貴州貞豐
——關嶺花江喀斯特石漠化地區土壤厚度的空間分布特征

鄧大鵬，劉 琦,2，盧耀如，閆釔全

（1.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；2.巖土及地下工程教育部重點實驗室（同濟大學），上海 200092）

石漠化是我國西南巖溶地區最嚴重的生態環境問題之一[1?3]，嚴重制約著西南地區的經濟社會發展[4]。巖溶地區特有的地形地貌、巖性和氣候等因素造成該地區母巖成土速率慢且水土流失嚴重，地表土被不連續是土壤厚度空間分布不均的主要原因[5?6]，而土壤淺薄、持水能力差的地區更易于發生干旱和石漠化[7?8]，且土壤肥力嚴重下降[9]。有研究指出石漠化從輕度向重度發展的過程中土壤厚度呈顯著下降的趨勢，輕度石漠化地區土壤厚度在30～50 cm，中度石漠化地區土壤厚度在20～40 cm，重度石漠化地區土壤厚度一般小于20 cm，石漠化的發展程度和等級與土壤厚度有著密切的關系[10?11]，兩者相輔相成。因此，對石漠化地區土壤厚度及其空間分布特征的研究有助于石漠化的有效控制以及水土流失防治等生態修復。

巖溶地區土壤厚度的空間分布特征受地形地貌、海拔、土地利用類型等多種因素的影響。周運超等[12]通過研究指出巖溶地區特殊的地表地下二元水文結構以及復雜的地貌形態導致土壤流失極易發生，進而導致土壤厚度水平和縱向分布異質性。尹輝等[13]利用GIS技術研究發現廣西典型巖溶區土壤厚度空間分布不均勻，表現出斑狀和帶狀分布等特征，梯度分布較為明顯。李程程等[14]研究了巖溶區域的土壤厚度與山體海拔高度的關系，結果表明由于重力和水力侵蝕等因素的影響，土壤的平均厚度隨著山體高度的增高而減少。Huang等[15]研究表明貴州后寨河流域盆地土壤具有高度的空間異質性，地勢凸起部分的土壤厚度明顯比洼地和平地上的土壤薄。尹亮等[16]研究表明石漠化地區土壤厚度具有中等強度變異性，不同土地利用方式下土壤厚度分布規律差異明顯。對于我國西南巖溶地區而言，土地利用率較低、基巖裸露率高、山體海拔高差大、坡面較陡等狀況是該地區的典型特征，也是影響區域土壤厚度空間分布的重要因素[17]，以往的研究較少從自然和人為因素綜合分析石漠化地區土壤空間分布變異性的主要原因，特別對于中-強度石漠化地區的土壤厚度空間分布研究鮮有報道，難以為石漠化地區因地制宜地治理提供參考。

本文以貴州貞豐——關嶺花江高原峽谷中-強度石漠化治理示范區為研究區域，通過野外土壤厚度調查并結合統計學等方法，分析研究區土壤厚度空間分布特征及關鍵影響因素，定量研究典型中-強度石漠化地區關鍵性人為因素（土地利用狀況）和自然因素（海拔高度、基巖裸露率、坡度）綜合對土壤厚度空間分布特征的影響，為石漠化地區土地合理利用和水土流失防治提供參考。

1 研究區概況

研究區位于貴州省關嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江峽谷花江段流域（圖1），該地區年均降水量約1 100 mm，降雨主要分布在每年的5——10月。由于河流的下切作用，研究區海拔在446～1 359 m，海拔高差大，是典型的喀斯特高原峽谷區域（圖2），巖性以石灰巖和白云巖為主，土壤主要是以黃色石灰土類型為主，結構松散、易形成干旱狀態。主要土地利用類型為林地與坡耕地，此外還有大量無法耕種的荒地，其中林地面積約2 244 km2，約占研究區總面積的43%；耕地面積約1 672 km2，約占總面積的32%[18]。研究區石漠化程度以中度和強度為主，石漠化面積約占研究區總面積的49%。區內土地已被大量開墾，由于人類活動的干擾，土地植被覆蓋度較低，極易發生水土流失。

圖1 平面地質圖及研究區土壤厚度調查單元分布Fig.1 Geological map and distribution of soil thickness survey units in the study area

圖2 花江喀斯特峽谷地質剖面圖Fig.2 Geological profile of the Huajiang karst gorge

2 研究方法

2.1 采樣方法與樣點布設

采取抽樣調查方式在研究區北盤江兩岸選取了31個典型石漠化區域的抽樣單元，調查單元位置分布情況如圖1所示。其中，21個調查單元選定10 m×10 m的正方形區域作為一般調查單元，其內均勻布設9個土壤厚度采樣點；10個調查單元選定為20 m×20 m的正方形區域作為詳細調查單元，均勻布設25個土壤厚度采樣點，樣點布設如圖3所示。為便于調查，用鋼釬法測定土壤厚度，特制長度為1.3 m，直徑為12 mm的尖端打磨的鋼釬，鋼釬上每5 cm做一個刻度標記。

圖3 調查單元樣點布設示意圖Fig.3 Sampling points layout of investigation unit

2.2 空間變異分析方法

在空間中土壤厚度的分布是區域化變量，具有隨機性和結構性，是空間距離的函數，可以用半方差函數進行描述[16,19?20]，公式為：

式中：R(s)——間距等于s的半方差，其隨s的增加而增加；

N(s)——距離等于s時的點對數；

Z(xi)——樣點Z在位置xi的實測值；

Z(xi+s)——與xi距離為s處樣點的值。

土壤厚度的無偏最優估計采用點狀克里格插值法。一定范圍內，變量在位置x0處的估測值為Z(x0)，周圍一段距離內的實測值為，則變量在位置x0處的估計值可以用Z（x0）的線性組合表示[21]，即：

式中：λi——實測點位值的加權系數。

3 土壤厚度調查結果

31個調查單元土壤厚度信息統計見表1，本次調查共有439個土壤厚度調查數據，按照土地利用類型分為坡耕地、荒地和林地，其中坡耕地的主要植被為花椒、玉米和火龍果等；荒地的主要植被為雜草；林地的主要植被為灌木和柚木。調查單元分布的海拔高度從537～1 189 m不等，占據了研究區海拔高度約70%的區間。從土壤厚度統計特征來看，不同調查單元的土壤厚度平均值為6～59 cm，研究區的平均土壤厚度約為26 cm。根據變異系數（Cv）的值可大致估測數據的變異程度[22?23]：Cv<10%，變異性較弱；Cv=[10%，100%]，變異性中等；Cv>100%，變異性較強，由表1中各調查單元的土壤厚度變異系數可知，研究區土壤厚度變異性以中等變異為主。

表1 各采樣單元土壤厚度Table 1 Soil thickness information of the investigation units

由表1可知，研究區土壤厚度在0～100 cm，以每10 cm為一個統計區間，繪制了土壤厚度分布比例圖（圖4）。土壤厚度占比最多的區間為[20，30）cm，占比約為 26%；其次為區間 [10，20）cm和 [0～10）cm，占比分別為23%和16%。由土壤厚度累計比例可見，[0～30）cm區間內的土壤厚度占比約為66%，即研究區土壤厚度普遍較低，約2/3的土壤厚度低于30 cm。

研究區山高坡陡且土壤厚度分布不連續，土地難以大面積開墾利用。為了進一步分析不同土地利用類型的土壤厚度分布特征，分別統計了林地、荒地和坡耕地的土壤平均厚度及分布區間，得到不同土地利用類型土壤厚度分布情況（圖5）。結果顯示，坡耕地的土壤平均厚度最大，為27.3 cm；荒地、林地的土壤平均厚度依次降低，分別為24.2cm以及21.7 cm，表明經濟作物的土壤較厚，人為因素對其產生了重要作用?；牡氐闹饕脖粸殡s草，其土壤平均厚度大于以柚木和灌木為主的林地，表明在研究區雜草由于有廣布的根系，其固土作用可能強于高大的林木。從不同利用類型土地的土壤厚度分布區間來看（圖5），坡耕地的土壤厚度區間范圍最大，為0～100 cm，人為因素使得土壤厚度的平均值較高，但存在土壤厚度分布極為不均的弊端。林地、荒地的土壤厚度區間分別為5～62 cm，0～50 cm，即林地的土壤最大厚度大于荒地，這是因為林地的植物根系附近土壤厚度比荒地厚，以上也表明雖然在自然狀態下林地和荒地的土壤平均厚度略低于坡耕地，但具有土壤分布相對連續的優點。

圖5 不同土地利用類型土壤厚度分布Fig.5 Soil thickness distribution of different land uses

4 分析及討論

4.1 不同土地利用類型影響下的土壤厚度空間變異特征

以3種典型土地利用類型的樣地（荒地、林地、坡耕地）進行半方差函數分析，每種樣地均選取3個典型調查單元，根據決定系數（R2）最大，殘差平方和（RSS）最小的原則，得到3種典型樣地土壤厚度半方差分析參數如表2所示。3種土地利用類型樣地土壤厚度的空間變異特征分別對應了不同的理論模型，3個荒地土壤厚度調查單元的土壤厚度分布理論模型表現出了良好的穩定性，均為高斯模型；林地的土壤的厚度分布理論模型以球狀模型為主，其中Plot 24調查單元由于既存在灌木也有部分雜草，導致其土壤厚度分布表現出線性模型；而3個坡耕地調查單元的土壤厚度分布理論模型呈現出3種不同的模型（球狀模型、線性模型、指數模型），反映出其土壤厚度空間分布的不確定性。

表2 典型樣地土壤厚度半方差分析參數表Table 2 Parameters of semi-variance analysis of soil thickness in typical plots

塊金值與基臺值的比值（塊基比）表示隨機部分引起的空間異質性占系統總變異的比例，塊基比小于0.25時，表明空間變異性較強；塊基比在0.25～0.75之間時，具有中等程度的空間變異性；塊基比大于 0.75時，表明空間變異性相對較弱[16]。由表2可知，大部分樣地的塊基比小于0.25，表明研究區土壤厚度空間變異性以強度為主，Plot 29坡耕地花椒地調查單元的塊基比介于0.25～0.75 之間，通過野外調研查明該樣地附近常有人為農業施肥，即人與自然作用同時影響導致該樣地具有中等空間變異性。以柚木為主的林地調查單元Plot 14的塊基比最小，因此這種樣地具有強空間變異性，結構性因素（自然因素）是導致土壤厚度空間變異性的主導因子。

按照每種土地利用類型分別選取3個樣地，通過GS+軟件利用克里格插值法獲得了3種土地利用類型樣地的土壤厚度空間分布等值線圖（圖6、圖7、圖8）。從整體上看，在研究區內不同土地利用狀況土壤厚度的空間分布有明顯差異，荒地的土壤厚度連續程度優于林地和坡耕地，即空間變異性相對更小。從荒地的土壤厚度分布情況（圖6）可以看出，有雜草覆蓋的荒地Plot 8和Plot 27的土壤厚度空間連續性好于無植被覆蓋的荒地Plot 13。從林地的土壤厚度分布情況（圖7）可以看出，林地的土壤厚度分布變異程度較大，個別點位土壤厚度達到40 cm以上，而一半以上面積的土壤厚度低于10 cm，甚至多處土壤厚度為0 cm，部分土地無植被覆蓋使得水土流失程度和巖石裸露情況具有明顯隨機性。其中，Plot 14柚木林地較大的基巖覆蓋率使得其土壤平均厚度偏低，土壤厚度空間分布有明顯突變性；從坡耕地的土壤厚度分布情況（圖8）可以看出，由于存在植被生長和人為活動的共同影響，在一定程度內，土壤厚度分布呈現有作物附近土壤厚度較大，無植物地方土壤較為淺薄的特征，但不同位置處土壤厚度的差值相對較小。

圖6 荒地土壤厚度分布等值線圖Fig.6 Contour maps of soil thickness distribution in wasteland

圖7 林地土壤厚度分布等值線圖Fig.7 Contour maps of soil thickness distribution in forest land

圖8 坡耕地土壤厚度分布等值線圖Fig.8 Contour maps of soil thickness distribution in sloping farmland

4.2 關鍵性自然影響因素分析

由于研究區屬于典型的巖溶高原峽谷地貌，地質地貌條件復雜，影響土壤厚度分布情況的因素較多，包括自然因素和人為因素。結合現場調研和資料收集，發現海拔高度、基巖裸露率、坡度是對土壤厚度分布特征影響的關鍵性自然因素。因此本文主要分析海拔高度、基巖裸露率、坡度三種因素對研究區土壤厚度的空間分布影響規律。

4.2.1 海拔高度

研究區地形高差大，海拔高度是造成土壤厚度空間分布不均的主要原因之一，在海拔高的地方，土壤在重力以及降雨的作用下，會向海拔低的地方堆積。野外調查中，31個調查單元的海拔為537～1 189 m，其中大部分為石灰巖地區，石灰巖地區調查單元海拔為537～871 m。將相近海拔的土壤厚度求取平均值，得出該海拔位置的土壤厚度平均值，進而得到不同海拔高度與土壤厚度關系（圖9）。

圖9 海拔與土壤厚度關系Fig.9 Relationship between soil thickness and altitude

對海拔高度與土壤厚度數據點進行非線性擬合，得到研究區內土壤厚度（t）與海拔（h）呈二次函數的負相關關系（圖9），土壤的平均厚度隨著山體海拔的增加而減小，當海拔較高時，曲線的斜率較大，表明隨著山體海拔的增大，土壤厚度降低速率明顯加快。在重力作用下，土壤在高陡處常被侵蝕，低洼處常形成堆積。即在巖溶石漠化地區，土壤厚度隨著距離山頂遠近的變化而變化，離山頂越近的地方，土壤厚度越??；反之，離山頂越遠的地方，即山腳低洼處，土壤厚度越大。野外調查發現，山頂周圍很少有高大的植物，一般以野草為主，土壤層十分淺薄，甚至幾乎沒有土壤，植物難以生長。

4.2.2 基巖裸露率

有大量的基巖裸露是巖溶石漠化地區的主要特點，基巖裸露率是指單位調查單元內，基巖出露的面積占一個調查樣地總面積的百分比。一般情況下，巖石裸露率越高，表明土壤流失越嚴重，石漠化程度越高。本文的調查單元是10 m×10 m和20 m×20 m，根據在毫米方格紙中繪制調查單元土壤分布簡易圖，經Mapgis數值化后計算得到調查單元的基巖裸露率為18.5%～85.6%，大部分采樣單元基巖裸露率在60%～90%，平均值為66.8%。

為了分析基巖裸露率對土壤厚度的影響，將相近基巖裸露率的調查單元土壤厚度求取平均值，并繪制了基巖裸露率與土壤厚度的關系圖（圖10）。擬合曲線表明土壤厚度（t）與基巖裸露率（r）呈明顯的線性負相關關系，基巖裸露率越大，土壤層越薄。此規律與野外調查情況相同，基巖裸露率越大，即石漠化程度越高，土壤層就更加淺薄。

圖10 基巖裸露率與土壤厚度關系Fig.10 Relationship between soil thickness and bedrock exposure rate

4.2.3 坡度

在土壤流失過程中坡度是較為重要的影響因子。坡度大的地方在降雨沖刷作用下，極易產生土壤流失，因此，坡度大的地方土壤累積較少，土層淺薄。為了研究坡度對土壤厚度的影響，將31個調查單元中坡度相同的土壤厚度求取平均值，作為該坡度的平均土壤厚度，得到了坡度與土壤厚度相關關系（圖11）。擬合曲線表明土壤厚度（t）與坡度（s）之間有明顯線性負相關關系，即當坡度不斷增大，研究區土壤厚度不斷變小，二者呈現線性相關關系。即坡度較大區域的土壤會通過重力以及降雨侵蝕向平緩處積累，進而影響土壤厚度。隨著坡度的增大，土壤侵蝕程度逐漸增強，土壤厚度逐漸降低。

圖11 坡度與土壤厚度關系圖Fig.11 Relationship between soil thickness and slope

4.3 討論

研究區屬于典型中-強度石漠化地區，具有海拔高差大、坡面較陡、基巖裸露率高的特點。隨著海拔的升高，地理氣候環境逐漸惡劣，植物生長愈發困難，如在研究區發現山底生長喬木，隨著海拔升高逐漸變為灌木，到較高的山頂時則生長的是草本植物，植被固土能力越來越弱，降雨帶來的土壤流失逐漸加重，土壤厚度就會降低；當基巖裸露率較高時，反映出深層土壤與母巖結合能力較弱，植被覆蓋率一般較低，不利于植物、土壤和基巖的有機結合，土壤流失更容易發生，即土壤厚度相對較低；對于坡度而言，隨著坡度的增大，外力作用下坡面土壤侵蝕更容易發生，土壤中有機質流失較快，不利于植物生長，進一步加劇了土壤的侵蝕，造成土壤厚度隨坡度增加而降低的現象；此外，研究區具有顯著的地表地下“二元”水文特征，因此研究區土壤的重力侵蝕和水力侵蝕均極易發生，導致大面積的土壤地表流失和地下漏失，這也是造成土壤空間分布極為不均的主要原因之一。

研究區自然植被種類較為單一，缺少集中連片的大型灌木以減少降雨對土壤的沖刷侵蝕，經濟作物的過度種植導致土地被大量開墾，人為因素對土壤空間分布影響明顯。因此，對于研究區土壤流失的控制可以通過工程措施和生物措施共同實施。工程措施可以利用坡改梯減緩坡度[24]，減少土壤流失的原動力，起到減緩土壤流失的作用。生物措施包括退耕還林還草[25]、灌木與草套種、矮化密植[26]等，對于基巖裸露率較大、土壤厚度較小的區域，種植根系較大草本植物，進行人工干預下的生態修復；對于土壤厚度較大，基巖裸露率低的區域，可以開展適當的農業耕種，維持區域經濟發展和生態修復的平衡。

5 結 論

（1）研究區土層較為淺薄，土壤平均厚度僅為26 cm；土壤厚度主要集中在20～30 cm，約2/3的土壤厚度低于30 cm；土壤平均厚度表現為坡耕地>荒地>林地，且坡耕地的土壤厚度區間最大。

（2）通過半方差函數分析和土壤厚度分布等值線圖，得到研究區土壤厚度空間變異性以強度為主；荒地的土壤厚度空間分布連續程度優于林地和坡耕地；林地土壤流失程度和巖石裸露情況具有明顯隨機性，土壤厚度空間分布的變異程度較大；坡耕地的作物根系附近土壤厚度較大，無植物地方土壤較為淺薄。

（3）通過分析關鍵性自然因素對土壤厚度空間分布的影響，得到土壤厚度與海拔之間存在二次函數的非線性負相關關系，與基巖裸露率、坡度之間均有明顯的線性負相關關系，并建立了相應的數學關系式。

（4）研究區土壤空間分布變異性較大是由于復雜的自然條件和人為因素的綜合作用結果，該區域石漠化的治理可以采用工程措施和生物措施共同實施，以達到經濟發展和生態修復的平衡。