū)域，主要分布常綠闊葉林帶，以殼斗科、樟科、木蘭科和杜英科為主，人為干擾較大；在海拔1 100～1 500 m 的區(qū)域，分布常綠落葉闊葉混交林帶，以殼斗殼、薔薇科為主，存在一定人為干擾；在海拔1 500～1 700 m 的區(qū)域，分布落葉闊葉林帶，主要植物有殼斗科、薔薇科和豆科；海拔＞1 700 m 的區(qū)域為山地灌叢草甸帶，植物主要以楊柳科、繡球花科、薔薇科為主。中、高海拔帶保存完整的植被覆蓋有利于礦物的生物風化和土壤腐殖質(zhì)積累。

1.5 人類活動

主峰地區(qū)產(chǎn)業(yè)以旅游業(yè)為龍頭，特色農(nóng)業(yè)為支撐，茶葉、煙葉和高山反季節(jié)蔬菜為重點。人類活動主要集中在中、低海拔帶（海拔＜1 500 m），高海拔帶人為干擾少。山腳一部分原生常綠闊葉林轉(zhuǎn)換為杉木人工林、園地（茶葉、柑橘）和坡耕地。僅在地勢低平地方有少量水田。農(nóng)業(yè)土地利用方式以旱地（玉米、烤煙）為主，引用井水灌溉，施用農(nóng)藥化肥，覆蓋塑料地膜，局地也有土壤污染現(xiàn)象。例如，20 世紀50 年代起，當?shù)乩眯埸S礦土法冶煉，可能導致部分土壤中As、Ni、Pb、Cd 等含量超標[11]。

2 采樣分析方法

2.1 土壤樣品采集

從山腳至主峰山頂，在主要海拔帶（200～2 000 m）選取10 個典型土壤調(diào)查樣點，根據(jù)土壤野外調(diào)查與描述手冊標準，挖掘土壤剖面，劃分土壤發(fā)生層，采集表層（淋溶層、腐殖質(zhì)層或耕作層）土壤樣品，帶回室內(nèi)自然風干后，研磨過篩。

2.2 室內(nèi)分析方法

采用環(huán)刀法測定土壤容重；采用吸管法測定土壤顆粒組成；采用USDA 標準劃分土壤質(zhì)地；采用電位法測定浸提土壤pH 值（H2O 和KCl 溶液浸提）；采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定土壤有機質(zhì)；采用硒粉、硫酸銅、硫酸消化-蒸餾法測定土壤全氮；采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定土壤全磷；采用NaOH 熔融-火焰光度計法測定土壤全鉀[12]。

根據(jù)土壤理化性質(zhì)、發(fā)育程度，結(jié)合實地考察，將壺瓶山主峰地區(qū)劃分為低海拔帶（＜900 m）、中海拔帶（900～1 700 m）和高海拔帶（＞1 700 m）。該研究的壺瓶山主峰地區(qū)土壤調(diào)查僅涉及水田（43—CD20）、茶園（43—CD21）和林地（其他樣點）3 種土地利用方式?；凇吨袊寥榔詹榧夹g(shù)》中土壤指標分等定級的標準，進行土壤資源初步評價[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

由表1 可知，調(diào)查區(qū)域的表層土壤較薄，平均土層厚度為12.5 cm，厚度區(qū)間大，為8～22 cm。低海拔帶的土壤緊實，土壤容重為1.13～1.68 g/cm3。這可能與較強烈的人為土地利用（如人工林地、園地和耕地）活動有關(guān)。中、高海拔帶土壤疏松，土壤容重為0.85～1.15 g/cm3，可能與原生植被保存完好有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗公式[14]，估算主峰地區(qū)10 個調(diào)查樣點50 cm處的土壤溫度為10.7～17.6℃。據(jù)此，將海拔＜600 m的地帶劃分為熱性土壤溫度狀況（16～23℃），海拔＞600 m 的地帶劃分為溫性土壤溫度狀況（9～16℃）。

表1 壺瓶山主峰地區(qū)調(diào)查樣點概況與表土的物理性質(zhì)

土壤質(zhì)地涉及粉黏壤土、粉壤土和壤土，土壤質(zhì)量屬林地類一等水平[13]。在細土顆粒組成中，黏粒含量表現(xiàn)出隨海拔升高而明顯升高的趨勢，土壤質(zhì)地逐漸由壤土演變?yōu)榉垧と劳痢Ｅc山腳石灰?guī)r、板巖交錯分布相比，高海拔帶和山頂主要分布石灰?guī)r，降雨量也更大，有利于石灰?guī)r的化學溶蝕與成土，從而加重土質(zhì)黏性。

3.2 土壤化學性質(zhì)

由表2 可知，土壤反應呈酸性至微堿性，水提pH值為4.9～7.9，鹽提pH 值為3.7～7.1。pH 值隨著海拔升高無明顯規(guī)律可循，可能受到母質(zhì)、植被的交互影響。土壤有機質(zhì)隨著海拔升高而明顯升高。原因可能是，高海拔帶灌叢草甸植被保存完好，氣候溫涼，土壤含水量高，土壤有機質(zhì)容易積累。在海拔＜400 m 的區(qū)域，土壤有機質(zhì)水平較低，土壤有機質(zhì)含量＜20 g/kg，土壤質(zhì)量劃分為林地類五級水平；在海拔400～1 900 m 的區(qū)域，土壤有機質(zhì)含量介于22.67～75.91 g/kg，屬于三級、四級水平；僅在山頂編號43—CD28 的樣點，土壤有機質(zhì)水平達到二級水平[13]。

表2 壺瓶山主峰地區(qū)表土的化學性質(zhì)

土壤全氮含量介于1.05～8.81 g/kg，平均含量為3.19 g/kg；土壤全磷含量介于0.62～3.67 g/kg，平均含量為1.71 g/kg。這2 個指標的變化范圍大，且均表現(xiàn)出隨海拔的升高而遞增的趨勢。這可能與石灰?guī)r風化速率慢，土體內(nèi)部黏粒含量較高，磷素和氮素含量不易流失有關(guān)[15]。全鉀平均含量為21.66 g/kg，波動范圍為15.1～34.9 g/kg，隨海拔升高無明顯變化規(guī)律。

3.3 土壤類型、分布與綜合利用方向

根據(jù)土壤地理發(fā)生分類的原則[4]，結(jié)合野外成土環(huán)境調(diào)查和室內(nèi)土壤分析結(jié)果（表3）表明，壺瓶山主峰地區(qū)隨著海拔升高，土綱的垂直帶譜分布規(guī)律為鐵鋁土/人為土—淋溶土/初育土—初育土，土類的垂直帶譜分布規(guī)律為紅壤/水稻土（＜600 m）—黃壤（600～900 m）—石灰土/黃棕壤（900～1 700 m）—石灰土（＞1 700 m），如圖1 所示。

圖1 壺瓶山主峰地區(qū)不同等級土壤類型的垂直帶分布

表3 壺瓶山主峰地區(qū)土壤地理發(fā)生分類

山腳低海拔帶，排水良好的緩坡和低平地，廣泛分布著灰黃泥、板巖紅壤、石灰?guī)r黃紅壤和板巖黃紅壤的土屬，土體發(fā)育程度和土壤有機質(zhì)水平中等。板巖風化物發(fā)育的土壤呈酸性，巖石碎屑比例較高，適宜種植茶葉、蔬菜、烤煙、水稻、柑橘和杉木人工林。石灰?guī)r風化物發(fā)育的土壤呈中性或微堿性，部分樣點巖石碎屑比例較高，適宜種玉米、蔬菜、烤煙和板栗。山體中部夷平面上主要發(fā)育較深厚的黃壤、黃棕壤，而在陡坡地上則主要發(fā)育成土層淺薄的黑色石灰土、棕色石灰土。中、高海拔植被為保護完好的原生林、灌叢，宜加強保護和封育。

4 討論與結(jié)論

湘北壺瓶山主峰地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜，地形起伏大，小范圍內(nèi)氣候（光照、降雨和冰凍）變化大，物質(zhì)剝蝕和堆積過程強烈。大面積原生植被保存完好，成土母巖主要為石灰?guī)r和板巖，成土母質(zhì)主要為坡積物和殘積物。從山腳到山頂，壺瓶山土壤垂直帶譜可劃分為3 個土綱（人為土/鐵鋁土—初育土/淋溶土—初育土），或者劃分為4 個土類（紅壤/水稻土—黃壤—石灰土/黃棕壤—石灰土）。

該地區(qū)土壤厚薄不一，巖石碎屑量較大。在低海拔帶，土壤緊實度較高，而中、高海拔帶土壤疏松。土壤溫度狀況以海拔600 m 為界，其下為熱性，其上為溫性。土壤質(zhì)地為壤土類，屬一等水平，隨著海拔升高，黏粒含量升高，土質(zhì)趨黏。土壤質(zhì)地的垂直帶空間分布規(guī)律為：壤土－粉壤土－粉黏壤土。土壤pH 值變化大，呈酸性、中性或弱堿性反應。土壤有機質(zhì)和全氮含量隨海拔上升而增加，據(jù)全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級標準[16]，土壤有機質(zhì)含量（＞20 g/kg）和全氮含量（＞1.0 g/kg）主要判定為較豐富～豐富等級。土壤磷素含量在中、高海拔帶相對較高，但鉀素含量在中、高海拔帶相對較低。

總體上，壺瓶山主峰地區(qū)土壤脆弱度高，不宜大面積開墾和耕作。在中、高海拔帶，特別是陡坡地土壤肥力與質(zhì)量偏低，應加強保護，實行封育、退耕和生態(tài)移民等策略，防止水土流失，適度發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)。在山腳低海拔帶，地平坡緩的土壤發(fā)育較厚，仍應注意補充土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分，特別是針對板巖風化物發(fā)育土壤需補充磷素，針對石灰?guī)r風化物發(fā)育土壤需適度補充鉀素。