1. 引言
土壤是地球表层的重要组成部分,通过它与其他圈层连接并进行物质迁移和能量转换,它不仅为植物生长提供充足的养分,还为动植物、微生物生存提供必要的场所 [1] ,其物理性质及养分状况直接影响了土壤生产力和区域生态状况的发展方向 [2] ,因此充分了解区域土壤性质十分必要。土壤性质是受多方面综合作用的结果,在不同成土母质、地形地貌、人为因素等的影响下差异极大 [3] 。已有研究表明,土壤容重、有机质、全氮、全磷、碱解氮等随海拔升高而降低,全钾则随海拔升高呈先升后降趋势 [4] [5] ,土壤含水量、孔隙度随海拔增加而增大 [6] 。坡度引起土壤温度、湿度的变化,会显著改变土壤呼吸速率,进而影响土壤养分的分解与积累过程 [7] 。除此之外,人类活动也是影响土壤性质的重要因素,并左右了土壤的发展方向。研究表明,水田、林地、灌丛、草地等不同用地类型显著影响土壤有机碳、土壤微生物生物量、氮、磷、钾含量水平 [8] [9] ,即使在相同地类条件下,不同植被类型 [10] [11] 和不同农田利用方式(如水田和旱地、一季和两季耕作) [12] 也会造成土壤养分与物理性质的显著差异。
近年来,学者们也进行了大量自然保护区土壤的研究,并形成了丰富成果,这些研究主要集中于不同森林类型土壤养分差异 [1] 、土壤理化性质空间变异特征 [2] [13] 、化学计量特征 [14] 、土壤污染评价 [15] 等方面,而少有对土壤发育过程、成土条件的综合研究。因此,研究以森林生态系统保存较完整的博南山自然保护区为研究对象,通过野外调查结合室内分析,充分揭示保护区土壤的形成过程、成土条件、土壤类型与分布特征、土壤理化性质特征,旨在为自然保护区生态监测与管理提供参考。
2. 研究区概况与方法
2.1. 研究区概况
云南博南山自然保护区位于滇西北大理白族自治州永平县境内,坐落于横断山纵向岭谷区南部区域,三江并流自然遗产地的东南边缘,地处25˚20'25''~25˚25'50''N,99˚22'35''~99˚26'54''E。博南山又名金浪颠山或叮当山,是著名的“南方丝绸之路”的博南古道的必经之地。面积4499.8 hm2,海拔1772~2704.4 m,最高点位于博南山主峰叮当山,最低点位于西部马底箐和麦田河交汇处,最大相对高差932.4 m,平均海拔2235 m。2001年1月晋升为州级自然保护区,属森林生态系统类型自然保护区,以常绿阔叶林和暖温性针叶林生态系统及古树名木、文物遗迹为主要保护对象。
2.2. 调查研究方法
2.2.1. 野外调查和采样
2016年11月2~6日,应用野外常规土壤线路调查方法,对保护区主要成土因素及其对土壤发育和分布的影响进行观察。在综合分析成土因素基础上,依据中国土壤分类系统 [16] ,借助所挖土壤主要剖面,结合云南省二次土壤普查成果 [17] ,确定土壤所属类型及其分布范围和界限。遵循典型性和代表性原则,选择不同土壤类型的典型地段,按照野外土壤剖面描述的方法和要求 [18] ,设置、挖掘土壤主要剖面8个,现场测定每个土壤剖面点的环境因子,观察、描述和记载每个土壤剖面的形态特征,分层采集土壤分析样品23袋,每袋0.5 kg左右,带回实验室,按要求对土壤样品进行风干、去杂、过筛后制备为待测土样。
2.2.2. 室内分析项目和分析方法
本次主要对待测土样的pH值、有机质、速效养分、颗粒组成等9个指标,采用表1中的分析方法进行测定。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Soil analysis projects and analytical methods
表1. 土壤分析项目和分析方法
土壤质地类型依据美国制土壤质地分类标准来确定,土壤酸碱度依据《中国土壤》 [20] 一书中的五级划分标准来判定,土壤有机质、全氮等养分含量的丰歉则以全国第二次土壤普查土壤养分含量分级标准为判别依据。
3. 结果分析
3.1. 成土条件
3.1.1. 地形与母岩、母质
博南山自然保护区地处横断山纵向岭谷区南部,云岭山脉南延余脉博南山中上部。博南山呈北北西–南南东走向,位于永平县西部,山脊海拔在2500~2600 m之间,最高峰叮当山,海拔2704.4 m,与西部澜沧江河谷之间的相对高度约1400 m,与东部银江河(又称永平大河)河谷之间的相对高度约900 m,是一列典型的大起伏亚高山,主要山峰海拔均在2500 m以上,如叮当山、阿浪厂山(2554 m)、大庄堆(2652 m)、上元宝山(2635 m)、下元宝山(2630 m)、马鹿塘堆子(2631 m)、野人山(2594 m)、老凹堆(2555 m)、大堆地(2448 m)等。西坡受澜沧江支流麦田河、高河、响水河等,东坡受银江河支流漂亮河、里海冲河、三道河等的侵蚀切割,次一级的东西向山脊与河谷相间分布,地表破碎,地势起伏大。保护区最低点位于西部马底箐汇入麦田河河口,海拔1772 m,最高点叮当山,相对高度932.4 m,平均海拔2235 m。山地大起伏致使气候、植被垂直分异明显,这是保护区土壤垂直分带明显的基础,多级坡度、不同坡向和坡位及其组合,又使同一气候带内的热量和水分及其组合重新发生分配,形成了多种不同的小气候,导致同一土类发育方向和程度出现分化,形成厚度、性质和肥力水平不同的亚类、土属甚至土种。其中,台地、缓坡、中缓坡等部位,岩石风化和成土条件较稳定,发育形成了土体较深厚的地带性土壤,如红壤、黄棕壤、棕壤等。陡坡地段,土壤自然侵蚀较强烈,土壤发育程度普遍很低,土体浅薄,粗骨性强,粗砂、石砾和石块含量较高。热量水平较高的山地中、北亚热带地段,紫色母岩母质特征不明显的地段发育为红壤性土,母质残留明显的地段则为紫色土,山地暖温带、中温带地段紫色母岩母质特征均不明显,发育为黄棕壤性土。
3.1.2. 母岩和母质
保护区出露的地层以侏罗系中上统和白垩系下统为主,成土母岩以紫红色岩类(紫红色、紫灰色砂岩、砂页岩、泥岩、砾岩等)为主,亦有小面积的泥质岩类(千枚岩等)、石英岩类(石英岩等)和碳酸盐岩类(泥灰岩、硅灰岩等)。上述母岩经风化、侵蚀、搬运、堆积后,分别形成残积物、残坡积物、冲积物、洪积物、红色黏土等母质类型,以广布于山坡上的残积物面积最大,其次是残坡积物、坡积物,河谷地区有冲积物,沟口有洪积物、冲洪积物,为保护区土壤的形成提供了物质基础。因砂岩、砂页岩出露面积很大,以致风化壳和土壤中,砂粒(粒径0.05~2.0 mm)含量均高于60.0%,黏粒含量普遍低于16.0%,质地类型以壤质砂土为主,次为砂质壤土,且石砾、石块含量较高,大多在15%~60%之间,等级大多为多砾质、中等砾质。
出露紫红色岩类的陡坡地段,土体浅薄,紫色母岩母质特征残留明显,土壤发育还停留在幼年的紫色土阶段,呈斑状、点状镶嵌在红壤带中。低阶地、河漫滩、边滩等地貌部位,母质主要为第四纪冲积物、冲洪积物,成土时间段,剖面发生层分化不明显,冲洪积物特征残留显著,属于发育程度很低的冲积土。
3.1.3. 气候
保护区所处水平气候带(基带)为中亚热带(1450~1750 m),具有滇西低纬高原西部型中亚热带季风气候的典型特征。具有冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,降水较丰沛,季节变化很大,干湿(雨)季分明等特点 [21] [22] 。据永平气象站35年气候统计资料,年均温15.9℃,最热月(7月)均温21.5℃,最冷月(1月)均温8.1℃,气温年较差13.4℃,年 ≥ 10℃积温5100.5℃,年降水量为932.9 mm,雨季(6~10月)为749.7 mm,占全年降水量的80.4%,相对湿度为82.2%,干季(11~翌年5月)降水量183.2 mm,只占年降水量的19.6%,相对湿度为69.6%。自保护区最低点到最高点年均温由15.2℃递减至8.4℃左右,最热月(7月)均温由20.6℃递减至14.9℃左右,最冷月(1月)均温由7.6℃逐渐降低至−0.2℃左右,气温年较差由15.0℃左右递减为13.0℃,年≥10℃积温由5000.0℃左右降低至1550.0℃左右,热量带由中亚热带逐渐向中温带过渡,年降水量由1010.0 mm左右递增至1510.0 mm左右,水热组合由暖热半湿润向温暖半湿润、温凉湿润、冷凉潮湿过渡。致使基本成土过程由中等强度的富铝化过程逐渐减弱,淋溶、黏化及生物累积过程逐渐增强,地带性土类由红壤逐渐过渡为黄棕壤、棕壤,形成明显的土壤垂直带谱。
3.1.4. 植被及人类活动
植被是影响土壤发育和演化最活跃的因素,也是确保土壤生态系统平衡、稳定最重要的条件。不同植被带内,所发育的土壤类型及其性质存在显著差异。受气候的影响和控制,保护区内植被类型较多,垂直分带较明显。主要有半湿润常绿阔叶林(如元江栲林、高山栲林)、中山湿性常绿阔叶林(如包斗栎林、多变石栎林)、山顶苔藓矮林(如马缨花杜鹃林)、暖温性针叶林(云南松林、华山松林)。保护区西部边缘河谷地区,尚有小面积的人工植被,如核桃等木本经济林、水稻等农作物。半湿润常绿阔叶林区发育的土壤主要为红壤、红壤性土,湿性常绿阔叶林区发育的土壤主要为黄红壤、黄棕壤、黄棕壤性土。
总体而言,保护区原始森林植被,面积大,均为国有林,保护比较完好,枯枝落叶归还量大,生物小循环过程正常,土壤–植被系统稳定,土壤的发育和维护处于良性状态。在保护区边缘,尤其是西部麦田村、旧寺村、麦地村、大河村,历史上开荒垦殖、薪柴砍伐、放牧等人为活动较频繁,部分地区,植被受到干扰破坏严重,次生性质突出,土壤侵蚀等退化过程明显。
3.2. 土壤分类与分布
3.2.1. 土壤分类
根据土壤发生学原理、土壤地带性分布规律和土壤属性,对典型剖面形态特征、成土过程的分异及各发生层理化性质进行对比分析,依据《中国土壤分类系统》,将保护区土壤划分为铁铝土、淋溶土、初育土3个土纲,湿热铁铝土等5个亚纲,红壤、黄棕壤等5个土类,黄红壤、暗黄棕壤等7个亚类(表2)。其中,面积最大的土壤亚类是黄红壤,其次是暗黄棕壤,酸性紫色土、冲积土、棕壤和红壤性土、黄棕壤性土面积都很小。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Soil classification system for protected areas
表2. 保护区土壤分类系统
3.2.2. 土壤分布、性质及垂直变化特点
从云南地带性土壤分布模式——“山原型水平地带”来看,保护区所处土壤水平带为滇西山原上发育的红壤带。在山原红壤带(2400 m以下)之上的博南山中上部,则依次发育了属于正向垂直地带的黄棕壤带(2400~2700 m)和棕壤带(2700 m以上)。在红壤带内,还有小面积的幼年性的紫色土、冲积土和人工水稻土。
由于保护区内高差较大,水分和热量垂直分异较明显,土壤的形成过程、性状特征垂直变化也表现明显。随海拔高度的增加,表土层和心土层颜色由浅变深。表土层:黄红壤的暗黄橙(7.5YR 6/8)、棕灰(5YR 4/2)、暗棕(7.5YR 3/4) → 黄棕壤的黑红(10YR 2/1)、黑棕(7.5YR 2/2) → 棕壤的黑土(5YR 2/1)。心土层:黄红壤的黄橙、暗灰黄(2.5YR 4/4)、淡棕(7.5YR 5/6)、黑棕(7.5YR 2/2) → 黄棕壤的暗棕(7.5YR 3/4)、黑棕(7.5YR 2/2) → 棕壤的黑棕(7.5YR 2/2)。这表明,随海拔高度的增加,土壤富铝化过程由中等强度逐渐减弱,淋溶、黏化过程和腐殖质累积过程则逐渐增强。
干湿状况:雨季末干季初(2016年11月上旬)的调查结果表明,由保护区边缘到叮铛山山顶,土壤水分状况:润 → 湿润 → 潮湿。表明土壤自然水分含量随海拔升高而增多,原因是随海拔升高,气温下降,降水增多,空气湿度增大,土壤蒸发减弱之结果。
质地状况:保护区砂岩、砂页岩出露面积大,受其影响,土壤中砂粒、砾石含量普遍较高,并具有随坡度增大而明显增多的趋势。在植被覆盖较差的陡坡地段,风化壳和土壤发育程度低,加之重力梯度大,土壤自然侵蚀较强烈,砂砾含量更高,粗骨性很强。
有机质含量:随海拔高度的增加,表土层土壤有机质含量随之增加。原因是高海拔地区,气候冷凉潮湿,有利于腐殖质的合成和累积。此外,植被保存好的地段以及缓坡地段,土壤有机质含量偏高,反之,则偏低。
3.3. 土壤性状特征
3.3.1. 黄红壤
黄红壤是保护区内面积最大的一个土壤亚类,是红壤向黄棕壤过渡的类型,分布于保护区内海拔2400 m以下的亚高山下部和中山上部。气候类型为山地北亚热带、暖温带湿润、半湿润季风气候。植被以半湿润常绿阔叶林(如元江栲林、高山栲林)为主,次为次生的暖温性针叶林(云南松林、华山松林)、落叶阔叶林(旱冬瓜林)等。母岩为紫红砂岩、粉砂岩、页岩等紫红岩类和千枚岩等泥质岩类,母质以风化残积物、残坡积物为主。分布区湿度高于红壤亚类,而热量略低,富铝化过程弱于红壤亚类,黄化过程不及黄壤强,黏粒硅铝率在2.5左右,高于红壤亚类。土体较深厚,剖面构型为A-B-BC-C或A-AB-B-C型,腐殖质层颜色为黑棕(5YR 2/1)、暗棕(7.5YR 3/4),质地大多为砂质壤土,团粒状、小团块状结构。心土层为淡棕(7.5YR 5/6)、红棕(5YR 4/6),粘粒含量较少,以砂质壤土、壤质砂土为主。底土小团块状或单粒状结构。全剖面深受砂岩、粉砂岩的深刻影响,多半风化砂岩石块、石砾,土体疏松至较疏松,通体呈强酸性,pH值4.2~6.0之间。表土层、亚表土层有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾含量很高或高,并随深度显著降低。紫色土分布区全钾含量全剖面都很高,其余地区含量中等至低。碱解氮含量全剖面都普遍很低,随土层深度增加而降低。植被繁茂地段土壤各种养分普遍高于稀树地区。除了速效磷外,自然土壤各种养分含量普遍高于旱耕地土壤和近几年退耕地土壤。
以勺菜洼粉砂岩风化残坡积物上发育的05号黄红壤剖面和勺菜洼麦田河边06号黄红壤剖面为例,其剖面形态特征见表3,土壤理化性质见表4和表5。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Environmental factors and main morphological characteristics of soil profile in protected areas
表3. 保护区土壤剖面环境因子和主要形态特征
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 4. Composition of soil machinery in protected areas
表4. 保护区土壤机械组成
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. Soil chemical properties of protected areas
表5. 保护区土壤化学性质
3.3.2. 黄棕壤
有暗黄棕壤和黄棕壤性土2个亚类,分布于黄红壤带之上海拔2400~2700 m范围内的亚高山地区,以暗黄棕壤亚类为主,是保护区内面积第二大的土类。黄棕壤性土面积很小,仅分布于陡坡地段,发育程度很差,土体浅薄,粗骨性很强。气候类型为山地中温带湿润季风气候,多云多雾,土壤、空气潮湿。植被由下部的中山湿性常绿阔叶林(如包斗栎林、多变石栎林)向上逐渐过渡为山地苔藓矮林(如马缨花杜鹃林)等,树干上和地面地衣、苔藓较多。成土母质主要为紫红岩类的风化残积物、坡积物。成土特点表现为较强烈的腐殖化过程、明显的淋溶、黏化过程和弱富铝化过程。土壤发育程度普遍较高,土体较深厚,大多在60~90 cm之间,仅山顶、山脊和陡坡部位较浅薄,大多厚30~50 cm。
土体构型一般为O-AB-B-C,土表有厚约3~6 cm的未分解和半分解的枯枝落叶层,由腐殖质层至母质层,颜色由黑棕(5YR 2/1)、暗棕(7.5YR 3/4)逐渐变为暗黄棕(7.5YR 6/8)、棕黄(2.5YR 4/4)、黄棕(10YR 5/8),质地由砂质壤土、壤土逐渐变为壤质砂土,结构由团粒状、小团块状逐渐变为团块状结构,紧实度由疏松、较疏松变为较紧实。土壤pH值4.2~5.8,呈酸性反应。腐殖质层深厚,有机质、全氮、全磷、全钾含量,全剖面都很高。速效磷和速效钾腐殖质层含量很高,向下随深度逐渐降至中等。碱解氮全剖面含量都很低(表5)。黄棕壤是保护区肥力最高的土壤类型之一,是保护区中山湿性常绿阔叶林生态系统和珍稀濒危动植物最主要的分布区,也是最重要的水源涵养区域。
以席草塘02号、黑泥塘04号和马鹿塘03号砂岩风化残积物、残坡积物发育的3个黄棕壤剖面为例,其剖面形态特征见表3,土壤理化性质见表4和表5。
3.3.3. 棕壤
只有棕壤一个亚类,分布于保护区海拔2700 m左右的最高峰叮铛山山顶,分布面积很小。植被为以栎类、杜鹃类为主的中山湿润常绿阔叶林,云雾多,湿度大,气候类型为山地中温带湿润季风气候,是保护区土壤、空气最潮湿的区域。成土母质为紫灰色粉砂岩、砂页岩的风化残积物。其成土过程具有明显的黏化过程和强烈的生物累积过程。土体较疏松,全剖面颜色深暗,以黑棕(7.5YR 2/2)和暗棕(7.5YR 3/4)为主,团粒状结构。从机械组成看,各层都含有少量石砾,砂粒多,黏粒较少,质地多为少砾质壤质砂土或砂质壤土(表4)。通体呈酸性至强酸性反应,土壤有机质、全氮、全磷含量,全剖面都很高,速效磷、速效钾含量表土层很高,向下减少至中等、低,全钾含量全剖面中等至低,速效氮含量全剖面均很低(表5)。总的来说,棕壤是保护区肥力最高的土壤类型之一,是温凉性森林生态系统和珍稀濒危动植物的主要分布地区之一,也是该地区主要的水源涵养区域之一。
以叮当山山顶大地水准点附近的01号棕壤剖面为例,其剖面形态特征见表3,土壤理化性质见表4和表5。
3.3.4. 紫色土
只有酸性紫色土一个亚类,斑块状、条带状分布于出露紫色沙页岩的陡坡地段,所占面积较小。成土母质为侏罗系、白垩系紫红岩类(紫色、紫红色砂岩、粉砂岩、页岩)的风化残积物、残坡积物。因发育程度低,土壤富铝化特征不明显,性状特征尚保持幼年阶段。土体浅薄疏松,腐殖质层较薄,淀积层不明显,剖面中下部呈紫色、紫棕色、紫灰色等。土体内多母岩碎块、砾石、粗砂,质地轻粗,粗骨性强,结构差,蓄水保肥能力低,抗冲、抗蚀性能差,植被稀树地段,尤其是陡坡及山脊部位,土壤自然侵蚀较强烈,地表多裸岩,沟谷较发育。速效钾含量丰富,速效氮含量中等,全量氮、磷、钾及速效磷含量低,具有较高的潜在肥力,pH值5.0~6.0,通体无石灰反应(表6)。需要指出的是,紫色土分布区植被一旦受到破坏,极易发生土壤侵蚀,而且恢复植被极不容易,应重点加以保护。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 6. Chemical properties of acidic purple soil in protected areas
表6. 保护区酸性紫色土化学性质
4. 结论
保护区发育分布有红壤、黄棕壤、棕壤三个土壤垂直带,陡坡、山脊、山顶等地段,因成土环境不稳定,土体较薄,土壤发育较差,其他土层深厚,结构、质地、通气、透水等物理性质良好,有机质、N、P、K含量丰富,自然综合肥力普遍很高,都适宜半湿润和湿润常绿阔叶林及暖温性、温凉性针叶林的生长。所形成的良好土壤-植被系统还维持了土壤中丰富的微生物和动物区系以及博南山景观的空间异质性,涵养了水源,调节了气候,降低了附近地区泥石流、滑坡、洪灾等自然灾害发生的频率和强度,保障了附近社区的生态安全和用水安全,改善、协调了区域生态环境。
保护区及附近地区的成土母岩主要为紫红色、灰白色砂岩、砂页岩类。这些母岩结构性差,易崩解破碎,土体普遍较疏松,粘结性差,抗侵蚀冲刷能力弱,具有潜在的脆弱性。保护区坡度大的地段,风化壳和土体浅薄,植被稀疏处雨季(6~9月)发生大雨、暴雨容易诱发强度不等的土壤自然侵蚀。
保护区边缘村庄附近受人类活动的干扰,部分天然林地被开垦为耕地,部分森林植被退化明显,覆盖率低,组成和结构较差,枯落物少,灌草层不发达。放牧(山羊、牛等)现象至今仍然突出,不利于森林植被尤其是林下灌草层的恢复,土壤加速侵蚀依然存在。
5. 讨论
1) 加强管护,保护好现有各类森林植被
植被是影响土壤发育和演化的最活跃的因素,也是确保土壤生态系统平衡、稳定最重要的条件。因此,要加强管护,严格执行自然保护区管理条例及有关法规,确保现有各类植被不受人为干扰,退化植被能正常恢复、更新,以维持、稳定林下土壤,促进退化土壤的逐渐恢复。
2) 因地制宜,防治土壤侵蚀
针对保护区边缘存在的坡旱地,应统筹规划,继续实施退耕还林,种植水源涵养林等。针对附近地区的坡旱地、梯旱地,应调整土地利用方式,改种经济果木林,增加地表森林覆盖率,以减轻人为活动对保护区造成的压力,以有效防治土壤侵蚀。
3) 政府主导,增加投入,发展社区经济,增加社区群众的收入,改善和提高社区居民生活水平,帮助周边社区脱贫致富,使社区与保护区之间建立一种非过度消耗保护区资源的新型依赖关系,取得社区对保护区管护工作的支持。
4) 加强水土保持的宣传教育工作
加强领导,搞好水土保持的宣传教育工作,提高保护区及附近地区社区居民的水土保持意识。