郝 芮,鄧羽松,娜荷芽,馮春杰,王俊升,蔡志文,丁樹(shù)文

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,430070,武漢)

崩崗是我國(guó)南方花崗巖地區(qū)相當(dāng)嚴(yán)重的土壤侵蝕現(xiàn)象,主要是山坡土體在水力和重力雙重影響下,受破壞致崩塌和沖刷造成的[12]。據(jù)水利部2005年調(diào)查統(tǒng)計(jì),南方紅壤區(qū)共有崩崗23.91萬(wàn)個(gè),總面積1 220 km2,主要分布在廣東、福建、江西、湖北、湖南、安徽、廣西7省自治區(qū)花崗巖地區(qū)[3]。崩崗的發(fā)生破壞基本農(nóng)田,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分貧瘠化、保水保肥能力下降,惡化生態(tài)環(huán)境,同時(shí)威脅公共安全,是我國(guó)南方區(qū)域危害最嚴(yán)重的一種侵蝕類型[34]。

據(jù)調(diào)查,崩崗發(fā)育在花崗巖、砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖和第四紀(jì)松散沉積物上,主要發(fā)生于花崗巖地區(qū),與風(fēng)化殼的巖土特性有密切的關(guān)系[5]。南方高溫多雨的天氣影響,加上花崗巖內(nèi)各種節(jié)理、裂隙大量存在,促使花崗巖母質(zhì)強(qiáng)烈風(fēng)化,從而形成了深厚的、抗蝕力弱的風(fēng)化殼[6]。相關(guān)學(xué)者研究表明花崗巖形成的深厚風(fēng)化殼可達(dá)10～50 m,這為崩崗的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)?；◢弾r風(fēng)化殼的粒度構(gòu)成多具有粗細(xì)混雜的特點(diǎn),砂粒、粉粒比例較多,而黏粒比例少,隨風(fēng)化強(qiáng)度的逐漸增強(qiáng)粒度隨之變細(xì)[7]。因?yàn)閺V泛的花崗巖母巖出露,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期強(qiáng)烈的風(fēng)化成土過(guò)程,風(fēng)化殼厚度大,并且形成的殘積物中石英砂粒所占比例高,土體力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,抗剪強(qiáng)度低[89],導(dǎo)致花崗巖地區(qū)崩崗發(fā)生普遍,所以對(duì)花崗巖崩崗的風(fēng)化程度進(jìn)行準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)具有重大意義[10]。如今化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)判別被廣泛應(yīng)用,采用元素的淋失率,通過(guò)SiO2、Al2O3和 Fe2O3等土體中氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化來(lái)衡量巖土風(fēng)化程度[11]。本研究采集典型花崗巖崩崗區(qū)土壤,測(cè)定同一剖面垂直方向上不同層次風(fēng)化殼中氧化物種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù),通過(guò)比較氧化物所占比例差異,計(jì)算風(fēng)化強(qiáng)度,分析其與顆粒組成、黏聚力等相互聯(lián)系,來(lái)揭示崩崗的形成和花崗巖風(fēng)化程度差異間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)通城縣位于鄂、湘、贛3省交界處。地跨E 113°36′～114°04′,N 29°02′～29°24′,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),水資源豐富,雨熱同期。年平均氣溫17.1℃,歷年極端最高氣溫40.7℃,極端最低氣溫-15.2℃,無(wú)霜期年均256 d,年平均降水量1 556 mm。通城縣共有崩崗1 102處,其中活動(dòng)型崩崗958個(gè),占全縣崩崗總量的86.9%,發(fā)育活躍;崩崗占全縣水土流失總量的60%左右,侵蝕嚴(yán)重[12]。研究區(qū)崩崗主要發(fā)生在低丘的花崗巖風(fēng)化殼上,土壤類型為紅壤。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

筆者選取通城縣五里的崩崗,多點(diǎn)采樣,設(shè)定4組重復(fù)。依照侵蝕剖面顏色、質(zhì)地進(jìn)行層次的劃分,測(cè)量記錄厚度和形態(tài)特征。筆者把剖面編號(hào)記為TC,將剖面自上而下做如下劃分：深度0～30 cm為TC1,土壤顏色5YR5/8,疏松多孔,根系較多,土粒細(xì)小;＞30～100 cm為TC2,土壤顏色7.5YR6/8,質(zhì)地緊實(shí)均勻,根系較少;＞100～200 cm為TC3,土壤顏色7.5YR7/8,結(jié)構(gòu)較疏松,無(wú)根系;＞200～300 cm為TC4,土壤顏色7.5YR8/6,粒狀結(jié)構(gòu);＞300～500 cm為TC5,土壤顏色5YR7/1,較疏松,有較多的大顆粒石英砂。采樣內(nèi)容包括原狀土和散土,原狀土采用環(huán)刀取樣,用膠帶密封防止水分蒸發(fā),各個(gè)層次剖面上散土樣多點(diǎn)混合采集。

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

用普通環(huán)刀采集土樣,測(cè)定土壤密度,并對(duì)各土層的土樣的基本理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。顆粒組成采用吸管法測(cè)定;陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用乙酸銨交換法;直剪環(huán)刀測(cè)定自然含水量下的土壤黏聚力。用等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定全量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為氧化物比例。

2.3 風(fēng)化特征計(jì)算

在化學(xué)全量分析的基礎(chǔ)上,詳細(xì)計(jì)算各風(fēng)化層的化學(xué)元素遷移特征值和強(qiáng)度。在計(jì)算遷移特征值時(shí)主要選取的風(fēng)化系數(shù)有硅鋁系數(shù)(SiO2/Al2O3)、鋁鐵系數(shù)(Al2O3/Fe2O3)、堿金屬淋溶系數(shù)((K2O+Na2O)/Al2O3)、堿土金屬淋溶系數(shù)((CaO+MgO)/Al2O3)、鹽基總量淋溶系數(shù)((K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3),這類比值小,淋溶強(qiáng),累積亦強(qiáng),風(fēng)化深刻的系數(shù),還有1類比值大、風(fēng)化強(qiáng)的指標(biāo),殘積系數(shù)((R2O3/(RO+R2O))、殘余系數(shù)(R2O3/SiO2)。共7個(gè)指標(biāo),能較全面地反映風(fēng)化狀況。

筆者在計(jì)算對(duì)比土壤剖面不同層次化學(xué)風(fēng)化特征時(shí)引入綜合反映風(fēng)化強(qiáng)度的計(jì)算公式[13],以最底層TC5為基準(zhǔn)：

式中：It為風(fēng)化強(qiáng)度,%;Er為風(fēng)化率均衡度;Em為元素遷移率均衡度為平均淋溶系數(shù),其求取方式分別為：

式中：H(s)為信息熵函數(shù);N為樣品個(gè)數(shù);Pi為每個(gè)指標(biāo)占指標(biāo)總數(shù)的比例,%。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)

花崗巖風(fēng)化殼土體各層次理化性質(zhì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定如表1所示,土壤密度TC5為1.21 g/cm3,由下到上土壤密度增大,至TC2為1.39 g/cm3,TC1為1.28 g/cm3。從TC5開(kāi)始隨著采樣深度的減小,砂粒比例逐漸下降,粉粒比例變化不大,黏粒比例逐漸增多;TC1中3種顆粒的比例相當(dāng);TC5中砂粒比例是TC1的2.13倍;TC2黏粒比例最高40.73%,TC1的黏粒比例低于TC2,為10.15%;TC5到TC4黏粒比例上升,增加幅度為12.85%,而砂粒比例急劇下降20.94%。陽(yáng)離子交換量從下到上逐漸增加,TC5陽(yáng)離子交換量為5.78 cmol(+)/kg,TC1可達(dá)到12.82 cmol(+)/kg,TC2到TC1陽(yáng)離子交換量相差僅0.39 cmol(+)/kg,小于其他土層間變化。土壤自然含水量下的黏聚力是破壞面沒(méi)有任何正應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度,TC5為4.82 kPa,由下至上升高,TC2最大,為63.92 kPa,TC1次之,為 51.03 kPa。

3.2 土體中氧化物比例變化趨勢(shì)

統(tǒng)計(jì)各層次氧化物所占比例(表2),土壤氧化物組成以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主,其余不到10%可能為TiO2和MnO2等一些微量元素形成的氧化物和含碳的有機(jī)物。其中SiO2的比例最高,均在58%以上;Al2O3比例次之,在16%以上;Fe2O3和K2O比例在2% ～6%之間變化;CaO、Na2O和MgO等易溶組分的比例較低,不足1.2%;Fe2O3和Al2O3比例由下到上逐漸增多,在 TC2中比例最高,這是由于表層黏粒沉積,元素遷移至此。TC5中SiO2比例最高,為72.54%,由底層向上SiO2比例逐漸減少,TC1為58.82%。表層 K2O、CaO、Na2O和MgO較少,中下層較多。MgO比例在底層最多,達(dá)到0.82%,TC2比例最低,為0.45%。K2O在TC3中比例最大,為5.61%,比例向上或向下方向都下降,Na2O占的比例是隨深度減小逐漸下降,TC4最多達(dá)到1.18%。這是因?yàn)楦邷囟嘤甑募t壤區(qū)強(qiáng)烈的淋溶作用,硅酸鹽類礦物強(qiáng)烈分解,硅酸鹽和鹽基離子大量淋失。

表1 花崗巖風(fēng)化殼土體各層次基本理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical properties of the granite weathered crust soil at different soil layers

表2 不同層次氧化物比例Tab.2 Percentage of oxide at different soil layers %

3.3 土壤脫硅富鐵鋁化和鹽基淋溶風(fēng)化特征

根據(jù)公式計(jì)算出不同層次土壤風(fēng)化系數(shù),TC5硅鋁系數(shù)最大為4.42,從下至上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),說(shuō)明脫硅富鋁化過(guò)程規(guī)律性比較明顯,從指標(biāo)來(lái)看,Al2O3的富集程度呈現(xiàn)出從剖面底部向上遞增的規(guī)律,最大值出現(xiàn)在TC2。鋁鐵系數(shù)反應(yīng)出鋁的富集程度遠(yuǎn)大于鐵,TC5鋁的富集程度與鐵相比最大為7.22,TC3富集程度最小為5.40。鹽基總淋溶強(qiáng)度的變化規(guī)律,根據(jù)地帶性紅壤的剖面發(fā)育特征,Al2O3相對(duì)比較穩(wěn)定,而鹽基離子易受淋洗[11];因此鹽基總量淋溶系數(shù)的比值越小,說(shuō)明淋溶作用越強(qiáng),由表3可知由下到上淋溶增強(qiáng),底層的鹽基離子含量是表層的2倍以上。殘積系數(shù)由下至上逐漸增大,TC2殘積系數(shù)最高為0.45,TC1和TC2殘積系數(shù)數(shù)值僅差0.01,TC3和TC4數(shù)值也同樣相差0.01。殘余系數(shù)從底層至表層均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì),TC1的殘余比值比最下層大0.2,再次說(shuō)明風(fēng)化由下到上增強(qiáng)明顯,脫硅富鐵鋁化程度加強(qiáng)。

3.4 風(fēng)化強(qiáng)度定量分析比較

進(jìn)一步利用以上7個(gè)指標(biāo)得出各層次土壤風(fēng)化強(qiáng)度(表4)。風(fēng)化率均衡度較穩(wěn)定,TC1、TC2、TC4均為0.53,TC3為0.52,TC5為0.55。元素遷移率均衡度TC2＞TC3＞TC1 ＞TC4＞TC5,TC1比TC2風(fēng)化強(qiáng)度要小1.08%,這主要受元素遷移率均衡度影響。TC1、TC2平均淋溶系數(shù)大,分別為0.37,0.31;TC3僅為0.06,TC4平均淋溶系數(shù)為0.13。TC2與TC3風(fēng)化強(qiáng)度相差7.72%,TC4與TC5風(fēng)化強(qiáng)度相差6.92%,2處出現(xiàn)明顯變化,這主要與平均淋溶系數(shù)的波動(dòng)有關(guān)。通城花崗巖崩崗所形成的土壤相對(duì)風(fēng)化強(qiáng)度,土壤由底層到表層逐漸增強(qiáng)。TC1比TC2風(fēng)化強(qiáng)度要小1.08%,因?yàn)樵谇治g過(guò)程中,一些細(xì)的黏粒隨坡面徑流流失或向下層遷移,TC1鋁和鐵的富集值要小,計(jì)算出的風(fēng)化強(qiáng)度值就小。

3.5 土壤風(fēng)化特征與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

對(duì)土壤的顆粒組成比例、陽(yáng)離子交換量、自然含水量下黏聚力與各類氧化物和土壤風(fēng)化強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析,探究其相互關(guān)系。從表5可得：Fe2O3在0.01水平(雙側(cè))上與砂粒顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)性系數(shù)為-0.968;與黏粒、陽(yáng)離子交換量和黏聚力正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)分別為0.994、0.972、0.998。Al2O3在0.05水平(雙側(cè))上與砂粒顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)性系數(shù)為-0.889;與黏粒、陽(yáng)離子交換量和黏聚力正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)分別為0.880、0.939和0.938。而SiO2相反,與砂粒所占土壤比例呈正比關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)為0.980;與黏粒比例、陽(yáng)離子交換量和黏聚力負(fù)相關(guān)。風(fēng)化強(qiáng)度劇烈結(jié)果造成Fe2O3、Al2O3富集,而這一結(jié)果常常有利于土壤顆粒間的膠結(jié)、凝結(jié)、沉淀、結(jié)晶。風(fēng)化強(qiáng)度與砂粒比例呈反比關(guān)系,在0.01水平(雙側(cè))上負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)是-0.961,風(fēng)化使土體顆粒進(jìn)一步變小、變細(xì)。風(fēng)化強(qiáng)度與黏粒比例、陽(yáng)離子交換量、自然含水量下的土壤黏聚力具有明顯的正比關(guān)系。風(fēng)化強(qiáng)度與土壤黏粒比例在0.05水平(雙側(cè))上相關(guān)性顯著,黏粒與風(fēng)化強(qiáng)度相關(guān)性高達(dá)0.929。風(fēng)化強(qiáng)度與陽(yáng)離子交換量和黏聚力更是在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);陽(yáng)離子交換量與風(fēng)化強(qiáng)度的相關(guān)性為0.976,土壤黏聚力與風(fēng)化強(qiáng)度的相關(guān)性為0.964。說(shuō)明風(fēng)化強(qiáng)度越大,陽(yáng)離子交換量和黏聚力越大。

表3 不同層次土壤風(fēng)化系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculated soil weathering coefficient at different soil layers

表4 不同層次土壤風(fēng)化強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculated soil weathering intensity at different soil layers

4 討論

土壤黏粒所占比例與土壤風(fēng)化強(qiáng)度正相關(guān),在一定程度上能反映出土壤的風(fēng)化程度。黏粒礦物屬于次生礦物,含有大量的礦質(zhì)元素,這就使得黏粒比例高的上層風(fēng)化程度高于黏粒比例低的下層,黏粒比例越高,則風(fēng)化程度越深,土壤元素釋放的就更徹底。土壤陽(yáng)離子交換量是指土壤所吸附和交換的陽(yáng)離子容量,陽(yáng)離子交換特性與土體的顆粒組成、次生黏土礦物類型等要素密切相關(guān)[14]。陽(yáng)離子交換量由下到上增多,TC2到TC1陽(yáng)離子交換量增加量小于其它土層間變化,這與黏粒比例變化趨勢(shì)相同。土壤中帶電顆粒主要是土壤膠體即黏粒部分,因此土壤黏粒比例越高,土壤負(fù)電荷越多,陽(yáng)離子交換量越高;又由于金屬陽(yáng)離子的交換能力存在差異,Fe3+、Al3+交換能力強(qiáng)[15],所以 Fe3+、Al3+與陽(yáng)離子交換量正相關(guān)性大。自然含水量下的黏聚力從TC5向上逐漸增大,黏聚力上升的趨勢(shì)是由于黏粒比例增多,Fe2O3比例增加。

表5 土壤理化性質(zhì)與風(fēng)化特征相關(guān)性系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between soil physicochemical properties and weathering characteristics

Al2O3、Fe2O3隨土壤深度減小所占比例增多,SiO2減少。這是由于淋溶作用,脫硅富鐵鋁化,開(kāi)始由于K、Na、Ca、Mg等氧化物存在使土壤溶液呈微堿性或中性,硅酸移動(dòng),由于各種易遷移風(fēng)化物隨水向下淋溶,土壤上部的pH值逐漸下降,含水鐵、鋁氧化物則開(kāi)始溶解;又因土體上部植物殘?bào)w的礦化所提供的鹽基較豐富,酸性較弱,故含水鐵、鋁氧化物的活性也較弱,鐵、鋁氧化物一般遷移量小,大多數(shù)富集下來(lái)形成鐵鋁殘余積聚層[16]。硅和鹽基遭到淋失,堿土金屬CaO在土壤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)總的變化趨勢(shì)是處于淋溶狀態(tài),最大值在表層以下一定位置,淀積現(xiàn)象。MgO在風(fēng)化殼剖面中,總的趨勢(shì)是處于淋失狀態(tài),但最小值并非在表層,而在TC2。K2O總的趨勢(shì)處于淋失狀態(tài),最小值位于TC1,但在TC4處有一個(gè)明顯的富集深度,由富集區(qū)向兩端遞減?；瘜W(xué)元素的遷移并非按照淋溶元素依次遞減、富集元素逐漸增加的理論模式去演化,而是隨著地貌和風(fēng)化殼中水分循環(huán)條件而變化。元素在風(fēng)化殼的上層以垂直運(yùn)動(dòng)為主,遷移到一定深度,由于水循環(huán)減慢,上層元素逐漸累積[17]。Na2O含量由下到上明顯的減少趨勢(shì)。黏粒與次生黏土礦物不斷形成,鐵、鋁氧化物明顯積聚。CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小是土壤在降雨量大于蒸發(fā)量的生物氣候條件下,土壤發(fā)生脫鈣過(guò)程,碳酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)橹靥妓徕}從土體中淋失[18]。

花崗巖崩崗地區(qū)土體風(fēng)化發(fā)育程度,主要是檢測(cè)堿金屬、堿土金屬遷移度,脫硅富鋁鐵化作用,土壤剖面不同深度的風(fēng)化特征主要體現(xiàn)在SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO 這 7 個(gè)氧化物的所占比例變化,以及這些元素的重新組合[19]。計(jì)算風(fēng)化強(qiáng)度過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)下越向上風(fēng)化程度越大,氧化程度越深,TC2的相對(duì)風(fēng)化強(qiáng)度最大,TC1因黏粒下沉和水循環(huán)等其他因素相對(duì)風(fēng)化強(qiáng)度低于TC2。Al2O3、Fe2O3與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性和風(fēng)化強(qiáng)度與之相關(guān)性趨勢(shì)相同,SiO2反之,更證明花崗巖崩崗地區(qū)土體風(fēng)化特征與脫硅富鐵鋁的淋溶過(guò)程密切相關(guān)。

花崗巖由下到上風(fēng)化程度增強(qiáng),經(jīng)強(qiáng)烈脫硅富鐵鋁化作用、鹽基遭受較強(qiáng)烈的淋失,顆粒細(xì)化。土壤上層風(fēng)化程度大,主要膠結(jié)物質(zhì)黏粒比例高,游離氧化鐵比例高,結(jié)構(gòu)緊實(shí),黏聚力大;而下層風(fēng)化程度低,黏粒比例下降、砂粒比例增加,黏聚力較小,缺乏膠結(jié)物質(zhì),并且由于顆粒粗,極易吸水飽和,水分又極易散失,顆粒間空隙大,土體干裂快,使得風(fēng)化殼下層土體抗沖抗蝕能力差[20],從而上穩(wěn)下松,極易發(fā)生土體失穩(wěn)崩塌、傾覆而形成崩崗。當(dāng)松散易侵蝕的下層TC4、TC5暴露后,有利于龕的形成。在瀑流的沖刷下龕不斷擴(kuò)大,其上部的崩壁會(huì)產(chǎn)生臨空面,造成土體因重力崩塌,當(dāng)崩壁的崩塌產(chǎn)物部分被流水帶走后,下層再次暴露出來(lái)。如此反復(fù),溯源侵蝕不斷進(jìn)行,崩崗面積發(fā)展擴(kuò)大[21]。

5 結(jié)論

1)不同氧化物在土壤剖面不同層次質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異。由于脫硅富鐵鋁化作用,Fe2O3、Al2O3比例由下到上逐漸增多,TC2中比例最高,SiO2比例逐漸減少,表層K2O、CaO、Na2O與MgO較少,中下層較多。氧化物規(guī)律性變化分布與風(fēng)化殼土壤經(jīng)脫硅富鋁鐵化、鹽基淋溶等成土過(guò)程相關(guān)。

2)花崗巖風(fēng)化殼土壤的風(fēng)化強(qiáng)度與元素遷移率、平均淋溶系數(shù)相關(guān),風(fēng)化程度 TC2＞TC1＞TC3＞TC4＞TC5,整體趨勢(shì)是由上到下風(fēng)化程度減弱。風(fēng)化程度與黏粒比例、陽(yáng)離子交換量、黏聚力呈正相關(guān)。

3)風(fēng)化強(qiáng)度大,土壤顆粒組成中黏粒比例高,膠結(jié)物質(zhì)多,黏聚力大,土體更穩(wěn)定。風(fēng)化程度弱,粗顆粒比例相較多,土壤黏聚力小更易被侵蝕。花崗巖剖面土壤上層風(fēng)化程度大,下層風(fēng)化程度較小,出露在外,下層侵蝕流失更嚴(yán)重,從而造成土體失穩(wěn)易崩塌,形成崩崗。