喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响

中国农业科学2007,40(6):1214-1221ScientiaAgriculturaSinica收稿日期：2006-09-22；接受日期：2006-12-08基金项目：国家重点基础研究项目（2006CB403200）和贵州省省长人才基金（2003-04-018）项目资助作者简介：刘方(1964-)，男，贵州天柱人，博士，教授。研究方向为土壤环境化学。Tel：[phone]；Fax：[phone]；E-mail：[e-mail]喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响刘方1,2，罗海波2，刘元生1，刘鸿雁2，何腾兵1，龙健3（1贵州大学环境与资源研究所，贵阳550003；2贵州省喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳550003；3贵州师范大学地理科学系，贵阳550002）摘要：【目的】探讨农业土地利用过程中喀斯特浅层地下水化学变化及农业种植活动对地下水质量的影响。【方法】在贵州中部喀斯特石漠化地区对不同生态区（阔叶林区、农林交错区、旱作农业区、复合农业区）进行植被和土壤调查及浅层地下水和地表径流水的采样分析。【结果】喀斯特石漠化区生态模式从阔叶林生态系统-农林生态系统-旱作农业生态系统-复合农业生态系统方向的演替过程中，其浅层地下水的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Cl-、PO43-、NO3-、Pb的含量发生了明显的变化，在以种植玉米为主的低复种指数地区表现为NH4+及Pb、Cd含量的增加，而在以种指玉米或水稻、疏菜或油菜的高复种指数地区则表现在NO3-、SO42-、NH4+及Pb、Cr和Cd含量的增加。【结论】高复种指数农业区地下水的化学组成发生了明显地变化，浅层地下水质量出现一定程度的下降；作物种植结构和施肥水平是影响地下水质量的重要因素，在喀斯特地区发展农业生产的同时要兼顾地下水资源的保护。关键词：喀斯特；石漠化；农业土地利用；浅层地下水；水质TheEffectofAgriculturalLandUsageonShallowGroundwaterQualityinKarstRockyDesertificationAreaLIUFang1,2,LUOHai-bo2,LIUYuan-sheng1,LIUHong-yan2,HETeng-bin1,LONGJian3(1EnvironmentandResourceInstituteofGuizhouUniversity,Guiyang550003;2TheKeyLaboratoryofKarstEnvironmentandGeologicalDisasterPreventionofGuizhouProvince,Guiyang550003;3GeographyDepartmentofGuizhouNormalUniversity,Guiyang550002)Abstract:【Objective】Thispaperfocusedonchemicalcompositionchangesofshallowgroundwaterinagriculturallandusageandtheeffectsofagriculturalplantingactivityonthequalityofshallowgroundwater.【Method】Thevegetationsandsoilswereinvestigated,andgroundwaterandrunoffweresampledinvariousagriculturalecologicalareasofkarstrockydesertificationareasinGuizhouprovince.【Result】Undertheorderofecologicalpatternfromforestecologicalsystem,forest-agricultureecologicalsystem,dryfarmingecologicalsystemtocomplexagricultureecologicalsysteminkarstrockydesertificationareas,thecontentsofHCO3−,SO42−,Ca2+,Mg2+,Na+,K+,NO3−,Cl−,NH4+,PO43−,Pbinthegroundwatermarkedlychanged,whichthecontentsofNH4+,Pb,CdobviouslyincreasedinthegroundwaterfromtheregionswithlowerindexofplantingcropsandthecontentsofSO42−,NO3−,NH4+,Pb,Cd,Crsignificantlyincreasedinthegroundwaterfromtheregionswithhigherindexofplantingcrops.【Conclusion】Thechemicalcompositionofshallowgroundwaterdistinctivelyvariedandgroundwaterqualitydecreasedtosomeextentintheregionswithhigherindexofplantingcrops.Themainimpactfactorsonthequalityofgroundwaterwerethestructuresofplantingcropsandfertilizinglevel.Inkarstareas,mreattentionongroundwaterresourceprotectionarecalledonduringagriculturalproduction.Keywords:Karst;Rockydesertification;Agriculturallandusage;Shallowgroundwater;Waterquality6期刘方等：喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响12150引言【研究意义】喀斯特地区多为峰林、峰丛、峡谷地貌，溶蚀、水蚀作用显著，形成的土壤浅薄，土被不连续，生态环境脆弱，在人为干扰下南方喀斯特森林普遍出现退化，植被覆盖率明显下降，土壤和表层岩溶带水环境退化，出现类似荒漠的石漠化景观[1]。喀斯特石漠化地区大部分土层较厚的土壤被开垦为耕地，形成以玉米为主体的农业生态系统，生态系统结构简化，而人类活动强度加大，进一步加剧了石漠化的发展。由于农业土地利用改变了原本的植被类型、覆盖状况及土壤理化性质等，使得地表物质大量迁移进入水文循环系统，不仅造成自然植被退化与水土流失，还加剧了农业面源污染及地下水污染的发生[2~4]。研究喀斯特石漠化区不同生态模式下浅层地下水质量的演变，有助于了解农田生态对水文环境的影响。【前人研究进展】喀斯特地区的环境问题昀集中的体现在植被退化、水土流失及水环境污染方面[3~5]。由于喀斯特具有独特的二元水文结构，地下水的动态变化与地表水存在直接的联系，生态环境退化引起地下水系统自我调蓄能力与净化能力降低，使赋存于岩层中的地下水资源量的时空分布变得极不均匀，总资源量减少和水质退化[6~8]。农业活动已成为喀斯特地下水污染的重要原因，特别是化学肥料和农药的施用对地下水环境产生了明显地影响[9,10]。制定区域的环境管理政策，限制农用化学物质的施用，保护地下水资源，成为喀斯特地区环境保护的主要目标之一[11]。【本研究切入点】目前国内学者在喀斯特水文特征、地表水和岩溶水化学特征以及土地利用方式对地下水质量的影响方面进行了一些研究[3,4,6~8,12~15]，就农业土地利用过程中对喀斯特地下水质量的影响还缺乏系统的研究。本文从喀斯特生态系统的角度，把植物（作物）-土壤-水体作为一个整体，系统的研究喀斯特农业土地利用过程中浅层地下水质量的演变。【拟解决的关键问题】针对不同农业活动强度的喀斯特生态区，了解浅层地下水化学组成的演变过程，评价农业种植活动对地下水质量的影响，探讨影响地下水质的主要因素及有效的农业管理途径。1材料与方法1.1调查地区的基本概括本研究调查区属典型的亚热带湿润气候，年均温为15～16℃，年降雨量为1100～1200mm，海拔变化范围在900～1300m，成土母岩主要是白云质灰岩、泥质灰岩，其次是白云岩，土壤类型主要是黑色石灰土、黄色石灰土，调查区内大部分地区植被稀疏，多数地区森林覆盖率在5%～20%，植被覆盖率为30%～70%，基岩裸露率（没有植被覆盖情况下岩石出露的面积占土地面积的百分率）在20%～60%，土地开垦率（长期种植农作物的耕地面积占土地面积的百分率）在10%～50%。从整体来看，属轻度至中度石漠化区。野外调查分4个区域进行，第一区域为阔叶林区，该地区部分原生植被和大部分次生植被保护比较完好，森林群落优势种主要有香椿（Toonasinensis）、乌桕（Sapiumrotundifolium）、香叶树（Linderacommunis）、密花树（Rapaneaneriifolia）、枫香（Liquidambarformosana）、朴树（Celtissinensis）、圆果化香（Platycaryalongipes）等，森林覆盖率达20%～70%，仅有局部地段零星种植作物，形成以次生林为主的森林生态系统。第二区域为农林交错区，该地区原生植被绝大部分受到破坏，局部地方存在稀疏的次生阔叶林，多数为灌木草丛，灌木群落优势种主要有花椒（Zanthoxylumbungeanummaxim.）、火棘（Pyracanthafloruneana）、小果蔷薇（Rosacymosa）、月月青（Iteailicifolia）、悬钩子（Rubussp.）等，草本群落优势种主要有五节芒（Miscanthusfloridulus）、扭黄茅（Heteropogoncontortus）、狗芽根（Cynodondactylon）、莎草（Cyperussp.）等，森林覆盖率仅有5%～10%，土地开垦率在20%～40%，农林地交错分布，复种指数低，形成以玉米和灌木或花椒为主的农林生态系统。第三区域为旱作农业区，该地区多数土地开垦为耕地，主要种植玉米、烤烟、小麦、油菜，土地开垦率在40%～70%，旱地占耕地面积的80%～90%，局部低洼的地方有稻田分布，复种指数较高，形成以玉米和油菜为主的旱作农业生态系统。第四区域为复合农业区，该区域以村寨为中心，在村寨周围地势较高的地段为长期种植作物的旱地，主要种植蔬菜、玉米、烤烟、油菜等，旱地边缘局部种植有核桃、石榴、竹类等；在地势低洼的地段主要种植水稻、油菜，稻田占耕地面积的30%～50%，形成高复种指数的复合农业生态系统。在上述四个区域中，采用样地调查的方法，在地形地貌、坡度以及岩性（白云质灰岩和石灰岩）相对一致下，设置样地（n=20）进行植被和土壤调查。1.2野外土壤样品和地表径流水样采集和测定方法于2005年5～6月在阔叶林区、农林交错区、旱1216中国农业科学40卷作农业区、复合农业区的样地上进行土壤样品的采集，每个样方内选取5～8个样点，采集样地表层土壤（0～15cm）混合样品。土壤样品风干后，研磨通过1mm筛孔，供实验与测试分析。土壤测定项目有pH值、有机质、碱解氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效钙和镁以及粘粒含量，其中有效磷采用Olsen法测定，有效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定，有效钙和镁采用醋酸铵浸提-EDTA滴定法测定，有效硫采用硫酸钡比色法测定，其它项目采用常规的方法测定[16]。同时，在调查的样地上，选择坡度较一致的地段，采用无界径流小区法设置径流收集槽[17]，在相同时间的自然降雨条件下（降雨量为20～40mm·h-1）进行地表径流样品的收集。采集的地表径流水样，盛于清洁的塑料瓶中，并及时送实验室分析。室内量取200ml径流液通过0.45µm滤膜，对过滤的水样进行分析测定，测