魏興琥，徐喜珍，雷 俐，周紅艷,李忠云

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000； 2.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

土壤侵蝕是一種夷平過(guò)程，是土壤和巖石顆粒在外力作用下發(fā)生的轉(zhuǎn)運(yùn)、滾動(dòng)或流失，風(fēng)和水是使顆粒變松和破碎的主要營(yíng)力。土壤侵蝕是巖溶區(qū)發(fā)生石漠化最本質(zhì)的過(guò)程，自1979年Legard首次提出巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題后，由土壤侵蝕引發(fā)的巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題逐漸得到重視。我國(guó)是世界上巖溶面積最大的國(guó)家，巖溶區(qū)面積達(dá)344萬(wàn)km2。峰叢洼地是巖溶地區(qū)典型的地貌類型，是在溶蝕作用基礎(chǔ)上形成的封閉或半封閉負(fù)地形和包括非可溶巖在內(nèi)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(zhì)結(jié)構(gòu)，水土環(huán)境異常脆弱，加之隨著人為干擾的加重，土壤侵蝕越來(lái)越嚴(yán)重，區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱，成為巖溶生態(tài)治理和生態(tài)扶貧的重點(diǎn)區(qū)域[2]。我國(guó)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)展土壤侵蝕科學(xué)研究并取得重要進(jìn)展[3]，研究成果主要集中于生態(tài)脆弱區(qū)，其中喀斯特地區(qū)多為土壤侵蝕機(jī)理研究，比如：周忠發(fā)、李瑞玲、徐燕等指出喀斯特地區(qū)土壤侵蝕受碳酸鹽巖的巖性及發(fā)育土壤的性質(zhì)影響[4-6]；白占國(guó)等認(rèn)為喀斯特地區(qū)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(xué)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(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)進(jìn)行喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機(jī)理研究[9-11]；曹建華、蔣忠誠(chéng)、楊德生等在厘定中國(guó)西南巖溶區(qū)土壤允許流失量的基礎(chǔ)上，確定了西南巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，揭示了土壤侵蝕與石漠化的因果關(guān)系[12-14]；李森、王明剛、張素紅等在粵北巖溶山區(qū)開(kāi)展了坡地土壤侵蝕模擬試驗(yàn)研究[15-18]；魏興琥、黃金國(guó)等從土壤理化性質(zhì)等方面對(duì)粵北巖溶環(huán)境的土壤侵蝕進(jìn)行了研究與分析[19-20]?；洷睅r溶山區(qū)是我國(guó)南方巖溶區(qū)的東延部分，面積20 576 km2，土地石漠化嚴(yán)重?；洷钡貐^(qū)峰叢洼地面積大，峰叢坡面中下部較緩地帶多被開(kāi)發(fā)為梯田，原有自然坡面受到嚴(yán)重干擾。本研究對(duì)粵北巖溶峰叢自然坡面與梯田土壤粒度及侵蝕特征開(kāi)展研究，以期揭示人類干擾對(duì)峰叢洼地地表生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，為合理開(kāi)發(fā)利用巖溶土地資源提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

選擇位于粵北巖溶山區(qū)的英德市巖背鎮(zhèn)作為坡面土壤侵蝕特征典型調(diào)查區(qū)(圖1)。調(diào)查區(qū)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(shì)北高南低，東面分布有次生林地，西面大部分為裸露石灰?guī)r山地。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 800 mm，區(qū)內(nèi)分布有超過(guò)1 000 m2的人類開(kāi)墾造成的極重度石漠化土地，巖石裸露率超過(guò)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?guī)r灌叢，具有巖生性，常見(jiàn)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(bào)春等[21]。山坡中下部被開(kāi)墾為梯田，其農(nóng)耕歷史可追溯到民國(guó)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(diào)查區(qū)位置

1.2 調(diào)查采樣方法

在調(diào)查區(qū)選擇一典型坡面進(jìn)行調(diào)查和采樣。坡面上部為自然坡面，中下部為梯田。從坡頂?shù)狡碌自O(shè)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(shè)置樣點(diǎn)，共3×11個(gè)樣點(diǎn)；梯田，每條樣帶自上至下按坡面距離間隔15 m設(shè)置樣點(diǎn)，共3×6個(gè)樣點(diǎn)；每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)1個(gè)樣方，尺寸3 m×4 m，考慮到峰叢坡面實(shí)際土層厚度和土壤特性，在樣方內(nèi)按土壤深度0—10、10—20 cm分層采集土樣，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)采樣3次。在采集土樣的同時(shí)，詳細(xì)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(duì)角線和十字線每隔1 m測(cè)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(guò)測(cè)定樣方內(nèi)巖石出露面積并除以樣方面積計(jì)算得到。

1.3 土壤粒度與數(shù)據(jù)分析

土壤粒度采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000)測(cè)定。土壤機(jī)械組成按照我國(guó)土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為石塊、石礫、砂粒(粗砂粒、細(xì)砂粒)、粉粒(粗粉粒、細(xì)粉粒)、黏粒5級(jí)。采用SPSS 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)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?shù)狡轮胁浚鍏沧匀黄旅嫫露戎饾u變緩，總體上巖石裸露率呈減少趨勢(shì)，土層厚度呈增加趨勢(shì)，見(jiàn)表1。相關(guān)性分析(表2)表明：巖石裸露率與土層厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與高程呈極顯著正相關(guān)，與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)；土層厚度與高程、坡度均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；高程與坡度之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。這一結(jié)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(yùn)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(shì)，但與高程之間的Pearson 相關(guān)性系數(shù)為0.616，未達(dá)到顯著水平。山地地形、坡度變化，加之坡面侵蝕長(zhǎng)期作用勢(shì)必造成峰叢洼地坡面土壤物質(zhì)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(jìn)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(guān)性分析

對(duì)峰叢自然坡面巖石裸露率變化規(guī)律的進(jìn)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(shì)，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??；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(guī)律的出現(xiàn)，一方面是由于巖溶地區(qū)峰叢洼地的高差造成的勢(shì)能加大了地表徑流的沖刷能力，致使地表水土流失嚴(yán)重，在峰叢的正地形地區(qū)極易形成地表徑流，加之陡坡水流的加速度比較大，對(duì)土壤的沖刷能力較強(qiáng)，最終導(dǎo)致土壤流失和巖石裸露。另一方面，由于坡面物質(zhì)的輸入、輸出區(qū)差異，山坡中上部及坡頂?shù)日匦尾课辉谟晁治g下成為物質(zhì)的完全輸出區(qū)；坡中部承接了中上部的沖積物，又不斷向下流失，物質(zhì)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(diào)查區(qū)峰叢坡面中部一般處于積累狀態(tài)，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(qū)，是土壤的輸入?yún)^(qū)。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(duì)巖石裸露率空間變化的影響趨于復(fù)雜化和多樣化。當(dāng)土地利用類型變?yōu)楦睾螅翆雍穸瓤傮w呈增加趨勢(shì)，并表現(xiàn)出與自然坡面的延續(xù)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(qiáng)烈干擾，但長(zhǎng)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(jí)的土壤機(jī)械組成表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)(圖2)。土壤中砂粒尤其是細(xì)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(xì)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(xì)砂粒含量隨峰叢海拔降低有增加趨勢(shì)，粗砂粒含量在坡頂和山坡中上部高于細(xì)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(tài)和地形影響，在相同海拔不同粒級(jí)土壤含量有較大差別。粉粒和黏粒含量隨海拔降低變化規(guī)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(xì)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(guī)律相似，在海拔538 m左右達(dá)到最高值，而這與黏粒含量的變化規(guī)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(xì)粒物質(zhì)遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，但在巖溶區(qū)決定侵蝕方式和程度的要素遠(yuǎn)比其他區(qū)域復(fù)雜。峰叢洼地地貌復(fù)雜，峰尖坡陡，巖石裸露，裂隙發(fā)育；坡中地形起伏，石筍、石牙聳立，溝、槽、縫發(fā)育，形成了多樣化的微地形；坡下部地勢(shì)趨緩，侵蝕物堆積。巖溶峰叢的整體地形特點(diǎn)決定了土壤物質(zhì)由上至下搬運(yùn)，巖溶環(huán)境的土—石二元結(jié)構(gòu)造成地表侵蝕和地表土壤相似的非延續(xù)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(yùn)移的土壤細(xì)粒物就地堆積或殘存于巖石溝、槽、縫中，而溶蝕裂隙又會(huì)產(chǎn)生土壤垂直滲漏流失。因此，峰叢洼地地表土壤侵蝕搬運(yùn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，既有地表侵蝕，又有垂直滲漏，既有由上至下的細(xì)顆粒物質(zhì)遷移，又有局部微地形造成的堆積過(guò)程。根據(jù)土壤中砂粒物質(zhì)含量可以看出，峰叢洼地的地表形態(tài)是長(zhǎng)期侵蝕作用的結(jié)果，而粗顆粒物質(zhì)隨土壤深度減少則說(shuō)明了垂直滲漏的存在。實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，粉粒和黏粒等細(xì)粒物質(zhì)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(jī)械組成卻發(fā)生了很大變化(圖3)。粗粉粒取代粗砂粒和細(xì)砂粒成為地表土壤主要的粒級(jí)成分，在6個(gè)樣地18個(gè)樣點(diǎn)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(xì)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(jí)含量及其隨海拔變化規(guī)律基本相似，且變化相對(duì)平穩(wěn)。位于梯田土壤下部的細(xì)粒物質(zhì)含量有減少的趨勢(shì)，說(shuō)明雖然梯田經(jīng)過(guò)平整使坡面侵蝕的動(dòng)力消失，但依然存在垂直滲漏現(xiàn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]分析峰叢自然坡面與梯田的土壤質(zhì)地，結(jié)果表明峰叢洼地自然坡面土壤質(zhì)地以砂土和砂質(zhì)壤土為主，而梯田則以黏壤土和粉砂質(zhì)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(zhǎng)和抗蝕能力[23-24]。根據(jù)自然坡面與梯田土壤粒度變化及各粒級(jí)含量可以看出峰叢洼地自然坡面地表土壤長(zhǎng)期處于侵蝕狀態(tài)，梯田在一定程度上降低了侵蝕程度，減輕了土壤細(xì)粒物質(zhì)的流失，但不能完全阻止侵蝕的發(fā)生。

3 主要結(jié)論

(1)峰叢洼地自然坡面由于特殊的地質(zhì)、地貌構(gòu)造，在長(zhǎng)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(guān)關(guān)系，土層厚度與巖石裸露率、坡度、高程之間均為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，巖石裸露率與坡度之間為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。而梯田多位于山坡中下部地勢(shì)平緩處，受人類持續(xù)不斷的平整和土石搬運(yùn)影響，坡面侵蝕力減弱，巖石裸露率、土層厚度與高程的相關(guān)關(guān)系規(guī)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(xì)砂粒含量有增加趨勢(shì)，粗砂粒含量變幅較大；土壤物質(zhì)由上至下侵蝕搬運(yùn)，土—石二元結(jié)構(gòu)形成的微地形對(duì)侵蝕過(guò)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(xì)砂粒成為主要的粒級(jí)成分，其含量為29.53%～37.71%；之后是細(xì)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(yuǎn)高于自然坡面。

(3)峰叢洼地地貌的復(fù)雜性和巖溶環(huán)境土—石二元結(jié)構(gòu)形成的地表非均質(zhì)性使地表侵蝕變得非常復(fù)雜，其地表侵蝕與土壤物質(zhì)搬運(yùn)過(guò)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(guò)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(xì)粒物質(zhì)的流失，但仍無(wú)法避免垂直滲漏的發(fā)生。

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