典型喀斯特土壤侵蝕特征

典型喀斯特土壤侵蝕特征

貴州省的喀斯特石漠化已成為該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙之一。除了地質(zhì)和歷史時期的長期影響外，石漠化過程中的不合理使用和人類社會的影響是加快石漠化的重要因素。人類對土壤的加速侵蝕促進了石漠化的進一步發(fā)展?？λ固氐貐^(qū)土壤侵蝕與石漠化研究,在基于地質(zhì)條件的成因研究方面已有一些成果,但主要表現(xiàn)發(fā)生在地質(zhì)歷史時期的宏觀區(qū)域分異;目前研究的主流仍然是從土壤理化性質(zhì)出發(fā),從機理上分析土壤過程與石漠化過程。同時,喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究也有一些成果,有些學(xué)者從巖性、地貌、人類活動等方面詳細剖析了土壤侵蝕性退化的成因機理,利用3S技術(shù)評價石漠化地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險性,測驗和計算出了喀斯特區(qū)土壤可蝕性K值。這些研究均在不同程度上揭示了土壤侵蝕與石漠化成因及本底條件,但仍無法反映喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的總體特征以及土壤侵蝕與石漠化的關(guān)系。人類活動的影響主要表現(xiàn)為土地利用方式的變更,不同地類對土壤侵蝕的影響方面的研究僅見少量報道,且研究指標較為單一,整體上這方面研究仍顯薄弱。本研究以喀斯特地貌發(fā)育較為典型的貴陽市為研究區(qū)域,從不同地類的土層厚度、土壤力學(xué)性能(緊實度、土壤內(nèi)摩擦角)、土壤崩解性及抗沖性等指標綜合反映喀斯特地區(qū)土地利用方式對土壤侵蝕的影響,揭示人類開墾過程對土壤侵蝕的加速作用,闡明土壤侵蝕過程與石漠化的關(guān)系,研究結(jié)果可為喀斯特地區(qū)石漠化治理提供科學(xué)參考。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1氣候特點分析貴陽市位于貴州省中部偏北,地處東經(jīng)106°07′—107°17′,北緯26°11′—27°22′,地處云貴高原的東斜坡,總面積8034km2。地形、地貌走勢大致呈東西向延展,地勢起伏較大?？λ固氐孛舶l(fā)育,既有高原山地、丘陵、盆地、河谷、臺地等地形,最高海拔為1762m,最低506m。區(qū)內(nèi)氣候具有明顯的高原性季風(fēng)性氣候特點。溫和濕潤,雨量充沛,年均降雨量1200mm,年均氣溫15.3℃。區(qū)內(nèi)地層出露較全,喀斯特地貌多發(fā)育于寒武系婁山關(guān)群(∈2-3ls)、奧陶系中上地層(O2-3)、石炭系(C)、二疊系的棲霞組(P1q)和茅口組(P1m)以及三疊系(T)地層上,主要巖性為純灰?guī)r、泥灰?guī)r、純白云巖及泥質(zhì)白云巖。1.2不同土地利用現(xiàn)狀調(diào)查根據(jù)黔中地區(qū)碳酸鹽類巖石的分布特點,石灰?guī)r區(qū)主要為三疊系下統(tǒng)的大冶組(T1d)、石炭系上統(tǒng)馬坪組(C3m)、二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)和茅口組(P1m),白云巖分布區(qū)主要為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)、中統(tǒng)貴陽組(T2g)和花溪組(T2h),土壤類型為石灰土。按坡耕地、灌叢地和林地這3種土地利用現(xiàn)狀布置樣地進行土壤剖面調(diào)查、試樣測定分析、剪切試驗及室內(nèi)沖刷模擬試驗,實測不同地類土壤的理化性質(zhì)、土力學(xué)特性、土壤崩解性及沖刷模數(shù)等指標。共計調(diào)查坡耕地樣地17個,灌叢地16個,林地9個。坡耕地取樣深度均為20cm,灌叢地和林地按土壤剖面層次取樣。1.2.1土壤條件及基本特征土壤的土力學(xué)特性是影響土壤侵蝕的直接因素,是受土壤理化性質(zhì)控制的綜合指標,因而能直接體現(xiàn)土壤抗蝕特性。采用土壤緊實度及土壤內(nèi)摩擦角作為土壤土力學(xué)性質(zhì)指標。土壤緊實度用浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)的緊實計在土壤剖面上分層次以垂直于剖面的方向測定,單位為g/cm3。同時,用美國DICKEY-john6100型緊實度儀進行對照測定,單位為kPa。采用直剪儀在室內(nèi)對土壤剖面不同層次所取的原狀土剪切樣進行不同荷載下的剪切試驗,利用庫倫定律,測定土壤內(nèi)摩擦角。1.2.2崩解測定方法土壤的崩解性可以反映土壤在抗蝕抗分散方面的特性,是土壤侵蝕特性的一個綜合指標。具體測定方法如下:(1)在野外土壤剖面不同層次取5cm×5cm×5cm的原狀土崩解樣;(2)室內(nèi)將崩解樣置于自制的帶浮標鐵絲網(wǎng)上,放入靜水中崩解;(3)測定土樣崩解時間與崩解量,計算土樣崩解速率。1.2.3沖刷模數(shù)的測定針對喀斯特地區(qū)不同地類及不同土壤剖面層次,利用沖刷樣取樣器取原狀土沖刷樣,在室內(nèi),用原狀土沖刷水槽以30ml/s的流量進行沖刷試驗,測定單位時間的土壤沖刷量,計算沖刷模數(shù)。土力學(xué)特性、土壤崩解及沖刷模數(shù)均屬受土壤理化性質(zhì)影響的綜合指標,能夠在總體上體現(xiàn)土壤的侵蝕特征。通過對以上實驗數(shù)據(jù)的整理,利用統(tǒng)計分析方法,進行單因素多組比較,研究不同地類對這些指標的響應(yīng),進而闡明人類耕作對土壤侵蝕與石漠化的加速作用。2統(tǒng)計學(xué)處理的數(shù)據(jù)分析通過對不同地類土層厚度,不同土層的緊實度、內(nèi)摩擦角、土壤崩解速率、沖刷模數(shù)等指標的測定,按指標歸類得到土層厚度、土壤力學(xué)性能、抗蝕抗沖性統(tǒng)計資料(表1)。在原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,進行3類土地利用現(xiàn)狀各類指標的組間差異性檢驗,得到表2所示結(jié)果。由表中可見,整體上,不同地類間在土層厚度、力學(xué)性能及土壤抗蝕抗沖性方面均有顯著的差異。2.1立地條件對土層厚度的影響土層厚度是喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的典型指標,它不僅體現(xiàn)了不同地類上成土的差異,更在很大程度上反映了土壤侵蝕的現(xiàn)狀與結(jié)果。根據(jù)表1—2,除了坡耕地與灌叢地間土層厚度差異顯著外,其余組間(坡耕地與林地、灌叢地與林地)差異并不顯著。這一現(xiàn)象說明在喀斯特地區(qū)受到人為活動影響較小的灌叢地土層狀況具有較強的完整性,厚度最大,而受人為活動影響強烈的坡耕地土壤侵蝕強烈,土層較薄,林地則由于受到一定程度的人為影響,其土層厚度界于前兩者之間。整體而言,喀斯特地區(qū)土壤土層較薄,多在30~50cm之間。3種地類的平均土層厚度為:灌叢地(42.4375cm)>林地(32.7778cm),坡耕地(30.6471cm)。由此可見,僅對土壤侵蝕而言,喀斯特地區(qū)人工林地并不是最佳的水土保持措施,而恢復(fù)天然喀斯特灌叢才是理想途徑。2.2坡耕地與林地的緊實度土壤緊實度是較為重要的土力學(xué)性質(zhì),是受土壤機械組成、有機質(zhì)含量及土壤水分等因子影響的綜合指標,它直接影響到土壤的可蝕性能與抗蝕能力。在一定意義上,土壤緊實度可以直接反映土壤的抗蝕特性。從表2的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,無論采用浙江農(nóng)大的緊實計還是美國DICKEY-john6100型緊實計進行測定,對于A層土及B層土,整體上均表現(xiàn)為:坡耕地<灌叢地<林地,坡耕地土壤緊實度只相當于林地土壤的1/3~1/4。同時,坡耕地與灌叢地之間土壤緊實度差異顯著、坡耕地與林地之間差異極顯著,而灌叢地與林地間差異不顯著,這充分說明了人為耕作活動對土壤緊實度的影響,即人為耕作造成了土壤力學(xué)性能的下降,加速了土壤侵蝕與石漠化過程。因而,喀斯特地區(qū)水土保持與石漠化治理過程中應(yīng)盡量減少對原狀土的破壞,應(yīng)保持土壤原有的力學(xué)性質(zhì)。在A層土與B層土的對比方面,由于坡耕地不分A層與B層,不論灌叢地還是林地,B層的緊實度均高于A層。這體現(xiàn)了植被系統(tǒng)、有機質(zhì)等因素對土壤力學(xué)性質(zhì)的影響。2.3不同地區(qū)的土壤條件對土壤摩擦角的影響土的內(nèi)摩擦角反映了土的摩擦特性,一般包含兩個部分:土顆料的表面摩擦力,顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。內(nèi)摩擦角影響土體的抗切強度及土壤抗沖刷能力。通過喀斯特地區(qū)土壤直剪試驗(表1),可以知道土壤內(nèi)摩擦角相對較為穩(wěn)定,不論是A層土還是B層土,不論是坡耕地還是灌叢地,內(nèi)摩擦角均在17°~18°之間,無明顯差異,并比紅黏土的內(nèi)摩擦角(7°~13°之間)略高。但對于林地而言,內(nèi)摩擦角較高,可達23°~25°,這說明在其他條件相同的情況下,林地土壤的抗剪強度及抗沖刷能力比坡耕地及灌叢地要強。2.4土壤侵蝕量指標土壤抗蝕性主要體現(xiàn)為土體抵抗水分散懸浮的能力,是土壤侵蝕的重要特征指標,在此用5cm×5cm×5cm的原狀土在靜水中的崩解速率表示;土壤抗沖性表示方法較多,且難有統(tǒng)一的指標,本研究采用在相同試驗條件下原狀土沖刷模數(shù)表示,用以反映不同地類間土壤在土壤侵蝕量方面的差異,沖刷模數(shù)屬綜合性指標。由試驗結(jié)果(表1—2)分析看出,整體上,不論A層或B層土,坡耕地土壤在崩解速度及沖刷模數(shù)方面均與灌叢地和林地存在顯著差異,表現(xiàn)為極易分散與流失嚴重的特點。在土壤崩解速率方面,坡耕地(0.9456cm3/s)>灌叢地(A層:0.1042cm3/s,B層:0.1839cm3/s)>林地(A層:0.0511cm3/s,B層:0.0414cm3/s)。灌叢地及林地A,B層間土壤崩解速率無顯著差異。在土壤沖刷模數(shù)[g/(cm2·s)]方面,坡耕地(88.6043)>灌叢地(A層:27.5400,B層:18.5182)>林地(A層:18.1444,B層:8.8429)。對于灌叢地與林地,A層土壤沖刷模數(shù)大于B層。同時,灌叢地與林地在土壤崩解速率及沖刷模數(shù)方面均無顯著差異。3林地與三種立地條件的土壤侵蝕總體特征(1)在喀斯特地區(qū),無論是土層厚度、土壤力學(xué)性質(zhì)還是土壤抗蝕抗沖性方