黔北山區(qū)坡面基巖出露特點(diǎn)及與坡面特征的關(guān)系

馬芊紅， 柯奇畫，張科利?， 顧再柯

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 100875，北京；2.河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院， 050024，石家莊；3.貴州省水土保持監(jiān)測站， 550002，貴陽)

喀斯特石漠化是在喀斯特脆弱生態(tài)環(huán)境下，由于人類不合理的社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而造成的人地矛盾突出，植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產(chǎn)力衰退喪失，地表呈現(xiàn)類似荒漠化景觀的演變過程[1]。我國西南喀斯特地區(qū)是世界上喀斯特分布面積最大[2]、發(fā)育最典型、人口最密集的喀斯特連續(xù)分布帶。位于西南喀斯特中心的貴州省，喀斯特面積占到全省面積的60%以上。在脆弱的生態(tài)環(huán)境和敏感的侵蝕背景下，疊加上人類不合理活動(dòng)的影響，貴州省成為西南喀斯特地區(qū)石漠化問題最為嚴(yán)重的地區(qū)?！吨袊鴰r溶地區(qū)石漠化狀況公報(bào)》顯示，2016年底，貴州省共有石漠化土地面積247萬hm2，占全省總面積的14%，占整個(gè)西南地區(qū)石漠化土地總面積的32%。

近年來，石漠化問題得到社會各界越來越廣泛的關(guān)注[3-5]。在石漠化的形成和發(fā)展過程中，坡度是一個(gè)重要因素[6]。坡度起伏決定著地表侵蝕作用的強(qiáng)弱，坡度越大，地表物質(zhì)越不穩(wěn)定，土壤越容易遭受侵蝕而變薄[7]。在GIS技術(shù)的支持下，通過空間疊加分析區(qū)域坡度圖和石漠化強(qiáng)度分布圖，黨宇寧等[6]和石軍南等[8]均認(rèn)為當(dāng)坡度<25°時(shí)，石漠化發(fā)生率隨著坡度的增大而增大；坡度>25°時(shí)，重度或極重度石漠化面積有所增大。普遍出露的巖石和土石界面會引起降雨的再分配[9]，進(jìn)而對坡面水文過程、地貌過程和侵蝕過程有直接或間接影響[10-11]。Dai等[12]和彭旭東等[13]重點(diǎn)研究裸巖率對坡面土壤侵蝕強(qiáng)度及侵蝕過程的影響，指出基巖出露地表會導(dǎo)致該地區(qū)侵蝕過程和侵蝕規(guī)律復(fù)雜、地表和地下產(chǎn)流產(chǎn)沙不均勻分配；另外，利用表層嵌有碳酸鹽基巖(直徑35 cm左右)的雙層變坡水槽，結(jié)合人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)得出地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨基巖裸露率的增大先增大后減小的基本結(jié)論。已有研究為揭示基巖出露對區(qū)域環(huán)境的影響提供了有益參考。

筆者通過在遵義地區(qū)的野外觀察得知，坡面基巖出露形態(tài)特征對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有明顯影響；因此，正確認(rèn)識基巖形態(tài)及空間分布，對科學(xué)防治石漠化坡面土壤侵蝕具有重要的意義。但目前對喀斯特石漠化坡面基巖形態(tài)、出露狀態(tài)及空間分布特征等的相關(guān)研究較少，可能會造成模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的局限性和不確定性。綜上，筆者基于貴州省遵義地區(qū)典型潛在石漠化坡面實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析基巖出露空間分布特征、出露高度及其與地理要素的關(guān)系，為喀斯特地區(qū)石漠化坡面特征的科學(xué)概化及坡面土壤侵蝕研究的參數(shù)確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)條件和前期野外考察結(jié)果，基巖出露野外調(diào)查地點(diǎn)選在貴州省遵義市滸洋水小流域。該地位于貴州省遵義縣西部的鴨溪鎮(zhèn)(E 106°39′59″、N 27°36′20″)，是貴州省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的1個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)，屬烏江水系，流域總面積為20.9 km2。該地地處貴州省巖溶高原區(qū)的北部，平均海拔在900～1 050 m。主要的土壤類型為黃壤，土層平均厚度在50～70 cm之間。植被類型屬偏濕性的中亞熱帶常綠闊葉林亞帶，周邊原生植被由于歷史上的不合理開發(fā)遭到嚴(yán)重破壞。1999年以來，“退耕還林”工程和其他生態(tài)治理工程的實(shí)施，使區(qū)域環(huán)境得到恢復(fù)。人工種植樹種主要有核桃(Juglansregia)、玫瑰李(Prunussalicina)、女貞(Ligustrumlucidum)、任豆(Zeniainsignis)等，草類主要有馬蘭(Kalimerisindica)、蘇門白酒草(Conyzasumatrensis)、香附子(Cyperusrotundus)、鬼針草(Bidenspilosa)、景天(Sedumeythrostictum)等。域內(nèi)總?cè)丝诩s3 000人，人口密度143人/km2。

研究區(qū)坡面基巖出露面積約占坡面總面積的10%～30%，屬于潛在石漠化地區(qū)。在該石漠化程度下，坡面現(xiàn)存土層較厚，受降水、坡度等因素的綜合影響，土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)很大。遵義地區(qū)是貴州省重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，屬于貴州省農(nóng)業(yè)區(qū)劃中的中部分區(qū)，以傳統(tǒng)種植業(yè)為主，主要的作物有玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、油菜(Brassicacampestris)、辣椒(Capsicumannuum)等，作物一年兩熟。農(nóng)地占調(diào)查流域總面積的50%左右，且有約1/2的農(nóng)地為坡耕地，種植糧食作物仍是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民主要的經(jīng)濟(jì)來源。坡面基巖出露會引起坡面水分再分配，導(dǎo)致耕地面積大大減小，影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用，基巖出露嚴(yán)重的耕地不得不逐漸被棄耕，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2 材料與方法

2.1 基巖出露特征調(diào)查

坡面基巖出露野外調(diào)查采用全坡面地毯式調(diào)查，地點(diǎn)位于貴州省遵義市鴨溪鎮(zhèn)的滸洋水小流域內(nèi)的馮家坡，面積約1 km2，調(diào)查時(shí)間是2018年5—6月。根據(jù)調(diào)查坡面的海拔差，將坡面分為上坡(1 000～1 050 m)、中坡(960～1 000 m)和下坡(920～960 m)3個(gè)坡位(圖1)。野外調(diào)查以地塊為調(diào)查單元，詳細(xì)記錄地塊土地利用、作物類型等地理信息(表1)。統(tǒng)計(jì)地塊內(nèi)出露基巖數(shù)量，編號并拍照，利用手持GPS獲取并記錄基巖出露點(diǎn)的經(jīng)緯度位置和海拔，利用羅盤測量基巖出露周圍坡面的走向和坡度。基巖出露高度為整塊巖石最高出露點(diǎn)距離地面的垂直高度，將水平尺平行于地面置于基巖之上，利用米尺測量水平尺距離地表的高度，精度為0.01 m。借鑒地質(zhì)學(xué)巖層產(chǎn)狀中走向的概念[14]，根據(jù)基巖走向與坡向的夾角，將巖石走向劃分為3類：二者夾角為0～20°時(shí)，基巖走向與坡向平行，稱為順向坡[14]；二者夾角為70°～90°時(shí)，基巖走向垂直于坡向；其他情況則統(tǒng)一歸為基巖走向與坡向斜交。本調(diào)查共調(diào)查60個(gè)地塊，375處出露基巖。

黃色虛線區(qū)域代表地塊，a為農(nóng)地，b為林草地，c為農(nóng)林混合地(農(nóng)作物+核桃)。1 050 m、1 000 m、960 m、920 m分別為所在位置海拔。The dottedblack area in the figure refers to the plot. “a” refers to farmland, “b” refers to forest and grassland, and “c” refers to agroforestry land (crops + walnut), and 1 050 m, 1 000 m, 960 m and 920 m are the altitudes of their locations respectively.圖1 調(diào)查坡面景觀圖Fig.1 Photo of the investigated slopes

表1 調(diào)查坡面地塊基本特征

2.2 數(shù)據(jù)處理

野外調(diào)查數(shù)據(jù)在Excel 2016中保存整理，并計(jì)算總數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、各類所占比例等?；鶐r出露高度在坡度、坡位、土地利用、基巖走向間的對比圖在Origin 2016中制作完成。相關(guān)分析、單因素方差分析、回歸分析、方差分量估計(jì)等數(shù)據(jù)分析工作在SPSS 18.0中完成。野外調(diào)查空間分布圖在ArcGIS 10.2中繪制，坡面景觀照片在Visio 2007中加工處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 基巖出露空間分布及走向特征

從野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)(表2)來看，中坡部位基巖出露頻率最高，共計(jì)183塊，分別是上坡和下坡的1.63倍和2.29倍。這是由于土層厚度是決定基巖出露程度的背景條件。在中坡部位上，由于匯水面積較大，坡度較陡，徑流沖刷作用強(qiáng)烈，大大削薄土層，導(dǎo)致出露基巖多。下坡部位靠近居民點(diǎn)，受人類活動(dòng)的影響顯著。農(nóng)地坡度變緩或梯田化，徑流攜帶的泥沙部分在此堆積，部分出露高度較小的基巖可能被掩埋，導(dǎo)致下坡部位基巖出露數(shù)量較少。從不同坡位巖石的走向來看，坡面整體上基巖走向以與坡向斜交為主，其次是與坡向垂直。上坡和中坡部位基巖走向與坡向斜交所占比例最大，均超過40%；下坡部位基巖走向與坡面平行所占比例最高，近50%。下坡部位基巖出露體積較小，出露數(shù)量較少，由于上坡和中坡侵蝕的泥沙在此堆積，垂直于坡向的基巖由于攔沙作用，經(jīng)過一段時(shí)間可能會被完全或部分掩埋，從而垂直于坡向的基巖在下坡部位比例最小。根據(jù)野外觀察，當(dāng)基巖走向與坡向垂直時(shí)，基巖作為大小不一的壩體，發(fā)揮著擋水?dāng)r沙的重要作用，基巖上坡部位水分集聚，向下入滲，侵蝕泥沙在此堆積，而基巖下坡位處接受上方來水來沙較少。相反，當(dāng)基巖走向與坡向平行時(shí)，基巖將上方來的地表徑流分為2股，水流在基巖左右2側(cè)匯集、向坡下流動(dòng)，基巖2側(cè)侵蝕較嚴(yán)重。

表2 不同坡位及整坡上基巖走向出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)

3.2 基巖出露高度及影響因素

喀斯特地區(qū)坡面基巖出露是長期內(nèi)力和外力綜合作用的結(jié)果。地殼運(yùn)動(dòng)使基巖整體抬起或下降，以化學(xué)溶蝕為主的風(fēng)化作用使整塊基巖形成犬牙交錯(cuò)、高低起伏的地貌形態(tài)。風(fēng)化作用強(qiáng)度具有差異性，受風(fēng)化作用影響較弱的地段基巖存留，出露地表，形成石漠化景觀[15]。野外實(shí)地考察來看，單個(gè)基巖出露面積越大，往往出露高度也越大。由于基巖出露形態(tài)千差萬別，出露面積在野外調(diào)查中不易獲取。因此，可以通過基巖出露高度間接反映坡面石漠化程度。

3.2.1 基巖出露高度與坡位 整體來看，研究區(qū)基巖出露平均高度為(0.35±0.25) m，變異系數(shù)為71.4%，變異性強(qiáng)。調(diào)查基巖出露高度最大的為1.60 m，位于上坡部位，最小值為0.02 m，位于下坡。不同坡度出露高度均值對比來看(圖2)，上坡部位略大于中坡部位，下坡出露高度最小，低于平均值，這與下坡泥沙堆積和人為改造坡面有關(guān)。單因素方差分析結(jié)果表明，各坡位間基巖出露高度不存在顯著差異(P>0.05)。這可能與調(diào)查區(qū)屬于低山地形，坡面的相對高差不足200 m有關(guān)。

圖2 不同坡位基巖出露高度Fig.2 Exposed heights of boulders on different slope position

3.2.2 基巖出露高度與坡度 坡度是推動(dòng)坡面上土壤運(yùn)移和再分配的主要驅(qū)動(dòng)力之一，是影響水土流失的重要驅(qū)動(dòng)因素，也是喀斯特石漠化的成因之一[16]。坡度通過影響土壤厚度的空間變異性，進(jìn)而間接影響巖石出露面積和高度。相關(guān)分析表明，基巖出露高度與坡度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。在此基礎(chǔ)上以坡度為自變量，以出露高度為因變量，進(jìn)行非線性回歸分析。結(jié)果表明：調(diào)查區(qū)基巖出露高度隨坡度變大遵循冪函數(shù)形式增大(y=0.14x0.50,R2=0.89)(圖3)。在筆者所調(diào)查的坡度范圍內(nèi)(0～15°)，隨著坡度增大，一方面，徑流流速增大，對土壤的侵蝕和搬運(yùn)能力更強(qiáng)，導(dǎo)致土壤厚度被削減，基巖出露高度則相應(yīng)增大；另一方面，土壤顆粒與土體之間的內(nèi)摩擦角增大，摩擦力減小，且重力作用更明顯，因而土粒易被分離。本研究中，回歸分析得到的擬合方程的冪指數(shù)<1。這表明坡度越大，基巖出露高度隨坡度的增速逐漸降低。根據(jù)野外觀察推測，基巖出露高度并非隨坡度無限增大，當(dāng)坡度大于某一臨界值后(本研究調(diào)查坡度尚未達(dá)到)，受下覆基巖、重力侵蝕等因素的綜合影響，坡面特征趨于穩(wěn)定，基巖出露高度基本保持不變。

圖3 基巖出露高度與坡度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the exposed height of a boulder and the slope gradient

3.2.3 基巖出露高度與走向 從單因素方差分析結(jié)果可知，不同走向的基巖，出露高度存在顯著差異(P<0.05)，從大到小依次為垂直走向(0.43 m±0.23 m)>斜交走向(0.33 m±0.28 m)>平行走向(0.26 m±0.20 m)，垂直走向出露高度為斜交和平行走向的1.3倍和1.7倍(圖4)。垂直走向基巖出露高度的變異系數(shù)(53.5%)小于平行走向(76.9%)和斜交走向(84.8%)。不同走向的基巖由于擋沙效益不同，基巖出露高度有所不同。當(dāng)基巖走向垂直于坡向時(shí)，巖石可發(fā)揮攔截壩的作用，改變徑流流路，降低流速[17]。徑流攜帶的泥沙部分在巖石的上坡部位沉積，增加土層厚度。經(jīng)過長期積累，部分出露高度較小的基巖被掩蓋，仍出露地表的巖石體積較大，因而整體上垂直走向基巖出露較高且變異系數(shù)小于其他走向。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民往往將與坡向垂直且出露高度較大的基巖作為梯田邊埂，減少修筑梯田的工作量。當(dāng)坡面巖石走向與坡面走向平行時(shí)，雖然坡面徑流在巖石兩側(cè)集中匯流，侵蝕能力增強(qiáng)，易產(chǎn)生溝蝕，但由于周期性人類耕作活動(dòng)，平整土地后基巖兩側(cè)無明顯侵蝕痕跡，土層厚度不會被削薄。基巖走向與坡向斜交時(shí)，基巖對水文過程和侵蝕過程的作用程度介于垂直和平行之間，故出露高度也居中。

圖4 不同走向基巖出露高度對比Fig.4 Exposed heights of boulders for different directions

3.2.4 基巖出露高度與土地利用 本次調(diào)查中，共包含農(nóng)地地塊37個(gè)，其中出露基巖180處，平均出露高度(0.32±0.26) m；農(nóng)林混合地塊20個(gè)，基巖出露155處，平均出露高度(0.36±0.24) m；次生林草地3塊，出露巖石40處，平均出露高度(0.37±0.18) m(圖5)。坡面基巖出露是西南喀斯特山區(qū)布局土地利用時(shí)必須要考慮的因素之一，耕作條件良好的地塊被農(nóng)民選定為農(nóng)地，而基巖出露嚴(yán)重地塊不利于耕種，適合林草生長，這是不同土地利用間基巖出露存在差異的一個(gè)極為重要的因素。遵義地區(qū)是貴州省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)，在20世紀(jì)，水土流失問題尚未得到關(guān)注時(shí)，在巨大人口壓力下，坡面上基本上全部為農(nóng)地。2002年，退耕還林工程全面實(shí)施，坡度較大、巖石出露較多的坡耕地棄耕撂荒為林草地，因此林草地中基巖出露高度略大于農(nóng)地。為帶動(dòng)貴州山區(qū)脫貧致富，結(jié)合水土保持方針，當(dāng)?shù)剡x擇經(jīng)濟(jì)樹種核桃樹，在坡面推廣種植經(jīng)濟(jì)林。為了保障糧食產(chǎn)量，農(nóng)民在條件好的農(nóng)地繼續(xù)種植農(nóng)作物，選擇在條件稍差的地塊栽種核桃樹，核桃樹約在5年前栽種，目前枝葉尚不能覆蓋整個(gè)地塊。農(nóng)民充分利用土地資源，在核桃疏林下種植黃豆、玉米、紅薯等作物，因此栽種核桃樹的農(nóng)地比種植單一農(nóng)作物的地塊立地條件稍差，巖石出露高度更大。土壤是作物生長的基礎(chǔ)，為便于開展農(nóng)事活動(dòng)同時(shí)獲得更高的產(chǎn)量，土層厚度最大的地塊被用來種植農(nóng)作物。另外坡改梯工程的實(shí)施使農(nóng)地土壤厚度較原坡面平均土層厚度有所增大，因此相應(yīng)的巖石出露高度較小。

圖5 不同土地利用基巖出露高度對比Fig.5 Exposed heights of boulders for different land uses

綜上所述，基巖出露高度與坡度、基巖走向和土地利用等因素有關(guān)。為檢驗(yàn)和定量比較以上環(huán)境要素對基巖出露高度的影響，采用一般線性模型中的單因素分析，得到各因素對基巖出露高度的解釋能力。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表3)表明，坡度極顯著影響基巖出露高度，能解釋基巖出露高度變化的近20%，遠(yuǎn)高于本研究中的其他環(huán)境因素；其次是基巖走向，能解釋基巖出露高度變異的近6%；其他環(huán)境因素的影響不顯著。整體來看，所調(diào)查的環(huán)境因素對基巖出露總的解釋能力略高于30%，還有近70% 無法解釋，表明還有其他未研究的因素影響基巖出露高度，可能包含的因素有巖石本身特性(如硬度、節(jié)理、碳酸鈣含量等)、溶蝕作用強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造等。以巖性為例，李瑞玲等[18]借助GIS中空間疊加分析功能，探究石漠化分布與地層巖性的關(guān)系，結(jié)果表明石漠化與純碳酸鹽巖的相關(guān)關(guān)系最明顯，石灰?guī)r地區(qū)石漠化程度比白云巖地區(qū)更嚴(yán)重。據(jù)此可以推測，巖性對石漠化坡面出露基巖的高度有一定的影響。但由于時(shí)間和精力有限，目前對其他可能因素尚未進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。在今后的研究中，可以開展相關(guān)的工作，從而更全面地解釋石漠化地區(qū)基巖出露高度特征。

表3 坡面環(huán)境要素對坡面基巖出露高度的解釋能力

4 結(jié)論

1)坡面上，受侵蝕程度空間差異的影響，基巖出露頻率中坡部位>上坡部位>下坡部位。

2)調(diào)查區(qū)坡面基巖出露平均高度為(0.35±0.25) m，具有強(qiáng)變異性。坡度對出露高度的影響大于其他因素，在本研究所調(diào)查的坡度范圍內(nèi)(0～15°)，出露高度隨坡度增大呈冪函數(shù)形式增大。

3)基巖出露高度是影響石漠化坡面土地利用方式布局的重要因素，次生林草地基巖出露高度其他土地利用類型，反映了基巖出露嚴(yán)重的地塊首先被退耕。

總之，石漠化坡面基巖出露現(xiàn)象復(fù)雜，仍有很多科學(xué)問題亟待探討。本研究在一定程度上豐富石漠化地區(qū)基巖出露相關(guān)研究，為深入研究石漠化坡面水文過程、地貌過程和侵蝕過程提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而為推進(jìn)石漠化治理和區(qū)域生態(tài)恢復(fù)提供了有益參考；然而，需要說明的是，受時(shí)間、人力等方面的制約，本研究仍存在一些不足。例如調(diào)查區(qū)域石漠化程度比較低，尚不明確更嚴(yán)重石漠化坡面基巖出露特征與此調(diào)查結(jié)果是否一致；另外，調(diào)查區(qū)域空間范圍有限，山體相對高差較小，因而調(diào)查結(jié)果能否在更大范圍內(nèi)推廣仍需驗(yàn)證。從調(diào)查結(jié)果可知，所調(diào)查的環(huán)境要素對基巖出露高度的解釋能力在30%左右，仍有其他影響坡面基巖出露的重要因素尚未探討。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)對石漠化坡面基本特征的研究，從而為坡面土壤侵蝕和其他地表過程研究提供可靠依據(jù)。