貴州貞豐
——關(guān)嶺花江喀斯特石漠化地區(qū)土壤厚度的空間分布特征

鄧大鵬，劉 琦,2，盧耀如，閆釔全

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（同濟(jì)大學(xué)），上海 200092）

石漠化是我國西南巖溶地區(qū)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一[1?3]，嚴(yán)重制約著西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展[4]。巖溶地區(qū)特有的地形地貌、巖性和氣候等因素造成該地區(qū)母巖成土速率慢且水土流失嚴(yán)重，地表土被不連續(xù)是土壤厚度空間分布不均的主要原因[5?6]，而土壤淺薄、持水能力差的地區(qū)更易于發(fā)生干旱和石漠化[7?8]，且土壤肥力嚴(yán)重下降[9]。有研究指出石漠化從輕度向重度發(fā)展的過程中土壤厚度呈顯著下降的趨勢，輕度石漠化地區(qū)土壤厚度在30～50 cm，中度石漠化地區(qū)土壤厚度在20～40 cm，重度石漠化地區(qū)土壤厚度一般小于20 cm，石漠化的發(fā)展程度和等級與土壤厚度有著密切的關(guān)系[10?11]，兩者相輔相成。因此，對石漠化地區(qū)土壤厚度及其空間分布特征的研究有助于石漠化的有效控制以及水土流失防治等生態(tài)修復(fù)。

巖溶地區(qū)土壤厚度的空間分布特征受地形地貌、海拔、土地利用類型等多種因素的影響。周運(yùn)超等[12]通過研究指出巖溶地區(qū)特殊的地表地下二元水文結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的地貌形態(tài)導(dǎo)致土壤流失極易發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致土壤厚度水平和縱向分布異質(zhì)性。尹輝等[13]利用GIS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)廣西典型巖溶區(qū)土壤厚度空間分布不均勻，表現(xiàn)出斑狀和帶狀分布等特征，梯度分布較為明顯。李程程等[14]研究了巖溶區(qū)域的土壤厚度與山體海拔高度的關(guān)系，結(jié)果表明由于重力和水力侵蝕等因素的影響，土壤的平均厚度隨著山體高度的增高而減少。Huang等[15]研究表明貴州后寨河流域盆地土壤具有高度的空間異質(zhì)性，地勢凸起部分的土壤厚度明顯比洼地和平地上的土壤薄。尹亮等[16]研究表明石漠化地區(qū)土壤厚度具有中等強(qiáng)度變異性，不同土地利用方式下土壤厚度分布規(guī)律差異明顯。對于我國西南巖溶地區(qū)而言，土地利用率較低、基巖裸露率高、山體海拔高差大、坡面較陡等狀況是該地區(qū)的典型特征，也是影響區(qū)域土壤厚度空間分布的重要因素[17]，以往的研究較少從自然和人為因素綜合分析石漠化地區(qū)土壤空間分布變異性的主要原因，特別對于中-強(qiáng)度石漠化地區(qū)的土壤厚度空間分布研究鮮有報道，難以為石漠化地區(qū)因地制宜地治理提供參考。

本文以貴州貞豐——關(guān)嶺花江高原峽谷中-強(qiáng)度石漠化治理示范區(qū)為研究區(qū)域，通過野外土壤厚度調(diào)查并結(jié)合統(tǒng)計學(xué)等方法，分析研究區(qū)土壤厚度空間分布特征及關(guān)鍵影響因素，定量研究典型中-強(qiáng)度石漠化地區(qū)關(guān)鍵性人為因素（土地利用狀況）和自然因素（海拔高度、基巖裸露率、坡度）綜合對土壤厚度空間分布特征的影響，為石漠化地區(qū)土地合理利用和水土流失防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江峽谷花江段流域（圖1），該地區(qū)年均降水量約1 100 mm，降雨主要分布在每年的5——10月。由于河流的下切作用，研究區(qū)海拔在446～1 359 m，海拔高差大，是典型的喀斯特高原峽谷區(qū)域（圖2），巖性以石灰?guī)r和白云巖為主，土壤主要是以黃色石灰土類型為主，結(jié)構(gòu)松散、易形成干旱狀態(tài)。主要土地利用類型為林地與坡耕地，此外還有大量無法耕種的荒地，其中林地面積約2 244 km2，約占研究區(qū)總面積的43%；耕地面積約1 672 km2，約占總面積的32%[18]。研究區(qū)石漠化程度以中度和強(qiáng)度為主，石漠化面積約占研究區(qū)總面積的49%。區(qū)內(nèi)土地已被大量開墾，由于人類活動的干擾，土地植被覆蓋度較低，極易發(fā)生水土流失。

圖1 平面地質(zhì)圖及研究區(qū)土壤厚度調(diào)查單元分布Fig.1 Geological map and distribution of soil thickness survey units in the study area

圖2 花江喀斯特峽谷地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the Huajiang karst gorge

2 研究方法

2.1 采樣方法與樣點(diǎn)布設(shè)

采取抽樣調(diào)查方式在研究區(qū)北盤江兩岸選取了31個典型石漠化區(qū)域的抽樣單元，調(diào)查單元位置分布情況如圖1所示。其中，21個調(diào)查單元選定10 m×10 m的正方形區(qū)域作為一般調(diào)查單元，其內(nèi)均勻布設(shè)9個土壤厚度采樣點(diǎn)；10個調(diào)查單元選定為20 m×20 m的正方形區(qū)域作為詳細(xì)調(diào)查單元，均勻布設(shè)25個土壤厚度采樣點(diǎn)，樣點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。為便于調(diào)查，用鋼釬法測定土壤厚度，特制長度為1.3 m，直徑為12 mm的尖端打磨的鋼釬，鋼釬上每5 cm做一個刻度標(biāo)記。

圖3 調(diào)查單元樣點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Sampling points layout of investigation unit

2.2 空間變異分析方法

在空間中土壤厚度的分布是區(qū)域化變量，具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，是空間距離的函數(shù)，可以用半方差函數(shù)進(jìn)行描述[16,19?20]，公式為：

式中：R(s)——間距等于s的半方差，其隨s的增加而增加；

N(s)——距離等于s時的點(diǎn)對數(shù)；

Z(xi)——樣點(diǎn)Z在位置xi的實(shí)測值；

Z(xi+s)——與xi距離為s處樣點(diǎn)的值。

土壤厚度的無偏最優(yōu)估計采用點(diǎn)狀克里格插值法。一定范圍內(nèi)，變量在位置x0處的估測值為Z(x0)，周圍一段距離內(nèi)的實(shí)測值為，則變量在位置x0處的估計值可以用Z（x0）的線性組合表示[21]，即：

式中：λi——實(shí)測點(diǎn)位值的加權(quán)系數(shù)。

3 土壤厚度調(diào)查結(jié)果

31個調(diào)查單元土壤厚度信息統(tǒng)計見表1，本次調(diào)查共有439個土壤厚度調(diào)查數(shù)據(jù)，按照土地利用類型分為坡耕地、荒地和林地，其中坡耕地的主要植被為花椒、玉米和火龍果等；荒地的主要植被為雜草；林地的主要植被為灌木和柚木。調(diào)查單元分布的海拔高度從537～1 189 m不等，占據(jù)了研究區(qū)海拔高度約70%的區(qū)間。從土壤厚度統(tǒng)計特征來看，不同調(diào)查單元的土壤厚度平均值為6～59 cm，研究區(qū)的平均土壤厚度約為26 cm。根據(jù)變異系數(shù)（Cv）的值可大致估測數(shù)據(jù)的變異程度[22?23]：Cv<10%，變異性較弱；Cv=[10%，100%]，變異性中等；Cv>100%，變異性較強(qiáng)，由表1中各調(diào)查單元的土壤厚度變異系數(shù)可知，研究區(qū)土壤厚度變異性以中等變異為主。

表1 各采樣單元土壤厚度Table 1 Soil thickness information of the investigation units

由表1可知，研究區(qū)土壤厚度在0～100 cm，以每10 cm為一個統(tǒng)計區(qū)間，繪制了土壤厚度分布比例圖（圖4）。土壤厚度占比最多的區(qū)間為[20，30）cm，占比約為 26%；其次為區(qū)間 [10，20）cm和 [0～10）cm，占比分別為23%和16%。由土壤厚度累計比例可見，[0～30）cm區(qū)間內(nèi)的土壤厚度占比約為66%，即研究區(qū)土壤厚度普遍較低，約2/3的土壤厚度低于30 cm。

研究區(qū)山高坡陡且土壤厚度分布不連續(xù)，土地難以大面積開墾利用。為了進(jìn)一步分析不同土地利用類型的土壤厚度分布特征，分別統(tǒng)計了林地、荒地和坡耕地的土壤平均厚度及分布區(qū)間，得到不同土地利用類型土壤厚度分布情況（圖5）。結(jié)果顯示，坡耕地的土壤平均厚度最大，為27.3 cm；荒地、林地的土壤平均厚度依次降低，分別為24.2cm以及21.7 cm，表明經(jīng)濟(jì)作物的土壤較厚，人為因素對其產(chǎn)生了重要作用?；牡氐闹饕脖粸殡s草，其土壤平均厚度大于以柚木和灌木為主的林地，表明在研究區(qū)雜草由于有廣布的根系，其固土作用可能強(qiáng)于高大的林木。從不同利用類型土地的土壤厚度分布區(qū)間來看（圖5），坡耕地的土壤厚度區(qū)間范圍最大，為0～100 cm，人為因素使得土壤厚度的平均值較高，但存在土壤厚度分布極為不均的弊端。林地、荒地的土壤厚度區(qū)間分別為5～62 cm，0～50 cm，即林地的土壤最大厚度大于荒地，這是因?yàn)榱值氐闹参锔蹈浇寥篮穸缺然牡睾?，以上也表明雖然在自然狀態(tài)下林地和荒地的土壤平均厚度略低于坡耕地，但具有土壤分布相對連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 不同土地利用類型土壤厚度分布Fig.5 Soil thickness distribution of different land uses

4 分析及討論

4.1 不同土地利用類型影響下的土壤厚度空間變異特征

以3種典型土地利用類型的樣地（荒地、林地、坡耕地）進(jìn)行半方差函數(shù)分析，每種樣地均選取3個典型調(diào)查單元，根據(jù)決定系數(shù)（R2）最大，殘差平方和（RSS）最小的原則，得到3種典型樣地土壤厚度半方差分析參數(shù)如表2所示。3種土地利用類型樣地土壤厚度的空間變異特征分別對應(yīng)了不同的理論模型，3個荒地土壤厚度調(diào)查單元的土壤厚度分布理論模型表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，均為高斯模型；林地的土壤的厚度分布理論模型以球狀模型為主，其中Plot 24調(diào)查單元由于既存在灌木也有部分雜草，導(dǎo)致其土壤厚度分布表現(xiàn)出線性模型；而3個坡耕地調(diào)查單元的土壤厚度分布理論模型呈現(xiàn)出3種不同的模型（球狀模型、線性模型、指數(shù)模型），反映出其土壤厚度空間分布的不確定性。

表2 典型樣地土壤厚度半方差分析參數(shù)表Table 2 Parameters of semi-variance analysis of soil thickness in typical plots

塊金值與基臺值的比值（塊基比）表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，塊基比小于0.25時，表明空間變異性較強(qiáng)；塊基比在0.25～0.75之間時，具有中等程度的空間變異性；塊基比大于 0.75時，表明空間變異性相對較弱[16]。由表2可知，大部分樣地的塊基比小于0.25，表明研究區(qū)土壤厚度空間變異性以強(qiáng)度為主，Plot 29坡耕地花椒地調(diào)查單元的塊基比介于0.25～0.75 之間，通過野外調(diào)研查明該樣地附近常有人為農(nóng)業(yè)施肥，即人與自然作用同時影響導(dǎo)致該樣地具有中等空間變異性。以柚木為主的林地調(diào)查單元Plot 14的塊基比最小，因此這種樣地具有強(qiáng)空間變異性，結(jié)構(gòu)性因素（自然因素）是導(dǎo)致土壤厚度空間變異性的主導(dǎo)因子。

按照每種土地利用類型分別選取3個樣地，通過GS+軟件利用克里格插值法獲得了3種土地利用類型樣地的土壤厚度空間分布等值線圖（圖6、圖7、圖8）。從整體上看，在研究區(qū)內(nèi)不同土地利用狀況土壤厚度的空間分布有明顯差異，荒地的土壤厚度連續(xù)程度優(yōu)于林地和坡耕地，即空間變異性相對更小。從荒地的土壤厚度分布情況（圖6）可以看出，有雜草覆蓋的荒地Plot 8和Plot 27的土壤厚度空間連續(xù)性好于無植被覆蓋的荒地Plot 13。從林地的土壤厚度分布情況（圖7）可以看出，林地的土壤厚度分布變異程度較大，個別點(diǎn)位土壤厚度達(dá)到40 cm以上，而一半以上面積的土壤厚度低于10 cm，甚至多處土壤厚度為0 cm，部分土地?zé)o植被覆蓋使得水土流失程度和巖石裸露情況具有明顯隨機(jī)性。其中，Plot 14柚木林地較大的基巖覆蓋率使得其土壤平均厚度偏低，土壤厚度空間分布有明顯突變性；從坡耕地的土壤厚度分布情況（圖8）可以看出，由于存在植被生長和人為活動的共同影響，在一定程度內(nèi)，土壤厚度分布呈現(xiàn)有作物附近土壤厚度較大，無植物地方土壤較為淺薄的特征，但不同位置處土壤厚度的差值相對較小。

圖6 荒地土壤厚度分布等值線圖Fig.6 Contour maps of soil thickness distribution in wasteland

圖7 林地土壤厚度分布等值線圖Fig.7 Contour maps of soil thickness distribution in forest land

圖8 坡耕地土壤厚度分布等值線圖Fig.8 Contour maps of soil thickness distribution in sloping farmland

4.2 關(guān)鍵性自然影響因素分析

由于研究區(qū)屬于典型的巖溶高原峽谷地貌，地質(zhì)地貌條件復(fù)雜，影響土壤厚度分布情況的因素較多，包括自然因素和人為因素。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和資料收集，發(fā)現(xiàn)海拔高度、基巖裸露率、坡度是對土壤厚度分布特征影響的關(guān)鍵性自然因素。因此本文主要分析海拔高度、基巖裸露率、坡度三種因素對研究區(qū)土壤厚度的空間分布影響規(guī)律。

4.2.1 海拔高度

研究區(qū)地形高差大，海拔高度是造成土壤厚度空間分布不均的主要原因之一，在海拔高的地方，土壤在重力以及降雨的作用下，會向海拔低的地方堆積。野外調(diào)查中，31個調(diào)查單元的海拔為537～1 189 m，其中大部分為石灰?guī)r地區(qū)，石灰?guī)r地區(qū)調(diào)查單元海拔為537～871 m。將相近海拔的土壤厚度求取平均值，得出該海拔位置的土壤厚度平均值，進(jìn)而得到不同海拔高度與土壤厚度關(guān)系（圖9）。

圖9 海拔與土壤厚度關(guān)系Fig.9 Relationship between soil thickness and altitude

對海拔高度與土壤厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行非線性擬合，得到研究區(qū)內(nèi)土壤厚度（t）與海拔（h）呈二次函數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖9），土壤的平均厚度隨著山體海拔的增加而減小，當(dāng)海拔較高時，曲線的斜率較大，表明隨著山體海拔的增大，土壤厚度降低速率明顯加快。在重力作用下，土壤在高陡處常被侵蝕，低洼處常形成堆積。即在巖溶石漠化地區(qū)，土壤厚度隨著距離山頂遠(yuǎn)近的變化而變化，離山頂越近的地方，土壤厚度越??；反之，離山頂越遠(yuǎn)的地方，即山腳低洼處，土壤厚度越大。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山頂周圍很少有高大的植物，一般以野草為主，土壤層十分淺薄，甚至幾乎沒有土壤，植物難以生長。

4.2.2 基巖裸露率

有大量的基巖裸露是巖溶石漠化地區(qū)的主要特點(diǎn)，基巖裸露率是指單位調(diào)查單元內(nèi)，基巖出露的面積占一個調(diào)查樣地總面積的百分比。一般情況下，巖石裸露率越高，表明土壤流失越嚴(yán)重，石漠化程度越高。本文的調(diào)查單元是10 m×10 m和20 m×20 m，根據(jù)在毫米方格紙中繪制調(diào)查單元土壤分布簡易圖，經(jīng)Mapgis數(shù)值化后計算得到調(diào)查單元的基巖裸露率為18.5%～85.6%，大部分采樣單元基巖裸露率在60%～90%，平均值為66.8%。

為了分析基巖裸露率對土壤厚度的影響，將相近基巖裸露率的調(diào)查單元土壤厚度求取平均值，并繪制了基巖裸露率與土壤厚度的關(guān)系圖（圖10）。擬合曲線表明土壤厚度（t）與基巖裸露率（r）呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，基巖裸露率越大，土壤層越薄。此規(guī)律與野外調(diào)查情況相同，基巖裸露率越大，即石漠化程度越高，土壤層就更加淺薄。

圖10 基巖裸露率與土壤厚度關(guān)系Fig.10 Relationship between soil thickness and bedrock exposure rate

4.2.3 坡度

在土壤流失過程中坡度是較為重要的影響因子。坡度大的地方在降雨沖刷作用下，極易產(chǎn)生土壤流失，因此，坡度大的地方土壤累積較少，土層淺薄。為了研究坡度對土壤厚度的影響，將31個調(diào)查單元中坡度相同的土壤厚度求取平均值，作為該坡度的平均土壤厚度，得到了坡度與土壤厚度相關(guān)關(guān)系（圖11）。擬合曲線表明土壤厚度（t）與坡度（s）之間有明顯線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)坡度不斷增大，研究區(qū)土壤厚度不斷變小，二者呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系。即坡度較大區(qū)域的土壤會通過重力以及降雨侵蝕向平緩處積累，進(jìn)而影響土壤厚度。隨著坡度的增大，土壤侵蝕程度逐漸增強(qiáng)，土壤厚度逐漸降低。

圖11 坡度與土壤厚度關(guān)系圖Fig.11 Relationship between soil thickness and slope

4.3 討論

研究區(qū)屬于典型中-強(qiáng)度石漠化地區(qū)，具有海拔高差大、坡面較陡、基巖裸露率高的特點(diǎn)。隨著海拔的升高，地理氣候環(huán)境逐漸惡劣，植物生長愈發(fā)困難，如在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)山底生長喬木，隨著海拔升高逐漸變?yōu)楣嗄荆捷^高的山頂時則生長的是草本植物，植被固土能力越來越弱，降雨帶來的土壤流失逐漸加重，土壤厚度就會降低；當(dāng)基巖裸露率較高時，反映出深層土壤與母巖結(jié)合能力較弱，植被覆蓋率一般較低，不利于植物、土壤和基巖的有機(jī)結(jié)合，土壤流失更容易發(fā)生，即土壤厚度相對較低；對于坡度而言，隨著坡度的增大，外力作用下坡面土壤侵蝕更容易發(fā)生，土壤中有機(jī)質(zhì)流失較快，不利于植物生長，進(jìn)一步加劇了土壤的侵蝕，造成土壤厚度隨坡度增加而降低的現(xiàn)象；此外，研究區(qū)具有顯著的地表地下“二元”水文特征，因此研究區(qū)土壤的重力侵蝕和水力侵蝕均極易發(fā)生，導(dǎo)致大面積的土壤地表流失和地下漏失，這也是造成土壤空間分布極為不均的主要原因之一。

研究區(qū)自然植被種類較為單一，缺少集中連片的大型灌木以減少降雨對土壤的沖刷侵蝕，經(jīng)濟(jì)作物的過度種植導(dǎo)致土地被大量開墾，人為因素對土壤空間分布影響明顯。因此，對于研究區(qū)土壤流失的控制可以通過工程措施和生物措施共同實(shí)施。工程措施可以利用坡改梯減緩坡度[24]，減少土壤流失的原動力，起到減緩?fù)寥懒魇У淖饔?。生物措施包括退耕還林還草[25]、灌木與草套種、矮化密植[26]等，對于基巖裸露率較大、土壤厚度較小的區(qū)域，種植根系較大草本植物，進(jìn)行人工干預(yù)下的生態(tài)修復(fù)；對于土壤厚度較大，基巖裸露率低的區(qū)域，可以開展適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)耕種，維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)修復(fù)的平衡。

5 結(jié) 論

（1）研究區(qū)土層較為淺薄，土壤平均厚度僅為26 cm；土壤厚度主要集中在20～30 cm，約2/3的土壤厚度低于30 cm；土壤平均厚度表現(xiàn)為坡耕地>荒地>林地，且坡耕地的土壤厚度區(qū)間最大。

（2）通過半方差函數(shù)分析和土壤厚度分布等值線圖，得到研究區(qū)土壤厚度空間變異性以強(qiáng)度為主；荒地的土壤厚度空間分布連續(xù)程度優(yōu)于林地和坡耕地；林地土壤流失程度和巖石裸露情況具有明顯隨機(jī)性，土壤厚度空間分布的變異程度較大；坡耕地的作物根系附近土壤厚度較大，無植物地方土壤較為淺薄。

（3）通過分析關(guān)鍵性自然因素對土壤厚度空間分布的影響，得到土壤厚度與海拔之間存在二次函數(shù)的非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與基巖裸露率、坡度之間均有明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

（4）研究區(qū)土壤空間分布變異性較大是由于復(fù)雜的自然條件和人為因素的綜合作用結(jié)果，該區(qū)域石漠化的治理可以采用工程措施和生物措施共同實(shí)施，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)修復(fù)的平衡。