Physical Geography

Study on Soil Physical Properties and Particle Size of Collapsing Hill in Granite Area of Xinyi City

  • HUANG Rihui , 1 ,
  • LI Yixin 2
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  • 1. School of Geographical Sciences, Lingnan Normal University, Zhanjiang 504248, Guangdong, China
  • 2. College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610051, China

Received date: 2023-02-26

  Revised date: 2023-11-18

  Online published: 2023-12-25

Abstract

Collapsing hill is the most severe type of soil erosion in southern China. This study investigated the soil physical properties and particle size composition of different landforms in Gangwei Collapsing Hill, Xinyi City, and explored the changes in soil physical properties and particle size in different landforms, as well as reveals the development mechanism of collapse erosion. The results showed that: (1) There are significant differences in physical properties such as water content, bulk density, specific gravity, and porosity in soil samples from different landforms of Gangwei Collapse Hill. The soil texture of the upper collapsing wall and colluvial deposit is relatively dense and compact, and the degree of water transformation is relatively weak; the loose soil texture of soil samples from scour channel and alluvial fan indicates a strong participation of water flow. (2) The particle size composition shows that the soil sample of Gangwei collapse hill is gravel containing sandy soil. The soil samples from the collapsing wall exhibit the undisturbed soil characteristics of the weathered granite crust, while the soil samples from the colluvial deposit are the product of the combined erosion of gravity and hydraulic forces, while the soil samples from channel and alluvial fan exhibit sedimentary characteristics dominated by flowing water. (3) The uniformity coefficient and curvature coefficient indicate that the accumulation time of collapsed soil is relatively short. The development age of the collapsing hill is relatively young, and the geomorphic form and vegetation coverage of the collapsing hill also indicate that it is in the stage of development.

Cite this article

HUANG Rihui , LI Yixin . Study on Soil Physical Properties and Particle Size of Collapsing Hill in Granite Area of Xinyi City[J]. South China Geographical Journal, 2023 , 1(3) : 92 -100 . DOI: 10.20125/j.2097-2245.202303008

“崩岗”一词是我国著名的地貌学家曾昭璇先生在1960年首次命名的1,是具有中国特色的地貌学名词。崩岗也被称为“崩口”,是崩塌作用所形成的一种地貌类型2,有“崩山虎”、“生态溃疡”之称,在集水盆的顶坡出现,由红土层或砂土层崩塌而形成小崖3-4。大多数的崩岗都是山体崩塌后遗留的崖壁,呈圈椅状、半圆状、瓢状弧状等,形成各种各样的侵蚀类型。也有研究认为,崩塌发生后集水坡面多呈圈椅状的崖壁便可称之为崩岗,即是发生崩塌后的山体5,与坍塌地貌和滑坡区分开来。研究崩岗的学者在发表国际期刊论文时,因为研究方向的差异,会将崩岗翻译成不同的外语名词,如“collapsing hills”“collapsing gully”等6,或直接音译为“Benggang”7。作为具有中国特色的侵蚀地貌,在国际上与崩岗相似度较高的地貌是发育在地中海沿岸比利牛斯山区、内盖夫沙漠及亚平宁半岛等地的“劣地”8。“劣地”也是一种特殊的侵蚀地貌,呈现破碎、沟壑遍布的外观,与崩岗地貌相似,但其主要分布在半湿润和半干旱地区,而崩岗多数分布于湿热地区。与崩岗形成机理和发育规律类似,劣地也受到了气候和径流因素的影响以及人为干扰8-9,二者都是世界上受到了严重侵蚀的退化地类型。崩岗侵蚀发生后掉落的泥沙土体会掩埋农田,淤积水体,堵塞交通,使生态环境和生活环境遭受严重的破坏。国内有关学者对于南方崩岗的相关研究多在福建省、广东省,其中广东省是崩岗地貌分布最多的省份之一,约有崩岗11万个,主要分布在山区,具有分布范围广、规模大、密度大和发育迅速、侵蚀量大等特征10-11。目前广东省的崩岗研究集中于五华、德庆两地12-13,对于粤西地区尤其是茂名、湛江的鉴江中上游等地较少涉猎,但实际上,粤西地区也是崩岗侵蚀较严重区14-15
自曾昭璇先生首次命名“崩岗”这一地貌学名词以来,国内的学者们从各自不同的专业角度(如地貌地质学角度、生态学方向、土壤学方向等)对崩岗的形态、分布和类型,土壤理化性质和岩土类型,水动力特征,崩岗侵蚀现状及形成机理,对崩岗防控治理等进行了大量的研究1216-17。而近年来,随着工具及技术的进步创新和多种辅助分析软件的大量应用,崩岗的研究工作得到了很大提升18。新发现和新方法也逐渐成为研究热点,产出了较多相关成果,如“崩积体”、土体“抗剪程度”、“泥砂流”19等新的研究对象和“三维激光扫描仪”20、“人工模拟降雨”21、无人机和GIS22-24新仪器、新方法和新科技的运用。在未来,有关崩岗侵蚀过程监测与模拟实验研究将成为新趋势。如,Lin等25采用离心机法测量崩岗土壤水分特征曲线,揭示了崩岗土壤水分入渗和运移规律,可为进一步研究崩岗侵蚀的发生机制提供依据;张越等26对崩塌土体水分和温度进行应力学研究,揭示含水量和温度上升可能是诱发崩岗发生力学机制。因此,在传统的地貌研究方法基础上,中国崩岗前沿研究还可朝微观因素研究发展,如土壤颗粒物理性质、元素组成、粒径特征等方面27。本文以粤西花岗岩区崩岗为研究对象,对崩岗不同地貌部位的土壤物理性质和颗粒粒径组成展开研究,以探讨崩岗地貌土壤物理性质与粒径变化规律并揭示崩岗侵蚀的发育机制。

1 研究区概况

研究区位于粤西地区的信宜市,其地形主要为由加里东造山运动形成的云开大山、云雾山等交汇而形成的山地丘陵地形28,地形起伏明显,坡度较大,鉴江纵贯南北。信宜市气候为亚热带季风性湿润气候,雨量充沛且集中,夏秋季节多台风雨11。本区花岗岩区红土层风化侵蚀强烈,风化壳厚约数十米,土壤侵蚀比较严重,崩岗发育较为频繁17。本研究区域位于信宜市东部的思贺镇岗尾村(图1),地理位置位于思贺镇东北方向约3.5 km处(22°29′27″ N,111°34′51″ E)。此处发育有2个崩岗,为单体瓢形崩岗(图2a),其形态较为完整,崩壁、崩积体、沟道和洪积扇等地貌类型齐全,通达性和可视性也较佳。岗尾崩岗发育在风化壳深厚的加里东旋回期形成的花岗岩上28。根据崩岗地形的通达性和采样的可行性,本文选取岗尾崩岗规模相对较小的崩岗作为研究对象,该崩岗的沟道出口从乡村小道涵洞下通过,汇入围底河支流,崩岗最高点高程约176 m,出口海拔高程约138 m,相对高差38 m。实地考察根据崩岗地貌形态、沉积物胶结程度和植被覆盖情况,初步断定该崩岗处于较为活跃的发展阶段,稍少降雨便可形成沟谷水流,因此是测量崩岗侵蚀的土壤物理性质和研究其形成机理和发育规律的较好场所。
图1 研究区位置图

Fig.1 Location map of the study area

图2 岗尾崩岗景观照片及土样样品采集点示意图

a.岗尾崩岗远景;b.崩壁和崩积体采样点;c.崩岗崩坡植物及伐木遗迹;d.沟道采样点;e.洪积扇采样点

注:虚线及箭头指示坡面流水方向

Fig.2 Landscape photos of Gangwei collapsing hill and schematic diagram of soil sample collection points

2 研究方法

2.1 样品采集

为研究崩岗发育与原状土和侵蚀土壤之间的关系,在对岗尾崩岗进行详细的前期考察的基础上,本研究在岗尾崩岗沟谷流域的4个地貌部位(分别为崩壁、崩积体、沟道和洪积扇),自上而下设置了12个土壤样品采集点。其中1、2、3号采样点位于主沟上方的两侧崩壁上(图2c),属于崩壁土样;4、5、6号采样点位于坡面崩积体上,实际上位于重力崩落和水力冲刷后的崩岗物质堆积而成的坡面;7、8、9号采样点设计在沟道中下游(图2d),因为沟道上游较窄且有崩积体坡裙散落物质分布,故设计在经历更强流水搬运作用的中下游沟道采样,用以代表沟道土样,既方便取样也能减少其他地貌部位对其产生影响;10、11、12号采样点位于崩岗洪积扇(图2e),经流水搬运堆积作用后形成,因为离河流近,面积较小且在近河处与邻近崩岗的洪积扇堆叠,故取其扇顶土样作为代表。在以上12个样品采集点,分别采集了12个原状土样品和12个扰动土样品。原状土是未受崩岗侵蚀影响的保持天然含水量及天然结构的土样,主要用以测定土样的容重、天然孔隙比等指标;扰动土是指受崩岗侵蚀破坏,重新堆积或土层结构、含水率等发生了变化的土样,主要用于测定土的颗粒机械组成和粒径组分。样品采集时间为2022年2月14日,样品采集时天气状况为阴天。采集样品前要先去除土体表面的其他杂质,不锈钢环刀(内部直径50 mm、深度50 mm)采集原状土;以铁铲采集崩积物表层0~5 cm的扰动土(重约1.5~2 kg)的土样,现场采集的土样用封口样品袋封装,记录编号。

2.2 实验处理

依照《土工试验方法标准》(GB /T50123—1999)、《土工试验规程》(SL237—1999)、《水土保持试验规程》(SL419—2007)的相关要求,对24个土体样品的自然质量含水率、容重、比重、土壤结构等进行测定,其中原状土样品用于测定土壤自然含水率、容重即土体密(湿)度、比重、孔隙度等,而扰动土样品则用于测定土体粒径组成。根据上述指导文件要求,土体天然含水率、容重、比重在实验处理中分别采用烘干法、环刀法、比重瓶法进行测定。土体容重即土壤密度,指烘干土(自然结构没有破坏)重量与环刀容积(100 cm2)的商值,也可由湿土重量和含水率算出。土壤比重就是土壤重量与体积之比,实验中是指各个土样所取的10 g过200目风干土的重量与加入土后排出的水的重量(相当于此10 g土的体积)之比。根据土壤容重和比重可计算得出孔隙度。土体颗粒分析的测定采用筛分法测定,粒径大于2 mm的为砾石,0.5~2 mm的为粗砂,0.25~0.5 mm的为中砂,0.05~0.25 mm的为细砂,小于0.05 mm的则为粉砂和黏粒。根据各粒级质量占比计算其中值粒径(d 50)和绘制出粒级频率曲线。崩岗各部位土体微颗粒组成的分散程度用不均匀系数Cu表示,公式为 Cu = d 60 /d 10。曲率系数Cc 是反映土体颗粒级配特征的指标,公式表达为Cc = d 2 30 /( d 10 × d 60 )。以上两道公式中,d 60代表在土样的粒径累计曲线上过筛重量占60%的粒径,d 30为过筛重量占 30% 的粒径,d 10为过筛重量占10%的粒径。所有样品均在岭南师范学院地理科学学院土壤实验室完成测试。

3 结果分析

3.1 岗尾崩岗土体物理性质

表1呈现的各土样含水率可知,崩岗各地貌部位的含水率平均值为15.15%。总体而言,崩岗上部的比中下部的土样含水率更高,位于崩壁和上部崩积体的1、2、3、4、5、6号土样的含水率均超过20%,位于崩岗洪积扇的10、11、12号土样的含水率均略大于10%(10.6%~11.48%),含水率最低的3个样均位于崩岗沟道部位的7、8、9号土样,平均仅为8.46%。岗位崩岗不同地貌部位土样中的含水率存在明显差异,上部崩壁和崩积体的土样含水率较高,土层具有较高的持水能力,中下部的土样的含水率较低,水分渗透性强,保水能力较差。岗尾崩岗各个土样的容重值介于1.41~1.63 g/cm3之间,平均为1.54 g/cm3,虽然各土样的容重数值相差不大但也体现出了较明显的变化特征,即位于崩壁和上部崩积体的土样容重最大(均大于1.59 g/cm3),最小值位于中部沟道(采样点8),沟道其他地方和下部的洪积扇土样的容重相差不大(表1)。12个样品的比重平均为2.64 g/cm3 表1),在砂土的平均比重(2.6~2.7 g/cm3)数值以内,平均比重处在粗砂比重范围内,表明其含有较多的粗砂土特性,符合含砾粗砂土粒度特征。位于崩岗上部的崩壁的比重最高(最大值为2.70),其余地貌部位的比重值相对较小,且差值不大。岗尾崩岗土壤质地疏松,孔隙度高,孔隙率平均达到41.72%(表1),其中沟道和洪积扇孔隙度比崩壁、崩积体的孔隙度高,与其砂土含量高的特征相符,与其较差保水性、较低天然含水率的特点也相符合。崩壁和崩积体的土体孔隙度较后两者低,紧实度更好。
表1 岗尾崩岗土体物理性质

Tab.1 Physical properties of colluvial soil mass at Gangwei collapsing hill

采样点编号 含水率/% 容重/(g·cm-3) 比重/(g·cm-3) 孔隙度/%
1 20.22 1.61 2.70 40.37
2 20.85 1.63 2.64 38.26
3 21.47 1.62 2.68 39.55
4 20.46 1.61 2.66 39.47
5 20.23 1.60 2.63 39.16
6 20.15 1.59 2.64 39.77
7 9.78 1.47 2.60 43.46
8 6.72 1.41 2.60 45.77
9 8.87 1.48 2.62 43.51
10 11.01 1.48 2.63 43.73
11 11.48 1.49 2.62 43.13
12 10.60 1.46 2.63 44.49

3.2 岗尾崩岗土体颗粒机械组成特征

岗尾崩岗土体12个样品的中值粒径(d 50)平均为1.162 mm(表2),属于粗砂的范畴。从粒径分布来看,各样品均表现为粗砂含量最高(平均值为47.41%),砾石次之(25.94%),细砂和中砂含量较低,而粉砂(含黏粒)的含量最低(图3),表示粗砂是该崩岗土体的主要组成成分。砂土(粗、中、细砂)总含量达69.16%,由此可从土质分类上将岗尾崩岗的土体定义为含砾粗砂土(图3)。从地貌部位分布来看,崩岗上部的崩壁土样颗粒较粗(如2和3号采样点),崩壁下部的崩积物的颗粒最细(5和6号采样点),而中部的沟道和下部的洪积扇的土样颗粒粒径相差不大。崩岗上部崩壁、崩积体土样(1、2、3、4、5、6号采样点)的颗粒级配频率曲线在横坐标1~2 mm 和0.2~0.1 mm处出现了两处明显的峰值(图4a),为明显的双峰结构。双峰型的颗粒级配频率曲线表明以上采样点的土样颗粒分选性较差。崩岗下部的沟道和洪积扇区(7、8、9、10、11、12号采样点)的颗粒级配频率曲线则为典型的单峰结构,在粒径2~1 mm(粗砂)处形成峰值(图4b),表明以上采样点的土样颗粒较多集中在粗砂粒级,且具有较好的分选性。
表2 岗尾崩岗土体颗粒特征

Tab.2 Grain characteristics of soil mass at Gangwei collapsing hill

采样点编号 中值粒径d 50/mm 不均匀系数Cu 曲率系数Cc
1 1.141 10.43 1.53
2 1.282 10.13 1.78
3 1.270 12.31 2.16
4 1.168 17.11 1.80
5 1.109 25.00 1.60
6 1.066 24.67 1.08
7 1.138 7.42 1.53
8 1.127 5.96 1.47
9 1.106 6.48 1.43
10 1.173 8.47 1.89

11

12

1.174

1.185

8.11

8.11

1.66

1.76

图3 岗尾崩岗土体颗粒含量百分比

Fig.3 Schematic diagram of soil mass at Gangwei collapsing hill

图4 岗尾崩岗土体颗粒粒径分布曲线

Fig.4 Particle size distribution curve of soil mass at Gangwei collapsing hill

崩岗土体的不均匀系数Cu 系数介于5.96~25.00(表2)。从地貌部位看,位于崩岗上部的崩积体的Cu 值较大(5号采样点);其次为崩岗上部的崩壁土样(10.13~12.31);再次为崩岗下部的洪积扇土样(8.11~8.47),崩岗沟道土样的Cu 值最小(8号采样点Cu 值仅为5.96)。不均匀系数与粒度分散程度呈正相关,Cu 值越小,粒度组成越均匀;Cu 值大,粒度分散程度高。沟道和洪积扇样品Cu 值相对较小,表明其经历过流水搬运作用,土体经过流水分选,形成比崩壁、崩坡更均匀的粒度分布。崩壁和崩积体土样的Cu 值相对较大,表明其分选相对更差,粒径差异大,土壤颗粒分散。沟道和洪积扇样品Cu 值相对较小,表明其粒度分布比崩壁、崩坡样品更均匀。岗尾崩岗各地貌土体的Cc 值均处于1—3的区间内(表2),表明其土体颗粒级配良好。

4 讨论

4.1 崩岗不同地貌部位土体物理性质的分异现象

岗尾崩岗不同地貌部位土样中的含水率、容重、比重和孔隙度等物理性质存在明显差异。位于崩岗上部的崩壁和崩积体的土样含水率、容重、比重均较崩岗下部的沟道和洪积扇的土样高;而沟道和洪积扇土样的孔隙度比崩壁、崩积体的孔隙度高(表1)。崩岗上部土样具有较高的含水率、容重、比重和较低的孔隙度,说明该部位土体质地致密、紧实度更好,保水能力更强;而在崩岗中下部的土样的含水率较低,水分渗透性强,保水能力较差。土壤含水率不仅会影响到土壤中的固、液、气的比例,还会影响到土壤的可蚀性和塑性12。当含水率增加会增强土体湿陷性,性状的改变会更加迅速,甚至能影响到其物理特性。由于样品采集为非雨季的晴天,土层含水率比较接近本底值。崩岗上部的崩壁和崩积体的含水率相对较高,土质质地紧实,在降雨雨强不大的情况下,崩岗上部流域便可迅速产流并汇流形成沟道股流。降雨径流侵蚀力为崩岗发生发展的主要营力,尤以集中降雨和大强度暴雨侵蚀力的影响最为突出29。粤西地区(尤其是山区)降暴雨的时间较长,降雨强度大,为崩岗形成提供了条件。在自然状态下,砂土的容重一般相对较高,而黏土含量的变化与容重变化呈现负相关。此外,土壤质地、构造、松紧度,有机质等因素影响土体容重的大小。岗尾崩岗容重较高,表明其黏粒含量少,矿物质多而有机质少,符合含砾粗砂土的粒度特征。

4.2 崩岗不同地貌部位的土体颗粒机械组成分异

岗尾崩岗土样中,崩壁采集的2、3号土样的中值粒径相对会比较大。由于崩壁部位仅有浅浅的砂土覆盖,可见花岗岩风化壳裸露于外,在该部位采集的样品可代表未受侵蚀的原位土(即当地花岗岩风化壳)。在南方温暖湿热的条件下,花岗岩分布区产生强烈的生物化学作用,形成的深厚风化壳一般可达10~50 m29。风化后的残积物富含砂砾,颗粒较粗,砾、砂和粉砂级颗粒占的比例较大,而黏粒级颗粒只占少部分,土体粘结力较弱,抗冲抗蚀能力差,容易吸水增重、遭受径流冲刷发生崩塌,有利于崩岗侵蚀的形成和发育30-31。4、5、6号土体样品自上而下采自崩岗崩积体坡面上,其物源来自崩壁,同时又是崩岗下部沟道和洪积扇的物源,其物质具有上下承接关系。崩积体4、5、6号土体样品的中值粒径分别为1.168 mm、1.109 mm、1.066 mm,中值粒径自上而下依次减小。一般而言,重力坍塌作用形成的倒石堆,颗粒组成呈顶细脚粗的分异规律,这是由于粗颗粒重力势能大,在重力作用下沿坡向下运动得更快更远的缘故32。岗尾崩岗崩积物从坡顶至坡脚逐渐变细,这一趋势与倒石堆堆积颗粒自坡顶到坡脚呈现上粗下细的变化相反,表明崩积体在发育过程中存在水力作用的有力证据12。因此位于崩壁的崩积体与倒石堆虽然在外形上有相似之处,但其形成机制与倒石堆的机理有所不同,崩积体是重力作用和水力作用共同侵蚀的产物12。岗尾崩岗的沟道、洪积扇(7、8、9、10、11、12号)土体样品位于搬运沉积作用为主的流通区,为崩岗沟道、洪积扇堆积物,主要是沟谷流水作用的产物。7、8、9号土样位于沟道,符合流水作用下形成沟谷流水堆积物即细粒冲刷、粗砂沉积的分布特征。10、11、12位于下部的洪积扇,此区域既发生冲刷又有堆积,因此表现出明显的砂化现象。粗砂、中砂、细砂总含量接近70%,其中又以粗砂为主,占总量的47%左右,属于典型的粗砂土33。总体而言,岗尾崩岗土样粒径自上而下呈现由大变小的变化特征,既表现了风化壳原状土的粗颗粒特征,也呈现了重力崩塌和流水参与的沉积物颗粒变化特征,即坡积物颗粒自上而下由粗变细的分布特征。
从粒级分布曲线看,崩壁和崩积物的土壤粒度曲线呈双峰型(图4a),最高峰值位于1~2 mm的粗砂粒级,较低峰值为0.2~0.1 mm的细沙粒级,表明此处土样保留有较多原状土特性,流水作用分选较弱,土体地貌过程以重力作用为主、水力作用为辅12。7、8、9、10、11、12号沟道、洪积扇土样为单峰型(图4b),峰值位于粒径2~1 mm(粗砂)附近,符合沟谷流水堆积物特征,即流水冲刷带走细粒物质,保留沉积下来的是粗砂部分。在0.2 mm处有不明显的起伏,表明其虽经过了流水作用的分选和改造,但仍保留了一定的原状土特征,符合岗尾崩岗发育年龄较小的特征。

4.3 土体颗粒级配及崩岗地貌发育阶段

土体的不均匀系数与粒度分散程度呈正相关,Cu 值越小,粒度组成越均匀;Cu 值大,粒度分散程度高。较大Cu 值的崩塌体样品的保存,也表明崩积体堆积的时间较短,即该崩岗处于正在发育的阶段,随时有崩积物的产生和堆积。粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起就是级配,用曲率系数Cc 来表示土体的级配情况34。曲率系数值在1~3之间则代表土体颗粒的级配良好,否则表明级配不良。发育时间较长、年龄较大的崩岗通常级配不良,这与它受到侵蚀的时间相关。岗尾崩岗土样的曲率系数 1≤Cc ≤3,级配良好,颗粒级配的连续性较好,当地土体仍保留有森林原状土的特性,说明其发育时间还较短。现场考察亦可发现崩壁出露的风化壳较为新鲜、崩坡上的崩积体的锥体形态保持良好、沟道及洪积扇地貌形态仍处于流水侵蚀及堆积阶段,且崩岗地貌区尚未发育植被等迹象也验证了岗尾崩岗地貌正处于发育的阶段。在岗尾崩岗的周边全部生长着植被,未侵蚀区域还生长着多年生草本植物,而崩岗崩坡上有被伐倒的树木及烧焦树木的痕迹(图2b),岗尾崩岗的形成很有可能是当地居民过度砍伐经济林(杉树和速生桉树)后导致水土流失而致。

5 结论

(1)岗尾崩岗不同地貌部位土样中的含水率、容重、比重和孔隙度等物理性质存在明显分异,上部崩壁和崩积体土壤质地较为致密、紧实,是崩岗地貌发育的源头区,经流水改造程度较弱;中下部沟道和冲积扇为崩岗地貌的物质运移通道和堆积区,较为松散的土壤质地证明了流水作用参与程度较强。
(2)岗尾崩岗不同地貌部位的土体机械组成表明,崩壁土样呈现了花岗岩风化壳未受侵蚀状态的原状土特征,崩坡上崩积体是重力作用和水力作用共同侵蚀的产物,而沟道和洪积扇则为流水为主的沉积特征。
(3)各地貌部位的土体的不均匀系数和曲率系数显示岗尾崩岗土体堆积时间较短,崩岗发育年龄较年轻,而崩岗地貌形态和植被覆盖状况也显示其正处于发育活跃的阶段。
本研究对花岗岩区崩岗地貌的研究以单体崩岗为研究对象,样本量相对较少,研究手段以土壤物理性质和粒径组成为主,缺乏长时间的连续调查成果,后续应扩大研究区域范围和样本量,综合崩岗三维地形监测、土壤化学元素特征研究等手段,对人类活动作用较强区域的崩岗地貌展开专题研究。
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