闽西南崩岗土壤理化性质及可蚀性分异特征

区晓琳，陈志彪，3†，陈志强，3，姜超，赵纪涛，任天婧(1．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，350007，福州;2．福建师范大学地理科学学院，350007，福州; 3．福建师范大学地理研究所，350007，福州)



闽西南崩岗土壤理化性质及可蚀性分异特征

区晓琳1，2，陈志彪1，2，3†，陈志强1，2，3，姜超1，2，赵纪涛1，2，任天婧1，2
(1．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，350007，福州;2．福建师范大学地理科学学院，350007，福州; 3．福建师范大学地理研究所，350007，福州)

摘要:崩岗是南方红壤区侵蚀沟在水力和重力交互作用下沟头遭受坍塌、陷蚀作用而形成的围椅状地貌，是该区域土壤侵蚀及生态系统退化的最高表现形式之一。为揭示崩岗侵蚀对土壤理化特性及可蚀性的影响，以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内植被盖度分别为2%，20%，95%的3个典型崩岗为研究对象，分别对崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口进行采样和理化特性的测定，并运用EPIC模型测算土壤可蚀性(K)。结果表明:1)从集水坡面到崩壁、崩积体至沟口，3个崩岗的土壤砂粒质量分数、pH值和土壤密度呈升高趋势，粉粒、砂粒的质量分数和含水量呈下降趋势。2)1号和2号崩岗，集水坡面的土壤有机质质量分数最高，在崩壁最低;3号崩岗土壤有机质质量分数在崩壁处急剧下降，在崩积体中又明显上升。3)各崩岗中集水坡面、崩壁和崩积体的土壤颗粒组成、土壤密度和含水量差异较小，各土壤理化特性指标在沟口与集水坡面、崩壁和崩积体之间存在显著差异。4)崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口4个子系统的K值差异显著，1、2号崩岗呈现崩壁＞崩积体＞沟口＞集水坡面的变化规律，而3号崩岗则表现为沟口 ＞崩积体＞崩壁 ＞集水坡面的趋势。5)崩岗系统内的黏粒质量分数、pH值和有机质质量分数与土壤可蚀性关系密切，可以作为表征崩岗土壤可蚀性的有效指标。崩岗侵蚀造成土壤理化特性不断恶化，砂化严重，研究崩岗系统的土壤理化特性与可蚀性空间变化规律，对指导崩岗的恢复与重建具有重要意义。

关键词:土壤可蚀性;崩岗;土壤理化性质;分异;南方红壤区

项目名称:国家科技支撑计划“南方红壤水土流失治理技术及示范”(2013BAC08B03);国家自然科学基金“南方红壤侵蚀区芒萁散布及其时空模拟”(41171232)，“南方离子型稀土矿区芒萁的蔓延格局与稀土迁聚响应”(41371512)

“崩岗”最早用于描述一类“发生在南方红壤区冲沟沟头遭受坍塌、陷蚀作用而形成的围椅状地貌”［1 2］，属水力 重力复合侵蚀类型，逐渐发展成为坡地沟谷发育的最高阶段，也是该区域土壤侵蚀及生态系统退化的最高表现形式［3 4］。绝大多数崩岗(＞80%)发育在花岗岩风化壳地带［5］，但在砂页岩、砂砾岩、碳酸盐岩、千枚岩和片麻岩等风化区以及第四纪红土及火山角砾岩等古坡积区亦有零星分布［6 7］。根据长江水利委员会2005年崩岗普查结果［8］，全国范围内崩岗分布约23.91万处，侵蚀面积约1 200 km2，主要集中分布在长江以南7省及自治区，各省崩岗数目所占比例(%)和崩岗面积所占比例从大到小分别为广东(45.1%，67.8%)、江西(20.1%，17.0%)、广西 (11.6%，5.4%)、福建(10.9%，6.0%)、湖南 (10.8%，3.0%)、湖北(1.0%，0.5%)及安徽(0.5%，0.3%)。崩岗具有发展速度快、突发性强、侵蚀模数大、危害严重等特点，其侵蚀过程破坏土地资源，造成大量泥沙淤积河道、农田等，是造成区域生态环境恶化的重要根源，甚至制约当地经济社会的可持续发展。

因此，关于崩岗侵蚀机制与防护措施的研究受到国内有关学者持续关注。刘希林等［9 10］运用三维激光扫描仪对五华县莲塘岗崩岗进行3年侵蚀过程实时观测，得出:该崩岗年均侵蚀模数高达22万2 408 t/(km2·a)，在位于崩壁下缘的崩积体区域，40°～60°坡面侵蚀量最大，且崩岗侵蚀量与暴雨总量呈显著正相关关系;蒋芳市等［11 12］通过人工降雨模拟试验研究不同侵蚀条件(坡度、降雨强度及场次)对崩积体侵蚀过程与泥沙颗粒特征的影响，为深入揭示崩积体再侵蚀过程提供了有力依据;邓羽松等［13 14］分析崩岗侵蚀区洪积扇土壤肥力空间分异规律:扇顶(撂荒地)→扇缘(农田)各土壤肥力指标基本表现出增加的趋势。

土壤侵蚀的量化与率定长期以来受到空间异质效应、尺度效应及人为误差等因素的困扰。研究［15 16］表明，土壤侵蚀与土壤的密度、含水量、机械组成及有机质质量分数等土壤理化性质关系密切;因此，基于土壤理化特性的土壤可蚀性K值计算模型得到广泛应用，尤以 W．H．Wischmeier等［17］建立的诺谟方程(及后来的修正诺谟公式)、A．N．Sharply等［18］建立的 EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型、基于几何平均粒径 Shirazi公式［19］和基于土壤理化特性非线性最佳拟合 Torri公式［20］应用广泛。目前，关于崩岗土壤理化特性的研究主要集中在崩壁、崩积体和洪积扇等侵蚀子系统［3，13，21 22，25 26］，对不同植被盖度崩岗各部位土壤理化特性以及可蚀性K值空间分异规律有待进一步深入。笔者以福建省西南部长汀县黄泥坑崩岗群内3处植被盖度分别为2%、20%和95%的典型崩岗为研究对象，对不同侵蚀状况崩岗土壤的理化特性进行系统研究，并对比分析国内其他典型侵蚀类型土壤可蚀性K值资料，为进一步揭示崩岗侵蚀系统土壤退化演变与目前正大范围实施的崩岗治理提供科学依据。

1　研究区概况

黄泥坑崩岗群(E 116°16'52″，N 25°31'49″)位于福建省长汀县濯田镇中心西南部约20 km，205省道牛坑头村段西侧约1 km处。区内属中亚热带季风性湿润气候，年均气温18.5℃，年均降雨量1 710 mm，年均相对湿度80%，年均日照时间1 754 h，年均蒸发量1 403 mm。崩岗群内分布崩岗34条，侵蚀面积约3万7 500 m2，主沟长度200.34 m，宽度4.87～12.10 m。研究区内乔木仅有马尾松(Pinus massoniana)，灌木主要有岗松(Baeckea frutescens)、毛冬青(Ilex pubescens)、石斑木(Rhaphiolepis indica)、黄瑞木(Adinandra millettii)、轮叶蒲桃(Syzygium grijsii)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、枫香树(Liquidambar formosana)及木荷(Schima superba)等，草本主要有五节芒(Miscanthus floridulus)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)等。土壤类型为由花岗岩风化形成的酸性侵蚀性红壤。3处试验崩岗的基本概况见表1。

表1　试验崩岗基本情况Tab．1　Basic situation of experimental collapse mound

2　材料与方法

2.1土样采集与测定

野外调查与采样在2014年7—8月进行，根据典型性和代表性的原则，在全面勘查的基础上，于黄泥坑崩岗群中选取成土母质与地形条件(海拔、坡度及坡向)基本相同或相似，植被盖度分别为2%、20%和95%的3条典型毗邻崩岗。每一崩岗内按集水坡面、崩壁、崩积体和沟口等部位采样。在各样点处5点混合取0～30 cm土壤约1 kg。同一位置按等高线设左、中、右3个重复;同一重复内且同一土层的土样混合均匀后，按四分法取约1 kg装入贴有标签聚乙烯自封袋中，样品合计63份。

土样剔除树根、石砾等杂物。待自然风干后，分别过25目和100目细筛，对理化特性指标进行测定。其中:颗粒组成用粒径分析系统(SEDIMAT4 12，德国)测定;有机碳采用碳氮元素分析仪(Vario MAX CN，Elementar，德国)测定，由于土壤为花岗岩风化形成，且pH值偏低(表2)，土壤中无机碳质量分数可忽略不计，有机质质量分数=有机碳质量分数×1.724;土壤密度及含水量采用环刀—铝盒测定;酸碱度采用便携式pH计(STARTER 300)测定。

2.2数据分析

目前，运用EPIC公式估算土壤可蚀性K值研究较为普遍，谢红霞等［23］采用 5种预测模型对花岗岩发育的红壤可蚀性K值进行估算，并与自然降雨法实测的数据(ULSE方程推算)比较后得出，EPIC公式估算法与实测法的相对误差＜4%，两公式间绝对偏差极低;因此，在红壤侵蚀区 EPIC模型应用具有一定的可适性。同时，为便于与其他地区K值进行比较，本文亦采用该模型，表达式如下:

式中:K为土壤可蚀性值;S1为砂粒质量分数，%;S2为粉粒质量分数，%;C1为黏粒质量分数，%;C为有机碳质量分数，%;S3=1－S1/100。

数据经Excel 2003处理后，采用SPSS 19.0进行统计分析。砂粒质量分数、粉粒质量分数、黏粒质量分数、土壤密度、含水量、有机质质量分数及可蚀性采用单因子方差分析(One-way ANOVA)，各土壤理化特性指标间的相关性采用Pearson相关分析，可蚀性与理化特性的相关性用偏相关分析，绘图由Origin 9.0完成。

3　结果与分析

3.1崩岗土壤理化特性分布特征

3.1.1土壤颗粒组成如表2所示，崩岗侵蚀区土壤砂粒、粉粒和黏粒的质量分数分别介于41.47% ～74.76%、10.72% ～31.11%和10.15% ～27.41%，砂粒质量分数远高于粉粒及黏粒的质量分数，黏粒质量分数偏低，表现出明显粗骨质化特征。1、2号崩岗集水坡面、崩壁、崩积体的砂粒质量分数差异较小(P＞0.05)，而沟口处砂粒质量分数达到最高，与前3个部位差异显著(P＜0.05)，3号砂粒质量分数在各部位的排序为沟口＞崩积体＞崩壁＞集水坡面，而粉粒、黏粒质量分数空间变化规律表现出相反的特征:从集水坡面、崩壁、崩积体至沟口呈现降低的趋势。

3.1.2土壤密度及含水量由表2得知，各崩岗土壤密度变化范围为1.21～1.63 g/cm3，1、2和3号崩岗土壤密度平均值分别为(1.41±0.02)、(1.42± 0.03)和(1.31±0.04)g/cm3，即1号≈2号＞3号。1、2号在集水坡面、崩壁和崩积体处土壤密度显著低于沟口(P＜0.05)，3号崩岗4个部位中土壤密度变化幅度较小(P＞0.05)。3处崩岗土壤含水量介于3.32%～11.32%，1、2和3号含水量平均值分别(9.28±0.96)%、(8.79±0.59)%、(7.51± 0.76)%，即1号＞2号＞3号。1、2号在集水坡面、崩壁和崩积体处其含水量8.05% ～11.59%明显高于3号崩岗(6.98%～8.74%)，而在沟口显著降低(P＜0.05)。

表2　3处崩岗不同部位土壤理化特性Tab．2　Soil physicochemical property of different position in three collapse mounds

3.1.3土壤pH值崩岗土壤pH值介于4.76～5.47之间，偏中—弱酸性(表2)。1、2和3号土壤pH平均值分别为(5.14±0.02)、(5.16±0.02)、(4.81±0.03)，即2号 ＞1号 ＞3号。1、2号土壤pH值在集水坡面最低，其次是崩积体和崩壁，沟口最高，而3号大小次序依次为沟口＞崩积体＞集水坡面＞崩壁。造成3处崩岗土壤pH值存在差异的原因是由于研究区位于中亚热带湿润地区，物质循环较为迅速，土壤风化淋溶作用强烈［24］，反映在本研究中表现为:1、2号表现在其植被稀疏，3号植被覆盖较为完好，在马尾松等针叶树的枯落物分解过程中产生大量酸性成分。

3.2崩岗土壤可蚀性与有机质质量分数分布特征

对可蚀性K值进行统计后得知(表3和图1)，研究区内各崩岗土壤 K值变化范围为0.300～0.478，1、2和 3号 K值平均值分别为(0.400± 0.03)≈(0.399±0.04)＞(0.328±0.03)，3号与1、2号差异显著(P＜0.05)，3处崩岗K值变异系数仅为10%左右，变异程度较低;土壤有机质质量分数介于(0.52～17.61)g·kg－1，1、2和3号有机质平均值分别为(1.17±0.10)、(1.43±0.13)和(9.81±0.80)g·kg－1，3号显著高于1、2号(P＜0.05)。不同部位 K值差异明显，1、2号崩岗呈崩壁＞崩积体＞沟口＞集水坡面的变化，而3号崩岗则表现为沟口＞崩积体＞崩壁 ＞集水坡面，而土壤有机质变化规律与之相反，3处崩岗土壤有机质质量分数质量分数大小顺序依次为集水坡面＞崩积体＞崩壁＞沟口，除3号集水坡面与崩积体无显著差异以外(P＞0.05)，其他各部位间均达到显著性差异(P＜0.05)。

表3　崩岗土壤可蚀性K值统计特征Tab．3　Statistical characteristics of soil erodibility K value in three collapse mounds

图1　崩岗土壤不同部位可蚀性K值及有机质质量分数Fig．1　Soil erodibility K value and organic matter content of different position in three collapse mounds

3.3崩岗土壤可蚀性影响因素

对可蚀性K值与土壤理化性质进行相关分析，结果(表4)表明:可蚀性K值与砂粒质量分数呈显著正相关(P＜0.05);但相关系数仅为0.161，与黏粒质量分数和有机质质量分数呈极显著负相关(P＜0.01)，相关系数分别为0.383和0.585，与pH值呈极显著正相关(P＜0.01，R=0.762)。说明崩岗土壤粗粒组分(砂粒)和细粒组分(黏粒)质量分数变化可基本反映崩岗侵蚀状况，较低的pH值是由于随着植被逐渐改善，土壤腐殖质质量分数增加，从而间接增强土壤结构稳定性;土壤有机质通过与土壤黏土矿物等结合，以改善土壤结构，对调节可蚀性K值具有重要意义。土壤密度及含水量对可蚀性K值无明显直接影响(P＞0.05)，这可能是因为3处崩岗土壤含水量集中偏小，土壤密度相对偏大，水分难以渗透至深层。从表4亦可知，各指标间存在一定程度的相互影响，导致K值与理化性质的相关系数难于真实反映可蚀性与土壤理化性质的相关程度;因此，为确定影响K值的最基本因子，对K值与土壤理化性质进行偏相关分析。结果表明，K值与黏粒质量分数和有机质质量分数达到极显著负相关，与pH值呈极显著正相关，这3个指标可以作为表征崩岗土壤可蚀性强弱的有效指标。

表4　可蚀性K值与土壤理化特性间的相关性Tab．4　Correlation between soil erodibility K value and its influencing factors at P＜0.01

4　讨论

崩岗侵蚀导致崩岗系统内土壤理化特性的空间分异。除pH值和有机质外，土壤颗粒组成、土壤密度和含水量在集水坡面、崩壁、崩积体差异较小，而沟口与上述3个部位差异明显。其中砂粒质量分数高达70%以上，黏粒质量分数极低，占10%左右，土壤密度较大，而含水量偏低，含水量仅为3%～4%，有机质质量分数极低。这主要与崩岗侵蚀过程有关——崩岗侵蚀区内植被稀疏，表土裸露，在降雨入渗、径流冲刷等过程中，坡面岩土层内水分逐渐达到饱和，土体最终因失重而发生塌陷与剥离，形成崩壁，原被剥蚀的大量土体陷落至下方沟道内，构成崩积体的主要物质来源，在不断侵蚀过程中，崩岗侵蚀地貌逐渐形成，较粗颗粒在低凹处“聚集”，而较细颗粒被搬运至更远处。从总体上看，3处崩岗颗粒组成基本一致，呈现出高砂粒、低黏粒，粉粒质量分数偏低的基本格局，与广东莲塘岗和江西龙回盆地等崩岗所测定的结果基本一致［3，25］。这反映出高强度的崩岗侵蚀对土壤结构的破坏具有同质效应，不仅对植被恢复前、中期的崩岗(1号和2号)具有较大影响，对恢复后期植被覆盖较高的3号崩岗的影响亦非常显著。砂粒土主要以高质量分数的石英、云母为主，而以高岭石与伊利石为主要组成成分的黏土矿物的质量分数则较低，其化学成分为＞10% 的SiO2、Al2O3常量组分与 ＜5%的 Fe2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O微量组分［25 26］，导致崩岗系统土壤持水性能较差，含水量低且不利于有机质的形成与保持，也对pH值调节酸碱环境造成不利影响。另外，本研究中3处崩岗土壤pH值明显高于该地区地带性植物群落土壤［27］，有机质质量分数普遍偏低，这与刘希林等［3］、王艳忠等［21］和牛德奎［25］在分别在粤东、粤西和赣南等崩岗集中分布地区得出的结论基本一致，而3号崩岗有机质质量分数是1、2号的6～8倍。说明植被恢复对改善有机质效果显著，但对土壤结构的改良存在明显滞后效应。

土壤可蚀性作为定量估算土壤侵蚀状况的重要参数，反映土壤自身对以剥离和搬运为主要形式的侵蚀外营力的敏感程度［28］。不同侵蚀类型区可蚀性K值差异明显。处于地处黄土高原丘陵子午岭林区［29］由于处于水蚀 风蚀交错带，除了较为强烈自然侵蚀外，已逾100年的开垦耕作史，人为侵蚀也极其严重，测算的K值略高于崩岗侵蚀区。本研究中崩岗系统土壤K值明显高于其他地区［30 34］，这亦在一定程度佐证“崩岗侵蚀是我国华南花岗岩丘陵山地最严重的侵蚀类型”［4，6］。据梁音等［33］和吕喜玺等［34］得出的结论，我国华南花岗岩红壤K值约为0.21～0.23，实际上远低于同区域内崩岗侵蚀区测得的数值，可能与研究区立地条件存在差异有关。另外，刘希林等［3］对莲塘岗崩岗表层土壤K值进行测算，得出其平均值为0.256，这可能与2处崩岗不同的侵蚀状况、植被覆盖及降雨等气候条件因素有关。综上所述，崩岗侵蚀导致区内土壤理化性质恶化、大量细粒组分携带大部分养分被搬运至冲积扇，掩埋下游农田，而粗粒组分在崩积体及沟道发生沉积，导致崩岗系统土壤贫瘠，植物生长极度困难;因此，崩岗侵蚀区生态恢复，以改善土壤结构、调节土壤pH值和提高土壤有机质质量分数最为关键，在治理实践过程中，应根据不同部位侵蚀差异和养分状况，“因地制宜”选择不同治理模式，例如，针对区内整体肥力较低，可在集水坡面种植草本植物，以快速覆盖地表，降低径流冲刷的可能性。

5　结论

1)从集水坡面到崩壁、崩积体至沟口，土壤砂粒质量分数呈升高趋势，粉粒和砂粒质量分数与之相反，土壤密度、pH值有所增加，含水量有所下降，集水坡面、崩壁和崩积体的土壤颗粒组成、土壤密度和含水量差异较小，各土壤理化特性指标在沟口与集水坡面、崩壁、崩积体差异明显;1号和2号崩岗的土壤有机质质量分数在集水坡面最高，崩壁处最低;3号崩岗在崩壁处急剧降低，崩积体明显升高。

2)1、2号崩岗可蚀性 K值大于3号崩岗;崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口4个子系统K值差异较大，其中1、2号崩岗呈崩壁 ＞崩积体 ＞沟口＞集水坡面的分布特征，3号崩岗为沟口＞崩积体＞崩壁＞集水坡面。

3)相关分析表明，崩岗土壤可蚀性K值与砂粒质量分数呈显著正相关，与黏粒质量分数和有机质质量分数呈极显著负相关，与pH值呈极显著正相关;进一步对K值与理化性质进行偏相关分析表明，黏粒质量分数、有机质质量分数和pH值与可蚀性K值关系密切，这3个指标可以作为崩岗土壤可蚀性强弱的有效指标。

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Variation of soil physical-chemical property and erodibility in the area of collapse mound of southwestern Fujian

Ou Xiaolin1，2，Chen Zhibiao1，2，3，Chen Zhiqiang1，2，3，Jiang Chao1，2，Zhao Jitao1，2，Ren Tianjing1，2
(1．State Key Laboratory of Subtropical Mountain Ecology(Funded by Ministry of Science and Technology and Fujian Province)，350007，Fuzhou，China; 2．College of Geographical Sciences，Fujian Normal University，350007，Fuzhou，China;3．Institute of Geographical Sciences，Fujian Normal University，350007，Fuzhou，China)

Abstract:［Background］Collapsing mound，called“Benggang”by local residents which originated from Chinese geomorphic pictograph，has been known to describe an erosion phenomenon in hilly area in subtropical and some tropical climatic zone of southeast China where the edge of gully source collapses and develops a deep-seated shape landform with deep-cut concave．Under the pressure of loose and barren surface soil with high acidity，as well as low vegetation coverage by deforestation，a collapsing hill is vulnerable to degenerate into eroded badland．［Methods］To reveal the effect of soil physical-chemical property and erodibility from collapsing mound，three typical collapse mounds(No．1，No．2 and No．3 representing the vegetation coverage in the range of 2%，20%and 95%，respectively)being selected within Huangnikeng collapse mound group of Zhuotian Town，Changting County in southwestern Fujian Province，basic soil physical property from the system of collapse mound including upper catchment，collapsing wall，colluvial deposit and channel outlet were investigated and measured，and erodibility K value were also calculated applying the model of Erosion Productivity Impact Calculator (EPIC)．［Results］1)For these three collapse mounds with different vegetation coverage，soil sand content，pH and bulk density had an increasing trend from upper catchment，collapsing wall，colluvial deposit till channel outlet，however，soil silt content，clay content and moisture content were descended．2)Soil organic matter content of collapse mound No．1 and No．2 were the highest at upper catchment，and the lowest at collapsing wall;soil organic matter content of collapse mound No．3 declined sharply at collapsing wall and increased significantly at colluvial deposit．3)Little variation of soil particle composition，bulk density and content existed in upper catchment，collapsing wall and colluvial deposit among three collapse mounds，and all indicators of soil physical properties existed obvious difference between channel outlet and upper catchment，collapsing wall，colluvial deposit．4)There were significant differences of K value among upper catchment，collapsing wall，colluvial deposit，channel outlet，and the K value of collapse mound No．1 and collapse mound No．2 declined in order of collapsing wall＞colluvial deposit＞channel outlet＞upper catchment，but collapse mound No．3 declined in order of channel outlet＞colluvial deposit＞collapsing wall＞upper catchment．5)The clay content，pH value，and organic matter content could be cited as the valid index to determine the intensity of soil erosion in the area of collapse mound，since they were close correlation with K value．［Conclusions］In summary，collapse mound erosion caused deterioration of soil physical properties and severe sandy associated with relative high magnitude of erodibility K value;studying the spatial differentiation on soil physical properties and erodibility in the eroded area of collapse mound erosion system presented important significance in the restoration and reconstruction in the degraded ecosystem of eroded red soil region．

Keywords:soil erodibility;collapse mound;soil physical-chemical property;variation;red soil region in southern China

中图分类号:S157.1

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0084-09

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．011

收稿日期:2015 09 28修回日期:2016 04 28

第一作者简介:区晓琳(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向:退化地生态恢复与重建。E-mail:xiaolinou123@163．com

通信作者†简介:陈志彪(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向:水土保持，资源与环境等。E-mail:chenzhib408@vip．163．com