贵州不同碳酸盐岩坡耕地土壤侵蚀特征研究

张旭贤，高华端，孙利军，潘平晓，蒲浪超

(1.贵州大学林学院，贵州贵阳 550025;2.贵州省公益林管理中心，贵州贵阳 550001;3.仁怀市水利局，贵州仁怀 564500)

贵州省地处云贵高原东部，土地总面积17.61万km2，其中的92.5%为山地和丘陵。省内碳酸盐岩广布，喀斯特地貌面积高达10.9万km2，占全省土地总面积的61.9%。省内碳酸盐岩类型多样，大体可分为纯灰岩、泥灰岩、纯白云岩及泥质白云岩4种。全省有坡耕地107.8万hm2，占耕地总面积的58%。坡耕地是贵州耕地资源的重要组成部分，也是省内水土流失的多发区、易发区及江河水患沙患的主要源地，全省流失的泥沙90%来自于坡耕地，严重影响了当地的生态安全与经济发展，因此对全省坡耕地水土流失进行治理就显得非常重要。防治土壤侵蚀首先需要掌握的是其侵蚀特征，而岩性是影响土壤侵蚀的重要因素之一，由于土壤对母质及基岩有较强的继承性，岩性的差异在一定程度上决定了土壤的理化性质及土壤侵蚀特征［1］。目前，我国在土壤侵蚀特征研究方面已取得了大量成果［2-3］，对喀斯特地区的土壤侵蚀特征也有许多报道。然而，喀斯特地区的土壤侵蚀研究在基于岩性方面大多是将碳酸盐岩分为白云岩与石灰岩两大类与非碳酸盐岩进行对比，而很少对碳酸盐岩岩性进行细分［4］，因此对不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的侵蚀特征及在碳酸盐岩组内不同碳酸盐岩对土壤侵蚀特征是否有影响，对哪些侵蚀特征指标有影响，有什么样的作用规律及机理却不得而知。

土力学特性、土壤崩解及冲刷模数均属受土壤理化性质影响的综合指标，能够在总体上体现土壤的侵蚀特征［4］。本研究以喀斯特地貌较为发育的贵阳市为研究区，以4种碳酸盐岩发育坡耕地土壤的紧实度、冲刷模数、崩解速率及土壤可蚀性K值来综合反映喀斯特地区不同碳酸盐岩发育土壤的侵蚀特征，研究结果可为喀斯特地区的水土流失防治提供参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

贵阳市位于 E106°27'—107°03' 、N26°11'—26°55'之间，地处贵州省中部、云贵高原东斜坡，地跨长江流域与珠江流域的分水岭地带，总面积8 034 km2，属亚热带季风湿润气候，年降水量1 197～1 248 mm。具有典型的高原和喀斯特地貌特征，区内碳酸盐岩广布。地貌类型多样，丘陵、山地、盆地相间分布，农业人均耕地仅0.17 hm2，由于是山区，因此有许多是坡耕地。区内人地矛盾较突出，水土流失及石漠化较严重。

1.2 研究方法

根据贵阳市碳酸盐岩的分布特点，选择青岩、花溪、乌当三地作为采样区，按纯白云岩、泥质白云岩、纯灰岩、泥灰岩4种岩性布设样地，每种岩性布设5个样地，采用穿越方式进行调查采样。样地尽量保持海拔、坡度、坡位等一致，为便于比较，要求样地均为经过长时间自然沉降且土壤结构比较稳定的玉米地。选好样地后开挖剖面，并对土层厚度、石砾含量及母岩岩性进行观察记录，然后铲去顶部5 cm厚的表土，用美国DICKEY-john 6100型(kPa)土壤紧实度仪测定土壤紧实度，再用环刀及原状土取样器各采集3份原状土，并从打过环刀的位置取些许土壤放入铝盒，带回实验室烘干称重，然后计算土壤自然含水量、容重，及时进行原状土冲刷与崩解试验。同时采集约1 kg袋装土，带回实验室处理后进行土壤理化性状分析，测定其机械组成及有机碳含量。对每个土样的每个指标进行3次平行测定，求其平均值，并用EXCEL与SPSS18.0进行统计分析。

1.3 土壤抗冲性测定

土壤抗冲性采用蒋定生等设计的抗冲槽测定［5］。测定时，先用方形环刀(20 cm×10 cm×6 cm)取原状土样带回实验室，然后将土样放入抗冲槽内，将坡度设置为15°，控制冲刷流量为30 mL/s，冲刷时间为10 min，冲刷完毕后将被冲走的土壤烘干称重并计算出土壤冲刷模数〔g/(m2·min)〕。

1.4 土壤崩解测定

在野外将土样削成7 cm×7 cm×7 cm土块带回实验室，然后再将土块削成5 cm×5 cm×5 cm的立方体崩解样并将其置于自制的带浮标铁丝网上，放入静水中让其自然崩解，根据蒋定生等设计的崩解仪原理测定土壤崩解速率(cm3/min)［6］。

1.5 土壤可蚀性K值的测算

在室内，采用吸管法测定土样的机械组成(2.00～0.05、0.05 ～0.002、＜0.002 mm)，用浓硫酸-重铬酸钾氧化法测定土样有机碳含量。在测定土壤机械组成及有机碳等参数的基础上，用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型［7］求算土壤可蚀性K值，以便进行对比研究。

2 结果与分析

2.1 基于土壤理化性质的土壤特征分析

土壤的理化特性与其侵蚀特征息息相关，是解释土壤侵蚀特征差异的重要依据。将野外调查与室内分析的土壤理化指标进行统计得到表1。从表1土层厚度来看，碳酸盐岩形成的坡耕地土壤土层浅薄，平均厚度在35 cm左右，因而较小的侵蚀便可对碳酸盐岩发育的土壤造成很大的影响;从石砾与黏粒含量来看，碳酸盐岩形成的坡耕地土壤石砾含量大多在3%～15%之间，而黏粒含量较高，大多在25% ～50%之间。总体上看，白云岩发育形成的坡耕地土壤石砾及黏粒含量都高于石灰岩发育形成的坡耕地土壤，因此白云岩发育的土壤紧实度高于石灰岩发育的土壤紧实度，具有较强的抗冲抗蚀性;从容重及持水量看，4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤容重较低，多集中在1.1～1.3 g/cm3之间，但持水能力较强，田间持水量在30%～55%之间，总体均值约为50%，这说明碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤具有较强的下渗及蓄水能力，就土壤本身来说不容易产生侵蚀。

表1 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤特征

2.2 不同碳酸盐岩发育形成坡耕地土壤的力学特征

土壤的紧实度主要受土壤机械组成、有机质、含水量、孔隙度及石砾含量的影响，这些指标集中反映了土壤内在的力学状况，可作为土壤侵蚀特征的力学指标。对调查数据进行统计分析的结果(图1)表明:4种碳酸盐岩发育的坡耕地土壤紧实度总体差异不显著，其值在400～650 kPa之间，总体均值约为550 kPa，是袁勇等［8］在黔中喀斯特地区研究得到的自然土壤紧实度的1/2～1/3，这与其容重较低的特性是一致的。表明年复一年的耕作活动使得碳酸盐岩形成的坡耕地土壤较为疏松，降低了土壤抵抗侵蚀的能力，但提高了土壤的下渗与蓄水能力，若采取水土保持耕作措施并注意排涝，则有利于提高土壤的蓄水保土能力。

图1 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的紧实度

2.3 不同碳酸盐岩发育形成坡耕地土壤的抗冲特征

土壤的抗冲性是指土壤抵抗径流机械破坏作用的能力。本研究采用相同试验条件下的原状土冲刷试验测定的土壤冲刷模数来表征土壤的抗冲性。冲刷模数属综合性指标，能够表征土壤侵蚀特征。由图2知，4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤冲刷模数平均值约为45 g/(m2·min)。通过方差分析可知，除泥灰岩与泥质白云岩外，其他岩性区坡耕地土壤冲刷模数差异显著，表现出纯白云岩＞纯灰岩＞泥质白云岩＞泥灰岩的变化特征。

图2 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的冲刷模数

2.4 不同碳酸盐岩发育形成土壤的抗蚀特征

土壤抗蚀性是土壤抵抗径流对其分散与悬浮的能力，本研究用5 cm×5 cm×5 cm的坡耕地原状土块在静水中的崩解速率(cm3/min)来表示。分析结果如图3所示。

图3 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的崩解速率

从图3可知，4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的抗蚀性差异不显著，这说明不同碳酸盐岩对土壤抗蚀性影响不大。由于碳酸盐岩形成的坡耕地土壤异质性较大，因此不同岩组内各实测值波动较大。同时，碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤平均崩解速率处于0.1～0.3 cm3/min之间，总体均值约为0.2 cm3/min，这个值是蒋定生［6］、曾光［9］等分别对黄土高原土壤抗蚀性研究得到的玉米地及农地土壤崩解速率的1/3～1/25，说明碳酸盐岩发育形成的土壤抗蚀性较强。碳酸盐岩发育形成的土壤之所以具有较强的抗蚀性，是由于碳酸盐岩形成的土壤都是由岩石溶蚀后剩余的杂质发育而来，具有较高的黏粒含量所致。

2.5 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的可蚀性特征

目前，评价土壤可蚀性有许多的方法与指标［10］，本研究采用EPIC模型计算土壤可蚀性K值来评价土壤可蚀性，式中所涉及的土壤机械组成粒径分级及K值采用美国制。土壤可蚀性K值仅为土壤理化性质的函数，可以客观地反映土壤抵抗侵蚀的敏感性，与降雨、坡度、土地利用类型以及人为活动无直接关系，是反映土壤侵蚀难易程度的综合性指标。从观测资料和图4可知，碳酸盐岩发育的坡耕地土壤可蚀性K值较低，其值在0.25～0.30之间，平均值约为0.29，此值与史冬梅等［11］用EPIC模型计算得到的紫色土坡耕地土壤可蚀性K值(转换为美国制K值为0.448)相比要小得多，说明碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤具有较高的抵抗侵蚀的能力。这可能是由于碳酸盐岩发育的坡耕地土壤具有较高的黏粒含量，而黏粒含量高的土壤具有较高的比表面能，土粒间内聚力大，黏结力强，所以可蚀性K值较低。对4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的可蚀性K值进行差异性分析，可知除泥灰岩与泥质白云岩外，其他岩性区坡耕地土壤可蚀性K值间均有显著的差异。4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤可蚀性K值表现出泥灰岩(0.304)＞泥质白云岩(0.299)＞纯灰岩(0.283)＞纯白云岩(0.272)的变化特征。

图4 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的可蚀性K值

2.6 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的侵蚀特征相关性

不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的侵蚀特征相关性分析(表2)表明:除土壤冲刷模数与土壤可蚀性K值之间存在显著负相关关系外，其余的不同侵蚀特征之间相关性不显著。不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的侵蚀特征之间相关性较弱，其中，土壤可蚀性K值、土壤崩解速率分别与土壤紧实度及土壤冲刷模数存在着负相关关系，土壤冲刷模数、土壤紧实度、土壤崩解速率分别与土壤可蚀性K值之间是负相关关系。

表2 不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤侵蚀特征的相关性

3 结果与讨论

(1)碳酸盐岩发育的土壤具有较高的黏粒含量，土壤抗冲抗蚀性较强，可蚀性低，可蚀性K值在0.25～0.30之间。但是，碳酸盐岩发育的土壤土层较薄，平均厚度约35 cm，其侵蚀特征总体上表现为低流失、高危险，应引起足够的重视。

(2)除泥灰岩与泥质白云岩外，其他碳酸盐岩对所发育形成的坡耕地土壤的冲刷模数与可蚀性K值产生极显著的影响，而对土壤紧实度及崩解速率影响不显著。

(3)岩性对各土壤侵蚀特征的影响规律并不一致，4种碳酸盐岩发育的坡耕地土壤的可蚀性K值表现为泥灰岩(0.304)＞泥质白云岩(0.299)＞纯灰岩(0.283)＞纯白云岩(0.272)，而冲刷模数的变化规律与之相反，具有显著的负相关关系。

(4)本研究以不同碳酸盐岩发育的坡耕地土壤为研究对象，探讨了不同碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤的侵蚀特征及岩性差异对土壤侵蚀特征的影响，为喀斯特地区的土壤侵蚀特征研究增添了新的内容，对认识喀斯特地区土壤侵蚀特征及机理有一定的参考价值，但研究未能考虑岩石的节理裂隙及地下孔隙，研究尺度较小，结果具有一定的局限性。

［1］吴际通，高华端，秦晓娇，等.黔中地区不同岩性区土壤抗冲性研究［J］. 贵州农业科学，2011，39(5):96-98.

［2］泮雪芹，刘占仁.云蒙湖流域不同土地利用类型的土壤侵蚀特征分析［J］.水土保持研究，2012，19(4):6-9.

［3］郭兵，陶和平.基于GIS和USLE的汶川地震后理县土壤侵蚀特征及分析［J］.农业工程学报，2012，28(14):118-126.

［4］高华端，孙泉忠，袁勇.喀斯特地区不同土地利用类型土壤侵蚀特征研究［J］.水土保持通报，2010，30(2):92-96.

［5］蒋定生，范兴科，李新华，等.黄土高原水土流失严重地区土壤抗冲性的水平和垂直变化规律研究［J］.水土保持学报，1995，9(2):1-8.

［6］蒋定生，李新华，范兴科，等.黄土高原土壤崩解速率变化规律及影响因素研究［J］.水土保持通报，1995，15(3):20-27.

［7］Williams J R，Renard K G，Dyke P T.EPIC:A new method for assessing erosion’s effect on soil productivity［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1983，38(5):381-383.

［8］袁勇，高华端，孙泉忠.黔中喀斯特地区不同地类土壤侵蚀研究［J］.中国水土保持，2010(6):50-52.

［9］曾光，杨勤科，姚志宏.黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型土壤抗侵蚀性研究［J］.水土保持通报，2008，28(1):6-9.

［10］阮伏水，吴雄海.关于土壤可蚀性指标的讨论［J］.水土保持通报，1996，16(6):68-72.

［11］史东梅，陈正发，蒋光毅，等.紫色丘陵区几种土壤可蚀性K值估算方法的比较［J］.北京林业大学学报，2012，34(1):32-38.