粵北巖溶峰叢自然坡面與梯田土壤侵蝕特征分析

魏興琥，徐喜珍，雷 俐，周紅艷,李忠云

(1.佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000； 2.華南師范大學 地理科學學院，廣東 廣州 510631)

土壤侵蝕是一種夷平過程，是土壤和巖石顆粒在外力作用下發生的轉運、滾動或流失，風和水是使顆粒變松和破碎的主要營力。土壤侵蝕是巖溶區發生石漠化最本質的過程，自1979年Legard首次提出巖溶地區生態環境問題后，由土壤侵蝕引發的巖溶區生態環境問題逐漸得到重視。我國是世界上巖溶面積最大的國家，巖溶區面積達344萬km2。峰叢洼地是巖溶地區典型的地貌類型，是在溶蝕作用基礎上形成的封閉或半封閉負地形和包括非可溶巖在內的與可溶巖組成的正地形[1]，其表層巖溶帶具有地表、地下雙重水文特征的特殊地質結構，水土環境異常脆弱，加之隨著人為干擾的加重，土壤侵蝕越來越嚴重，區域生態環境十分脆弱，成為巖溶生態治理和生態扶貧的重點區域[2]。我國自20世紀50年代開始大規模開展土壤侵蝕科學研究并取得重要進展[3]，研究成果主要集中于生態脆弱區，其中喀斯特地區多為土壤侵蝕機理研究，比如：周忠發、李瑞玲、徐燕等指出喀斯特地區土壤侵蝕受碳酸鹽巖的巖性及發育土壤的性質影響[4-6]；白占國等認為喀斯特地區土壤侵蝕受降雨和地形的影響[7]；張信寶等提出巖溶坡地土壤侵蝕是化學溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕的疊加[8]；楊智、楊成波、王明剛等通過人工模擬降雨試驗進行喀斯特地區土壤侵蝕機理研究[9-11]；曹建華、蔣忠誠、楊德生等在厘定中國西南巖溶區土壤允許流失量的基礎上，確定了西南巖溶區土壤侵蝕強度分級標準，揭示了土壤侵蝕與石漠化的因果關系[12-14]；李森、王明剛、張素紅等在粵北巖溶山區開展了坡地土壤侵蝕模擬試驗研究[15-18]；魏興琥、黃金國等從土壤理化性質等方面對粵北巖溶環境的土壤侵蝕進行了研究與分析[19-20]。粵北巖溶山區是我國南方巖溶區的東延部分，面積20 576 km2，土地石漠化嚴重。粵北地區峰叢洼地面積大，峰叢坡面中下部較緩地帶多被開發為梯田，原有自然坡面受到嚴重干擾。本研究對粵北巖溶峰叢自然坡面與梯田土壤粒度及侵蝕特征開展研究，以期揭示人類干擾對峰叢洼地地表生態結構的影響，為合理開發利用巖溶土地資源提供依據。

1 材料與方法

1.1 調查區概況

選擇位于粵北巖溶山區的英德市巖背鎮作為坡面土壤侵蝕特征典型調查區(圖1)。調查區位于英德市西部，地理位置介于112°48′—112°52′E、24°16′—24°21′N之間，地勢北高南低，東面分布有次生林地，西面大部分為裸露石灰巖山地。屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 800 mm，區內分布有超過1 000 m2的人類開墾造成的極重度石漠化土地，巖石裸露率超過95%，土壤為紅色石灰土。屬典型的峰叢洼地地貌，六邊形封閉峰叢，最底部有落水洞，最高峰與落水洞高差170 m，自然坡面海拔590—474 m，梯田海拔472—422 m。植被為典型石灰巖灌叢，具有巖生性，常見物種有竹葉椒、苧麻、野菊、懸鉤子、單葉鐵線蓮、三裂葉葛藤、纖毛鴨嘴草、四季報春等[21]。山坡中下部被開墾為梯田，其農耕歷史可追溯到民國初年，主要種植玉米、花生、大豆和各種蔬菜。

圖1 粵北碳酸鹽巖分布情況及調查區位置

1.2 調查采樣方法

在調查區選擇一典型坡面進行調查和采樣。坡面上部為自然坡面，中下部為梯田。從坡頂到坡底設3條樣帶，間距6～10 m。自然坡面，每條樣帶自上而下按坡面距離間隔15 m設置樣點，共3×11個樣點；梯田，每條樣帶自上至下按坡面距離間隔15 m設置樣點，共3×6個樣點；每個樣點設1個樣方，尺寸3 m×4 m，考慮到峰叢坡面實際土層厚度和土壤特性，在樣方內按土壤深度0—10、10—20 cm分層采集土樣，每個樣點重復采樣3次。在采集土樣的同時，詳細記錄樣方的位置、海拔、坡度、土層厚度、巖石裸露面積、植被類型等。用鐵釬法沿樣方對角線和十字線每隔1 m測定一次土層厚度，取其平均值作為樣方土層厚度。巖石裸露率通過測定樣方內巖石出露面積并除以樣方面積計算得到。

1.3 土壤粒度與數據分析

土壤粒度采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000)測定。土壤機械組成按照我國土粒分級標準分為石塊、石礫、砂粒(粗砂粒、細砂粒)、粉粒(粗粉粒、細粉粒)、黏粒5級。采用SPSS 10.0軟件進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 峰叢自然坡面與梯田地表巖石裸露率、土壤厚度變化

從坡頂到坡中部，峰叢自然坡面坡度逐漸變緩，總體上巖石裸露率呈減少趨勢，土層厚度呈增加趨勢，見表1。相關性分析(表2)表明：巖石裸露率與土層厚度呈極顯著負相關，與高程呈極顯著正相關，與坡度呈顯著負相關；土層厚度與高程、坡度均存在極顯著負相關關系；高程與坡度之間存在極顯著正相關關系。這一結果表明海拔和坡度是決定和影響峰叢自然坡面地表特征的主要因素。在粵北峰叢洼地，海拔越高的峰叢，其上部越陡峭，植被越稀疏，越容易受到雨水侵蝕，侵蝕造成了巖石裸露率增加，坡度越大則侵蝕土壤運移的速度和程度就越大。而在坡中下部的梯田，巖石被挖出作為田埂堆積，地表被平整，盡管從坡中部到坡底土層厚度有變厚的趨勢，但與高程之間的Pearson 相關性系數為0.616，未達到顯著水平。山地地形、坡度變化，加之坡面侵蝕長期作用勢必造成峰叢洼地坡面土壤物質由上至下遷移，或堆積于洼地、裂隙、石縫間，或隨水遷移，并最終進入落水洞、流入地下河。

表1 峰叢自然坡面與梯田地表特征

表2 峰叢自然坡面巖石裸露率、土層厚度、高程及坡度的相關性分析

對峰叢自然坡面巖石裸露率變化規律的進一步分析可以看出，隨著海拔的降低，巖石裸露率總體呈下降趨勢，但是不同坡面位置裸露率差異較大：坡頂，巖石裸露率高且變化小；海拔566 m到接近坡中部位置，巖石裸露率不斷降低，降幅在30%以上；坡中部，巖石裸露率變化較大。這種變化規律的出現，一方面是由于巖溶地區峰叢洼地的高差造成的勢能加大了地表徑流的沖刷能力，致使地表水土流失嚴重，在峰叢的正地形地區極易形成地表徑流，加之陡坡水流的加速度比較大，對土壤的沖刷能力較強，最終導致土壤流失和巖石裸露。另一方面，由于坡面物質的輸入、輸出區差異，山坡中上部及坡頂等正地形部位在雨水侵蝕下成為物質的完全輸出區；坡中部承接了中上部的沖積物，又不斷向下流失，物質積累與流失的程度取決于坡度的大小和地表徑流的沖刷(由于坡度較緩，所以調查區峰叢坡面中部一般處于積累狀態，巖石裸露率較小)；坡底附近通常坡度較緩，成為中、上部沖積物的承接地區，是土壤的輸入區。此外，由于峰叢洼地地形破碎，坡面密布石溝、石槽、石坑、裂隙等小地形，致使地形對巖石裸露率空間變化的影響趨于復雜化和多樣化。當土地利用類型變為耕地后，土層厚度總體呈增加趨勢，并表現出與自然坡面的延續性：梯田上部和中部土層厚度變化幅度不大，隨高程降低緩慢增加；在接近洼地底部的梯田，土層厚度增幅最大。雖然受到人類耕作的強烈干擾，但長期作用形成的自然坡面的地表特征依然存在。

2.2 峰叢自然坡面與梯田地表土壤粒度變化

峰叢自然坡面0—10、10—20 cm土層相同粒級的土壤機械組成表現出相似的變化趨勢(圖2)。土壤中砂粒尤其是細砂粒所占比例最高，砂粒平均含量為75.79%，其中0—10 cm土層粗、細砂粒含量分別為15.71%～54.44%、30.20%～54.73%，10—20 cm土層分別為17.03%～54.73%、32.46%～59.96%，細砂粒含量隨峰叢海拔降低有增加趨勢，粗砂粒含量在坡頂和山坡中上部高于細砂粒，但隨海拔降低變化幅度較大；其次為粉粒和黏粒，0—10 cm土層粉粒和黏粒含量分別為7.00%～21.66%、1.19%～18.62%，10—20 cm土層分別為6.51%～23.04%、1.22%～12.25%；最后為石礫，所占比例最低，大多在1%以下。受地表形態和地形影響，在相同海拔不同粒級土壤含量有較大差別。粉粒和黏粒含量隨海拔降低變化規律相似，即在峰頂含量很少，之后逐漸增加，在海拔566 m左右迅速減少，之后又有所增加，515 m左右再緩慢減少；除在坡中部有所減少外，細砂粒含量基本是隨著海拔降低而增加；石礫和粗砂粒含量變化規律相似，在海拔538 m左右達到最高值，而這與黏粒含量的變化規律正相反。

圖2 峰叢自然坡面不同深度土層土壤粒度隨海拔變化

侵蝕是土壤顆粒變化與細粒物質遷移的主要驅動力，但在巖溶區決定侵蝕方式和程度的要素遠比其他區域復雜。峰叢洼地地貌復雜，峰尖坡陡，巖石裸露，裂隙發育；坡中地形起伏，石筍、石牙聳立，溝、槽、縫發育，形成了多樣化的微地形；坡下部地勢趨緩，侵蝕物堆積。巖溶峰叢的整體地形特點決定了土壤物質由上至下搬運，巖溶環境的土—石二元結構造成地表侵蝕和地表土壤相似的非延續性特征，裸露的巖石切斷了地表侵蝕路徑，各種因巖石裸露而形成的微地形使坡面侵蝕運移的土壤細粒物就地堆積或殘存于巖石溝、槽、縫中，而溶蝕裂隙又會產生土壤垂直滲漏流失。因此，峰叢洼地地表土壤侵蝕搬運是一個復雜的過程，既有地表侵蝕，又有垂直滲漏，既有由上至下的細顆粒物質遷移，又有局部微地形造成的堆積過程。根據土壤中砂粒物質含量可以看出，峰叢洼地的地表形態是長期侵蝕作用的結果，而粗顆粒物質隨土壤深度減少則說明了垂直滲漏的存在。實際調查發現，粉粒和黏粒等細粒物質除受地表侵蝕影響外，更易受微地形影響，尤其是在巖石洼地、石槽、石縫、裂隙、溶蝕溝等巖石裸露率高的局部微地形。

與自然坡面相比，盡管位于同一坡面，但梯田的土壤機械組成卻發生了很大變化(圖3)。粗粉粒取代粗砂粒和細砂粒成為地表土壤主要的粒級成分，在6個樣地18個樣點中，粗粉粒含量0—10 cm土層為29.53%～35.96%，10—20 cm土層為34.44%～37.71%；其次是細砂粒，0—10 cm土層含量為25.58%～41.66%，10—20 cm土層為27.33%～37.66%；再次是黏粒，0—10 cm土層含量為14.74～19.37%，10—20 cm土層為14.55%～18.35%；最后與自然坡面近似，梯田土壤中石礫含量也最低，各土層深度石礫含量均在2%以下。梯田不同深度土層土壤相同粒級含量及其隨海拔變化規律基本相似，且變化相對平穩。位于梯田土壤下部的細粒物質含量有減少的趨勢，說明雖然梯田經過平整使坡面侵蝕的動力消失，但依然存在垂直滲漏現象。

圖3 梯田不同深度土層土壤粒度隨海拔變化

以粒徑分級標準[22]分析峰叢自然坡面與梯田的土壤質地，結果表明峰叢洼地自然坡面土壤質地以砂土和砂質壤土為主，而梯田則以黏壤土和粉砂質黏壤土為主，二者在土壤肥力、持水性、通氣性方面存在明顯差異，并最終影響植被的生長和抗蝕能力[23-24]。根據自然坡面與梯田土壤粒度變化及各粒級含量可以看出峰叢洼地自然坡面地表土壤長期處于侵蝕狀態，梯田在一定程度上降低了侵蝕程度，減輕了土壤細粒物質的流失，但不能完全阻止侵蝕的發生。

3 主要結論

(1)峰叢洼地自然坡面由于特殊的地質、地貌構造，在長期地表侵蝕作用下，巖石裸露率與高程、高程與坡度之間存在極顯著正相關關系，土層厚度與巖石裸露率、坡度、高程之間均為極顯著負相關關系，巖石裸露率與坡度之間為顯著負相關關系。而梯田多位于山坡中下部地勢平緩處，受人類持續不斷的平整和土石搬運影響，坡面侵蝕力減弱，巖石裸露率、土層厚度與高程的相關關系規律不明顯。

(2)峰叢洼地自然坡面土壤以砂粒為主，平均含量為75.79%，之后是粉粒和黏粒，平均含量為6.73%～22.35%、1.21%～15.44%；隨海拔降低，細砂粒含量有增加趨勢，粗砂粒含量變幅較大；土壤物質由上至下侵蝕搬運，土—石二元結構形成的微地形對侵蝕過程及土壤遷移、堆積影響較大。梯田地表土壤中粗粉粒取代粗砂粒和細砂粒成為主要的粒級成分，其含量為29.53%～37.71%；之后是細砂粒、黏粒，含量分別為25.58%～41.66%、14.55%～19.37%；粗砂粒和石礫含量較低，分別低于8.11%、2%。梯田土壤的粉粒、黏粒含量遠高于自然坡面。

(3)峰叢洼地地貌的復雜性和巖溶環境土—石二元結構形成的地表非均質性使地表侵蝕變得非常復雜，其地表侵蝕與土壤物質搬運過程不僅受地貌特征影響，而且受巖石裸露形成的微地形影響，既有地表侵蝕，又存在垂直滲漏侵蝕。

(4)通過改造坡面地形，梯田在一定程度上降低了土壤地表侵蝕的程度，減弱了土壤細粒物質的流失，但仍無法避免垂直滲漏的發生。

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