喀斯特不同侵蝕場地土壤顆粒分布及可蝕性特征

鮑恩俁,熊康寧，劉子琦，李 淵，王 進(jìn)

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

土壤侵蝕是人類社會面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境和社會問題[1]，侵蝕過程影響表層土壤的顆粒分布[2]。土壤顆粒分布作為土壤的基本物理性質(zhì)之一，可反映土壤質(zhì)地的差異性[3]，間接表征在復(fù)雜的土壤環(huán)境中水的運(yùn)動(dòng)方向、導(dǎo)流能力及土壤侵蝕程度等變化過程，從而反映土壤的肥力條件及侵蝕狀況[4]。土壤顆粒的空間分布不僅受土壤母質(zhì)性質(zhì)的影響，還受植被類型、地形、氣候等外在因素的影響[5]。李裕元[6]研究表明，天然降雨侵蝕條件下，坡面土壤顆粒遷移主要以粉粒和黏粒為主，粉粒主要在坡下發(fā)生沉積，而黏粒隨徑流直接流失；張輝等[7]對流域土壤顆粒的研究獲得，流域至上而下土壤顆粒呈現(xiàn)出明顯的粗化現(xiàn)象；嚴(yán)重的水土流失使細(xì)碎顆粒流失[8]。以上研究表明，土壤侵蝕對土壤顆粒的分布影響較大，表現(xiàn)為土壤侵蝕發(fā)生后，外在因素對土壤剝蝕、搬運(yùn)和沉積過程使土壤顆粒再分布[4]。土壤沉積形成新的土壤結(jié)構(gòu)，與受侵蝕后原地土壤的抗侵蝕性能力可用土壤可蝕性K值衡量，土壤可蝕性K值是國內(nèi)外研究和衡量土壤抗侵蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)[9]。土壤可蝕性K值的研究對認(rèn)識土壤侵蝕機(jī)理、定量估算土壤侵蝕量以及進(jìn)行水土流失綜合治理具有重要的意義[10]。

喀斯特地區(qū)是我國水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，由于其復(fù)雜的“二元三維”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該區(qū)域土壤侵蝕過程更加復(fù)雜[11]，在自然因素(地質(zhì)地貌、 降雨)和不合理的人類活動(dòng)的共同作用下，土壤侵蝕導(dǎo)致喀斯特區(qū)土壤退化和石漠化[12-13]。中國西南喀斯特地區(qū)是以貴州省為中心，是世界三大喀斯特集中分布區(qū)中碳酸鹽巖裸露面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的地區(qū)[14]。DAIetal[15]通過模擬降雨對喀斯特坡地土壤侵蝕的影響，得出降雨強(qiáng)度對地表產(chǎn)沙率有較大響應(yīng)。嚴(yán)友進(jìn)等[16]通過人工模擬降雨試驗(yàn)得出，喀斯特坡耕地侵蝕剝離導(dǎo)致表層土壤顆粒分形維數(shù)顯著增大。但是，以往的研究多基于模擬試驗(yàn)研究，雖然模擬試驗(yàn)便于邊界條件的控制，卻不能實(shí)現(xiàn)大尺度和多環(huán)境因素的模擬。而目前關(guān)于喀斯特流域土壤顆粒的遷移特征和土壤可侵蝕性的研究相對較少，鑒于此，本研究以喀斯特區(qū)坡地、洼地和落水洞組成的流域?yàn)檠芯繂卧?，分析不同侵蝕場地土壤顆粒和土壤可侵蝕性特征，揭示西南喀斯特流域土壤侵蝕的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和土壤侵蝕機(jī)理，以期為喀斯特區(qū)水土流失防治、石漠化綜合治理及喀斯特生態(tài)環(huán)境的重建和改善提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省西南部，關(guān)嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江峽谷花江段(105°36′～105°46′E， 25°39′～25°41′N)。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ц蔁岷庸葰夂颍昶骄鶜鉁?8.4 ℃，年平均降水量1 100 mm，降雨主要集中在5—10月份，占全年總降水量的83%。出露地層主要為中、上三疊紀(jì)地層，巖層厚度大；山高、水深、坡陡，海拔在500～1 200 m之間，相對高差約700 m，為典型的喀斯特峽谷地貌；土層瘠薄，分布零星，石多土少。研究區(qū)總面積51.62 km2，喀斯特面積比重為87.92%，選取研究區(qū)的坡地、洼地及落水洞組成的流域?yàn)檠芯繉ο螅寥李愋途鶠槭彝?，坡地和洼地以原生草本和灌木林為主，受人類活?dòng)干擾較小。其中，坡地的海拔1 020～1 128 m，坡度25°，土壤厚度30 cm，草本(約50%)以紫荊澤蘭(Ageratinaadenophora)、艾納香(Blumeabalsamifera)為主，灌木(約40%)以莢蒾(Viburnudilatatum)、白刺花(Sophoradavidii)、火棘(Pyracanthafortuneana)、火焰樹(Spathodeacampanulata)為主；洼地和落水洞的海拔均為1 020 m，坡度均為0°，洼地土壤厚度150 cm，草本(約80%)以紫荊澤蘭(Ageratinaadenophora)為主，少許喬灌，落水洞土壤厚度300 cm，洞口分布少許苔蘚(Mossbryophytes)。

1.2 樣品采集與處理

2018年11月底，在研究流域單元內(nèi)坡地沿坡頂、坡中、坡底設(shè)置3列采樣線，共18行，每行3個(gè)點(diǎn)為平行采樣點(diǎn)，相鄰行、相鄰列之間距離均為10 m，每個(gè)點(diǎn)10 cm為1層，共3層取土。洼地按實(shí)際面積設(shè)置3列3行9個(gè)采樣點(diǎn)，每行3個(gè)點(diǎn)為平行樣，每個(gè)點(diǎn)10 cm為1層，共15層取土。落水洞則結(jié)合其底部土壤沉積情況，設(shè)置3個(gè)平行樣點(diǎn)采樣，取樣深度3 m，每層10 cm，共30層。土壤采樣深度根據(jù)樣地平均土壤厚度取。土樣分為兩部分，測定粒徑部分原狀土樣挑去植物根系、礫石等雜質(zhì)后裝入塑料盒子帶回實(shí)驗(yàn)室待測。坡地、洼地和落水洞土樣分別編號S1～S18、D1～D3、C1。

1.3 樣品測定

根據(jù)國際系統(tǒng)劃分土壤顆粒粒度的方法進(jìn)行土壤質(zhì)地分類：砂粒粒徑為0.020～2.000 mm;粉粒粒徑為0.002～0.020 mm;黏粒粒徑為0～0.002 mm[17]。土壤粒徑采用比重計(jì)法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、制圖與相關(guān)分析。

1.5 土壤分形模型理論

分形的定義可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)自相似系統(tǒng)中數(shù)量與大小的關(guān)系給出。本研究采用楊培嶺等[18]提出的用粒徑質(zhì)量分布表征土壤分形模型計(jì)算土壤粒徑的分形維數(shù)(D)值。計(jì)算公式如下：

(1)

1.6 土壤可蝕性K值的計(jì)算

土壤可蝕性K值的計(jì)算采用WILLIAMSetal[19]在EPIC模型中發(fā)展的估算方法。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ωsa表示土壤中砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；ωsi為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；ωcl為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；ωC為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；其中，ωsn=1-ωsa/100。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒粒徑的空間分布特征

由圖1(a)可知，坡地土壤以砂粒為主，其含量為29.68%～66.91%，表現(xiàn)出砂粒(42.25%)>粉粒(36.33%)>黏粒(21.42%)。從坡頂至坡底(S1為坡頂， S18為坡底)黏粒含量總體由增長到減少再到增長的趨勢，坡中部分黏粒和粉粒含量減少，而砂粒含量明顯增加(P<0.05)，說明坡中部受侵蝕的強(qiáng)度最大。土壤侵蝕主要發(fā)生在坡地，主要原因可能是粉粒和黏粒沿坡面發(fā)生了遷移，而砂粒質(zhì)量較大，大部分留在了原地[20。坡中砂粒含量高于坡頂和坡底，主要是由于坡頂坡度較緩，降雨產(chǎn)生的徑流量小、流速慢，對土壤的侵蝕搬運(yùn)能力較弱，剝蝕量小，而到達(dá)坡中部則坡長加長、坡度變陡，徑流匯流量增大，粉粒和黏粒受沖刷較多，坡底坡度較緩，一部分細(xì)顆粒沉積于坡底，坡底砂粒含量略有上升，是由于部分土壤砂粒隨水流遷移后沉積于坡底。坡頂、坡中與坡底土壤顆粒分布出現(xiàn)差異可能是因?yàn)槿咚幍沫h(huán)境不同，受到的侵蝕強(qiáng)度不同而引起的。

由圖1(b)可以看出，洼地土壤以粉粒為主，土壤顆粒的含量為粉粒(51.80%)>砂粒(32.61%)>黏粒(15.59%)；洼地土壤剖面相同土層之間的砂粒、粉粒、黏粒含量間無明顯差異(P>0.05)，說明洼地土壤都來自受到侵蝕后的坡地土壤經(jīng)運(yùn)移到達(dá)洼地沉積形成的。主要是坡地受降雨形成的地表徑流的沖刷，地表土壤的顆粒被分離，并在地表徑流和重力的共同作用下，細(xì)顆粒隨水流搬運(yùn)到洼地，而侵蝕作用隨水流運(yùn)移的多是粉粒和黏粒，土壤分離速率快慢與坡度大小和徑流量有關(guān)，當(dāng)流水挾沙到達(dá)洼地時(shí)，由于洼地地勢較為平緩，水流速度變緩，挾砂能力降低，部分隨水流運(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒發(fā)生沉積，從而使洼地粉粒明顯增高。

由圖1(c)可以看出，落水洞土壤以粉粒為主，表現(xiàn)為粉粒(51.65%)>砂粒(31.67%)>黏粒(16.68%)，粉粒含量明顯高于砂粒和黏粒(P<0.05)，不同土壤深度相同粒級無明顯差異(P>0.05)。說明落水洞和洼地的土壤均源于坡地受侵蝕的土壤沉積形成，可推理出坡地土壤流失到洼地發(fā)生部分沉積后，水流的漫流仍挾帶泥沙顆粒進(jìn)入落水洞，在落水洞較為平緩的底部形成沉積?？傮w而言，坡地以砂粒為主，洼地和落水洞以粉粒為主；洼地砂粒和黏粒的含量分別比坡地少22.82%和27.22%，而粉粒的含量比坡地多42.58%；落水洞砂粒和黏粒的含量分別比坡地少25.04%和22.13%，而粉粒的含量比坡地多42.17%。洼地和落水洞的黏粒含量均比坡地少，可能是因?yàn)轲ち０殡S徑流直接流失到更深的地下系統(tǒng)[6]，說明土壤細(xì)顆粒容易流失。

圖1 不同場地類型的不同粒徑土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Mass fraction distribution of soil particle size in different site types

2.2 土壤可蝕性K值的分布特征

從表1可以看出，坡地土壤可蝕性K值的最大值是最小值的3.14倍，K值變幅范圍較大；洼地和落水洞區(qū)內(nèi)土壤可蝕性K值變化較為均勻，未受到異質(zhì)性值的影響。變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)可以反映土壤可蝕性K值的離散程度，按照變異等級可劃分為：弱變異性，CV<0.1；中等變異性，CV介于0.1～1之間；強(qiáng)變異性，CV>1[21]。本研究中坡地屬于中等程度的空間變異，而洼地和落水洞屬于弱變異程度。造成坡地土壤可蝕性變異較大的原因可能是坡地植被等生物量較多，生態(tài)系統(tǒng)相對復(fù)雜，土壤質(zhì)地、地形等多種因素的差異性影響。

由表2可知，坡地以可蝕性K值為0.10～0.20的土壤為主要土壤類型，洼地和落水洞土壤均以可蝕性K值在0.25～0.30的土壤為主,說明洼地和落水洞土壤質(zhì)地基本一致。土壤可蝕性K值越大，土壤受到侵蝕的可能性就越高，土壤可蝕性K值越小，土壤抗侵蝕的能力就越強(qiáng)，越不容易被侵蝕[22]。洼地和落水洞相對于坡地,土壤可蝕性K值較大，說明洼地和落水洞土壤容易發(fā)生土壤侵蝕。

表1 不同場地類型的土壤可蝕性K值Table 1 K value of soil erodibility in different site types

表2 不同場地類型的土壤可蝕性K值分級與所占比例Table 2 Classification and proportion of K value of soil erodibility in different site types

2.3 土壤顆粒與分形維數(shù)和土壤可蝕性K值的關(guān)系

2.3.1 土壤顆粒與分形維數(shù)的關(guān)系 土壤顆粒組成多寡可用土壤粒徑的分形維數(shù)進(jìn)行量化表達(dá)，通常土壤小顆粒含量與分形維數(shù)呈正比關(guān)系[23]。由圖2(a)可看出，坡地分形維數(shù)與砂粒含量之間呈負(fù)相關(guān)，與粉粒含量呈正相關(guān)，與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)。由圖2(b)可看出，洼地分形維數(shù)與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒含量呈正相關(guān)，與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)。由圖2(c)可看出，落水洞分形維數(shù)與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒呈正相關(guān)，與黏粒呈極顯著正相關(guān)。通過比較決定系數(shù)(R2)，坡地、洼地和落水洞的黏粒含量分別能解釋分形維數(shù)的信息為94.80%、91.84%、95.92%；砂粒含量能解釋的信息分別為40.15%、33.82%和63.92%；粉粒最少，分別為0.41%、0.34%和8.75%。說明決定坡地、洼地和落水洞土壤顆粒分形維數(shù)大小的先是黏粒，砂粒次之，粉粒最弱。結(jié)果表明，土壤砂粒含量越多，土壤顆粒分形維數(shù)越小，黏粒含量越高，土壤顆粒分形維數(shù)越大。土壤分形維數(shù)大小能反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)的組成，分形維數(shù)越大，土壤顆粒越小，越容易形成質(zhì)地細(xì)小且結(jié)構(gòu)良好的土壤[24]。

2.3.2 土壤顆粒與土壤可蝕性K值的關(guān)系 由圖3可看出，土壤可蝕性K值與土壤砂粒和黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，表明土壤中砂粒和黏粒含量越高，土壤可侵蝕性K值就越小，土壤的抗侵蝕能力就越強(qiáng)，越有助于提高土壤的抗侵蝕能力；而土壤可侵蝕性K值與土壤粉粒含量呈顯著性正相關(guān)，表明粉粒含量越高，土壤可侵蝕性K值就越大，土壤抗侵蝕能力就越弱，土壤受侵蝕風(fēng)險(xiǎn)就越大。

圖2 不同粒徑土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分形維數(shù)的關(guān)系Figure 2 Relationship between mass fraction of soil particle and fractal dimension

圖3 不同粒徑土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤可侵蝕性K值的關(guān)系Figure 3 Relationship between mass fraction of soil particle and K value of soil erodibility

3 討論與結(jié)論

土壤對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力起到至關(guān)重要的作用，例如植物覆蓋率、生物多樣性等，然而這些服務(wù)功能受到土壤侵蝕的威脅，尤其是在氣候變化和人類對土地利用增強(qiáng)的情況下[25]。水土流失造成土壤顆粒的重新分布，因此，土壤粒徑的分布對土壤侵蝕過程具有一定的指示作用。袁應(yīng)飛等[26]模擬喀斯特坡耕地土壤侵蝕研究表明，在降雨一定條件下，坡度越大，土壤侵蝕越大，地表泥沙流量越大。此外，隨著侵蝕力度的逐漸增大，土壤由細(xì)顆粒到粗顆粒都發(fā)生運(yùn)移，且細(xì)顆粒的運(yùn)移距離比粗顆粒遠(yuǎn)，導(dǎo)致被侵蝕部位粗顆粒含量多而細(xì)顆粒含量少，最終沉積地段細(xì)顆粒物質(zhì)增加[27]。這也進(jìn)一步證明了本研究中洼地和落水洞中的土壤主要是坡地侵蝕土壤流失到洼地和落水洞形成沉積而形成。表明土壤侵蝕造成土壤顆粒組成遭到破壞，在地表徑流等的作用下發(fā)生運(yùn)移、搬運(yùn)現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤顆粒在沉積部位重新分布。喀斯特地貌具有地表和地下雙重水文地質(zhì)構(gòu)造，洞穴和地下裂隙高度發(fā)育[28]，因此，喀斯特區(qū)大部分的水和土壤通過落水洞、裂隙等進(jìn)入地下河，形成特殊的土壤侵蝕類型[29]，而這種土壤侵蝕一旦形成，土壤在洞穴內(nèi)發(fā)生沉積，這部分土壤將很難再被利用。本研究中坡地發(fā)生的土壤侵蝕沉積于洼地和落水洞，洼地沉積的土壤可為植物生長提供場所，同時(shí)也可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地等,而落水洞密閉的環(huán)境，土壤一旦進(jìn)入地下空間，就難再被利用。因此，在喀斯特地區(qū)推進(jìn)水土流失治理、石漠化區(qū)綜合防治和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過程中，應(yīng)更加重視對坡地，尤其是坡度較大地區(qū)水土流失的綜合防治。

土壤顆粒分布通常運(yùn)用于研究水力特性、空間異質(zhì)性等相關(guān)的基本屬性，也是研究土壤特性的基礎(chǔ)[30]。土壤分形維數(shù)對土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地具有決定性的指示意義，土壤細(xì)顆粒越多，土壤分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)越好，反之粗粒越多，分形維數(shù)越小，結(jié)構(gòu)越差[31]。本研究中，坡地土壤以粗顆粒物質(zhì)砂粒為主，洼地和落水洞則以細(xì)顆粒物質(zhì)粉粒為主，說明發(fā)生土壤侵蝕易導(dǎo)致遭侵蝕地段土壤顆粒粗化，土壤結(jié)構(gòu)變差，而土壤沉積部分則以細(xì)顆粒為主，使沉積部分土壤易形成質(zhì)地細(xì)小，結(jié)構(gòu)優(yōu)良的土壤。土壤可蝕性K值是衡量土壤對侵蝕的敏感程度和進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)的重要參數(shù)[32],K值越大，土壤抗侵蝕能力就越低，就越容易發(fā)生侵蝕，反之，K值越小，土壤抗侵蝕能力就越高。本研究中土壤可蝕性K值與土壤粉粒含量呈顯著正相關(guān)，而與砂粒和黏粒含量呈負(fù)相關(guān)。表明土壤粉粒含量越高，土壤越容易發(fā)生侵蝕。坡地以砂粒為主，洼地和落水洞以粉粒為主，說明坡地土壤抗侵蝕能力強(qiáng)于洼地和落水洞，當(dāng)降雨在坡地上形成地表徑流流經(jīng)洼地和落水洞時(shí)，流水容易對洼地和落水洞形成二次土壤侵蝕，尤其是落水洞內(nèi)的沉積土壤無植被生長，可能導(dǎo)致其抗侵蝕能力更弱，更容產(chǎn)生二次侵蝕，而洼地地表的植被能對徑流攜帶的泥沙進(jìn)行阻控和截留，同時(shí)土壤中植物根系可以增強(qiáng)原沉積土壤的抗蝕性。

喀斯特洼地作為喀斯特地區(qū)尤其是中國西南喀斯特地區(qū)的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，又是坡地土壤侵蝕的主要沉積場所，因此，在脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境中，洼地土地資源是該地區(qū)及其珍貴的基礎(chǔ)性自然資源。然而，洼地又存在著極大的土壤侵蝕威脅，因此，在喀斯特石漠化治理和生態(tài)系統(tǒng)重建的過程中，應(yīng)加強(qiáng)洼地土地利用管理，提高洼地土壤的抗侵蝕能力。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)落水洞入口區(qū)域生物措施或工程措施建設(shè)，增強(qiáng)泥沙截留作用，提高水土流失的綜合整治效益。

本研究表明，坡地土壤顆粒以砂粒為主，洼地和落水洞以粉粒為主，坡地是土壤發(fā)生侵蝕的主要場所，洼地和落水洞是土壤沉積的主要場所。洼地和落水洞土壤可蝕性K值相對于坡地大，土壤可侵蝕敏感性相對于坡地強(qiáng)。土壤可蝕性K值與砂粒和黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒含量呈顯著正相關(guān)，可以通過降低粉粒含量提高土壤抗侵蝕能力。土壤分形維數(shù)與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒含量呈正相關(guān)，與黏粒含量呈顯著正相關(guān)。洼地和落水洞土壤結(jié)構(gòu)相對較好，然而容易受到土壤侵蝕的威脅，應(yīng)注重洼地土地利用管理，提高土壤抗侵蝕能力，盡可能減少水土肥力流失，保證土壤肥力的完整性。