崩岗是我国南方花岗岩地区相当严重的土壤侵蚀现象, 主要是山坡土体在水力和重力双重影响下, 受破坏致崩塌和冲刷造成的^[1-2]。据水利部2005年调查统计, 南方红壤区共有崩岗23.91万个, 总面积1 220 km², 主要分布在广东、福建、江西、湖北、湖南、安徽、广西7省自治区花岗岩地区^[3]。崩岗的发生破坏基本农田, 导致土壤养分贫瘠化、保水保肥能力下降, 恶化生态环境, 同时威胁公共安全, 是我国南方区域危害最严重的一种侵蚀类型^[3-4]。

据调查, 崩岗发育在花岗岩、砂砾岩、凝灰质砂岩和第四纪松散沉积物上, 主要发生于花岗岩地区, 与风化壳的岩土特性有密切的关系^[5]。南方高温多雨的天气影响, 加上花岗岩内各种节理、裂隙大量存在, 促使花岗岩母质强烈风化, 从而形成了深厚的、抗蚀力弱的风化壳^[6]。相关学者研究表明花岗岩形成的深厚风化壳可达10~50 m, 这为崩岗的发育提供了物质基础。花岗岩风化壳的粒度构成多具有粗细混杂的特点, 砂粒、粉粒比例较多, 而黏粒比例少, 随风化强度的逐渐增强粒度随之变细^[7]。因为广泛的花岗岩母岩出露, 经过长期强烈的风化成土过程, 风化壳厚度大, 并且形成的残积物中石英砂粒所占比例高, 土体力学性质不稳定, 抗剪强度低^[8-9], 导致花岗岩地区崩岗发生普遍, 所以对花岗岩崩岗的风化程度进行准确定量评价具有重大意义^[10]。如今化学风化指标判别被广泛应用, 采用元素的淋失率, 通过SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等土体中氧化物的质量分数变化来衡量岩土风化程度^[11]。本研究采集典型花岗岩崩岗区土壤, 测定同一剖面垂直方向上不同层次风化壳中氧化物种类及其质量分数, 通过比较氧化物所占比例差异, 计算风化强度, 分析其与颗粒组成、黏聚力等相互联系, 来揭示崩岗的形成和花岗岩风化程度差异间的关系。

研究区通城县位于鄂、湘、赣3省交界处。地跨E 113°36′~114°04′, N 29°02′~29°24′, 属北亚热带季风气候区, 水资源丰富, 雨热同期。年平均气温17.1 ℃, 历年极端最高气温40.7 ℃, 极端最低气温-15.2 ℃, 无霜期年均256 d, 年平均降水量1 556 mm。通城县共有崩岗1 102处, 其中活动型崩岗958个, 占全县崩岗总量的86.9%, 发育活跃; 崩岗占全县水土流失总量的60%左右, 侵蚀严重^[12]。研究区崩岗主要发生在低丘的花岗岩风化壳上, 土壤类型为红壤。

笔者选取通城县五里的崩岗, 多点采样, 设定4组重复。依照侵蚀剖面颜色、质地进行层次的划分, 测量记录厚度和形态特征。笔者把剖面编号记为TC, 将剖面自上而下做如下划分:深度0~ 30 cm为TC1, 土壤颜色5YR5/8, 疏松多孔, 根系较多, 土粒细小; ＞30~100 cm为TC2, 土壤颜色7.5YR6/8, 质地紧实均匀, 根系较少; ＞100~200 cm为TC3, 土壤颜色7.5YR7/8, 结构较疏松, 无根系; ＞200~300 cm为TC4, 土壤颜色7.5YR8/6, 粒状结构; ＞300~500 cm为TC5, 土壤颜色5YR7/1, 较疏松, 有较多的大颗粒石英砂。采样内容包括原状土和散土, 原状土采用环刀取样, 用胶带密封防止水分蒸发, 各个层次剖面上散土样多点混合采集。

用普通环刀采集土样, 测定土壤密度, 并对各土层的土样的基本理化性质进行测定。颗粒组成采用吸管法测定; 阳离子交换量测定采用乙酸铵交换法; 直剪环刀测定自然含水量下的土壤黏聚力。用等离子发射光谱仪测定全量元素质量分数, 并将结果转化为氧化物比例。

在化学全量分析的基础上, 详细计算各风化层的化学元素迁移特征值和强度。在计算迁移特征值时主要选取的风化系数有硅铝系数(SiO₂/Al₂O₃)、铝铁系数(Al₂O₃/Fe₂O₃)、碱金属淋溶系数((K₂O+ Na₂O)/Al₂O₃)、碱土金属淋溶系数((CaO+ MgO)/Al₂O₃)、盐基总量淋溶系数((K₂O+Na₂O+CaO+MgO)/Al₂O₃), 这类比值小, 淋溶强, 累积亦强, 风化深刻的系数, 还有1类比值大、风化强的指标, 残积系数((R₂O₃/(RO+R₂O))、残余系数(R₂O₃/SiO₂)。共7个指标, 能较全面地反映风化状况。

笔者在计算对比土壤剖面不同层次化学风化特征时引入综合反映风化强度的计算公式^[13], 以最底层TC5为基准:

式中:I_t为风化强度, %; E_r为风化率均衡度; E_m为元素迁移率均衡度; C为平均淋溶系数, 其求取方式分别为:

式中:H(s)为信息熵函数; N为样品个数; P_i为每个指标占指标总数的比例, %。

式中:C为平均淋溶系数, (当C值≤0时不参与计算)。Y₀为最底层该氧化物的比例, %; Y_i为以上各层氧化物的比例, %; Y_A为最底层土Al₂O₃的比例, %; Y_a为以上各层土Al₂O₃的比例, %。

花岗岩风化壳土体各层次理化性质经实验测定如表 1所示, 土壤密度TC5为1.21 g/cm³, 由下到上土壤密度增大, 至TC2为1.39 g/cm³, TC1为1.28 g/cm³。从TC5开始随着采样深度的减小, 砂粒比例逐渐下降, 粉粒比例变化不大, 黏粒比例逐渐增多; TC1中3种颗粒的比例相当; 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, 为10.15%;TC5到TC4黏粒比例上升, 增加幅度为12.85%, 而砂粒比例急剧下降20.94%。阳离子交换量从下到上逐渐增加, TC5阳离子交换量为5.78 cmol(+)/kg, TC1可达到12.82 cmol(+)/kg, TC2到TC1阳离子交换量相差仅0.39 cmol(+)/kg, 小于其他土层间变化。土壤自然含水量下的黏聚力是破坏面没有任何正应力作用下的抗剪强度, TC5为4.82 kPa, 由下至上升高, TC2最大, 为63.92 kPa, TC1次之, 为51.03 kPa。

表 1(Tab. 1)

表 1 花岗岩风化壳土体各层次基本理化性质 Tab. 1 Physicochemical properties of the granite weathered crust soil at different soil layers 土层 Soil layer 土壤密度 Soil density/ (g·cm-3) 砂粒 Sand (0.05~ 2 mm)/% 粉粒 Silt (0.002~ 0.05 mm)/% 黏粒 Clay (< 0.002 mm)/ % 阳离子交换量 CEC/ (cmol(+)·kg-1) 黏聚力 Cohesive force/kPa TC1 1.28 36.28 33.14 30.58 12.82 51.03 TC2 1.39 38.31 20.96 40.73 12.43 63.92 TC3 1.37 46.86 23.36 29.28 10.27 39.99 TC4 1.34 56.32 27.15 16.53 8.49 23.29 TC5 1.21 77.26 19.06 3.68 5.78 4.82 Notes:TC:Divide the profile from top to bottom:0-30 cm for TC1, soil is 5YR5/8 of color, loose and porous, and there are more roots and fine soil particles; >30-100 cm for TC2, soil is 7.5YR6/8 of color, tight and even texture, and there are less roots; >100-200 cm for TC3, soil is 7.5YR7/8 of color, looser structure, and there are no roots; >200-300 cm for TC4, soil is 7.5YR8/6 of color and granular structure; >300-500 cm for TC5, soil is 5YR7/1 of color, looser, and there are more large particles of quartz sand.CEC stands for cation exchange capacity.The same below.

表 1 花岗岩风化壳土体各层次基本理化性质 Tab. 1 Physicochemical properties of the granite weathered crust soil at different soil layers

统计各层次氧化物所占比例(表 2), 土壤氧化物组成以SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃为主, 其余不到10%可能为TiO₂和MnO₂等一些微量元素形成的氧化物和含碳的有机物。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%之间变化; CaO、Na₂O和MgO等易溶组分的比例较低, 不足1.2%;Fe₂O₃和Al₂O₃比例由下到上逐渐增多, 在TC2中比例最高, 这是由于表层黏粒沉积, 元素迁移至此。TC5中SiO₂比例最高, 为72.54%, 由底层向上SiO₂比例逐渐减少, TC1为58.82%。表层K₂O、CaO、Na₂O和MgO较少, 中下层较多。MgO比例在底层最多, 达到0.82%, TC2比例最低, 为0.45%。K₂O在TC3中比例最大, 为5.61%, 比例向上或向下方向都下降, Na₂O占的比例是随深度减小逐渐下降, TC4最多达到1.18%。这是因为高温多雨的红壤区强烈的淋溶作用, 硅酸盐类矿物强烈分解, 硅酸盐和盐基离子大量淋失。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同层次氧化物比例 Tab. 2 Percentage of oxide at different soil layers % 土层 Soil layer Fe2O3 SiO2 MgO CaO Al2O3 Na2O K2O 其他 Other TC1 3.78 58.82 0.55 0.30 23.57 0.60 2.47 9.91 TC2 4.15 58.13 0.45 0.51 24.34 0.71 2.98 8.73 TC3 3.49 64.26 0.65 0.45 18.83 1.03 5.61 5.68 TC4 2.96 65.28 0.58 0.37 18.33 1.18 3.94 7.36 TC5 2.28 72.54 0.82 0.45 16.43 1.13 4.31 2.04

表 2 不同层次氧化物比例 Tab. 2 Percentage of oxide at different soil layers

根据公式计算出不同层次土壤风化系数, TC5硅铝系数最大为4.42, 从下至上呈现减小的趋势, 说明脱硅富铝化过程规律性比较明显, 从指标来看, Al₂O₃的富集程度呈现出从剖面底部向上递增的规律, 最大值出现在TC2。铝铁系数反应出铝的富集程度远大于铁, TC5铝的富集程度与铁相比最大为7.22, TC3富集程度最小为5.40。盐基总淋溶强度的变化规律, 根据地带性红壤的剖面发育特征, Al₂O₃相对比较稳定, 而盐基离子易受淋洗^[11]; 因此盐基总量淋溶系数的比值越小, 说明淋溶作用越强, 由表 3可知由下到上淋溶增强, 底层的盐基离子含量是表层的2倍以上。残积系数由下至上逐渐增大, TC2残积系数最高为0.45, TC1和TC2残积系数数值仅差0.01, TC3和TC4数值也同样相差0.01。残余系数从底层至表层均呈现出递增的趋势, TC1的残余比值比最下层大0.2, 再次说明风化由下到上增强明显, 脱硅富铁铝化程度加强。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同层次土壤风化系数计算结果 Tab. 3 Calculated soil weathering coefficient at different soil layers 土层 Soil layer 硅铝系数 Silicon aluminum coefficient SiO2/Al2O3 铝铁系数 Aluminum iron coefficient Al2O3/Fe2O3 碱金属淋溶系数 Alkaline metal leaching coefficient (K2O+Na2O)/ Al2O3 碱土金属淋溶系数 Alkaline earth metal leaching coefficient (CaO+ MgO)/Al2O3 盐基总量淋溶系数 Salt total leaching coefficient (K2O+ Na2O+CaO+ MgO)/Al2O3 残积系数 Eluvial coefficient R2O3/(RO+ R2O) 残余系数 Residual coefficient R2O3/SiO2 TC1 2.50 6.24 0.13 0.04 0.17 0.44 0.46 TC2 2.39 5.86 0.15 0.04 0.19 0.45 0.49 TC3 3.41 5.40 0.35 0.06 0.41 0.31 0.35 TC4 3.56 6.18 0.28 0.05 0.33 0.30 0.33 TC5 4.42 7.22 0.33 0.08 0.41 0.24 0.26

表 3 不同层次土壤风化系数计算结果 Tab. 3 Calculated soil weathering coefficient at different soil layers

进一步利用以上7个指标得出各层次土壤风化强度(表 4)。风化率均衡度较稳定, TC1、TC2、TC4均为0.53, TC3为0.52, TC5为0.55。元素迁移率均衡度TC2>TC3>TC1 >TC4>TC5, TC1比TC2风化强度要小1.08%, 这主要受元素迁移率均衡度影响。TC1、TC2平均淋溶系数大, 分别为0.37, 0.31;TC3仅为0.06, TC4平均淋溶系数为0.13。TC2与TC3风化强度相差7.72%, TC4与TC5风化强度相差6.92%, 2处出现明显变化, 这主要与平均淋溶系数的波动有关。通城花岗岩崩岗所形成的土壤相对风化强度, 土壤由底层到表层逐渐增强。TC1比TC2风化强度要小1.08%, 因为在侵蚀过程中, 一些细的黏粒随坡面径流流失或向下层迁移, TC1铝和铁的富集值要小, 计算出的风化强度值就小。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同层次土壤风化强度计算结果 Tab. 4 Calculated soil weathering intensity at different soil layers 土层 Soil layer 风化率均衡度 Weathering rate equilibrium Er 元素迁移率均衡度 Elemental mobility equilibrium Em 平均淋溶系数 Average leaching coefficient C 风化强度 Weathering intensity It/% TC1 0.53 1.09 0.37 64.10 TC2 0.53 1.14 0.31 65.18 TC3 0.52 1.12 0.06 57.46 TC4 0.53 1.07 0.13 56.92 TC5 0.55 1.00 0.00 50.00

表 4 不同层次土壤风化强度计算结果 Tab. 4 Calculated soil weathering intensity at different soil layers

对土壤的颗粒组成比例、阳离子交换量、自然含水量下黏聚力与各类氧化物和土壤风化强度进行相关性分析, 探究其相互关系。从表 5可得:Fe₂O₃在0.01水平(双侧)上与砂粒显著负相关, 相关性系数为-0.968;与黏粒、阳离子交换量和黏聚力正相关, 相关性系数分别为0.994、0.972、0.998。Al₂O₃在0.05水平(双侧)上与砂粒显著负相关, 相关性系数为-0.889;与黏粒、阳离子交换量和黏聚力正相关, 相关性系数分别为0.880、0.939和0.938。而SiO₂相反, 与砂粒所占土壤比例呈正比关系, 相关性系数为0.980;与黏粒比例、阳离子交换量和黏聚力负相关。风化强度剧烈结果造成Fe₂O₃、Al₂O₃富集, 而这一结果常常有利于土壤颗粒间的胶结、凝结、沉淀、结晶。风化强度与砂粒比例呈反比关系, 在0.01水平(双侧)上负相关, 相关系数是-0.961, 风化使土体颗粒进一步变小、变细。风化强度与黏粒比例、阳离子交换量、自然含水量下的土壤黏聚力具有明显的正比关系。风化强度与土壤黏粒比例在0.05水平(双侧)上相关性显著, 黏粒与风化强度相关性高达0.929。风化强度与阳离子交换量和黏聚力更是在0.01水平(双侧)上显著相关; 阳离子交换量与风化强度的相关性为0.976, 土壤黏聚力与风化强度的相关性为0.964。说明风化强度越大, 阳离子交换量和黏聚力越大。

表 5(Tab. 5)

表 5 土壤理化性质与风化特征相关性系数 Tab. 5 Correlation coefficient between soil physicochemical properties and weathering characteristics Fe2O3 SiO2 MgO CaO Al2O3 Na2O K2O It 砂粒 Sand -0.968** 0.980** 0.882* 0.187 -0.889* 0.797 0.449 -0.961** 粉粒 Silt 0.338 -0.516 -0.396 -0.920* 0.406 -0.450 -0.481 0.492 黏粒 Clay 0.994** -0.941* -0.876 0.137 0.880* -0.757 -0.348 0.929* CEC 0.972** -0.983** -0.865 -0.172 0.939* -0.878 -0.533 0.976** 黏聚力 Cohesive force 0.998** -0.967** -0.890* 0.071 0.938* -0.835 -0.472 0.964** 注:*在0.05水平(双侧)上显著相关。**在0.01水平(双侧)上显著相关。Notes:* refers to significantly correlated at 0.05 level (bilateral).** refers to significantly correlated at 0.01 level (bilateral).It is weathering intensity.

表 5 土壤理化性质与风化特征相关性系数 Tab. 5 Correlation coefficient between soil physicochemical properties and weathering characteristics

土壤黏粒所占比例与土壤风化强度正相关, 在一定程度上能反映出土壤的风化程度。黏粒矿物属于次生矿物, 含有大量的矿质元素, 这就使得黏粒比例高的上层风化程度高于黏粒比例低的下层, 黏粒比例越高, 则风化程度越深, 土壤元素释放的就更彻底。土壤阳离子交换量是指土壤所吸附和交换的阳离子容量, 阳离子交换特性与土体的颗粒组成、次生黏土矿物类型等要素密切相关^[14]。阳离子交换量由下到上增多, TC2到TC1阳离子交换量增加量小于其它土层间变化, 这与黏粒比例变化趋势相同。土壤中带电颗粒主要是土壤胶体即黏粒部分, 因此土壤黏粒比例越高, 土壤负电荷越多, 阳离子交换量越高; 又由于金属阳离子的交换能力存在差异, Fe³⁺、Al³⁺交换能力强^[15], 所以Fe³⁺、Al³⁺与阳离子交换量正相关性大。自然含水量下的黏聚力从TC5向上逐渐增大, 黏聚力上升的趋势是由于黏粒比例增多, Fe₂O₃比例增加。

Al₂O₃、Fe₂O₃随土壤深度减小所占比例增多, SiO₂减少。这是由于淋溶作用, 脱硅富铁铝化, 开始由于K、Na、Ca、Mg等氧化物存在使土壤溶液呈微碱性或中性, 硅酸移动, 由于各种易迁移风化物随水向下淋溶, 土壤上部的pH值逐渐下降, 含水铁、铝氧化物则开始溶解; 又因土体上部植物残体的矿化所提供的盐基较丰富, 酸性较弱, 故含水铁、铝氧化物的活性也较弱, 铁、铝氧化物一般迁移量小, 大多数富集下来形成铁铝残余积聚层^[16]。硅和盐基遭到淋失, 碱土金属CaO在土壤中质量分数总的变化趋势是处于淋溶状态, 最大值在表层以下一定位置, 淀积现象。MgO在风化壳剖面中, 总的趋势是处于淋失状态, 但最小值并非在表层, 而在TC2。K₂O总的趋势处于淋失状态, 最小值位于TC1, 但在TC4处有一个明显的富集深度, 由富集区向两端递减。化学元素的迁移并非按照淋溶元素依次递减、富集元素逐渐增加的理论模式去演化, 而是随着地貌和风化壳中水分循环条件而变化。元素在风化壳的上层以垂直运动为主, 迁移到一定深度, 由于水循环减慢, 上层元素逐渐累积^[17]。Na₂O含量由下到上明显的减少趋势。黏粒与次生黏土矿物不断形成, 铁、铝氧化物明显积聚。CaO质量分数最小是土壤在降雨量大于蒸发量的生物气候条件下, 土壤发生脱钙过程, 碳酸钙转变为重碳酸钙从土体中淋失^[18]。

花岗岩崩岗地区土体风化发育程度, 主要是检测碱金属、碱土金属迁移度, 脱硅富铝铁化作用, 土壤剖面不同深度的风化特征主要体现在SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、K₂O、Na₂O、CaO、MgO这7个氧化物的所占比例变化, 以及这些元素的重新组合^[19]。计算风化强度过程中, 发现综合评价下越向上风化程度越大, 氧化程度越深, TC2的相对风化强度最大, TC1因黏粒下沉和水循环等其他因素相对风化强度低于TC2。Al₂O₃、Fe₂O₃与土壤理化性质的相关性和风化强度与之相关性趋势相同, SiO₂反之, 更证明花岗岩崩岗地区土体风化特征与脱硅富铁铝的淋溶过程密切相关。

花岗岩由下到上风化程度增强, 经强烈脱硅富铁铝化作用、盐基遭受较强烈的淋失, 颗粒细化。土壤上层风化程度大, 主要胶结物质黏粒比例高, 游离氧化铁比例高, 结构紧实, 黏聚力大; 而下层风化程度低, 黏粒比例下降、砂粒比例增加, 黏聚力较小, 缺乏胶结物质, 并且由于颗粒粗, 极易吸水饱和, 水分又极易散失, 颗粒间空隙大, 土体干裂快, 使得风化壳下层土体抗冲抗蚀能力差^[20], 从而上稳下松, 极易发生土体失稳崩塌、倾覆而形成崩岗。当松散易侵蚀的下层TC4、TC5暴露后, 有利于龛的形成。在瀑流的冲刷下龛不断扩大, 其上部的崩壁会产生临空面, 造成土体因重力崩塌, 当崩壁的崩塌产物部分被流水带走后, 下层再次暴露出来。如此反复, 溯源侵蚀不断进行, 崩岗面积发展扩大^[21]。

1) 不同氧化物在土壤剖面不同层次质量分数存在差异。由于脱硅富铁铝化作用, Fe₂O₃、Al₂O₃比例由下到上逐渐增多, TC2中比例最高, SiO₂比例逐渐减少, 表层K₂O、CaO、Na₂O与MgO较少, 中下层较多。氧化物规律性变化分布与风化壳土壤经脱硅富铝铁化、盐基淋溶等成土过程相关。

2) 花岗岩风化壳土壤的风化强度与元素迁移率、平均淋溶系数相关, 风化程度TC2>TC1>TC3>TC4>TC5, 整体趋势是由上到下风化程度减弱。风化程度与黏粒比例、阳离子交换量、黏聚力呈正相关。

3) 风化强度大, 土壤颗粒组成中黏粒比例高, 胶结物质多, 黏聚力大, 土体更稳定。风化程度弱, 粗颗粒比例相较多, 土壤黏聚力小更易被侵蚀。花岗岩剖面土壤上层风化程度大, 下层风化程度较小, 出露在外, 下层侵蚀流失更严重, 从而造成土体失稳易崩塌, 形成崩岗。