我国岩溶地区水土流失研究进展及发展趋势

2011-02-16马祖陆蔡德所覃星铭

中国水土保持 2011年9期

王魁，马祖陆，蔡德所，覃星铭

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004;2.中国地质大学，北京100083;3.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林541004)

以旱涝、水土流失、石漠化、地面塌陷、物种多样性受限制、生产力低下、人民生活困难为特征的岩溶地区生态脆弱性，是个全球性的环境问题［1］。我国西南岩溶地区岩溶总面积78万km2，人口1亿多人，是珠江、长江和流向东南亚诸多国际河流的源头区或重要的水源补给区，其水土保持的地理位置非常重要。该区域的水土流失及由其引发的石漠化问题突出，水利部水土保持监测中心的监测资料表明，2002年黔、滇、桂三省区水土流失总面积约14.3万 km2，有强烈以上水土流失的县占76.87%。生态环境恶化影响了当地经济的发展，贵州、广西78个贫困县中，分布在水土流失最严重的岩溶石漠化区的即占88%。

西南岩溶地区水土流失带来的严重生态破坏表现在:区域内石漠化总面积已达10.55万km2，并仍以每年2.1%的速度在扩大;水土流失和石漠化造成耕地逐步丧失或贫瘠化，人均耕地每年减少4%，50%以上的耕地沦为中低产田;引发了旱涝灾害(1700万人存在饮水困难)，造成河道壅塞、水库淤积，对流域生态安全构成威胁;水土流失过程中的岩溶塌陷、泥石流和滑坡等一系列生态问题，对人民生命财产安全构成了严重威胁;很多地区成了“无水可饮，无地可耕，无柴可烧”的“三无”地带，其中仅云南丘北县20世纪90年代以来因水土流失造成严重淤积的水库坝塘即达50余座［2］。

西南岩溶地区的水土流失及石漠化问题得到了国家的高度重视。“十五”、“十一五”期间，国家投入了大量的资金，实施了“长治工程”、“珠治试点工程”、退耕还林和石漠化综合治理等一系列工程，但由于缺乏对岩溶地区特殊水土流失过程和机理的深入了解，许多地区所采取的水土流失治理措施、方法针对性不强，效果并不十分明显。一些学者认识到岩溶地区特殊的水文过程(水动力系统或水循环方式)和水化学作用、特殊的地下岩溶管道——裂隙系统结构，可能是影响水土流失过程和流失量的主要原因，并开始关注岩溶地区土壤的形成及其特殊的流失过程、途径、机理的研究。

1 岩溶地区水土流失研究现状

我国早期的水土流失研究主要集中在西北黄土高原区，对岩溶地区水土流失的研究起步较晚。从20世纪80年代起，广西等地岩溶地区的水土流失逐步进入专家与学者的研究范畴［3－5］，之后在国家实施的多项解决西南岩溶地区贫困与生态问题的项目和规划中，水土流失及防治进一步得到重视。2005年7月至2007年5月，水利部、中国科学院和中国工程院联合开展了“中国水土流失与生态安全综合科学考察”，对中国七大水土流失区内的水土流失现状进行了科学考察，其中西南岩溶区的考察范围主要是西南岩溶区内石漠化比较严重的地区，包括贵州、广西和云南东部，土地面积约55万km2。根据2002年第三次水土流失遥感解译提供的数据，考察区内水土流失面积约14.3万km2，约占考察区土地总面积的26.3%，按行政区域划分:滇东地区水土流失面积59740.71 km2，占滇东地区土地总面积的45.2%;贵州水土流失面积73078.56 km2，占贵州土地总面积的41.52%;广西水土流失面积10369.43 km2，占广西土地总面积的 4.38%［2］。

1.1 岩溶环境与水土流失

岩溶地区水土流失是自然因素和人类活动共同作用的结果，其过程和发展受脆弱的生态和地质环境的制约［6］。岩溶地区独有的二元水文地质结构、陡峻而破碎的地形、石灰土与基岩之间缺少风化母质过渡的岩土界面是造成石灰土土壤侵蚀的重要原因［7］，土壤物理性质与碳酸盐岩构成的双层结构是造成地下水土流失的重要因素，丰沛的降水是水土流失的主要外营力［8］。与非岩溶地区以坡面流失为主的水土流失方式不同，岩溶区水土流失过程十分复杂，泥沙不仅在降雨过程中通过地表径流进入水流系统，而且随水流通过落水洞、竖井、漏斗携带泥沙进入地下管道和地下河［9－10］。

基于对岩溶地区水土流失机理认识的深入，一些学者对岩溶区自然因素影响下的水土流失状况进行了研究，分析了不同自然因素如地形［11］、植被覆盖类型［12］、降雨、地表径流和水动力条件［13－14］、土壤性质［15］等对水土流失的影响;还有一些学者从人类活动及其引起的不同土地利用方式出发，对岩溶区森林破坏、过度垦殖、耕作方式、工程建设、矿产开发等造成的水土流失进行了研究［16－17］。这些研究多属于定性描述，或基于单一或少数影响因子的调查数据，缺乏详细监测数据的支持，对具体影响程度或综合影响效果缺乏定量评价。

1.2 岩溶地区水土流失强度

水土流失强度是水土流失治理和水土保持规划的重要依据。西南岩溶区碳酸盐岩中酸不溶物含量低，成土(土壤再生)能力差［18］，形成的土层薄，因此在水土流失过程中允许土壤流失量远远小于非岩溶区。水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)在岩溶区的适用性存在一定的争议。

在研究过程中，诸多学者把成土速率作为岩溶区水土流失分类分级标准划分和修正的重要依据:柴宗新［4］推算得出广西岩溶区的土壤允许流失量为68 t/(km2·a)，并进行了土壤侵蚀从微度到极强烈的五级划分;李阳兵等［19］依据碳酸盐岩风化溶蚀速率平均值，计算了不同岩石组合类型的土壤允许流失量;曹建华等［20－21］估算了西南岩溶区碳酸盐岩的风化成土速率，将成土速率作为土壤允许流失量，将西南岩溶区水土流失强度划分为六级。岩溶环境的空间异质性较强，不同研究区域、尺度、时间和空间下的土壤允许流失量和水土流失强度的划分结果会有差异。在岩溶生态环境遭到破坏的区域(特别是石漠化区)，土壤流失量会随着环境破坏程度的加剧而减少，最后“无土可流”，这种情况下水土流失强度的划分会更加复杂。

1.3 水土流失模型研究

随着试验技术的进步，在对岩溶区水土流失过程以及泥沙输移机理进一步认识的基础上，一些学者尝试借助国内外成功的水土流失模型，如修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、WEPP模型等，针对岩溶地区水土流失过程(或途径)、影响因子、形成机理的特殊性，根据实际观测资料进行相应的修正，然后进行岩溶区水土流失研究。

周斌等［22］以RUSLE为基础，结合GIS技术，通过PAMAP对各因子空间数据进行综合分析，对贵州省岩溶地区的水土流失进行了监测;许月卿等［23］估算了贵州省猫跳河流域2002年土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量，得到了研究区土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量的空间分布。郑进军等［24］利用WEPP模型和137Cs核素示踪技术估算了川中丘陵区简阳县贾家村附近两块坡耕地的侵蚀速率;汪文富［25］以普定后寨河岩溶流域 (普定岩溶野外试验场)为研究区，利用RS和GIS技术建立了适合于岩溶流域使用的土壤侵蚀预测模型;张宏群［26］运用多元统计学的方法，建立了水土流失的动力遥感信息模型，用于对贵州省喀斯特山区水土流失进行预测。以上尝试都是基于岩溶区特点的，并且取得了一定的成果，为今后岩溶区水土流失的研究提供了借鉴。

2 存在的问题

岩溶地区水土流失研究是岩溶环境学、岩溶生态学的基础和前沿热点，对生态学理论的扩展和深入、构建岩溶生态学理论体系意义重大。岩溶区水土流失研究起步较晚，虽然国内外学者在区域调查、流失机理、流失强度和模型研究等方面做了大量的工作，但由于岩溶区域水土流失的复杂性和研究过程中学科知识的局限性，目前仍存在一些问题。

2.1 水土流失强度标准

在目前的研究中，一些学者已经认识到岩溶地区水土流失的特殊性，对岩溶地区土壤流失方式、土壤侵蚀强度划分的认识更符合岩溶地区的实际。但是，在岩溶区岩性成土速率的计算上，不同学者的计算结果存在很大差异，并导致对在成土速率基础上提出的土壤流失量和水土流失强度划分存在不同认识，而很少考虑到水土流失过程中土壤在不同岩性区域之间的迁移、沉积所引起的空间再分配对土壤侵蚀强度划分的影响。这些问题的存在，一定程度上影响了对岩溶区水土流失强度的认识和岩溶区水土保持措施的制定与实施。

2.2 对岩溶区水土流失研究尺度的把握

黄土地区水土流失的研究起步较早，其研究过程中的一些经验和方法被国内广泛借鉴，因此目前岩溶区水土流失的研究多数也是基于岩溶剖面、坡面或点的。但是，由于岩溶环境的空间异质性较强，在不同岩溶区域点和坡面尺度上的研究结果差异较大，不具备普遍性和适用性。当前水土保持工作的开展多在小流域基础上进行，但岩溶区水土流失研究中尚未建立起流域尺度的较为完善的水土流失监测体系，缺少流域尺度的长期观测和高精度监测数据支持，对流域尺度的成土能力、水土流失过程及其与各影响因素之间的关系研究不够清晰，还未建立起与不同岩溶环境相适应的流域尺度上的水土流失监测和预报模型。

2.3 水土流失过程研究

岩溶环境的脆弱性和复杂性，决定了岩溶区水土流失过程的复杂性。目前的研究对岩溶地区特殊的水土流失生态过程(尤其泥沙在地下的迁移过程与途径)与岩溶作用(包括水动力条件、水循环方式、水化学作用)的相互作用(响应、耦合)及岩溶地下结构对水土流失影响方面的研究涉及甚少。

3 今后研究展望

3.1 研究思路与理论创新

20世纪末袁道先院士将地球系统科学理论引入岩溶学研究领域，创建的岩溶动力学理论体系，对岩溶地区水土流失机理研究产生了深刻影响。岩溶区水土流失是岩溶环境的一部分，与整个岩溶环境密切相关，因此研究过程中既要研究其特殊性又要注意其与岩溶环境的关系，将新理论、新思路引入到岩溶地区特殊的水土流失机理研究中。

我国作为世界岩溶大国，应充分利用岩溶区水土流失多样性、典型性的地域优势，广开研究思路，将岩溶环境的地质、地貌、水文、植被、土壤、气候以及人类活动的影响进行综合考虑，从整体出发，通过创新性吸收、修正，多学科交叉与渗透，形成与岩溶地区水土流失特点相适应的土壤侵蚀强度分级、水土流失评价预报方法(模型)等新的理论体系、标准，促进岩溶生态学理论创新。

3.2 新技术与新方法应用

在目前的岩溶区水土流失研究中，传统的地面调查、野外试验(埋桩、建沉砂池等)方法仍有广泛的应用，但随着科技水平的提高，一些新的研究方法和手段逐步被使用，如地质填图新技术、遥感技术的应用，使得区域水土流失调查工作更加简单、准确;同位素示踪技术和岩溶水示踪新技术等也被应用于岩溶地区水土流失研究中，在一定程度上可以进行水土流失量的计算;GIS和数据库的应用，为水土流失研究提供了新平台。

以上新的方法和手段都取得了一定的成果。但是，由于岩溶环境的复杂性和技术的限制，在岩溶区水土流失模拟研究方面进展较慢，目前国内岩溶区水土流失研究中尚未出现完善的水土流失过程模拟。鉴于此，今后应借鉴和利用先进的国内外数字模拟技术、生态过程模拟试验技术、监测与数据传输及处理技术等进行宏观和微观研究。

3.3 研究尺度的转变

从过去只关注局部区域(如坡面、剖面、区段)水土流失，或只关注水土流失过程的某一环节或片段(如土壤冲刷、溅蚀)和影响水土流失的单一因素(如降水、地形)，向重视从微观→流域→区域→全球多尺度结合、多要素综合监测和研究的转变，以剖析水土流失全过程(包括从地表到地下流失的过程)，获得对水土流失发生发展过程或机理的全方位认识。

由于岩溶区条件复杂，因此水土流失在坡面尺度、流域尺度和区域尺度上的规律有很大的不同。目前，对岩溶区水土流失的研究主要集中在坡面尺度上;较大的尺度(流域或区域尺度)研究缺乏基础资料，研究结果无法得到验证;小尺度上的定位观测获取的资料因位置、数量和区域的差异适用性不强。因此，今后的研究应逐步向流域尺度转变，在流域监测过程中把握水土流失过程和规律，同时研究其在不同尺度上的转化和转移。土壤侵蚀预报也要从估算单一坡面(或局部)的水土流失模型，向估算流域尺度(系统)的水土流失模型和向估算区域、全球尺度的水土流失模型转变。

3.4 加强监测研究平台建设和研究数据积累

岩溶区水土流失研究是一个长期的过程，需要大量的监测数据和试验数据的积累，今后工作中要重视与岩溶生态研究基地结合。以流域为单位，建立多尺度的水土流失监测研究和试验平台，形成完善的水土流失监测数据库;为水土流失机理研究提供详细的数据支持，以加深对岩溶区水文过程、水循环方式、水化学作用、岩溶结构对水土流失过程和流失量影响的理解，促进水土流失研究逐步从定性向定量方向发展。

4 今后研究的建议

在今后的研究工作中，应将岩溶动力学理论与方法、地球四大圈层相互作用的思路引入到水土流失机理研究中，以建立完善的水土流失监测研究平台。一是要加强岩溶流域尺度上的岩溶土壤形成机理与成土能力研究;二是要加强水土流失对岩溶地质过程(水文与水动力过程、岩溶地球化学过程、生物地球化学过程)的响应，尤其是地表、地下水土流失过程转换的研究;三是要加强土壤流失形成机理及主要影响因素的监测、定量评价与预报模型建立等的研究，以进一步揭示岩溶地区土壤形成与流失的特殊时空运行规律，为社会经济和环境保护的协调发展提供支持。

［1］袁道先.我国西南岩溶石山的环境地质问题［J］.世界科技研究与发展，1997(5):41－43.

［2］水利部，中国科学院，中国工程院.中国水土流失防治与生态安全:西南岩溶区卷［M］.北京:科学出版社，2010:77－81.

［3］李杰新.亚热带岩溶地区水土流失及治理［J］.中国水土保持，1984(7):5－8.

［4］柴宗新.试论广西岩溶区的土壤侵蚀［J］.山地研究，1989(4):255－260.

［5］蒋有保.广西石灰岩地区水土流失及其治理措施的探讨［J］.水土保持通报，1991，11(3):25 －28.

［6］曹建华，蒋忠诚，杨德生，等.贵州省岩溶区水土流失、石漠化受岩溶环境制约［J］.中国水土保持，2009(1):20－23.

［7］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(5):461－465.

［8］王恒松，熊康宁，刘云.喀斯特区地下水土流失机理研究［J］.中国水土保持，2009(8):11 －14，64.

［9］张信宝，王世杰，贺秀斌，等.碳酸盐岩风化壳中的土壤蠕滑与岩溶坡地的土壤地下漏失［J］.地球与环境，2007(3):202－206.

［10］周念清，李彩霞，江思珉，等.普定岩溶区水土流失与土壤漏失模式研究［J］.水土保持通报，2009，29(1):7－11.

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