果化巖溶峰叢洼地土壤侵蝕特點(diǎn)及土地利用方式研究

近年來(lái)，許多科學(xué)家對(duì)巖漿巖流失過(guò)程和特點(diǎn)進(jìn)行了一些研究，發(fā)現(xiàn)了不同巖漿巖區(qū)的差異很大（蔣忠義等人，2008）。由于巖溶區(qū)表層帶溶蝕孔隙、裂隙、管道等發(fā)育,土壤地下漏失現(xiàn)象普遍存在(張信寶等,2007;唐益群等,2008;羅為群等,2008),其中以巖溶峰叢洼地土壤地下漏失最為嚴(yán)重(曹建華等,2008),這在一定程度上限制了傳統(tǒng)土壤侵蝕研究方法在巖溶區(qū)域的應(yīng)用。本文以廣西平果縣果化巖溶生態(tài)研究基地為例,通過(guò)定期監(jiān)測(cè)土壤動(dòng)態(tài)變化及地表侵蝕和地下漏失量,分析揭示巖溶峰叢洼地不同地貌部位和不同土地利用方式下的水土流失差異;并以此為基礎(chǔ),探索巖溶區(qū)石漠化及水土流失綜合防治對(duì)策和措施,為我國(guó)西南石漠化綜合治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)途徑。研究區(qū)位于廣西平果縣果化鎮(zhèn)龍何屯,介于北緯23°22′30″—23°24′32″、東經(jīng)107°22′30″—107°24′47″之間(圖1),為典型的巖溶峰叢洼地,地層主要為石炭系上統(tǒng),巖石主要為純石灰?guī)r。區(qū)內(nèi)峰叢山體巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,地表、近地表的溶溝、溶槽、溶孔、溶穴、溶痕及石芽等發(fā)育,厚度大多3~5m,局部6.5~9.0m,構(gòu)成表層巖溶帶,成為水循環(huán)的重要調(diào)蓄帶(蔣忠誠(chéng)等,1999)。洼地有較多落水洞、豎井、天窗、巖溶裂隙,是降雨坡面產(chǎn)流的主要排水點(diǎn)。治理以前,區(qū)域內(nèi)森林被嚴(yán)重破壞,石漠化及水土流失嚴(yán)重,旱澇災(zāi)害頻繁,森林覆蓋率小于1%,植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以次生灌草為主,土地利用類型主要為耕地和灌草坡。2001年以來(lái),在研究區(qū)實(shí)施了“十五”國(guó)家科技攻關(guān)課題“巖溶峰叢洼地生態(tài)重建技術(shù)與示范”和“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“喀斯特峰叢山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)研究”等項(xiàng)目,建立了平果石漠化綜合治理示范區(qū)和巖溶生態(tài)研究基地,面積約10km2(蔣忠誠(chéng)等,2009),土地利用結(jié)構(gòu)不斷改善。本研究主要在研究基地核心區(qū)龍何上峰叢洼地開展(圖1)。1學(xué)習(xí)方法1.1地表徑流法土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)根據(jù)龍何上峰叢洼地系統(tǒng)地形地貌、土地利用情況、土壤分布、水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育強(qiáng)度等野外調(diào)查資料,將龍何上峰叢洼地系統(tǒng)劃分成32個(gè)土地單元,在每個(gè)土地單元內(nèi)選擇代表性的樣方,洼地按50m×50m、緩坡地按10m×10m、陡坡地按5m×5m,測(cè)量坡度、土層厚度、土被覆蓋率、植被覆蓋度、表層帶裂隙度、裸巖率等主要參數(shù)。通過(guò)6次重復(fù)測(cè)量,取平均值。根據(jù)研究區(qū)土壤分布的特點(diǎn),采用埋樁法、劃痕跡法,坡面徑流泥沙分析法和沉沙池法監(jiān)測(cè)土壤侵蝕(龍俐等,2005;張洪江等,2000)。2006年4月,在每個(gè)土地單元的代表性樣方內(nèi)埋設(shè)木樁6個(gè),并采用油漆在巖土交接處劃痕跡30處,共約200個(gè)木樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)和930個(gè)劃痕監(jiān)測(cè)點(diǎn),以后每年4月進(jìn)行回收測(cè)量,估算每1年度不同地貌部位、不同土地利用方式的年平均土壤侵蝕厚度,監(jiān)測(cè)結(jié)果取多年(2006—2010年)平均值見表1。再根據(jù)土壤容重、土被覆蓋率計(jì)算出埋樁與劃痕法土壤侵蝕模數(shù)。同時(shí),選擇2個(gè)自然匯水坡面徑流場(chǎng)和2個(gè)小流域水土流失觀測(cè)站,采用坡面徑流泥沙分析法和沉沙池法相結(jié)合的方法(李智廣等,2005),估算不同地貌部位和不同土地利用方式由地表徑流產(chǎn)生的土壤侵蝕模數(shù)(張信寶等,2006),輸移比取0.75(文安邦等,2003;彭建等,2001)。我們將劃痕法土壤侵蝕模數(shù)作為坡面土壤總侵蝕模數(shù),徑流法土壤侵蝕模數(shù)作為地表土壤侵蝕模數(shù),兩者差值即為地下土壤侵蝕模數(shù)。依據(jù)自然分水嶺,建立石漠化綜合治理區(qū)和石漠化未治理區(qū)2個(gè)小流域水土流失監(jiān)測(cè)站,分坡耕地、退耕蘇木林地、退耕牧草地、退耕苦丁茶地、灌草坡5個(gè)土地利用類型區(qū)建成5個(gè)水土流失徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)站。從2008年開始,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)石漠化治理后不同土地利用方式的地表水土流失強(qiáng)度。1.2樣品的采集和處理巖溶區(qū)土壤異質(zhì)性分布引起137Cs沉降分布的異質(zhì)性,因此,土樣采集采取混合樣法(Brown,1981;Collins,2001),每層樣品3個(gè)樣點(diǎn)混合。2010年11月,沿著坡面從峰坡到洼地底布設(shè)采樣剖面帶,沿坡面每隔一定距離,采集土壤剖面分層樣。2011年8月補(bǔ)充采集不同土地利用方式土壤剖面分層樣。巖溶石山區(qū)坡地土壤異質(zhì)性強(qiáng),而且土層較薄,土壤剖面分層樣采集往往找不到標(biāo)準(zhǔn)的取樣土塊。在采集土壤剖面分層樣時(shí)根據(jù)實(shí)際情況,用卷尺量取30cm×10cm、20cm×20cm、10cm×10cm的樣塊,然后用刮刀刮取土壤分層樣(Felipe,2003;馮騰,2011)。表層采集0~2cm厚度,以下各層依次按5cm分層厚度采樣,坡面土壤采樣深度直到基巖面,土壤層較厚的洼地底的采樣深度為120cm。采用環(huán)刀取樣測(cè)定土壤容重。每個(gè)地貌部位或土地類型采集3~5個(gè)代表點(diǎn),每層土壤樣混勻,除大顆粒礫石,用四分法取1kg左右土樣帶回,用作137Cs測(cè)試分析,共采集土樣210個(gè)。研究區(qū)137Cs本底值樣品采自龍何屯村后植被保護(hù)較好的山腰一塊較為平坦的灌草地(Lowrance,1988;Collins,2001;鄭永春,2002)。據(jù)訪問(wèn),該處40多年未受到擾動(dòng),采樣深度直到巖面,土壤平均厚度為25cm。1.3比活度測(cè)試結(jié)果野外采集的土壤樣品,經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩和稱量后封裝待用。137Cs樣品送核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心,用ORRECGMX50型高純鍺γ能譜儀測(cè)定137Cs比活度,每次測(cè)量時(shí)間50000s,樣品重量約500g,測(cè)試誤差±5%。土樣經(jīng)測(cè)試得到樣品的137Cs質(zhì)量活度,采用以下公式計(jì)算出土壤剖面137Cs的面積活度(張笑楠,2009;馮騰,2011):式中,CPI表示樣點(diǎn)的137Cs面積活度(mBq/cm2),i為采樣層序號(hào),n為采樣層數(shù),Ci為采樣層的137Cs質(zhì)量活度(mBq/g),Bdi為i采樣層的土壤容重(g/cm3),Di為i采樣層的深度(cm)。2不同環(huán)境下的土壤侵蝕不同2.1不同地形地貌土壤侵蝕由表1可知,從峰坡到坡麓部位,灌草坡平均土壤侵蝕厚度分別為0.47cm/a、0.65cm/a、0.46cm/a、0.53cm/a,土壤抗侵蝕年限由小于10年增加到30~40年,土壤總侵蝕模數(shù)分別為53.11t/(km2·a)、220.35t/(km2·a)、494.38t/(km2·a)、1048.08t/(km2·a),其中地表土壤侵蝕分別占7.56%、3.76%、24.28%、23.80%,地下土壤侵蝕分別占92.44%、96.24%、75.72%、76.20%。地下侵蝕的相對(duì)貢獻(xiàn)率和平均土壤侵蝕厚度以陡坡最高,緩坡部位最小,總體上沿坡面向下逐漸減少,地下侵蝕相對(duì)貢獻(xiàn)率與土壤侵蝕厚度正相關(guān)。耕地主要分布在緩坡、坡麓和洼地底部,自緩坡到洼地底部,耕地平均土壤侵蝕厚度分別為0.94cm/a、0.76cm/a、0.32cm/a,土壤抗侵蝕年限由10~15年增加到大于100年,土壤總侵蝕模數(shù)分別為1327.75t/(km2·a)、2149.83t/(km2·a)、2350.40t/(km2·a),其中地表土壤侵蝕分別占18.58%、34.44%、61.32%,地下土壤侵蝕分別占81.42%、65.56%、38.68%。土壤侵蝕均以地下侵蝕為主,但平均土壤侵蝕厚度、地下侵蝕相對(duì)貢獻(xiàn)率逐漸減少,地下土壤侵蝕相對(duì)貢獻(xiàn)率與土壤侵蝕厚度正相關(guān),土壤總侵蝕模數(shù)和地表土壤侵蝕模數(shù)逐漸增加。緩坡部位,耕地與灌草坡比較,土壤總侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕厚度和地下侵蝕相對(duì)貢獻(xiàn)率均顯著增加,說(shuō)明人為活動(dòng)加劇了土壤侵蝕,尤其加劇了緩坡部土壤的地下侵蝕。坡麓部位,耕地與灌草坡比較,地表、地下土壤侵蝕均增加,尤以地表土壤侵蝕增加最快,地表侵蝕相對(duì)貢獻(xiàn)率相比高出10.64%,人為耕種對(duì)坡麓部位地表侵蝕的影響大于地下侵蝕。洼地底部幾乎全部開墾成耕地,洼地土壤侵蝕厚度最小,局部有泥沙沉積,而土壤侵蝕模數(shù)最高,與洼地土被覆蓋率相對(duì)偏高有關(guān),且以地表侵蝕為主。2.2不同石漠化治理模式對(duì)不同土壤侵蝕強(qiáng)度的影響從2008年開始,選擇5個(gè)石漠化治理類型區(qū)建立水土流失徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)站,包括自然恢復(fù)灌草坡、人工牧草地、坡耕地、苦丁茶地、蘇木林地,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同石漠化治理類型區(qū)地表土壤侵蝕模數(shù)。2003年以前,各土地類型區(qū)石漠化嚴(yán)重,除灌草坡退耕幾年外,其他各類型區(qū)均為坡耕地。從2003年開始實(shí)施了退耕還林還草等治理措施,2008年為石漠化治理后第4年,監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2、圖2。由表2可知,2008—2012年的平均土壤侵蝕模數(shù)為坡耕地>苦丁茶地>蘇木林地>灌草坡>牧草地。從不同土地類型區(qū)歷年的土壤侵蝕比較看(圖2),坡耕地土壤侵蝕模數(shù)始終保持較高,有逐年增加的趨勢(shì),而其他各類型區(qū)土壤侵蝕模數(shù)逐年減少。不同土地類型區(qū)土壤侵蝕差異較大,2008年的土壤侵蝕模數(shù)為蘇木林地>苦丁茶地>灌草坡>坡耕地>牧草地,蘇木林地、苦丁茶地和灌草坡土壤侵蝕均較高,只有牧草地土壤侵蝕小于坡耕地;2009年的土壤侵蝕模數(shù)大小為坡耕地>苦丁茶地>灌草坡>蘇木林地>牧草地,蘇木林地、苦丁茶地和灌草坡土壤侵蝕小于坡耕地,但仍較高;2010年的土壤侵蝕模數(shù)大小為坡耕地>苦丁茶地>蘇木林地>牧草地>灌草坡,苦丁茶地和坡耕地土壤侵蝕模數(shù)較高,而牧草地、蘇木林地和灌草坡的土壤侵蝕模數(shù)差異減少,均減少到10t/(km2·a)左右;2011、2012年的土壤侵蝕模數(shù)大小均為坡耕地>苦丁茶地>蘇木林地>灌草坡>牧草地,坡耕地土壤侵蝕最強(qiáng),牧草地土壤侵蝕最小。綜合以上分析表明,不同石漠化治理模式對(duì)于治理石漠化防治水土流失均有較好的效果,但防治效果差異較大,牧草地水土保持效果最好,可作為石漠化治理保持水土優(yōu)先考慮的治理措施,其次是自然恢復(fù)的灌草坡,再次是蘇木林區(qū),苦丁茶區(qū)效果最差。主要是因?yàn)榭喽〔栉闯闪?茶樹間仍被耕種為玉米地,另一方面也可能因?yàn)閺搅鲄^(qū)的面積較小,影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。蘇木林區(qū)水土保持效果較灌草坡差,表明單純的退耕還林,在樹木未成林以前,水土流失仍較嚴(yán)重,需要在林下配套灌草等措施,待樹木成林后,才能達(dá)到保持水土的效果。因此,為了有效防治水土流失和石漠化,在退耕還林后一定時(shí)期內(nèi),至少7年以上的時(shí)間內(nèi),配套種植牧草,可以起到更好的效果,而單獨(dú)的退耕還林措施短期內(nèi)防治水土流失的效果較差。從不同石漠化治理模式下石漠化程度演變來(lái)看(表3),土壤侵蝕強(qiáng)度與石漠化程度演變正相關(guān)。灌草坡、牧草地、苦丁茶地和蘇木林地隨著土壤侵蝕模數(shù)逐年減少,石漠化程度也逐年減弱,而重度石漠化區(qū)土壤侵蝕模數(shù)始終保持較高,有逐年增加的趨勢(shì)。從不同等級(jí)石漠化區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度來(lái)看,總體上表現(xiàn)出中度區(qū)>重度區(qū)>輕度區(qū)>潛在區(qū)>非石漠化區(qū);中度以下石漠化區(qū),水土流失強(qiáng)度隨石漠化程度增加而增加;當(dāng)水土流失導(dǎo)致石漠化發(fā)展到重度以上石漠化階段時(shí),地表主要為裸露巖石覆蓋,可流失的土壤面積較少,土壤侵蝕模數(shù)開始下降,小于中度石漠化區(qū),但是仍然高于輕度以下石漠化區(qū),且隨著石漠化程度的加劇總體上呈增加趨勢(shì);水土流失與石漠化互為促進(jìn)關(guān)系,但是在中度石漠化和重度石漠化之間存在一個(gè)拐點(diǎn)。同一石漠化等級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度的差異主要與人類活動(dòng)的強(qiáng)度、治理恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)植被種類有關(guān)。采用林草措施在石漠化治理的第4年以后,可由中度石漠化區(qū)演變成輕度石漠化區(qū),灌草坡自然封育恢復(fù)10多年后由中度石漠化區(qū)演變?yōu)闈撛谑瘏^(qū),采用人工種植牧草在水肥管理較好的條件下8年后可由中度石漠化區(qū)演變?yōu)闈撛谑瘏^(qū),但牧草種植需加大投入解決水肥問(wèn)題。由表4可知,5種土地利用類型的137Cs面積活度介于1.87~43.96mBq/cm2之間,與本底值相比流失比介于68.23%~98.68%之間,流失比非常大,表明自1963年以來(lái)研究區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的水土流失(Yangetal.,1998),這與研究區(qū)治理以前水土流失嚴(yán)重并導(dǎo)致的嚴(yán)重石漠化景觀相符。除灌草坡外,其他4種土地類型2003年以前均為耕地,且石漠化嚴(yán)重,2003年開始實(shí)施退耕還林和自然修復(fù)措施,土地利用方式發(fā)生變化,導(dǎo)致不同土地類型水土流失的較大差異。137Cs面積活度大小為牧草地>蘇木林地>苦丁茶地>灌草坡>坡耕地,面積活度流失比大小為坡耕地>灌草坡>苦丁茶地>蘇木林地>牧草地,除灌草坡外,其他4類土地137Cs面積活度流失比與徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)的平均地表土壤侵蝕模數(shù)正相關(guān)。各地類137Cs面積活度流失比均較大,表明自1963年以來(lái)發(fā)生了強(qiáng)烈的水土流失。灌草坡137Cs面積活度流失比偏大,一方面由于灌草坡坡度最大,治理以前發(fā)生了相對(duì)更強(qiáng)烈的水土流失,另一方面由于137Cs主要集中在非農(nóng)耕地表層,相同的土壤流失較耕地導(dǎo)致更多的137Cs流失,因此治理以后盡管地表水土流失強(qiáng)度較苦丁茶地和蘇木林地小,但其137Cs面積活度流失比仍然大于苦丁茶地和蘇木林地。137Cs面積活度流失比反應(yīng)了土壤流失的強(qiáng)度,結(jié)果同樣表明,坡耕地土壤流失最強(qiáng),流失比已經(jīng)達(dá)到了98.68%,幾乎全部流失;牧草地水土保持效果最好,其次是自然恢復(fù)的灌草坡,再次是蘇木林地,苦丁茶地效果最差。由圖3可知,典型土壤剖面137Cs的分布深度達(dá)到巖土界面,且?guī)r土界面比活度較高,說(shuō)明土壤剖面137Cs存在隨水土由巖土界面裂隙流失的特點(diǎn),且地下漏失較強(qiáng)。目前的技術(shù)還很難判定到底有多少137Cs及相應(yīng)的土壤通過(guò)地下漏失。一般耕地土壤137Cs主要集中在耕作層內(nèi),非農(nóng)耕地137Cs主要集中在0~10cm土壤范圍內(nèi)(Li,2007;Correchel,2006;Wang,2008)。研究區(qū)耕作層厚度為12cm,因此,我們嘗試依據(jù)耕作層或非農(nóng)耕地10cm以下137Cs面積活度占整個(gè)土壤剖面137Cs面積活度的比例來(lái)粗略判斷巖溶區(qū)土壤地下漏失強(qiáng)度,并將其稱為137Cs面積活度地下漏失比。其中,苦丁茶地、蘇木林地和牧草地在治理以前為耕地,地下漏失比按耕作層以下計(jì)算,坡耕地由于地表流失強(qiáng)烈,并且依據(jù)其137Cs剖面分布特征來(lái)看,在0~7cm分布比較均勻,因此地下漏失比按7cm以下計(jì)算。由表4可知,除灌草坡和苦丁茶地外,其它地類137Cs地下漏失比較大,最大達(dá)到53.96%,這也說(shuō)明1963年以來(lái)土壤地下漏失嚴(yán)重。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)灌草坡土壤主要是通過(guò)垂向徑流侵蝕、蠕滑侵蝕和崩塌侵蝕向地下漏失,而灌草坡137Cs主要集中在土壤表層,其底層土壤的漏失和土壤整體下移不一定伴隨表層土壤137Cs沿土壤剖面向下漏失,因此,137Cs示蹤法不適宜巖溶區(qū)灌草坡土壤地下漏失的研究?？喽〔璧?37Cs地下漏失比偏小,可能由于該點(diǎn)土被覆蓋率較高,表層帶裂隙、溶溝、溶穴等不發(fā)育,巖層傾向與坡向一致,導(dǎo)致其土壤地下漏失較少,這也是苦丁茶地地表土壤流失相對(duì)偏大的原因之一。因此,在研究巖溶區(qū)水土流失時(shí),必須結(jié)合表層帶介質(zhì)空間發(fā)育情況、傾向與坡向關(guān)系、土壤地下漏失方式、土壤覆蓋率和土地利用方式綜合考慮。3科學(xué)種植土地利用針對(duì)巖溶峰叢洼地上述水土流失特點(diǎn),水土流失防治必須分地貌部位因地制宜實(shí)施水土保持生物或工程技術(shù)措施。山峰及陡坡部位。以發(fā)展水源林和防止雨水沖刷為主要目標(biāo)。重點(diǎn)是封山育林,輔以人工造林,營(yíng)造涵養(yǎng)水源的常綠落葉闊葉混交林,以涵養(yǎng)區(qū)域表層巖溶泉水資源,為解決干旱缺水問(wèn)題服務(wù)。在土壤極缺的嚴(yán)重石漠化坡面,先用客土填充溶溝、溶槽、溶洞,重點(diǎn)發(fā)展藤本常綠植物。緩坡部位。包括埡口和山麓,是防治水土地下漏失的重要部位,也是當(dāng)?shù)丶Z食作物和經(jīng)濟(jì)作物的重要種植區(qū),以發(fā)展不翻動(dòng)土壤的特色經(jīng)濟(jì)植物為主,通過(guò)種植籬技術(shù),構(gòu)成“綠色籬笆”(羅為群等,2013)。糧食作物盡量種植在夏末至春初降雨較小的季節(jié)。裸巖出露的部位,盡量采用客土填充或種植藤本或常綠灌木,以防止水土順巖面向下漏失。洼地或谷地。實(shí)施工程措施與生物措施結(jié)合,以工程措施為主。首先,通過(guò)合理規(guī)劃,科學(xué)修建排水溝、落水洞坊等洼地排水系統(tǒng),既保護(hù)耕地,又加速洼地水的排泄而不造成內(nèi)澇;其次,在洼地或谷地經(jīng)常受水淹的低洼部位,種植任豆、銀合歡等豆科速生樹,配套種植牧草或藤本灌木,實(shí)施牧草+樹、藤灌+喬木的立體種植(李先琨等,2008),既提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益,又防治雨洪時(shí)期的水土流失。不同土地利用方式的水土防治效果差別很大,但要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益。對(duì)于耕地和經(jīng)濟(jì)林地,關(guān)鍵是要注意糧草結(jié)合或林草結(jié)合,特別是對(duì)于水土流失最嚴(yán)重的坡耕地和疏林地,雨季需配套種植牧草才能有效降低水土流失量。在石漠化綜合治理過(guò)程中,因綜合考慮了不同地貌部位和不同土地利用方式下的合理措施,故果化示范區(qū)水