貴州不同碳酸鹽巖坡耕地土壤侵蝕特征研究

張旭賢，高華端，孫利軍，潘平曉，蒲浪超

(1.貴州大學林學院，貴州貴陽 550025;2.貴州省公益林管理中心，貴州貴陽 550001;3.仁懷市水利局，貴州仁懷 564500)

貴州省地處云貴高原東部，土地總面積17.61萬km2，其中的92.5%為山地和丘陵。省內碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌面積高達10.9萬km2，占全省土地總面積的61.9%。省內碳酸鹽巖類型多樣，大體可分為純灰巖、泥灰巖、純白云巖及泥質白云巖4種。全省有坡耕地107.8萬hm2，占耕地總面積的58%。坡耕地是貴州耕地資源的重要組成部分，也是省內水土流失的多發區、易發區及江河水患沙患的主要源地，全省流失的泥沙90%來自于坡耕地，嚴重影響了當地的生態安全與經濟發展，因此對全省坡耕地水土流失進行治理就顯得非常重要。防治土壤侵蝕首先需要掌握的是其侵蝕特征，而巖性是影響土壤侵蝕的重要因素之一，由于土壤對母質及基巖有較強的繼承性，巖性的差異在一定程度上決定了土壤的理化性質及土壤侵蝕特征［1］。目前，我國在土壤侵蝕特征研究方面已取得了大量成果［2-3］，對喀斯特地區的土壤侵蝕特征也有許多報道。然而，喀斯特地區的土壤侵蝕研究在基于巖性方面大多是將碳酸鹽巖分為白云巖與石灰巖兩大類與非碳酸鹽巖進行對比，而很少對碳酸鹽巖巖性進行細分［4］，因此對不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征及在碳酸鹽巖組內不同碳酸鹽巖對土壤侵蝕特征是否有影響，對哪些侵蝕特征指標有影響，有什么樣的作用規律及機理卻不得而知。

土力學特性、土壤崩解及沖刷模數均屬受土壤理化性質影響的綜合指標，能夠在總體上體現土壤的侵蝕特征［4］。本研究以喀斯特地貌較為發育的貴陽市為研究區，以4種碳酸鹽巖發育坡耕地土壤的緊實度、沖刷模數、崩解速率及土壤可蝕性K值來綜合反映喀斯特地區不同碳酸鹽巖發育土壤的侵蝕特征，研究結果可為喀斯特地區的水土流失防治提供參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

貴陽市位于 E106°27'—107°03' 、N26°11'—26°55'之間，地處貴州省中部、云貴高原東斜坡，地跨長江流域與珠江流域的分水嶺地帶，總面積8 034 km2，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年降水量1 197～1 248 mm。具有典型的高原和喀斯特地貌特征，區內碳酸鹽巖廣布。地貌類型多樣，丘陵、山地、盆地相間分布，農業人均耕地僅0.17 hm2，由于是山區，因此有許多是坡耕地。區內人地矛盾較突出，水土流失及石漠化較嚴重。

1.2 研究方法

根據貴陽市碳酸鹽巖的分布特點，選擇青巖、花溪、烏當三地作為采樣區，按純白云巖、泥質白云巖、純灰巖、泥灰巖4種巖性布設樣地，每種巖性布設5個樣地，采用穿越方式進行調查采樣。樣地盡量保持海拔、坡度、坡位等一致，為便于比較，要求樣地均為經過長時間自然沉降且土壤結構比較穩定的玉米地。選好樣地后開挖剖面，并對土層厚度、石礫含量及母巖巖性進行觀察記錄，然后鏟去頂部5 cm厚的表土，用美國DICKEY-john 6100型(kPa)土壤緊實度儀測定土壤緊實度，再用環刀及原狀土取樣器各采集3份原狀土，并從打過環刀的位置取些許土壤放入鋁盒，帶回實驗室烘干稱重，然后計算土壤自然含水量、容重，及時進行原狀土沖刷與崩解試驗。同時采集約1 kg袋裝土，帶回實驗室處理后進行土壤理化性狀分析，測定其機械組成及有機碳含量。對每個土樣的每個指標進行3次平行測定，求其平均值，并用EXCEL與SPSS18.0進行統計分析。

1.3 土壤抗沖性測定

土壤抗沖性采用蔣定生等設計的抗沖槽測定［5］。測定時，先用方形環刀(20 cm×10 cm×6 cm)取原狀土樣帶回實驗室，然后將土樣放入抗沖槽內，將坡度設置為15°，控制沖刷流量為30 mL/s，沖刷時間為10 min，沖刷完畢后將被沖走的土壤烘干稱重并計算出土壤沖刷模數〔g/(m2·min)〕。

1.4 土壤崩解測定

在野外將土樣削成7 cm×7 cm×7 cm土塊帶回實驗室，然后再將土塊削成5 cm×5 cm×5 cm的立方體崩解樣并將其置于自制的帶浮標鐵絲網上，放入靜水中讓其自然崩解，根據蔣定生等設計的崩解儀原理測定土壤崩解速率(cm3/min)［6］。

1.5 土壤可蝕性K值的測算

在室內，采用吸管法測定土樣的機械組成(2.00～0.05、0.05 ～0.002、＜0.002 mm)，用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法測定土樣有機碳含量。在測定土壤機械組成及有機碳等參數的基礎上，用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型［7］求算土壤可蝕性K值，以便進行對比研究。

2 結果與分析

2.1 基于土壤理化性質的土壤特征分析

土壤的理化特性與其侵蝕特征息息相關，是解釋土壤侵蝕特征差異的重要依據。將野外調查與室內分析的土壤理化指標進行統計得到表1。從表1土層厚度來看，碳酸鹽巖形成的坡耕地土壤土層淺薄，平均厚度在35 cm左右，因而較小的侵蝕便可對碳酸鹽巖發育的土壤造成很大的影響;從石礫與黏粒含量來看，碳酸鹽巖形成的坡耕地土壤石礫含量大多在3%～15%之間，而黏粒含量較高，大多在25% ～50%之間。總體上看，白云巖發育形成的坡耕地土壤石礫及黏粒含量都高于石灰巖發育形成的坡耕地土壤，因此白云巖發育的土壤緊實度高于石灰巖發育的土壤緊實度，具有較強的抗沖抗蝕性;從容重及持水量看，4種碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤容重較低，多集中在1.1～1.3 g/cm3之間，但持水能力較強，田間持水量在30%～55%之間，總體均值約為50%，這說明碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤具有較強的下滲及蓄水能力，就土壤本身來說不容易產生侵蝕。

表1 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤特征

2.2 不同碳酸鹽巖發育形成坡耕地土壤的力學特征

土壤的緊實度主要受土壤機械組成、有機質、含水量、孔隙度及石礫含量的影響，這些指標集中反映了土壤內在的力學狀況，可作為土壤侵蝕特征的力學指標。對調查數據進行統計分析的結果(圖1)表明:4種碳酸鹽巖發育的坡耕地土壤緊實度總體差異不顯著，其值在400～650 kPa之間，總體均值約為550 kPa，是袁勇等［8］在黔中喀斯特地區研究得到的自然土壤緊實度的1/2～1/3，這與其容重較低的特性是一致的。表明年復一年的耕作活動使得碳酸鹽巖形成的坡耕地土壤較為疏松，降低了土壤抵抗侵蝕的能力，但提高了土壤的下滲與蓄水能力，若采取水土保持耕作措施并注意排澇，則有利于提高土壤的蓄水保土能力。

圖1 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的緊實度

2.3 不同碳酸鹽巖發育形成坡耕地土壤的抗沖特征

土壤的抗沖性是指土壤抵抗徑流機械破壞作用的能力。本研究采用相同試驗條件下的原狀土沖刷試驗測定的土壤沖刷模數來表征土壤的抗沖性。沖刷模數屬綜合性指標，能夠表征土壤侵蝕特征。由圖2知，4種碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤沖刷模數平均值約為45 g/(m2·min)。通過方差分析可知，除泥灰巖與泥質白云巖外，其他巖性區坡耕地土壤沖刷模數差異顯著，表現出純白云巖＞純灰巖＞泥質白云巖＞泥灰巖的變化特征。

圖2 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的沖刷模數

2.4 不同碳酸鹽巖發育形成土壤的抗蝕特征

土壤抗蝕性是土壤抵抗徑流對其分散與懸浮的能力，本研究用5 cm×5 cm×5 cm的坡耕地原狀土塊在靜水中的崩解速率(cm3/min)來表示。分析結果如圖3所示。

圖3 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的崩解速率

從圖3可知，4種碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的抗蝕性差異不顯著，這說明不同碳酸鹽巖對土壤抗蝕性影響不大。由于碳酸鹽巖形成的坡耕地土壤異質性較大，因此不同巖組內各實測值波動較大。同時，碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤平均崩解速率處于0.1～0.3 cm3/min之間，總體均值約為0.2 cm3/min，這個值是蔣定生［6］、曾光［9］等分別對黃土高原土壤抗蝕性研究得到的玉米地及農地土壤崩解速率的1/3～1/25，說明碳酸鹽巖發育形成的土壤抗蝕性較強。碳酸鹽巖發育形成的土壤之所以具有較強的抗蝕性，是由于碳酸鹽巖形成的土壤都是由巖石溶蝕后剩余的雜質發育而來，具有較高的黏粒含量所致。

2.5 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的可蝕性特征

目前，評價土壤可蝕性有許多的方法與指標［10］，本研究采用EPIC模型計算土壤可蝕性K值來評價土壤可蝕性，式中所涉及的土壤機械組成粒徑分級及K值采用美國制。土壤可蝕性K值僅為土壤理化性質的函數，可以客觀地反映土壤抵抗侵蝕的敏感性，與降雨、坡度、土地利用類型以及人為活動無直接關系，是反映土壤侵蝕難易程度的綜合性指標。從觀測資料和圖4可知，碳酸鹽巖發育的坡耕地土壤可蝕性K值較低，其值在0.25～0.30之間，平均值約為0.29，此值與史冬梅等［11］用EPIC模型計算得到的紫色土坡耕地土壤可蝕性K值(轉換為美國制K值為0.448)相比要小得多，說明碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤具有較高的抵抗侵蝕的能力。這可能是由于碳酸鹽巖發育的坡耕地土壤具有較高的黏粒含量，而黏粒含量高的土壤具有較高的比表面能，土粒間內聚力大，黏結力強，所以可蝕性K值較低。對4種碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的可蝕性K值進行差異性分析，可知除泥灰巖與泥質白云巖外，其他巖性區坡耕地土壤可蝕性K值間均有顯著的差異。4種碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤可蝕性K值表現出泥灰巖(0.304)＞泥質白云巖(0.299)＞純灰巖(0.283)＞純白云巖(0.272)的變化特征。

圖4 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的可蝕性K值

2.6 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征相關性

不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征相關性分析(表2)表明:除土壤沖刷模數與土壤可蝕性K值之間存在顯著負相關關系外，其余的不同侵蝕特征之間相關性不顯著。不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征之間相關性較弱，其中，土壤可蝕性K值、土壤崩解速率分別與土壤緊實度及土壤沖刷模數存在著負相關關系，土壤沖刷模數、土壤緊實度、土壤崩解速率分別與土壤可蝕性K值之間是負相關關系。

表2 不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤侵蝕特征的相關性

3 結果與討論

(1)碳酸鹽巖發育的土壤具有較高的黏粒含量，土壤抗沖抗蝕性較強，可蝕性低，可蝕性K值在0.25～0.30之間。但是，碳酸鹽巖發育的土壤土層較薄，平均厚度約35 cm，其侵蝕特征總體上表現為低流失、高危險，應引起足夠的重視。

(2)除泥灰巖與泥質白云巖外，其他碳酸鹽巖對所發育形成的坡耕地土壤的沖刷模數與可蝕性K值產生極顯著的影響，而對土壤緊實度及崩解速率影響不顯著。

(3)巖性對各土壤侵蝕特征的影響規律并不一致，4種碳酸鹽巖發育的坡耕地土壤的可蝕性K值表現為泥灰巖(0.304)＞泥質白云巖(0.299)＞純灰巖(0.283)＞純白云巖(0.272)，而沖刷模數的變化規律與之相反，具有顯著的負相關關系。

(4)本研究以不同碳酸鹽巖發育的坡耕地土壤為研究對象，探討了不同碳酸鹽巖發育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征及巖性差異對土壤侵蝕特征的影響，為喀斯特地區的土壤侵蝕特征研究增添了新的內容，對認識喀斯特地區土壤侵蝕特征及機理有一定的參考價值，但研究未能考慮巖石的節理裂隙及地下孔隙，研究尺度較小，結果具有一定的局限性。

［1］吳際通，高華端，秦曉嬌，等.黔中地區不同巖性區土壤抗沖性研究［J］. 貴州農業科學，2011，39(5):96-98.

［2］泮雪芹，劉占仁.云蒙湖流域不同土地利用類型的土壤侵蝕特征分析［J］.水土保持研究，2012，19(4):6-9.

［3］郭兵，陶和平.基于GIS和USLE的汶川地震后理縣土壤侵蝕特征及分析［J］.農業工程學報，2012，28(14):118-126.

［4］高華端，孫泉忠，袁勇.喀斯特地區不同土地利用類型土壤侵蝕特征研究［J］.水土保持通報，2010，30(2):92-96.

［5］蔣定生，范興科，李新華，等.黃土高原水土流失嚴重地區土壤抗沖性的水平和垂直變化規律研究［J］.水土保持學報，1995，9(2):1-8.

［6］蔣定生，李新華，范興科，等.黃土高原土壤崩解速率變化規律及影響因素研究［J］.水土保持通報，1995，15(3):20-27.

［7］Williams J R，Renard K G，Dyke P T.EPIC:A new method for assessing erosion’s effect on soil productivity［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1983，38(5):381-383.

［8］袁勇，高華端，孫泉忠.黔中喀斯特地區不同地類土壤侵蝕研究［J］.中國水土保持，2010(6):50-52.

［9］曾光，楊勤科，姚志宏.黃土丘陵溝壑區不同土地利用類型土壤抗侵蝕性研究［J］.水土保持通報，2008，28(1):6-9.

［10］阮伏水，吳雄海.關于土壤可蝕性指標的討論［J］.水土保持通報，1996，16(6):68-72.

［11］史東梅，陳正發，蔣光毅，等.紫色丘陵區幾種土壤可蝕性K值估算方法的比較［J］.北京林業大學學報，2012，34(1):32-38.