福建長汀縣水土流失的地質(zhì)影響因素及防治對策

陳國光，劉紅櫻，陳進全，張曉東，湛 龍

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016；2.福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建 福州 350013)

世界各國高度重視水土流失及其防治的研究。1877年，德國土壤學家Ewald Wollny[1]就開始定量研究土壤侵蝕，隨后其他學者相繼開發(fā)了以通用水土流失方程式為代表的基本經(jīng)驗、統(tǒng)計回歸模型[2-4]和以水土流失預報為代表的過程研究模型[5-7]。1884年奧地利制定了世界第一部《荒溪治理法》，1891年日本提出《緊急施行水源涵養(yǎng)法的建議》，俄羅斯學者通過大量定位試驗，提出了防治水土流失的生物和工程相結(jié)合的綜合措施，出版了幾十部專著。美國形成了最有特色的水土保持耕作法和小流域治理。如今水土流失研究重點為水文過程與侵蝕機理、土壤侵蝕過程及其定量模擬、全球氣候變化下土壤侵蝕演變及其災變機理、社會經(jīng)濟系統(tǒng)-水土流失的互饋過程、以生態(tài)功能提升為主的土壤侵蝕防治技術、土壤侵蝕可視化與表達精細化技術等[8-9]。

我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，經(jīng)過半個多世紀的努力，中國水土保持逐步發(fā)展為獨立學科，初步建立了具有中國特色的水土保持科學技術體系，在土壤侵蝕定位觀測、動態(tài)研究與預測預報方面取得重要進展，形成了一支多層次水土保持科技隊伍，建設了一批綜合治理示范基地，基本構建了國家、流域、省、地、縣五級水土保持科研網(wǎng)絡[10-13]。通過長期水土流失治理實踐、試驗研究，提出了土壤侵蝕分類系統(tǒng)，建立了以土壤侵蝕學、流域生態(tài)與管理科學、區(qū)域水土保持科學為基礎的中國水土保持理論體系[10-13]。在大量徑流小區(qū)、坡面、小流域等水土保持監(jiān)測與試驗基礎上，建立了不同區(qū)域土壤侵蝕的影響因子與侵蝕量的關系，初步提出坡面侵蝕預報模型[14]；總結(jié)了比較完整的適應不同地區(qū)、不同地理環(huán)境、不同土壤侵蝕類型的水土流失防治方法、模式和技術措施，逐步形成了小流域水土流失綜合治理理論與技術體系，并且取得了顯著的效果[10-13]。但在坡面侵蝕預報模型中，側(cè)重地形地貌和氣候要素，對地質(zhì)背景要素涉及很少；在水土流失防治方法中，對土壤-風化殼的分布規(guī)律研究較少，導致部分修復效果不理想。

福建長汀是中國南方亞熱帶紅壤丘陵土壤侵蝕典型區(qū)，由于地理環(huán)境、氣候和人類活動的共同影響，歷史上區(qū)域內(nèi)水土流失、山體滑坡等自然災害較為嚴重[15]。2000年以來，水土流失的局面逐步扭轉(zhuǎn)[16]，形成了生態(tài)林草復合治理模式、地表草被合理覆蓋模式、生態(tài)果園復合循環(huán)模式、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)治理模式、典型流域綜合治理模式等[17]，成為我國南方水土流失治理的典范[18]。但長汀縣水土流失治理仍面臨著困難與挑戰(zhàn)[19]，主要表現(xiàn)在：水土流失區(qū)塊分散降低治理效率，林分結(jié)構單一導致生態(tài)功能低下，土壤質(zhì)量低下影響植被后續(xù)恢復，水土流失區(qū)鄉(xiāng)村經(jīng)濟發(fā)展相對滯后等，需要進一步研究不同尺度下的水土流失成因規(guī)律，優(yōu)化水土流失治理對策。鑒于山地丘陵區(qū)土壤與母質(zhì)以及基巖有較強的繼承性[20]，水土流失不僅涉及土壤，在很大程度上涉及到風化及半風化層，從而造成水土流失規(guī)律的復雜性。本文試圖從基巖-風化層-土壤-植被間分布規(guī)律研究與探討著手，總結(jié)建立晚侏羅統(tǒng)花崗巖、早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖、白堊系紅層水土流失成因模式，優(yōu)化完善水土流失防治對策。

1 研究區(qū)自然地理與地質(zhì)概況

長汀縣位于福建省西部，屬亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，氣候溫熱濕潤，雨量充沛；氣溫7.8～27.2 ℃；年降水量1 171～2 128 mm。1995—2018年的年平均降水量為1 700 mm。區(qū)內(nèi)河流密布，汀江水系貫穿南北，經(jīng)上杭、永定匯入廣東省韓江；東部童坊河、陳蓮河屬閩江水系；西部古城河匯入江西省贛江，屬于贛江水系。長汀縣屬武夷山脈南段，西部以低山為主，東部、北部以中山、低山為主，中部、南部以丘陵、河谷盆地為主。

境內(nèi)千米山峰19座，最高峰白砂嶺高程1 459 m，最低處汀江河口高程為238 m，最大高差1 221 m，地形切割較強烈。區(qū)內(nèi)地貌類型較復雜，中山、低山、丘陵、盆地相互交錯，其中中低山、丘陵和盆地面積分別為2 199.4 km2、695.7 km2和204.4 km2，分別占全縣面積的71.0%、22.4%和6.6%。長汀縣主要用地類型為林地(面積2 591.72 km2，占縣域83.50%)、耕地(272.89 km2，占8.79%)、建設用地(126.97 km2，4.09%)、草地(47.14 km2，占1.52%)、園地(27.45 km2，占0.88%)、河流(20.70 km2，占0.67%)、其他水域(10.53 km2，占0.34%)、未利用地(5.52 km2，占0.18%)和其他用地(0.82 km2，占0.03%)。

長汀縣域內(nèi)主要出露的侵入巖包括白堊系花崗巖、晚侏羅統(tǒng)花崗巖(河田巖體)、三疊系花崗巖、二疊系花崗巖、志留系花崗巖、南華系片麻狀花崗巖及后期巖脈；上白堊統(tǒng)紅層碎屑巖(沙縣組)。碎屑巖建造包括上白堊統(tǒng)紅層碎屑巖(沙縣組)、中侏羅統(tǒng)漳平組、下侏羅統(tǒng)梨山組，下二疊統(tǒng)童子巖組、文筆山組、棲霞組，中石炭統(tǒng)船山組、下石炭統(tǒng)林地組，上泥盆統(tǒng)桃子坑組、天瓦崠組。變質(zhì)碎屑巖建造包括上奧陶統(tǒng)羅峰溪組、下奧陶統(tǒng)魏坊組，上寒武統(tǒng)東坑口組、下寒武統(tǒng)林田組、中震旦統(tǒng)黃連組、南巖組，下震旦統(tǒng)樓子壩組、西溪組、樓前組，元古界桃溪巖組。第四系中新統(tǒng)佛曇組的基性火山巖組合和全新統(tǒng)松散堆積物(圖1)。區(qū)內(nèi)構造主要發(fā)育華夏系NE向壓性、壓扭性斷裂，新華夏系NNE向的壓扭性斷裂、擠壓帶。

圖1 長汀縣水土流失地質(zhì)背景圖Fig.1 Geological background map of soil erosion in Changting County

2 地質(zhì)條件對水土流失的影響

影響水土流失的自然因素主要有氣候、地形、地表物質(zhì)成分和植被四個方面，地質(zhì)條件控制著地表物質(zhì)成分和地形地貌，進而對水土流失產(chǎn)生影響。福建省地表出露的火山巖、侵入巖、沉積巖和變質(zhì)巖在長期暖濕氣候作用下，都發(fā)育了深厚的紅色風化層，一般厚3～5 m，花崗巖類的紅色風化層厚度可達40～50 m，且質(zhì)地疏松，結(jié)持力差，抗蝕能力低，很容易引起嚴重的水土流失[21-24]。

2.1 巖性對水土流失的控制

將水土流失與主要巖性疊加分析與統(tǒng)計(圖1、表1)，發(fā)現(xiàn)水土流失率超過長汀整體水土流失率7.42%的巖性主要有晚侏羅統(tǒng)花崗巖、早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖和白堊系紅層，其水土流失率分別為15.56%、9.08%和8.58%，流失面積分別為43.27 km2、106.93 km2和8.00 km2，三種巖性合計水土流失面積158.20 km2，占長汀水土流失面積的68.7%。

晚侏羅統(tǒng)花崗巖的主要巖性以似斑狀中粗粒、細粒黑云母花崗巖為主，具有風化層厚度、石英含量高、黏土質(zhì)含量低、有機質(zhì)含量低的特性，是最容易發(fā)生水土流失的地質(zhì)體。

表1 長汀縣主要地質(zhì)單元水土流失率統(tǒng)計表

早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖主要是侏羅系漳平組和梨山組，巖性主要是紫紅色砂巖、粉砂巖、粉砂巖夾含礫雜砂巖、泥頁巖等，具有成巖時間相對較短、礦物成分變化大、抗風化能力差、風化層變化大、黏土質(zhì)易淋失的特征，極易造成水土流失。

白堊系紅層主要巖性為紫紅色泥巖、粉砂巖、砂礫巖等，其成巖作用差，有的呈半膠結(jié)狀，結(jié)構松散，透水性強，抗侵蝕抗剪能力差，在地表徑流作用下，極易發(fā)生水土流失。

2.2 地形坡度和部位對水土流失影響

地形坡度是決定徑流沖刷能力的基本因素，在其他條件相似的情況下，水土流失隨地形坡度增加而加劇[25-26]。

河田—濯田花崗巖區(qū)的水土流失主要發(fā)生在海拔280～380 m之間。區(qū)內(nèi)坡度小于5°的平坡，土壤層發(fā)育較好，厚度也稍大，植被發(fā)育，一般只受輕度面蝕作用。坡度5°～8°的緩坡，一般發(fā)育有薄的土壤層，植被較發(fā)育，水土流失表現(xiàn)為中度的面蝕，溝蝕不甚發(fā)育。8°～15°的斜坡，也是本區(qū)分布最廣的坡度，面蝕多已發(fā)展至母質(zhì)層，淺溝侵蝕劇烈。15°～35°陡坡和急坡一般均為強度侵蝕，也是崩崗發(fā)育的體現(xiàn)，崩崗規(guī)模最大者長有175 m，寬達68 m。35°以上的險坡，不利于地表降水向下遷移，主要以沿地表徑面遷移為主，多為裸巖，不利于發(fā)育沖蝕溝和崩崗。

2.3 地質(zhì)構造對水土流失影響

地質(zhì)構造因素主要包括褶皺、斷裂等。褶皺、斷裂發(fā)育地區(qū)，裂隙、節(jié)理、劈理和片理縱橫切割，巖石破碎，其透水性增加、風化作用相對增強，巖石抗蝕性能降低，進而造成水土流失易發(fā)生[27-30]。區(qū)內(nèi)河田巖體斷裂構造發(fā)育，分別有NE向、NNE向、NW向三組斷裂構造發(fā)育。斷裂構造的發(fā)育，在不同的部位表現(xiàn)為巖體的節(jié)理發(fā)育程度。同為河田巖體，由于節(jié)理發(fā)育程度不同，水土流失區(qū)強度表現(xiàn)不同。

瑤下村極強烈水土流失區(qū)，節(jié)理密集，在4 m2地表平面范圍內(nèi)分布不同方向的節(jié)理數(shù)據(jù)達30～40條之多；節(jié)理方向有NW向、NNE向、NE向等，NW向節(jié)理最為發(fā)育，NNE向次之；節(jié)理以剪節(jié)理為主(圖2)。

中坑元輕度水土流失區(qū)，節(jié)理稀疏，在約4 m2路邊巖石陡壁范圍發(fā)育約10條；節(jié)理方向主要為NW向，NE向次之；節(jié)理全部為剪節(jié)理(圖3)。

圖2 瑤下村水土流失區(qū)節(jié)理玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of joint in the soil erosion region of Yaoxia Village

圖3 中坑元輕度水土流失區(qū)節(jié)理玫瑰圖Fig.3 Rose diagram of joint in the Non-soil erosion region of Zhongkengyuan Village

3 水土流失成因模式

通過對不同巖性地質(zhì)體水土流失發(fā)育強度、風化殼-土壤分布等的對比研究，發(fā)現(xiàn)長汀縣不同巖性地質(zhì)體水土流失發(fā)育階段、侵蝕速度、侵蝕強度、風化殼-土壤分布規(guī)律具有較大的差異。本次重點對晚侏羅統(tǒng)花崗巖、早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖、白堊系紅層水土流失成因規(guī)律進行分析，提出其水土流失成因模式。

3.1 中(粗)?；◢弾r分布區(qū)水土流失成因模式

中(粗)?；◢弾r風化殼發(fā)育，相對其它巖體最厚，風化層松散、透水性強、抗蝕力弱等特點，同等條件下是侵蝕最為迅速劇烈的地質(zhì)體。中(粗)粒花崗巖侵蝕迅速，侵蝕劇烈；其面蝕荒漠化、細溝侵蝕、階梯溝狀侵蝕、深溝侵蝕和崩崗五個階段都有發(fā)育，局部地區(qū)每平方千米崩崗數(shù)量達16條，且侵蝕深大。山頂和上坡部地形相對較緩，局部殘坡積層之上有腐殖質(zhì)層分布，以面蝕荒漠化和細溝侵蝕為主；中坡相對較陡，分布全風化花崗巖，以階梯溝狀侵蝕和深溝侵蝕為主；下坡殘坡積層相對發(fā)育，但崩崗強烈；坡腳土壤層相對發(fā)育，有腐殖質(zhì)層(淋溶層)、淀積層土壤分布，有利于植物生長(圖4)。

圖4 中(粗)?；◢弾r分布區(qū)水土流失及崩崗成因模式圖Fig.4 Genetic model of soil erosion and collapse hill in Medium (coarse) grain granite distribution area

3.2 中細?；◢弾r分布區(qū)水土流失成因模式

中細粒花崗巖風化殼特征與中(粗)?；◢弾r相似，具風化層較厚，松散、透水性強、抗蝕力弱等特點。其侵蝕速度相對較快，侵蝕較為劇烈；同樣可發(fā)育面蝕荒漠化、細溝侵蝕、階梯溝狀侵蝕、深溝侵蝕和崩崗五個階段都有發(fā)育，局部地區(qū)每平方千米崩崗數(shù)量達到8條，崩崗侵蝕最深僅達強風化基巖。其山頂和上坡部地形相對較緩，土壤腐殖質(zhì)層與殘積層相間分布，面蝕和細溝侵蝕；中坡較短，分布全風化層，階梯溝狀侵蝕；下坡腐殖質(zhì)層、淀積層、殘積層都有分布，緩坡處腐殖質(zhì)層發(fā)育，深溝侵蝕和崩崗發(fā)育；坡腳土壤發(fā)育、結(jié)構較完整，有利于植物生長(圖5)。

3.3 細?；◢弾r分布區(qū)水土流失成因模式

細粒花崗巖由于抗風化能力強，殘積層不發(fā)育，侵蝕速度相對較慢、侵蝕強度中等。水土流失主要為面蝕和細溝侵蝕為主。其山頂和上坡部相對地形較陡，主要為強風化層分布，面蝕和細溝侵蝕為主；中坡分布中等風化層，以面蝕為主；下坡以全風化層和殘積層分布為主(圖5)。

3.4 早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖水土流失成因模式

早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖相對花崗巖體抗風化能力較強，風化程度相對較低，水土流失以輕度-中等為主，以徑面侵蝕為主。殘積層分布與地形地貌和巖性差異密切相關。碎屑巖侵蝕主要發(fā)育在山脊部位，侵蝕速度相對較慢、侵蝕強度相對較弱。其山脊為裸露強風化基巖或薄的殘積層，殘積層以長英質(zhì)砂礫為主，黏土質(zhì)不發(fā)育，植被覆蓋率極低或植被被破壞；山坡發(fā)育較厚土壤層，植被發(fā)育(圖6)。

圖5 不同粒度花崗巖巖性水土流失成因模式圖Fig.5 Genetic model of soil erosion of different grain granite

圖6 漳平組中段山脊水土流失成因模式圖Fig.6 Genetic model of soil erosion in the ridge of the mid-section of Zhangping Formation

3.5 白堊系紅層水土流失成因模式

白堊系紅層抗風化能力與巖性及其組合密切相關，由于其形成于氧化條件下的沉積環(huán)境且固結(jié)不完全，總體上具有抗化學風化能力強，抗物理風化能力弱的特點；白堊系紅層殘積層分布與地形地貌和巖性差異密切相關。在泥巖與砂礫巖互層分布區(qū)，以細溝侵蝕、階梯溝狀侵蝕為主，侵蝕速度快、侵蝕劇烈；含礫砂巖或砂礫巖分布區(qū)，以面蝕為主，侵蝕速度中等、侵蝕相對較弱；泥質(zhì)頁巖分布區(qū)侵蝕速度、強度與地形地貌密切相關。白堊系紅層山脊部位通常是裸露的含礫砂巖或砂礫巖或薄層殘積層，基巖風化程度視巖性不同，風化程度不同；山坡為泥質(zhì)頁巖、泥巖與砂礫巖互層，土壤層較??；山坡低洼處和山腳，有較厚的土壤分布，土壤結(jié)構相對完整(圖7)。

圖7 白堊系紅層沙縣組分布區(qū)水土流失成因模式Fig.7 Genetic model of soil erosion in Cretaceous red bed Shaxian Formation distribution area

4 水土流失防治對策

為進一步提升水土流失治理成效，結(jié)合水土流失區(qū)的地質(zhì)背景、地形部位和土壤(風化殼)發(fā)育特征，提出水土流失防治對策建議。

4.1 優(yōu)化水土流失治理布局

通過優(yōu)化水土流失治理重點工程、綜合提升工程布局，減少對基巖裸露區(qū)治理成效不明的水土流失治理區(qū)的投入，增加侵蝕迅速、侵蝕劇烈地區(qū)水土流失治理的投入，提升水土流失治理成效。

(1)優(yōu)先開展侵蝕迅速、侵蝕劇烈地區(qū)的水土流失治理

把中(粗)?；◢弾r分布區(qū)、中細?；◢弾r分布區(qū)、白堊系紅層泥巖與砂礫巖互層分布區(qū)等作為水土流失治理的重中之重。一是對存在的強烈-劇烈水土流失區(qū)、跡地、廢棄礦山、村鎮(zhèn)和工業(yè)園推填土裸地要優(yōu)先安排針對性治理；二是已經(jīng)治理的要嚴格保護、優(yōu)先鞏固提升，可能造成水土流失的各類工程活動要采取更加有效措施嚴格管控；三是將該區(qū)內(nèi)的水土流失重點區(qū)域納入生態(tài)紅線，落實最嚴格的“生態(tài)紅線”管控審批制度。

(2)碎屑巖分布區(qū)以自然修復為主、人為治理為輔

對區(qū)內(nèi)早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖分布區(qū)、白堊系紅層砂巖和泥巖分布區(qū)等水土流失斑塊分散，基巖裸露，風化層薄，抗侵蝕力較強，水土流失發(fā)展相對較慢，建議這類地區(qū)水土流失區(qū)以封禁為主，撫育和施肥、一般林草措施為輔。

4.2 完善水土流失治理技術

在以往的長汀水土流失工作中，形成了等高草灌帶、“老頭松”施肥改造和陡陂地小穴播草等行之有效的“反彈琵琶”科學治理技術，取得了很好的治理效果。利用本次發(fā)現(xiàn)的基巖-風化殼-土壤分布規(guī)律，進一步完善水土流失治理措施。

(1) 花崗巖分布區(qū)水土流失治理技術完善措施

花崗巖山體山頂和上坡地形相對較緩部位，分布有較薄土壤層，可采用“老頭松”施肥改造和補種闊葉樹措施，形成生態(tài)混交林；中坡地形較陡，全風化基巖裸露，沒有土壤層，水肥保持能力差，采用等高草灌帶措施；下坡和坡腳殘坡積層土壤相對發(fā)育，種植灌木和喬木，適度發(fā)展經(jīng)濟林。對細?；◢弾r山體山頂和上坡，由于強風化基巖裸露，宜采用在構造裂隙小穴播草，在低凹處小穴種植喬灌方法。

(2)碎屑巖分布區(qū)水土流失治理技術完善措施

碎屑巖分布區(qū)水土流失主要發(fā)育在山脊、砂礫巖分布區(qū)和泥巖分布區(qū)，需采用不同的治理技術。

山脊水土流失區(qū)通常為基巖裸露或有薄的土壤層，采用山頂-山脊封禁，山坡藤灌草阻斷水土流失的方法進行治理。

砂礫巖分布區(qū)通常為強風化基巖裸露，可采用封禁或小穴播草方法進行治理，通常沿層面、裂隙等構造線開挖小穴。

泥巖分布區(qū)通常分布有薄的土壤層和全風化的泥巖，可采用淺層播草的方法；也可采用小穴深挖，對全風化泥巖進行人為松土，種植喬灌的方式進行水土流失治理。

碎屑巖分布區(qū)下坡和坡腳殘坡積層土壤相對發(fā)育，可種植灌木和喬木，適度發(fā)展經(jīng)濟林。

4.3 優(yōu)化茶果園等坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)項目

茶果園等坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)、改造工作要充分挖掘生態(tài)優(yōu)勢、釋放生態(tài)紅利，防止形成新的水土流失，這是取得水土流失治理決定性勝利，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境雙顏值的關鍵要素。茶果園等坡地農(nóng)業(yè)應依據(jù)土壤-風化殼分布規(guī)律進一步優(yōu)化。

(1)優(yōu)先開展茶果園等坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)建議

優(yōu)先選擇中輕度水土流失的富鋅富硒的緩坡地，開展茶果園等坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)項目，開展已有園區(qū)富鋅富硒農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升工程。

(2)擴大茶果園等坡地農(nóng)業(yè)項目建議

在已有茶果園地周邊，存在土壤層相對發(fā)育、水土流失弱、坡度緩、灌溉條件較好的下坡或山腳地區(qū)擴大茶果園等坡地農(nóng)業(yè)項目，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。

(3)退園還草還林建議

在花崗巖風化基巖祼露區(qū)茶果園，有機質(zhì)、氮、磷肥力缺乏，植物生長全部依靠施肥撫育，且由于風化層厚、黏土質(zhì)含量低導致肥力保持能力和蓄水能力差，干旱年份難以生存，總體經(jīng)濟效益差，建議逐步退園還林。

5 結(jié)論

通過福建長汀縣水土流失的地質(zhì)影響因素分析，認為在土壤侵蝕規(guī)律和水土流失治理方法技術研究中，應充分考慮地質(zhì)因素，以更為有效、精準開展水土流失治理。

(1)地質(zhì)背景對水土流失的主要影響因素是巖性、構造、地形。巖性對水土流失具有控制作用，長汀地區(qū)水土流失率較高的巖性主要有晚侏羅統(tǒng)花崗巖、早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖和白堊系紅層。地質(zhì)構造、地形對水土流失有重要影響，長汀花崗巖強烈水土流失區(qū)構造節(jié)理發(fā)育，長汀水土流失主要發(fā)生在280～380 m之間8°～35°的斜坡的中上坡部位。

(2)不同的巖性具有其獨特的水土流失成因模式，基于水土流失發(fā)育程度和風化殼-土壤分布特征，建立了中(粗)粒花崗巖、中細?；◢弾r、細?；◢弾r、早-中侏羅統(tǒng)碎屑巖和白堊系紅層等五種水土流失成因模型。

(3)根據(jù)水土流失地質(zhì)成因模式，提出了優(yōu)化水土流失治理布局、完善水土流失治理技術、優(yōu)化茶果園等坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)項目等長汀水土流失精準治理、深層治理的對策建議。