坡面過程意義下的武漢市典型坡面土層厚度研究

韓 旭,揭 毅，徐修遠(yuǎn)，唐培梅，王立雪

(華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

坡面過程是地表過程的組成部分，包括坡面成土過程和坡面搬運過程.作為當(dāng)前的熱點問題，其研究意義體現(xiàn)在理解地貌演化[1]、開展水土保持[2]、保障邊坡穩(wěn)定[3]等多個方面.而土壤作為地表各圈層的交互產(chǎn)物，同成土以及搬運過程均密切相關(guān)，起到了關(guān)鍵的紐帶作用.尤其是土層厚度的大小更是受到二者的直接影響，是對坡面過程的良好反映.此外，土層厚度還在土壤肥力[4]、抗蝕年限[5]、水文模型[6]、有機碳儲量[7]等多個方面扮演重要角色.

在影響坡面過程的要素中，氣候、植被、土地利用等受到學(xué)者們的普遍關(guān)注，而對土壤下伏的坡面系統(tǒng)則少有研究.坡面系統(tǒng)由坡面形態(tài)要素(如坡度、坡長、坡形等)和地質(zhì)條件要素(如母質(zhì)巖性、巖層產(chǎn)狀等)組成，前者是搬運過程的關(guān)鍵因素，而后者則是影響成土過程的直接因素.忽視坡面系統(tǒng)的作用，不利于解釋土層厚度在坡面上的空間分布，也不利于完整掌握坡面過程的影響條件.

基于此，本研究選取了武漢地區(qū)的8條典型坡面，通過實地考察和遙感影像獲取坡面土層厚度數(shù)據(jù)及坡面系統(tǒng)數(shù)據(jù)，總結(jié)土層厚度的空間分布特征，分析坡面系統(tǒng)對坡面過程的影響機制，以求深入理解土層厚度在坡面過程中的意義.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江中游的武漢市，113°41′～115°05′E，29°58′～31°22′N，地處亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，春夏多雨、秋冬少雨，河網(wǎng)密布、湖泊眾多，水資源豐富.

研究區(qū)處于江漢平原東緣，地貌上除北部黃陂區(qū)北緣為丘陵，主體以平原為主，間夾剝蝕殘丘，殘丘山地海拔多在200 m以下，主要集中分布于市域長江以南地區(qū)(圖1)，多呈近東西向斷續(xù)展布，山地基巖走向與山地走向基本一致，主要為志留系粉砂巖及泥盆系石英砂巖地層，山地坡度10°左右.

圖1 研究區(qū)及研究山地Fig.1 Research area and mountains

本研究選取的珞珈山、喻家山、磨山、青龍山4座山地南北兩坡共8條典型坡面為重點研究對象(圖2)，具備區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)地貌特點，具有典型性和代表性.此外，研究還對八分山、南望山等武漢市內(nèi)其他山地開展過預(yù)考察和驗證考察.珞珈山、喻家山、青龍山為區(qū)內(nèi)近東西向展布的的典型豬背嶺(圖3(a)、3(b)、3(d))，磨山為區(qū)內(nèi)罕見的近東西向延伸的向斜山(圖3(c))，山地出露地層為志留系粉砂巖及泥盆系石英砂巖，除磨山存在較大面積建筑用地外，主要土地利用方式均為林地，坡地植被覆蓋類型較為統(tǒng)一，以灌木、常綠喬木為主.

1.2 線路與采樣點布設(shè)

1.2.1 線路 線路布設(shè)在考慮到研究區(qū)各山地走向與巖層走向均大致為E-W的前提下，本研究在所選4座山地分別布設(shè)S-N向穿越路線，輔以部分E-W向追索線路.線路布設(shè)依據(jù)以下原則：1) 人為擾動小，土層厚度盡可能反映真實的坡面過程；2) 具有代表性，能體現(xiàn)所在山地總體特征；3) 便于觀察基巖；4) 便于研究人員安全無害通過.據(jù)此，所布設(shè)線路均盡可能垂直于巖層走向，自南坡坡底起，完整貫穿南北兩坡而至北坡坡底止，選取開發(fā)程度較低處，盡量通過山地最高點.因線路1磨山北坡人為擾動大，土層厚度分布規(guī)律與區(qū)域坡面一般規(guī)律存在顯著異質(zhì)性，為了確認(rèn)磨山北坡厚度分布特征，故向東平移在南坡又布設(shè)第2條補充線路.研究共布設(shè)有效線路5條，步行總里程21.35 km，如圖2所示.

圖2 考察線路布設(shè)圖Fig.2 Layout of investigation routes

1.2.2 采樣點 采樣點布設(shè)在所布設(shè)線路南北兩坡的坡底、坡中、坡頂分別布設(shè)采樣點，主要通過野外土壤剖面開挖的方法獲取土層厚度及母質(zhì)巖性等信息.采樣點布設(shè)應(yīng)具備以下條件：1) 通行條件良好，易于到達并開展測量；2) 人為擾動少，避免建設(shè)翻土、種植等對土層的人為破壞；3) 具有代表性，能夠反映所在山地總體特征.為減小誤差，在坡頂位置及其他部分點位重復(fù)布點測定，共布設(shè)采樣點36個.

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 土層厚度數(shù)據(jù) 土層厚度指豎直垂直于地表向下直至母質(zhì)層頂?shù)暮穸?，對于部分母質(zhì)層極薄的樣點則直接計算為地表至基巖的厚度.野外測量時，首先在采樣點開挖1個與水平面垂直，底端至母質(zhì)層或基巖的土壤剖面，并用鋼卷尺測量其總厚度，觀測完成后回填剖面.

1.3.2 地質(zhì)條件數(shù)據(jù) 研究涉及的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)主要包括母質(zhì)巖性、地層年代、巖層產(chǎn)狀.數(shù)據(jù)采集在野外實地考察中完成，巖性利用零星出露的天然露頭，配合公路開挖壁等人工露頭、崩塌碎石及土壤剖面開挖的基巖等獲取，產(chǎn)狀通過羅盤測定.

1.3.3 坡面形態(tài)數(shù)據(jù) 坡面形態(tài)數(shù)據(jù)包括坡向、坡度、坡長、坡形等坡地基本要素.坡面形態(tài)數(shù)據(jù)是通過以Google Earth獲取，并配合野外實測驗證.具體方法為，在Google Earth軟件平臺中制作垂直于山地走向的剖面，生成包含水平距離和海拔的剖面圖，計算坡度、坡長，目視判讀獲取坡向和坡形數(shù)據(jù).各觀測點坐標(biāo)利用移動端實地測量.以喻家山為代表利用導(dǎo)線、羅盤、卷尺等進行了野外實測作為驗證，結(jié)果顯示以上方法可靠.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)坡面整體特征

如表1所示，研究區(qū)4座山地共8條坡面坡度均在10°左右，極大值與極小值均出現(xiàn)在磨山，分別為北坡的16°35′46″與南坡的8°7′48″，4座山地北坡坡度均大于南坡.坡長范圍為107～381 m，其中在200～300 m范圍內(nèi)的有5條.坡高數(shù)值分布從25～76 m不等.8條坡面中除喻家山南坡為凸凹復(fù)合形坡、喻家山北坡為凹形坡外，其余6條均為凸形坡.珞珈山、喻家山、青龍山均為巖層北傾的豬背嶺，而磨山為軸面南傾的向斜山，其中南坡傾角37°而北坡傾角27°.

表1 坡面形態(tài)及巖層產(chǎn)狀Tab.1 Slope forms and attitude of strata

如表2所示，研究共開挖土層剖面36個，其中坡底10個，坡中10個，坡頂16個.總體來看，36個采樣點中有35個土層厚度在0.7 m以下，且基本呈現(xiàn)從坡底到坡頂厚度遞減的趨勢.所有樣點厚度的分級統(tǒng)計結(jié)果顯示，在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm范圍內(nèi)的剖面數(shù)分別為3、11、5、6、6、3、1.其中坡底11個樣點中僅有4個在0.4 m以下，坡中9個剖面中僅有1個不在0.3～0.5 m范圍內(nèi)，而坡頂?shù)?6個剖面中僅有2個厚度大于0.2 m.

表2 各采樣點土層厚度Tab.2 Soil layer thicknesses of sampling points

2.2 珞珈山

如圖3(a)所示，珞珈山土層下伏基巖為泥盆系地層，巖性為石英砂巖，較為堅硬、不易風(fēng)化.通過實地測量發(fā)現(xiàn)，南北兩坡基巖產(chǎn)狀大體一致，走向為90°～270°，東西向，傾向為0°，傾角為54°，位于褶皺翼部.根據(jù)表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，珞珈山南坡坡度約為11°31′50″，坡長為250.05 m，坡高50 m；北坡坡度約為13°23′33″，坡長為107.94 m，坡高25 m，兩坡均為凸形坡.考察中發(fā)現(xiàn)珞珈山植被以喬木為主，除林地外還存在綠道、住宅等人類利用地.

珞珈山采樣點及土層厚度分布如表2所示，南坡坡底土層厚度達0.46 m，且母質(zhì)層較厚，開挖至1.6 m處仍未見完整基巖；坡中選取環(huán)山公路開挖壁進行測量，土層厚度為0.45 m，同坡底相近；坡頂處為避免人為擾動，向西平移50 m左右共開挖3個剖面，厚度分別為0.13 m、0.12 m、0.19 m，平均值為0.15 m，遠(yuǎn)低于坡中與坡底，這同野外觀察到的山頂處基巖大量裸露的現(xiàn)象相符，坡頂土層淺薄.北坡在坡中與坡底分別開挖2個剖面，其中坡中兩剖面厚度差異較大，分別為0.40 m與0.27 m；坡底兩剖面厚度為1.11 m與0.45 m，前者更加靠近坡底，土層厚度極大且分層明顯，腐殖質(zhì)層達0.60 m且淋溶層達0.74 m.

可以明顯看出，珞珈山南北兩坡均呈現(xiàn)出土層厚度從坡底到坡頂遞減的規(guī)律.在坡面成土因素差異不大的前提下，造成該現(xiàn)象的原因為坡面搬運過程.其中，北坡坡中的0.27 m與坡底的1.11 m與該規(guī)律不甚相符，應(yīng)與凸形坡微地形的影響相關(guān).對比南北兩坡可以發(fā)現(xiàn)，同一海拔高度上北坡土層厚度明顯大于南坡.因南坡為逆層坡、北坡為順層坡，北坡巖石更易發(fā)生崩解、滑坡等，因而在同等外力作用下更易風(fēng)化，故北坡成土過程更強，土層更加深厚.同時南北兩坡坡底的土層厚度近似，北坡陡短而南坡緩長，在坡上部北坡土層厚度大于南坡的基礎(chǔ)上，兩坡坡腳土層厚度相近應(yīng)為搬運距離抵消了坡上部土層厚度差異對搬運強度的影響.

2.3 喻家山

如圖3(b)所示，喻家山土層之下基巖表現(xiàn)為，南坡靠近坡腳為志留系頁巖，之上及北坡為泥盆系石英砂巖，其中頁巖較為軟弱、更易風(fēng)化，且風(fēng)化產(chǎn)物質(zhì)地較細(xì)、成土較為黏重，相比之下不易搬運.巖層產(chǎn)狀為0°∠36°，走向、傾向同珞珈山一致.由表1，喻家山南坡坡度約為11°20′21″，坡長為381.45 m，坡高75 m，為復(fù)合形坡；北坡坡度大約為13°51′39″，坡長約為237.93 m，坡高57 m，為凹形坡.

各采樣點土層厚度分別為南坡坡底0.63 m，南坡坡中0.41 m、0.56 m，坡頂0.18 m、0.16 m，北坡坡底0.19 m.南坡大致呈現(xiàn)前文所提及的土層厚度分布規(guī)律，即坡頂薄、坡底厚.南坡坡腳土層厚度比北坡坡腳土層厚度大，且北坡坡底土層厚度與坡頂土層厚度相差不大，其原因可能為巖性差異所致，南坡下部母質(zhì)的志留系泥質(zhì)頁巖巖性軟弱，風(fēng)化更強、成土作用更強，而泥盆系石英砂巖巖性堅硬，不易風(fēng)化.

圖3 各坡面剖面圖Fig.3 Profiles of slopes

考察過程中發(fā)現(xiàn)一現(xiàn)象，即在坡頂沿山脊線向西平移，伴隨山脊海拔降低，但土層厚度變化不大.而當(dāng)重新向北、向坡底前進時，坡底與坡頂土層厚度趨于一致.其原因應(yīng)在于，土壤在坡面上的搬運過程主要發(fā)生在坡面的縱剖面上，即以流域分水嶺上一點為起點，沿最大坡降比方向直至最深谷底線的剖面[8]，而在分水嶺線上搬運過程很弱.這就導(dǎo)致了在分水嶺線上土層厚度分布較為均一；而沿山脊線向下平移的過程中，由于山頂起點海拔相比平移前降低，坡面縱剖面長度越來越短，土壤的坡面搬運距離越來越短，土壤的搬運累積量越來越少，因此坡底與坡頂?shù)耐寥篮穸确植几鼮榫?，差異更?

2.4 磨山

如圖3(c)所示，磨山為向斜構(gòu)造，核部為泥盆系石英砂巖，兩翼為志留系泥質(zhì)頁巖，南北兩翼傾角分別為37°、27°，傾向分別為北和南，走向為東西向，向斜軸面略微南傾.磨山整體高度較小，坡頂海拔89 m，南北兩坡坡底海拔分別為54 m、13 m.南坡坡度大約為8°7′48″，坡長為247.5 m，坡高35 m，為凸形坡；北坡坡度約為16°35′46″，坡長約為266.1 m，坡高76 m，為凸形坡.磨山作為武漢市知名景點，受到了強烈的人為活動干擾，包括植被種植、道路與建筑建設(shè)等.

磨山南坡共開挖4個剖面，測得土層厚度分別為坡底0.53 m、坡中0.33 m、坡頂0.26 m和0.30 m.磨山北坡進行過2次野外實測，第一次測得土層厚度分別為坡底0.08 m、坡中0.33 m，顯示坡中厚度大于坡底，與本區(qū)土層厚度分布特征不符，為了進一步驗證磨山北坡土層厚度分布特征，在第一次考察線路以東補充第2條北坡考察線路，通過開挖剖面，測得坡底土層厚度分別為坡底0.33 m、坡中0.37 m和坡頂0.23 m，坡底厚度仍小于坡中，依然表現(xiàn)出變異性，考慮到作為景區(qū)人為擾動大，應(yīng)為人工剝離所致.

同珞珈山與喻家山相比，磨山南坡坡底成土母質(zhì)軟弱導(dǎo)致其厚度大于珞珈山南坡坡底，但卻小于同為頁巖發(fā)育而來的喻家山南坡坡底；并且坡頂厚度與前兩座山地相比較，母質(zhì)均為石英砂巖的情況下，磨山山頂?shù)耐翆痈由詈?可見磨山南坡上下土層厚度差異相對較小，可能是坡度較緩、坡長較短以及向斜構(gòu)造所導(dǎo)致，磨山南坡坡度僅8°7′48″，坡長也不足250 m，但因該區(qū)域內(nèi)僅此一例向斜山，故向斜構(gòu)造對其土層厚度空間分布的影響機制還有待探究.

2.5 青龍山

如圖3(d)所示，青龍山土層下伏基巖均為泥盆系的石英砂巖，類似珞珈山.野外實測結(jié)果顯示，巖層傾角為65°.青龍山南坡坡度大約為9°48′8″，坡長為193.83 m，坡高33 m，為凸形坡；北坡坡度大約為10°31′13″，坡長為213.59 m，坡高39 m，為凸形坡.青龍山位于江夏區(qū)，現(xiàn)已建設(shè)成為國家森林公園，植被覆蓋度明顯高于武漢城市建成區(qū)內(nèi)的其他山地，主要體現(xiàn)為灌木密度高；同時道路、房屋等占用面積也相對較少，人為干擾弱.

按照考察采樣順序，由南向北各采樣點土壤剖面的土層厚度依次為南坡坡底0.59 m、南坡坡中0.33 m、坡頂0.14 m和0.08 m、北坡坡中0.40 m、北坡坡底0.34 m.

珞珈山與青龍山地質(zhì)條件相近，兩山南坡坡底土壤均為石英砂巖發(fā)育而來，青龍山南坡坡度更緩、坡長更短，但土層厚度更厚.其原因是青龍山南側(cè)存在另一低山，南坡坡底位于兩山鞍部，應(yīng)為該處接受坡底南北兩坡搬運堆積，土層搬運過程增強所致.

3 結(jié)論

本文以武漢市珞珈山、喻家山、磨山、青龍山4座典型山地的8條典型坡面為對象，結(jié)合地質(zhì)條件數(shù)據(jù)和坡面形態(tài)數(shù)據(jù)，從坡面過程的視角對土層厚度在坡面上的空間分布規(guī)律進行了分析，得出以下結(jié)論.

1) 無論是整體來看，還是從各坡面單獨來看，坡底土層厚度普遍大于坡頂，研究區(qū)內(nèi)坡面總體呈現(xiàn)土層厚度由坡底到坡頂遞減的分布規(guī)律，這種規(guī)律主要受搬運過程影響.但微地形、人為活動干擾等會導(dǎo)致異常情況發(fā)生，如珞珈山北坡坡中、磨山北坡坡底.

2) 母質(zhì)巖性是坡面成土過程所形成土層厚度的主要影響因素.巖性愈軟弱，則成土過程愈強烈，因而土層厚度較大.此外，坡體結(jié)構(gòu)對成土過程也存在一定影響，順層坡風(fēng)化程度和土層發(fā)育程度大于逆層坡，如珞珈山北坡大于南坡.

3) 坡度和坡長是坡面搬運過程的主要影響因素，而出現(xiàn)變異的主要原因有植被覆蓋情況、人類擾動以及周邊微地貌.坡度代表搬運速率，坡長代表搬運距離.坡度大、坡長長的坡面搬運過程更加強烈，土層厚度在坡面上分布的異質(zhì)性也更強.比如珞珈山南北兩坡相比，南坡坡度坡度小卻坡長長，兩坡土層厚度分布均勻程度近似；而同磨山南坡相比，磨山南坡坡度小且坡長短，土層厚度分布更加均一.此外，植被覆蓋情況、人類擾動以及坡底周邊微地貌等是造成土層厚度分布特征變異的主要原因.如植被覆蓋良好的青龍山各剖面腐殖質(zhì)層較厚，磨山人類利用程度高而土層厚度分布異常，青龍山南坡坡底接受周圍山地堆積而土層較厚等.