Chemical weathering characteristics of calcareous soil under different land-use patterns in a Karst mountainous area

doi:10.11686/cyxb2020315

Abstract

Abstract:

We determined the chemical weathering characteristics of calcareous soil profiles under different land-use patterns ［cultivated land （CL）， wild grassland （WGL）， returning farmland to grassland （RFL） and forest and grass intercropping （FGL）］ in the Karst mountainous area. The distribution， migration， and enrichment of mineral elements in calcareous soil profiles were analyzed， and the chemical weathering characteristics of soil under different land-use patterns were determined by measuring the soil weathering degree， element leaching degree， migration degree， and residual degree. It was found that the main oxides in the limestone profile in the Karst mountainous area were SiO₂， Al₂O₃， and Fe₂O₃， with smaller amounts of other oxides （medium-variable elements）. Comparing soils from areas with different land-use patterns， WGL soil was richer in SiO₂， Al₂O₃， and MgO； FGL soil was richer in CaO and Na₂O； and CL soil was richer in Fe₂O₃， MnO， P₂O₅ and K₂O. The soil in the study area was in the middle chemical weathering stage， with a weak degree of aluminization. The chemical alteration coefficient of the soil in desert grassland was stronger under certain land-use patterns. Aluminization was strongest in FGL soil. Leaching of soil K， Na， and Ca was severe in the study area， and leaching of salt ions was more obvious in barren grasslands. The strength of leaching of salt ions was relatively low in FGL soil. Soils had relatively high Fe and Al contents， especially Al in FGL soil and Fe in RFL soil. The implementation of governance models such as returning farmland to grassland to increase vegetation cover will significantly affect soil protection. These findings provide a scientific basis and theoretical guidance for understanding the formation and evolution of lime soil in the Karst mountainous area， soil degradation mechanisms， soil management and land-use countermeasures， ecological restoration， and soil and water conservation in ecologically vulnerable Karst areas.

Key words: mineral elements, chemical weathering, calcareous soil, the Karst mountainous area, different land use patterns

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Figures/Tables 7

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土地利用方式 Land use patterns	地理位置 Geographical position	海拔 Elevation (m)	坡度 Slope (°)	采样数 Hits	主要植被 Major vegetation	植被覆盖率 Vegetation coverage （%）	岩石裸露率 Rock exposure rate （%）
耕地 Cultivated land （CL）	25°49′56″-25°50′11″ N 105°11′57″-105°12′47″ E	1501~1591	14~23	21	玉米Zea mays；烤烟Nicotiana tabacum	-	28.50
荒草地 Wild grass land （WGL）	25°49′47″- 25°50′10″ N 105°11′26″-105°12′05″ E	1503~1577	20~28	47	蕨P. aquilinum；三叶草T. repens	52.00	58.50
退耕还草地 Returning farmland to grassland （RFL）	25°49′55″- 25°51′08″ N 105°11′26″-105°12′05″ E	1307~1520	25~40	88	青蒿A. carvifolia；皇竹草P. sinese；三叶草T. repens	72.45	27.56
林草间作地 Forest and grass intercropping （FGL）	25°49′54″- 25°50′10″ N 105°11′37″-105°12′04″ E	1519~1557	26~40	43	楸树C. bungei；三叶草T. repens；青蒿A. carvifolia	52.58	46.12

土地利用方式 Land use patterns	地理位置 Geographical position	海拔 Elevation (m)	坡度 Slope (°)	采样数 Hits	主要植被 Major vegetation	植被覆盖率 Vegetation coverage （%）	岩石裸露率 Rock exposure rate （%）
耕地 Cultivated land （CL）	25°49′56″-25°50′11″ N 105°11′57″-105°12′47″ E	1501~1591	14~23	21	玉米Zea mays；烤烟Nicotiana tabacum	-	28.50
荒草地 Wild grass land （WGL）	25°49′47″- 25°50′10″ N 105°11′26″-105°12′05″ E	1503~1577	20~28	47	蕨P. aquilinum；三叶草T. repens	52.00	58.50
退耕还草地 Returning farmland to grassland （RFL）	25°49′55″- 25°51′08″ N 105°11′26″-105°12′05″ E	1307~1520	25~40	88	青蒿A. carvifolia；皇竹草P. sinese；三叶草T. repens	72.45	27.56
林草间作地 Forest and grass intercropping （FGL）	25°49′54″- 25°50′10″ N 105°11′37″-105°12′04″ E	1519~1557	26~40	43	楸树C. bungei；三叶草T. repens；青蒿A. carvifolia	52.58	46.12

指标 Index	层次 Level (cm)	样本数 No. of samples	极小值 Min （g·kg^-1）	极大值 Max （g·kg^-1）	均值 Mean （g·kg^-1）	标准差 SD （g·kg^-1）	变异系数 CV （%）
SiO₂	0~10	72	184.89	571.74	381.73a	70.08	18.36
	10~20	72	202.42	588.75	390.01a	74.19	19.02
	20~40	45	207.33	629.07	400.92a	89.22	22.25
	40~60	10	289.77	650.22	400.96a	106.30	26.51
Al₂O₃	0~10	72	74.33	199.14	137.88b	24.83	18.01
	10~20	72	81.46	240.44	144.63b	28.67	19.82
	20~40	45	93.85	212.16	147.34ab	29.97	20.34
	40~60	10	115.52	205.70	160.25a	24.39	15.22
Fe₂O₃	0~10	72	30.85	131.28	83.07a	16.27	19.58
	10~20	72	42.43	121.96	88.29a	14.50	16.42
	20~40	45	50.97	124.51	87.77a	14.30	16.29
	40~60	10	72.87	97.38	84.66a	7.13	8.43
CaO	0~10	72	3.44	22.67	10.73a	4.96	46.25
	10~20	72	3.79	22.13	10.00ab	4.32	43.22
	20~40	45	3.17	20.30	9.63ab	3.82	39.65
	40~60	10	6.04	10.35	7.98b	1.31	16.36
MgO	0~10	72	9.48	24.95	13.93a	3.51	25.21
	10~20	72	9.37	26.17	14.34a	3.82	26.62
	20~40	45	9.88	24.71	15.19a	3.55	23.37
	40~60	10	10.07	22.81	14.83a	3.75	25.27
MnO	0~10	72	0.91	4.22	2.48a	0.88	35.26
	10~20	72	1.04	4.43	2.54a	0.89	35.07
	20~40	45	1.06	4.43	2.33a	0.92	39.39
	40~60	10	1.04	4.27	2.47a	1.04	42.19
P₂O₅	0~10	72	1.55	4.97	3.02a	1.01	33.33
	10~20	72	1.34	5.12	2.78a	1.04	37.54
	20~40	45	1.40	5.11	2.60ab	1.01	38.99
	40~60	10	1.55	2.96	2.17b	0.55	25.18
K₂O	0~10	72	4.98	17.39	11.73a	2.32	19.83
	10~20	72	5.22	18.58	12.17a	2.56	21.02
	20~40	45	5.39	31.96	12.45a	4.09	32.80
	40~60	10	4.81	13.29	8.88b	2.60	29.26
Na₂O	0~10	72	1.13	9.14	3.47a	1.41	40.71
	10~20	72	0.82	6.41	3.32a	1.23	37.19
	20~40	45	1.10	7.99	3.60a	1.22	33.84
	40~60	10	2.41	5.44	4.13a	1.26	30.60

指标 Index	层次 Level (cm)	样本数 No. of samples	极小值 Min （g·kg^-1）	极大值 Max （g·kg^-1）	均值 Mean （g·kg^-1）	标准差 SD （g·kg^-1）	变异系数 CV （%）
SiO₂	0~10	72	184.89	571.74	381.73a	70.08	18.36
	10~20	72	202.42	588.75	390.01a	74.19	19.02
	20~40	45	207.33	629.07	400.92a	89.22	22.25
	40~60	10	289.77	650.22	400.96a	106.30	26.51
Al₂O₃	0~10	72	74.33	199.14	137.88b	24.83	18.01
	10~20	72	81.46	240.44	144.63b	28.67	19.82
	20~40	45	93.85	212.16	147.34ab	29.97	20.34
	40~60	10	115.52	205.70	160.25a	24.39	15.22
Fe₂O₃	0~10	72	30.85	131.28	83.07a	16.27	19.58
	10~20	72	42.43	121.96	88.29a	14.50	16.42
	20~40	45	50.97	124.51	87.77a	14.30	16.29
	40~60	10	72.87	97.38	84.66a	7.13	8.43
CaO	0~10	72	3.44	22.67	10.73a	4.96	46.25
	10~20	72	3.79	22.13	10.00ab	4.32	43.22
	20~40	45	3.17	20.30	9.63ab	3.82	39.65
	40~60	10	6.04	10.35	7.98b	1.31	16.36
MgO	0~10	72	9.48	24.95	13.93a	3.51	25.21
	10~20	72	9.37	26.17	14.34a	3.82	26.62
	20~40	45	9.88	24.71	15.19a	3.55	23.37
	40~60	10	10.07	22.81	14.83a	3.75	25.27
MnO	0~10	72	0.91	4.22	2.48a	0.88	35.26
	10~20	72	1.04	4.43	2.54a	0.89	35.07
	20~40	45	1.06	4.43	2.33a	0.92	39.39
	40~60	10	1.04	4.27	2.47a	1.04	42.19
P₂O₅	0~10	72	1.55	4.97	3.02a	1.01	33.33
	10~20	72	1.34	5.12	2.78a	1.04	37.54
	20~40	45	1.40	5.11	2.60ab	1.01	38.99
	40~60	10	1.55	2.96	2.17b	0.55	25.18
K₂O	0~10	72	4.98	17.39	11.73a	2.32	19.83
	10~20	72	5.22	18.58	12.17a	2.56	21.02
	20~40	45	5.39	31.96	12.45a	4.09	32.80
	40~60	10	4.81	13.29	8.88b	2.60	29.26
Na₂O	0~10	72	1.13	9.14	3.47a	1.41	40.71
	10~20	72	0.82	6.41	3.32a	1.23	37.19
	20~40	45	1.10	7.99	3.60a	1.22	33.84
	40~60	10	2.41	5.44	4.13a	1.26	30.60

[1]	LIU Jian-Xin, WANG Jin-Cheng, LIU Xiu-Li. Effect of exogenous nitric oxide on active oxygen metabolism and mineral contents in oat seedlings under lanthanum stress [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 135-143.
[2]	SUN Hong,YU Ying-wen,MA Xiang-li,MU Xiao-ming,LIAO Jia-fa. A comprehensive evaluation of nutritional value of nine shrubs in the karst area of northwest Guizhou [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(5): 99-106.
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[4]	YANG Zhi-ping, ZHANG Qiang, ZHOU Huai-ping, CHEN Ming-chang. Effects of different phosphorous rates on nutrients and yields of forage-used Caragana [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(2): 103-108.