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(xué)林學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025;2.貴州省公益林管理中心，貴州貴陽(yáng) 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(wàn)km2，其中的92.5%為山地和丘陵。省內(nèi)碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌面積高達(dá)10.9萬(wàn)km2，占全省土地總面積的61.9%。省內(nèi)碳酸鹽巖類型多樣，大體可分為純灰?guī)r、泥灰?guī)r、純白云巖及泥質(zhì)白云巖4種。全省有坡耕地107.8萬(wàn)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(nèi)水土流失的多發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)及江河水患沙患的主要源地，全省流失的泥沙90%來(lái)自于坡耕地，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此對(duì)全省坡耕地水土流失進(jìn)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(duì)母質(zhì)及基巖有較強(qiáng)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(zhì)及土壤侵蝕特征［1］。目前，我國(guó)在土壤侵蝕特征研究方面已取得了大量成果［2-3］，對(duì)喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕特征也有許多報(bào)道。然而，喀斯特地區(qū)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?guī)r兩大類與非碳酸鹽巖進(jìn)行對(duì)比，而很少對(duì)碳酸鹽巖巖性進(jìn)行細(xì)分［4］，因此對(duì)不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征及在碳酸鹽巖組內(nèi)不同碳酸鹽巖對(duì)土壤侵蝕特征是否有影響，對(duì)哪些侵蝕特征指標(biāo)有影響，有什么樣的作用規(guī)律及機(jī)理卻不得而知。

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

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)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(zhǎng)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(fēng)濕潤(rùn)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(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布。地貌類型多樣，丘陵、山地、盆地相間分布，農(nóng)業(yè)人均耕地僅0.17 hm2，由于是山區(qū)，因此有許多是坡耕地。區(qū)內(nèi)人地矛盾較突出，水土流失及石漠化較嚴(yán)重。

1.2 研究方法

根據(jù)貴陽(yáng)市碳酸鹽巖的分布特點(diǎn)，選擇青巖、花溪、烏當(dāng)三地作為采樣區(qū)，按純白云巖、泥質(zhì)白云巖、純灰?guī)r、泥灰?guī)r4種巖性布設(shè)樣地，每種巖性布設(shè)5個(gè)樣地，采用穿越方式進(jìn)行調(diào)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(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間自然沉降且土壤結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的玉米地。選好樣地后開挖剖面，并對(duì)土層厚度、石礫含量及母巖巖性進(jìn)行觀察記錄，然后鏟去頂部5 cm厚的表土，用美國(guó)DICKEY-john 6100型(kPa)土壤緊實(shí)度儀測(cè)定土壤緊實(shí)度，再用環(huán)刀及原狀土取樣器各采集3份原狀土，并從打過(guò)環(huán)刀的位置取些許土壤放入鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重，然后計(jì)算土壤自然含水量、容重，及時(shí)進(jìn)行原狀土沖刷與崩解試驗(yàn)。同時(shí)采集約1 kg袋裝土，帶回實(shí)驗(yàn)室處理后進(jìn)行土壤理化性狀分析，測(cè)定其機(jī)械組成及有機(jī)碳含量。對(duì)每個(gè)土樣的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行3次平行測(cè)定，求其平均值，并用EXCEL與SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 土壤抗沖性測(cè)定

土壤抗沖性采用蔣定生等設(shè)計(jì)的抗沖槽測(cè)定［5］。測(cè)定時(shí)，先用方形環(huán)刀(20 cm×10 cm×6 cm)取原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，然后將土樣放入抗沖槽內(nèi)，將坡度設(shè)置為15°，控制沖刷流量為30 mL/s，沖刷時(shí)間為10 min，沖刷完畢后將被沖走的土壤烘干稱重并計(jì)算出土壤沖刷模數(shù)〔g/(m2·min)〕。

1.4 土壤崩解測(cè)定

在野外將土樣削成7 cm×7 cm×7 cm土塊帶回實(shí)驗(yàn)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(biāo)鐵絲網(wǎng)上，放入靜水中讓其自然崩解，根據(jù)蔣定生等設(shè)計(jì)的崩解儀原理測(cè)定土壤崩解速率(cm3/min)［6］。

1.5 土壤可蝕性K值的測(cè)算

在室內(nèi)，采用吸管法測(cè)定土樣的機(jī)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(cè)定土樣有機(jī)碳含量。在測(cè)定土壤機(jī)械組成及有機(jī)碳等參數(shù)的基礎(chǔ)上，用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型［7］求算土壤可蝕性K值，以便進(jìn)行對(duì)比研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于土壤理化性質(zhì)的土壤特征分析

土壤的理化特性與其侵蝕特征息息相關(guān)，是解釋土壤侵蝕特征差異的重要依據(jù)。將野外調(diào)查與室內(nèi)分析的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表1。從表1土層厚度來(lái)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(duì)碳酸鹽巖發(fā)育的土壤造成很大的影響;從石礫與黏粒含量來(lái)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(fā)育形成的坡耕地土壤石礫及黏粒含量都高于石灰?guī)r發(fā)育形成的坡耕地土壤，因此白云巖發(fā)育的土壤緊實(shí)度高于石灰?guī)r發(fā)育的土壤緊實(shí)度，具有較強(qiáng)的抗沖抗蝕性;從容重及持水量看，4種碳酸鹽巖發(fā)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(qiáng)，田間持水量在30%～55%之間，總體均值約為50%，這說(shuō)明碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤具有較強(qiáng)的下滲及蓄水能力，就土壤本身來(lái)說(shuō)不容易產(chǎn)生侵蝕。

表1 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤特征

2.2 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成坡耕地土壤的力學(xué)特征

土壤的緊實(shí)度主要受土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)、含水量、孔隙度及石礫含量的影響，這些指標(biāo)集中反映了土壤內(nèi)在的力學(xué)狀況，可作為土壤侵蝕特征的力學(xué)指標(biāo)。對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果(圖1)表明:4種碳酸鹽巖發(fā)育的坡耕地土壤緊實(shí)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(qū)研究得到的自然土壤緊實(shí)度的1/2～1/3，這與其容重較低的特性是一致的。表明年復(fù)一年的耕作活動(dòng)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(fā)育形成的坡耕地土壤的緊實(shí)度

2.3 不同碳酸鹽巖發(fā)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(jī)械破壞作用的能力。本研究采用相同試驗(yàn)條件下的原狀土沖刷試驗(yàn)測(cè)定的土壤沖刷模數(shù)來(lái)表征土壤的抗沖性。沖刷模數(shù)屬綜合性指標(biāo)，能夠表征土壤侵蝕特征。由圖2知，4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤沖刷模數(shù)平均值約為45 g/(m2·min)。通過(guò)方差分析可知，除泥灰?guī)r與泥質(zhì)白云巖外，其他巖性區(qū)坡耕地土壤沖刷模數(shù)差異顯著，表現(xiàn)出純白云巖＞純灰?guī)r＞泥質(zhì)白云巖＞泥灰?guī)r的變化特征。

圖2 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的沖刷模數(shù)

2.4 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成土壤的抗蝕特征

土壤抗蝕性是土壤抵抗徑流對(duì)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(lái)表示。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同碳酸鹽巖發(fā)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(fā)育形成的坡耕地土壤的抗蝕性差異不顯著，這說(shuō)明不同碳酸鹽巖對(duì)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(zhì)性較大，因此不同巖組內(nèi)各實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大。同時(shí)，碳酸鹽巖發(fā)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(gè)值是蔣定生［6］、曾光［9］等分別對(duì)黃土高原土壤抗蝕性研究得到的玉米地及農(nóng)地土壤崩解速率的1/3～1/25，說(shuō)明碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤抗蝕性較強(qiáng)。碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤之所以具有較強(qiáng)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(zhì)發(fā)育而來(lái)，具有較高的黏粒含量所致。

2.5 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的可蝕性特征

目前，評(píng)價(jià)土壤可蝕性有許多的方法與指標(biāo)［10］，本研究采用EPIC模型計(jì)算土壤可蝕性K值來(lái)評(píng)價(jià)土壤可蝕性，式中所涉及的土壤機(jī)械組成粒徑分級(jí)及K值采用美國(guó)制。土壤可蝕性K值僅為土壤理化性質(zhì)的函數(shù)，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(dòng)無(wú)直接關(guān)系，是反映土壤侵蝕難易程度的綜合性指標(biāo)。從觀測(cè)資料和圖4可知，碳酸鹽巖發(fā)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(jì)算得到的紫色土坡耕地土壤可蝕性K值(轉(zhuǎn)換為美國(guó)制K值為0.448)相比要小得多，說(shuō)明碳酸鹽巖發(fā)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(fā)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(nèi)聚力大，黏結(jié)力強(qiáng)，所以可蝕性K值較低。對(duì)4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的可蝕性K值進(jìn)行差異性分析，可知除泥灰?guī)r與泥質(zhì)白云巖外，其他巖性區(qū)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(fā)育形成的坡耕地土壤可蝕性K值表現(xiàn)出泥灰?guī)r(0.304)＞泥質(zhì)白云巖(0.299)＞純灰?guī)r(0.283)＞純白云巖(0.272)的變化特征。

圖4 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的可蝕性K值

2.6 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征相關(guān)性

不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征相關(guān)性分析(表2)表明:除土壤沖刷模數(shù)與土壤可蝕性K值之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系外，其余的不同侵蝕特征之間相關(guān)性不顯著。不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征之間相關(guān)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(shí)度及土壤沖刷模數(shù)存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤沖刷模數(shù)、土壤緊實(shí)度、土壤崩解速率分別與土壤可蝕性K值之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤侵蝕特征的相關(guān)性

3 結(jié)果與討論

(1)碳酸鹽巖發(fā)育的土壤具有較高的黏粒含量，土壤抗沖抗蝕性較強(qiáng)，可蝕性低，可蝕性K值在0.25～0.30之間。但是，碳酸鹽巖發(fā)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(xiàn)為低流失、高危險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠的重視。

(2)除泥灰?guī)r與泥質(zhì)白云巖外，其他碳酸鹽巖對(duì)所發(fā)育形成的坡耕地土壤的沖刷模數(shù)與可蝕性K值產(chǎn)生極顯著的影響，而對(duì)土壤緊實(shí)度及崩解速率影響不顯著。

(3)巖性對(duì)各土壤侵蝕特征的影響規(guī)律并不一致，4種碳酸鹽巖發(fā)育的坡耕地土壤的可蝕性K值表現(xiàn)為泥灰?guī)r(0.304)＞泥質(zhì)白云巖(0.299)＞純灰?guī)r(0.283)＞純白云巖(0.272)，而沖刷模數(shù)的變化規(guī)律與之相反，具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)本研究以不同碳酸鹽巖發(fā)育的坡耕地土壤為研究對(duì)象，探討了不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤的侵蝕特征及巖性差異對(duì)土壤侵蝕特征的影響，為喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕特征研究增添了新的內(nèi)容，對(duì)認(rèn)識(shí)喀斯特地區(qū)土壤侵蝕特征及機(jī)理有一定的參考價(jià)值，但研究未能考慮巖石的節(jié)理裂隙及地下孔隙，研究尺度較小，結(jié)果具有一定的局限性。

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