黔中喀斯特地區(qū)巖性對表土理化性狀及抗沖性影響

孫珍玲，高華端，張光輝，3，孫泉忠，袁 勇

（1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽550025；3.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

貴州省是我國西南亞熱帶地區(qū)喀斯特強(qiáng)烈發(fā)育的省份，可溶性碳酸鹽巖出露面積占全省國土面積的73%［1］。在脆弱的喀斯特環(huán)境下，由于土壤侵蝕導(dǎo)致可利用耕地減少，土地生產(chǎn)力低下?？λ固氐貐^(qū)成土速率低、土層淺薄等特點(diǎn)，導(dǎo)致該區(qū)土壤允許流失量小，同等侵蝕的后果遠(yuǎn)比非喀斯特地區(qū)嚴(yán)重。土壤侵蝕引起的石漠化、土壤貧瘠化、土壤結(jié)構(gòu)惡化等問題十分凸顯［2］，已嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

在喀斯特地區(qū)，巖性是影響土壤侵蝕最主要的原因之一［3］，發(fā)育在不同性質(zhì)母巖上的土壤，其理化性狀存在顯著差異［4］，進(jìn)而可能引起土壤抗沖性能的變化。國內(nèi)關(guān)于土壤抗沖性的研究主要從植被［5－6］、土地利用［7－9］及根系［10－12］等方面展開，且大多 集中在 黃土高原地區(qū)。有少數(shù)人在喀斯特地區(qū)做過不同土地利用方式的土壤抗沖抗蝕性研究［13－15］。但巖性對土壤理化性狀和抗沖性影響的研究鮮見報(bào)道。土壤的理化性狀之間相互影響，定量分析理化性狀有助于分析土壤抗沖性。本研究采集貴州中部白云巖、長石砂巖、煤系地層、石灰?guī)r、紫色長石石英砂巖上發(fā)育的表層土壤，分析巖性對表土理化性狀及土壤抗沖性的影響規(guī)律，為闡述喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機(jī)理，優(yōu)化水土保持措施配置及恢復(fù)生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔中腹地花溪區(qū)，地處東經(jīng)106°27′－106°52′，北緯26°11′－26°34′，全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，土地總面積957.6 km2。區(qū)內(nèi)地表出露較全，有石灰?guī)r、白云巖、砂巖、砂頁巖等，其中以碳酸鹽巖為主，屬于典型的喀斯特地區(qū)。森林覆蓋率達(dá)到41.4%，海拔1 130～1 326 m。該區(qū)氣候溫和濕潤，雨量充沛。年均氣溫14.9℃，7月平均溫度23℃，1月平均溫度4.7℃，年均降水量1 299 mm，屬于亞熱帶高原季風(fēng)性氣候。

1.2 研究方法

按線路法進(jìn)行野外調(diào)查，在研究區(qū)內(nèi)選取不同巖性發(fā)育的原狀土典型樣地，共計(jì)51個(gè)樣點(diǎn)，不同巖性組樣點(diǎn)數(shù)如表1所示。每個(gè)樣點(diǎn)采用美國DICKEY－john6100型土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行原狀土緊實(shí)度測量，重復(fù)5次，取平均值作為該點(diǎn)的土壤緊實(shí)度值。然后進(jìn)行剖面開挖，統(tǒng)一采集A層中部土壤，分別用鋁盒、環(huán)刀和自封袋采集土樣帶回室內(nèi)做土壤理化性狀和抗沖性分析。其中機(jī)械組成用比重計(jì)法重復(fù)測1次；容重和孔隙度用環(huán)刀法重復(fù)1次；有機(jī)質(zhì)用KCr2O7－H2SO4氧化法重復(fù)3次；抗沖性采用蔣定生設(shè)計(jì)的原狀土沖刷法［16］。沖刷時(shí)坡度選25°，將采集的土樣削成20 cm×10 cm×6 cm土樣，采用恒定流量30 ml／s沖刷4 min，烘干稱重每次沖刷產(chǎn)生的泥沙，并計(jì)算沖刷模數(shù)［g／（m2·min）］用以表征抗沖性。

表1 不同巖性樣點(diǎn)數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 巖性對土壤理化性狀的影響

通過對不同巖性發(fā)育土壤的機(jī)械組成、孔隙度、容重、緊實(shí)度和有機(jī)質(zhì)指標(biāo)的測定，按照指標(biāo)歸類分別得到質(zhì)地類型與機(jī)械組成表（見表2），其中機(jī)械組成采用美國農(nóng)部制土壤分類機(jī)制，取每個(gè)巖性組均值作為機(jī)械組成指標(biāo)值。質(zhì)地類型運(yùn)用張麗萍等研發(fā)的STAC程序［17］。計(jì)算每個(gè)樣本的三種顆粒含量得出。各巖性土壤其它理化指標(biāo)組平均值見表3。在原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行5種巖性各類理化指標(biāo)的組間差異性檢驗(yàn)，得到表4。

表2 不同巖性發(fā)育土壤的質(zhì)地與機(jī)械組成

機(jī)械組成是土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元，受基巖和母質(zhì)的影響很大。從表2可以看出，整體而言喀斯特地區(qū)的土壤質(zhì)地偏粘，多數(shù)在壤土到黏土之間。其中煤系地層發(fā)育的土壤黏粒含量最高，土壤的質(zhì)地最粘，加之黏粒具有強(qiáng)吸附力，所以礦質(zhì)養(yǎng)分豐富。長石砂巖黏粒含量最低，僅有煤系地層土壤黏粒含量的1／2，砂粒含量最高。因?yàn)樯皫r類風(fēng)化過程保留了較多的粗骨質(zhì)顆粒，因此土壤中砂粒多且粗。白云巖和石灰?guī)r屬于碳酸鹽巖，在其風(fēng)化成土過程中，只有少部分黏土雜質(zhì)堆積成土，粉粒含量最大，黏粒和砂粒含量較少。由于白云巖和石灰?guī)r風(fēng)化成土性能不同［16］，造成二者機(jī)械組成不同，石灰?guī)r地區(qū)土壤石礫含量較低（砂粒含量11.43%），而白云巖地區(qū)土壤石礫含量較高（砂粒含量13.72%）。

由表3可知，5種巖性的土壤孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)含量和緊實(shí)度之間的相互聯(lián)系可以綜合反映土壤的結(jié)構(gòu)和肥力狀況?？紫抖群腿葜刂笜?biāo)密切相關(guān)，孔隙度大的，容重則小?？λ固氐貐^(qū)土壤總孔隙度為47%～60%，變動(dòng)幅度較大。有機(jī)質(zhì)含量都比較高，為46.5～60 g／kg，說明喀斯特地區(qū)土壤肥力狀況總體良好。碳酸鹽巖類發(fā)育的土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均最大，砂巖類土壤最小，容重的變化規(guī)律與孔隙度相反。說明碳酸鹽巖發(fā)育的土壤結(jié)構(gòu)疏松，保水透氣性好，較高的有機(jī)質(zhì)含量有助于形成更多團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土壤的肥力也最好。砂巖類具有最差的結(jié)構(gòu)性。土壤緊實(shí)度指標(biāo)變化規(guī)律為：煤系地層＞長石砂巖＞石灰?guī)r＞紫色長石石英砂巖＞白云巖。煤系地層土壤最緊，與其質(zhì)地粘重有密切關(guān)系，緊實(shí)的土壤不利于植物根系生長，也不利于通氣透水，土壤的水土保持功能不好。

由表4可知，不同巖性組的土壤除緊實(shí)度外，其他理化性狀之間均具有極顯著差異，說明巖性對土壤的理化性狀有顯著影響，因此實(shí)施水土保持措施要重視不同巖性發(fā)育土壤之間理化性狀的差異性。各巖性組之間的緊實(shí)度沒有明顯差異，說明緊實(shí)度可能受其它因素（如植被根系等）影響更為強(qiáng)烈，與巖性之間沒有必然聯(lián)系

表3 不同巖性發(fā)育土壤的其他理化性狀指標(biāo)平均值

表4 不同巖性土壤理化性狀組間差異性檢驗(yàn)

2.2 巖性對土壤抗沖性的影響

抗沖性是指土壤抵抗徑流機(jī)械破壞和推移的能力，它反映了土壤抵抗侵蝕性能的強(qiáng)弱，受土壤理化性狀、巖性及土地利用等多種因素的影響。

圖1 不同巖性的土壤沖刷模數(shù)

從圖1中可以看出，煤系地層土壤沖刷模數(shù)顯著高于其它巖性，其它巖性組沖刷模數(shù)在40 g／（m2·min）左右，煤系地層組土壤沖刷模數(shù)是其它的2倍多，達(dá)到96 g／（m2·min）。煤系地層的巖性組成復(fù)雜，有泥巖、粉砂巖、砂巖等，發(fā)育成的土壤性質(zhì)更為復(fù)雜。其它幾種巖性的土壤沖刷模數(shù)差異不顯著，沖刷模數(shù)大小依次排列為：紫色長石石英砂巖＞石灰?guī)r＞白云巖＞長石砂巖。在土壤侵蝕防治時(shí)，尤其注意煤系地層的土壤狀況，應(yīng)實(shí)施更好的水土保持措施。

從表5可見土壤沖刷模數(shù)與有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系，充分說明土壤抗沖性主要受到3個(gè)指標(biāo)的影響。有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，粉粒是形成良好土壤結(jié)構(gòu)體的最好顆粒，粉粒越多，土壤的固體顆粒結(jié)構(gòu)越均勻，使土壤具有更強(qiáng)的抗沖刷性能。因此隨有機(jī)質(zhì)含量的增大，土壤抗沖性增強(qiáng)；但隨著砂粒含量的增大，土壤抗沖性下降，因?yàn)樯傲Ｍ寥李w粒粗大，缺少粘結(jié)力，容易被沖刷而分離。沖刷模數(shù)與土壤其它理化性狀相關(guān)關(guān)系不顯著，其中與黏粒含量、孔隙度、緊實(shí)度之間呈反相關(guān)關(guān)系，與容重呈正相關(guān)關(guān)系。

表5 沖刷模數(shù)和土壤理化性狀相關(guān)性分析

3 結(jié)論

（1）不同巖性的土壤理化性狀除緊實(shí)度外均存在極顯著差異。碳酸鹽巖（白云巖和石灰?guī)r）發(fā)育的土壤結(jié)構(gòu)性最好，砂巖類（長石砂巖和紫色長石石英砂巖）次之，煤系地層質(zhì)地粘重，緊實(shí)度最大，結(jié)構(gòu)性差。

（2）煤系地層的土壤抗沖刷能力最弱，其沖刷模數(shù)大約是其它巖性組的2倍，需要針對煤系地層發(fā)育的土壤進(jìn)行更好的保護(hù)措施。不同巖性土壤沖刷模數(shù)變化規(guī)律：煤系地層＞紫色長石石英砂巖＞石灰?guī)r＞白云巖＞長石砂巖，另外所有土壤的沖刷模數(shù)與有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒含量間呈顯著相關(guān)，隨著有機(jī)質(zhì)及粉粒含量的增大而增大，隨砂粒含量的增大而減小。研究結(jié)果對闡述喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機(jī)理，優(yōu)化水土保持措施配置及恢復(fù)生態(tài)環(huán)境具有一定的理論和實(shí)踐意義。

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