貴州省黔西縣土壤侵蝕敏感性評價(jià)

張景華， 高 慧， 歐陽淵， 張建龍

(中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，610081，成都)

國內(nèi)學(xué)者對土壤侵蝕敏感性開展了大量的研究，但這些研究多數(shù)是基于通用土壤流失方程(USLE)、在非喀斯特地區(qū)開展的[1-3]，在喀斯特地區(qū)的研究則較少。李陽兵等[4]注意到基于通用土壤流失方程的水土流失敏感性評價(jià)在喀斯特地區(qū)的不足，并認(rèn)為喀斯特地區(qū)水土流失特征與地層巖性有密不可分的關(guān)系；羅俊等[5]在河池市開展水土流失敏感性評價(jià)時(shí)，認(rèn)為碳酸鹽巖區(qū)水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較非碳酸鹽巖區(qū)更大，敏感性受巖性的影響比非碳酸鹽巖區(qū)更明顯；凡非得等[6]探討了西南喀斯特地區(qū)水土流失敏感性與巖性之間的關(guān)系，認(rèn)為敏感程度與巖石中的酸不溶物含量有關(guān)。這些研究注意到了地質(zhì)條件對喀斯特地區(qū)水土流失的影響，但只是從巖性角度進(jìn)行了分析。黔西縣碳酸鹽巖分布超過縣域面積的90%，其土壤侵蝕有別于非喀斯特地區(qū)，除受降雨、地形、土壤、植被影響外，還受地質(zhì)背景制約。筆者根據(jù)其地質(zhì)特點(diǎn)，選取降雨侵蝕力、坡度、土壤質(zhì)地、植被類型、土壤允許流失量和基巖裸露率作為評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)土壤侵蝕敏感性，并從構(gòu)造和巖性2個(gè)方面分析土壤侵蝕敏感性空間分異特征與地質(zhì)背景之間的關(guān)系，以期為黔西縣水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黔西縣位于貴州省畢節(jié)地區(qū)東南部，烏江支流鴨池河左岸、六廣河的西北岸，E105°47′～106°26′，N 26°45′～27°20′，面積2 504.56 km2，縣城距省會貴陽118 km；地勢西北高、東南低，最高峰海拔1 821 m，最低點(diǎn)海拔704 m，平均海拔1 250 m；屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，多年平均氣溫13.8 ℃，多年平均降水量958.738 mm。黔西縣是烏江流域的重要生態(tài)屏障，在保障流域生態(tài)安全中起著重要的作用，但同時(shí)，作為典型的喀斯特山地縣，碳酸鹽巖分布面積2 261.09 km2，占90.28%，由于多方面的原因，境內(nèi)喀斯特山區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者所使用的數(shù)據(jù)包括黔西縣行政區(qū)圖、年降雨量等值線圖、DEM、土壤類型圖、地質(zhì)圖、石漠化分布圖和土地利用現(xiàn)狀圖，并對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Gauss Kruger投影，為單因子和綜合評價(jià)做好準(zhǔn)備。

2.2 評價(jià)指標(biāo)與分級

黔西縣土壤侵蝕除與降水、地形、土壤、植被有關(guān)外，還與特殊的地質(zhì)環(huán)境有很大關(guān)系，其地質(zhì)環(huán)境的突出特點(diǎn)為碳酸鹽巖分布廣、純度高、石漠化較發(fā)育。碳酸鹽巖是可溶性巖石，能夠成土的物質(zhì)主要為酸不溶物，在溶蝕速率一定的情況下，其風(fēng)化成土快慢，取決于酸不溶物的含量[7-10]，碳酸鹽巖成土速率慢，加之先成的土壤總有一部分會被剝蝕帶走，成土條件差，土壤允許流失量遠(yuǎn)低于非碳酸鹽巖區(qū)。黔西縣石漠化較發(fā)育，導(dǎo)致碳酸鹽巖區(qū)土層不連續(xù)，局部地區(qū)巖石裸露，而巖石裸露率越高，則土壤侵蝕越敏感。黔西縣碳酸鹽巖的成土特征及其石漠化發(fā)育程度，將不可避免對土壤侵蝕產(chǎn)生影響，土壤允許流失量和基巖裸露率應(yīng)當(dāng)作為土壤侵蝕敏感性評價(jià)的重要指標(biāo)；因此，選取降雨侵蝕力、坡度、土壤質(zhì)地、植被類型、土壤允許流失量和基巖裸露率作為評價(jià)指標(biāo)，并參考《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》[11]的有關(guān)規(guī)定，確定土壤侵蝕敏感性的評價(jià)指標(biāo)(表1)。

表1 黔西縣土壤侵蝕敏感性評價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation indicators of soil erosion sensitivity in Qianxi county

2.3 單因子敏感性評價(jià)

2.3.1 降雨侵蝕力 本文采用王萬忠等[12-13]建立的R值估算方法，采用如下公式計(jì)算黔西縣年降雨侵蝕力R。

R=0.207(PI60/100)1.205。

(1)

式中：R為年侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h·a)；P為年降雨量，mm；I60為年最大60 min降雨量，mm。

以黔西縣年降雨量等值線圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用式(1)計(jì)算降雨侵蝕力R值，依據(jù)表1中的敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)，繪制土壤侵蝕敏感性降雨侵蝕力單因子評價(jià)圖。

2.3.2 坡度 黔西縣發(fā)育三級夷平面，每級夷平面內(nèi)的地形起伏度較小，而巖溶地貌十分發(fā)育，地貌形態(tài)完整性差，地形破碎，洼地、峰叢遍布，其間多發(fā)育有溶溝、石芽、石隙槽、溶洞、漏斗等犬牙交錯(cuò)的微地貌。在這種地貌形態(tài)下，影響土壤侵蝕強(qiáng)度的地形因素主要為坡度。因此，采用黔西縣DEM進(jìn)行坡度分析，然后按表1中的分級標(biāo)準(zhǔn)重分類，得到土壤侵蝕敏感性坡度單因子評價(jià)圖。

2.3.3 土壤質(zhì)地 當(dāng)其他因素不變時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)弱主要取決于土壤可蝕性K值。徐燕等[14]認(rèn)為貴州喀斯特山區(qū)土壤物理性質(zhì)是影響土壤抗蝕性能的內(nèi)在因素；高華端等[15]認(rèn)為貴州省喀斯特地區(qū)原狀土土壤可蝕性K值與土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切?？紤]到大量測量土壤有機(jī)質(zhì)含量的難度，筆者使用土壤質(zhì)地替代土壤可蝕性K值進(jìn)行土壤侵蝕敏感性評價(jià)。采用土壤圖和相關(guān)資料，生成黔西縣土壤質(zhì)地分布圖，按表1中的分級標(biāo)準(zhǔn)賦值，并轉(zhuǎn)換為柵格圖像，得到土壤侵蝕敏感性土壤質(zhì)地單因子評價(jià)圖。

2.3.4 植被類型 植被是減弱土壤侵蝕、防止水土流失的1個(gè)重要因素。李會等[16]通過對貴州省安順市陳旗小流域不同土地利用方式下的喀斯特土壤抗蝕性進(jìn)行研究，認(rèn)為不同植被類型和土地利用方式，會影響土壤的抗蝕性指標(biāo)，導(dǎo)致土壤抗蝕性發(fā)生變化；因此，采用黔西縣土地利用現(xiàn)狀圖，按表1的分級標(biāo)準(zhǔn)分級賦值，并轉(zhuǎn)換為柵格圖像，得到土壤侵蝕敏感性植被類型單因子評價(jià)圖。

2.3.5 土壤允許流失量 在溶蝕速率一定的情況下，碳酸鹽巖成土的快慢，主要取決于其酸不溶物的含量。通過采樣測試，37件碳酸鹽巖樣品的酸不溶物含量最小為0.89%、最大為20.69%，平均為5.00%，且碳酸鹽巖越純、酸不溶物含量越??；與之對比，2件碎屑巖樣品的酸不溶物含量分別為56.13%、84.81%，平均為70.47%，遠(yuǎn)高于碳酸鹽巖，是碳酸鹽巖的14.09倍，假定風(fēng)化溶蝕速率相同，相同時(shí)間內(nèi)，碎屑巖所成的土壤厚度是碳酸鹽巖的14.09倍。顯然，酸不溶物含量與巖性關(guān)系密切，而酸不溶物含量又與土壤允許流失量關(guān)系密切；因此，可以采用巖石組合類型來表征土壤允許流失量。采用黔西縣地質(zhì)圖，按表1的分級標(biāo)準(zhǔn)分級賦值，并轉(zhuǎn)換為柵格圖像，得到土壤侵蝕敏感性土壤允許流失量單因子評價(jià)圖。

2.3.6 基巖裸露率 黔西縣石漠化較發(fā)育，導(dǎo)致碳酸鹽巖區(qū)土層分布不連續(xù)，部分地區(qū)土壤已經(jīng)侵蝕殆盡形成裸巖。通過分析，黔西縣石漠化程度與碳酸鹽巖裸露率呈正相關(guān)，且碳酸鹽巖占縣域面積的90%以上；因而，石漠化程度可以用來表征基巖裸露率。石漠化程度越重，基巖裸露率越高，則土壤侵蝕越敏感；因此，采用黔西縣石漠化分布圖，按表1的分級標(biāo)準(zhǔn)分級賦值，并轉(zhuǎn)換為柵格圖像，得到土壤侵蝕敏感性基巖裸露率單因子評價(jià)圖。

2.4 土壤侵蝕敏感性評價(jià)

單因子土壤侵蝕敏感性評價(jià)圖只反映1種因子下的土壤侵蝕敏感程度，要將黔西縣土壤侵蝕敏感性的區(qū)域差異綜合地反映出來，需要將所有因子的土壤侵蝕敏感性評價(jià)圖進(jìn)行疊加，開展綜合評價(jià)，采用如下公式的計(jì)算土壤侵蝕敏感性指數(shù)

(2)

式中：Sj為j空間單元土壤侵蝕敏感性指數(shù)，Si為i因子敏感性等級分值。然后在ArcGIS中對得到的結(jié)果采用自然間斷點(diǎn)分級法分成5級，得到黔西縣土壤侵蝕敏感性評價(jià)圖(圖1)。

圖1 黔西縣土壤侵蝕敏感性評價(jià)圖Fig.1 Evaluation map of soil erosion sensitivity in Qianxi county

3 結(jié)果分析

黔西縣土壤侵蝕敏感性分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5個(gè)等級，各敏感性等級面積與比例見表2，土壤侵蝕以輕度—中度敏感為主，二者合計(jì)1 726.21 km2，占68.93%。

黔西縣土壤侵蝕敏感性具有明顯的地域分布特點(diǎn)。不敏感主要集中分布于中坪—重新—中建3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交界地帶、縣城周邊和錦星—金碧—五里一帶，輕度敏感全縣皆有分布、沒有明顯的分布規(guī)律，中度敏感主要集中分布于仁和、定新、花溪、中建和錦星等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，高度—極敏感主要集中分布于定新、鐵石、沙井、錦星等鄉(xiāng)鎮(zhèn)及永興—協(xié)和—中坪3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交界地帶、以定新鄉(xiāng)最為集中，全縣整體土壤侵蝕敏感性較低、局部較高(圖1)。

表2 黔西縣土壤侵蝕敏感性統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Area and percentage of each soil erosion sensitivity class in Qianxi county

4 土壤侵蝕敏感性與地質(zhì)背景的關(guān)系

土壤侵蝕是地球外營力和內(nèi)營力共同作用的結(jié)果，不論內(nèi)營力形成的構(gòu)造運(yùn)動、巖漿活動還是外營力引起的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)作用，都是地質(zhì)作用的體現(xiàn)，這些地質(zhì)作用對土壤侵蝕的影響與區(qū)域地質(zhì)背景有著緊密的聯(lián)系，而對1個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕影響最大的就是構(gòu)造和巖性。

4.1 構(gòu)造與土壤侵蝕敏感性

根據(jù)構(gòu)造特征，黔西縣可以劃分為黔西復(fù)式向斜帶和沙井—太來復(fù)式背斜帶，不同的構(gòu)造部位發(fā)育不同的地貌形態(tài)，地表分布不同巖性。黔西復(fù)式向斜帶由一系列北東向?qū)捑徬?、背斜組成，受其控制，主要發(fā)育構(gòu)造侵蝕低中山、溶丘谷地和峰叢谷地3種地貌類型，構(gòu)造侵蝕低中山巖性主要為碎屑巖，溶丘谷地和峰叢谷地巖性主要為碳酸鹽巖；沙井—太來復(fù)式背斜帶由一系列北東向緊閉背、向斜組成，受其控制，主要發(fā)育峰叢洼地和溶蝕侵蝕峽谷2種地貌類型，巖性主要為碳酸鹽巖。各構(gòu)造單元和地貌單元敏感性面積比例見圖2和圖3。

圖2 黔西縣不同構(gòu)造單元土壤侵蝕敏感性Fig.2 Area percentage of each soil erosion sensitivity class by structural unit in Qianxi county

圖3 黔西縣不同地貌單元土壤侵蝕敏感性Fig.3 Area percentage of each soil erosion sensitivity class by geomorphic unit in Qianxi county

從圖2中可以看出，黔西復(fù)式向斜帶和沙井—太來復(fù)式背斜帶各敏感性比例較接近，除不敏感和輕度敏感略有差別外，中度—極敏感極為接近，整體而言，2個(gè)構(gòu)造帶的土壤侵蝕敏感性比例較為一致，表明構(gòu)造并不直接控制黔西縣的土壤侵蝕敏感性。

在黔西復(fù)式向斜帶內(nèi)(圖3)，地貌單元不同，土壤侵蝕敏感性及其影響因素不同。構(gòu)造侵蝕低中山以不敏感為主，該區(qū)切割深度約200～400 m，切割不大，土地利用類型主要為有林地，是境內(nèi)植被覆蓋度最高的地區(qū)，土壤侵蝕主要受自然因素影響；溶丘谷地以不敏感—輕度敏感為主，谷地一般長幾千米至十幾千米、寬1至幾千米，其間多為城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)和耕地，地形平緩開闊、谷坡平緩，不利于土壤侵蝕發(fā)生，但受人為活動影響，輕度敏感接近一半；峰叢谷地以輕度—中度敏感為主，谷地一般長1 000～5 000 m、寬100～500 m，谷地凹凸不平、谷坡較陡，比較有利于土壤侵蝕發(fā)生。

在沙井—太來復(fù)式背斜帶內(nèi)(圖3)，峰叢洼地以輕度—中度敏感為主，該區(qū)地形地貌有利于土壤侵蝕發(fā)生，土壤侵蝕主要受自然因素影響；溶蝕侵蝕峽谷各敏感性等級都未占絕對優(yōu)勢，但相較同一構(gòu)造帶內(nèi)的峰叢洼地。該區(qū)不敏感和輕度敏感比例降低、中度—極敏感比例上升，不敏感—輕度敏感和中度—極敏感比例各占一半左右，是土壤侵蝕最敏感的區(qū)域，該區(qū)為境內(nèi)相對高差最大的地區(qū)，山巒疊嶂、峭壁對峙，土地利用類型以灌木林地和草地為主，植被覆蓋較差，土壤侵蝕主要受自然因素影響。

可見構(gòu)造雖不直接影響土壤侵蝕，但通過控制地貌形態(tài)和巖性分布，間接影響著黔西縣壤侵蝕敏感性的分布。

4.2 巖性與土壤侵蝕敏感性

根據(jù)巖性組合特征和碳酸鹽巖含量，將黔西縣巖性分為碎屑巖、碎屑巖夾碳酸鹽巖、碳酸鹽巖與碎屑巖互層、碳酸鹽巖夾碎屑巖和純碳酸鹽巖5種組合類型，分別統(tǒng)計(jì)其中的敏感性面積比例(圖4)。

圖4 黔西縣不同巖性土壤侵蝕敏感性Fig.4 Area percentage of each soil erosion sensitivity class by lithology in Qianxi county

碎屑巖絕大部分不敏感；碎屑巖夾碳酸鹽巖絕大部分不敏感—輕度敏感；碳酸鹽巖與碎屑巖互層相較前2類，雖然大部分為輕度敏感，但不敏感比例大幅降低、中度—高度敏感比例大幅升高；碳酸鹽巖夾碎屑巖相較碳酸鹽巖與碎屑巖互層，不敏感—輕度敏感比例大幅降低、中度—高度敏感比例大幅升高；純碳酸鹽巖相較碳酸鹽巖夾碎屑巖，不敏感—中度敏感比例小幅降低，高度敏感比例大幅升高，而極敏感比例上升了1個(gè)數(shù)量級，中度—極敏感比例接近一半。

可見巖性直接影響著黔西縣土壤侵蝕的敏感程度，碳酸鹽巖含量越多，土壤侵蝕越敏感，絕大部分高度—極敏感區(qū)都分布在碳酸鹽巖區(qū)，且是石漠化較為嚴(yán)重的區(qū)域。

5 結(jié)論與討論

1)黔西縣土壤侵蝕除了與降水、地形、土壤、植被有關(guān)外，還受地質(zhì)背景制約，在評價(jià)土壤侵蝕敏感性時(shí)，與地質(zhì)背景緊密相關(guān)的土壤允許流失量和基巖裸露率也應(yīng)作為重要的評價(jià)指標(biāo)。

2)黔西縣土壤侵蝕敏感性以輕度—中度敏感為主，占68.93%，全縣整體土壤侵蝕敏感性較低、局部較高，高度敏感—極敏感主要集中分布于定新、鐵石、沙井、錦星等鄉(xiāng)鎮(zhèn)及永興—協(xié)和—中坪3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交界地帶，定新鄉(xiāng)土壤侵蝕最敏感。

3)地質(zhì)背景對黔西縣土壤侵蝕敏感性有著深遠(yuǎn)的影響。巖性直接影響著土壤侵蝕的敏感程度，碳酸鹽巖含量越多，土壤侵蝕越敏感，這與李陽兵等[4]和凡非得等[6]的研究結(jié)果一致，然而，二者并未考慮構(gòu)造對土壤侵蝕敏感性的影響。筆者認(rèn)為，構(gòu)造雖然不直接影響土壤侵蝕敏感性，但通過控制地貌形態(tài)和巖性分布間接影響著壤侵蝕敏感性。從這種意義上來說，構(gòu)造對喀斯特地區(qū)土壤侵蝕敏感性影響深遠(yuǎn)，在開展喀斯特地區(qū)土壤侵蝕敏感性研究與分析時(shí)，需要考慮區(qū)域構(gòu)造所帶來的影響。

4)鑒于黔西縣土壤侵蝕高度—極敏感區(qū)絕大部分都在碳酸鹽巖區(qū)，受巖性制約，成土條件差，這些地區(qū)的當(dāng)務(wù)之急是開展水土流失綜合治理，保護(hù)殘存的土壤。

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