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(jì)發(fā)展的主要障礙之一。除了地質(zhì)和歷史時(shí)期的長期影響外，石漠化過程中的不合理使用和人類社會(huì)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(jìn)了石漠化的進(jìn)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(shí)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(jī)理上分析土壤過程與石漠化過程。同時(shí),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(dòng)等方面詳細(xì)剖析了土壤侵蝕性退化的成因機(jī)理,利用3S技術(shù)評價(jià)石漠化地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)性,測驗(yàn)和計(jì)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(dòng)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(bào)道,且研究指標(biāo)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(shí)度、土壤內(nèi)摩擦角)、土壤崩解性及抗沖性等指標(biāo)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(diǎn)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。喀斯特地貌發(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(diǎn)。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(diǎn),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(jìn)行土壤剖面調(diào)查、試樣測定分析、剪切試驗(yàn)及室內(nèi)沖刷模擬試驗(yàn),實(shí)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(biāo)。共計(jì)調(diào)查坡耕地樣地17個(gè),灌叢地16個(gè),林地9個(gè)。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(biāo),因而能直接體現(xiàn)土壤抗蝕特性。采用土壤緊實(shí)度及土壤內(nèi)摩擦角作為土壤土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。土壤緊實(shí)度用浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)的緊實(shí)計(jì)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(shí),用美國DICKEY-john6100型緊實(shí)度儀進(jìn)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(jìn)行不同荷載下的剪切試驗(yàn),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(gè)綜合指標(biāo)。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(biāo)鐵絲網(wǎng)上,放入靜水中崩解;(3)測定土樣崩解時(shí)間與崩解量,計(jì)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(jìn)行沖刷試驗(yàn),測定單位時(shí)間的土壤沖刷量,計(jì)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(biāo),能夠在總體上體現(xiàn)土壤的侵蝕特征。通過對以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理,利用統(tǒng)計(jì)分析方法,進(jìn)行單因素多組比較,研究不同地類對這些指標(biāo)的響應(yīng),進(jìn)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(jì)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(shí)度、內(nèi)摩擦角、土壤崩解速率、沖刷模數(shù)等指標(biāo)的測定,按指標(biāo)歸類得到土層厚度、土壤力學(xué)性能、抗蝕抗沖性統(tǒng)計(jì)資料(表1)。在原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行3類土地利用現(xiàn)狀各類指標(biāo)的組間差異性檢驗(yàn),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(biāo),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(dòng)影響較小的灌叢地土層狀況具有較強(qiáng)的完整性,厚度最大,而受人為活動(dòng)影響強(qiáng)烈的坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)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(shí)度土壤緊實(shí)度是較為重要的土力學(xué)性質(zhì),是受土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量及土壤水分等因子影響的綜合指標(biāo),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(shí)度可以直接反映土壤的抗蝕特性。從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,無論采用浙江農(nóng)大的緊實(shí)計(jì)還是美國DICKEY-john6100型緊實(shí)計(jì)進(jìn)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(shí)度只相當(dāng)于林地土壤的1/3~1/4。同時(shí),坡耕地與灌叢地之間土壤緊實(shí)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(dòng)對土壤緊實(shí)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(shí)度均高于A層。這體現(xiàn)了植被系統(tǒng)、有機(jī)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(gè)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(qiáng)度及土壤抗沖刷能力。通過喀斯特地區(qū)土壤直剪試驗(yàn)(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(dá)23°~25°,這說明在其他條件相同的情況下,林地土壤的抗剪強(qiáng)度及抗沖刷能力比坡耕地及灌叢地要強(qiáng)。2.4土壤侵蝕量指標(biāo)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(biāo),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(biāo),本研究采用在相同試驗(yàn)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(biāo)。由試驗(yàn)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(yán)重的特點(diǎn)。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(shí),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