贵州贞丰<br/>——关岭花江喀斯特石漠化地区土壤厚度的空间分布特征

贵州贞丰
——关岭花江喀斯特石漠化地区土壤厚度的空间分布特征

2023-01-30邓大鹏卢耀如闫钇全

水文地质工程地质 2023年1期

邓大鹏，刘琦,2，卢耀如，闫钇全

（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.岩土及地下工程教育部重点实验室（同济大学），上海 200092）

石漠化是我国西南岩溶地区最严重的生态环境问题之一[1−3]，严重制约着西南地区的经济社会发展[4]。岩溶地区特有的地形地貌、岩性和气候等因素造成该地区母岩成土速率慢且水土流失严重，地表土被不连续是土壤厚度空间分布不均的主要原因[5−6]，而土壤浅薄、持水能力差的地区更易于发生干旱和石漠化[7−8]，且土壤肥力严重下降[9]。有研究指出石漠化从轻度向重度发展的过程中土壤厚度呈显著下降的趋势，轻度石漠化地区土壤厚度在30～50 cm，中度石漠化地区土壤厚度在20～40 cm，重度石漠化地区土壤厚度一般小于20 cm，石漠化的发展程度和等级与土壤厚度有着密切的关系[10−11]，两者相辅相成。因此，对石漠化地区土壤厚度及其空间分布特征的研究有助于石漠化的有效控制以及水土流失防治等生态修复。

岩溶地区土壤厚度的空间分布特征受地形地貌、海拔、土地利用类型等多种因素的影响。周运超等[12]通过研究指出岩溶地区特殊的地表地下二元水文结构以及复杂的地貌形态导致土壤流失极易发生，进而导致土壤厚度水平和纵向分布异质性。尹辉等[13]利用GIS技术研究发现广西典型岩溶区土壤厚度空间分布不均匀，表现出斑状和带状分布等特征，梯度分布较为明显。李程程等[14]研究了岩溶区域的土壤厚度与山体海拔高度的关系，结果表明由于重力和水力侵蚀等因素的影响，土壤的平均厚度随着山体高度的增高而减少。Huang等[15]研究表明贵州后寨河流域盆地土壤具有高度的空间异质性，地势凸起部分的土壤厚度明显比洼地和平地上的土壤薄。尹亮等[16]研究表明石漠化地区土壤厚度具有中等强度变异性，不同土地利用方式下土壤厚度分布规律差异明显。对于我国西南岩溶地区而言，土地利用率较低、基岩裸露率高、山体海拔高差大、坡面较陡等状况是该地区的典型特征，也是影响区域土壤厚度空间分布的重要因素[17]，以往的研究较少从自然和人为因素综合分析石漠化地区土壤空间分布变异性的主要原因，特别对于中-强度石漠化地区的土壤厚度空间分布研究鲜有报道，难以为石漠化地区因地制宜地治理提供参考。

本文以贵州贞丰——关岭花江高原峡谷中-强度石漠化治理示范区为研究区域，通过野外土壤厚度调查并结合统计学等方法，分析研究区土壤厚度空间分布特征及关键影响因素，定量研究典型中-强度石漠化地区关键性人为因素（土地利用状况）和自然因素（海拔高度、基岩裸露率、坡度）综合对土壤厚度空间分布特征的影响，为石漠化地区土地合理利用和水土流失防治提供参考。

1 研究区概况

研究区位于贵州省关岭县与贞丰县交界处的北盘江峡谷花江段流域（图1），该地区年均降水量约1 100 mm，降雨主要分布在每年的5——10月。由于河流的下切作用，研究区海拔在446～1 359 m，海拔高差大，是典型的喀斯特高原峡谷区域（图2），岩性以石灰岩和白云岩为主，土壤主要是以黄色石灰土类型为主，结构松散、易形成干旱状态。主要土地利用类型为林地与坡耕地，此外还有大量无法耕种的荒地，其中林地面积约2 244 km2，约占研究区总面积的43%；耕地面积约1 672 km2，约占总面积的32%[18]。研究区石漠化程度以中度和强度为主，石漠化面积约占研究区总面积的49%。区内土地已被大量开垦，由于人类活动的干扰，土地植被覆盖度较低，极易发生水土流失。

图1 平面地质图及研究区土壤厚度调查单元分布Fig.1 Geological map and distribution of soil thickness survey units in the study area

图2 花江喀斯特峡谷地质剖面图Fig.2 Geological profile of the Huajiang karst gorge

2 研究方法

2.1 采样方法与样点布设

采取抽样调查方式在研究区北盘江两岸选取了31个典型石漠化区域的抽样单元，调查单元位置分布情况如图1所示。其中，21个调查单元选定10 m×10 m的正方形区域作为一般调查单元，其内均匀布设9个土壤厚度采样点；10个调查单元选定为20 m×20 m的正方形区域作为详细调查单元，均匀布设25个土壤厚度采样点，样点布设如图3所示。为便于调查，用钢钎法测定土壤厚度，特制长度为1.3 m，直径为12 mm的尖端打磨的钢钎，钢钎上每5 cm做一个刻度标记。

图3 调查单元样点布设示意图Fig.3 Sampling points layout of investigation unit

2.2 空间变异分析方法

在空间中土壤厚度的分布是区域化变量，具有随机性和结构性，是空间距离的函数，可以用半方差函数进行描述[16,19−20]，公式为：

式中：R(s)——间距等于s的半方差，其随s的增加而增加；

N(s)——距离等于s时的点对数；

Z(xi)——样点Z在位置xi的实测值；

Z(xi+s)——与xi距离为s处样点的值。

土壤厚度的无偏最优估计采用点状克里格插值法。一定范围内，变量在位置x0处的估测值为Z(x0)，周围一段距离内的实测值为，则变量在位置x0处的估计值可以用Z（x0）的线性组合表示[21]，即：

式中：λi——实测点位值的加权系数。

3 土壤厚度调查结果

31个调查单元土壤厚度信息统计见表1，本次调查共有439个土壤厚度调查数据，按照土地利用类型分为坡耕地、荒地和林地，其中坡耕地的主要植被为花椒、玉米和火龙果等；荒地的主要植被为杂草；林地的主要植被为灌木和柚木。调查单元分布的海拔高度从537～1 189 m不等，占据了研究区海拔高度约70%的区间。从土壤厚度统计特征来看，不同调查单元的土壤厚度平均值为6～59 cm，研究区的平均土壤厚度约为26 cm。根据变异系数（Cv）的值可大致估测数据的变异程度[22−23]：Cv<10%，变异性较弱；Cv=[10%，100%]，变异性中等；Cv>100%，变异性较强，由表1中各调查单元的土壤厚度变异系数可知，研究区土壤厚度变异性以中等变异为主。

表1 各采样单元土壤厚度Table 1 Soil thickness information of the investigation units

由表1可知，研究区土壤厚度在0～100 cm，以每10 cm为一个统计区间，绘制了土壤厚度分布比例图（图4）。土壤厚度占比最多的区间为[20，30）cm，占比约为 26%；其次为区间 [10，20）cm和 [0～10）cm，占比分别为23%和16%。由土壤厚度累计比例可见，[0～30）cm区间内的土壤厚度占比约为66%，即研究区土壤厚度普遍较低，约2/3的土壤厚度低于30 cm。

研究区山高坡陡且土壤厚度分布不连续，土地难以大面积开垦利用。为了进一步分析不同土地利用类型的土壤厚度分布特征，分别统计了林地、荒地和坡耕地的土壤平均厚度及分布区间，得到不同土地利用类型土壤厚度分布情况（图5）。结果显示，坡耕地的土壤平均厚度最大，为27.3 cm；荒地、林地的土壤平均厚度依次降低，分别为24.2cm以及21.7 cm，表明经济作物的土壤较厚，人为因素对其产生了重要作用。荒地的主要植被为杂草，其土壤平均厚度大于以柚木和灌木为主的林地，表明在研究区杂草由于有广布的根系，其固土作用可能强于高大的林木。从不同利用类型土地的土壤厚度分布区间来看（图5），坡耕地的土壤厚度区间范围最大，为0～100 cm，人为因素使得土壤厚度的平均值较高，但存在土壤厚度分布极为不均的弊端。林地、荒地的土壤厚度区间分别为5～62 cm，0～50 cm，即林地的土壤最大厚度大于荒地，这是因为林地的植物根系附近土壤厚度比荒地厚，以上也表明虽然在自然状态下林地和荒地的土壤平均厚度略低于坡耕地，但具有土壤分布相对连续的优点。

图5 不同土地利用类型土壤厚度分布Fig.5 Soil thickness distribution of different land uses

4 分析及讨论

4.1 不同土地利用类型影响下的土壤厚度空间变异特征

以3种典型土地利用类型的样地（荒地、林地、坡耕地）进行半方差函数分析，每种样地均选取3个典型调查单元，根据决定系数（R2）最大，残差平方和（RSS）最小的原则，得到3种典型样地土壤厚度半方差分析参数如表2所示。3种土地利用类型样地土壤厚度的空间变异特征分别对应了不同的理论模型，3个荒地土壤厚度调查单元的土壤厚度分布理论模型表现出了良好的稳定性，均为高斯模型；林地的土壤的厚度分布理论模型以球状模型为主，其中Plot 24调查单元由于既存在灌木也有部分杂草，导致其土壤厚度分布表现出线性模型；而3个坡耕地调查单元的土壤厚度分布理论模型呈现出3种不同的模型（球状模型、线性模型、指数模型），反映出其土壤厚度空间分布的不确定性。

表2 典型样地土壤厚度半方差分析参数表Table 2 Parameters of semi-variance analysis of soil thickness in typical plots

块金值与基台值的比值（块基比）表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例，块基比小于0.25时，表明空间变异性较强；块基比在0.25～0.75之间时，具有中等程度的空间变异性；块基比大于 0.75时，表明空间变异性相对较弱[16]。由表2可知，大部分样地的块基比小于0.25，表明研究区土壤厚度空间变异性以强度为主，Plot 29坡耕地花椒地调查单元的块基比介于0.25～0.75 之间，通过野外调研查明该样地附近常有人为农业施肥，即人与自然作用同时影响导致该样地具有中等空间变异性。以柚木为主的林地调查单元Plot 14的块基比最小，因此这种样地具有强空间变异性，结构性因素（自然因素）是导致土壤厚度空间变异性的主导因子。

按照每种土地利用类型分别选取3个样地，通过GS+软件利用克里格插值法获得了3种土地利用类型样地的土壤厚度空间分布等值线图（图6、图7、图8）。从整体上看，在研究区内不同土地利用状况土壤厚度的空间分布有明显差异，荒地的土壤厚度连续程度优于林地和坡耕地，即空间变异性相对更小。从荒地的土壤厚度分布情况（图6）可以看出，有杂草覆盖的荒地Plot 8和Plot 27的土壤厚度空间连续性好于无植被覆盖的荒地Plot 13。从林地的土壤厚度分布情况（图7）可以看出，林地的土壤厚度分布变异程度较大，个别点位土壤厚度达到40 cm以上，而一半以上面积的土壤厚度低于10 cm，甚至多处土壤厚度为0 cm，部分土地无植被覆盖使得水土流失程度和岩石裸露情况具有明显随机性。其中，Plot 14柚木林地较大的基岩覆盖率使得其土壤平均厚度偏低，土壤厚度空间分布有明显突变性；从坡耕地的土壤厚度分布情况（图8）可以看出，由于存在植被生长和人为活动的共同影响，在一定程度内，土壤厚度分布呈现有作物附近土壤厚度较大，无植物地方土壤较为浅薄的特征，但不同位置处土壤厚度的差值相对较小。

图6 荒地土壤厚度分布等值线图Fig.6 Contour maps of soil thickness distribution in wasteland

图7 林地土壤厚度分布等值线图Fig.7 Contour maps of soil thickness distribution in forest land

图8 坡耕地土壤厚度分布等值线图Fig.8 Contour maps of soil thickness distribution in sloping farmland

4.2 关键性自然影响因素分析

由于研究区属于典型的岩溶高原峡谷地貌，地质地貌条件复杂，影响土壤厚度分布情况的因素较多，包括自然因素和人为因素。结合现场调研和资料收集，发现海拔高度、基岩裸露率、坡度是对土壤厚度分布特征影响的关键性自然因素。因此本文主要分析海拔高度、基岩裸露率、坡度三种因素对研究区土壤厚度的空间分布影响规律。

4.2.1 海拔高度

研究区地形高差大，海拔高度是造成土壤厚度空间分布不均的主要原因之一，在海拔高的地方，土壤在重力以及降雨的作用下，会向海拔低的地方堆积。野外调查中，31个调查单元的海拔为537～1 189 m，其中大部分为石灰岩地区，石灰岩地区调查单元海拔为537～871 m。将相近海拔的土壤厚度求取平均值，得出该海拔位置的土壤厚度平均值，进而得到不同海拔高度与土壤厚度关系（图9）。

图9 海拔与土壤厚度关系Fig.9 Relationship between soil thickness and altitude

对海拔高度与土壤厚度数据点进行非线性拟合，得到研究区内土壤厚度（t）与海拔（h）呈二次函数的负相关关系（图9），土壤的平均厚度随着山体海拔的增加而减小，当海拔较高时，曲线的斜率较大，表明随着山体海拔的增大，土壤厚度降低速率明显加快。在重力作用下，土壤在高陡处常被侵蚀，低洼处常形成堆积。即在岩溶石漠化地区，土壤厚度随着距离山顶远近的变化而变化，离山顶越近的地方，土壤厚度越小；反之，离山顶越远的地方，即山脚低洼处，土壤厚度越大。野外调查发现，山顶周围很少有高大的植物，一般以野草为主，土壤层十分浅薄，甚至几乎没有土壤，植物难以生长。

4.2.2 基岩裸露率

有大量的基岩裸露是岩溶石漠化地区的主要特点，基岩裸露率是指单位调查单元内，基岩出露的面积占一个调查样地总面积的百分比。一般情况下，岩石裸露率越高，表明土壤流失越严重，石漠化程度越高。本文的调查单元是10 m×10 m和20 m×20 m，根据在毫米方格纸中绘制调查单元土壤分布简易图，经Mapgis数值化后计算得到调查单元的基岩裸露率为18.5%～85.6%，大部分采样单元基岩裸露率在60%～90%，平均值为66.8%。

为了分析基岩裸露率对土壤厚度的影响，将相近基岩裸露率的调查单元土壤厚度求取平均值，并绘制了基岩裸露率与土壤厚度的关系图（图10）。拟合曲线表明土壤厚度（t）与基岩裸露率（r）呈明显的线性负相关关系，基岩裸露率越大，土壤层越薄。此规律与野外调查情况相同，基岩裸露率越大，即石漠化程度越高，土壤层就更加浅薄。

图10 基岩裸露率与土壤厚度关系Fig.10 Relationship between soil thickness and bedrock exposure rate

4.2.3 坡度

在土壤流失过程中坡度是较为重要的影响因子。坡度大的地方在降雨冲刷作用下，极易产生土壤流失，因此，坡度大的地方土壤累积较少，土层浅薄。为了研究坡度对土壤厚度的影响，将31个调查单元中坡度相同的土壤厚度求取平均值，作为该坡度的平均土壤厚度，得到了坡度与土壤厚度相关关系（图11）。拟合曲线表明土壤厚度（t）与坡度（s）之间有明显线性负相关关系，即当坡度不断增大，研究区土壤厚度不断变小，二者呈现线性相关关系。即坡度较大区域的土壤会通过重力以及降雨侵蚀向平缓处积累，进而影响土壤厚度。随着坡度的增大，土壤侵蚀程度逐渐增强，土壤厚度逐渐降低。

图11 坡度与土壤厚度关系图Fig.11 Relationship between soil thickness and slope

4.3 讨论

研究区属于典型中-强度石漠化地区，具有海拔高差大、坡面较陡、基岩裸露率高的特点。随着海拔的升高，地理气候环境逐渐恶劣，植物生长愈发困难，如在研究区发现山底生长乔木，随着海拔升高逐渐变为灌木，到较高的山顶时则生长的是草本植物，植被固土能力越来越弱，降雨带来的土壤流失逐渐加重，土壤厚度就会降低；当基岩裸露率较高时，反映出深层土壤与母岩结合能力较弱，植被覆盖率一般较低，不利于植物、土壤和基岩的有机结合，土壤流失更容易发生，即土壤厚度相对较低；对于坡度而言，随着坡度的增大，外力作用下坡面土壤侵蚀更容易发生，土壤中有机质流失较快，不利于植物生长，进一步加剧了土壤的侵蚀，造成土壤厚度随坡度增加而降低的现象；此外，研究区具有显著的地表地下“二元”水文特征，因此研究区土壤的重力侵蚀和水力侵蚀均极易发生，导致大面积的土壤地表流失和地下漏失，这也是造成土壤空间分布极为不均的主要原因之一。

研究区自然植被种类较为单一，缺少集中连片的大型灌木以减少降雨对土壤的冲刷侵蚀，经济作物的过度种植导致土地被大量开垦，人为因素对土壤空间分布影响明显。因此，对于研究区土壤流失的控制可以通过工程措施和生物措施共同实施。工程措施可以利用坡改梯减缓坡度[24]，减少土壤流失的原动力，起到减缓土壤流失的作用。生物措施包括退耕还林还草[25]、灌木与草套种、矮化密植[26]等，对于基岩裸露率较大、土壤厚度较小的区域，种植根系较大草本植物，进行人工干预下的生态修复；对于土壤厚度较大，基岩裸露率低的区域，可以开展适当的农业耕种，维持区域经济发展和生态修复的平衡。