滇東巖溶斷陷盆地地表/地下不同侵蝕場土壤的可蝕性

綦 璨， 范 弢， 陳進豪

(云南師范大學地理學部，云南省高原地理過程與環境變化重點實驗室，昆明 650500)

巖溶地區地表-地下二元三維立體空間結構的存在，導致其土壤侵蝕形成地表、地下復合侵蝕的模式，地表、地下侵蝕能相互轉換。目前對巖溶區地表侵蝕機理的認識較為明確，巖溶土壤地表侵蝕是化學溶蝕、重力侵蝕和流失侵蝕綜合作用的結果。而對地下漏失過程的研究還需深入，學者們對坡地土壤的主要侵蝕方式、地表土壤進入地下的主要通道存在爭議。但隨著土層深度的加深，淺層裂隙土壤砂粒、有機碳、大團聚體含量不斷減少，裂隙土壤結構穩定性逐漸下降。若其擁有較好通達度，連接地下巖溶管道系統，會造成土壤漏失，使裂隙成為土壤漏失的重要通道。

土壤可蝕性是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞性能的標準，是估算土壤侵蝕量、揭示土壤侵蝕機制、評價水土保持效益不可或缺的參數。西南巖溶地區對土壤可蝕性的研究，在空間上，涵蓋樣地、坡面、流域、行政區等各種尺度范圍。應用領域上，土壤可蝕性的計算結果被直接或間接地應用于巖溶土壤侵蝕評價、生態安全評價、生態承載力評價、石漠化評價等眾多領域?？梢哉f，土壤可蝕性已成為巖溶地區土壤侵蝕評估的重要手段。

土壤可蝕性通常用來表示，值是根據徑流小區實測的土壤流失量和雨強計算求得，其適用范圍有限，主要用于表示地表土壤侵蝕。此外，還可以用CSEI來評價土壤可蝕性，CSEI是通過綜合土壤可蝕性的影響因素，分析不同因素對土壤可蝕性作用的權重，結合各影響因素所占分值，對土壤可蝕性進行評價，其適用范圍更廣，且更具科學性。土壤結構穩定性指數(SSSI)、團聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)，也被廣泛應用于土壤可蝕性的評價。土壤養分是土壤團聚體形成的膠結劑，土壤的養分含量影響土壤團聚體的含量及分布。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，團聚體的穩定性及粒徑分布都會對土壤結構產生影響。土壤結構的破壞意味著土壤侵蝕的發生，土壤侵蝕則伴隨土壤養分的流失。土壤結構、養分與土壤可蝕性是相互作用、相互影響的關系。所以本文基于土壤可蝕性的影響因素，運用CSEI，對海峰巖溶盆地地表、地下土壤可蝕性進行綜合評價。

西南巖溶地區土壤侵蝕的治理措施主要為生態措施。立足于土壤結構、養分與土壤可蝕性相互作用的關系，利用植被恢復改變土壤特性，增加土壤養分，提高土壤微生物的活性，促進土壤團聚體的形成，改善土壤結構。同時，為土壤微生物提供能源和養分，促進有機質形成與積累，為植物根系提供大量養分，促進根系發育，增強土壤抗侵蝕能力，減少土壤侵蝕。綜合來說，就是利用植被-土壤-微生物的協同恢復效應，促進巖溶地區生態環境的恢復。

滇東海峰巖溶斷陷盆地是典型巖溶生態脆弱區，地形起伏大，土壤地表侵蝕現象嚴重；巖溶垂直發育強烈，裂隙、溶洞等地下巖溶地貌眾多，且其裂隙小生境土壤結構穩定性較差，抗侵蝕能力較弱，為土壤的漏失提供了重要通道，土壤漏失嚴重；其特殊的盆-山一體的地貌特征限制了斷陷盆地水-土-巖-植的空間分異格局，植被退化嚴重，石漠化面積較大。本文通過分析滇東海峰巖溶斷陷盆地土壤地表侵蝕與地下漏失過程綜合土壤可蝕性指數的分布特征，探討其影響因素及其評價方法在地下漏失過程的適用性。進一步認識巖溶斷陷盆地土壤的復合侵蝕過程，為滇東海峰巖溶斷陷盆地石漠化的治理與生態恢復的優化提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省曲靖市沾益縣西部海峰自然保護區(25°35′-25°57′N，103°29′-103°39′E)，屬斷陷盆地構造，其地形可劃分山地巖溶區、平坦巖溶盆地和過渡帶(坡面)，地勢起伏較大，巖溶垂直發育強烈，過渡帶發育有石芽、溶溝、裂隙等巖溶地貌，在巖溶盆地則發育有落水洞、溶洞、暗河等地下巖溶地貌。導致其土壤侵蝕過程表現為坡地-洼地-落水洞-暗河，或是坡地-裂隙-溶洞-暗河。屬亞熱帶高原季風氣候，干濕季分明，降水主要集中于雨季，雨季降水量占年降水量的87.3%。主要植被類型為元江栲櫟林()、云南松林()和小鐵仔灌叢()。研究區以石灰巖發育的山地紅壤為主，土層較薄，土壤易被侵蝕，巖石裸露，石漠化現象嚴重。

1.2 樣品采集與處理

2019年5月，在海峰自然保護區的核心蘭石坡海子巖溶盆地設置樣地，地表侵蝕過程，在坡地沿坡頂、中坡位、下坡位、坡腳，設置8個采樣點；以5 cm為1層，自上而下分層采樣，共6層(0—30 cm)，采集24個樣品，沿流水侵蝕方向在坡腳與落水洞之間的洼地以等距的方式設4個采樣點(W1～W4)，以5 cm為1層，自上而下分層采樣，共6層(0-30 cm)，采集24個樣品，共采集48個樣品。

地下漏失過程，在中坡位的云南松次生林()、小鐵仔灌叢() 2個典型群落中選擇2個裂隙進行采樣(X1和X2)，每個裂隙以40 cm為1層，自下而上分層采集，共8層(0-320 cm)，采集16個樣品。再在裂隙聯通的溶洞取表層土壤1個，在與溶洞聯通的落水洞中設1個采樣點(L3)，以5 cm為1層，自上而下分層采樣，共6層(0-30 cm)，采集6個土樣。在落水洞下暗河取表層土壤1個，共采集24個樣品。將土樣封裝帶回實驗室，用于土壤的機械組成試驗、SOC檢測和土壤團聚體的檢測。

1.3 樣品測定

土壤的機械組成采用比重計法進行檢測，并將土壤顆粒按國際制土壤顆粒分級標準分為黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)。土壤團聚體則采用土壤團聚體分析儀進行濕篩，在純水環境中使用土壤團聚體分析儀進行濕篩上下振蕩，通過5個不同粒徑的篩子(5，2，1，0.5，0.25 mm)，進而得到>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，<0.25 mm粒徑的團聚體，烘干并稱重。SOC采用《土壤農化分析》中重鉻酸鉀容量法進行檢測。

1.4 數據處理

土壤結構穩定性指數(SSSI)、團聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)的計算公式為：

SSSI=SOM/(clay+silt)×100%

(1)

(2)

(3)

式中：sand為砂粒含量(%)；silt為粉砂含量(%)；clay為黏粒含量(%)；為SOC含量(%)；SOM為有機質含量，SOM=1.724；為級團聚體平均直徑；為級團聚體平均重量。

綜合土壤可蝕性指數(CSEI)：

(4)

式中：為指標數；和分別為土壤可蝕性指標的權重和分值。

通過主成分分析(PCA)計算各指標的權重，并使用公式(5)和公式(6)計算各指標的得分。

(5)

(6)

式中：()為隸屬函數；為土壤可蝕性指標的值；和分別為土壤可蝕性指標的下限和上限。土壤可蝕性指標與土壤可蝕性呈正相關，用公式(5)計算得分。與土壤可蝕性呈負相關，用公式(6)計算得分。

采用Excel 2013軟件對數據進行基礎分析和圖表制作，SPSS 26軟件對土壤性質與綜合土壤可蝕性指數進行相關性分析，用Canoco 5軟件做冗余分析，分析土壤可蝕性的影響因子。

2 結果與分析

2.1 不同侵蝕場CSEI的空間分布特征

由表1和圖1可知，海峰巖溶斷陷盆地CSEI為0.30～0.96，變異系數CV值為19.01%，其數值在10%～100%，CSEI空間異質性為中等。地表侵蝕過程的CSEI為0.30～0.96，地下漏失過程CSEI為0.66～0.96，地下漏失過程土壤的CSEI更大。

表1 海峰巖溶盆地CSEI的基本統計學特征

注：W1～W4為洼地；L3為落水洞；X1為小鐵仔灌叢裂隙；X2為云南松次生林裂隙。下同。圖1 不同侵蝕場CSEI的變化

地表侵蝕過程CSEI逐漸上升，中坡位的CSEI值最低，W3的CSEI值最高；地下漏失過程CSEI呈上升趨勢，云南松次生林裂隙CSEI值最低，暗河的CSEI值最高。CSEI值在地表、地下侵蝕過程中還隨土層深度發生變化，地表侵蝕過程在W2、W3處呈下降趨勢，在其他侵蝕場呈上升趨勢；地下漏失過程，裂隙呈遞增趨勢，落水洞呈遞減趨勢。

2.2 不同侵蝕場土壤顆粒粒徑的空間分布特征

地表侵蝕過程黏粒含量在20.91%～45.62%，粉砂含量在4.85%～30.84%，砂粒含量在44.96%～64.59%；地下漏失過程黏粒含量在15.30%～30.86%，粉砂含量在16.03%～25.86%，砂粒含量在43.63%～64.59%(圖2)。海峰巖溶斷陷盆地土壤砂粒含量最高。地表侵蝕過程，黏粒、砂粒含量逐漸減少，粉砂含量逐漸增多。機械組成隨土層深度發生變化，黏粒在坡頂、中坡位呈上升趨勢，在其他侵蝕場呈下降趨勢；粉砂在W4處呈上升趨勢，在其他侵蝕場呈下降趨勢；砂粒在坡頂、中坡位、W4呈下降趨勢，其他侵蝕場呈上升趨勢。地下漏失過程，黏粒含量減少，粉砂和砂粒含量增多。黏粒、粉砂含量隨土層深度增加而增多，砂粒含量隨土層深度增加而減少。

圖2 不同侵蝕場土壤顆粒含量變化

2.3 不同侵蝕過程土壤SOC含量變化

地表侵蝕過程土壤SOC含量為4.93～88.72 g/kg，地下漏失過程土壤SOC為3.57～19.05 g/kg，地表侵蝕過程土壤SOC含量高于地下漏失過程。在地表侵蝕、地下漏失過程中土壤SOC呈下降趨勢，中坡位土壤SOC含量最高。地表侵蝕過程，W3土壤SOC含量最低，地下漏失過程(圖3)，云南松次生林裂隙SOC含量最高，落水洞土壤SOC含量最低，且研究區內土壤SOC含量存在表層匯聚現象，隨土層深度的增加其含量降低。

圖3 不同侵蝕場土壤SOC含量變化

2.4 不同侵蝕過程土壤水穩性團聚體含量

地表侵蝕過程，>0.25 mm水穩定性團聚體含量為17.82%～99.86%，<0.25 mm水穩定性團聚體含量為0.14%～82.18%；地下漏失過程，>0.25 mm水穩定性團聚體含量為16.81%～85.94%，<0.25 mm水穩定性團聚體含量為14.06%～83.19%(圖4)。

圖4 不同侵蝕場土壤水穩性團聚體含量變化

地表、地下侵蝕過程，>0.25 mm水穩定性團聚體逐漸減少，<0.25 mm水穩定性團聚體逐漸增多。坡地以>0.25 mm水穩定性團聚體為主，洼地以<0.25 mm水穩定性團聚體為主。>0.25 mm水穩定性團聚體，在坡地隨土層深度增加而增加，在洼地隨土層深度增加而減少；<0.25 mm水穩定性團聚體變化趨勢與之相反。地下漏失過程中隨土層深度的增加，>0.25 mm水穩定性團聚體呈下降趨勢，<0.25 mm水穩定性團聚體呈上升趨勢。

2.5 土壤理化性質與CSEI的關系

地表侵蝕過程中，CSEI、SSSI與環境因素的總變異量為23.71，解釋變量為93.50%，調整后的解釋變量為92.60%。第1,2軸的相關系數分別為0.967 8，0.573 5。第1軸的解釋度為93.42%，第2軸的解釋度為0.09%，第1,2軸累計解釋了其總量信息的93.51%。CSEI與黏粒、砂粒、>0.25 mm水穩性團聚體、MWD、GMD呈負相關，與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈正相關。SSSI與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈負相關，與砂粒、SOC、>0.25 mm水穩性團聚體、MWD、GMD呈正相關(圖5)。

圖5 不同侵蝕場土壤可蝕性指標與環境因子之間的冗余分析

地下漏失過程中，CSEI、SSSI與環境因素的總變異量為5.62，解釋變量為98.50%，調整后的解釋變量為98.00%。第1,2軸的相關系數分別為0.992 6，0.955 2。第1軸的解釋度為98.34%，第2軸的解釋度為0.16%，第1,2軸累計解釋了其總量信息的98.51%。CSEI與黏粒、>0.25 mm水穩性團聚體、SOC、MWD、GMD呈負相關，與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈正相關。SSSI與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈負相關，與砂粒、黏粒、>0.25 mm水穩性團聚體、SOC、MWD、GMD呈正相關。

結合冗余分析與Person相關性分析，海峰巖溶盆地土壤CSEI與黏粒、砂粒、>0.25 mm水穩性團聚體、SOC、MWD、GMD呈極顯著負相關，與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈極顯著正相關，CSEI的主要影響因素為SOC和水穩性團聚體穩定性。黏粒、砂粒、SOC、團聚體含量對地表侵蝕過程CSEI影響較大，粉砂、團聚體穩定性對地下漏失過程CSEI影響較大。SSSI與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈極顯著負相關，與>0.25 mm水穩性團聚體、SOC、MWD、GMD呈極顯著正相關，與砂粒呈顯著正相關，其主要影響因素是SOC。砂粒對地表侵蝕過程SSSI影響較大，其他因素對地下漏失過程SSSI影響較大。

3 討 論

3.1 海峰巖溶盆地CSEI的空間異質性

不同侵蝕場土壤的CSEI整體呈現中坡位<坡頂<下坡位<云南松次生林裂隙<溶洞<坡腳<小鐵仔灌叢裂隙<洼地<落水洞<暗河。坡地CSEI最小，由于坡地生態環境好，植被覆蓋較大，通過枯落物、根系輸入的有機質含量高，能改善土壤性質，降低土壤可蝕性。暗河土壤CSEI較大是因為地下徑流對其土壤存在侵蝕。地表侵蝕過程CSEI表現為中坡位<坡頂<下坡位<坡腳<洼地；地下漏失過程CSEI表現為溶洞<裂隙<落水洞<暗河；與SSSI的變化趨勢相反，SSSI表現的是土壤結構的穩定性指數，因此土壤SSSI越高，土壤結構越穩定，不易發生侵蝕。CSEI在地表、地下侵蝕過程中的變化趨勢較好地反映了不同侵蝕場土壤的侵蝕敏感性，表現了土壤可蝕性的變化趨勢。因此CSEI的評價方法適用于巖溶盆地地表、地下侵蝕過程土壤可蝕性評價。

土壤侵蝕過程中地下漏失過程的CSEI值更大，地下的土壤更易發生侵蝕，與唐益群等研究結論一致，地下土壤存在二次侵蝕的影響。地表徑流攜帶的土壤進入裂隙、溶洞等地下通道，最終以漏失的形式流失。地表侵蝕與地下漏失過程土壤CSEI呈上升趨勢，地表侵蝕過程W3的CSEI最高；地下漏失過程，落水洞、暗河的CSEI最高；與鮑恩俁等研究結論一致，坡地徑流經由洼地、落水洞進入地下暗河，在其過程中對洼地、落水洞、暗河土壤產生二次侵蝕，加之其植被覆蓋度較低，因此其土壤侵蝕更強，暗河中還有常年存在的地下徑流，對暗河中的土壤沖刷較大，土壤侵蝕較強。巖溶裂隙中存在土-巖界面、根-土界面，其通達度較好，成為巖溶土壤地下漏失重要通道。小鐵仔灌叢裂隙土壤CSEI高于云南松次生林裂隙；小鐵仔灌叢裂隙中植被群落處于群落演替的初級階段，有機質含量相對較少，加之其為淺根系植被，對土壤的加固作用有限，因此其土壤可蝕性較高。

3.2 土壤可蝕性的影響因素

3.2.1 土壤結構對土壤可蝕性的影響 在海峰巖溶盆地中，隨侵蝕過程的變化，地表侵蝕過程，黏粒、砂粒含量逐漸減少，粉砂含量逐漸增多，CSEI逐漸上升；隨土層深度增加，地下漏失過程的黏粒、粉砂含量增多，砂粒含量減少，而CSEI整體呈遞增趨勢。與陳英等研究結論一致。地表侵蝕過程土壤黏粒、砂粒含量高于地下漏失過程，粉砂含量低于地下漏失過程，地表CSEI小于地下CSEI。CSEI與黏粒、砂粒呈極顯著負相關，與粉砂呈極顯著正相關。與王敬貴等、鮑恩俁等研究結論一致。土壤機械組成對土壤可蝕性具有重要影響。

土壤團聚體所占比例及其穩定性的變化，直接影響土壤結構。當流水侵蝕土壤時，破壞土壤結構，使大團聚體破碎，變成小團聚體。因此，較高比例的大團聚體代表較低的土壤可蝕性。土壤團聚體的穩定性需通過MWD和GMD來反映。由圖6可知，在地表侵蝕過程中，MWD、GMD隨侵蝕過程的變化而降低，地下侵蝕過程中，MWD、GMD隨侵蝕過程變化和土層深度的增加而逐漸降低，CSEI逐漸上升，與趙毅洋等研究結論一致。

圖6 不同侵蝕場土壤MWD、GMD變化

云南松次生林的MWD和GMD要高于小鐵仔灌叢裂隙，首先，云南松次生林為群落演替的后期，小鐵仔灌叢為早期，其生物量多于小鐵仔灌叢，枯落物總蓄積量為小鐵仔灌叢的2.15倍；總根系生物量約是小鐵仔灌叢根系生物量的5倍，使得其大團聚體含量高于小鐵仔灌叢裂隙，且結構更為穩定。其次，云南松為深根系植被，根系粗壯且發達，根系的“網固”作用為土壤提供額外的抗侵蝕能力，有利于減少裂隙土壤漏失。

3.2.2 土壤養分對土壤可蝕性的影響 海峰巖溶斷陷盆地中，CSEI隨SOC增加而減少，與陳英等的研究結論一致。首先，SOC是土壤團聚體形成的膠結劑，能促進土壤團聚體的形成，增強土壤結構穩定性。坡地土壤SOC含量高，使其形成大量土壤團聚體，土壤結構穩定，CSEI較低。其次，SOC能隨土-巖界面、根-土界面下滲，或是隨根-土界面的土壤水優先流下移，促進植被根系的發育，加固土壤，降低深層土壤可蝕性。在裂隙中，SOC沿著裂隙的土-巖界面和根-土界面向下漏失，增加深層土壤SOC含量，為根系的生長提供了必要的養分，有利于裂隙植被根系的發育，減少裂隙土壤的漏失。云南松群落為深根系植被，小鐵仔灌叢為淺根系植被。因此，云南松群落的深根系能伸入更深層土壤，為其提供SOC，改善土壤結構；還能利用根系的網固作用，增強其結構的穩定性。云南松次生林對降低裂隙土壤的可蝕性性能要優于小鐵仔灌叢，尤其是在中、深層裂隙土壤。

3.3 植被-土壤的協同恢復效應

SSSI的主要影響因素是SOC，不僅與土壤結構有關，還與土壤養分有關，綜合性地描述了土壤的穩定性。其隨侵蝕過程的變化和土層深度的增加而降低，SSSI逐漸下降(圖7)，土壤侵蝕敏感性逐漸增強，與Dong等研究結論一致。坡地有相對較高的SSSI，表明了該地區較好土壤穩定性。這一特征得益于坡地較好的植被覆蓋度，植被通過枯落物、根系輸入養分，改善土壤結構，增強土壤穩定性，減少土壤的侵蝕。因此，植被恢復通過改變植被和土壤特性來改善土壤結構，降低土壤可蝕性。

圖7 不同侵蝕場土壤SSSI變化

海峰巖溶盆地的土壤侵蝕與土壤和植被密切相關。對洼地-小鐵仔灌叢裂隙-云南松次生林裂隙3個侵蝕場進行分析，這3個侵蝕場是植被群落的演替過程。隨著植被的恢復，>0.25 mm水穩性團聚體含量、SOC、MWD、GMD、SSSI呈上升趨勢，CSEI逐漸下降，土壤結構穩定性逐漸上升。因此，植被恢復改善了土壤結構，而良好的土壤結構為植被的生長恢復提供了優越的生存條件。在此過程中首先是土壤結構得到改善，土壤孔隙增大，土壤含水量與空氣含量增多，促進土壤與外界環境之間的物質循環，進而增加土壤養分含量，使土壤微生物數量增加，物質分解循環能力增強，土壤質地不斷提升，促進植被群落的生長變化，植被覆蓋度增大。二者之間表現為相互促進效應，而這雙向作用，不管是土壤結構的改善，還是植被的恢復，都有利于降低土壤可蝕性，減少土壤侵蝕。因此，在此后的治理中要關注植被-土壤的協同恢復效應，促進巖溶區生態系統的恢復，以減少土壤侵蝕。

4 結 論

(1)CSEI的評價方法適用于巖溶斷陷盆地地表、地下侵蝕過程土壤可蝕性的評價，巖溶斷陷盆地中，CSEI整體呈現中坡位<坡頂<下坡位<云南松次生林裂隙<溶洞<坡腳<小鐵仔灌叢裂隙<洼地<落水洞<暗河。暗河CSEI最大，中坡位CSEI最低；落水洞、洼地、暗河是土壤侵蝕治理的關鍵。地表侵蝕過程CSEI表現為中坡位<坡頂<下坡位<坡腳<洼地表現為地下漏失過程CSEI：云南松次生林裂隙<溶洞<小鐵仔灌叢裂隙<落水洞<暗河；CSEI

(2)土壤理化性質是影響CSEI的關鍵性因素，CSEI與黏粒、砂粒、>0.25 mm水穩性團聚體、SOC、MWD、GMD呈極顯著負相關，與粉砂、<0.25 mm水穩性團聚體呈極顯著正相關，CSEI的主要影響因素是SOC、水穩性團聚體的穩定性。黏粒、砂粒、SOC、團聚體含量對地表侵蝕過程CSEI影響較大，粉砂、團聚體穩定性對地下漏失過程CSEI影響較大。

(3)植被-土壤的協同恢復能增強土壤抗侵蝕能力，減少土壤侵蝕。云南松次生林裂隙土壤生物量、SOC、大團聚體、SSSI比重高于小鐵仔灌叢裂隙，且其為深根系植被。云南松次生林對降低裂隙土壤的可蝕性性能優于小鐵仔灌叢，尤其是在中、深層裂隙土壤。