花岗岩风化壳崩岗侵蚀剖面风化强度和粒度分布特征

熊平生， 袁 航

(衡阳师范学院 城市与旅游学院, 湖南 衡阳 421002)

崩岗是我国南方红壤丘陵地区特殊的水土流失形式，也是水土流失发展到严重程度的重要标志之一。在地理学界，一些学者将崩岗侵蚀形成的地貌景观称为“烂山地貌”、“劣地景观”。南方崩岗侵蚀是丘陵山区生态安全、粮食安全、防洪安全和人居安全的主要威胁,是丘陵区发展生态经济、振兴农业的最大障碍,严重制约了地方社会经济的可持续发展。据调查统计，南方崩岗主要分布在广东、江西、湖南、福建、湖北、安徽等省，共计20.13万个。国外学者大多将其归为崩坡、崩塌或冲沟等重力作用类型[1-2]，有的学者也将其作为冲沟的一种[3]进行研究。

目前，有关花岗岩不同层次岩土特性对崩岗发育的影响开展大量的工作，包括花岗岩崩岗不同土层的粒度组成[4-7]、土壤可蚀性[8-12]、土体微结构[13]、矿物成分[14-15]、土体力学性质[16-18]等方面。研究表明,花岗岩岩土特性与崩岗的发生有直接性的关系。目前国内对花岗岩崩岗侵蚀过程和侵蚀机理在定量化和空间性的理论体系不够系统和深入。尤其是对花岗岩崩岗坡面侵蚀起源机制等关键科技问题不明确。本文将结合粒度分析和风化参数指标分析方法，探讨花岗岩风化壳崩岗侵蚀剖面的粒度分布特征、化学风化分布特征，以及风化壳崩岗剖面侵蚀和粒度组成、风化强度之间的相互联系和内在规律，揭示影响红壤崩岗侵蚀的影响，为红壤丘陵地区崩岗防治提供理论依据。

1　样品与方法

采样地点位于赣县田村崩岗群，地理坐标为114°58.730′E，25°48.851′N，红土厚约9 m，赣县属于中亚热带丘陵山区季风湿润气候区，具有气候温和，四季分明，光照充足，年平均气温19.3℃，年均降雨量1 476.7 mm。赣县北部出露震旦纪和寒武纪地层，中部局部地区见寒武纪和震旦纪地层，东南部出露震旦纪、寒武纪，局部地区见泥盆纪地层。田村剖面属于典型的花岗岩崩岗侵蚀剖面，由上往下依次为：土壤层、均质红土层、沙土层和风化碎屑层，剖面下部为巨厚的花岗岩，未见底板。红壤层：TC1(1—20 cm)，黄棕色，有流水痕迹。均质红土层：TC2—TC5(20—100 cm),棕红色、土层胶结紧实、粘重。沙土层：TC6—TC45(100—900 cm)，红黄交错网状斑纹，含较多的高岭土和云母。

田村剖面属于典型花岗岩风化壳崩岗剖面，取样时先剔除剖面表土，向剖面内挖10—20 cm不等的竖槽，尽量拉直取样竖线，在竖槽内从下往上以20 cm为间距连续采样，总共采集到45件样品，每件样品约200 g，同时供粒度测试和化学成分分析用。土样采集后，在实验室自然凉干，取样10 g在玛瑙研钵研碎过100目土筛，装袋送往南京师范大学地理科学学院实验室，进行元素化学分析，使用仪器为荷兰PANalytical公司生产的X射线荧光光谱仪，测试误差小于5%。粒度测试在西南大学地理科学学院第四纪实验室完成，所用仪器为英国马尔文Masterizer-2000型激光粒度仪，测量误差小于1%。

图1花岗岩崩岗侵蚀剖面地层

2　结果与分析

2.1　粒度组分相关性分析

对<1 μm细黏粒、<4 μm黏粒、4～63 μm粉砂粒、>63 μm砂砾组分、中值砾径作一元线性回归分析(表1)，发现<4 μm的黏粒组分分别与>63 μm砂砾组分、中值粒径呈较显著负相关性(R=-0.837，R=-0.732)，<1 μm细黏粒组分分别与>63 μm砂砾组分、中值粒径呈较好的负相关性(R=-0.783，R=-0.687)。4～63 μm粉砂粒组分分别与>63 μm的组分、中值粒径呈显著负相关关系(R=-0.994，R=-0.882)，而4～63 μm粉砂组分分别与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分正相关性较好(R=0.717，R=0.774)。>63 μm的砂砾组分与中值砾径呈显著正相关性(R=0.886)，>63 μm的砂砾组分分别与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒呈显著的负相关性(R=-0.687，R=-0.732，R=-0.882)。

2.2　粒度组分分布特征

由图2发现，花岗岩风化壳崩岗剖面粒度组成以粉砂砾组分含量最多，平均值为52.52%，分布范围介于18.33%～83.72%。其次是砂砾组分，平均值为38.38%，分布在3.43%～78.04%，黏粒组分含量最少，平均值为9.09%，分布在3.62%～17.47%。

<1 μm细黏粒组分曲线、<4 μm黏粒组分曲线和4～63 μm粉砂组分曲线波动趋势较为一致，由剖面底部往上呈现先略微递减而后波动递增的变化趋势，大于63 μm砂砾组分曲线、中值粒径曲线波动相近似，由下往上呈现先略微递增而后波动递减的变化趋势。在剖面580—780 cm深度以砂砾组分为主(65.66%)，粉砂粒组分(28.94%)为次，黏粒组分最少(5.39%)，中值砾径值为138.358。该深度段的粗粒组合特征往往使得土体的内聚力降低，抗冲抗蚀能力下降，在外力作用下很容易失稳崩塌。初步认为，田村剖面580—780 cm深度有可能是崩岗侵蚀起源区域。

表1　花岗岩风化壳不同粒度组分相关系数矩阵　%

图2花岗岩崩岗侵蚀剖面粒度分布曲线

2.3　化学风化强度

本文采用了常见的化学风化强度参数指标：化学蚀变指数CIA[19]、残积系数Ki[20]、退碱系数Bc[21]、风化淋溶系数BA[22]。化学蚀变指数CIA、残积系数Ki与红土化学风化强度呈正比关系；风化淋溶系数BA、退碱系数Bc反映红土风化过程中易溶元素的淋溶迁移程度，与化学风化强度呈反比关系。经过计算得出，花岗岩崩岗侵蚀剖面CIA平均值为86.16，分布范围介于81.01～92.64。残积系数Ki平均值为11.15，分布范围在7.21～24.95。退碱系数Bc均值为0.015，分布在0.095～0.023，风化淋溶系数BA均值为25.46，分布在11.35～35.61。风化参数指标一致显示，田村崩岗风化壳剖面遭受到了强烈的化学风化作用，强烈的风化作用为崩岗侵蚀的产生提供了良好的物质基础，即为深厚的风化壳土层。CIA值与对应的Ki值正相关性较好(R=0.740)，BA与对应的Bc值呈正相关性较好(R=0.638)。CIA值与BA呈显著负相关性(R=-0.973)。由图3显示，Ki曲线和CIA曲线从底部往上呈现先小幅度递减而后波动递增的变化趋势，而BA曲线和Bc曲线从下往上呈现先小幅度递增而后递减的趋势。风化参数指标一致表明，田村崩岗风化壳剖面的化学风化强度由底部往上呈现先小幅度递减而后递增的变化趋势。风化强度曲线的变化与上述<1 μm细黏粒组分曲线、<4 μm黏粒组分曲线和4～63 μm粉砂组分曲线较为近似。

图3花岗岩崩岗侵蚀剖面化学风化参数曲线

2.4　粒度组份和风化强度的相关性

对花岗岩风化壳不同粒度组分与对应化学风化参数一元线性相关性分析(表2和图4)发现，CIA值分别与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂组分正相关性较好(R=0.523，R=0.584，R=0.761)，CIA分别与>63 μm砂砾组分、中值砾径负相关性较好(R=-0.75584，R=-0.59134)；Ki分别与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分组分正相关性较好(R=0.576，R=0.554)，与4～63 μm粉砂组分正相关性较弱(R=0.483)；Ki与>63 μm砂砾组分负相关性较好(R=-0.510)，与中值砾径负相关性较弱(R=-0.372)。BA分别与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分负相关性较好(R=-0.551，R=-0.589，R=-0.723)，与>63 μm砂砾组分、中值砾径值正相关性较好(R=0.723，R=0.564)。Bc与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分负相关性较弱(R=-0.258，R=-0.275，R=-0.312)，与>63 μm砂砾组分、中值砾径值正相关性较弱(R=0.316，R=0.211)。风化参数指标和粒度相关性表明，化学风化作用强度增强时，<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分增加，>63 μm砂砾组分减少。化学风化强度与4～63μm粉砂粒组分正相关性相对更好；化学风化作用减弱时，<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分减少，>63μm砂砾组分增多。

表2　粒度组分和化学风化参数相关系数矩阵 %

图4　崩岗侵蚀剖面CIA与不同粒度组分的相关性

3　结 论

(1) 花岗岩风化壳崩岗剖面粒度组成以粉砂砾含量最多，平均值为52.52%，其次是砂砾，平均值为38.38%，黏粒含量较少，为9.09%。4～63 μm粉砂粒组分与<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分正相关性较好；>63 μm的砂砾组分与中值砾径呈显著正相关性。剖面580～780 cm深度砂砾组分含量特别高，其次是粉砂粒，黏粒含量为剖面最少，这种粗粒结构组合往往是花岗岩风化壳崩岗侵蚀发源区域。

(2) 化学蚀变指数CIA、风化淋溶系数BA、残积系数Ki和退碱系数Bc一致表明，田村崩岗风化壳剖面遭受到了强烈的化学风化作用，强烈的风化作用为崩岗侵蚀的产生提供了良好的物质来源。Ki曲线和CIA曲线从底部往上呈现先小幅度递减而后递增的变化趋势，BA曲线和Bc曲线从下往上呈现先小幅度递增而后递减变化。剖面580～780 cm深度为化学风化程度最弱区域。

(3) 风化参数指标和粒度组分相关性分析表明，化学风化作用强度增强时，<1 μm细黏粒组分、<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分增加，>63 μm砂砾组分减少。化学风化作用减弱时，<4 μm黏粒组分、4～63 μm粉砂粒组分减少，>63 μm砂砾组分增多。

参考文献：

[1]Dus Zanchar. Soil Erosion[M]. New York: Elesrier Scientific Publishing Company,1982.

[2]Archibold O W, Lévesque L M J, Boer D H D, et al. Gully retreat in a semi-urban catchment in Saskatoon, Saskatchewan[J]. Applied Geography,2003,23(4):261-279.

[3]Imeson A C, Kwaad F J P M. Gully types and gully prediction[J]. Geografisch Tijdschrift,1980,14(5):430-441.

[4]吴志峰,王继增.华南花岗岩风化壳岩土特性与崩岗侵蚀关系[J].水土保持学报,2000,14(2):31-35.

[5]蒋芳市,黄炎和,林金石,等.花岗岩崩岗崩积体颗粒组成及分形特征[J].水土保持研究,2014,21(6):175-180.

[6]邓羽松,李双喜,丁树文,等.鄂东南崩岗不同层次土壤分形特征及抗蚀性研究[J].长江流域资源与环境,2016,25(1):63-70.

[7]邓羽松,夏栋,蔡崇法,等.基于分形理论模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线[J].中国水土保持科学,2016,14(2):1-8.

[8]陈晓安,杨洁,熊永,等.红壤区崩岗侵蚀的土壤特性与影响因素研究[J].水利学报,2013,44(10):1175-1181.

[9]林敬兰,黄炎和,蒋芳市,等.崩岗土体的渗透性能机理研究[J].水土保持学报,2013,27(2):53-56.

[10]王秋霞,丁树文,夏栋,等.花岗岩崩岗区不同层次土壤分离速率定量研究[J].水土保持学报,2016,30(3):65-70.

[11]郝福星,黄炎和,林金石,等.指纹法研究花岗岩区典型崩岗小流域悬浮泥沙来源[J].水土保持学报,2017,31(2):45-102.

[12]刘希林,张大林,贾瑶瑶.崩岗地貌发育的土体物理性质及其土壤侵蚀意义[J].地球科学进展,2013,28(7):802-811.

[13]李思平.崩岗形成的岩土特性及其防治对策的研究[J].水土保持学报,1992,6(3):29-35.

[14]王彦华,谢先德,王春云.广东花岗岩风化剖面的物性特征[J].热带地理,2000,20(4):256-260.

[15]魏多落.南方花岗岩区崩岗剖面特征研究[D].福州:福建农林大学,2009.

[16]夏振刚,邓羽松,赵媛,等.鄂东南花岗岩崩岗岩土抗剪强度与含水量的关系[J].中国水土保持科学,2016,14(6):26-34.

[17]张晓明,丁树文,蔡崇法.干湿效应下崩岗区岩土抗剪强度衰减非线性分析[J].农业工程学报,2012,28(5):241-245.

[18]陈晓安.崩岗侵蚀区土壤物理性质分层差异及其对崩岗发育的影响[J].中国水土保持,2015(12):71-72.

[19]Nesbitt&Amp H W, Young G M. Early proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites[J]. Nature, 1982, 299(5885):715-717.

[20]胡梦珺,杨爱丽,张文丽.常量元素氧化物含量及其比值揭示的中晚全新世以来玛曲高原的环境演变[J].中国沙漠,2015,35(2):313-320.

[21]毛沛妮,庞奖励,黄春长,等.汉江上游黄土常量元素地球化学特征及区域对比[J].地理学报,2017,72(2):279-291.

[22]张玉芬,邵磊,熊德强.“巫山黄土”元素地球化学特征及成因和物源意义[J].沉积学报,2014,32(1):78-84.