貴州省大方縣不同地層巖性對土壤侵蝕的影響

關(guān)鍵詞：地層巖性；土壤侵蝕；農(nóng)業(yè)資源；大方縣

0 引言

在不同地層巖性上，土壤侵蝕強度的不同伴隨著農(nóng)業(yè)資源的分配不均衡、不平等，各因子之間的變化伴隨著土壤侵蝕強度的變化。在一定的自然環(huán)境條件下，預防區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的發(fā)生，可以研究該區(qū)域內(nèi)地層巖性的變化，再從不同地層巖性條件下的土壤侵蝕發(fā)生率、等級分布等找突破口。本研究從宏觀角度分析土壤侵蝕強度與不同地層巖性之間的相關(guān)關(guān)系，通過不同地層巖性對土壤侵蝕空間分布的影響可以掌握土壤侵蝕形成的機制，不同區(qū)域侵蝕強度等級的地層巖性分布情況可以找到治理侵蝕的對策，掌握不同地層巖性下土壤侵蝕治理對策，讓農(nóng)業(yè)資源得以保護。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大方縣位于貴州省西北部，畢節(jié)機場距縣城20km，烏江支流六沖河北岸，大婁山西端。位于東經(jīng)105°15′47″～106°08′04″、北緯26°50′02″～27°36′04″。全縣轄38個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）359個行政村及1個國有林場7個工區(qū)。東西南北相距100余km，東南西北各與黔西市、織金縣、納雍縣和畢節(jié)市相接。全縣總面積3500.11km2，距畢節(jié)市中心約45.5km，距省城175km左右。地形地貌復雜多樣化，多以石灰土組合為主，出露地層由老至新分別為寒武系（C）、奧陶系（O）、二疊系（P）、三疊系（T）和侏羅系（J），地質(zhì)構(gòu)造處于侏羅山式褶皺帶的北西部，由一系列北北東向的緊密褶皺和近南北向的斷層或斷層束組成研究區(qū)域的構(gòu)造輪廓。

1.2 研究內(nèi)容和目的

因發(fā)育程度、年代不同，研究區(qū)域各組巖石出露面積不同，巖性的軟硬程度決定了土壤侵蝕難易性，導致各地層巖性在不同的坡度、植被覆蓋度、土地利用類型條件下空間分布上有不同特征，通過ArcGIS提取疊加分析，得到研究區(qū)域各地層巖性出露面積在研究區(qū)域分布占比情況、侵蝕發(fā)生率、空間分布特征等情況；將研究區(qū)域矢量化的地質(zhì)圖與土壤侵蝕強度圖進行疊加，得到不同時代地層下土壤侵蝕空間分布情況、不同巖組特征下土壤侵蝕空間分布情況、不同巖性下侵蝕等級分布情況、以及地層巖性與土壤侵蝕之間的相關(guān)關(guān)系。分析同一地層不同巖組類型下土壤侵蝕強度空間分布特征，比較不同地層同一巖組類型下空間分布及其與土壤侵蝕強度的空間分布相關(guān)性，可知研究區(qū)域不同地層巖性侵蝕情況及農(nóng)業(yè)資源利用情況，也可為研究區(qū)域土壤侵蝕治理提供參考依據(jù)[1]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域主要利用來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云服務平臺（www.gscloud.cn）的Landsat8OLITIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，空間分辨率30m，以地質(zhì)圖為數(shù)據(jù)源，運用ArcGIS中SpatialAnalysis模塊中的Slope工具，以DEM圖為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對研究區(qū)域進行坡度提取并分類生成6個等級坡度。以遙感影像圖為數(shù)據(jù)源，運用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類法及結(jié)合實際調(diào)查提取土地利用類型現(xiàn)狀圖?；贏rcGIS軟件，用建立的植被覆蓋度圖、坡度分布圖及土地利用類型現(xiàn)狀圖疊加，依據(jù)水利部SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，對大方縣的土壤侵蝕狀況進行土壤侵蝕強度分級，獲取研究區(qū)域土壤侵蝕強度圖。將地層巖性圖與土壤侵蝕等級圖疊加，分析研究區(qū)域不同時代地層與土壤侵蝕相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕分布情況

運用ArcGIS10.2將土地利用類型、植被覆蓋度、坡度圖疊加分析，并相應地進行分級歸納整合，最終得到土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)圖，將柵格土壤侵蝕圖矢量化成SHP格式，參照SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》中的面蝕（片蝕）分級指標，同時根據(jù)實際情況制定了土壤侵蝕強度圖，根據(jù)土壤侵蝕強度分級標準，將大方縣土壤侵蝕等級分為6個等級，得到大方縣土壤侵蝕強度，如圖1所示。

由圖1可知，總體上南片區(qū)和西片區(qū)土壤侵蝕強于其他片區(qū)。從研究區(qū)域土壤侵蝕的空間分布看，中度及以上的侵蝕等級主要以南片區(qū)為主，其余地區(qū)呈零星分布，圖斑破碎，大面積的面蝕狀分布較少；在東部和北部地勢較為平坦地區(qū)，主要以輕度侵蝕為主；在北區(qū)及西南地區(qū)，與織金縣、納雍縣、七星關(guān)區(qū)交接處有幾小塊區(qū)域土壤侵蝕較為強烈，以極強烈侵蝕和劇烈侵蝕為主，可能主要是由于該交接處區(qū)域植被稀少、懸崖峭壁導致坡度急劇增大，從而導致水土流失嚴重，土壤侵蝕加重[2-3]。

對研究區(qū)域土壤侵蝕狀況進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。微度侵蝕也稱不明顯侵蝕或未侵蝕，即土壤流失量屬于可允許侵蝕范圍內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)容許土壤流失量lt;500t/（km2·年），已發(fā)生土壤侵蝕面積指輕度侵蝕及輕度侵蝕以上等級的面積總和。由表1可知，大方縣已發(fā)生土壤侵蝕面積136705.87hm2，占全縣總面積的39.01%，不明顯侵蝕或未侵蝕占全縣總面積的60.99%，中度及中度以上侵蝕占全縣總面積的11.36%，占侵蝕面積的29.11%，中度及以上侵蝕在總面積中的占比為中度侵蝕（58.39%）gt;強烈侵蝕（21.55%）gt;極強烈侵蝕（17.17%）gt;劇烈侵蝕（2.89%）。

2.2 地層巖組類型分布

2.2.1 地層巖組類型提取

地層巖性是影響土壤侵蝕的發(fā)生和土壤侵蝕強度的重要因素之一，不同地層巖性的差異對土壤流失速度有不一樣的影響，而土壤流失速度與土壤侵蝕的分布有極大的相關(guān)性。本研究將收集的1∶20000綜合水文地質(zhì)圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，對其進行拼接、配準，再根據(jù)大方縣行政邊界矢量圖截取研究區(qū)域?；贏rcGIS軟件對地圖矢量化，得到附有數(shù)值意義的地層巖組類型分布如圖2和圖3所示。

2.2.2 地層巖性空間分布特征

由圖2、圖3和表2可知，大方縣地層主要以二疊系和三疊系為主，巖組類型主要以石灰?guī)r和白云巖為主。在地層分布中，寒武系、奧陶系和侏羅系主要分布在研究區(qū)域周邊，呈零星狀態(tài)分布；在巖組類型分布中，巖性分布都呈分散狀態(tài)分布，不連續(xù)[4]。其中，地層分布面積：二疊系gt;三疊系gt;奧陶系gt;侏羅系gt;寒武系，巖組類型分布面積：石灰?guī)r（44.27%）gt;白云巖（23.15%）gt;頁巖（21.10%）gt;砂巖（11.49%）；在所有地層中，巖組類型面積分布占總面積最多的前3位分別是：二疊系中的石灰?guī)r（24.44%）、二疊系中的頁巖（19.18%）及三疊系中的石灰?guī)r（18.61%）。

2.3 不同地層土壤侵蝕發(fā)生率

應用ArcGIS的空間疊加分析功能，將大方縣地層分布圖層與土壤侵蝕圖層進行疊加分析?？臻g疊加分析結(jié)果既可以顯示不同地層分布各個侵蝕強度的面積，又可顯示不同侵蝕強度下不同地層分布的面積，從中可以發(fā)現(xiàn)不同地層分布的土壤侵蝕存在較明顯的空間分布現(xiàn)象[5]。

土壤侵蝕發(fā)生率是指不同地層巖性下土壤侵蝕發(fā)生的概率，即不同地層下的面積與相應侵蝕總面積的比，運用式（1）計算

土壤侵蝕發(fā)生率越高，表示該地層越容易發(fā)生土壤侵蝕，反之，土壤侵蝕發(fā)生率越低，表示該地層越不容易發(fā)生土壤侵蝕。

由圖4可知，不同地層土壤侵蝕平均發(fā)生率34.10%，其中二疊系、侏羅系、三疊系土壤侵蝕發(fā)生率均高于平均發(fā)生率，奧陶系、寒武系土壤侵蝕發(fā)生率低于平均發(fā)生率。大方縣土壤侵蝕發(fā)生率在地層分布上成明顯分布趨勢，地層侵蝕發(fā)生率最高的三疊系與最低的寒武系有22.3個百分點之差，地層侵蝕發(fā)生率最大為三疊系發(fā)生率達到46.36%，是所有地層中最容易發(fā)生土壤侵蝕的時代地層，其次是侏羅系，發(fā)生率達到40.32%；土壤侵蝕發(fā)生率最低的寒武系，僅為24.06%，而奧陶系、寒武系土壤侵蝕發(fā)生率差異不大。從不同地層土壤侵蝕發(fā)生率來看，研究區(qū)域土壤發(fā)生侵蝕從易到難依次為三疊系（46.36%）gt;侏羅系（40.32%）gt;二疊系（34.59%）gt;奧陶系（25.17%）gt;寒武系（24.06%）。

2.4 地層與土壤侵蝕相關(guān)關(guān)系

由圖5可知，研究區(qū)域以二疊系、三疊系廣泛出露，出露總面積達到303263.12hm2，占研究區(qū)域總面積的86.52%，而二疊系、三疊系出露面積已發(fā)生侵蝕的面積分別為52964.56和69616.4hm2，分別占已侵蝕總面積的38.74%和50.92%，而其他地層出露面積已發(fā)生侵蝕占侵蝕面積的46.48%。研究區(qū)域主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，在不同地層下，隨著侵蝕強度等級的增強，侵蝕面積逐漸減少，侵蝕強度等級與侵蝕面積總體上成負相關(guān)關(guān)系[6-7]。隨著侵蝕強度等級增強，侵蝕面積變化最快的是二疊系和三疊系，隨著侵蝕強度增強，面積變化呈先慢后快的趨勢，其余地層隨著侵蝕強度等級增強，面積變化不明顯，但總體上都是呈負相關(guān)狀態(tài)。

侵蝕面積與侵蝕等級強度變化速率各為不一，其中奧陶系、三疊系、二疊系隨著侵蝕強度等級升高，面積速率變化先成負相關(guān)關(guān)系后成正相關(guān)關(guān)系；而寒武系一直成負相關(guān)關(guān)系；侏羅系先成負相關(guān)關(guān)系后成正相關(guān)關(guān)系再成負相關(guān)關(guān)系[8]。總體上來說，大方縣不同時代地層土壤侵蝕面積總體趨勢是逐漸減少的，這可能是由于研究區(qū)域近幾年重視生態(tài)環(huán)保，大量的植樹造林，導致林草植被覆蓋度高，植被綠化好，有些地方劇烈侵蝕增強可能處于地層邊緣地帶，坡度陡然增加導致的[9-11]。

2.5 不同巖性土壤侵蝕發(fā)生率

由圖6可知，不同巖性土壤侵蝕平均發(fā)生率38.95%，其中白云巖和石灰?guī)r土壤侵蝕發(fā)生率高于平均發(fā)生率，砂巖和頁巖土壤侵蝕發(fā)生率低于平均發(fā)生率。大方縣巖性土壤侵蝕發(fā)生率差異不大，巖性侵蝕發(fā)生率最大的白云巖與最小的砂巖僅有0.93個百分點之差。最大巖性侵蝕發(fā)生率為白云巖，巖性侵蝕發(fā)生率達到39.55%，其次是石灰?guī)r，侵蝕發(fā)生率達到38.97%，頁巖侵蝕發(fā)生率38.67%，土壤侵蝕發(fā)生率最低的是砂巖，侵蝕發(fā)生率38.62%。

整體來看，石灰?guī)r與白云巖土壤侵蝕發(fā)生率較高，充分說明了土壤侵蝕發(fā)生率和土壤侵蝕強度與灰?guī)r和白云巖的分布有相關(guān)關(guān)系。主要原因可能是研究區(qū)灰?guī)r和白云巖的可溶性巖石純度最高，土壤繼承巖性的特點更完整，所以石灰?guī)r與白云巖在土壤產(chǎn)生過程中土壤侵蝕的發(fā)生率高[12]。

2.6 不同巖性下侵蝕等級分布

由圖7可知，大方縣土壤侵蝕中不同巖性的分布具有明顯的差異，在不同侵蝕強度下這種差異更為明顯。在不同巖性基底下土壤侵蝕等級的分布情況，微度侵蝕所占的比例相較于其他侵蝕等級所占比例都大，在白云巖中占13.99%、在砂巖中占7.05%；最高占比在石灰?guī)r中占27.01%、在頁巖中占12.95%。輕度侵蝕和中度侵蝕次之，極強烈侵蝕和劇烈侵蝕都相對較小。中度侵蝕在石灰?guī)r中比例最大，為3.48%；其次在白云巖中占1.38%。中度侵蝕及中度以上侵蝕等級在白云巖中占1.98%、在砂巖中占1.28%、在石灰?guī)r中占5.34%及在頁巖中占2.77%，雖然中度侵蝕及中度以上侵蝕等級在大方縣主要巖性分布中占比不大，但大方縣屬于石漠化水土流失嚴重地區(qū)之一，不應忽視治理[13]。已發(fā)生侵蝕占比情況中石灰?guī)r（17.25%）gt;白云巖（9.15%）gt;頁巖（8.17）gt;砂巖（4.44%）。

在研究區(qū)域內(nèi)，大方縣不同巖性下高強度侵蝕等級表現(xiàn)都不明確，侵蝕等級的差別主要表現(xiàn)在微度侵蝕和輕度侵蝕中，可能主要是由于大方縣近幾年在生態(tài)環(huán)保、退耕還林還草上更加重視，植被覆蓋度高，加之務工人員大量外出，受到人為開荒種地干擾較少，導致高強度等級侵蝕不明顯[14]。

2.7 巖性與土壤侵蝕相關(guān)關(guān)系

大方縣以石灰?guī)r和白云巖面積分布最廣，最容易發(fā)生土壤侵蝕，出露總面積達到236301.4hm2，占行政區(qū)域總面積的67.41%，出露面積達到已發(fā)生侵蝕的面積分別為32089.51和60468.55hm2，分別占總已侵蝕總面積的23.47%和44.23%。由圖8可知，大方縣主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，在不同巖性下，隨著侵蝕強度等級的增強，侵蝕面積逐漸減少，侵蝕強度等級與巖性侵蝕面積總體上成負相關(guān)關(guān)系。隨著侵蝕強度等級增強，石灰?guī)r面積變化速率最快，其次頁巖面積變化速率次之，面積變化速率最慢的是白云巖，呈先慢后快的趨勢。不同巖性分布與土壤侵蝕強度之間有著明顯的相關(guān)關(guān)系，說明巖性軟弱性決定了研究區(qū)土壤侵蝕發(fā)生的難易程度，即巖石抗蝕能力弱與土壤侵蝕成負相關(guān)關(guān)系，即巖石理化性質(zhì)決定了其抗蝕能力大小，土壤抗蝕性能力越大，說明土壤結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定，其抵抗徑流對土壤本身的沖刷分散及懸浮能力就越強，土壤越不易分散，使其不容易被雨水沖走，所以土壤抗沖性就越強，越不容易發(fā)生水土流失[15-16]。

從面積變化速率來看，4種巖性都表現(xiàn)出侵蝕等級的升高，侵蝕面積的變化速率先降低后升高，即侵蝕面積變化速率與侵蝕等級先成負相關(guān)關(guān)系后成正相關(guān)關(guān)系。雖然大方縣高強度侵蝕等級面積和范圍較小，劇烈侵蝕面積都占比很小，但由于大方縣高強度侵蝕主要集中于西南片區(qū)，土地利用率較高，人為因素較大，加之該片區(qū)植被覆蓋度低，所以不容小覷該地方水土流失情況。

3 結(jié)束語

研究區(qū)域內(nèi)已發(fā)生土壤侵蝕面積136705.87hm2，占全縣總面積的39.01%，以輕度侵蝕和中度侵蝕為主，分別占已發(fā)生侵蝕面積的70.89%和17.00%，未侵蝕或者不明顯侵蝕面積213823.13hm2，占總面積的60.99%。總體分布呈由北向南地表土層逐漸變薄、基巖裸露程度增大、植被覆蓋逐漸降低，林業(yè)森林資源差，導致土壤侵蝕逐漸增強。

耕地主要集中在西南片區(qū)，土地相對平整，人文因素干預較大，農(nóng)業(yè)資源相對好，土壤侵蝕嚴重，導致外營力大于土壤自身黏合力，產(chǎn)生土壤移動，養(yǎng)分流失，從而致使水土流失，所以想要控制水土流失，就必須提高土壤黏和力或者減小外動力作用。研究不同地層年代、巖組類型等地質(zhì)條件下土壤侵蝕在空間分布上的差異特征、不同巖性與水土流失地質(zhì)尺度上的分布相關(guān)性，從宏觀空間尺度上研究地層巖性對區(qū)域土壤侵蝕空間分布的影響，對提高土壤黏和力，減小外動力可提供參考方案，對今后面源污染的治理、土壤耕地保護和利用、生產(chǎn)建設(shè)活動及生態(tài)環(huán)境建設(shè)、農(nóng)業(yè)資源的合理開發(fā)及可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。