王志刚,万木春,孙佳佳,张平仓
(1.长江科学院 a.水土保持研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室, 武汉 430010;2.秭归县开明建筑有限责任公司,湖北 秭归 443600)
西南喀斯特石漠化区土壤形成速率研究综述
王志刚1a,1b,万木春2,孙佳佳1a,1b,张平仓1a,1b
(1.长江科学院 a.水土保持研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室, 武汉 430010;2.秭归县开明建筑有限责任公司,湖北 秭归 443600)
强烈的人为作用造成我国西南喀斯特区水土流失严重,并导致了石漠化。而碳酸盐岩风化后残留物极少,土壤形成速度极慢,又导致石漠化的恢复极难。因此,西南喀斯特区石漠化的核心问题就是土壤形成与流失的矛盾。目前对于碳酸盐岩成土速率的计算,都是基于剖面上碳酸盐岩溶蚀速率来推算的,溶蚀速率是通过灰岩标准试片溶蚀速率确定的,只考虑了岩-土接触面上的碳酸盐岩溶蚀速率,不考虑碳酸盐岩岩层间和岩体内部的风化作用。而可以包含以上3种成土模式的流域地球化学平衡法,则是在花岗岩地区建立起来的,应用在碳酸盐岩上,必须对其进行修正。碳酸盐岩的风化成土与花岗岩的差异较大,碳酸盐岩的风化分成2个过程,即碳酸盐岩风化形成残积物和残积物进一步风化形成土壤。在综述前人研究成果的基础上,提出了在风化速率计算中增加残积物风化模块,以区分碳酸盐岩基岩与残积物2个不同风化过程的方法,来修正基于花岗岩建立的流域地球化学平衡法,以适合碳酸盐岩上土壤形成速率的计算。
西南地区;喀斯特石漠化;碳酸盐岩风化;土壤形成速率;花岗岩;溶蚀速率法;流域地球化学平衡法
人类掠夺式的开发,导致在地质地貌极其复杂、生态环境极其脆弱的西南喀斯特地区出现了严重的石漠化[1-4]。多年来,国家投入了巨资来恢复该地区的生态环境[5-6],但生态环境恢复需要一个漫长的过程,目前西南喀斯特地区石漠化恢复究竟处于一个什么样的进程,是恶化了还是改善了,是一个亟待回答的问题。回答该问题对于了解石漠化状况,指导进一步治理,具有重要现实意义。要回答石漠化恢复处于什么样的进程,首先须搞清楚石漠化恢复的机理,也就是回答石漠化地区土壤形成速率和退化速率这2个基本问题。最终通过两者的比较分析确定石漠化恢复的进程。另外,确定碳酸盐岩母岩上土壤的形成速率也是土壤发生学的基本问题。明确这些科学问题,不仅对土壤发生、地球化学和土壤侵蚀理论有重要意义,而且可以为喀斯特地区土壤资源可持续管理和利用、生态环境建设等提供重要依据。
喀斯特石漠化概念的形成经历了一个长期的探讨过程。Yuan最早给出石漠化较完善的科学定义:石漠化是指覆盖有土壤和植被的喀斯特区域转变成几乎没有土壤和植被覆盖的石质景观的过程[7]。然而,王世杰认为,石漠化是一个广义的概念,在南方湿润地区,在人类活动的驱动下,流水侵蚀导致地表出现岩石裸露的荒漠景观,都应该归属石漠化的范畴,不仅仅局限于特定的碳酸盐岩地区,发育于不同地质环境背景上的石漠化,存在着许多本质上的差异[8]。并最终提出,喀斯特石漠化(Karst rocky desertification)是指在亚热带脆弱的喀斯特环境背景下,受人类不合理的社会经济活动的干扰破坏,造成土壤严重侵蚀,基岩大面积出露,土地生产力严重下降,地表出现类似荒漠景观的土地退化过程[8]。它是土地荒漠化的主要类型之一,以脆弱的生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力,以土地生产力退化为本质,以出现类似荒漠景观为标志[8]。虽然,荒漠化多指干旱、半干旱和半湿润地区的土地退化,但目前学术界已普遍认同湿润地区的喀斯特石漠化也属于荒漠化的一种形式,并且喀斯特石漠化以出现类似荒漠的景观为重要标志[8-11]。喀斯特石漠化一经发生,生态系统发生逆向演替,原有的植被退化或消亡,植被覆盖率低,大部分地区岩石裸露,地表呈现出类似荒漠化景观[8]。根据荒漠化景观的发展程度将喀斯特石漠化划分为不同的等级,如:岩石裸露程度 >70%时称重度石漠化;岩石裸露程度在50%~70%时称中度石漠化;岩石裸露程度在30%~50%时称轻度石漠化;岩石裸露程度 <30%时称无石漠化[12]。
2004—2005年,国家林业局组织开展了喀斯特区石漠化土地监测工作,并发布了喀斯特区石漠化状况公报。监测范围涉及湖北、湖南、广东、广西、贵州、云南、重庆、四川8省(自治区、直辖市)的460个县。截止2005年底,石漠化土地总面积为12.96万km2,占监测区总面积的12.1%(监测区总面积107.14万km2),占监测区岩溶面积的28.7%(监测区内岩溶面积为45.10万km2)。在这8个省区中,贵州省石漠化面积达331.6万hm2,占石漠化总面积的25.6%,其后依次为云南288.1万hm2、广西237.9万hm2、湖南147.9万hm2、湖北112.5万hm2、重庆92.6万hm2、四川77.5万hm2和广东8.1万hm2,分别占石漠化总面积的22.2%,18.4%,11.4%,8.7%,7.1%,6.0%,0.6%。监测区内轻度石漠化356.4万hm2,占石漠化总面积的27.5%;中度石漠化591.8万hm2,占45.7%;重度石漠化293.5万hm2,占22.6%;极重度石漠化54.5万hm2,占4.2%。另据“中国水土流失与生态安全综合科学考察”的估算,按现在的水土流失速度,35 a后西南岩溶区石漠化面积将翻一番。由此可见,我国面临的喀斯特石漠化问题依然极其严峻,开展喀斯特石漠化相关的研究具有非常重要的现实意义。
喀斯特石漠化是在自然和人为共同作用下形成的历史自然体。西南地区是我国喀斯特石漠化最严重的地区,它位于青藏高原的东南翼斜坡,处在太平洋季风与印度洋季风交汇影响的边缘地带,属中亚热带、南亚热带和北热带气候区,气候温暖湿润,雨量充沛[13-14]。在地质历史上,从震旦纪到三叠纪,该区沉积了巨厚的碳酸盐岩;三叠纪晚期,印支运动爆发,云贵高原形成;以挤压为主的中生代燕山构造运动使西南地区普遍发生褶皱作用,形成高低起伏的古老碳酸盐岩基岩面;以升降为主的新生代喜山构造运动云贵高原被再度抬升[13,15]。强烈的构造运动塑造了西南喀斯特地区陡峻而破碎的地貌格局,由此产生较大的地表切割度和地形坡度,为水土流失提供了动力潜能。另外,因为碳酸盐岩抗物理风化能力强,而化学风化后剩下的不溶物含量又极低[16],所以喀斯特区成土速率低,土层浅薄,一旦破坏极难恢复,并且新构造上升运动,会使该区接收的第四纪沉积物厚度小、分布零星[15]。
生态地质环境条件脆弱并不意味着一定会出现石漠化,导致西南喀斯特地区石漠化的直接原因还是人类的不合理利用。早在清初,人们就开始认识贵州的石漠化现象。而在此之前的明朝,贵州的生态环境还是良好的,因为明朝政府对贵州的治理基本上是延续元代的土司制度,贵州人口和田地均较少,农业生产仍然延续着原始的方式[2]。到了清中期,随着人口的膨胀,土地被大量开垦为农田,如贵州田地数量从1724年到1753年增加了77%,石漠化开始凸显,局部地区出现“地埆不可耕”。然而更为严重的是,贵州自20世纪20年代以来,森林先后遭到4次较大规模的破坏:第1次是20年代至40年代的战争;第2次是50年代末“大炼钢铁”使大片原始林、次生林毁于一旦;第3次是“文革”时期“以粮为纲”大搞开山造田,大肆砍伐林木;第4次就是70年代末至80年代初,由于农村经济体制变动,再次使林木遭到严重破坏[17-18]。西南喀斯特地区的人口压力和长期掠夺式的经营开发,最终导致了“人口增加→陡坡开荒→植被减少、退化→水土流失加重→石漠化→贫困→人口增加”的恶性循环的形成[8,19-20]。
喀斯特石漠化危害的本质是导致土地生产力退化,而土地生产力退化又是各种土壤属性退化的综合表现[8,21]。喀斯特石漠化地区的土壤退化主要表现在土壤薄层化、粗骨化、贫瘠化,土壤物理学、化学、生物学性质恶化和土壤水库萎缩。强烈的水力侵蚀导致喀斯特石漠化地区土壤颗粒大量流失,土层逐渐变薄,土壤中砾石含量增加,呈现粗骨化,原有的良好土体构型被破坏,植被立地条件恶化[22-24]。随着水土流失的加剧,土壤肥力也持续下降,养分元素如氮、磷、钾含量降低,有机质含量也显著降低[19]。另外,随着石漠化的发展,土壤物理性恶化,土壤出现板结,透气性变差[19,25]。土壤化学性质也出现恶化,如pH升高,碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁含量下降等[26-27]。土壤微生物种群和生物学性质也出现恶化,如土壤微生物总量降低,多样性损失,酶和酶活性降低[22,27]。土壤薄层化、粗骨化、板结和地表结皮破坏等,又导致土壤涵养水源的能力降低,土壤水库萎缩,使石漠化地区旱涝灾害频繁[8,23,25,28]。
西南喀斯特石漠化区特殊的地质、地形、植被和气候条件导致了了该区脆弱的生态环境,一方面是成土速率低、土层浅薄[15-16];另一方面,较大的地表切割度和坡度,以及充沛的降雨,为水土流失提供了动力潜能[13-14]。因此,西南地区喀斯特石漠化的核心问题就是喀斯特特殊条件下土壤的累积与流失,亦即土壤形成与退化的矛盾。下面从土壤形成速率国内外研究进展和西南地区碳酸盐岩上土壤的形成速率研究实际情况2个方面,对西南喀斯特石漠化区土壤形成速率研究进行评述。
3.1 土壤形成速率国内外研究进展
目前,各类研究使用的岩石风化和土壤形成速率的计算方法多是在非喀斯特地区建立起来的,主要包括:①模拟淋溶实验法[29];②剖面物质损耗法[30];③剖面物质与环境条件法[31];④剖面土壤酸化模型(PROFILE model)[32];⑤流域土壤酸化模型(MAGIC model)[33];⑥同位素比值法[34];⑦流域元素输入输出平衡法[35-36]等。不同方法的适用范围不同,每种方法既有其优点,也有其局限性(表1)。
另外,不同方法测定的土壤形成速率存在很大差异。造成这些差异的原因,首先是研究的空间尺度不同。Langan等指出单个土壤剖面风化速率计算使用的数据为“某一点”的数据,而流域风化和土壤形成速率计算所用的数据包含了流域内不同土壤的空间变异[37]。前者计算的是研究区域内某一点的风化和土壤形成速率,后者为流域的平均风化和土壤形成速率。其次,不同方法的理论前提各不相同,也会导致风化和土壤形成速率的计算结果存在差异。此外,土壤风化的时间尺度也会影响不同方法的计算结果。一般来说,土壤的当前风化速率比长期风化速率要高[38-40]。在实际应用中,研究者应根据研究目的、时空尺度要求、测试手段、精度要求等条件,以及模型本身的完善程度来选择合适的方法。
表1 土壤形成速率计算方法比较Table 1 Comparison of methods of calculating soilformation rate
3.2 碳酸盐岩上土壤的形成速率
目前对于西南地区碳酸盐岩成土速率的计算,都是基于单个剖面或者多个剖面统计的碳酸盐岩溶蚀速率和不溶物含量来推算的(表2)[41]。这种方法的优点是概念简单、易于测定。这种方法存在一定的问题,首先这种方法依赖于碳酸盐岩溶蚀速率的测定,而碳酸盐岩溶蚀速率又是通过灰岩标准试片溶蚀速率确定的[42],这种方法只考虑了岩-土接触面上的碳酸盐岩溶蚀速率,不考虑碳酸盐岩岩层间和岩体内部的风化作用。而根据杨瑞东等的研究,碳酸盐岩成土存在岩-土界面上风化成土、岩层层间界面上风化成土、岩层整体块状风化成土等3种模式(图1),并据此认为,根据碳酸盐岩溶蚀速率推算的碳酸盐岩成土速率比真实的成土速率低[43]。其次,这种方法测定的是剖面尺度上的土壤形成速率,在应用过程中存在尺度匹配上的问题。目前,对于喀斯特地区土壤退化的研究大多是宏观的,通过对比自然林地、次生灌木林地、草地、坡耕地、严重石漠化土地等已经出现了明显差异的景观单元上土壤属性的恶化状况[51-53],并根据植被覆盖度、坡度、裸岩面积、土层深度等评价石漠化的程度[10,54-55]。并且,小流域及其更宏观的尺度是水土保持工作和生态环境建设开展的重要尺度,它们与基于剖面的碳酸盐岩成土速率推算之间存在一个尺度不匹配的问题[56-57]。
表2 西南地区碳酸盐岩成土速率的估算及其方法Table 2 Estimation methods for carbonate rockweathering and soil formation rate in Southwest China
注:图3(d)中这些不规则条带状是土。
因此,当前对西南地区碳酸盐岩上土壤的形成速率的研究,需要将基于剖面的研究尺度提高到小流域的水平上,一方面可以囊括碳酸盐岩成土的3种模式,另一方面可以与喀斯特石漠化土壤退化的研究相匹配。对应的研究方法则可以采用流域元素地球化学平衡法计算。但是该方法是基于花岗岩母岩建立起来的,碳酸盐岩的成分和风化过程与花岗岩的差异较大,必须对计算方法进行修正。
土壤是岩石风化的产物,因此土壤的形成速率与风化速率密切相关,可以用流域元素地球化学平衡法计算土壤的当前风化速率。目前,该方法在小流域研究中得到了广泛应用[35-36,58-59]。流域元素地球化学平衡法的基本原理是元素地球化学质量平衡。在地球表面,假定岩石风化的产物是土壤和水中的溶质,这个风化过程驱动了一个大尺度的地球化学循环[60]。Barth于1961年提出了一个初步的概念公式来描述和计算这个循环中的物质平衡[61],即
W=ΣDi+S。
(1)
式中:W表示被风化岩石的总质量;Di表示被水循环带走的各种元素的质量;S表示风化产物的质量。令ci和si分别为第i种元素在岩石和其风化产物中的平均含量,则有
ciW=Di+siS。
(2)
式(1)和式(2)是后来各种改进和完善的水文地球化学平衡计算公式的母版。其中,在Yoshioka,Wakatsuki,Rasyidin等人改进的基础上[60,62],Wakatsuki等于1993年提出了一个较为完善的[63]、根据流域元素地球化学质量平衡原理的、计算风化速率和土壤形成速率的方法,其平衡方程为
PPi+RRi+A=SSi+DDi+VVi+GGi。
(3)
式中:Pi,Di,Gi分别为雨水、地表径流水和地下水中i元素的含量(g·m-3);P,D,G分别为降雨量、地表径流量和地下水量[104·m3·(hm2·a)-1];Ri,Si,Vi分别为岩石、土壤和植物中i元素的含量(104·g·t-1);R,S,V分别为岩石风化速率、土壤形成速率和植物生长速率[t·(hm2·a)-1];A为i元素人为施肥输入量[104·t·(hm2·a)-1]。
当研究区域位于偏远地区,非农业利用的小流域,人为作用很小的时候,式(3)中的人为影响(A)可以忽略;如果小流域处于稳定状态,即元素生物吸收和归还达到平衡,那么可以不考虑生物对元素输入输出的影响,即忽略式(3)中的V和Vi。因此,质量平衡方程可以改写为
PPi+RRi=SSi+DDi+GGi。
(3)
由于Al,Ca,Fe,K,Mg,Na,O,Si等主量元素平均含量之和占地壳总质量的95%以上[64],而岩石、土壤和水中的Al,Ca,Fe,K,Mg,Na,Si均主要以氧化物的形式存在,因此一般选择Al,Ca,Fe,K,Mg,Na,Si7种元素用于计算风化速率和土壤形成速率[60],并建立如下的方程组:
PPAl+RRAl=SSAl+DDAl+GGAl;
(4)
PPCa+RRCa=SSCa+DDCa+GGCa;
(5)
PPFe+RRFe=SSFe+DDFe+GGFe;
(6)
PPK+RRK=SSK+DDK+GGK;
(7)
PPMg+RRMg=SSMg+DDMg+GGMg;
(8)
PPNa+RRNa=SSNa+DDNa+GGNa;
(9)
PPSi+RRSi=SSSi+DDSi+GGSi。
(10)
在花岗岩地区,可以通过上述方程组联立,利用多元回归分析来求算风化速率和土壤形成速率[63]。
为了简便,许多学者在应用该方法计算风化和土壤形成速率时假设流域处于稳定状态,而不考虑生物对元素输入与输出的影响。显然,只有当植物生长所消耗的元素与植物分解进入土壤中的元素达到平衡时,假设才成立。事实上,很少有流域处于稳定状态[65-67]。尽管元素输入输出平衡法存在一些假设和前提条件,但仍然被认为是定量测定元素地表迁移最可靠的手段,同时也是野外计算风化和土壤形成速率最为精确的方法[68]。
但是,流域元素地球化学平衡法是基于花岗岩母岩小流域建立起来的,石灰岩的成分和风化过程与花岗岩的差异较大(表3),因此要用该方法来计算碳酸盐岩母岩上土壤的形成速率,必须对计算方法进行修正。
表3 花岗岩、石灰岩母岩及其形成土壤的主量元素平均含量Table 3 Mean contents of major elements in soildeveloped from granite and limestone %
花岗岩风化成土的小流域物质平衡表达式可以概化为
基岩风化释放 + 大气沉降=土壤 +
地表径流输出 + 地下水输出 + 生物净吸收 。
但是碳酸盐岩的风化成土与花岗岩的差异较大,碳酸盐岩的风化截然地分成2个过程,即碳酸盐岩风化形成残积物,残积物进一步风化形成土壤。而残积物的成分主要是黏土,与碳酸盐岩的成分差异较大。因此,碳酸盐岩风化成土的小流域物质平衡表达式应修订为
基岩风化释放 + 残积物风化释放 + 大气沉降=
土壤 +地表径流输出 + 地下水输出 + 生物净吸收 。
碳酸盐岩上残积物的成分与基岩的成分差异较大,在选择适合计算土壤形成速率的元素方面也需要修正,并通过不同元素的平衡方程来区分基岩风化速率和残积物风化速率。
Wakatsuki等认为对于花岗岩发育的土壤越稳定的元素越适合用于计算风化速率,但事实上并不是因为这样,比如Al元素非常稳定,但却不适合计算风化速率[63]。我们认为,理想状态下的流域元素输入输出平衡法还隐含了一个假定,即土壤是风化的产物,相对于岩石而言,土壤基本不发生风化,因此在岩石中风化速率越大于土壤中风化速率的元素越适合于计算岩石风化速率和土壤形成速率。碳酸盐岩母岩的Ca(或Mg)含量远远大于其形成的土壤中的含量(表3),因此碳酸盐岩Ca(或Mg)的风化速率远远大于土壤Ca(或Mg)的风化速率,对于碳酸盐岩Ca(或Mg)应该更适合于计算土壤形成速率。另外,碳酸盐岩母岩中主量元素的含量与其形成土壤的中主量元素含量差异远大于花岗岩与其上形成土壤间的差异,因此碳酸盐岩流域元素输入输出平衡应该包含更加丰富的信息,比如可以区分岩石风化速率和土壤风化速率等。可以假定,Ca或Mg的风化速率主要反映基岩的风化速率,而Si,Al,Fe,K,Na的风化速率主要反映残积物的风化速率。
喀斯特石漠化是指在亚热带脆弱的喀斯特环境背景下,受人类不合理的社会经济活动的干扰破坏,造成土壤严重侵蚀,基岩大面积出露,土地生产力严重下降,地表出现类似荒漠景观的土地退化过程。它是土地荒漠化的主要类型之一,以脆弱的生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力,以土地生产力退化为本质,以出现类似荒漠景观为标志。喀斯特石漠化是在自然和人为共同作用下形成的历史自然体。西南喀斯特区地表切割度和坡度大,地形陡峻破碎,气候温暖湿润,雨量充沛,为水土流失提供了动力潜能。历史上和当前强烈的人为作用造成地表植被破坏,引发了严重的水土流失,并直接导致了严重的石漠化。而碳酸盐岩风化后残留物极少,成土速度极慢,又导致石漠化的恢复极难。因此,西南地区喀斯特石漠化的核心问题就是喀斯特特殊条件下土壤的累积与流失的矛盾。
目前对于西南地区碳酸盐岩成土速率的计算,都是基于单个剖面或者多个剖面统计的碳酸盐岩溶蚀速率和不溶物含量来推算的。这种方法依赖于碳酸盐岩溶蚀速率的测定,而碳酸盐岩溶蚀速率又是通过灰岩标准试片溶蚀速率确定的,只考虑了岩-土接触面上的碳酸盐岩溶蚀速率,不考虑碳酸盐岩岩层间和岩体内部的风化作用。而可以包含以上3种成土模式的,基于流域地球化学平衡的岩石风化和土壤形成速率计算方法多是在花岗岩地区建立起来的,应用在西南喀斯特地区的碳酸盐岩上,必须对其进行修正。碳酸盐岩的风化成土与花岗岩的差异较大,碳酸盐岩的风化分成2个过程,即碳酸盐岩风化形成残积物,残积物进一步风化形成土壤。本文提出了在风化速率计算中,增加残积物风化模块,并区分碳酸盐岩基岩与残积物2个不同的风化过程,来修正基于花岗岩建立的流域土壤形成速率计算方法,以适合碳酸盐岩上土壤形成速率的计算。有必要进一步开展试验观测,以验证该修正方法的可行性和准确性。
[1] 袁道先.中国岩溶学[M].北京: 地质出版社,1993.(YUANDao-xian.ChinaKarstology[M].Beijing:GeologicalPublishingHouse,1993.(inChinese))
[2] 韩昭庆.雍正王朝在贵州的开发对贵州石漠化的影响[J].复旦学报(社会科学版),2006,(2): 119-127,140.(HANZhao-qing.ExploitationofGuizhouProvinceDuringtheYongzhengReign-periodandItsEffectontheRock-DesertificationinThisArea[J].FudanJournal(SocialSciencesEdition) ,2006,(2): 119-127,140.(inChinese))
[3] 吕明辉,王红亚,蔡运龙.西南喀斯特地区土壤侵蚀研究综述[J].地理科学进展,2007,26(2): 87-96.(LVMing-hui,WANGHong-ya,CAIYun-long.GeneralReviewofSoilErosionintheKarstAreaofSouthwestChina[J].ProgressinGeography,2007,26(2): 87-96.(inChinese))
[4] 李 森,魏兴琥,黄金国,等.中国南方岩溶区土地石漠化的成因与过程[J].中国沙漠,2007,27(6): 918-926.(LISen,WEIXing-hu,HUANGJin-guo,etal.Cause and Processes of Rocky Desertification Lands in Karst Areas of South China[J].Journal of Desert Research,2007,27(6): 918-926.(in Chinese))
[5] WANG S J,LIU Q M,ZHANG D F.Karst Rocky Desertification in Southwestern China: Geomorphology,Landuse,Impact and Rehabilitation[J].Land Degradation Development,2004,15: 115-121.
[6] 张信宝,齐永青.非干旱造林困难地区植被恢复的科学检讨及建议[J].中国水土保持,2004,(10): 5-7.(ZHANG Xin-bao,QI Yong-qing.Scientific Review and Suggestions on Vegetation Recovery of Difficult Regions for Afforestation in Non-arid Climate[J].Soil and Water Conservation in China,2004,(10): 5-7.(in Chinese))
[7] YUAN D X.Rock Desertification in the Subtropical Karst of South China[J].Zeitschrift fuer Geomorphologie,Annals of Geomorphology,1997,108: 81-90.
[8] 王世杰.喀斯特石漠化概念演绎及其科学内涵的探讨[J].中国岩溶,2002,21(2): 101-105.(WANG Shi-jie.Concept Deduction and Its Connotation of Karst Rocky Desertification[J].Carsologica Sinica,2002,21(2): 101-105.(in Chinese))
[9] 朱震达,崔书红.中国南方的土地荒漠化问题[J].中国沙漠,1996,16(4): 331-337.(ZHU Zhen-da,CUI Shu-hong.The Problem of Desertification in South China[J].Journal of Desert Research,1996,16(4): 331-337.(in Chinese))
[10]李 森,董玉祥,王金华.土地石漠化概念与分级问题再探讨[J].中国岩溶,2007,26(4): 279-284.(LI Sen,DONG Yu-xiang,WANG Jin-hua.Re-discussion on the Concept and Classification of Rocky Desertification[J].Carsologica Sinica,2007,26(4): 279-284.(in Chinese))
[11]张平仓,丁文峰.我国石漠化问题研究进展[J].长江科学院院报,2008,25(3): 1-5.(ZHANG Ping-cang,DING Wen-feng.Review on Rock Desertification Research in China[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2008,25(3): 1-5.(in Chinese))
[12]童立强.西南岩溶石山地区石漠化信息自动提取技术研究[J].国土资源遥感,2003,(4): 36-38.(TONG Li-qiang.A Method for Extracting Remote Sensing Information from Rocky Desertification Areas in Southwest China[J].Remote Sensing for Land &Resources,2003,(4): 36-38.(in Chinese))
[13]王世杰,李阳兵,李瑞玲.喀斯特石漠化的形成背景、演化与治理[J].第四纪研究,2003,23(6): 657-666.(WANG Shi-jie,LI Yang-bing,LI Rui-ling.Karst Rocky Desertification: Formation Background,Evolution and Comprehensive Taming[J].Quaternary Sciences,2003,23(6): 657-666.(in Chinese))
[14]袁道先.我国西南岩溶石山的环境地质问题[J].大自然探索,1996,15(58): 21-23.(YUAN Dao-xian.On the Environmental and Geologic Problems of Karst Mountains and Rocks in the Southwest China[J].Exploration of Nature,1996,15(58): 21-23.(in Chinese))
[15]张殿发,王世杰,周德全,等.贵州省喀斯特地区土地石漠化的内动力作用机制[J].水土保持通报,2001,21(4): 1-5.(ZHANG Dian-fa,WANG Shi-jie,ZHOU De-quan,etal.Intrinsic Driving Mechanism of Land Rocky Desertification in Karst Regions of Guizhou Province[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2001,21(4): 1-5.(in Chinese))
[16]郑永春,王世杰.贵州山区石灰土侵蚀及石漠化的地质原因分析[J].长江流域资源与环境,2002,11(5): 461-465.(ZHENG Yong-chun,WANG Shi-jie.Geological Cause of Calcareous Soil Erosion and Land Rocky Desertification in Karst Area,Guizhou Province[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2002,11(5): 461-465.(in Chinese))
[17]史学正,于东升.我国亚热带土壤侵蚀的生物工程治理[J].水土保持研究,1999,6(2): 137-141.(SHI Xue-zheng,YU Dong-sheng.Bioengineering Harnessment of Soil Erosion for National Subtropic Zone[J].Research of Soil and Water Conservation,1999,6(2): 137-141.(in Chinese))
[18]姚长宏,杨桂芳,蒋忠诚.贵州岩溶地区石漠化的形成及其生态治理[J].地质科技情报,2001,20(2): 75-82.(YAO Chang-hong,YANG Gui-fang,JIANG Zhong-cheng.Rocky Desertification Formation and Ecological Harness of Karst Area in Guizhou[J].Geological Science and Technology Information,2001,20(2): 75-82.(in Chinese))
[19]林昌虎,朱安国.贵州喀斯特山区土壤侵蚀与防治[J].水土保持研究,1999,6(2): 109-113.(LIN Chang-hu,ZHU An-guo.A Study on Soil Erosion and Prevention in Karst Mountainous Region of Guizhou[J].Research of Soil and Water Conservation,1999,6(2): 109-113.(in Chinese))
[20]李瑞玲,王世杰,张殿发.贵州喀斯特地区生态环境恶化的人为因素分析[J].矿物岩石地球化学通报,2002,21(1): 43-47.(LI Rui-ling,WANG Shi-jie,ZHANG Dian-fa.The Role of Man-made Factors in Eco-environmental Deterioration in Guizhou Karst Areas[J].Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry,2002,21(1): 43-47.(in Chinese))
[21]SNAKIN V V,KRECHETOV P P,KUZOVNIKOVA T A,etal.The System of Assessment of Soil Degradation[J].Soil Technology,1999,8: 331-343.
[22]龙 健,李 娟,汪境仁,等.典型喀斯特地区石漠化演变过程对土壤质量性状的影响[J].水土保持学报,2006,20(2):77-81.(LONG Jian,LI Juan,WANG Jing-ren,etal.The Role of Man-made Factors in Eco-environmental Deterioration in Guizhou Karst Areas[J].Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry,2006,20(2): 77-81.(in Chinese))
[23]苏维词,周济祚.贵州喀斯特山地的“石漠化”及防治对策[J].长江流域资源与环境,1995,4(2): 177-182.(SU Wei-ci,ZHOU Ji-zuo.Rocky Desertification in Guizhou Karst Region and Its Preventive Strategy[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,1995,4(2): 177-182.(in Chinese))
[24]周家维.南、 北盘江流域 (贵州部分) 土地退化类型及机理[J].贵州林业科技,2006,33(4): 6-10.(ZHOU Jia-wei.Soil Deterioration Types and Their Mechanisms in Watershed of Nanpanjiang and Beipanjiang Rivers[J].Guizhou Forestry Science and Technology,2006,33(4): 6-10.(in Chinese))
[25]罗绪强,王世杰,张桂玲,等.喀斯特石漠化过程中土壤颗粒组成的空间分异特征[J].中国农学通报,2009,25(12): 227-233.(LUO Xu-qiang,WANG Shi-jie,ZHANG Gui-ling,etal.Spatial Variation of Soil Particle Composition in the Process of Karst Rocky Desertification[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2009,25(12): 227-233.(in Chinese))
[26]苏 跃,刘 方,李 航,等.喀斯特山区不同土地利用方式下土壤质量变化及其对水环境的影响[J].水土保持学报,2008,22(1): 65-68.(SU Yue,LIU Fang,LI Hang,etal.Effects of Land-Use Patterns on Soil and Environmental Water Quality in Karst Hilly Areas[J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,22(1): 65-68.(in Chinese))
[27]杨小青,胡宝清.喀斯特石漠化生态系统恢复演替过程中土壤质量特性研究——以广西都安县澄江小流域为例[J].生态与农村环境学报,2009,25(3): 1-5.(YANG Xiao-qing,HU Bao-qing.Quality Characteristics of Soils in Karst Rocky-desertified Areas With Ecosystem Under Restoration Succession: A Case Study of Chengjiang Subwatershed,Du’an County,Guangxi[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2009,25(3): 1-5.(in Chinese))
[28]张显强,张 来,何跃军,等.喀斯特石漠结皮细尖鳞叶藓的吸水机制及耐旱适应性[J].生态学报,2010,30(12): 3108-3116.(ZHANG Xian-qiang,ZHANG Lai,HE Yue-jun,etal.Water Uptake Mechanism and Desiccation-tolerant Adaptation of Taxiphyllum Aomoriense Crust in Karst Rocky Desertification[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(12): 3108-3116.(in Chinese))
[29]段 雷,郝吉明,周中平,等.土壤风化速率的实验测定[J].环境科学学报,2002,22(2): 145-149.(DUAN Lei,HAO Ji-ming,ZHOU Zhong-ping,etal.Experimental Determination of Soil Weathering Rate[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2002,22(2): 145-149.(in Chinese))
[30]LAND M,INGRI J,OHLANDER B.Past and Present Weathering Rates in Northern Sweden[J].Applied Geochemistry,1999,14(6): 761-774.
[31]SVERDRUP H.The Kinetics of Base Cation Release Due to Chemical Weathering[M].Lund,Sweden: Lund University Press,1990.
[32]HODSON M E,LANGAN S J,WILSON M J.A Critical Evaluation of the Use of the PROFILE Model in Calculating Mineral Weathering Rates[J].Water,Air and Soil Pollution,1997,98(1): 79-104.
[33]DUAN L,HAO J M,XIE S D,etal.Determining Weathering Rates of Soils in China[J].Geoderma,2002,110(2): 205-225.
[34]GRAUSTEIN W C.Stable Isotopes in Ecological Research[M].New York: Springer,1989: 491-512.
[35]VELBEL M A,PRICE J R.Solute Geochemical Mass-balances and Mineral Weathering Rates in Small Watersheds: Methodology,Recent Advances,and Future Directions[J].Applied Geochemistry,2007,22: 1682-1700.
[36]JONES B F,HERMAN J S.Geochemical Investigation of Weathering Process in a Forested Watershed Catchment: Mass-balance Weathering Fluxes[J].Mineralogical Magazine,2008,72: 55-69.
[37]LANGAN S J,HODSON M E,BAIN D C,etal.A Preliminary Review of Weathering Rates in Relation to Their Method of Calculation for Acid Sensitive Soil Parent Materials[J].Water,Air and Soil Pollution,1995,85: 1075-1081.
[38]APRIL R R,NEWTON R,COLES L T.Chemical Weathering in Two Adirondack Watersheds: Past and Present-day Rates[J].Geological Society of America Bulletin,1986,97: 1232-1238.
[39]KIRKWOOD D E,NESBITT H W.Formation and Evolution of Soils from an Acidified Watershed: Plastic Lake,Ontario,Canada[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1991,55: 1295-1308.
[40]LANGAN S J,REYNOLDS B,BAIN D C.The Calculation of Base Cation Release from Mineral Weathering in Soils Derived from Palaeozoic Greywackes and Shales in Upland UK[J].Geoderma,1996,69: 275-285.
[41]袁道先,蔡桂鸿.岩溶环境学[M].重庆: 重庆出版社,1988.(YUAN Dao-xian,CAI Gui-hong.Karst Environment[M].Chongqing: Chongqing Publishing House,1988.(in Chinese))
[42]袁道先.中国西南部的岩溶及其与华北岩溶的对比[J].第四纪研究,1992,(4): 352-361.(YUAN Dao-xian.Karst in Southwest China and Its Comparison with Karst in North China[J].Quaternary Sciences,1992,(4): 352-361.(in Chinese))
[43]杨瑞东,朱立军,魏怀瑞,等.贵阳地区碳酸盐岩岩系成土方式及其特征[J].地球与环境,2007,35(3): 193-201.(YANG Rui-dong,ZHU Li-jun,WEI Huai-rui,etal.Pedogenic Mechanism of Carbonate Laterite and Its Characteristics in Guiyang,Guizhou Province,China[J].Earth and Environment,2007,35(3): 193-201.(in Chinese))
[44]韦启璠,陈鸿昭,吴志东,等.广西弄岗自然保护区石灰土的地球化学特征[J].土壤学报,1983,20(l): 30-42.(WEI Qi-fan,CHEN Hong-zhao,WU Zhi-dong,etal.The Geochemical Characteristics of Limestone Soils in Longgang Area,Guangxi[J].Acta Pedologica Sinica,1983,20(l): 30-42.(in Chinese))
[45]韦启璠.我国南方喀斯特区土壤侵蚀特点及防治途径[J].水土保持研究,1996,3(4): 72-76.(WEI Qi-fan.Soil Erosion in Karst Region of South China and Its Control[J].Research of Soil and Water Conservation,1996,3(4): 72-76.(in Chinese))
[46]柴宗新.试论广西岩溶区的土壤侵蚀[J].山地研究,1989,7(4): 255-260.(CHAI Zong-xin.Soil Erosion in Karst Area of Guangxi Autonomous Region[J].Journal of Mountain Research,1989,7(4): 255-260.(in Chinese))
[47]张美良,邓自强.我国南方喀斯特地区的土壤及其形成[J].贵州工学院学报,1994,23(1): 67-75.(ZHANG Mei-liang,DENG Zi-qiang.The Soil and Soil-forming Processes in Karst Area of South China[J].Journal of Guizhou Institute of Technology,1994,23(1): 67-75.(in Chinese))
[48]杨汉奎.喀斯特环境质量变异[M].贵阳: 贵州科技出版社,1994:43-59.(YANG Han-kui.Karst Environmental Quality Variation[M].Guiyang: Guizhou Science and Technology Press,1994:43-59.(in Chinese))
[49]WANG S J,JI H B,OUYANG Z Y,etal.Preliminary Study on Weathering and Pedogenesis of Carbonate Rock[J].Science in China (Series D),1999,42(6): 572-581.
[50]蒋忠诚,杨德生,曹建华,等.中国水土流失防治与生态安全·西南岩溶卷[M].北京: 科学出版社,2010.(JIANG Zhong-cheng,YANG De-sheng,CAO Jian-hua,etal.Chinese Soil Erosion Control and Ecological Safety·Southwest Karst Volume[M].Beijing: Science Press,2010.(in Chinese))
[51]苏维词.贵州喀斯特山区的土壤侵蚀性退化及其防治[J].中国岩溶,2001,20(3):217-223.(SU Wei-ci.Soil Erosive Deterioration and Its Control in Karst Mountainous Regions of Guizhou Province[J].Carsologica Sinica,2001,20(3): 217-223.(in Chinese))
[52]莫 彬,曹建华,徐祥明,等.岩溶石漠化演替阶段土壤质量退化的预警指标评价[J].水土保持研究,2007,14(3): 16-18.(MO Bin,CAO Jian-hua,XU Xiang-ming,etal.Evaluation of Early Warning Indicators of Soil Quality Degeneration in the Process of Karst Rocky Desertification[J].Research of Soil and Water Conservation,2007,14(3): 16-18.(in Chinese))
[53]廖赤眉,胡宝清,苏广实,等.喀斯特石漠化区植被演替过程中土壤质量研究——以广西都安澄江小流域为例[J].安徽农业科学,2009,37(35):17626-17629.(LIAO Chi-mei,HU Bao-qing,SU Guang-shi,etal.Research on the Soil Quality during the Vegetation Succession Process in Karst Rocky Desertification Area[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2009,37(35): 17626-17629.(in Chinese))
[54]HUANG Q H,CAI Y L.Spatial Pattern of Karst Rock Desertification in the Middle of Guizhou Province,Southwestern China[J].Environmental Geology,2007,52: 1325-1330.
[55]XIONG Y J,QIU G Y,MO D K,etal.Rocky Desertification and Its Causes in Karst Areas: A Case Study in Yongshun County,Hunan Province,China[J].Environmental Geology,2009,57: 1481-1488.
[56]刘纪根,蔡强国,樊良新,等.流域侵蚀产沙模拟研究中的尺度转换方法[J].泥沙研究,2004,(3): 69-74.(LIU Ji-gen,CAI Qiang-guo,FAN Liang-xin,etal.Methods of Scale Transfer in Modeling of Soil Erosion and Sediment Yield in Catchments[J].Journal of Sediment Research,2004,(3): 69-74.(in Chinese))
[57]刘纪根,蔡强国,刘前进,等.流域侵蚀产沙过程随尺度变化规律研究[J].泥沙研究,2005,(4): 7-13.(LIU Ji-gen,CAI Qiang-guo,LIU Qian-jin,etal.Study on the Regularity of Sediment Yield Processes in Catchments under Different Scales[J].Journal of Sediment Research,2005,(4): 7-13.(in Chinese))
[58]CLEAVES E T,GODFREY A E,BRICKER O P.Geochemical Balance of Small Watershed and Its Geomorphic Implication[J].Geological Society of America Bulletin,1970,81: 3015-3032.
[59]FURMAN T,THOMPSON P,HATCHL B.Primary Mineral Weathering in the Central Appalachians: A Mass Balance Approach[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1998,62: 2889-2904.
[60]WAKATSUKI T,RASYIDIN A.Rates of Weathering and Soil Formation[J].Geoderma,1992,52: 251-263.
[61]BARTH F W.Abundance of the Elements,Areal Averages and Geochemical Cycles[J].Geochim.Cosmochim.Acta,1961,23: 1-8.
[62]YOSHIOKA R.Geochemical Study of Weathering Through Chemical Composition in Natural Waters[J].Journal of Earth Science,1987,35: 417-444.
[63]WAKATSUKI T,RASYIDIN A,NAGANAWA T.Multiple Regression Method for Estimating Rates of Weathering and Soil Formation in Watersheds[J].Soil Science and Plant Nutrition,1993,39: 153-159.
[64]TAYLOR S R.Abundance of Chemical Elements in the Continental Crust: A New Table[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1964,28: 1273-1285.
[65]TAYLOR A B,VELBEL M A.Geochemical Mass Balances and Weathering Rates in Forested Watersheds of Southern Blue Ridge.II.Effects of Botanical Uptake Term[J].Geoderma,1991,51: 29-50.
[66]LIKENS G E,BORMANN F H.Biogeochemistry of a Forested Ecosystem (Second Edition)[M].New York: Springer-Verlag,1995: 1-4.
[67]VELHEL M.A.Interaction of Ecosystem Processes and Weathering Processes[M]∥Solute Modelling in Catchment Systems.New York: Wiley,1995: 193-209.
[68]BRICKER O P,JONES S F,BOWSER C J.Mass-balance Approach to Interpreting Weathering Reactions in Watershed systems[M]∥Surface and Ground Water,Weathering,and Soils,Treatise on Geochemistry.New York: Elsevier,2003: 119-132.
[69]路凤香,桑隆康,邬金华,等.岩石学[M].北京: 地质出版社,2001.(LU Feng-xiang,SANG Long-kang,WU Jin-hua,etal.Petrology[M].Beijing: Geological Publishing House,2001.(in Chinese))
[70]国家环境保护局,中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京: 中国环境科学出版社,1990.(National Environmental Protection Agency and China National Environmental Monitoring Center.Background of Soil Elements in China[M].Beijing: China Environmental Science Press,1990.(in Chinese))
[71]黄承武,徐盛荣.我国北亚热带花岗岩发育土壤的特性和系统分类[J].土壤通报,1997,28(2): 55-58.(HUANG Cheng-wu,XU Sheng-rong.Characteristics and Classification System of Soils Development from Granite in the Northern Subtropical of China[J].Chinese Journal of Soil Science,1997,28(2): 55-58.(in Chinese))
(编辑:姜小兰)
Review of Studies on Soil Formation Rate in Karst RockyDesertification Region of Southwest China
WANG Zhi-gang1,2,WAN Mu-chun3,SUN Jia-jia1,2,ZHANG Ping-cang1,2
(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Hubei Key Laboratory of Water Resources &Eco-environment,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;3.Kaiming Construction Limited Liability Company of Zigui County,Zigui 443600,China)
Human activities have induced severe soil and water loss and gave rise to rocky desertification in Karst region of southwest China.The recovery of rocky desertification is extremely difficult because there’s very little residue after the weathering of carbonate rocks.Therefore,the key issue of karst rocky desertification is the contradiction between soil formation and soil loss.Currently,the rate of soil formation from carbonate rock is calculated based on the dissolution rate of carbonate rock in soil profile.The dissolution rate of carbonate rock is determined by the dissolution experiment of standard test piece of carbonate rock.This method only considers the soil formation on the contact surface between soil and rock,but not the soil formation between rock layers and rock interior.However,the method of watershed’s geochemical balance which contains the above soil formation types is based on the granite region.It must be modified when applied to carbonate rock watershed.The most important difference of the soil formation between carbonate and granite rocks was the weathering of carbonate rocks diametrically divided into two processes,namely the weathering of carbonate rock to form residual material,and the further weathering of residual material to form soil.In this paper,we propose to modify the method of watershed’s geochemical balance by considering the weathering process of residual material to distinguish these two processes.
Southwest China;Karst rocky desertification;weathering of carbonate rock;soil formation rate;granite;dissolution rate;method of watershed’s geochemical balance
2014-12-30;
2015-01-16
国家自然科学基金项目(41101191,41201269);国家科技重大专项专题资助项目(2012ZX07503-002-03);中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2014022/TB,CKSF2015011/TB);长江科学院创新团队资助项目(CKSF2012052/TB)
王志刚(1981-),男,湖北枣阳人,高级工程师,主要从事土壤地理、土壤侵蚀研究,(电话) 027-82926391(电子信箱)peter.zgwang@gmail.com。
10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.014
S151
A
1001-5485(2015)03-0064-09
2015,32(03):64-72