程富東，戴全厚，王玲玲，王佩將

(1.貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司，貴州 貴陽550025； 2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025；3.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130102)

喀斯特坡耕地微地貌特征及土壤質(zhì)量評價

程富東1,2，戴全厚1，王玲玲1，王佩將3

(1.貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司，貴州 貴陽550025； 2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025；3.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130102)

喀斯特地區(qū)；坡耕地；微地貌；空間分布；土壤質(zhì)量

以典型喀斯特坡耕地為研究對象，采用野外樣方調(diào)查，以土壤侵蝕現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，分析微地貌成因，結(jié)合坡耕地外部特征劃分裸巖、土被、土窩、土槽、土面5種微地貌類型。采用K-均值聚類分析，劃分土面型、土面-土槽型、土面-裸巖型、土面-土窩型、土面-土被型5種基本微地貌類型組合。選擇方差/均值比率法研究微地貌空間分布格局，運用主成分分析法評價微地貌土壤質(zhì)量，結(jié)果表明：土面、土槽、土窩、土被在坡耕地的空間分布屬于均勻分布，裸巖呈集群分布；土面土壤質(zhì)量全部屬于第一等級，土槽屬于第二等級，土窩72.45%屬于第三等級、27.55%屬于第四等級，土被1.65%屬于第三等級、8.92%屬于第四等級、89.43%屬于第五等級。

西南地區(qū)是我國坡耕地分布最多的區(qū)域，且大多為土壤貧瘠、水土流失嚴重的石旮旯破碎坡耕地。坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件惡劣，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)，群眾生活沒有保障[1]，無序開墾對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了極大危害。特殊的地質(zhì)、氣候環(huán)境和強烈的喀斯特作用，在西南地區(qū)形成了一系列特殊的微地貌，使得坡耕地巖石裸露率高、土壤瘠薄、土體跳躍式分布、地面起伏度大、臨時性干旱頻繁、生態(tài)條件嚴酷[2]。這些微地貌呈現(xiàn)出巖石裸露、土體切割的景觀[3-5]。不同的微地貌形成了作物生長的不同微環(huán)境，土體的不連續(xù)性使得坡耕地土壤養(yǎng)分在空間分布上存在差異，嚴重影響坡耕地的可持續(xù)開發(fā)和利用，因此劃分坡耕地微地貌類型，分析微地貌土壤質(zhì)量，對實現(xiàn)喀斯特地區(qū)坡耕地合理利用具有重要意義。為了進一步揭示喀斯特地區(qū)坡耕地水土流失特點及其土壤養(yǎng)分效應(yīng)，用于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、預測土地狀況變化趨勢、為石漠化治理提供參考依據(jù)，開展喀斯特坡耕地微地貌分類系統(tǒng)及土壤養(yǎng)分分布特征的研究就顯得尤為重要。本研究選取位于喀斯特地區(qū)典型小流域的坡耕地，在調(diào)查土壤流失和巖石裸露現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析微地貌形成原因，劃分微地貌類型，總結(jié)微地貌組合類型和空間分布特征，并對其土壤質(zhì)量進行評價，希望能為同類地區(qū)土地合理開發(fā)和水土流失治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

水城縣位于貴州省西部，屬長江流域三岔河水系和珠江流域北盤江水系，是2008年啟動實施的巖溶地區(qū)石漠化綜合治理100個試點縣之一?；谖髂蠋r溶地區(qū)石漠化綜合治理工程效益評價項目野外勘察成果，根據(jù)喀斯特地區(qū)基本資料和微地貌分布規(guī)模、水土流失現(xiàn)狀等，選擇位于水城縣的一字河小流域和天生橋小流域作為研究區(qū)域。一字河、天生橋流域是水城縣石漠化綜合治理工程重點治理流域，小流域地形起伏大，坡陡谷深，海拔1 400—2 276 m，巖溶發(fā)育強烈，屬典型的喀斯特山區(qū)；土壤以黃壤和黃棕壤為主，質(zhì)地疏松，pH值5.5～7.0；屬亞熱帶高原季風氣候區(qū)，降水充沛，雨熱同季，多年平均降水量1 261 mm，年均氣溫12 ℃，年無霜期223 d。

2 研究方法

基于喀斯特坡耕地微地貌的復雜性，在研究區(qū)選擇微地貌出露明顯、類型齊全的地段，采用實測的方法布設(shè)樣地，共布設(shè)30個20 m×20 m的標準樣地。調(diào)查各微地貌類型的總數(shù)、外部形態(tài)、長寬深三維尺度、土地利用現(xiàn)狀、土層厚度、石礫含量、土壤質(zhì)地，在坐標紙上按比例繪出樣地中所有微地貌類型的形狀并計算其面積比率。選用方差/均值比率法測定微地貌分布格局[6]，運用主成分分析法評價各微地貌類型的土壤質(zhì)量。按照不同的微地貌類型采集土樣并帶回實驗室，采用K2Cr2O7容量法測定有機質(zhì)含量、半微量開氏法測定全氮含量、堿解擴散法測定堿解氮含量、酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷及速效磷含量、酸溶-火焰光度法測定全鉀含量、乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 微地貌成因分析

喀斯特坡耕地微地貌是在喀斯特地區(qū)由于巖石的溶蝕與土壤流失的雙重疊加，造成巖石裸露，土體跳躍式分布，地表巖石與土壤間隔分布，形成不同于常態(tài)地貌的微地形單元景觀。由于喀斯特地區(qū)特殊的水文二元結(jié)構(gòu)，其水土流失不同于常態(tài)地貌：未出露土壤時，巖石已遭受侵蝕；降雨來臨，土壤通過地表、地下雙重路徑流失；隨著土壤侵蝕的加劇，基巖裸露越來越多，土體破碎程度加大，喀斯特微地貌越來越明顯。微地貌的開始就是基巖開始出露，巖石裸露率小，微地貌對坡耕地的影響就小，巖石裸露率大，微地貌對坡耕地的影響就大?？λ固氐貐^(qū)坡耕地微地貌是由多種微地貌類型鑲嵌構(gòu)成的復合體，幾乎所有的坡耕地都有巖石出露地表的現(xiàn)象，其組合狀況決定了該微地貌的生態(tài)有效性，微地貌的多樣性充分說明了微地貌的高異質(zhì)性。微地貌以土壤為主體，巖石與土壤間隔分布，土層厚度呈現(xiàn)跳躍式分布，同時由于微地貌類型的多樣性，使得土壤養(yǎng)分空間分布差異極其顯著。坡耕地微地貌的發(fā)育標志著石漠化的開始，微地貌類型組合多樣性表明石漠化已經(jīng)比較嚴重。水土流失和石漠化發(fā)育使坡耕地形成了一系列不同的微地貌類型，而地面起伏度又影響地面糙度，使得水土流失情況更加復雜。不同的喀斯特微地貌對水土流失程度有著重要影響，同時喀斯特微地貌的不同又是由各可溶巖的喀斯特作用及其水土流失差異性造成的[7]。

3.2 微地貌類型劃分

坡耕地微地貌類型劃分是合理利用、科學施肥的基礎(chǔ)。微地貌分類實質(zhì)上是對石漠化地區(qū)巖石出露、切割土體、形成小斑塊的土地進行分類，主要是區(qū)分各微地貌類型的土壤容重、養(yǎng)分含量和土地綜合特征屬性[8]，自然環(huán)境因素綜合特性的相似性和差異性是微地貌分類的主要依據(jù)。

根據(jù)30個樣地的典型調(diào)查，在喀斯特坡耕地上按照微地貌的成因和外部形態(tài)特征共區(qū)分出5種微地貌類型，即裸巖、土被、土窩、土槽、土面。

(1)裸巖。裸巖是造成坡耕地微地貌分布多樣性的主要因子。坡耕地表土侵蝕流失導致巖石露出地面。據(jù)調(diào)查，裸巖的大面積出露破壞了土體的連續(xù)性，提高了基巖裸露率，形成了各種微地貌類型，因此基巖裸露率是判斷微地貌多樣性的標準之一。水對可溶巖的破壞與改造作用在裸巖表面形成各種小正、負地形。巖面的光滑程度對水土流失具有較大影響：當巖面比較光滑時，巖-土接觸面上兩者間的摩擦力較小，巖-土間的黏結(jié)力弱，易產(chǎn)生水土流失；反之，巖-土接觸面上兩者間的摩擦力較大，巖-土間的黏結(jié)力強，巖石風化面保土保水性好，不易造成水土流失。

(2)土被。土被表土覆蓋較均勻、土層非常淺薄且面積很小、土壤層次發(fā)育不完整的土壤，是喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用環(huán)境最嚴酷的微地貌類型，常出現(xiàn)在微地形較平坦和土壤容易沖刷的地段。該地貌類型裸巖切割強烈，土體連續(xù)性差，土層厚度一般5 cm左右，最厚可達10 cm，土體構(gòu)型發(fā)育不完全，土壤立地條件差，侵蝕較嚴重，易發(fā)生流失。據(jù)典型樣地實測，其面積比例為0～32.00%，平均2.64%。

(3)土窩。土窩是巖石出露切割土體形成的圓窩狀的微地貌類型。該地貌類型土壤容量相對較小，礫石含量較多，土壤層次發(fā)育不完整，立地條件較土槽差。其農(nóng)業(yè)機械利用程度不高、使用不便，常分布在土面分布較多的地段，是土面侵蝕退化后形成的一種立地優(yōu)于土被的微地貌類型，其分布直徑常為數(shù)厘米至1 m，土層淺薄，多為15 cm左右，最厚可達30 cm。雨后易積水，保水性差，臨時性干旱嚴重，以擊濺侵蝕為主，保土性好，不易土壤流失。據(jù)典型樣地實測，其面積比例為0～31.50%，平均4.74%。

(4)土槽。土槽是巖石出露切割土體形成的長條形微地貌類型。該地貌類型基巖出露表土較高，土體覆蓋較均勻，土層較厚，礫石含量較少，土壤層次發(fā)育相對完整，立地條件較土面差，常分布在土面分布較多的地段，是土面侵蝕退化后形成的一種立地條件較好的微地貌類型。其分布長寬多為數(shù)厘米至數(shù)米，土層較厚，多數(shù)超過20 cm，最厚可達50 cm，土體構(gòu)型A-B-C均有，是喀斯特地區(qū)坡耕地微地貌中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用程度比較高的一種微地貌類型。雨后不易積水，水土流失強度與走向相關(guān)性極大：順坡發(fā)育時，水土流失較土面嚴重；橫坡發(fā)育時，水土流失程度輕。據(jù)典型樣地實測，其面積比例為0～40.51%，平均8.52%。

(5)土面。土面表土覆蓋比較均勻且面積相對較大，土層厚，礫石含量較少，是土壤層次發(fā)育相對完整的微地貌類型，是在水土流失作用下坡耕地基巖裸露、土體切割呈現(xiàn)出的一種微地形景觀，常出現(xiàn)在風化、溶蝕形成的土壤不易受沖刷的較平坦地段或侵蝕土壤易堆積地段。該地貌類型分布長寬可達數(shù)米至幾十米甚至更大，土層厚度多數(shù)超過30 cm，最厚可達1 m，土體構(gòu)型A-B-C均有。雨后一般不易積水，是喀斯特地區(qū)坡耕地微地貌中土壤質(zhì)量最適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種微地貌類型，但坡面面蝕較為嚴重，暴雨時甚至會產(chǎn)生股流，是坡耕地水土流失最嚴重的微地貌類型。據(jù)典型樣地實測，其面積比例為40.39%～95.23%，平均72.88%。

3.3 微地貌空間分布特征

3.3.1 微地貌的組合類型

喀斯特坡耕地微地貌是各種微地貌類型的鑲嵌組合。受海拔、坡度、坡形等因子的影響，不同的微地貌類型具有不同的發(fā)育強度和水土流失強度，各微地貌類型組合形成不同的組合單元，具有不同的土壤質(zhì)量及土地利用率，對其進行研究有助于更深入地認識微地貌。本研究以典型調(diào)查樣地為實體、不同微地貌類型的面積為調(diào)查屬性，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計聚類分析方法，對微地貌類型組合進行劃分。本研究采用K-均值聚類分析法，按照土地利用相似性系數(shù)的一定閾值標準進行各微地貌類型的組合劃分，并進行實地校核，最終確定樣地微地貌類型組合結(jié)果[9]。聚類分析過程采用SPSS 18.0軟件完成，各樣地微地貌類型組合見表1。

表1 微地貌類型組合

(1)土面型，包括14塊樣地，其特點是土面比例占80.35%～95.23%，是最主要的微地貌類型組合，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力最高。

(2)土面-土槽型，包括7塊樣地，其特點是土面比例占40.39%～60.02%、土槽比例占21.19%～40.51%，土面與土槽面積比例合計70.64%～88.12%。

(3)土面-裸巖型，包括5塊樣地，其特點是土面比例占69.66%～79.65%、裸巖比例占17.65%～24.05%，土面與裸巖面積比例合計91.00%～98.50%。

(4)土面-土窩型，包括3塊樣地，其特點是土面比例占58.50%～65.00%、土窩比例占18.50%～31.50%，土面與土窩面積比例合計77.00%～90.95%。

(5)土面-土被型，包括1塊樣地，其特點是土面比例45%、土被比例32%。

由表1可以看出土面型、土面-土槽型和土面-裸巖型是研究區(qū)最常見的微地貌類型組合，其樣地數(shù)占調(diào)查總數(shù)的86.67%。各類型間互有聯(lián)系，在各種類型廣泛出露發(fā)育之前，坡耕地主要表現(xiàn)為土面和裸巖微地貌類型，裸巖出露，土體被裸巖零星切割，坡耕地破碎度增加，形成微地貌發(fā)育的最初形態(tài)；受內(nèi)外侵蝕營力影響，地表起伏度增加，土面、土槽、土窩、土被和裸巖互相交錯，形成一系列微地貌組合類型。

3.3.2 微地貌的空間分布

喀斯特森林小生境與坡耕地微地貌有許多相似點。本研究在小生境研究的基礎(chǔ)上，選擇方差/均值比率法來研究微地貌空間分布格局。對各微地貌類型的分布格局進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，土被的數(shù)量、面積都很小，在30塊樣地的調(diào)查中只有樣地8屬于土面-土被類型組合，其他類型組合中土被類型所占面積比例亦很小，難以用某種分布型進行擬合或檢驗，因此可以認為土被的空間分布屬于零星分布。本試驗對于土面、土槽、土窩、土被、裸巖等5種微地貌類型，分別用5、10、15 m作為取樣單位邊長，以取樣單位內(nèi)各微地貌類型的面積比例作為測定屬性，90個取樣單位測定結(jié)果見表2。由表2可知，土面、土槽、土窩、土被、裸巖等微地貌類型的空間分布格局不隨取樣單位面積的變化而變化，其中土面、土槽、土窩、土被在坡耕地的空間分布屬于均勻分布，裸巖呈集群分布。

表2 不同微地貌類型的分布格局

3.3.3 微地貌土壤質(zhì)量評價

受自然和人為因素影響，西南喀斯特坡耕地土壤肥力呈下降趨勢，對微地貌土壤肥力的正確認識和客觀評價是準確了解微地貌土壤空間分布特征和合理利用土壤資源的前提條件。微地貌土壤肥力評價既是獲取土地質(zhì)量狀況的重要手段，也是農(nóng)業(yè)開發(fā)和土地利用規(guī)劃中一項重要的基礎(chǔ)性工作，可為土地合理利用提供科學依據(jù)。本研究選擇能反映土壤肥力質(zhì)量特性的定量因子，利用主成分分析方法[10]，綜合評價微地貌土壤肥力狀況。

選取土壤有機質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、速效鉀(AK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)共7個肥力因子作為主成分分析的評價指標。各樣地有機質(zhì)含量31.04～251.91 g/kg，全氮0.50～4.20 g/kg、全鉀6.02～41.04 g/kg、全磷0.48～1.28 g/kg、速效鉀64.94～238.71 mg/kg、堿解氮150.03～343.34 mg/kg、速效磷0.70～7.21 mg/kg。經(jīng)過原始數(shù)據(jù)標準化處理，測定指標的相關(guān)系數(shù)矩陣，計算特征值和特征向量，提取主成分，結(jié)果見表3。從表3可以看出，第1、2個主成分對于總方差的貢獻率之和達到80.98%，即前2個主成分能把坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分全部指標提供信息的80.98%反映出來。因此，利用主成分分析微地貌土壤肥力質(zhì)量是可靠和可行的。根據(jù)主成分計算公式，可得到2個主成分與原7項指標的線性組合公式為

F1=0.389ωOM+0.386ωTN+0.386ωTP+0.374ωTK

+0.372ωAN+0.393ωAK+0.343ωAP

F2=-0.051ωOM-0.033ωTN-0.274ωTP-0.082ωTK

-0.216ωAN-0.166ωAK+0.916ωAP

式中：F1為第一主成分；F2為第二主成分；ωOM為標準化處理后的有機質(zhì)含量；ωTN為標準化處理后的全氮含量；ωTP為標準化處理后的全磷含量；ωTK為標準化處理后的全鉀含量；ωAN為標準化處理后的堿解氮含量；ωAK為標準化處理后的速效鉀含量；ωAP為標準化處理后的速效磷含量。

表3 方差分解主成分提取分析

將標準化數(shù)據(jù)代入上式，可得到所有土壤樣品分別在2個主成分上的得分。再根據(jù)F=∑bjFj=b1F1+b2F2+…+bkFk，得到F=0.561 1F1+0.248 7F2，從而求得綜合得分F。測定土壤樣品的F值分布于-3.79～2.83：土壤質(zhì)量較高的土被F值分布于-3.79～1.27，土窩F值分布于-0.19～0.51，土槽F值分布于1.08～1.71，土面F值分布于2.07～2.83。不同微地貌肥力等級見表4。由表4可見，土面全部屬于第一等級，土壤肥力最高；土槽屬于第二等級，肥力狀況次之；之后是土窩，72.45%屬于第三等級、27.55%屬于第四等級；土被最差，1.65%屬于第三等級、8.92%屬于第四等級、89.43%屬于第五等級。

表4 土壤肥力等級比例

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

近年來，喀斯特森林小生境理論日益成熟，針對喀斯特森林立地分類研究已達到一定深度，但是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為立足點，針對喀斯特坡耕地微地貌的研究卻鮮見報道。本研究選擇水城縣為研究區(qū)域，分析研究得出以下結(jié)論：

(1)喀斯特坡耕地微地貌是在喀斯特地區(qū)由于巖石的溶蝕與土壤流失的雙重疊加，造成巖石裸露，土層跳躍式分布，地表形成巖石與土壤間隔，進而形成的不同于常態(tài)地貌的微地形單元景觀。

(2)在喀斯特坡耕地，按照微地貌的成因和外部形態(tài)特征可區(qū)分出5種微地貌類型，即裸巖、土被、土窩、土槽、土面。應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計聚類分析方法，劃分出土面型、土面-土槽型、土面-裸巖型、土面-土窩型、土面-土被型5種基本類型組合。土面、土槽、土窩、土被、裸巖等微地貌類型的空間分布格局不隨取樣單位面積的變化而變化，土面、土槽、土窩、土被在坡耕地的空間分布屬于均勻分布，裸巖呈集群分布。

(3)土面土壤質(zhì)量全部屬于第一等級，土槽屬于第二等級，土窩72.45%屬于第三等級、27.55%屬于第四等級，土被1.65%屬于第三等級、8.92%屬于第四等級、89.43%屬于第五等級。

4.2 討 論

首先，影響微地貌形成的因素有海拔、坡度、坡位、土層厚度、土地利用方式、三維尺度等，本研究僅限于在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上從土層厚度、外貌特征方面開展微地貌的分類工作，今后還應(yīng)考慮其他因素影響下的微地貌形成情況，并且喀斯特坡耕地水土流失情況復雜，僅從水平、垂直方向簡單說明，對侵蝕機理研究不夠，希望今后能開展更多深層次的研究。其次，本研究在微地貌空間格局分析時，借鑒小生境的研究經(jīng)驗，使用了方差/均值比率法，分別用5、10、15 m作為取樣單位邊長，以取樣面積內(nèi)各微地貌類型的面積比例作為測定屬性，但是在小樣方的選擇上，取樣單位邊長是否能夠準確反映空間情況，還需要進一步研究。再次，本研究選擇水城縣作為研究區(qū)域，在微地貌分類的基礎(chǔ)上采集土樣進行化學分析，得出了不同微地貌土壤質(zhì)量評價，其他喀斯特地區(qū)是否具有相同的規(guī)律還需要進一步研究。

[1] 謝俊奇.中國坡耕地[M].北京:中國大地出版社,2005:3-8.

[2] 劉建忠,韓德軍,顧再柯,等.貴州喀斯特地區(qū)坡耕地現(xiàn)狀及整改策略[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2007(5): 42-45.

[3] 張喜.貴州喀斯特山地坡耕地立地影響因素及分區(qū)[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2003,27(6):98-102.

[4] 張喜.貴州喀斯特山地坡耕地立地分類與評價[J].東北林業(yè)大學學報,2005,33:76-81.

[5] 高華端.貴州陡坡退耕地立地分類系統(tǒng)研究[J].水土保持研究,2003,10(4):76-79.

[6] 朱守謙,何紀星,祝小科,等.喀斯特森林微地貌特征初步研究Ⅰ[M].貴陽:貴州科技出版社,1993: 52-64.

[7] 杜雪蓮,王世杰.喀斯特石漠化區(qū)小生境特征研究——以貴州清鎮(zhèn)王家寨小流域為例[J].地球與環(huán)境,2010,38(3):255-261.

[8] 劉方,王世杰,羅海波,等.喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)的微地貌及其土壤異質(zhì)性[J].土壤學報,2008,5 (6) :1055-1062.

[9] 朱守謙,何紀星,魏魯明,等.喀斯特森林生態(tài)研究Ⅲ[M].貴陽:貴州科技出版社,1993:43-53.

[10] 朱建平.應(yīng)用多元統(tǒng)計分析[M].北京：科學出版社,2006:43-53.

(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金(41461057)；國家“十二五”科技支撐計劃課題(2011BAC02B02)；貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)專項(黔科合JZ 字〔2014〕2002)；貴州省喀斯特生態(tài)與環(huán)境專業(yè)學位研究生工作站(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)

S714.7

A

1000-0941(2015)05-0067-05

程富東(1987—)，男，陜西長武縣人，助理工程師，碩士，主要研究方向為退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建；通信作者戴全厚(1969—)，男，甘肅臨洮縣人，教授，博士，主要研究方向為水土保持與生態(tài)恢復。

2014-10-11