石漠化地区水土地下漏失治理

郭红艳，周金星

(中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京)

喀斯特(岩溶)在全球的分布面积为2 200 万km2，占地球总面积的15%，主要集中分布在欧洲中南部、北美东部和中国西南地区。我国喀斯特生态系统是全球最大的喀斯特生态系统，约占国土面积的1/3。区内地貌主要以山地丘陵为主，主要分布在贵州、云南、重庆、四川、湖北、湖南、广东、广西8省自治区直辖市。由于受到亚热带季风气候的冲击和人类不合理经济社会活动的影响，该生态系统已出现不同程度的石漠化［1］。石漠化是指在热带，亚热带湿润、半湿润气候条件和岩溶极其发育的自然背景下，受人为活动干扰，使地表植被遭受破坏，导致土壤严重流失、基岩大面积裸露或砾石堆积的土地退化现象，是岩溶地区土地退化的极端形式。

我国在2008 年实施了西南石漠化综合治理试点工程，涉及贵州、广西、云南等8 省市的451 个县，总计45.1 万km2，其中石漠化面积12.96 万km2，总投资1 500 亿，是我国迄今为止最大规模的生态建设工程;但是，在治理工程初期，由于系统性研究相对滞后，缺乏科学途径与技术支撑，一些常用的防治措施，如坡改梯、砌墙保土措施，虽然能够减弱对地表土壤的侵蚀，却无法防止水土地下漏失的发生［2］。石漠化的治理不能简单沿用黄土高原地区防止水土流失的模式和措施，国外也没有相关的治理模式供参考，因此，加大对喀斯特石漠化地区水土流失机制的研究，对石漠化地区水土流失治理具有重要意义。

1 石漠化产生的原因

1.1 自然因素

西南岩溶地区特殊的地质背景和气候条件为石漠化的发生提供了驱动力，其本质是极其严重的水土流失，属于荒漠化的一种类型。首先，特殊的地质结构使得该地区地表不利于水土的保存，流失较为严重，土层薄且土壤总量少，土壤一旦流失以后，植被恢复非常困难;其次，气候方面，降水量丰沛，降雨量大且集中，自然灾害频发;第三，适合生长的植物种类有限，存在外来物种的入侵现象，如紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum Spreng)，目前还没有较好的方法进行控制。西南地区石漠化的发生与该区本身脆弱、敏感的生态环境息息相关。

1.2 人为因素

与西北地区沙漠化不同的是，西南地区石漠化的发生主要是由于人类的不合理活动造成的。西南山区经济落后，农户生活水平普遍低于全国平均水平，大多数还停留在“靠山吃山”的生活状态。主要表现在以下几个方面:1)陡坡开垦，只要人能爬上去的山坡，基本都被开垦为农地，同时多种植玉米(Zea mays L.)这种易导致水土流失的作物，虽然国家实施了退耕还林(草)政策，但依旧可以看到烧山产生的烟雾;2)放养黑山羊，这种羊专吃植物的嫩枝、嫩芽，对植被破坏严重;3)滥砍滥伐，在喀斯特石山地区，农户燃料的主要来源还是山上的薪柴，再加上建房等用材，这对已经恶化的生态环境无疑是雪上加霜;4)岩石开采，在西南山区，经常可以看到公路附近的采砂点，裸露的山体甚是显眼;5)人口增长过快、人口素质偏低，石漠化发生的地区，多为老、少、边、山地区，大多数农户家里未能实施计划生育政策，早婚早育现象较普遍，受教育程度低，这些农户中很多都是依靠国家帮扶生活，人口压力远远超出了土地的承载范围。有学者将西南喀斯特地区的人地关系归纳为农耕农牧型、矿山开采型、开山修路型、工业污染型和城镇扩张型5 种类型，研究结果认为，农耕农牧型对石漠化的影响最大［3］，陡坡开垦是造成石漠化的主要原因，因为陡坡地在叠加了人类活动的影响之后，水土流失加剧，已接近于石漠化［4］;因此，喀斯特地区主要是人为加速了石漠化的发展［5］。除此之外，由于政治、历史的原因，对森林的破坏，以及对水资源的过度利用，也导致了石漠化的发生。

2 水土地下漏失的定义和危害

水土地下漏失是指喀斯特地下水与土壤下面的岩石发生化学反应形成空隙、裂隙和管道，被上覆土壤通过蠕滑和错落等重力侵蚀方式填充，造成坡地地面土壤、土壤母质等沿溶沟、溶槽、洼地和岩石缝隙进入岩溶地下含水层［6］(图1)。由于对水土的地下漏失进行监测较为困难，因此，岩溶作用下的水土地下漏失研究报道较少［7］，截至2012 年5 月，相关的学术文章仅有40 余篇，且多集中于2007 年之后。科学研究的相对滞后，导致人们对喀斯特地区水土流失机制认识不够。近些年，不少学者对喀斯特地区的水土地下损失做了一些研究，获得了一些初步的认识，如岩溶地区的地表土壤侵蚀模数很低，是因为一部分土壤通过岩溶裂隙从地下漏失掉了［8］，在小尺度上可以看到囊道充填现象，在大尺度上水土流失主要是从地表流失再通过落水洞进入地下的过程［9］。

西南岩溶区成土速率非常缓慢，形成1 cm 厚的土壤需要几千年乃至几万年的时间，这一速率远赶不上林区枯枝落叶分解后残留物累积的速率［10］，而且石漠化岩溶山地的土地石质化是难以逆转的，水土流失触目惊心，直接导致无法进行农业生产。大量的土壤流失导致地下河流和溶洞堵塞，雨水无法进入被堵塞的地下河或溶洞，无法补充地下水，在干旱期造成当地群众的用水困难。在喀斯特区只有低洼洼地和谷地等局部地区可能出现较厚层的土壤堆积;然而即使在这些地区，由于土壤地下漏失的影响，土壤侵蚀危险程度仍然比较高，易发生土地的石漠化［11］。

3 水土地下漏失的作用机制

图1 水土地下漏失现象(右图张信宝摄)Fig.1 Underground soil and water losses on Karst slopes

非岩溶坡地的土壤流失方式几乎全部为地面流失。由于喀斯特石漠化地区土壤C 层的缺失和土壤结构“上松下紧”的不稳定性，导致该区水土流失严重，特别是水土的地下漏失是石漠化发生的隐形危害因子。喀斯特地区土壤的流失导致生物的生长环境恶化，原本作为储水库的土被流失，部分地区已经无土可流［12－13］。岩溶地区的“土壤丢失”现象已引起众多国内外研究者的重视［9，14］。目前的研究结果认为，岩溶坡地的水土地下漏失是化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀叠加的结果［8］。

3.1 喀斯特地区特殊的地质构造

水土的地下漏失是喀斯特地区一种特殊的水土流失方式［8］。在干湿循环的外力作用下，团聚体的崩解和离散形成的颗粒物质容易沿着土间空隙和喀斯特裂隙向地下空间迁移，这会引起土壤的地下漏失［2］。国外有研究者通过地衣测年的方法证明了土壤沿溶沟消失［15］。英格兰的研究发现，通过特定的孢粉，个别灰岩沼泽的孢粉序列与邻近的非灰岩沼泽相比存在明显的缺失，原因是灰岩沼泽受到来自下部的侵蚀［16］。考古研究工作也提供了灰岩区土层丢失的证据［17］。受地表多孔介质特征的影响，土壤分布呈间断分散的格局，并且随着土下管网、缝隙的垂向加深加宽发展相互贯通致使土壤继续向地下流失［18］。

3.2 降水对水土地下漏失的驱动作用

众多的研究者从喀斯特区地下水土流失的特点、产生机制等方面对喀斯特区地下水土流失机制进行了阐述，并建立了水土漏失概念模型。研究结果认为，水是产生土壤地下漏失的传输介质，地表水土资源一旦漏失就不可再利用，降雨强度与土壤的损失形式有直接关系，并且喀斯特地区特殊的地质环境为土壤的地下漏失创造了有利的空间条件;但模型中没有对岩溶漏失量给出定量关系式［2，19－21］。结论认为，地表水土资源一旦漏失就不可再利用，但没有对岩溶漏失量给出定量关系式［20－21］。

特殊的水循环模式决定了岩溶区水土流失的主要表现形式为降雨携带泥沙进入地下岩溶裂隙、管道、地下河［19］。土粒随降雨地表径流移动，沉积于低洼部位，表现为土壤逐渐向裂隙、溶洼地集聚，使得岩溶地区土壤空间异质性大［22－23］。降水的渗漏很可能是导致土壤地下漏失的主要诱因之一，为其提供了水动力条件［2］。

3.3 人类活动对土壤地下漏失的驱动作用

有研究者针对人类活动对碳酸盐岩坡地的土壤地下漏失提出了“筛孔”理论，认为人类活动加速了土壤的地下漏失，促进了土地石漠化的发展，具体表现在植物根系的固网作用消失，增加了水分向地下的入渗，一些剧烈扰动地表的活动加剧了“石筛”的震动，加速了土壤的地下漏失［8］。魏兴萍等［24］运用137Cs 与土壤营养元素研究了重庆岩溶槽谷区山坡土壤的流失与漏失，认为岩溶区的地下漏失并非普遍存在，多发生在岩石裸露率高、人为干扰强的地区，由于土壤漏失，土壤的营养元素不再遵循向下汇集的规律。人类活动会加剧地面土壤的流失，导致岩溶坡地岩石裸露，从而形成石漠化［25－27］。在西南石漠化地区，虽然已实施了坡改梯等水土保持措施，但受山地地形限制，贵州碳酸盐岩地区仍然存在大于25°的陡坡开垦耕种现象［28－29］，尤其是种植玉米作物，更是加剧了水土流失。

目前的部分石漠化治理工程可以防治水土的地表流失，石漠化景观也可以被恢复的植被所掩盖，但难以防止水土的地下漏失［8］。在一些地区，生态系统保护和恢复效果初见成效，但生态系统服务能力不强。

3.4 水土地下漏失与石漠化

由于岩溶作用对地下水动力条件的敏感性，在地下水以垂直作用方式为主的地区会出现土壤漏失现象，导致溶蚀残余物质或地表原有的风化壳进入近地表岩溶裂隙，土壤漏失作为一种自然过程为石漠化创造了条件［30］。土体直接位于基岩之上，降雨导致喀斯特坡地的土壤出现“壤中流”，极易发生滑移、崩塌等地质灾害，导致坡地的基岩直接裸露，促进石漠化的发生发展［31］。

4 土壤地下漏失研究方法

4.1 使用137Cs 测定土壤地下漏失的方法

20 世纪70 年代，放射性同位素137Cs 已成为测定土壤流失量的一种重要测定方法［32］，是20 世纪50—70 年代核试验产生的人工放射性核素，经大气传输和降雨过程到达地表后易被表层土壤颗粒和有机物强烈吸附，基本不被雨水淋溶和植被摄取，只随土壤颗粒的移动而发生再分布，是土壤侵蚀研究的良好示踪元素［33－35］。运用137Cs 与土壤营养元素研究重庆岩溶槽谷区山坡土壤的流失与漏失，发现岩溶区的地下漏失并非随处可见，主要发生在岩石裸漏率高的地区，137Cs 与土壤及裂隙之间营养元素存在显著相关关系［24］。通过挖取土壤剖面得出不同微地貌形态剖面137Cs 分布的差异，发现土壤侵蚀状况受地表岩石－土壤分布形态的影响很大［36］。运用137Cs 示踪技术对峰丛洼地的泥沙堆积与小流域的土壤流失速率进行定量研究［37－38］，以及通过调查黔中高原岩溶丘陵地土壤中137Cs 的分布，发现与本底值相比，流失比较大，推测可能的原因一是黔中岩溶坡地早期石漠化较严重，降落于基岩上的137Cs 随水流失，二是土壤中的137Cs 随土壤颗粒发生了地下漏失［39］。

4.2 使用210Pbex示踪法测定土壤地下漏失

210Pb 作为铀系的衰变子体广泛存在于自然环境中，210Pb 通过其母体核素222Rn 的大气扩散，在环境中形成了特殊的分配关系，210Pb 的半衰期适合于现代人类活动时间尺度环境过程的示踪。鉴于以上3 个原因，210Pb 是环境地球化学过程的优良示踪剂，在流域侵蚀和现代沉积研究中具有很好的示踪价值［40］，因为大气中的210Pb 蓄积在沉积物中的这部分不与其母体226Ra 共存和平衡，通称为过剩210Pb(标记为210Pbex)。

4.3 使用137Cs 和210Pbex双标记核素示踪技术

随着双标记核素示踪技术的发展，其研究结果也更为精确，表现出了比单核素示踪技术更为明显的优势，因此被应用于沉积速率的研究中。李春梅等［41］利用双核素测定的沉积速率在数值上有一定的偏差，但都反映了相同的沉积过程。137Cs 和210Pbex的坡面分布格局有较大差异，可能的原因是初始沉降布局(均匀程度、季节变化)、部分理化性质以及对各种变异影响因素的响应上存在差异［42］。

4.4 采样技术及误差

在西南喀斯特地区，由于裸岩面积比例高，核爆期间沉降于喀斯特坡地地面的137Cs 随径流直接流失量大，适用于均质土壤的137Cs 法测定的喀斯特坡地土壤流失量偏大［43］。由于无侵蚀岩溶坡地的土层薄、裸石面积大、壤中碳酸盐颗粒的溶蚀等原因，岩溶坡地土壤的137Cs 流失未必完全是坡地地表流水侵蚀与泥沙流失的结果，因此不宜用现行的137Cs示踪方法测定岩溶坡地的土壤流失量［44］。鉴于石漠化地区地表异质性强、土壤分布不连续的特点，采样点应选在土壤厚度较大、地面较为平坦的地点，避免选在可能出现沉积的负地形内;石漠化地区普遍存在着土壤对核素的集中吸附现象，测得的数据可能略有偏高;重度石漠化地区，过高的基岩裸露率会导致其周围土壤中核素含量过高［45］。

5 防治措施研究建议

水土地下漏失的综合治理是一个系统工程，需要多学科多部门共同研究解决。针对喀斯特石漠化地区的水土流失特点，一些研究者提出了治理措施;然而，事实表明，石漠化土地的恢复治理不是轻而易举可以实现的，目前的水土保持措施只能制止地表的水土流失，对地下漏失还没有很好的办法。因此，防大于治刻不容缓，应减少人为扰动对生态环境的破坏，同时采取措施治理水土的地下漏失。

喀斯特石漠化地区陡坡开垦严重，坡腰土石质土地是石漠化发生的主要地段，应改变坡腰土石质土地的农业利用方式，避免犁耕运移土壤和扰动土壤［46］。在毕节一些示范区，针对水土的地下漏失现象，采取了植物篱笆、草被等植物措施。有学者针对不同的地形提出了相应的保土措施:坡地上部封山育林，在有土的石旮旯地上种植有经济效益和水土保持效益的灌木;依据洼地、谷地的海拔与地下水位的关系，修建不同的保土措施［2，8，19］。木本植物根系发达，盘根错节，能固结土壤，可以减缓土壤地下漏失的进程，当树木被砍伐后，根系腐烂，固结土壤的作用消失，原有的涵养土壤养分的功能可能丧失［47］。

水土地下漏失作为一种自然过程为石漠化的发生发展创造了条件。现有的水土保持措施不能解决水土地下漏失问题，有些甚至会促进岩溶坡地的水土地下漏失和土地石质化，因此，建议在今后的研究中，要针对岩溶坡地的水土地下漏失问题深入研究水土流失综合治理措施的配置与设计方案。

在前期资料收集过程中，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所张信宝研究员、严冬春博士，中国科学院亚热带农业生态研究所聂云鹏博士和重庆师范学院魏兴萍博士给予了帮助，在此表示感谢!

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