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貴州省后寨河小流域地形因子、人為干擾與石漠化定量研究

2019-11-07 06:55:00白云星周運(yùn)超
生態(tài)學(xué)報(bào) 2019年19期
關(guān)鍵詞:坡位坡地石漠化

白云星,周運(yùn)超

貴州大學(xué)貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/林學(xué)院, 貴陽 550025

“石漠化”是指受喀斯特環(huán)境影響和人類不合理的干擾、破壞所造成的人地矛盾突出,植被破壞,土壤侵蝕,土地生產(chǎn)力下降,地表呈現(xiàn)類似荒漠化景觀為標(biāo)志的土壤退化和巖石裸露的演變過程[1-3]。當(dāng)前,西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕導(dǎo)致的石漠化已成為中國(guó)最嚴(yán)重的生態(tài)問題之一[4-5],不僅制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展,更直接威脅著長(zhǎng)江、珠江流域的生態(tài)安全[6]。自20世紀(jì)70年代以來,國(guó)家退耕還林(草)政策的實(shí)施,加之石漠化治理被納入國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,使得喀斯特石漠化發(fā)展勢(shì)頭有所放緩,部分石漠化地區(qū)得到有效治理和恢復(fù)。截止至2015年喀斯特石漠化面積仍高達(dá)9.2萬km2[7],喀斯特石漠化現(xiàn)象仍然不容樂觀。以往對(duì)于石漠化的研究側(cè)重于石漠化的地質(zhì)背景及其演化[8]、石漠化驅(qū)動(dòng)因子分析[9],石漠化危害度評(píng)估[10]、石漠化空間尺度分析[11]和石漠化生態(tài)恢復(fù)與重建[12]等,其中石漠化驅(qū)動(dòng)因子的研究一直是備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。石漠化驅(qū)動(dòng)因子有許多,如水文和地質(zhì)條件、氣候因素、地形因子和地貌類型以及人類發(fā)展。部分研究認(rèn)為降雨和陡坡是喀斯特地區(qū)水土流失和石漠化發(fā)生的基本驅(qū)動(dòng)力[13],土壤侵蝕的數(shù)量與速率均與土地利用方式密切相關(guān)[14],而土地利用方式又決定了植被面積及分布情況。坡地的過度開墾往往會(huì)引起嚴(yán)重的石漠化發(fā)生[15],然而部分學(xué)者持相反觀點(diǎn),認(rèn)為人類活動(dòng)在一定程度上能夠減少土壤侵蝕和石漠化的發(fā)生[5]。

經(jīng)過十余年的探索,喀斯特石漠化工作重心傾向于植被恢復(fù)與生態(tài)重建,在此過程中正確地認(rèn)知人為活動(dòng)在不同石漠化程度中的作用,對(duì)于科學(xué)、合理的石漠化治理方案有著重要意義。雖然石漠化與其影響因素的研究較多,但部分觀點(diǎn)仍值得商榷,研究多集中在單一或多種因素對(duì)石漠化驅(qū)動(dòng)的貢獻(xiàn),鮮有考慮石漠化影響因素之間如何相互作用,尤其人類活動(dòng)和地形因素對(duì)不同等級(jí)石漠化的影響仍缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和定量分析[16],基礎(chǔ)理論研究落后于生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)致使現(xiàn)有治理模式仍存在較大的局限性[17]。當(dāng)前石漠化治理與恢復(fù)多是以小流域?yàn)閱卧猍1],不同土地利用方式往往與不同程度石漠化的發(fā)生、加劇和恢復(fù)存在一定關(guān)聯(lián),如果不能認(rèn)清不同石漠化階段與土地利用方式間的相關(guān)關(guān)系,將影響石漠化治理工程的精準(zhǔn)性,造成大量生態(tài)治理資源的浪費(fèi)。為避免生態(tài)重建的盲目性,本研究從小流域尺度出發(fā),在收集貴州省普定縣后寨河小流域石漠化信息與環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上,試圖明晰以下科學(xué)問題:(1)現(xiàn)階段喀斯特流域土地利用類型與不同等級(jí)石漠化關(guān)系如何?(2)何種土地利用類型在石漠化進(jìn)程中應(yīng)該被著重關(guān)注?(3)喀斯特流域內(nèi)地形因子、人為干擾與石漠化相互間的量化關(guān)系及其意義如何?以期為喀斯特地區(qū)石漠化防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

后寨河小流域位于貴州省普定縣,屬于高原型喀斯特小流域,流域面積為75 km2(其中,陸地面積占98.89%,水域面積占1.11%),覆蓋城關(guān)鎮(zhèn)、馬官鎮(zhèn)和白巖鎮(zhèn)等地,經(jīng)緯度在105°40′43″—105°48′2″E,26°12′29″—26°17′15″N之間,海拔在854.1—1567.4 m之間,氣壓在806.1—883.8 hPa之間。年均氣溫為15.3℃,年均降雨量為1170.9 mm以上,年蒸發(fā)量為920 mm。流域內(nèi)分布地層為中三疊關(guān)嶺組,該地層為石灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r3種類型的巖石。土壤主要有石灰土、黃壤和水稻土。植被主要有柏木(CupressusfunebrisEndl.)構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、響葉楊(PopulusAdenopodaMaxim)、香椿(Toonasinensis(A.Juss.)Roem.)等;灌木主要有火棘(Pyracanthafloruneana) 、月月青(Iteailicifolia)、小果薔薇(Rosacymosa)等;農(nóng)作物主要有水稻(OryzasativaOryzaglaberrima)、玉米(ZeamaysLinn. Sp.)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr)、向日葵(Helianthusannuus)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究基于研究區(qū)1∶10000的地形圖與野外實(shí)地觀測(cè),利用地理信息系統(tǒng)建立流域石漠化信息數(shù)據(jù)庫(kù)并制圖。采用網(wǎng)格法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行樣點(diǎn)設(shè)置,共計(jì)3333個(gè)樣點(diǎn)(150 m×150 m)。根據(jù)設(shè)置樣點(diǎn)分布地形圖并結(jié)合GPS定位系統(tǒng)對(duì)實(shí)地調(diào)查樣點(diǎn)進(jìn)行定位,野外調(diào)查采用剖面法(長(zhǎng)1.20 m×寬0.80 m×深1.00 m)獲取土壤厚度信息,土壤厚度信息不足1 m時(shí)挖掘至基巖即可。通過GPS、羅盤、坡度儀等測(cè)定記錄各個(gè)樣點(diǎn)坡度、坡位、坡向、海拔以及土地利用方式。巖石裸露率通過樣點(diǎn)范圍內(nèi)巖石出露面積(首先通過皮尺測(cè)量樣地內(nèi)每一塊裸露巖石的尺寸,再計(jì)算其面積)與樣地面積百分比表示。專題圖圖斑數(shù)為3333個(gè),因河流、公路、房屋等因素的影響,具有實(shí)測(cè)信息的圖斑數(shù)為2755個(gè),每個(gè)圖斑面積為0.15 km×0.15 km。

1.3 喀斯特石漠化分類標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)較多,尚無統(tǒng)一定論,經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn),熊康寧等[18]對(duì)石漠化分級(jí)時(shí),既考慮石漠化的景觀生態(tài)學(xué)特征又兼顧農(nóng)業(yè)利用價(jià)值等因素,綜合性較強(qiáng)且與本研究契合度較高,因此根據(jù)其劃分標(biāo)準(zhǔn)將后寨河石漠化現(xiàn)狀劃分為如表1所示。

表1 后寨河流域石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)分析

流域內(nèi)石漠化空間分布特征利用ARCGIS 10.3平臺(tái)完成。利用SPSS 24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)間差異性檢驗(yàn)采用ANOVA分析,用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)石漠化與影響因子間的相關(guān)性。用多元線性回歸法和通徑分析法分析影響因子對(duì)石漠化的貢獻(xiàn),首先將定性因子量化,根據(jù)野外調(diào)查,土地利用類型按人為干擾程度分為5級(jí),每個(gè)級(jí)別中土地利用方式按人為干擾程度從小到大排序:林地(喬木林地<喬灌木林地<灌木林地)人為干擾程度最小,賦值為1,荒地賦值為2,牧草地(灌草地<草地)賦值為3,少有放牧地(棄耕地)賦值為4,耕作用地(經(jīng)果林地<園地<水田<耕地(無坡度)<坡耕地)人為干擾程度最大,賦值為5;坡位按從下到上依次為:洼地、坡腳、下坡、中坡、上坡和坡頂,分別賦值為1、2、3、4、5、6;坡向按陽光照射分為:陰坡、半陰坡、半陽坡和陽坡,分別賦值為:1、2、3、4。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型與石漠化空間分布

后寨河流域的地形、地貌和水文因素影響著土地利用的空間分布特征(圖1)。耕地主要分布在流域內(nèi)中部丘陵和西部平地區(qū)域,坡耕地、棄耕地和荒地主要分布在東部峰叢、中部和西部山脈、南部和北部孤山上等。水田主要分布在北部、南部山腳地區(qū)以及中部河流兩側(cè)。喬木林地、喬灌木林地、灌木林地和灌草地等林業(yè)用地分布與流域內(nèi)峰叢和山脈之上;后寨河流域具有典型的喀斯特地上-地下二元結(jié)構(gòu),地形地貌類別多,且較為復(fù)雜,主要有峰叢洼地、峰叢谷地、峰林、孤山、落水洞、溶洞和地下河等地貌類型。受到地形、地貌因素的影響,石漠化主要發(fā)生在東部的峰叢洼地區(qū)域、北部、南部、西南部等峰林區(qū)域、西部和中部孤山區(qū)域。強(qiáng)度石漠化和極強(qiáng)度石漠化分布較少,主要發(fā)生在山巒上部及坡頂區(qū)域。后寨河流域無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化和極強(qiáng)度石漠化面積分別為42.92,4.64,7.81,4.50,1.87 km2與0.25 km2。

圖1 后寨河土地利用模式與石漠化情況分布圖Fig.1 Land use pattern and rocky desertification distribution map in Houzhai River Basin

圖2 后寨河流域不同等級(jí)石漠化中土地利用分布情況Fig.2 Distribution of land use in different grades of rocky desertification in Houzhai River Basin

2.2 不同等級(jí)石漠化的土地利用類型分布規(guī)律

基于流域內(nèi)基巖裸露率,并結(jié)合前人劃分標(biāo)準(zhǔn),將后寨河小流域石漠化現(xiàn)狀分為6個(gè)等級(jí)(圖2)??λ固亓饔騼?nèi)水田、耕地、坡耕地、園地和和經(jīng)果林地75%以上處于無石漠化狀態(tài),喬木林地、喬灌木林地、灌木林地、灌草地、草地和荒地30%以上處于輕度至強(qiáng)度石漠化之間,極強(qiáng)度石漠化僅發(fā)生在耕地、灌草地、草地和荒地等土地利用類型。后寨河流域石漠化土地中,經(jīng)果林地、水田、喬灌木林地、園地、棄耕地、草地、灌草地、灌木林地、耕地、喬木林地、坡耕地和荒地中的石漠化面積分別占石漠化總面積的0.42%、2.36%、2.56%、3.52%、3.53%、5.91%、6.19%、9.26%、9.98%、11.43%、15.73%和29.11%。不同等級(jí)石漠化土地中,無石漠化土地中坡耕地所占比例最大,為23. 53%,潛在石漠化土地中荒地所占比例最大為23.71%,其次為坡耕地占14.66%,輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化土地中荒地所占比例均為最大,分別為26.63%、30.00%和37.43%,極強(qiáng)度石漠化土地中耕地所占比例最大,為36.00%,其次為荒地28.00%。

2.3 巖石裸露率與土壤厚度在不同土地利用類型中的變化趨勢(shì)

圖3 后寨河流域石漠化與土地利用類型的關(guān)系 Fig.3 Relationship between rocky desertification and land use types in Houzhai River Basin

后寨河流域不同土地利用方式下巖石裸露率差異較大(圖3),水田、耕地、坡耕地、棄耕地、園地以及經(jīng)果林等人為干擾程度最大的用地類型平均巖石裸露率均小于20%,而喬木林地、喬灌木林地、灌木林地、灌草地、草地以及荒地巖石裸露率皆大于20%??傮w來看,平均土壤厚度隨著人為干擾程度降低而降低。對(duì)相同人為干擾級(jí)別中不同土地利用方式間的巖石裸露率和土壤厚度進(jìn)行分析,園地和經(jīng)果林地人為干擾程度相比坡耕地、耕地和水田較低,但巖石裸露率較高;喬木林地人為干擾程度最輕,但巖石裸露率卻較高。

2.4 地形因子、人為干擾和石漠化間的關(guān)系

相關(guān)性分析表明后寨河流域坡度與巖石裸露率具有顯著正相關(guān)性,r=0.361,P﹤0.01(表2)。不同坡度巖石裸露率差異較大,隨著坡度的增加,巖石裸露率逐漸增大。而坡度與土壤厚度具有顯著負(fù)相關(guān)性,r=-0.463,P﹤0.01。隨著坡度的增加,土壤厚度逐漸降低。人為干擾程度與巖石裸露率和坡度呈顯著負(fù)相關(guān)性,與土壤厚度呈顯著正相關(guān)性。對(duì)于耕作坡地而言,坡度與巖石裸露率之間沒有顯著相關(guān)性,r=0.008,P﹥0.05。土壤厚度與巖石裸露率(r=-0.406,P﹤0.01)、土壤厚度與坡度(r=-0.193,P﹤0.05)之間具有負(fù)相關(guān)性,但相關(guān)系數(shù)均小于非耕作坡度。由此可知,坡度是后寨河流域石漠化過程中極為重要的影響因子之一,而人為干擾具有主觀性,主要在巖石裸露率低、土壤較厚和坡度較緩的區(qū)域進(jìn)行人類活動(dòng)。

表2 后寨河流域巖石裸露率與土壤厚度、坡度和人為干擾程度的相關(guān)性分析

不同坡位的巖石裸露率與土壤厚度差異較大(圖4),從洼地到坡頂,平均巖石裸露率逐漸增大,至坡頂達(dá)到最大值為27.54%。從洼地到上坡,平均土壤厚度逐漸降低,變化范圍在76.29—33.69 cm之間,但坡頂平均土壤厚度卻明顯高于上坡和中坡,為51.96 cm。該現(xiàn)象與喀斯特地形密切相關(guān),坡頂相對(duì)平緩,土壤不容易向下方流失,而上坡和中坡地形陡峭,土壤向下方流失,并在坡腳和洼地等地勢(shì)平坦處積累。坡度平均值隨著坡位升高而增大,從洼地1.30°逐漸增加到上坡33.96°,但坡頂坡度較小,平均值為12.61°;表明流域內(nèi)坡位越高的地方,其坡度越陡峭。

圖4 后寨河流域石漠化與坡位的關(guān)系Fig.4 Relationship between rocky desertification and slope position in Houzhai River Basin

對(duì)流域內(nèi)耕作坡地與非耕作坡地的1229個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了坡向分類,研究表明:不同坡向之間,耕地所占比例有所差異(表3),半陽坡耕地所占比例最大(30.25%),陽坡所在比例最小(20.21%),耕作坡地與非耕作坡地在巖石裸露率、土壤厚度和坡度均存在差異。耕作坡地除土壤厚度外,其余因子無顯著性差異。不同坡向的耕作坡地巖石裸露率平均值均低于非耕作坡地,不同坡向的耕作坡地土壤厚度平均值均大于非耕作坡地。

表3 后寨河流域坡向與石漠化影響因子相關(guān)性分析

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同列相同指標(biāo)下不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

為更好的了解地形因子和人為干擾對(duì)石漠化的貢獻(xiàn)大小,利用逐步回歸分析方法對(duì)相關(guān)因子(坡度、坡向、坡位和人為干擾程度)進(jìn)行篩選(表4),得到石漠化與人為干擾及地形因子的多元線性回歸方向系數(shù)和直接通徑系數(shù)。巖石裸露率和土壤厚度均能與坡位、坡向、坡度和人為干擾程度擬合為具有顯著意義的回歸模型。通徑分析表明人為干擾程度對(duì)巖石裸露率負(fù)效應(yīng)最大(-0.286),坡度對(duì)巖石裸露率正效應(yīng)最大(0.178),反之人為干擾程度對(duì)土壤厚度正效應(yīng)最大(0.264),坡度對(duì)土壤厚度的負(fù)效應(yīng)最大(-0.276)。坡向?qū)r石裸露率(0.067)和土壤厚度(-0.054)的影響最小。

3 討論

3.1 喀斯特小流域石漠化格局與土地利用類型

西南喀斯特地區(qū)石漠化的形成是在特殊的生態(tài)地質(zhì)背景基礎(chǔ)上疊加人類活動(dòng)導(dǎo)致的,研究區(qū)不同土地利用方式的石漠化發(fā)生和不同石漠化程度中土地利用分布具有明顯差異,究其緣由可能是不同土地利用方式的土壤侵蝕速率有所差異[19],也可能是不同土地利用方式下的土壤環(huán)境有所不同導(dǎo)致植被恢復(fù)潛力存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)主要集中在水土資源較好的區(qū)域,洼地、平地和坡腳成為園地、耕地、經(jīng)果林、坡耕地和水田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)域,喀斯特基巖埋藏較深,土壤深厚,不存在石漠化的風(fēng)險(xiǎn)。分布在平地、坡腳和坡下部的坡耕地、耕地和園地和峰林、孤山中部15°—24°斜坡地上的荒地和灌木林地,土被連續(xù),基巖零星出露,部分坡面存在土壤流失,具有潛在的石漠化風(fēng)險(xiǎn)。流域內(nèi)54%輕度石漠化區(qū)域分布在坡下部至盆地的坡耕地和耕地,27%輕度石漠化區(qū)域分布于坡腰位置的荒地,土被不連續(xù),基巖裸露率在30%—50%,植被被破壞后形成輕度石漠化現(xiàn)象。中度石漠化區(qū)域主要以分布在峰叢、峰林和孤山中部25°—50°的荒地、喬木林地和灌木林地,人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)區(qū)域驟減,因?yàn)檫@類土地被開墾為耕地后,土壤極易隨著水蝕而流失,土地生產(chǎn)能力低,流域內(nèi)草地和灌草地也主要分布于該坡度區(qū)域,放牧活動(dòng)多發(fā),應(yīng)注意牲口超載引起草地退化。強(qiáng)度石漠化主要分布在峰叢中上部地區(qū),主要用地類型為荒地、耕地、坡耕地、草地、喬木林地和灌木林地,巖石裸露率在70%—90%,土壤殘留在巖石縫隙中,人為活動(dòng)破壞后直接形成強(qiáng)度石漠化景觀,植被恢復(fù)極其困難。在極強(qiáng)度石漠化區(qū)域,仍有36%的土地被人為規(guī)劃為耕地,28%為荒地,20%為灌木林地,其余為一些零星的草地和灌草地。

表4 地形因子以及人為干擾與石漠化多元線性回歸方程系數(shù)和通徑系數(shù)

Table 4 Coefficient of multiple linear regression equation and path coefficient of environmental factors, human disturbance and rocky desertification

因子Factor巖石裸露率Rock exposure土壤厚度Soil thickness回歸系數(shù)Regression coefficient通徑系數(shù)Path coefficientF檢驗(yàn)F testt檢驗(yàn)T test(P)回歸系數(shù)Regression coefficient通徑系數(shù)Path coefficientF檢驗(yàn)F testt檢驗(yàn)T test (P)人為干擾程度Anthropogenic disturbance-0.040-0.2860.0005.6970.2640.000坡位Slope position0.0190.1320.000-3.205-0.1430.000坡向Slope direction0.0130.0670.002-1.663-0.0540.011坡度Slope direction0.0020.1780.000-0.518-0.2760.000常數(shù)Constant0.21057.418R20.2430.307P<0.0010.001<0.001

3.2 喀斯特小流域荒地和棄耕地的石漠化風(fēng)險(xiǎn)性

研究中值得關(guān)注的是流域內(nèi)荒地不僅占據(jù)了石漠化土地中大部分比例,同時(shí)也具有較大的潛在石漠化風(fēng)險(xiǎn)?;牡厥且环N特殊的土地利用類型[20],廣義上指除建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地以外的未利用或利用過后被擱置和荒廢的土地,狹義上指現(xiàn)狀處于荒蕪狀態(tài),但具有資源利用價(jià)值的宜農(nóng)、宜林、宜牧、宜能土地。本研究中荒地指非林業(yè)、非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,覆被僅存一些稀疏灌木、雜草,其土壤條件極差,常處于惡劣的地形地貌條件中,嚴(yán)重制約了植被的恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的正向演替。此外,近年來流域內(nèi)不同石漠化階段的棄耕地面積有所增加,大量耕作質(zhì)量較差的土地和部分耕作條件較好的土地被遺棄。造成此現(xiàn)象的原因可能是農(nóng)村外出務(wù)工的人數(shù)增加和受到國(guó)家政策影響,農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)發(fā)生改變,最終導(dǎo)致從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的人數(shù)減少,石漠化地區(qū)的部分耕地被遺棄。然而退棄耕地由于缺乏植被的覆蓋和農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤的保護(hù),當(dāng)遇上雨量較為集中的時(shí)段,會(huì)造成相比耕地更為嚴(yán)重的土壤侵蝕[21],導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低,生態(tài)恢復(fù)更加困難。因此,荒地和棄耕地在石漠化治理中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。植樹造林作為石漠化治理的重要方式,通常選擇在巖石裸露率高,土壤貧乏和坡度較高的區(qū)域?qū)嵤?但因其單一的人工林種植模式[22],生態(tài)結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單,導(dǎo)致生態(tài)恢復(fù)速度的減緩,水土保持功能受到限制,今后治理中應(yīng)該加強(qiáng)灌木、草本和藤本的培植。

3.3 喀斯特小流域自然-人類-石漠化的關(guān)系

喀斯特流域特殊的地形、地貌因素直接控制了自然生態(tài)環(huán)境特征,一方面導(dǎo)致坡度、土壤厚度和坡位等地理環(huán)境特征的多樣性,另一方面成為土地利用規(guī)劃中的主觀選擇性因素,而不同的土地利用類型對(duì)石漠化的干擾程度又有所不同,地形因子-人類活動(dòng)-石漠化三者間存在一種特殊的關(guān)系。巖石裸露率和土壤厚度是土地利用決策的重要因素,人為干擾程度對(duì)巖石裸露率(-0.286)和土壤厚度(0.264)的直接效應(yīng)最大,表明在不考慮其他因素的情況下,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中在巖石露出較少和土壤較厚的區(qū)域。坡位調(diào)查結(jié)合相關(guān)性分析表明,在洼地至上坡區(qū)域,隨著坡度的增加,巖石裸露率在增加,而土壤厚度和人為干擾程度在降低,坡頂坡度較緩,土壤較厚但巖石裸露率較大,說明流域內(nèi)絕大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地坡位較低,但由于流域內(nèi)耕地資源的短缺,坡位較高的區(qū)域仍存在開墾現(xiàn)象,耕作坡地主要處在輕度石漠化階段,而這部分土地主要集中在山腰、山下部和山腳地區(qū)等水力侵蝕最強(qiáng)烈的區(qū)域,若把這部分區(qū)域看作一個(gè)整體,隨著時(shí)間的推移,耕作措施使得高坡位耕地的一部分土壤流失到低坡位耕地,另一部分則漏失到喀斯特地下生境中[23],長(zhǎng)期以往,土壤侵蝕加劇引起土壤退化,養(yǎng)分流失和土層變薄迫使農(nóng)民不得不棄耕,而這部分因環(huán)境原因擱置的耕地將成為生態(tài)脆弱區(qū)域,導(dǎo)致石漠化進(jìn)一步加劇。一般認(rèn)為陽坡和半陽坡更宜作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,但從流域調(diào)查結(jié)果表明陽坡并不是耕作用地的首選,陰坡、半陰坡和半陽坡的耕地比例相差不大,但值得關(guān)注的是,不同坡向之間,耕作坡地的巖石裸露率與坡度平均值均低于非耕作坡地,耕作坡地的土壤厚度平均值大于非耕作坡地。綜上解釋了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(水田、耕地、坡耕地、棄耕地、園地以及經(jīng)果林)平均巖石裸露率均小于非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(喬木林地、喬灌木林地、灌木林地、灌草地、草地以及荒地)的現(xiàn)象,且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)主要考慮的因素有巖石裸露率、土壤厚度、坡度和坡位。為更深入了解農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)石漠化的影響,將耕作坡地與非耕作坡地進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),耕作坡地的坡度與巖石裸露率之間沒有顯著相關(guān)性(r=0.008,P>0.05),而坡度與土壤厚度之間具有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.193,P﹤0.05)。與之相反,非耕作坡地的坡度與巖石裸露率之間具有顯著相關(guān)性(r=0.120,P﹤0.01),坡度與土壤厚度之間同樣具有負(fù)相關(guān)性(r=-0.474,P﹤0.01)。耕作坡地與非耕作坡地的巖石裸露率與土壤厚度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但耕作坡地(r=-0.406,P﹤0.01)相關(guān)系數(shù)(絕對(duì)值)低于非耕作坡地(r=-0.443,P﹤0.01)。再次證明當(dāng)土壤質(zhì)量與其他環(huán)境因素差異不大時(shí),較緩的坡地更易成為人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所,而那些陡峭的坡地由于人類干擾較小,在自然環(huán)境的長(zhǎng)期作用下逐步演替為自然草地、灌草地、灌木林地和各種林地,部分則因自身所處的環(huán)境限制,水土流失頻發(fā)、石漠化加重最終退化為荒地。

圖5 后寨河流域石漠化-人類自然的耦合關(guān)系 Fig.5 Coupling relationship between rocky desertification, human and nature

其次,相關(guān)性分析表明坡度與巖石裸露率具有顯著正相關(guān)性(r=0.361,P﹤0.01),坡度與土壤厚度具有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.463,P﹤0.01),坡度作為重要的地形因子影響著土壤保水性能和植被分布,原因在于該流域?qū)儆诟咴孛蔡卣鲄^(qū)域,坡度的差異導(dǎo)致水力侵蝕條件差異較大,進(jìn)而對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度與水土流失過程有著顯著影響,控制著石漠化的發(fā)生與發(fā)展[24]。流域內(nèi)坡位分布的研究結(jié)果表明,從上坡到洼地,土壤厚度平均值逐漸增大,由33.69 cm增大到76.29 cm,但部分坡頂土壤的厚度可達(dá)51.96 cm;而巖石裸露率與坡度從上坡到洼地則是逐漸降低,坡頂巖石裸露率較大,坡度較緩。坡位對(duì)石漠化的影響主要體現(xiàn)在不同坡位其坡度和人類活動(dòng)差異較大,高坡位地區(qū)坡度相對(duì)較大,生境惡劣,在降雨沖刷下更易發(fā)生片流侵蝕,導(dǎo)致土壤厚度相對(duì)淺薄,土地易被遺棄,最終退化為灌木林地、草地甚至荒地,加劇石漠化的發(fā)生;而低坡位地區(qū),坡度相對(duì)平緩,土層一般較厚,更易被選擇為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地。坡向影響著地表接受的太陽輻射能量,而太陽輻射能量又會(huì)對(duì)地表氣溫,土壤溫度、濕度以及土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生影響[25]。流域內(nèi)不同坡向間巖石裸露率、土壤厚度和坡度差異較小,通徑系數(shù)表明,坡向?qū)τ趲r石裸露率和土壤厚度的影響最小,因此坡向并不是導(dǎo)致流域內(nèi)石漠化差異的主要因素。

綜上所述,地形因子-人類活動(dòng)-石漠化是一種耦合關(guān)系(圖5),坡度和坡位是導(dǎo)致后寨河流域水土流失嚴(yán)重、石漠化加劇的主要影響因素,坡度越大,即易引起地表徑流產(chǎn)生侵蝕,導(dǎo)致石漠化的發(fā)生;坡位越高,地理氣候環(huán)境條件越差,植被生長(zhǎng)的條件更加惡劣,因而水土保持能力相對(duì)較弱。流域內(nèi),由于地形條件不同,人為干擾對(duì)石漠化的影響也有所不同,在人為主觀因素的作用下,優(yōu)先選擇坡度較小或坡位較低的區(qū)域進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),這些區(qū)域土壤較厚且?guī)r石裸露率較低,耕作者通常會(huì)采取一些措施來保護(hù)土地資源和提高土地生產(chǎn)力[26],間接性地對(duì)土壤水土保持功能產(chǎn)生積極效益,其結(jié)果是耕作坡地的巖石裸露率普遍低于非耕作坡地。但由于耕地資源的短缺,毀林開荒和陡坡耕作的現(xiàn)象仍有發(fā)生,這部分區(qū)域往往坡位較高或坡度較大,加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)破壞了地表植被,在降雨作用下會(huì)造成嚴(yán)重的土壤侵蝕,使得原本脆弱的生態(tài)系統(tǒng)幾乎崩潰,加速了石漠化的發(fā)生與發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)喀斯特小流域不同土地利用類型下石漠化程度有較大差異,輕度、中度石漠化面積占到總石漠化面積的85.31%,不同土地利用類型的石漠化面積表現(xiàn)為:荒地>坡耕地>喬木林地>耕地>灌木林地>灌草地>草地>棄耕地>園地>喬灌木林地>水田>經(jīng)果林地;耕作用地平均巖石裸露率和平均土壤厚度均大于非耕作用地。

(2)喀斯特小流域內(nèi)石漠化主要影響因素的關(guān)系較為復(fù)雜,隨著坡度的增加巖石裸露率增大,土壤厚度和人為干擾程度降低;隨著坡位的上升,平均巖石裸露率逐漸增大,從洼地到坡頂土壤厚度與坡度先增大后減??;不同坡向間,巖石裸露率、土壤厚度和坡度差異較小,相同坡向,耕作坡地平均土壤厚度大于非耕作坡地,平均巖石裸露率和坡度小于非耕作坡地。

(3)喀斯特小流域內(nèi)荒地和棄耕地占據(jù)了石漠化面積的32.64%,同時(shí)具有較大的潛在石漠化風(fēng)險(xiǎn),在今后石漠化治理中應(yīng)該引起重視。

(4)喀斯特小流域內(nèi)地形因子-人類活動(dòng)-石漠化存在耦合關(guān)系,坡度、坡位是石漠化發(fā)生和發(fā)展的主要因素,通徑分析表明人為干擾程度對(duì)巖石裸露率(-0.286)和土壤厚度(0.264)直接效應(yīng)最大,表明人為干擾集中在巖石裸露率低和土壤較厚的無石漠化和潛在石漠化區(qū)域,但受土地資源的限制,嚴(yán)重的石漠化區(qū)域仍存在耕作現(xiàn)象,應(yīng)該合理規(guī)劃土地資源。

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