石漠化地區(qū)水土地下漏失治理

郭紅艷，周金星

(中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京)

喀斯特(巖溶)在全球的分布面積為2 200 萬km2，占地球總面積的15%，主要集中分布在歐洲中南部、北美東部和中國西南地區(qū)。我國喀斯特生態(tài)系統(tǒng)是全球最大的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)，約占國土面積的1/3。區(qū)內(nèi)地貌主要以山地丘陵為主，主要分布在貴州、云南、重慶、四川、湖北、湖南、廣東、廣西8省自治區(qū)直轄市。由于受到亞熱帶季風氣候的沖擊和人類不合理經(jīng)濟社會活動的影響，該生態(tài)系統(tǒng)已出現(xiàn)不同程度的石漠化［1］。石漠化是指在熱帶，亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下，受人為活動干擾，使地表植被遭受破壞，導致土壤嚴重流失、基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現(xiàn)象，是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式。

我國在2008 年實施了西南石漠化綜合治理試點工程，涉及貴州、廣西、云南等8 省市的451 個縣，總計45.1 萬km2，其中石漠化面積12.96 萬km2，總投資1 500 億，是我國迄今為止最大規(guī)模的生態(tài)建設工程;但是，在治理工程初期，由于系統(tǒng)性研究相對滯后，缺乏科學途徑與技術支撐，一些常用的防治措施，如坡改梯、砌墻保土措施，雖然能夠減弱對地表土壤的侵蝕，卻無法防止水土地下漏失的發(fā)生［2］。石漠化的治理不能簡單沿用黃土高原地區(qū)防止水土流失的模式和措施，國外也沒有相關的治理模式供參考，因此，加大對喀斯特石漠化地區(qū)水土流失機制的研究，對石漠化地區(qū)水土流失治理具有重要意義。

1 石漠化產(chǎn)生的原因

1.1 自然因素

西南巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)背景和氣候條件為石漠化的發(fā)生提供了驅(qū)動力，其本質(zhì)是極其嚴重的水土流失，屬于荒漠化的一種類型。首先，特殊的地質(zhì)結構使得該地區(qū)地表不利于水土的保存，流失較為嚴重，土層薄且土壤總量少，土壤一旦流失以后，植被恢復非常困難;其次，氣候方面，降水量豐沛，降雨量大且集中，自然災害頻發(fā);第三，適合生長的植物種類有限，存在外來物種的入侵現(xiàn)象，如紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum Spreng)，目前還沒有較好的方法進行控制。西南地區(qū)石漠化的發(fā)生與該區(qū)本身脆弱、敏感的生態(tài)環(huán)境息息相關。

1.2 人為因素

與西北地區(qū)沙漠化不同的是，西南地區(qū)石漠化的發(fā)生主要是由于人類的不合理活動造成的。西南山區(qū)經(jīng)濟落后，農(nóng)戶生活水平普遍低于全國平均水平，大多數(shù)還停留在“靠山吃山”的生活狀態(tài)。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)陡坡開墾，只要人能爬上去的山坡，基本都被開墾為農(nóng)地，同時多種植玉米(Zea mays L.)這種易導致水土流失的作物，雖然國家實施了退耕還林(草)政策，但依舊可以看到燒山產(chǎn)生的煙霧;2)放養(yǎng)黑山羊，這種羊?qū)３灾参锏哪壑Α⒛垩浚瑢χ脖黄茐膰乐?3)濫砍濫伐，在喀斯特石山地區(qū)，農(nóng)戶燃料的主要來源還是山上的薪柴，再加上建房等用材，這對已經(jīng)惡化的生態(tài)環(huán)境無疑是雪上加霜;4)巖石開采，在西南山區(qū)，經(jīng)常可以看到公路附近的采砂點，裸露的山體甚是顯眼;5)人口增長過快、人口素質(zhì)偏低，石漠化發(fā)生的地區(qū)，多為老、少、邊、山地區(qū)，大多數(shù)農(nóng)戶家里未能實施計劃生育政策，早婚早育現(xiàn)象較普遍，受教育程度低，這些農(nóng)戶中很多都是依靠國家?guī)头錾睿丝趬毫h遠超出了土地的承載范圍。有學者將西南喀斯特地區(qū)的人地關系歸納為農(nóng)耕農(nóng)牧型、礦山開采型、開山修路型、工業(yè)污染型和城鎮(zhèn)擴張型5 種類型，研究結果認為，農(nóng)耕農(nóng)牧型對石漠化的影響最大［3］，陡坡開墾是造成石漠化的主要原因，因為陡坡地在疊加了人類活動的影響之后，水土流失加劇，已接近于石漠化［4］;因此，喀斯特地區(qū)主要是人為加速了石漠化的發(fā)展［5］。除此之外，由于政治、歷史的原因，對森林的破壞，以及對水資源的過度利用，也導致了石漠化的發(fā)生。

2 水土地下漏失的定義和危害

水土地下漏失是指喀斯特地下水與土壤下面的巖石發(fā)生化學反應形成空隙、裂隙和管道，被上覆土壤通過蠕滑和錯落等重力侵蝕方式填充，造成坡地地面土壤、土壤母質(zhì)等沿溶溝、溶槽、洼地和巖石縫隙進入巖溶地下含水層［6］(圖1)。由于對水土的地下漏失進行監(jiān)測較為困難，因此，巖溶作用下的水土地下漏失研究報道較少［7］，截至2012 年5 月，相關的學術文章僅有40 余篇，且多集中于2007 年之后。科學研究的相對滯后，導致人們對喀斯特地區(qū)水土流失機制認識不夠。近些年，不少學者對喀斯特地區(qū)的水土地下?lián)p失做了一些研究，獲得了一些初步的認識，如巖溶地區(qū)的地表土壤侵蝕模數(shù)很低，是因為一部分土壤通過巖溶裂隙從地下漏失掉了［8］，在小尺度上可以看到囊道充填現(xiàn)象，在大尺度上水土流失主要是從地表流失再通過落水洞進入地下的過程［9］。

西南巖溶區(qū)成土速率非常緩慢，形成1 cm 厚的土壤需要幾千年乃至幾萬年的時間，這一速率遠趕不上林區(qū)枯枝落葉分解后殘留物累積的速率［10］，而且石漠化巖溶山地的土地石質(zhì)化是難以逆轉(zhuǎn)的，水土流失觸目驚心，直接導致無法進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。大量的土壤流失導致地下河流和溶洞堵塞，雨水無法進入被堵塞的地下河或溶洞，無法補充地下水，在干旱期造成當?shù)厝罕姷挠盟щy。在喀斯特區(qū)只有低洼洼地和谷地等局部地區(qū)可能出現(xiàn)較厚層的土壤堆積;然而即使在這些地區(qū)，由于土壤地下漏失的影響，土壤侵蝕危險程度仍然比較高，易發(fā)生土地的石漠化［11］。

3 水土地下漏失的作用機制

圖1 水土地下漏失現(xiàn)象(右圖張信寶攝)Fig.1 Underground soil and water losses on Karst slopes

非巖溶坡地的土壤流失方式幾乎全部為地面流失。由于喀斯特石漠化地區(qū)土壤C 層的缺失和土壤結構“上松下緊”的不穩(wěn)定性，導致該區(qū)水土流失嚴重，特別是水土的地下漏失是石漠化發(fā)生的隱形危害因子。喀斯特地區(qū)土壤的流失導致生物的生長環(huán)境惡化，原本作為儲水庫的土被流失，部分地區(qū)已經(jīng)無土可流［12－13］。巖溶地區(qū)的“土壤丟失”現(xiàn)象已引起眾多國內(nèi)外研究者的重視［9，14］。目前的研究結果認為，巖溶坡地的水土地下漏失是化學溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕疊加的結果［8］。

3.1 喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)構造

水土的地下漏失是喀斯特地區(qū)一種特殊的水土流失方式［8］。在干濕循環(huán)的外力作用下，團聚體的崩解和離散形成的顆粒物質(zhì)容易沿著土間空隙和喀斯特裂隙向地下空間遷移，這會引起土壤的地下漏失［2］。國外有研究者通過地衣測年的方法證明了土壤沿溶溝消失［15］。英格蘭的研究發(fā)現(xiàn)，通過特定的孢粉，個別灰?guī)r沼澤的孢粉序列與鄰近的非灰?guī)r沼澤相比存在明顯的缺失，原因是灰?guī)r沼澤受到來自下部的侵蝕［16］。考古研究工作也提供了灰?guī)r區(qū)土層丟失的證據(jù)［17］。受地表多孔介質(zhì)特征的影響，土壤分布呈間斷分散的格局，并且隨著土下管網(wǎng)、縫隙的垂向加深加寬發(fā)展相互貫通致使土壤繼續(xù)向地下流失［18］。

3.2 降水對水土地下漏失的驅(qū)動作用

眾多的研究者從喀斯特區(qū)地下水土流失的特點、產(chǎn)生機制等方面對喀斯特區(qū)地下水土流失機制進行了闡述，并建立了水土漏失概念模型。研究結果認為，水是產(chǎn)生土壤地下漏失的傳輸介質(zhì)，地表水土資源一旦漏失就不可再利用，降雨強度與土壤的損失形式有直接關系，并且喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境為土壤的地下漏失創(chuàng)造了有利的空間條件;但模型中沒有對巖溶漏失量給出定量關系式［2，19－21］。結論認為，地表水土資源一旦漏失就不可再利用，但沒有對巖溶漏失量給出定量關系式［20－21］。

特殊的水循環(huán)模式?jīng)Q定了巖溶區(qū)水土流失的主要表現(xiàn)形式為降雨攜帶泥沙進入地下巖溶裂隙、管道、地下河［19］。土粒隨降雨地表徑流移動，沉積于低洼部位，表現(xiàn)為土壤逐漸向裂隙、溶洼地集聚，使得巖溶地區(qū)土壤空間異質(zhì)性大［22－23］。降水的滲漏很可能是導致土壤地下漏失的主要誘因之一，為其提供了水動力條件［2］。

3.3 人類活動對土壤地下漏失的驅(qū)動作用

有研究者針對人類活動對碳酸鹽巖坡地的土壤地下漏失提出了“篩孔”理論，認為人類活動加速了土壤的地下漏失，促進了土地石漠化的發(fā)展，具體表現(xiàn)在植物根系的固網(wǎng)作用消失，增加了水分向地下的入滲，一些劇烈擾動地表的活動加劇了“石篩”的震動，加速了土壤的地下漏失［8］。魏興萍等［24］運用137Cs 與土壤營養(yǎng)元素研究了重慶巖溶槽谷區(qū)山坡土壤的流失與漏失，認為巖溶區(qū)的地下漏失并非普遍存在，多發(fā)生在巖石裸露率高、人為干擾強的地區(qū)，由于土壤漏失，土壤的營養(yǎng)元素不再遵循向下匯集的規(guī)律。人類活動會加劇地面土壤的流失，導致巖溶坡地巖石裸露，從而形成石漠化［25－27］。在西南石漠化地區(qū)，雖然已實施了坡改梯等水土保持措施，但受山地地形限制，貴州碳酸鹽巖地區(qū)仍然存在大于25°的陡坡開墾耕種現(xiàn)象［28－29］，尤其是種植玉米作物，更是加劇了水土流失。

目前的部分石漠化治理工程可以防治水土的地表流失，石漠化景觀也可以被恢復的植被所掩蓋，但難以防止水土的地下漏失［8］。在一些地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復效果初見成效，但生態(tài)系統(tǒng)服務能力不強。

3.4 水土地下漏失與石漠化

由于巖溶作用對地下水動力條件的敏感性，在地下水以垂直作用方式為主的地區(qū)會出現(xiàn)土壤漏失現(xiàn)象，導致溶蝕殘余物質(zhì)或地表原有的風化殼進入近地表巖溶裂隙，土壤漏失作為一種自然過程為石漠化創(chuàng)造了條件［30］。土體直接位于基巖之上，降雨導致喀斯特坡地的土壤出現(xiàn)“壤中流”，極易發(fā)生滑移、崩塌等地質(zhì)災害，導致坡地的基巖直接裸露，促進石漠化的發(fā)生發(fā)展［31］。

4 土壤地下漏失研究方法

4.1 使用137Cs 測定土壤地下漏失的方法

20 世紀70 年代，放射性同位素137Cs 已成為測定土壤流失量的一種重要測定方法［32］，是20 世紀50—70 年代核試驗產(chǎn)生的人工放射性核素，經(jīng)大氣傳輸和降雨過程到達地表后易被表層土壤顆粒和有機物強烈吸附，基本不被雨水淋溶和植被攝取，只隨土壤顆粒的移動而發(fā)生再分布，是土壤侵蝕研究的良好示蹤元素［33－35］。運用137Cs 與土壤營養(yǎng)元素研究重慶巖溶槽谷區(qū)山坡土壤的流失與漏失，發(fā)現(xiàn)巖溶區(qū)的地下漏失并非隨處可見，主要發(fā)生在巖石裸漏率高的地區(qū)，137Cs 與土壤及裂隙之間營養(yǎng)元素存在顯著相關關系［24］。通過挖取土壤剖面得出不同微地貌形態(tài)剖面137Cs 分布的差異，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕狀況受地表巖石－土壤分布形態(tài)的影響很大［36］。運用137Cs 示蹤技術對峰叢洼地的泥沙堆積與小流域的土壤流失速率進行定量研究［37－38］，以及通過調(diào)查黔中高原巖溶丘陵地土壤中137Cs 的分布，發(fā)現(xiàn)與本底值相比，流失比較大，推測可能的原因一是黔中巖溶坡地早期石漠化較嚴重，降落于基巖上的137Cs 隨水流失，二是土壤中的137Cs 隨土壤顆粒發(fā)生了地下漏失［39］。

4.2 使用210Pbex示蹤法測定土壤地下漏失

210Pb 作為鈾系的衰變子體廣泛存在于自然環(huán)境中，210Pb 通過其母體核素222Rn 的大氣擴散，在環(huán)境中形成了特殊的分配關系，210Pb 的半衰期適合于現(xiàn)代人類活動時間尺度環(huán)境過程的示蹤。鑒于以上3 個原因，210Pb 是環(huán)境地球化學過程的優(yōu)良示蹤劑，在流域侵蝕和現(xiàn)代沉積研究中具有很好的示蹤價值［40］，因為大氣中的210Pb 蓄積在沉積物中的這部分不與其母體226Ra 共存和平衡，通稱為過剩210Pb(標記為210Pbex)。

4.3 使用137Cs 和210Pbex雙標記核素示蹤技術

隨著雙標記核素示蹤技術的發(fā)展，其研究結果也更為精確，表現(xiàn)出了比單核素示蹤技術更為明顯的優(yōu)勢，因此被應用于沉積速率的研究中。李春梅等［41］利用雙核素測定的沉積速率在數(shù)值上有一定的偏差，但都反映了相同的沉積過程。137Cs 和210Pbex的坡面分布格局有較大差異，可能的原因是初始沉降布局(均勻程度、季節(jié)變化)、部分理化性質(zhì)以及對各種變異影響因素的響應上存在差異［42］。

4.4 采樣技術及誤差

在西南喀斯特地區(qū)，由于裸巖面積比例高，核爆期間沉降于喀斯特坡地地面的137Cs 隨徑流直接流失量大，適用于均質(zhì)土壤的137Cs 法測定的喀斯特坡地土壤流失量偏大［43］。由于無侵蝕巖溶坡地的土層薄、裸石面積大、壤中碳酸鹽顆粒的溶蝕等原因，巖溶坡地土壤的137Cs 流失未必完全是坡地地表流水侵蝕與泥沙流失的結果，因此不宜用現(xiàn)行的137Cs示蹤方法測定巖溶坡地的土壤流失量［44］。鑒于石漠化地區(qū)地表異質(zhì)性強、土壤分布不連續(xù)的特點，采樣點應選在土壤厚度較大、地面較為平坦的地點，避免選在可能出現(xiàn)沉積的負地形內(nèi);石漠化地區(qū)普遍存在著土壤對核素的集中吸附現(xiàn)象，測得的數(shù)據(jù)可能略有偏高;重度石漠化地區(qū)，過高的基巖裸露率會導致其周圍土壤中核素含量過高［45］。

5 防治措施研究建議

水土地下漏失的綜合治理是一個系統(tǒng)工程，需要多學科多部門共同研究解決。針對喀斯特石漠化地區(qū)的水土流失特點，一些研究者提出了治理措施;然而，事實表明，石漠化土地的恢復治理不是輕而易舉可以實現(xiàn)的，目前的水土保持措施只能制止地表的水土流失，對地下漏失還沒有很好的辦法。因此，防大于治刻不容緩，應減少人為擾動對生態(tài)環(huán)境的破壞，同時采取措施治理水土的地下漏失。

喀斯特石漠化地區(qū)陡坡開墾嚴重，坡腰土石質(zhì)土地是石漠化發(fā)生的主要地段，應改變坡腰土石質(zhì)土地的農(nóng)業(yè)利用方式，避免犁耕運移土壤和擾動土壤［46］。在畢節(jié)一些示范區(qū)，針對水土的地下漏失現(xiàn)象，采取了植物籬笆、草被等植物措施。有學者針對不同的地形提出了相應的保土措施:坡地上部封山育林，在有土的石旮旯地上種植有經(jīng)濟效益和水土保持效益的灌木;依據(jù)洼地、谷地的海拔與地下水位的關系，修建不同的保土措施［2，8，19］。木本植物根系發(fā)達，盤根錯節(jié)，能固結土壤，可以減緩土壤地下漏失的進程，當樹木被砍伐后，根系腐爛，固結土壤的作用消失，原有的涵養(yǎng)土壤養(yǎng)分的功能可能喪失［47］。

水土地下漏失作為一種自然過程為石漠化的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了條件。現(xiàn)有的水土保持措施不能解決水土地下漏失問題，有些甚至會促進巖溶坡地的水土地下漏失和土地石質(zhì)化，因此，建議在今后的研究中，要針對巖溶坡地的水土地下漏失問題深入研究水土流失綜合治理措施的配置與設計方案。

在前期資料收集過程中，中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所張信寶研究員、嚴冬春博士，中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所聶云鵬博士和重慶師范學院魏興萍博士給予了幫助，在此表示感謝!

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