粤北岩溶山地土壤垂直渗漏特征及影响要素分析

陈同庆，魏兴琥，李忠云

(1.佛山科学技术学院国土资源环境与旅游研究中心，广东佛山528000; 2.华南师范大学地理科学学院，广东广州510631)

粤北岩溶山地土壤垂直渗漏特征及影响要素分析

陈同庆1，魏兴琥1，李忠云2

(1.佛山科学技术学院国土资源环境与旅游研究中心，广东佛山528000; 2.华南师范大学地理科学学院，广东广州510631)

岩溶山地;土壤;垂直渗漏;影响要素

为更准确地研究岩溶山地土壤垂直流失量，选择粤北连县威建水泥厂一座弃置采石场山体6个不同方位剖面，利用电子全站仪和GPS对各剖面的高度、长度、坡度、走向、节理和漏斗、裂隙、孔穴等进行详细测量，并调查坡面植被覆盖度、土层厚度、岩石裸露率等数据。结果表明:岩溶山地表层岩溶带0～15 m深度范围漏斗、裂隙、孔穴发育，密度分别达到0.17个/100 m2、0.06条/100 m2和0.03个/100 m2。漏斗土、裂隙土和孔穴土体积分别占山体总体积的1.87%、0.36%和0.19%，分别占到山体表层土壤总体积的281.08%、53.29%和28.37%，土壤垂直渗漏总量是表层土壤体积的362.74%。岩溶山地土壤垂直流失是地质运动与地表过程长期共同作用的结果，基岩类型、地貌、地形、节理、气候、人类活动是影响岩溶土壤垂直流失的主要因素。现代岩溶环境的特征与岩溶土壤垂直渗漏关系密切。

西南岩溶区是世界上最大的裸露、半裸露型岩溶区之一［1］。粤北岩溶山区是西南岩溶区的东缘部分，是广东岩溶分布最集中、石漠化最严重的区域［2-3］。由于碳酸盐岩的易溶性使岩溶地表非均质性特征显著，地下裂隙、洞穴发育，石牙间的漏斗、岩石节理发育的裂隙、孔穴等为地表土壤提供了储存空间，地表土壤在自身重力及降水入渗的动力作用下进入岩石孔穴、洞穴、裂隙中，同时渗漏到岩石中的土壤因其化学溶蚀、水热理化作用对碳酸盐岩造成影响，导致表层岩溶带的空间分布特征和理化性质发生变化，并最终影响整个岩溶环境［4］。土壤垂直渗漏是岩溶环境的一大特征。李德文等［5］最早发现并提出了岩溶区“土壤丢失”概念。张信宝等［6］提出岩溶坡地的土壤侵蚀是化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀叠加的观点。唐益群等［7］以贵州普定县陈旗小流域为例对该石漠化区域土壤地下漏失的机理进行了初步分析，但对岩溶区土壤垂直渗漏的研究还处于初步分析阶段，缺少系统和量化的研究成果。雷俐等［8］根据广东清连高速2个剖面的详细调查结果，对岩溶山地地下漏斗土、裂隙土、孔穴土的分布特征、面积比例和土壤粒度垂直变化进行了分析，对垂直渗漏有了初步的量化研究成果。由于岩溶地区地貌类型多样，地表坡度、土层厚度、地层岩性、基岩裂隙、植被类型的发育程度等方面存在很大差别，可能会造成不同岩溶环境地下渗漏差异化，因此为使土壤垂直渗漏的研究更深入精确，笔者选择广东连县威建水泥厂采石场剖面开展了详细调查，研究岩溶山地垂直渗漏特征，并首次在剖面裂隙等调查基础上采用南方测绘CASS 7.0软件计算山体体积，以各类垂直渗漏土壤体积占表土比例相对精确地判定岩溶山地土壤垂直渗漏程度，在此基础上探讨影响土壤地下流失的主要因素。

1　研究材料与方法

1.1研究区概况

本次调查选择的6个剖面位于广东省北部连县连州镇威建水泥厂21世纪初弃置的采石场，地理位置N24°45'00″、E112°15'00″，海拔93～163 m。6个剖面均属同一山体，在不同的采挖位置形成了不同走向、坡度、高度的剖面(图1)，其中剖面3位于山体中部，剖面1、5位于山体外缘，剖面2位于剖面1、3之间，剖面4位于剖面3、5之间，剖面6与剖面3近T字形相交，为研究不同地形的漏斗、裂隙土分布特征提供了很好的调查条件。调查区是典型的岩溶山地峰丛洼地地貌，属中亚热带季风气候区，年均气温19.5℃，年均降水量1 620.9 mm，降水主要集中在3—8月。地质基底属于华夏古陆，为泥盆纪地层和二叠纪地层，基岩为纯灰岩，下部夹杂有白云质灰岩、灰质白云岩和变质岩。自然土壤为红色石灰土。植被为灰岩灌丛，有少量小乔木，如野桐，其余多为灌木和草本，如竹叶花椒、黄荆、龙须藤、檵木、小果蔷薇、箬叶竹、五节芒、野菊等。

图1　剖面位置示意　(单位:m)

1.2调查研究方法

(1)地表生态环境调查。在剖面1～5背面山坡下部、中部和顶部随机选取3个样地，每个样地随机选择3个样方(3 m×4 m)，详细调查样方内植物种、植被覆盖度、岩石裸露率(面积量算法)、土壤厚度(铁钎法)和坡度。

(2)剖面地形调查与漏斗、裂隙测量。在现场考察的基础上，利用GPS(合众思壮MG758)在每个剖面下沿每隔10 m及拐点处定位以确定剖面的水平位置和高程;利用电子全站仪(NTS-330R型)对每个剖面的空间位置，以及漏斗、裂隙、地表土壤、岩石节理等的相对位置、深度、宽度、形状进行测量。考虑到剖面、漏斗和裂隙形状的不规则性，采用了对边测量技术〔MLM1(A-B，A-C)模式〕，在每个剖面的前面设置1～2个站，利用电子全站仪的免棱镜功能测出岩石和土壤分界点的相对高度和长宽范围，增加测量精度，同时进行拍照和记录，以方便进一步的验证及判断分析。

(3)裂隙、漏斗、孔穴面积计算。在野外取得测量数据后，利用CAD软件进行剖面图绘制和计算，对每个剖面中漏斗、裂隙的位置和范围按实况数据进行填绘，并用该软件计算裂隙、漏斗、孔穴土壤的分布面积。根据现场调查到的照片等资料对下渗土壤体积进行计算并分类分析。

(4)山体及地下裂隙、漏斗、孔穴体积计算。首先，以该区域1∶1万地形图(1987年版)为底图进行扫描，根据剖面所在位置、山体形状、地貌、等高线等选取适当范围作为计算基底，选定平面面积为101 975.4 m2，山脚最小高程106.2 m、最大高程188.5 m。然后，利用南方测绘CASS 7.0软件(2011年版)进行土石方总量计算。将扫描地形图矢量化，进行等高线加密，根据地形图资料恢复现在剖面所在的地形。将所选取的高程范围内的高程点建立数字地面模型(DEM)，利用CASS软件的体积计算功能进行土石方总量计算。最后，按纵剖面所在位置左右两边基本对称的原则抽样，纵剖面的面积与土石方量有一定的对应关系，因此以各类土体剖面面积占纵剖面总面积比例来计算抽样山体中各类土体的体积。

2　结果分析

2.1剖面基本情况

作为同一山体的6个不同部位(图1)，各剖面的形态、长度、高度、坡度等均不同(图2，表1)。坡度分布呈中部略平缓(剖面3)、两边较陡(剖面2、4)、之后又变平缓(剖面1、5)的趋势，岩石节理倾角与坡度分布规律相似。剖面走向差异较大，将山体切割为不同剖面，为调查计算整个山体地下渗漏提供了很好的条件。基岩以纯灰岩为主，剖面中下部夹杂薄层不纯灰岩。样地调查表明，剖面1～5背面山坡下部、中部、顶部的植被平均覆盖度分别为25.36%、41.92%、31.60%，岩石裸露率分别为14.29%、20.00%、41.67%，土层厚度分别为20.40、15.68和9.25 cm，地表形态表现出明显的地表径流侵蚀和溶蚀的双重特征。

2.2剖面漏斗、裂隙、孔穴分布特征

各剖面漏斗、裂隙、孔穴特征值见表2。6个剖面所处位置不同，裂隙、漏斗、孔穴分布特征也有差异，以山体最高点(剖面3)为中心，山体两侧靠外缘的剖面裂隙数量多于邻近剖面，剖面1、5、6的裂隙数量分别是1、3、1个，而剖面2、4则无明显裂隙，这可能与地质抬升过程中受力差异有关;漏斗同样多位于山体外缘波状起伏处，剖面1、5、6的漏斗数量分别是8、6、2个;孔穴则只出现在剖面2、5。总体来看:漏斗主要位于0～10 m深度范围，裂隙多位于0～15 m深度范围;最大漏斗出现在剖面3与剖面2相连的岩石断裂间，上口径超过8 m，深度接近8 m;最深裂隙出现在剖面6，深度超过13 m，裂隙平均宽度为0.74 m;孔穴只出现4个，主要发育在剖面2的中上部，平均孔径1.19 m，有明显的渗漏痕迹。按剖面密度计算，每100 m2内有漏斗0.17个、裂隙0.06条、孔穴0.03个。

图2　不同剖面裂隙、漏斗、孔穴分布

表1　各剖面基本情况

表2　不同剖面漏斗、裂隙、孔穴特征

表3　各剖面漏斗、裂隙、孔穴土壤体积与比例

2.3土壤垂直渗漏体积

调查中所有漏斗、裂隙、孔穴中都被土壤填塞。基于6个剖面漏斗、裂隙和孔穴采用全站仪的详细调查数据，通过CASS 7.0软件计算山体及漏斗土、裂隙土和孔穴土体积(表3)。6个剖面22个漏斗中土壤总体积为54 493.76 m3，仅占山体总体积的1.87%，是表层土壤总体积的281.08%。8条裂隙中的土壤总体积为10 332.21 m3，占山体总体积的0.36%，是表层土壤总体积的 53.29%。4处孔穴中的土壤总体积为5 500.78 m3，占山体总体积的0.19%，是表层土壤总体积的28.37%。表层土壤以下漏斗、裂隙、孔穴土壤总体积占山体总体积的2.42%，是表层土壤总体积的362.74%。

3　土壤垂直渗漏影响要素分析

威建水泥厂弃置采石场6个剖面中漏斗、裂隙、孔穴等空间分布特征调查及土壤垂直渗漏比例计算结果与清连高速公路断面(K2117～K2116，N24°42'07.4″、E112°18'01.2″;K2118，N24°41'18.6″、E112°18'15.4″)调查结果均表明［7-8］，漏斗、裂隙、孔穴的形成是地质过程、地表过程共同作用的产物，影响要素复杂，主要包括以下几个方面。

3.1基岩种类

志留纪末发生的加里东运动使广东结束了地槽的历史，进入华南准地台阶段，泥盆纪至中三叠纪沉积的浅海碳酸盐岩形成了广东岩溶地貌发育的基础，之后中三叠纪末的印支运动产生了一系列北东向的褶皱构造，包括粤北连州复向斜，英德弧形褶皱构成了广东岩溶地貌发育的基本框架［9］。广布于粤北的碳酸盐岩由于发育阶段、位置不同，所以基岩岩性出现差异，有纯碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩(白云质灰岩、泥质灰岩等)两大类。不同岩性的碳酸盐岩溶蚀过程、程度有差异，根据对采自清连高速公路断面灰岩试样的近3年的模拟观测试验，含云灰岩(方解石含量为87.8%)和云灰岩(方解石含量73.3%)在地表的溶蚀率分别为0.091%和0.109%，在土壤 30 cm深处分别为0.369%和0.157%，在不同部位的溶蚀率差异较大。劳文科等也将灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩等碳酸盐岩划分为强岩溶化、中等岩溶化和弱岩溶化三个等级［10］，这种差异对表层岩溶带的发育强度具有明显的影响。一般来说，纯碳酸盐岩的裂隙发育高于不纯碳酸盐岩，灰岩的裂隙发育高于白云岩。

3.2地貌与地形

粤北的碳酸盐岩有岩溶山地、岩溶丘陵、岩溶台地、岩溶峰林平原4种地貌类型，其中山地与丘陵主要位于乐昌、乳源岩溶高原区，台地和平原主要位于连阳、英德岩溶山地和盆谷区［11］。岩溶山地是陆地上升，经过长期的溶蚀、侵蚀作用形成的。灰岩纯度差异造成岩溶山地地貌分异:纯灰岩构成的岩溶山地常形成峰丛洼地与底座相连的峰林，山坡上部与中部岩石裸露，石芽、裂隙、石槽遍布，垂直渗漏侵蚀占主导，坡麓承接了来自坡面中上部的地表侵蚀物，土层相对较厚，坡面侵蚀占主导，低洼处多漏斗，最低处往往有落水洞;不纯灰岩与砂页岩相间构成的岩溶山地既有溶蚀地貌，又有侵蚀地貌，裂隙发育不如纯灰岩地貌多，地表土层较厚，漏斗较多。岩溶山地顶部裂隙发育，底部漏斗发育。岩溶丘陵是地壳上升，经长期溶蚀侵蚀作用形成的。纯灰岩构成的岩溶丘陵呈峰尖坡陡、岩石裸露的莲座状峰林地貌，顶部岩石裸露、裂隙发育，坡面多石芽、石槽、沟、裂隙，低洼处有漏斗，但面积小于岩溶山地;不纯灰岩与砂页岩相间构成的岩溶丘陵有丘有峰，洼地、漏斗、竖井相间出现。岩溶台地是比较宽阔平缓的一种地貌，依灰岩纯度差异分溶蚀台地和溶蚀侵蚀台地:溶蚀台地地表多红色石灰土，有残峰和石芽突起，裂隙发育，垂直渗漏明显，地表河流少，地下河发育;溶蚀侵蚀台地土层厚，裂隙发育不明显。溶蚀平原是在溶蚀作用和地表侵蚀作用下形成的较平坦地貌，峰林独立或部分呈莲座状，陡峭，仅坡麓较缓，顶部平缓，石芽、石沟、裂隙发育，峭壁可见明显的裂隙，底部偶见溶洞，峰间洼地漏斗发育。典型剖面调查显示，微地形尤其坡度是影响垂直渗漏的关键。平坦地形下，坡面侵蚀减弱，垂直渗漏加强，岩石裸露进一步加剧了溶蚀，裂隙发育明显;在坡度较陡的坡面，侵蚀使上部表土下移堆积，覆盖了岩石，降低了溶蚀率，坡面流很好地减弱了雨水的垂直渗漏量，同时也减弱了溶蚀，因此地形越平缓，垂直渗漏溶蚀越明显，裂隙越发育。

3.3岩石节理

表层的节理、裂隙构造是表层岩溶带发育的主导因素，它为降水向表层岩体中渗漏和溶蚀提供了基础。在粤北岩溶地区，岩溶发育时期大致在中生代晚期至老第三纪，以燕山运动的断裂和断块造山运动为主，断裂运动造成了大型的褶皱断块山地和断陷盆地，如连州盆地和连阳、英德岩溶山地等，褶皱构造发育的英德弧形山地形成峰林和溶蚀谷地，如英西峰林等，而连江流域的岩溶高原受南北向瑶山背斜控制，连县-阳山-英德-翁源谷地受东陂-连州复向斜控制。地质构造与运动对岩溶地貌影响巨大，也使得地层在陆地抬升过程中不断变化，形成各种节理并在溶蚀作用下逐渐发育为裂缝、裂隙。已调查的6个剖面，以斜向节理为主，山体中部节理缓平，外缘节理倾角加大，节理缝隙中多见水体和土壤渗漏;越靠近表层或山体外缘的节理缝隙越明显，尤其山体外缘节理缝隙变宽、长度增加，可见节理的倾角对雨水渗漏及溶蚀强度的影响。清连高速2个剖面由于节理倾角更大、坡度更陡，裂隙密度、深度、宽度均大于连州威建水泥厂6个剖面［8］。

3.4气候

降雨是溶蚀的基础，它和空气中二氧化碳共同构成溶蚀动力。粤北地区降雨充沛，工业化又增加了空气中的二氧化碳浓度。研究证明，气温每增加10℃，溶蚀速度提高1倍，因而全球气候变暖无疑会加剧粤北岩溶区的溶蚀速度。此外，酸雨也会影响溶蚀量。模拟试验结果表明，平均每1 mm降雨使供试石灰质土壤中钙离子流失量达到0.01 g/m3，而轻度酸雨条件下单位降雨土壤中钙离子平均净流失量是蒸馏水条件下的2倍以上。

3.5人类活动

在粤北岩溶区，人类活动最直接的影响第一个就是矿石开采。在英德、阳山、连南、连州、乳源等地，有大大小小的灰岩开采场数十个，开采造成了土壤流失、地表植被破坏、径流侵蚀加剧、水质恶化，同时水泥厂生产也会污染大气与周边生态。另一个重要影响因素是开垦，特别是在岩溶丘陵区和岩溶台地区，如阳山、英德、连南、连州的岩溶区，坡面平缓处被开垦为梯田，尽管坡面侵蚀得到了控制，但垂直渗漏依然存在;在很多峰林平原区，如英德九龙等地，坡麓相对平缓，土层较厚，多被开垦为经济林区。开垦使得原有植被被砍伐，地表土壤被搬运，侵蚀加剧，钙离子迁移路线受到影响，导致土壤理化性质发生变化。

4　结语

(1)研究区岩溶山地表层岩溶带漏斗、裂隙、孔穴发育，位于同一山体不同部位的6个剖面共计有22个漏斗、8条裂隙和4个孔穴，漏斗主要位于0～10 m深度范围，裂隙、孔穴多位于0～15 m深度范围。

(2)漏斗、裂隙、孔穴成为表层土壤垂直渗漏的主要载体。漏斗中储存的土壤总体积占山体总体积的1.87%，但占表层土壤总体积的281.08%;裂隙中储存的土壤占山体总体积的0.36%，占表层土壤总体积的53.29%;孔穴中储存土壤占山体总体积的0.19%，占表层土壤总体积的28.37%。土壤垂直渗漏总量是表层土壤体积的362.74%。

(3)岩溶山地土壤垂直流失是地质运动与地表过程长期共同作用的结果，基岩类型、地貌、地形、节理、气候、人类活动等共同影响着岩溶区土壤垂直渗漏特征与程度，从而导致岩溶环境的现代生态状况。

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(责任编辑李杨杨)

S157

A

1000-0941(2016)03-0055-05

国家自然科学基金项目(31170486，41571091);广东省自然科学基金项目(S2012010009272);中国科学院科技网络服务计划项目(STS计划)(KFJ-EW-STS-092)

陈同庆(1957—)，男，广东兴宁市人，讲师，学士，主要从事土地退化过程中的土壤、水文、气象研究。

2015-08-28