滇东岩溶断陷盆地地表/地下不同侵蚀场土壤的可蚀性

綦 璨， 范 弢， 陈进豪

(云南师范大学地理学部，云南省高原地理过程与环境变化重点实验室，昆明 650500)

岩溶地区地表-地下二元三维立体空间结构的存在，导致其土壤侵蚀形成地表、地下复合侵蚀的模式，地表、地下侵蚀能相互转换。目前对岩溶区地表侵蚀机理的认识较为明确，岩溶土壤地表侵蚀是化学溶蚀、重力侵蚀和流失侵蚀综合作用的结果。而对地下漏失过程的研究还需深入，学者们对坡地土壤的主要侵蚀方式、地表土壤进入地下的主要通道存在争议。但随着土层深度的加深，浅层裂隙土壤砂粒、有机碳、大团聚体含量不断减少，裂隙土壤结构稳定性逐渐下降。若其拥有较好通达度，连接地下岩溶管道系统，会造成土壤漏失，使裂隙成为土壤漏失的重要通道。

土壤可蚀性是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏性能的标准，是估算土壤侵蚀量、揭示土壤侵蚀机制、评价水土保持效益不可或缺的参数。西南岩溶地区对土壤可蚀性的研究，在空间上，涵盖样地、坡面、流域、行政区等各种尺度范围。应用领域上，土壤可蚀性的计算结果被直接或间接地应用于岩溶土壤侵蚀评价、生态安全评价、生态承载力评价、石漠化评价等众多领域。可以说，土壤可蚀性已成为岩溶地区土壤侵蚀评估的重要手段。

土壤可蚀性通常用来表示，值是根据径流小区实测的土壤流失量和雨强计算求得，其适用范围有限，主要用于表示地表土壤侵蚀。此外，还可以用CSEI来评价土壤可蚀性，CSEI是通过综合土壤可蚀性的影响因素，分析不同因素对土壤可蚀性作用的权重，结合各影响因素所占分值，对土壤可蚀性进行评价，其适用范围更广，且更具科学性。土壤结构稳定性指数(SSSI)、团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)，也被广泛应用于土壤可蚀性的评价。土壤养分是土壤团聚体形成的胶结剂，土壤的养分含量影响土壤团聚体的含量及分布。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，团聚体的稳定性及粒径分布都会对土壤结构产生影响。土壤结构的破坏意味着土壤侵蚀的发生，土壤侵蚀则伴随土壤养分的流失。土壤结构、养分与土壤可蚀性是相互作用、相互影响的关系。所以本文基于土壤可蚀性的影响因素，运用CSEI，对海峰岩溶盆地地表、地下土壤可蚀性进行综合评价。

西南岩溶地区土壤侵蚀的治理措施主要为生态措施。立足于土壤结构、养分与土壤可蚀性相互作用的关系，利用植被恢复改变土壤特性，增加土壤养分，提高土壤微生物的活性，促进土壤团聚体的形成，改善土壤结构。同时，为土壤微生物提供能源和养分，促进有机质形成与积累，为植物根系提供大量养分，促进根系发育，增强土壤抗侵蚀能力，减少土壤侵蚀。综合来说，就是利用植被-土壤-微生物的协同恢复效应，促进岩溶地区生态环境的恢复。

滇东海峰岩溶断陷盆地是典型岩溶生态脆弱区，地形起伏大，土壤地表侵蚀现象严重；岩溶垂直发育强烈，裂隙、溶洞等地下岩溶地貌众多，且其裂隙小生境土壤结构稳定性较差，抗侵蚀能力较弱，为土壤的漏失提供了重要通道，土壤漏失严重；其特殊的盆-山一体的地貌特征限制了断陷盆地水-土-岩-植的空间分异格局，植被退化严重，石漠化面积较大。本文通过分析滇东海峰岩溶断陷盆地土壤地表侵蚀与地下漏失过程综合土壤可蚀性指数的分布特征，探讨其影响因素及其评价方法在地下漏失过程的适用性。进一步认识岩溶断陷盆地土壤的复合侵蚀过程，为滇东海峰岩溶断陷盆地石漠化的治理与生态恢复的优化提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省曲靖市沾益县西部海峰自然保护区(25°35′-25°57′N，103°29′-103°39′E)，属断陷盆地构造，其地形可划分山地岩溶区、平坦岩溶盆地和过渡带(坡面)，地势起伏较大，岩溶垂直发育强烈，过渡带发育有石芽、溶沟、裂隙等岩溶地貌，在岩溶盆地则发育有落水洞、溶洞、暗河等地下岩溶地貌。导致其土壤侵蚀过程表现为坡地-洼地-落水洞-暗河，或是坡地-裂隙-溶洞-暗河。属亚热带高原季风气候，干湿季分明，降水主要集中于雨季，雨季降水量占年降水量的87.3%。主要植被类型为元江栲栎林()、云南松林()和小铁仔灌丛()。研究区以石灰岩发育的山地红壤为主，土层较薄，土壤易被侵蚀，岩石裸露，石漠化现象严重。

1.2 样品采集与处理

2019年5月，在海峰自然保护区的核心兰石坡海子岩溶盆地设置样地，地表侵蚀过程，在坡地沿坡顶、中坡位、下坡位、坡脚，设置8个采样点；以5 cm为1层，自上而下分层采样，共6层(0—30 cm)，采集24个样品，沿流水侵蚀方向在坡脚与落水洞之间的洼地以等距的方式设4个采样点(W1～W4)，以5 cm为1层，自上而下分层采样，共6层(0-30 cm)，采集24个样品，共采集48个样品。

地下漏失过程，在中坡位的云南松次生林()、小铁仔灌丛() 2个典型群落中选择2个裂隙进行采样(X1和X2)，每个裂隙以40 cm为1层，自下而上分层采集，共8层(0-320 cm)，采集16个样品。再在裂隙联通的溶洞取表层土壤1个，在与溶洞联通的落水洞中设1个采样点(L3)，以5 cm为1层，自上而下分层采样，共6层(0-30 cm)，采集6个土样。在落水洞下暗河取表层土壤1个，共采集24个样品。将土样封装带回实验室，用于土壤的机械组成试验、SOC检测和土壤团聚体的检测。

1.3 样品测定

土壤的机械组成采用比重计法进行检测，并将土壤颗粒按国际制土壤颗粒分级标准分为黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)。土壤团聚体则采用土壤团聚体分析仪进行湿筛，在纯水环境中使用土壤团聚体分析仪进行湿筛上下振荡，通过5个不同粒径的筛子(5，2，1，0.5，0.25 mm)，进而得到>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，<0.25 mm粒径的团聚体，烘干并称重。SOC采用《土壤农化分析》中重铬酸钾容量法进行检测。

1.4 数据处理

土壤结构稳定性指数(SSSI)、团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)的计算公式为：

SSSI=SOM/(clay+silt)×100%

(1)

(2)

(3)

式中：sand为砂粒含量(%)；silt为粉砂含量(%)；clay为黏粒含量(%)；为SOC含量(%)；SOM为有机质含量，SOM=1.724；为级团聚体平均直径；为级团聚体平均重量。

综合土壤可蚀性指数(CSEI)：

(4)

式中：为指标数；和分别为土壤可蚀性指标的权重和分值。

通过主成分分析(PCA)计算各指标的权重，并使用公式(5)和公式(6)计算各指标的得分。

(5)

(6)

式中：()为隶属函数；为土壤可蚀性指标的值；和分别为土壤可蚀性指标的下限和上限。土壤可蚀性指标与土壤可蚀性呈正相关，用公式(5)计算得分。与土壤可蚀性呈负相关，用公式(6)计算得分。

采用Excel 2013软件对数据进行基础分析和图表制作，SPSS 26软件对土壤性质与综合土壤可蚀性指数进行相关性分析，用Canoco 5软件做冗余分析，分析土壤可蚀性的影响因子。

2 结果与分析

2.1 不同侵蚀场CSEI的空间分布特征

由表1和图1可知，海峰岩溶断陷盆地CSEI为0.30～0.96，变异系数CV值为19.01%，其数值在10%～100%，CSEI空间异质性为中等。地表侵蚀过程的CSEI为0.30～0.96，地下漏失过程CSEI为0.66～0.96，地下漏失过程土壤的CSEI更大。

表1 海峰岩溶盆地CSEI的基本统计学特征

注：W1～W4为洼地；L3为落水洞；X1为小铁仔灌丛裂隙；X2为云南松次生林裂隙。下同。图1 不同侵蚀场CSEI的变化

地表侵蚀过程CSEI逐渐上升，中坡位的CSEI值最低，W3的CSEI值最高；地下漏失过程CSEI呈上升趋势，云南松次生林裂隙CSEI值最低，暗河的CSEI值最高。CSEI值在地表、地下侵蚀过程中还随土层深度发生变化，地表侵蚀过程在W2、W3处呈下降趋势，在其他侵蚀场呈上升趋势；地下漏失过程，裂隙呈递增趋势，落水洞呈递减趋势。

2.2 不同侵蚀场土壤颗粒粒径的空间分布特征

地表侵蚀过程黏粒含量在20.91%～45.62%，粉砂含量在4.85%～30.84%，砂粒含量在44.96%～64.59%；地下漏失过程黏粒含量在15.30%～30.86%，粉砂含量在16.03%～25.86%，砂粒含量在43.63%～64.59%(图2)。海峰岩溶断陷盆地土壤砂粒含量最高。地表侵蚀过程，黏粒、砂粒含量逐渐减少，粉砂含量逐渐增多。机械组成随土层深度发生变化，黏粒在坡顶、中坡位呈上升趋势，在其他侵蚀场呈下降趋势；粉砂在W4处呈上升趋势，在其他侵蚀场呈下降趋势；砂粒在坡顶、中坡位、W4呈下降趋势，其他侵蚀场呈上升趋势。地下漏失过程，黏粒含量减少，粉砂和砂粒含量增多。黏粒、粉砂含量随土层深度增加而增多，砂粒含量随土层深度增加而减少。

图2 不同侵蚀场土壤颗粒含量变化

2.3 不同侵蚀过程土壤SOC含量变化

地表侵蚀过程土壤SOC含量为4.93～88.72 g/kg，地下漏失过程土壤SOC为3.57～19.05 g/kg，地表侵蚀过程土壤SOC含量高于地下漏失过程。在地表侵蚀、地下漏失过程中土壤SOC呈下降趋势，中坡位土壤SOC含量最高。地表侵蚀过程，W3土壤SOC含量最低，地下漏失过程(图3)，云南松次生林裂隙SOC含量最高，落水洞土壤SOC含量最低，且研究区内土壤SOC含量存在表层汇聚现象，随土层深度的增加其含量降低。

图3 不同侵蚀场土壤SOC含量变化

2.4 不同侵蚀过程土壤水稳性团聚体含量

地表侵蚀过程，>0.25 mm水稳定性团聚体含量为17.82%～99.86%，<0.25 mm水稳定性团聚体含量为0.14%～82.18%；地下漏失过程，>0.25 mm水稳定性团聚体含量为16.81%～85.94%，<0.25 mm水稳定性团聚体含量为14.06%～83.19%(图4)。

图4 不同侵蚀场土壤水稳性团聚体含量变化

地表、地下侵蚀过程，>0.25 mm水稳定性团聚体逐渐减少，<0.25 mm水稳定性团聚体逐渐增多。坡地以>0.25 mm水稳定性团聚体为主，洼地以<0.25 mm水稳定性团聚体为主。>0.25 mm水稳定性团聚体，在坡地随土层深度增加而增加，在洼地随土层深度增加而减少；<0.25 mm水稳定性团聚体变化趋势与之相反。地下漏失过程中随土层深度的增加，>0.25 mm水稳定性团聚体呈下降趋势，<0.25 mm水稳定性团聚体呈上升趋势。

2.5 土壤理化性质与CSEI的关系

地表侵蚀过程中，CSEI、SSSI与环境因素的总变异量为23.71，解释变量为93.50%，调整后的解释变量为92.60%。第1,2轴的相关系数分别为0.967 8，0.573 5。第1轴的解释度为93.42%，第2轴的解释度为0.09%，第1,2轴累计解释了其总量信息的93.51%。CSEI与黏粒、砂粒、>0.25 mm水稳性团聚体、MWD、GMD呈负相关，与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈正相关。SSSI与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈负相关，与砂粒、SOC、>0.25 mm水稳性团聚体、MWD、GMD呈正相关(图5)。

图5 不同侵蚀场土壤可蚀性指标与环境因子之间的冗余分析

地下漏失过程中，CSEI、SSSI与环境因素的总变异量为5.62，解释变量为98.50%，调整后的解释变量为98.00%。第1,2轴的相关系数分别为0.992 6，0.955 2。第1轴的解释度为98.34%，第2轴的解释度为0.16%，第1,2轴累计解释了其总量信息的98.51%。CSEI与黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、SOC、MWD、GMD呈负相关，与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈正相关。SSSI与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈负相关，与砂粒、黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、SOC、MWD、GMD呈正相关。

结合冗余分析与Person相关性分析，海峰岩溶盆地土壤CSEI与黏粒、砂粒、>0.25 mm水稳性团聚体、SOC、MWD、GMD呈极显著负相关，与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈极显著正相关，CSEI的主要影响因素为SOC和水稳性团聚体稳定性。黏粒、砂粒、SOC、团聚体含量对地表侵蚀过程CSEI影响较大，粉砂、团聚体稳定性对地下漏失过程CSEI影响较大。SSSI与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈极显著负相关，与>0.25 mm水稳性团聚体、SOC、MWD、GMD呈极显著正相关，与砂粒呈显著正相关，其主要影响因素是SOC。砂粒对地表侵蚀过程SSSI影响较大，其他因素对地下漏失过程SSSI影响较大。

3 讨 论

3.1 海峰岩溶盆地CSEI的空间异质性

不同侵蚀场土壤的CSEI整体呈现中坡位<坡顶<下坡位<云南松次生林裂隙<溶洞<坡脚<小铁仔灌丛裂隙<洼地<落水洞<暗河。坡地CSEI最小，由于坡地生态环境好，植被覆盖较大，通过枯落物、根系输入的有机质含量高，能改善土壤性质，降低土壤可蚀性。暗河土壤CSEI较大是因为地下径流对其土壤存在侵蚀。地表侵蚀过程CSEI表现为中坡位<坡顶<下坡位<坡脚<洼地；地下漏失过程CSEI表现为溶洞<裂隙<落水洞<暗河；与SSSI的变化趋势相反，SSSI表现的是土壤结构的稳定性指数，因此土壤SSSI越高，土壤结构越稳定，不易发生侵蚀。CSEI在地表、地下侵蚀过程中的变化趋势较好地反映了不同侵蚀场土壤的侵蚀敏感性，表现了土壤可蚀性的变化趋势。因此CSEI的评价方法适用于岩溶盆地地表、地下侵蚀过程土壤可蚀性评价。

土壤侵蚀过程中地下漏失过程的CSEI值更大，地下的土壤更易发生侵蚀，与唐益群等研究结论一致，地下土壤存在二次侵蚀的影响。地表径流携带的土壤进入裂隙、溶洞等地下通道，最终以漏失的形式流失。地表侵蚀与地下漏失过程土壤CSEI呈上升趋势，地表侵蚀过程W3的CSEI最高；地下漏失过程，落水洞、暗河的CSEI最高；与鲍恩俣等研究结论一致，坡地径流经由洼地、落水洞进入地下暗河，在其过程中对洼地、落水洞、暗河土壤产生二次侵蚀，加之其植被覆盖度较低，因此其土壤侵蚀更强，暗河中还有常年存在的地下径流，对暗河中的土壤冲刷较大，土壤侵蚀较强。岩溶裂隙中存在土-岩界面、根-土界面，其通达度较好，成为岩溶土壤地下漏失重要通道。小铁仔灌丛裂隙土壤CSEI高于云南松次生林裂隙；小铁仔灌丛裂隙中植被群落处于群落演替的初级阶段，有机质含量相对较少，加之其为浅根系植被，对土壤的加固作用有限，因此其土壤可蚀性较高。

3.2 土壤可蚀性的影响因素

3.2.1 土壤结构对土壤可蚀性的影响 在海峰岩溶盆地中，随侵蚀过程的变化，地表侵蚀过程，黏粒、砂粒含量逐渐减少，粉砂含量逐渐增多，CSEI逐渐上升；随土层深度增加，地下漏失过程的黏粒、粉砂含量增多，砂粒含量减少，而CSEI整体呈递增趋势。与陈英等研究结论一致。地表侵蚀过程土壤黏粒、砂粒含量高于地下漏失过程，粉砂含量低于地下漏失过程，地表CSEI小于地下CSEI。CSEI与黏粒、砂粒呈极显著负相关，与粉砂呈极显著正相关。与王敬贵等、鲍恩俣等研究结论一致。土壤机械组成对土壤可蚀性具有重要影响。

土壤团聚体所占比例及其稳定性的变化，直接影响土壤结构。当流水侵蚀土壤时，破坏土壤结构，使大团聚体破碎，变成小团聚体。因此，较高比例的大团聚体代表较低的土壤可蚀性。土壤团聚体的稳定性需通过MWD和GMD来反映。由图6可知，在地表侵蚀过程中，MWD、GMD随侵蚀过程的变化而降低，地下侵蚀过程中，MWD、GMD随侵蚀过程变化和土层深度的增加而逐渐降低，CSEI逐渐上升，与赵毅洋等研究结论一致。

图6 不同侵蚀场土壤MWD、GMD变化

云南松次生林的MWD和GMD要高于小铁仔灌丛裂隙，首先，云南松次生林为群落演替的后期，小铁仔灌丛为早期，其生物量多于小铁仔灌丛，枯落物总蓄积量为小铁仔灌丛的2.15倍；总根系生物量约是小铁仔灌丛根系生物量的5倍，使得其大团聚体含量高于小铁仔灌丛裂隙，且结构更为稳定。其次，云南松为深根系植被，根系粗壮且发达，根系的“网固”作用为土壤提供额外的抗侵蚀能力，有利于减少裂隙土壤漏失。

3.2.2 土壤养分对土壤可蚀性的影响 海峰岩溶断陷盆地中，CSEI随SOC增加而减少，与陈英等的研究结论一致。首先，SOC是土壤团聚体形成的胶结剂，能促进土壤团聚体的形成，增强土壤结构稳定性。坡地土壤SOC含量高，使其形成大量土壤团聚体，土壤结构稳定，CSEI较低。其次，SOC能随土-岩界面、根-土界面下渗，或是随根-土界面的土壤水优先流下移，促进植被根系的发育，加固土壤，降低深层土壤可蚀性。在裂隙中，SOC沿着裂隙的土-岩界面和根-土界面向下漏失，增加深层土壤SOC含量，为根系的生长提供了必要的养分，有利于裂隙植被根系的发育，减少裂隙土壤的漏失。云南松群落为深根系植被，小铁仔灌丛为浅根系植被。因此，云南松群落的深根系能伸入更深层土壤，为其提供SOC，改善土壤结构；还能利用根系的网固作用，增强其结构的稳定性。云南松次生林对降低裂隙土壤的可蚀性性能要优于小铁仔灌丛，尤其是在中、深层裂隙土壤。

3.3 植被-土壤的协同恢复效应

SSSI的主要影响因素是SOC，不仅与土壤结构有关，还与土壤养分有关，综合性地描述了土壤的稳定性。其随侵蚀过程的变化和土层深度的增加而降低，SSSI逐渐下降(图7)，土壤侵蚀敏感性逐渐增强，与Dong等研究结论一致。坡地有相对较高的SSSI，表明了该地区较好土壤稳定性。这一特征得益于坡地较好的植被覆盖度，植被通过枯落物、根系输入养分，改善土壤结构，增强土壤稳定性，减少土壤的侵蚀。因此，植被恢复通过改变植被和土壤特性来改善土壤结构，降低土壤可蚀性。

图7 不同侵蚀场土壤SSSI变化

海峰岩溶盆地的土壤侵蚀与土壤和植被密切相关。对洼地-小铁仔灌丛裂隙-云南松次生林裂隙3个侵蚀场进行分析，这3个侵蚀场是植被群落的演替过程。随着植被的恢复，>0.25 mm水稳性团聚体含量、SOC、MWD、GMD、SSSI呈上升趋势，CSEI逐渐下降，土壤结构稳定性逐渐上升。因此，植被恢复改善了土壤结构，而良好的土壤结构为植被的生长恢复提供了优越的生存条件。在此过程中首先是土壤结构得到改善，土壤孔隙增大，土壤含水量与空气含量增多，促进土壤与外界环境之间的物质循环，进而增加土壤养分含量，使土壤微生物数量增加，物质分解循环能力增强，土壤质地不断提升，促进植被群落的生长变化，植被覆盖度增大。二者之间表现为相互促进效应，而这双向作用，不管是土壤结构的改善，还是植被的恢复，都有利于降低土壤可蚀性，减少土壤侵蚀。因此，在此后的治理中要关注植被-土壤的协同恢复效应，促进岩溶区生态系统的恢复，以减少土壤侵蚀。

4 结 论

(1)CSEI的评价方法适用于岩溶断陷盆地地表、地下侵蚀过程土壤可蚀性的评价，岩溶断陷盆地中，CSEI整体呈现中坡位<坡顶<下坡位<云南松次生林裂隙<溶洞<坡脚<小铁仔灌丛裂隙<洼地<落水洞<暗河。暗河CSEI最大，中坡位CSEI最低；落水洞、洼地、暗河是土壤侵蚀治理的关键。地表侵蚀过程CSEI表现为中坡位<坡顶<下坡位<坡脚<洼地表现为地下漏失过程CSEI：云南松次生林裂隙<溶洞<小铁仔灌丛裂隙<落水洞<暗河；CSEI

(2)土壤理化性质是影响CSEI的关键性因素，CSEI与黏粒、砂粒、>0.25 mm水稳性团聚体、SOC、MWD、GMD呈极显著负相关，与粉砂、<0.25 mm水稳性团聚体呈极显著正相关，CSEI的主要影响因素是SOC、水稳性团聚体的稳定性。黏粒、砂粒、SOC、团聚体含量对地表侵蚀过程CSEI影响较大，粉砂、团聚体稳定性对地下漏失过程CSEI影响较大。

(3)植被-土壤的协同恢复能增强土壤抗侵蚀能力，减少土壤侵蚀。云南松次生林裂隙土壤生物量、SOC、大团聚体、SSSI比重高于小铁仔灌丛裂隙，且其为深根系植被。云南松次生林对降低裂隙土壤的可蚀性性能优于小铁仔灌丛，尤其是在中、深层裂隙土壤。