黔北山区坡面基岩出露特点及与坡面特征的关系

马芊红， 柯奇画，张科利†， 顾再柯

(1.北京师范大学地理科学学部，地表过程与资源生态国家重点实验室， 100875，北京；2.河北师范大学教师教育学院， 050024，石家庄；3.贵州省水土保持监测站， 550002，贵阳)

喀斯特石漠化是在喀斯特脆弱生态环境下，由于人类不合理的社会经济活动而造成的人地矛盾突出，植被破坏、水土流失、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退丧失，地表呈现类似荒漠化景观的演变过程[1]。我国西南喀斯特地区是世界上喀斯特分布面积最大[2]、发育最典型、人口最密集的喀斯特连续分布带。位于西南喀斯特中心的贵州省，喀斯特面积占到全省面积的60%以上。在脆弱的生态环境和敏感的侵蚀背景下，叠加上人类不合理活动的影响，贵州省成为西南喀斯特地区石漠化问题最为严重的地区。《中国岩溶地区石漠化状况公报》显示，2016年底，贵州省共有石漠化土地面积247万hm2，占全省总面积的14%，占整个西南地区石漠化土地总面积的32%。

近年来，石漠化问题得到社会各界越来越广泛的关注[3-5]。在石漠化的形成和发展过程中，坡度是一个重要因素[6]。坡度起伏决定着地表侵蚀作用的强弱，坡度越大，地表物质越不稳定，土壤越容易遭受侵蚀而变薄[7]。在GIS技术的支持下，通过空间叠加分析区域坡度图和石漠化强度分布图，党宇宁等[6]和石军南等[8]均认为当坡度<25°时，石漠化发生率随着坡度的增大而增大；坡度>25°时，重度或极重度石漠化面积有所增大。普遍出露的岩石和土石界面会引起降雨的再分配[9]，进而对坡面水文过程、地貌过程和侵蚀过程有直接或间接影响[10-11]。Dai等[12]和彭旭东等[13]重点研究裸岩率对坡面土壤侵蚀强度及侵蚀过程的影响，指出基岩出露地表会导致该地区侵蚀过程和侵蚀规律复杂、地表和地下产流产沙不均匀分配；另外，利用表层嵌有碳酸盐基岩(直径35 cm左右)的双层变坡水槽，结合人工模拟降雨实验得出地表产流产沙量随基岩裸露率的增大先增大后减小的基本结论。已有研究为揭示基岩出露对区域环境的影响提供了有益参考。

笔者通过在遵义地区的野外观察得知，坡面基岩出露形态特征对坡面产流产沙过程有明显影响；因此，正确认识基岩形态及空间分布，对科学防治石漠化坡面土壤侵蚀具有重要的意义。但目前对喀斯特石漠化坡面基岩形态、出露状态及空间分布特征等的相关研究较少，可能会造成模拟实验结果的局限性和不确定性。综上，笔者基于贵州省遵义地区典型潜在石漠化坡面实地调查数据，系统分析基岩出露空间分布特征、出露高度及其与地理要素的关系，为喀斯特地区石漠化坡面特征的科学概化及坡面土壤侵蚀研究的参数确定提供科学依据。

1 研究区概况

根据已有实验条件和前期野外考察结果，基岩出露野外调查地点选在贵州省遵义市浒洋水小流域。该地位于贵州省遵义县西部的鸭溪镇(E 106°39′59″、N 27°36′20″)，是贵州省水土保持监测网络中的1个典型监测点，属乌江水系，流域总面积为20.9 km2。该地地处贵州省岩溶高原区的北部，平均海拔在900～1 050 m。主要的土壤类型为黄壤，土层平均厚度在50～70 cm之间。植被类型属偏湿性的中亚热带常绿阔叶林亚带，周边原生植被由于历史上的不合理开发遭到严重破坏。1999年以来，“退耕还林”工程和其他生态治理工程的实施，使区域环境得到恢复。人工种植树种主要有核桃(Juglansregia)、玫瑰李(Prunussalicina)、女贞(Ligustrumlucidum)、任豆(Zeniainsignis)等，草类主要有马兰(Kalimerisindica)、苏门白酒草(Conyzasumatrensis)、香附子(Cyperusrotundus)、鬼针草(Bidenspilosa)、景天(Sedumeythrostictum)等。域内总人口约3 000人，人口密度143人/km2。

研究区坡面基岩出露面积约占坡面总面积的10%～30%，属于潜在石漠化地区。在该石漠化程度下，坡面现存土层较厚，受降水、坡度等因素的综合影响，土壤侵蚀风险很大。遵义地区是贵州省重要的农业区，属于贵州省农业区划中的中部分区，以传统种植业为主，主要的作物有玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、油菜(Brassicacampestris)、辣椒(Capsicumannuum)等，作物一年两熟。农地占调查流域总面积的50%左右，且有约1/2的农地为坡耕地，种植粮食作物仍是当地农民主要的经济来源。坡面基岩出露会引起坡面水分再分配，导致耕地面积大大减小，影响农业机械的推广应用，基岩出露严重的耕地不得不逐渐被弃耕，严重制约当地的农业生产。

2 材料与方法

2.1 基岩出露特征调查

坡面基岩出露野外调查采用全坡面地毯式调查，地点位于贵州省遵义市鸭溪镇的浒洋水小流域内的冯家坡，面积约1 km2，调查时间是2018年5—6月。根据调查坡面的海拔差，将坡面分为上坡(1 000～1 050 m)、中坡(960～1 000 m)和下坡(920～960 m)3个坡位(图1)。野外调查以地块为调查单元，详细记录地块土地利用、作物类型等地理信息(表1)。统计地块内出露基岩数量，编号并拍照，利用手持GPS获取并记录基岩出露点的经纬度位置和海拔，利用罗盘测量基岩出露周围坡面的走向和坡度。基岩出露高度为整块岩石最高出露点距离地面的垂直高度，将水平尺平行于地面置于基岩之上，利用米尺测量水平尺距离地表的高度，精度为0.01 m。借鉴地质学岩层产状中走向的概念[14]，根据基岩走向与坡向的夹角，将岩石走向划分为3类：二者夹角为0～20°时，基岩走向与坡向平行，称为顺向坡[14]；二者夹角为70°～90°时，基岩走向垂直于坡向；其他情况则统一归为基岩走向与坡向斜交。本调查共调查60个地块，375处出露基岩。

黄色虚线区域代表地块，a为农地，b为林草地，c为农林混合地(农作物+核桃)。1 050 m、1 000 m、960 m、920 m分别为所在位置海拔。The dottedblack area in the figure refers to the plot. “a” refers to farmland, “b” refers to forest and grassland, and “c” refers to agroforestry land (crops + walnut), and 1 050 m, 1 000 m, 960 m and 920 m are the altitudes of their locations respectively.图1 调查坡面景观图Fig.1 Photo of the investigated slopes

表1 调查坡面地块基本特征

2.2 数据处理

野外调查数据在Excel 2016中保存整理，并计算总数、平均值、标准差、各类所占比例等。基岩出露高度在坡度、坡位、土地利用、基岩走向间的对比图在Origin 2016中制作完成。相关分析、单因素方差分析、回归分析、方差分量估计等数据分析工作在SPSS 18.0中完成。野外调查空间分布图在ArcGIS 10.2中绘制，坡面景观照片在Visio 2007中加工处理。

3 结果与分析

3.1 基岩出露空间分布及走向特征

从野外调查统计(表2)来看，中坡部位基岩出露频率最高，共计183块，分别是上坡和下坡的1.63倍和2.29倍。这是由于土层厚度是决定基岩出露程度的背景条件。在中坡部位上，由于汇水面积较大，坡度较陡，径流冲刷作用强烈，大大削薄土层，导致出露基岩多。下坡部位靠近居民点，受人类活动的影响显著。农地坡度变缓或梯田化，径流携带的泥沙部分在此堆积，部分出露高度较小的基岩可能被掩埋，导致下坡部位基岩出露数量较少。从不同坡位岩石的走向来看，坡面整体上基岩走向以与坡向斜交为主，其次是与坡向垂直。上坡和中坡部位基岩走向与坡向斜交所占比例最大，均超过40%；下坡部位基岩走向与坡面平行所占比例最高，近50%。下坡部位基岩出露体积较小，出露数量较少，由于上坡和中坡侵蚀的泥沙在此堆积，垂直于坡向的基岩由于拦沙作用，经过一段时间可能会被完全或部分掩埋，从而垂直于坡向的基岩在下坡部位比例最小。根据野外观察，当基岩走向与坡向垂直时，基岩作为大小不一的坝体，发挥着挡水拦沙的重要作用，基岩上坡部位水分集聚，向下入渗，侵蚀泥沙在此堆积，而基岩下坡位处接受上方来水来沙较少。相反，当基岩走向与坡向平行时，基岩将上方来的地表径流分为2股，水流在基岩左右2侧汇集、向坡下流动，基岩2侧侵蚀较严重。

表2 不同坡位及整坡上基岩走向出现频率统计

3.2 基岩出露高度及影响因素

喀斯特地区坡面基岩出露是长期内力和外力综合作用的结果。地壳运动使基岩整体抬起或下降，以化学溶蚀为主的风化作用使整块基岩形成犬牙交错、高低起伏的地貌形态。风化作用强度具有差异性，受风化作用影响较弱的地段基岩存留，出露地表，形成石漠化景观[15]。野外实地考察来看，单个基岩出露面积越大，往往出露高度也越大。由于基岩出露形态千差万别，出露面积在野外调查中不易获取。因此，可以通过基岩出露高度间接反映坡面石漠化程度。

3.2.1 基岩出露高度与坡位 整体来看，研究区基岩出露平均高度为(0.35±0.25) m，变异系数为71.4%，变异性强。调查基岩出露高度最大的为1.60 m，位于上坡部位，最小值为0.02 m，位于下坡。不同坡度出露高度均值对比来看(图2)，上坡部位略大于中坡部位，下坡出露高度最小，低于平均值，这与下坡泥沙堆积和人为改造坡面有关。单因素方差分析结果表明，各坡位间基岩出露高度不存在显著差异(P>0.05)。这可能与调查区属于低山地形，坡面的相对高差不足200 m有关。

图2 不同坡位基岩出露高度Fig.2 Exposed heights of boulders on different slope position

3.2.2 基岩出露高度与坡度 坡度是推动坡面上土壤运移和再分配的主要驱动力之一，是影响水土流失的重要驱动因素，也是喀斯特石漠化的成因之一[16]。坡度通过影响土壤厚度的空间变异性，进而间接影响岩石出露面积和高度。相关分析表明，基岩出露高度与坡度呈极显著正相关关系(P<0.01)。在此基础上以坡度为自变量，以出露高度为因变量，进行非线性回归分析。结果表明：调查区基岩出露高度随坡度变大遵循幂函数形式增大(y=0.14x0.50,R2=0.89)(图3)。在笔者所调查的坡度范围内(0～15°)，随着坡度增大，一方面，径流流速增大，对土壤的侵蚀和搬运能力更强，导致土壤厚度被削减，基岩出露高度则相应增大；另一方面，土壤颗粒与土体之间的内摩擦角增大，摩擦力减小，且重力作用更明显，因而土粒易被分离。本研究中，回归分析得到的拟合方程的幂指数<1。这表明坡度越大，基岩出露高度随坡度的增速逐渐降低。根据野外观察推测，基岩出露高度并非随坡度无限增大，当坡度大于某一临界值后(本研究调查坡度尚未达到)，受下覆基岩、重力侵蚀等因素的综合影响，坡面特征趋于稳定，基岩出露高度基本保持不变。

图3 基岩出露高度与坡度的关系Fig.3 Relationship between the exposed height of a boulder and the slope gradient

3.2.3 基岩出露高度与走向 从单因素方差分析结果可知，不同走向的基岩，出露高度存在显著差异(P<0.05)，从大到小依次为垂直走向(0.43 m±0.23 m)>斜交走向(0.33 m±0.28 m)>平行走向(0.26 m±0.20 m)，垂直走向出露高度为斜交和平行走向的1.3倍和1.7倍(图4)。垂直走向基岩出露高度的变异系数(53.5%)小于平行走向(76.9%)和斜交走向(84.8%)。不同走向的基岩由于挡沙效益不同，基岩出露高度有所不同。当基岩走向垂直于坡向时，岩石可发挥拦截坝的作用，改变径流流路，降低流速[17]。径流携带的泥沙部分在岩石的上坡部位沉积，增加土层厚度。经过长期积累，部分出露高度较小的基岩被掩盖，仍出露地表的岩石体积较大，因而整体上垂直走向基岩出露较高且变异系数小于其他走向。当地农民往往将与坡向垂直且出露高度较大的基岩作为梯田边埂，减少修筑梯田的工作量。当坡面岩石走向与坡面走向平行时，虽然坡面径流在岩石两侧集中汇流，侵蚀能力增强，易产生沟蚀，但由于周期性人类耕作活动，平整土地后基岩两侧无明显侵蚀痕迹，土层厚度不会被削薄。基岩走向与坡向斜交时，基岩对水文过程和侵蚀过程的作用程度介于垂直和平行之间，故出露高度也居中。

图4 不同走向基岩出露高度对比Fig.4 Exposed heights of boulders for different directions

3.2.4 基岩出露高度与土地利用 本次调查中，共包含农地地块37个，其中出露基岩180处，平均出露高度(0.32±0.26) m；农林混合地块20个，基岩出露155处，平均出露高度(0.36±0.24) m；次生林草地3块，出露岩石40处，平均出露高度(0.37±0.18) m(图5)。坡面基岩出露是西南喀斯特山区布局土地利用时必须要考虑的因素之一，耕作条件良好的地块被农民选定为农地，而基岩出露严重地块不利于耕种，适合林草生长，这是不同土地利用间基岩出露存在差异的一个极为重要的因素。遵义地区是贵州省传统农业区，在20世纪，水土流失问题尚未得到关注时，在巨大人口压力下，坡面上基本上全部为农地。2002年，退耕还林工程全面实施，坡度较大、岩石出露较多的坡耕地弃耕撂荒为林草地，因此林草地中基岩出露高度略大于农地。为带动贵州山区脱贫致富，结合水土保持方针，当地选择经济树种核桃树，在坡面推广种植经济林。为了保障粮食产量，农民在条件好的农地继续种植农作物，选择在条件稍差的地块栽种核桃树，核桃树约在5年前栽种，目前枝叶尚不能覆盖整个地块。农民充分利用土地资源，在核桃疏林下种植黄豆、玉米、红薯等作物，因此栽种核桃树的农地比种植单一农作物的地块立地条件稍差，岩石出露高度更大。土壤是作物生长的基础，为便于开展农事活动同时获得更高的产量，土层厚度最大的地块被用来种植农作物。另外坡改梯工程的实施使农地土壤厚度较原坡面平均土层厚度有所增大，因此相应的岩石出露高度较小。

图5 不同土地利用基岩出露高度对比Fig.5 Exposed heights of boulders for different land uses

综上所述，基岩出露高度与坡度、基岩走向和土地利用等因素有关。为检验和定量比较以上环境要素对基岩出露高度的影响，采用一般线性模型中的单因素分析，得到各因素对基岩出露高度的解释能力。统计分析结果(表3)表明，坡度极显著影响基岩出露高度，能解释基岩出露高度变化的近20%，远高于本研究中的其他环境因素；其次是基岩走向，能解释基岩出露高度变异的近6%；其他环境因素的影响不显著。整体来看，所调查的环境因素对基岩出露总的解释能力略高于30%，还有近70% 无法解释，表明还有其他未研究的因素影响基岩出露高度，可能包含的因素有岩石本身特性(如硬度、节理、碳酸钙含量等)、溶蚀作用强度、地质构造等。以岩性为例，李瑞玲等[18]借助GIS中空间叠加分析功能，探究石漠化分布与地层岩性的关系，结果表明石漠化与纯碳酸盐岩的相关关系最明显，石灰岩地区石漠化程度比白云岩地区更严重。据此可以推测，岩性对石漠化坡面出露基岩的高度有一定的影响。但由于时间和精力有限，目前对其他可能因素尚未进行系统的定量研究。在今后的研究中，可以开展相关的工作，从而更全面地解释石漠化地区基岩出露高度特征。

表3 坡面环境要素对坡面基岩出露高度的解释能力

4 结论

1)坡面上，受侵蚀程度空间差异的影响，基岩出露频率中坡部位>上坡部位>下坡部位。

2)调查区坡面基岩出露平均高度为(0.35±0.25) m，具有强变异性。坡度对出露高度的影响大于其他因素，在本研究所调查的坡度范围内(0～15°)，出露高度随坡度增大呈幂函数形式增大。

3)基岩出露高度是影响石漠化坡面土地利用方式布局的重要因素，次生林草地基岩出露高度其他土地利用类型，反映了基岩出露严重的地块首先被退耕。

总之，石漠化坡面基岩出露现象复杂，仍有很多科学问题亟待探讨。本研究在一定程度上丰富石漠化地区基岩出露相关研究，为深入研究石漠化坡面水文过程、地貌过程和侵蚀过程提供了数据基础，进而为推进石漠化治理和区域生态恢复提供了有益参考；然而，需要说明的是，受时间、人力等方面的制约，本研究仍存在一些不足。例如调查区域石漠化程度比较低，尚不明确更严重石漠化坡面基岩出露特征与此调查结果是否一致；另外，调查区域空间范围有限，山体相对高差较小，因而调查结果能否在更大范围内推广仍需验证。从调查结果可知，所调查的环境要素对基岩出露高度的解释能力在30%左右，仍有其他影响坡面基岩出露的重要因素尚未探讨。因此，今后应加强对石漠化坡面基本特征的研究，从而为坡面土壤侵蚀和其他地表过程研究提供可靠依据。