坡面过程意义下的武汉市典型坡面土层厚度研究

韩 旭,揭 毅，徐修远，唐培梅，王立雪

(华中师范大学城市与环境科学学院，武汉 430079)

坡面过程是地表过程的组成部分，包括坡面成土过程和坡面搬运过程.作为当前的热点问题，其研究意义体现在理解地貌演化[1]、开展水土保持[2]、保障边坡稳定[3]等多个方面.而土壤作为地表各圈层的交互产物，同成土以及搬运过程均密切相关，起到了关键的纽带作用.尤其是土层厚度的大小更是受到二者的直接影响，是对坡面过程的良好反映.此外，土层厚度还在土壤肥力[4]、抗蚀年限[5]、水文模型[6]、有机碳储量[7]等多个方面扮演重要角色.

在影响坡面过程的要素中，气候、植被、土地利用等受到学者们的普遍关注，而对土壤下伏的坡面系统则少有研究.坡面系统由坡面形态要素(如坡度、坡长、坡形等)和地质条件要素(如母质岩性、岩层产状等)组成，前者是搬运过程的关键因素，而后者则是影响成土过程的直接因素.忽视坡面系统的作用，不利于解释土层厚度在坡面上的空间分布，也不利于完整掌握坡面过程的影响条件.

基于此，本研究选取了武汉地区的8条典型坡面，通过实地考察和遥感影像获取坡面土层厚度数据及坡面系统数据，总结土层厚度的空间分布特征，分析坡面系统对坡面过程的影响机制，以求深入理解土层厚度在坡面过程中的意义.

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于长江中游的武汉市，113°41′～115°05′E，29°58′～31°22′N，地处亚热带季风湿润区，春夏多雨、秋冬少雨，河网密布、湖泊众多，水资源丰富.

研究区处于江汉平原东缘，地貌上除北部黄陂区北缘为丘陵，主体以平原为主，间夹剥蚀残丘，残丘山地海拔多在200 m以下，主要集中分布于市域长江以南地区(图1)，多呈近东西向断续展布，山地基岩走向与山地走向基本一致，主要为志留系粉砂岩及泥盆系石英砂岩地层，山地坡度10°左右.

图1 研究区及研究山地Fig.1 Research area and mountains

本研究选取的珞珈山、喻家山、磨山、青龙山4座山地南北两坡共8条典型坡面为重点研究对象(图2)，具备区内主要地质地貌特点，具有典型性和代表性.此外，研究还对八分山、南望山等武汉市内其他山地开展过预考察和验证考察.珞珈山、喻家山、青龙山为区内近东西向展布的的典型猪背岭(图3(a)、3(b)、3(d))，磨山为区内罕见的近东西向延伸的向斜山(图3(c))，山地出露地层为志留系粉砂岩及泥盆系石英砂岩，除磨山存在较大面积建筑用地外，主要土地利用方式均为林地，坡地植被覆盖类型较为统一，以灌木、常绿乔木为主.

1.2 线路与采样点布设

1.2.1 线路 线路布设在考虑到研究区各山地走向与岩层走向均大致为E-W的前提下，本研究在所选4座山地分别布设S-N向穿越路线，辅以部分E-W向追索线路.线路布设依据以下原则：1) 人为扰动小，土层厚度尽可能反映真实的坡面过程；2) 具有代表性，能体现所在山地总体特征；3) 便于观察基岩；4) 便于研究人员安全无害通过.据此，所布设线路均尽可能垂直于岩层走向，自南坡坡底起，完整贯穿南北两坡而至北坡坡底止，选取开发程度较低处，尽量通过山地最高点.因线路1磨山北坡人为扰动大，土层厚度分布规律与区域坡面一般规律存在显著异质性，为了确认磨山北坡厚度分布特征，故向东平移在南坡又布设第2条补充线路.研究共布设有效线路5条，步行总里程21.35 km，如图2所示.

图2 考察线路布设图Fig.2 Layout of investigation routes

1.2.2 采样点 采样点布设在所布设线路南北两坡的坡底、坡中、坡顶分别布设采样点，主要通过野外土壤剖面开挖的方法获取土层厚度及母质岩性等信息.采样点布设应具备以下条件：1) 通行条件良好，易于到达并开展测量；2) 人为扰动少，避免建设翻土、种植等对土层的人为破坏；3) 具有代表性，能够反映所在山地总体特征.为减小误差，在坡顶位置及其他部分点位重复布点测定，共布设采样点36个.

1.3 数据采集

1.3.1 土层厚度数据 土层厚度指竖直垂直于地表向下直至母质层顶的厚度，对于部分母质层极薄的样点则直接计算为地表至基岩的厚度.野外测量时，首先在采样点开挖1个与水平面垂直，底端至母质层或基岩的土壤剖面，并用钢卷尺测量其总厚度，观测完成后回填剖面.

1.3.2 地质条件数据 研究涉及的地质条件数据主要包括母质岩性、地层年代、岩层产状.数据采集在野外实地考察中完成，岩性利用零星出露的天然露头，配合公路开挖壁等人工露头、崩塌碎石及土壤剖面开挖的基岩等获取，产状通过罗盘测定.

1.3.3 坡面形态数据 坡面形态数据包括坡向、坡度、坡长、坡形等坡地基本要素.坡面形态数据是通过以Google Earth获取，并配合野外实测验证.具体方法为，在Google Earth软件平台中制作垂直于山地走向的剖面，生成包含水平距离和海拔的剖面图，计算坡度、坡长，目视判读获取坡向和坡形数据.各观测点坐标利用移动端实地测量.以喻家山为代表利用导线、罗盘、卷尺等进行了野外实测作为验证，结果显示以上方法可靠.

2 结果与分析

2.1 研究区坡面整体特征

如表1所示，研究区4座山地共8条坡面坡度均在10°左右，极大值与极小值均出现在磨山，分别为北坡的16°35′46″与南坡的8°7′48″，4座山地北坡坡度均大于南坡.坡长范围为107～381 m，其中在200～300 m范围内的有5条.坡高数值分布从25～76 m不等.8条坡面中除喻家山南坡为凸凹复合形坡、喻家山北坡为凹形坡外，其余6条均为凸形坡.珞珈山、喻家山、青龙山均为岩层北倾的猪背岭，而磨山为轴面南倾的向斜山，其中南坡倾角37°而北坡倾角27°.

表1 坡面形态及岩层产状Tab.1 Slope forms and attitude of strata

如表2所示，研究共开挖土层剖面36个，其中坡底10个，坡中10个，坡顶16个.总体来看，36个采样点中有35个土层厚度在0.7 m以下，且基本呈现从坡底到坡顶厚度递减的趋势.所有样点厚度的分级统计结果显示，在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm范围内的剖面数分别为3、11、5、6、6、3、1.其中坡底11个样点中仅有4个在0.4 m以下，坡中9个剖面中仅有1个不在0.3～0.5 m范围内，而坡顶的16个剖面中仅有2个厚度大于0.2 m.

表2 各采样点土层厚度Tab.2 Soil layer thicknesses of sampling points

2.2 珞珈山

如图3(a)所示，珞珈山土层下伏基岩为泥盆系地层，岩性为石英砂岩，较为坚硬、不易风化.通过实地测量发现，南北两坡基岩产状大体一致，走向为90°～270°，东西向，倾向为0°，倾角为54°，位于褶皱翼部.根据表1的统计数据，珞珈山南坡坡度约为11°31′50″，坡长为250.05 m，坡高50 m；北坡坡度约为13°23′33″，坡长为107.94 m，坡高25 m，两坡均为凸形坡.考察中发现珞珈山植被以乔木为主，除林地外还存在绿道、住宅等人类利用地.

珞珈山采样点及土层厚度分布如表2所示，南坡坡底土层厚度达0.46 m，且母质层较厚，开挖至1.6 m处仍未见完整基岩；坡中选取环山公路开挖壁进行测量，土层厚度为0.45 m，同坡底相近；坡顶处为避免人为扰动，向西平移50 m左右共开挖3个剖面，厚度分别为0.13 m、0.12 m、0.19 m，平均值为0.15 m，远低于坡中与坡底，这同野外观察到的山顶处基岩大量裸露的现象相符，坡顶土层浅薄.北坡在坡中与坡底分别开挖2个剖面，其中坡中两剖面厚度差异较大，分别为0.40 m与0.27 m；坡底两剖面厚度为1.11 m与0.45 m，前者更加靠近坡底，土层厚度极大且分层明显，腐殖质层达0.60 m且淋溶层达0.74 m.

可以明显看出，珞珈山南北两坡均呈现出土层厚度从坡底到坡顶递减的规律.在坡面成土因素差异不大的前提下，造成该现象的原因为坡面搬运过程.其中，北坡坡中的0.27 m与坡底的1.11 m与该规律不甚相符，应与凸形坡微地形的影响相关.对比南北两坡可以发现，同一海拔高度上北坡土层厚度明显大于南坡.因南坡为逆层坡、北坡为顺层坡，北坡岩石更易发生崩解、滑坡等，因而在同等外力作用下更易风化，故北坡成土过程更强，土层更加深厚.同时南北两坡坡底的土层厚度近似，北坡陡短而南坡缓长，在坡上部北坡土层厚度大于南坡的基础上，两坡坡脚土层厚度相近应为搬运距离抵消了坡上部土层厚度差异对搬运强度的影响.

2.3 喻家山

如图3(b)所示，喻家山土层之下基岩表现为，南坡靠近坡脚为志留系页岩，之上及北坡为泥盆系石英砂岩，其中页岩较为软弱、更易风化，且风化产物质地较细、成土较为黏重，相比之下不易搬运.岩层产状为0°∠36°，走向、倾向同珞珈山一致.由表1，喻家山南坡坡度约为11°20′21″，坡长为381.45 m，坡高75 m，为复合形坡；北坡坡度大约为13°51′39″，坡长约为237.93 m，坡高57 m，为凹形坡.

各采样点土层厚度分别为南坡坡底0.63 m，南坡坡中0.41 m、0.56 m，坡顶0.18 m、0.16 m，北坡坡底0.19 m.南坡大致呈现前文所提及的土层厚度分布规律，即坡顶薄、坡底厚.南坡坡脚土层厚度比北坡坡脚土层厚度大，且北坡坡底土层厚度与坡顶土层厚度相差不大，其原因可能为岩性差异所致，南坡下部母质的志留系泥质页岩岩性软弱，风化更强、成土作用更强，而泥盆系石英砂岩岩性坚硬，不易风化.

图3 各坡面剖面图Fig.3 Profiles of slopes

考察过程中发现一现象，即在坡顶沿山脊线向西平移，伴随山脊海拔降低，但土层厚度变化不大.而当重新向北、向坡底前进时，坡底与坡顶土层厚度趋于一致.其原因应在于，土壤在坡面上的搬运过程主要发生在坡面的纵剖面上，即以流域分水岭上一点为起点，沿最大坡降比方向直至最深谷底线的剖面[8]，而在分水岭线上搬运过程很弱.这就导致了在分水岭线上土层厚度分布较为均一；而沿山脊线向下平移的过程中，由于山顶起点海拔相比平移前降低，坡面纵剖面长度越来越短，土壤的坡面搬运距离越来越短，土壤的搬运累积量越来越少，因此坡底与坡顶的土壤厚度分布更为均一，差异更小.

2.4 磨山

如图3(c)所示，磨山为向斜构造，核部为泥盆系石英砂岩，两翼为志留系泥质页岩，南北两翼倾角分别为37°、27°，倾向分别为北和南，走向为东西向，向斜轴面略微南倾.磨山整体高度较小，坡顶海拔89 m，南北两坡坡底海拔分别为54 m、13 m.南坡坡度大约为8°7′48″，坡长为247.5 m，坡高35 m，为凸形坡；北坡坡度约为16°35′46″，坡长约为266.1 m，坡高76 m，为凸形坡.磨山作为武汉市知名景点，受到了强烈的人为活动干扰，包括植被种植、道路与建筑建设等.

磨山南坡共开挖4个剖面，测得土层厚度分别为坡底0.53 m、坡中0.33 m、坡顶0.26 m和0.30 m.磨山北坡进行过2次野外实测，第一次测得土层厚度分别为坡底0.08 m、坡中0.33 m，显示坡中厚度大于坡底，与本区土层厚度分布特征不符，为了进一步验证磨山北坡土层厚度分布特征，在第一次考察线路以东补充第2条北坡考察线路，通过开挖剖面，测得坡底土层厚度分别为坡底0.33 m、坡中0.37 m和坡顶0.23 m，坡底厚度仍小于坡中，依然表现出变异性，考虑到作为景区人为扰动大，应为人工剥离所致.

同珞珈山与喻家山相比，磨山南坡坡底成土母质软弱导致其厚度大于珞珈山南坡坡底，但却小于同为页岩发育而来的喻家山南坡坡底；并且坡顶厚度与前两座山地相比较，母质均为石英砂岩的情况下，磨山山顶的土层更加深厚.可见磨山南坡上下土层厚度差异相对较小，可能是坡度较缓、坡长较短以及向斜构造所导致，磨山南坡坡度仅8°7′48″，坡长也不足250 m，但因该区域内仅此一例向斜山，故向斜构造对其土层厚度空间分布的影响机制还有待探究.

2.5 青龙山

如图3(d)所示，青龙山土层下伏基岩均为泥盆系的石英砂岩，类似珞珈山.野外实测结果显示，岩层倾角为65°.青龙山南坡坡度大约为9°48′8″，坡长为193.83 m，坡高33 m，为凸形坡；北坡坡度大约为10°31′13″，坡长为213.59 m，坡高39 m，为凸形坡.青龙山位于江夏区，现已建设成为国家森林公园，植被覆盖度明显高于武汉城市建成区内的其他山地，主要体现为灌木密度高；同时道路、房屋等占用面积也相对较少，人为干扰弱.

按照考察采样顺序，由南向北各采样点土壤剖面的土层厚度依次为南坡坡底0.59 m、南坡坡中0.33 m、坡顶0.14 m和0.08 m、北坡坡中0.40 m、北坡坡底0.34 m.

珞珈山与青龙山地质条件相近，两山南坡坡底土壤均为石英砂岩发育而来，青龙山南坡坡度更缓、坡长更短，但土层厚度更厚.其原因是青龙山南侧存在另一低山，南坡坡底位于两山鞍部，应为该处接受坡底南北两坡搬运堆积，土层搬运过程增强所致.

3 结论

本文以武汉市珞珈山、喻家山、磨山、青龙山4座典型山地的8条典型坡面为对象，结合地质条件数据和坡面形态数据，从坡面过程的视角对土层厚度在坡面上的空间分布规律进行了分析，得出以下结论.

1) 无论是整体来看，还是从各坡面单独来看，坡底土层厚度普遍大于坡顶，研究区内坡面总体呈现土层厚度由坡底到坡顶递减的分布规律，这种规律主要受搬运过程影响.但微地形、人为活动干扰等会导致异常情况发生，如珞珈山北坡坡中、磨山北坡坡底.

2) 母质岩性是坡面成土过程所形成土层厚度的主要影响因素.岩性愈软弱，则成土过程愈强烈，因而土层厚度较大.此外，坡体结构对成土过程也存在一定影响，顺层坡风化程度和土层发育程度大于逆层坡，如珞珈山北坡大于南坡.

3) 坡度和坡长是坡面搬运过程的主要影响因素，而出现变异的主要原因有植被覆盖情况、人类扰动以及周边微地貌.坡度代表搬运速率，坡长代表搬运距离.坡度大、坡长长的坡面搬运过程更加强烈，土层厚度在坡面上分布的异质性也更强.比如珞珈山南北两坡相比，南坡坡度坡度小却坡长长，两坡土层厚度分布均匀程度近似；而同磨山南坡相比，磨山南坡坡度小且坡长短，土层厚度分布更加均一.此外，植被覆盖情况、人类扰动以及坡底周边微地貌等是造成土层厚度分布特征变异的主要原因.如植被覆盖良好的青龙山各剖面腐殖质层较厚，磨山人类利用程度高而土层厚度分布异常，青龙山南坡坡底接受周围山地堆积而土层较厚等.