粵北巖溶山地土壤垂直滲漏特征及影響要素分析

陳同慶，魏興琥，李忠云

(1.佛山科學技術學院國土資源環(huán)境與旅游研究中心，廣東佛山528000; 2.華南師范大學地理科學學院，廣東廣州510631)

粵北巖溶山地土壤垂直滲漏特征及影響要素分析

陳同慶1，魏興琥1，李忠云2

(1.佛山科學技術學院國土資源環(huán)境與旅游研究中心，廣東佛山528000; 2.華南師范大學地理科學學院，廣東廣州510631)

巖溶山地;土壤;垂直滲漏;影響要素

為更準確地研究巖溶山地土壤垂直流失量，選擇粵北連縣威建水泥廠一座棄置采石場山體6個不同方位剖面，利用電子全站儀和GPS對各剖面的高度、長度、坡度、走向、節(jié)理和漏斗、裂隙、孔穴等進行詳細測量，并調(diào)查坡面植被覆蓋度、土層厚度、巖石裸露率等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:巖溶山地表層巖溶帶0～15 m深度范圍漏斗、裂隙、孔穴發(fā)育，密度分別達到0.17個/100 m2、0.06條/100 m2和0.03個/100 m2。漏斗土、裂隙土和孔穴土體積分別占山體總體積的1.87%、0.36%和0.19%，分別占到山體表層土壤總體積的281.08%、53.29%和28.37%，土壤垂直滲漏總量是表層土壤體積的362.74%。巖溶山地土壤垂直流失是地質(zhì)運動與地表過程長期共同作用的結(jié)果，基巖類型、地貌、地形、節(jié)理、氣候、人類活動是影響巖溶土壤垂直流失的主要因素?，F(xiàn)代巖溶環(huán)境的特征與巖溶土壤垂直滲漏關系密切。

西南巖溶區(qū)是世界上最大的裸露、半裸露型巖溶區(qū)之一［1］?；洷睅r溶山區(qū)是西南巖溶區(qū)的東緣部分，是廣東巖溶分布最集中、石漠化最嚴重的區(qū)域［2-3］。由于碳酸鹽巖的易溶性使巖溶地表非均質(zhì)性特征顯著，地下裂隙、洞穴發(fā)育，石牙間的漏斗、巖石節(jié)理發(fā)育的裂隙、孔穴等為地表土壤提供了儲存空間，地表土壤在自身重力及降水入滲的動力作用下進入巖石孔穴、洞穴、裂隙中，同時滲漏到巖石中的土壤因其化學溶蝕、水熱理化作用對碳酸鹽巖造成影響，導致表層巖溶帶的空間分布特征和理化性質(zhì)發(fā)生變化，并最終影響整個巖溶環(huán)境［4］。土壤垂直滲漏是巖溶環(huán)境的一大特征。李德文等［5］最早發(fā)現(xiàn)并提出了巖溶區(qū)“土壤丟失”概念。張信寶等［6］提出巖溶坡地的土壤侵蝕是化學溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕疊加的觀點。唐益群等［7］以貴州普定縣陳旗小流域為例對該石漠化區(qū)域土壤地下漏失的機理進行了初步分析，但對巖溶區(qū)土壤垂直滲漏的研究還處于初步分析階段，缺少系統(tǒng)和量化的研究成果。雷俐等［8］根據(jù)廣東清連高速2個剖面的詳細調(diào)查結(jié)果，對巖溶山地地下漏斗土、裂隙土、孔穴土的分布特征、面積比例和土壤粒度垂直變化進行了分析，對垂直滲漏有了初步的量化研究成果。由于巖溶地區(qū)地貌類型多樣，地表坡度、土層厚度、地層巖性、基巖裂隙、植被類型的發(fā)育程度等方面存在很大差別，可能會造成不同巖溶環(huán)境地下滲漏差異化，因此為使土壤垂直滲漏的研究更深入精確，筆者選擇廣東連縣威建水泥廠采石場剖面開展了詳細調(diào)查，研究巖溶山地垂直滲漏特征，并首次在剖面裂隙等調(diào)查基礎上采用南方測繪CASS 7.0軟件計算山體體積，以各類垂直滲漏土壤體積占表土比例相對精確地判定巖溶山地土壤垂直滲漏程度，在此基礎上探討影響土壤地下流失的主要因素。

1　研究材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本次調(diào)查選擇的6個剖面位于廣東省北部連縣連州鎮(zhèn)威建水泥廠21世紀初棄置的采石場，地理位置N24°45'00″、E112°15'00″，海拔93～163 m。6個剖面均屬同一山體，在不同的采挖位置形成了不同走向、坡度、高度的剖面(圖1)，其中剖面3位于山體中部，剖面1、5位于山體外緣，剖面2位于剖面1、3之間，剖面4位于剖面3、5之間，剖面6與剖面3近T字形相交，為研究不同地形的漏斗、裂隙土分布特征提供了很好的調(diào)查條件。調(diào)查區(qū)是典型的巖溶山地峰叢洼地地貌，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫19.5℃，年均降水量1 620.9 mm，降水主要集中在3—8月。地質(zhì)基底屬于華夏古陸，為泥盆紀地層和二疊紀地層，基巖為純灰?guī)r，下部夾雜有白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖和變質(zhì)巖。自然土壤為紅色石灰土。植被為灰?guī)r灌叢，有少量小喬木，如野桐，其余多為灌木和草本，如竹葉花椒、黃荊、龍須藤、檵木、小果薔薇、箬葉竹、五節(jié)芒、野菊等。

圖1　剖面位置示意　(單位:m)

1.2調(diào)查研究方法

(1)地表生態(tài)環(huán)境調(diào)查。在剖面1～5背面山坡下部、中部和頂部隨機選取3個樣地，每個樣地隨機選擇3個樣方(3 m×4 m)，詳細調(diào)查樣方內(nèi)植物種、植被覆蓋度、巖石裸露率(面積量算法)、土壤厚度(鐵釬法)和坡度。

(2)剖面地形調(diào)查與漏斗、裂隙測量。在現(xiàn)場考察的基礎上，利用GPS(合眾思壯MG758)在每個剖面下沿每隔10 m及拐點處定位以確定剖面的水平位置和高程;利用電子全站儀(NTS-330R型)對每個剖面的空間位置，以及漏斗、裂隙、地表土壤、巖石節(jié)理等的相對位置、深度、寬度、形狀進行測量?？紤]到剖面、漏斗和裂隙形狀的不規(guī)則性，采用了對邊測量技術〔MLM1(A-B，A-C)模式〕，在每個剖面的前面設置1～2個站，利用電子全站儀的免棱鏡功能測出巖石和土壤分界點的相對高度和長寬范圍，增加測量精度，同時進行拍照和記錄，以方便進一步的驗證及判斷分析。

(3)裂隙、漏斗、孔穴面積計算。在野外取得測量數(shù)據(jù)后，利用CAD軟件進行剖面圖繪制和計算，對每個剖面中漏斗、裂隙的位置和范圍按實況數(shù)據(jù)進行填繪，并用該軟件計算裂隙、漏斗、孔穴土壤的分布面積。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查到的照片等資料對下滲土壤體積進行計算并分類分析。

(4)山體及地下裂隙、漏斗、孔穴體積計算。首先，以該區(qū)域1∶1萬地形圖(1987年版)為底圖進行掃描，根據(jù)剖面所在位置、山體形狀、地貌、等高線等選取適當范圍作為計算基底，選定平面面積為101 975.4 m2，山腳最小高程106.2 m、最大高程188.5 m。然后，利用南方測繪CASS 7.0軟件(2011年版)進行土石方總量計算。將掃描地形圖矢量化，進行等高線加密，根據(jù)地形圖資料恢復現(xiàn)在剖面所在的地形。將所選取的高程范圍內(nèi)的高程點建立數(shù)字地面模型(DEM)，利用CASS軟件的體積計算功能進行土石方總量計算。最后，按縱剖面所在位置左右兩邊基本對稱的原則抽樣，縱剖面的面積與土石方量有一定的對應關系，因此以各類土體剖面面積占縱剖面總面積比例來計算抽樣山體中各類土體的體積。

2　結(jié)果分析

2.1剖面基本情況

作為同一山體的6個不同部位(圖1)，各剖面的形態(tài)、長度、高度、坡度等均不同(圖2，表1)。坡度分布呈中部略平緩(剖面3)、兩邊較陡(剖面2、4)、之后又變平緩(剖面1、5)的趨勢，巖石節(jié)理傾角與坡度分布規(guī)律相似。剖面走向差異較大，將山體切割為不同剖面，為調(diào)查計算整個山體地下滲漏提供了很好的條件?；鶐r以純灰?guī)r為主，剖面中下部夾雜薄層不純灰?guī)r。樣地調(diào)查表明，剖面1～5背面山坡下部、中部、頂部的植被平均覆蓋度分別為25.36%、41.92%、31.60%，巖石裸露率分別為14.29%、20.00%、41.67%，土層厚度分別為20.40、15.68和9.25 cm，地表形態(tài)表現(xiàn)出明顯的地表徑流侵蝕和溶蝕的雙重特征。

2.2剖面漏斗、裂隙、孔穴分布特征

各剖面漏斗、裂隙、孔穴特征值見表2。6個剖面所處位置不同，裂隙、漏斗、孔穴分布特征也有差異，以山體最高點(剖面3)為中心，山體兩側(cè)靠外緣的剖面裂隙數(shù)量多于鄰近剖面，剖面1、5、6的裂隙數(shù)量分別是1、3、1個，而剖面2、4則無明顯裂隙，這可能與地質(zhì)抬升過程中受力差異有關;漏斗同樣多位于山體外緣波狀起伏處，剖面1、5、6的漏斗數(shù)量分別是8、6、2個;孔穴則只出現(xiàn)在剖面2、5?？傮w來看:漏斗主要位于0～10 m深度范圍，裂隙多位于0～15 m深度范圍;最大漏斗出現(xiàn)在剖面3與剖面2相連的巖石斷裂間，上口徑超過8 m，深度接近8 m;最深裂隙出現(xiàn)在剖面6，深度超過13 m，裂隙平均寬度為0.74 m;孔穴只出現(xiàn)4個，主要發(fā)育在剖面2的中上部，平均孔徑1.19 m，有明顯的滲漏痕跡。按剖面密度計算，每100 m2內(nèi)有漏斗0.17個、裂隙0.06條、孔穴0.03個。

圖2　不同剖面裂隙、漏斗、孔穴分布

表1　各剖面基本情況

表2　不同剖面漏斗、裂隙、孔穴特征

表3　各剖面漏斗、裂隙、孔穴土壤體積與比例

2.3土壤垂直滲漏體積

調(diào)查中所有漏斗、裂隙、孔穴中都被土壤填塞?；?個剖面漏斗、裂隙和孔穴采用全站儀的詳細調(diào)查數(shù)據(jù)，通過CASS 7.0軟件計算山體及漏斗土、裂隙土和孔穴土體積(表3)。6個剖面22個漏斗中土壤總體積為54 493.76 m3，僅占山體總體積的1.87%，是表層土壤總體積的281.08%。8條裂隙中的土壤總體積為10 332.21 m3，占山體總體積的0.36%，是表層土壤總體積的 53.29%。4處孔穴中的土壤總體積為5 500.78 m3，占山體總體積的0.19%，是表層土壤總體積的28.37%。表層土壤以下漏斗、裂隙、孔穴土壤總體積占山體總體積的2.42%，是表層土壤總體積的362.74%。

3　土壤垂直滲漏影響要素分析

威建水泥廠棄置采石場6個剖面中漏斗、裂隙、孔穴等空間分布特征調(diào)查及土壤垂直滲漏比例計算結(jié)果與清連高速公路斷面(K2117～K2116，N24°42'07.4″、E112°18'01.2″;K2118，N24°41'18.6″、E112°18'15.4″)調(diào)查結(jié)果均表明［7-8］，漏斗、裂隙、孔穴的形成是地質(zhì)過程、地表過程共同作用的產(chǎn)物，影響要素復雜，主要包括以下幾個方面。

3.1基巖種類

志留紀末發(fā)生的加里東運動使廣東結(jié)束了地槽的歷史，進入華南準地臺階段，泥盆紀至中三疊紀沉積的淺海碳酸鹽巖形成了廣東巖溶地貌發(fā)育的基礎，之后中三疊紀末的印支運動產(chǎn)生了一系列北東向的褶皺構造，包括粵北連州復向斜，英德弧形褶皺構成了廣東巖溶地貌發(fā)育的基本框架［9］。廣布于粵北的碳酸鹽巖由于發(fā)育階段、位置不同，所以基巖巖性出現(xiàn)差異，有純碳酸鹽巖、不純碳酸鹽巖(白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等)兩大類。不同巖性的碳酸鹽巖溶蝕過程、程度有差異，根據(jù)對采自清連高速公路斷面灰?guī)r試樣的近3年的模擬觀測試驗，含云灰?guī)r(方解石含量為87.8%)和云灰?guī)r(方解石含量73.3%)在地表的溶蝕率分別為0.091%和0.109%，在土壤 30 cm深處分別為0.369%和0.157%，在不同部位的溶蝕率差異較大。勞文科等也將灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖劃分為強巖溶化、中等巖溶化和弱巖溶化三個等級［10］，這種差異對表層巖溶帶的發(fā)育強度具有明顯的影響。一般來說，純碳酸鹽巖的裂隙發(fā)育高于不純碳酸鹽巖，灰?guī)r的裂隙發(fā)育高于白云巖。

3.2地貌與地形

粵北的碳酸鹽巖有巖溶山地、巖溶丘陵、巖溶臺地、巖溶峰林平原4種地貌類型，其中山地與丘陵主要位于樂昌、乳源巖溶高原區(qū)，臺地和平原主要位于連陽、英德巖溶山地和盆谷區(qū)［11］。巖溶山地是陸地上升，經(jīng)過長期的溶蝕、侵蝕作用形成的。灰?guī)r純度差異造成巖溶山地地貌分異:純灰?guī)r構成的巖溶山地常形成峰叢洼地與底座相連的峰林，山坡上部與中部巖石裸露，石芽、裂隙、石槽遍布，垂直滲漏侵蝕占主導，坡麓承接了來自坡面中上部的地表侵蝕物，土層相對較厚，坡面侵蝕占主導，低洼處多漏斗，最低處往往有落水洞;不純灰?guī)r與砂頁巖相間構成的巖溶山地既有溶蝕地貌，又有侵蝕地貌，裂隙發(fā)育不如純灰?guī)r地貌多，地表土層較厚，漏斗較多。巖溶山地頂部裂隙發(fā)育，底部漏斗發(fā)育。巖溶丘陵是地殼上升，經(jīng)長期溶蝕侵蝕作用形成的。純灰?guī)r構成的巖溶丘陵呈峰尖坡陡、巖石裸露的蓮座狀峰林地貌，頂部巖石裸露、裂隙發(fā)育，坡面多石芽、石槽、溝、裂隙，低洼處有漏斗，但面積小于巖溶山地;不純灰?guī)r與砂頁巖相間構成的巖溶丘陵有丘有峰，洼地、漏斗、豎井相間出現(xiàn)。巖溶臺地是比較寬闊平緩的一種地貌，依灰?guī)r純度差異分溶蝕臺地和溶蝕侵蝕臺地:溶蝕臺地地表多紅色石灰土，有殘峰和石芽突起，裂隙發(fā)育，垂直滲漏明顯，地表河流少，地下河發(fā)育;溶蝕侵蝕臺地土層厚，裂隙發(fā)育不明顯。溶蝕平原是在溶蝕作用和地表侵蝕作用下形成的較平坦地貌，峰林獨立或部分呈蓮座狀，陡峭，僅坡麓較緩，頂部平緩，石芽、石溝、裂隙發(fā)育，峭壁可見明顯的裂隙，底部偶見溶洞，峰間洼地漏斗發(fā)育。典型剖面調(diào)查顯示，微地形尤其坡度是影響垂直滲漏的關鍵。平坦地形下，坡面侵蝕減弱，垂直滲漏加強，巖石裸露進一步加劇了溶蝕，裂隙發(fā)育明顯;在坡度較陡的坡面，侵蝕使上部表土下移堆積，覆蓋了巖石，降低了溶蝕率，坡面流很好地減弱了雨水的垂直滲漏量，同時也減弱了溶蝕，因此地形越平緩，垂直滲漏溶蝕越明顯，裂隙越發(fā)育。

3.3巖石節(jié)理

表層的節(jié)理、裂隙構造是表層巖溶帶發(fā)育的主導因素，它為降水向表層巖體中滲漏和溶蝕提供了基礎。在粵北巖溶地區(qū)，巖溶發(fā)育時期大致在中生代晚期至老第三紀，以燕山運動的斷裂和斷塊造山運動為主，斷裂運動造成了大型的褶皺斷塊山地和斷陷盆地，如連州盆地和連陽、英德巖溶山地等，褶皺構造發(fā)育的英德弧形山地形成峰林和溶蝕谷地，如英西峰林等，而連江流域的巖溶高原受南北向瑤山背斜控制，連縣-陽山-英德-翁源谷地受東陂-連州復向斜控制。地質(zhì)構造與運動對巖溶地貌影響巨大，也使得地層在陸地抬升過程中不斷變化，形成各種節(jié)理并在溶蝕作用下逐漸發(fā)育為裂縫、裂隙。已調(diào)查的6個剖面，以斜向節(jié)理為主，山體中部節(jié)理緩平，外緣節(jié)理傾角加大，節(jié)理縫隙中多見水體和土壤滲漏;越靠近表層或山體外緣的節(jié)理縫隙越明顯，尤其山體外緣節(jié)理縫隙變寬、長度增加，可見節(jié)理的傾角對雨水滲漏及溶蝕強度的影響。清連高速2個剖面由于節(jié)理傾角更大、坡度更陡，裂隙密度、深度、寬度均大于連州威建水泥廠6個剖面［8］。

3.4氣候

降雨是溶蝕的基礎，它和空氣中二氧化碳共同構成溶蝕動力。粵北地區(qū)降雨充沛，工業(yè)化又增加了空氣中的二氧化碳濃度。研究證明，氣溫每增加10℃，溶蝕速度提高1倍，因而全球氣候變暖無疑會加劇粵北巖溶區(qū)的溶蝕速度。此外，酸雨也會影響溶蝕量。模擬試驗結(jié)果表明，平均每1 mm降雨使供試石灰質(zhì)土壤中鈣離子流失量達到0.01 g/m3，而輕度酸雨條件下單位降雨土壤中鈣離子平均凈流失量是蒸餾水條件下的2倍以上。

3.5人類活動

在粵北巖溶區(qū)，人類活動最直接的影響第一個就是礦石開采。在英德、陽山、連南、連州、乳源等地，有大大小小的灰?guī)r開采場數(shù)十個，開采造成了土壤流失、地表植被破壞、徑流侵蝕加劇、水質(zhì)惡化，同時水泥廠生產(chǎn)也會污染大氣與周邊生態(tài)。另一個重要影響因素是開墾，特別是在巖溶丘陵區(qū)和巖溶臺地區(qū)，如陽山、英德、連南、連州的巖溶區(qū)，坡面平緩處被開墾為梯田，盡管坡面侵蝕得到了控制，但垂直滲漏依然存在;在很多峰林平原區(qū)，如英德九龍等地，坡麓相對平緩，土層較厚，多被開墾為經(jīng)濟林區(qū)。開墾使得原有植被被砍伐，地表土壤被搬運，侵蝕加劇，鈣離子遷移路線受到影響，導致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化。

4　結(jié)語

(1)研究區(qū)巖溶山地表層巖溶帶漏斗、裂隙、孔穴發(fā)育，位于同一山體不同部位的6個剖面共計有22個漏斗、8條裂隙和4個孔穴，漏斗主要位于0～10 m深度范圍，裂隙、孔穴多位于0～15 m深度范圍。

(2)漏斗、裂隙、孔穴成為表層土壤垂直滲漏的主要載體。漏斗中儲存的土壤總體積占山體總體積的1.87%，但占表層土壤總體積的281.08%;裂隙中儲存的土壤占山體總體積的0.36%，占表層土壤總體積的53.29%;孔穴中儲存土壤占山體總體積的0.19%，占表層土壤總體積的28.37%。土壤垂直滲漏總量是表層土壤體積的362.74%。

(3)巖溶山地土壤垂直流失是地質(zhì)運動與地表過程長期共同作用的結(jié)果，基巖類型、地貌、地形、節(jié)理、氣候、人類活動等共同影響著巖溶區(qū)土壤垂直滲漏特征與程度，從而導致巖溶環(huán)境的現(xiàn)代生態(tài)狀況。

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(責任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)03-0055-05

國家自然科學基金項目(31170486，41571091);廣東省自然科學基金項目(S2012010009272);中國科學院科技網(wǎng)絡服務計劃項目(STS計劃)(KFJ-EW-STS-092)

陳同慶(1957—)，男，廣東興寧市人，講師，學士，主要從事土地退化過程中的土壤、水文、氣象研究。

2015-08-28