粤北岩溶峰丛自然坡面与梯田土壤侵蚀特征分析

2014-04-02魏兴琥徐喜珍周红艳李忠云

中国水土保持 2014年9期

魏兴琥，徐喜珍，雷俐，周红艳,李忠云

(1.佛山科学技术学院，广东佛山 528000； 2.华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631)

土壤侵蚀是一种夷平过程，是土壤和岩石颗粒在外力作用下发生的转运、滚动或流失，风和水是使颗粒变松和破碎的主要营力。土壤侵蚀是岩溶区发生石漠化最本质的过程，自1979年Legard首次提出岩溶地区生态环境问题后，由土壤侵蚀引发的岩溶区生态环境问题逐渐得到重视。我国是世界上岩溶面积最大的国家，岩溶区面积达344万km2。峰丛洼地是岩溶地区典型的地貌类型，是在溶蚀作用基础上形成的封闭或半封闭负地形和包括非可溶岩在内的与可溶岩组成的正地形[1]，其表层岩溶带具有地表、地下双重水文特征的特殊地质结构，水土环境异常脆弱，加之随着人为干扰的加重，土壤侵蚀越来越严重，区域生态环境十分脆弱，成为岩溶生态治理和生态扶贫的重点区域[2]。我国自20世纪50年代开始大规模开展土壤侵蚀科学研究并取得重要进展[3]，研究成果主要集中于生态脆弱区，其中喀斯特地区多为土壤侵蚀机理研究，比如：周忠发、李瑞玲、徐燕等指出喀斯特地区土壤侵蚀受碳酸盐岩的岩性及发育土壤的性质影响[4-6]；白占国等认为喀斯特地区土壤侵蚀受降雨和地形的影响[7]；张信宝等提出岩溶坡地土壤侵蚀是化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀的叠加[8]；杨智、杨成波、王明刚等通过人工模拟降雨试验进行喀斯特地区土壤侵蚀机理研究[9-11]；曹建华、蒋忠诚、杨德生等在厘定中国西南岩溶区土壤允许流失量的基础上，确定了西南岩溶区土壤侵蚀强度分级标准，揭示了土壤侵蚀与石漠化的因果关系[12-14]；李森、王明刚、张素红等在粤北岩溶山区开展了坡地土壤侵蚀模拟试验研究[15-18]；魏兴琥、黄金国等从土壤理化性质等方面对粤北岩溶环境的土壤侵蚀进行了研究与分析[19-20]。粤北岩溶山区是我国南方岩溶区的东延部分，面积20 576 km2，土地石漠化严重。粤北地区峰丛洼地面积大，峰丛坡面中下部较缓地带多被开发为梯田，原有自然坡面受到严重干扰。本研究对粤北岩溶峰丛自然坡面与梯田土壤粒度及侵蚀特征开展研究，以期揭示人类干扰对峰丛洼地地表生态结构的影响，为合理开发利用岩溶土地资源提供依据。

1 材料与方法

1.1 调查区概况

选择位于粤北岩溶山区的英德市岩背镇作为坡面土壤侵蚀特征典型调查区(图1)。调查区位于英德市西部，地理位置介于112°48′—112°52′E、24°16′—24°21′N之间，地势北高南低，东面分布有次生林地，西面大部分为裸露石灰岩山地。属亚热带季风气候区，年均气温17.5 ℃，年均降水量1 800 mm，区内分布有超过1 000 m2的人类开垦造成的极重度石漠化土地，岩石裸露率超过95%，土壤为红色石灰土。属典型的峰丛洼地地貌，六边形封闭峰丛，最底部有落水洞，最高峰与落水洞高差170 m，自然坡面海拔590—474 m，梯田海拔472—422 m。植被为典型石灰岩灌丛，具有岩生性，常见物种有竹叶椒、苎麻、野菊、悬钩子、单叶铁线莲、三裂叶葛藤、纤毛鸭嘴草、四季报春等[21]。山坡中下部被开垦为梯田，其农耕历史可追溯到民国初年，主要种植玉米、花生、大豆和各种蔬菜。

图1 粤北碳酸盐岩分布情况及调查区位置

1.2 调查采样方法

在调查区选择一典型坡面进行调查和采样。坡面上部为自然坡面，中下部为梯田。从坡顶到坡底设3条样带，间距6～10 m。自然坡面，每条样带自上而下按坡面距离间隔15 m设置样点，共3×11个样点；梯田，每条样带自上至下按坡面距离间隔15 m设置样点，共3×6个样点；每个样点设1个样方，尺寸3 m×4 m，考虑到峰丛坡面实际土层厚度和土壤特性，在样方内按土壤深度0—10、10—20 cm分层采集土样，每个样点重复采样3次。在采集土样的同时，详细记录样方的位置、海拔、坡度、土层厚度、岩石裸露面积、植被类型等。用铁钎法沿样方对角线和十字线每隔1 m测定一次土层厚度，取其平均值作为样方土层厚度。岩石裸露率通过测定样方内岩石出露面积并除以样方面积计算得到。

1.3 土壤粒度与数据分析

土壤粒度采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)测定。土壤机械组成按照我国土粒分级标准分为石块、石砾、砂粒(粗砂粒、细砂粒)、粉粒(粗粉粒、细粉粒)、黏粒5级。采用SPSS 10.0软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 峰丛自然坡面与梯田地表岩石裸露率、土壤厚度变化

从坡顶到坡中部，峰丛自然坡面坡度逐渐变缓，总体上岩石裸露率呈减少趋势，土层厚度呈增加趋势，见表1。相关性分析(表2)表明：岩石裸露率与土层厚度呈极显著负相关，与高程呈极显著正相关，与坡度呈显著负相关；土层厚度与高程、坡度均存在极显著负相关关系；高程与坡度之间存在极显著正相关关系。这一结果表明海拔和坡度是决定和影响峰丛自然坡面地表特征的主要因素。在粤北峰丛洼地，海拔越高的峰丛，其上部越陡峭，植被越稀疏，越容易受到雨水侵蚀，侵蚀造成了岩石裸露率增加，坡度越大则侵蚀土壤运移的速度和程度就越大。而在坡中下部的梯田，岩石被挖出作为田埂堆积，地表被平整，尽管从坡中部到坡底土层厚度有变厚的趋势，但与高程之间的Pearson 相关性系数为0.616，未达到显著水平。山地地形、坡度变化，加之坡面侵蚀长期作用势必造成峰丛洼地坡面土壤物质由上至下迁移，或堆积于洼地、裂隙、石缝间，或随水迁移，并最终进入落水洞、流入地下河。

表1 峰丛自然坡面与梯田地表特征

表2 峰丛自然坡面岩石裸露率、土层厚度、高程及坡度的相关性分析

对峰丛自然坡面岩石裸露率变化规律的进一步分析可以看出，随着海拔的降低，岩石裸露率总体呈下降趋势，但是不同坡面位置裸露率差异较大：坡顶，岩石裸露率高且变化小；海拔566 m到接近坡中部位置，岩石裸露率不断降低，降幅在30%以上；坡中部，岩石裸露率变化较大。这种变化规律的出现，一方面是由于岩溶地区峰丛洼地的高差造成的势能加大了地表径流的冲刷能力，致使地表水土流失严重，在峰丛的正地形地区极易形成地表径流，加之陡坡水流的加速度比较大，对土壤的冲刷能力较强，最终导致土壤流失和岩石裸露。另一方面，由于坡面物质的输入、输出区差异，山坡中上部及坡顶等正地形部位在雨水侵蚀下成为物质的完全输出区；坡中部承接了中上部的冲积物，又不断向下流失，物质积累与流失的程度取决于坡度的大小和地表径流的冲刷(由于坡度较缓，所以调查区峰丛坡面中部一般处于积累状态，岩石裸露率较小)；坡底附近通常坡度较缓，成为中、上部冲积物的承接地区，是土壤的输入区。此外，由于峰丛洼地地形破碎，坡面密布石沟、石槽、石坑、裂隙等小地形，致使地形对岩石裸露率空间变化的影响趋于复杂化和多样化。当土地利用类型变为耕地后，土层厚度总体呈增加趋势，并表现出与自然坡面的延续性：梯田上部和中部土层厚度变化幅度不大，随高程降低缓慢增加；在接近洼地底部的梯田，土层厚度增幅最大。虽然受到人类耕作的强烈干扰，但长期作用形成的自然坡面的地表特征依然存在。

2.2 峰丛自然坡面与梯田地表土壤粒度变化

峰丛自然坡面0—10、10—20 cm土层相同粒级的土壤机械组成表现出相似的变化趋势(图2)。土壤中砂粒尤其是细砂粒所占比例最高，砂粒平均含量为75.79%，其中0—10 cm土层粗、细砂粒含量分别为15.71%～54.44%、30.20%～54.73%，10—20 cm土层分别为17.03%～54.73%、32.46%～59.96%，细砂粒含量随峰丛海拔降低有增加趋势，粗砂粒含量在坡顶和山坡中上部高于细砂粒，但随海拔降低变化幅度较大；其次为粉粒和黏粒，0—10 cm土层粉粒和黏粒含量分别为7.00%～21.66%、1.19%～18.62%，10—20 cm土层分别为6.51%～23.04%、1.22%～12.25%；最后为石砾，所占比例最低，大多在1%以下。受地表形态和地形影响，在相同海拔不同粒级土壤含量有较大差别。粉粒和黏粒含量随海拔降低变化规律相似，即在峰顶含量很少，之后逐渐增加，在海拔566 m左右迅速减少，之后又有所增加，515 m左右再缓慢减少；除在坡中部有所减少外，细砂粒含量基本是随着海拔降低而增加；石砾和粗砂粒含量变化规律相似，在海拔538 m左右达到最高值，而这与黏粒含量的变化规律正相反。

图2 峰丛自然坡面不同深度土层土壤粒度随海拔变化

侵蚀是土壤颗粒变化与细粒物质迁移的主要驱动力，但在岩溶区决定侵蚀方式和程度的要素远比其他区域复杂。峰丛洼地地貌复杂，峰尖坡陡，岩石裸露，裂隙发育；坡中地形起伏，石笋、石牙耸立，沟、槽、缝发育，形成了多样化的微地形；坡下部地势趋缓，侵蚀物堆积。岩溶峰丛的整体地形特点决定了土壤物质由上至下搬运，岩溶环境的土—石二元结构造成地表侵蚀和地表土壤相似的非延续性特征，裸露的岩石切断了地表侵蚀路径，各种因岩石裸露而形成的微地形使坡面侵蚀运移的土壤细粒物就地堆积或残存于岩石沟、槽、缝中，而溶蚀裂隙又会产生土壤垂直渗漏流失。因此，峰丛洼地地表土壤侵蚀搬运是一个复杂的过程，既有地表侵蚀，又有垂直渗漏，既有由上至下的细颗粒物质迁移，又有局部微地形造成的堆积过程。根据土壤中砂粒物质含量可以看出，峰丛洼地的地表形态是长期侵蚀作用的结果，而粗颗粒物质随土壤深度减少则说明了垂直渗漏的存在。实际调查发现，粉粒和黏粒等细粒物质除受地表侵蚀影响外，更易受微地形影响，尤其是在岩石洼地、石槽、石缝、裂隙、溶蚀沟等岩石裸露率高的局部微地形。

与自然坡面相比，尽管位于同一坡面，但梯田的土壤机械组成却发生了很大变化(图3)。粗粉粒取代粗砂粒和细砂粒成为地表土壤主要的粒级成分，在6个样地18个样点中，粗粉粒含量0—10 cm土层为29.53%～35.96%，10—20 cm土层为34.44%～37.71%；其次是细砂粒，0—10 cm土层含量为25.58%～41.66%，10—20 cm土层为27.33%～37.66%；再次是黏粒，0—10 cm土层含量为14.74～19.37%，10—20 cm土层为14.55%～18.35%；最后与自然坡面近似，梯田土壤中石砾含量也最低，各土层深度石砾含量均在2%以下。梯田不同深度土层土壤相同粒级含量及其随海拔变化规律基本相似，且变化相对平稳。位于梯田土壤下部的细粒物质含量有减少的趋势，说明虽然梯田经过平整使坡面侵蚀的动力消失，但依然存在垂直渗漏现象。

图3 梯田不同深度土层土壤粒度随海拔变化

以粒径分级标准[22]分析峰丛自然坡面与梯田的土壤质地，结果表明峰丛洼地自然坡面土壤质地以砂土和砂质壤土为主，而梯田则以黏壤土和粉砂质黏壤土为主，二者在土壤肥力、持水性、通气性方面存在明显差异，并最终影响植被的生长和抗蚀能力[23-24]。根据自然坡面与梯田土壤粒度变化及各粒级含量可以看出峰丛洼地自然坡面地表土壤长期处于侵蚀状态，梯田在一定程度上降低了侵蚀程度，减轻了土壤细粒物质的流失，但不能完全阻止侵蚀的发生。

3 主要结论

(1)峰丛洼地自然坡面由于特殊的地质、地貌构造，在长期地表侵蚀作用下，岩石裸露率与高程、高程与坡度之间存在极显著正相关关系，土层厚度与岩石裸露率、坡度、高程之间均为极显著负相关关系，岩石裸露率与坡度之间为显著负相关关系。而梯田多位于山坡中下部地势平缓处，受人类持续不断的平整和土石搬运影响，坡面侵蚀力减弱，岩石裸露率、土层厚度与高程的相关关系规律不明显。

(2)峰丛洼地自然坡面土壤以砂粒为主，平均含量为75.79%，之后是粉粒和黏粒，平均含量为6.73%～22.35%、1.21%～15.44%；随海拔降低，细砂粒含量有增加趋势，粗砂粒含量变幅较大；土壤物质由上至下侵蚀搬运，土—石二元结构形成的微地形对侵蚀过程及土壤迁移、堆积影响较大。梯田地表土壤中粗粉粒取代粗砂粒和细砂粒成为主要的粒级成分，其含量为29.53%～37.71%；之后是细砂粒、黏粒，含量分别为25.58%～41.66%、14.55%～19.37%；粗砂粒和石砾含量较低，分别低于8.11%、2%。梯田土壤的粉粒、黏粒含量远高于自然坡面。

(3)峰丛洼地地貌的复杂性和岩溶环境土—石二元结构形成的地表非均质性使地表侵蚀变得非常复杂，其地表侵蚀与土壤物质搬运过程不仅受地貌特征影响，而且受岩石裸露形成的微地形影响，既有地表侵蚀，又存在垂直渗漏侵蚀。

(4)通过改造坡面地形，梯田在一定程度上降低了土壤地表侵蚀的程度，减弱了土壤细粒物质的流失，但仍无法避免垂直渗漏的发生。

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