典型岩溶峰丛洼地水土保持技术研究

罗为群，蒋忠诚，欧阳然，李衍青

(中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部岩溶动力学重点实验室/中国地质科学院岩溶生态系统与石漠化治理重点开放实验室，广西桂林 541004)

岩溶峰丛洼地是我国西南岩溶区石漠化最严重、最典型的区域之一，总面积约12.5万km2，其水土流失非常严重，且具有特殊性、复杂性和隐蔽性［1］，除了坡面侵蚀外，水土还通过裂隙或落水洞向地下空间流失［2］，以致非岩溶区原有的各项水土保持工程及生物措施不适宜岩溶区［3］。针对岩溶区水土流失的特点及流失途径，研发适宜于岩溶区不同地貌部位、不同环境条件的水土保持生物与工程技术，对促进西南岩溶地区的石漠化综合治理和水土保持工作具有非常重要的意义。近年来，一些学者对岩溶区水土地下漏失过程进行了探讨［2，4，5］，但未提出系统有效的水土保持防治技术。

我们以广西平果县果化生态重建示范区为例，以野外调查和监测资料为依据，在分析典型岩溶峰丛洼地水土流失过程与特点的基础上，针对示范区内石漠化与水土流失等生态环境问题开展了系统的治理试验与示范研究，通过近10年的治理示范，研发了适宜于岩溶峰丛洼地的水土保持技术，旨在为我国西南岩溶区的石漠化及水土流失综合防治提供依据。

1 研究区概况

果化示范区位于广西平果县果化镇210°方向5 km 处，地理坐标为北纬 23°22'30″—23°24'32″，东经107°22'30″—107°24'47″，面积约 2 km2，属于典型的岩溶峰丛洼地地貌，以布尧村龙何屯为核心，共有35个弄。该区属南亚热带季风气候区，热量丰富，雨量充沛，多年平均降水量1 322.3 mm，降水年内分布极不均匀，春雨不足、夏多暴雨，5—9月为丰水期，降水量占全年的65%，最大日降雨量超过112 mm。地层主要为石炭系上统(C3)和二叠系下统栖霞阶(P1q)，岩石主要为纯石灰岩和硅质灰岩。岩溶发育强烈，表层溶沟、溶槽、浅部溶隙、溶孔、溶穴、溶痕及石芽等发育，洼地发育较多落水洞、竖井、天窗，饱水带多发育岩溶管道、岩溶裂隙。治理前，示范区生态环境的突出特点是:岩石裸露，石漠化及水土流失严重，旱涝灾害频繁;地表、地下双层空间的水土流失具特殊性、复杂性和隐蔽性，常堵塞地下排水通道，内涝灾害严重;水土资源缺乏，地表漏水严重，土壤瘠薄，分布不连续，多裸岩间隔，坡面土壤斑块厚度小于20 cm;土地利用结构不合理，农业产业结构单一;耕地资源严重不足，耕地质量差，以坡耕地、乱石缝地、石旮旯地为主，地块零碎，石芽遍布，平均裸岩率达41.7%;居民贫困，生态环境脆弱，植被覆盖率不足10%，森林覆盖率不足1%，资源利用率极低［6］。

2 岩溶峰丛洼地水土流失的特殊过程

2.1 水土流失以地下漏失为主

果化示范区土壤流失是化学溶蚀、重力侵蚀、地下径流侵蚀、壤中流侵蚀和地表径流侵蚀综合作用的结果，不同地貌部位各侵蚀类型的表现形式和强度差异较大［7］。在坡面上，不管是灌草坡还是耕地，土壤流失均以地下漏失为主，地下漏失量占70%以上;洼地底部土壤流失以地表流失为主，但是最终通过落水洞转成地下河管道流失，成为堵塞地下河管道的主要泥沙来源，如果不计算由地下河管道口流出的泥沙，那么洼地土壤地下漏失量即为100%。

2.2 水土流失的过程特殊

水土流失包括水的流失和土壤的流失，岩溶峰丛洼地土壤的流失主要是在水动力的作用下随水的流动而流失。石漠化的存在导致降雨进入地表后的运移途径、运移强度、运移水量产生了骤变，水的流失以及土壤流失的水载体动能也随之突变［8］，加剧了水土流失的发生强度以及地下漏失。

果化示范区岩溶强烈发育，石漠化严重，水土流失过程主要受控于地表地下岩溶的发育形态、基岩裸露率及岩石+土壤斑块组合特征、强降雨条件下产生的地表地下双层空间多向径流，按照尺度大小，将岩溶峰丛洼地流域系统水土流失过程划分成:岩+土组合微地貌单元水土流失—坡面与岩溶泉域水土流失—洼地水土流失—岩溶地下河流域系统水土流失。

岩溶石漠化区微地貌单元主要表现为土壤斑块与裸露岩石微观岩溶形态组合，水土流失的主要过程包括:垂向基岩孔隙裂隙流漏失、岩面产流冲蚀、表土面产流侵蚀、土壤干裂流失、岩土接触面流失、壤中流侵蚀、小管道流流失、崩解及塌陷流失。峰丛坡面水土流失过程主要包括:基岩孔隙裂隙垂向流失、基岩孔隙裂隙侧向流失、超渗产流侧向流失、表层岩溶泉侧向流失、上游坡面汇流冲蚀、滑坡侵蚀。洼地土被覆盖相对较连续，大多被改造成耕地，水土流失过程主要包括:坡面地表径流和表层岩溶带排泄径流汇入的沟蚀过程、地表超渗径流面蚀、落水洞侵蚀和壤中流侵蚀过程。石漠化发生后，土壤物理性质遭破坏，各流失过程水流的速度和强度剧增，不仅导致降水的快速流失和强烈侵蚀坡面土壤向地下漏失，而且大量坡面径流快速向洼地汇集，冲蚀洼地表层土壤经落水洞向地下河漏失，并在洼地产生岩面径流侵蚀和基岩孔隙裂隙流侵蚀，侵蚀强度随石漠化的加剧而增强。水土流失通过峰丛坡面、洼地及落水洞直接进入地下河，地下河管道空间相对较大且坡降较小，加上地下河管道空间发育的瓶颈作用，流速不断减小，水土在地下河管道中运移和沉积，其主要流失过程包括落水洞漏失、管道流失、管道沉积和地下河出口排泄流失。

3 岩溶峰丛洼地水土保持技术研究

将水土保持与石漠化的综合防治相结合，以水土资源的有效保护和充分合理利用为原则，因地制宜开展植物篱、坡面梯化、水源林、排水沟等水土保持生物和工程技术试验与示范。

3.1 水土保持林建设技术

3.1.1 总体布局

山顶部位。以发展水源涵养林为主要目标，在封山育林的同时，见缝插针，采用直播或营养钵种植方式，人工配置多种树种，营造常绿落叶阔叶混交林，并在混交林下部种植灌丛林带，阴性树种与阳性树种混交，形成乔灌草立体群落结构。

陡坡部位。利用石缝中的土壤资源，发展水土保持林。在土壤极缺的严重石漠化坡面，先用客土填充溶沟、溶槽、溶洞，再种植藤本常绿植物，尽量兼顾以采摘花果及嫩芽为主的经济型藤本植物，如金银花、赤苍藤、薜荔等。

缓坡部位。水平方向上，根据坡度大小，在满足种植需要的条件下，间隔一定距离适当留出一定宽度梯地用作灌木林防护缓冲带，主要种植藤本植物或豆科类灌木，构成“绿色篱笆”［9］。其中，大片的裸岩或乱石堆，采用客土填充种植藤本或常绿灌木，营造绿色景观斑块。

洼地或谷地。在落水洞、竖井及天窗周围建设乔灌草缓冲区;在排水沟、截水沟的两侧种植薜荔、银合欢、扶芳藤、木豆、金银花等，或者种植根系发达的多年生牧草，如桂牧1号、菊苣、象草、狼尾草等;洼地或谷地严重石漠化地段或经常受水淹的低洼部位，种植任豆、银合欢等豆科速生树，配套种植牧草(桂牧1号、菊苣、象草、狼尾草等，下同)或藤本灌木，实施牧草+树、藤灌+乔木的立体种植。

3.1.2 植物种类选择

水土保持林应尽量选择乡土种类，乡土种类不能满足要求时，可试种外来物种，应尽量选择常绿匍匐藤本植物。植树种草时需区分阴坡和阳坡，在阳坡、半阳坡选择阳性植物，在阴坡和半阴坡选择耐阴性植物。优先选择水分利用效率高、根系发达的常绿植物和多年生牧草。

3.1.3 技术措施

①水保林的建设以不破坏原有植被为前提;②优先将表层岩溶泉流域系统划分成水源林恢复与保护区，重点发展金银花、赤苍藤、薜荔等藤本植物以覆盖裸露基岩，在此基础上，种植水分利用效率高、调蓄功能强的速生乔灌木;③岩溶峰丛洼地地下漏失严重，为避免种植过程中产生新的水土流失，水保林的建设顺序为牧草—藤本植物—灌、乔木;④水保林建设初期，种植以采集花、果、嫩芽为主的特色经济植物，这样农民易接受，也易推广应用;⑤填充客土前，用浆砌块石堵住缺口和大的裂缝，用粗纤维质有机肥或碎石堵塞小的裂缝;⑥在填充土壤斑块周围基岩面上或裸露基岩与土壤结合部，用小块石浆砌成小截水沟以截留岩面产流;⑦将客土与有机肥混合发酵后填充，其后在土表覆盖草、秸秆、圈肥以及其他粗纤维类有机绿肥或薄膜，防止水土流失;⑧在石缝地或土层较薄的土地上营造水土保持林时，尽量减少动土，可采用营养钵育苗整体种入土壤，或采用种子与发酵后的有机肥、土壤混合物撒播在土层表面，再辅以适量的草、圈肥等覆盖。

3.2 水土保持植物篱技术

3.2.1 薜荔植物篱技术

薜荔俗称凉粉果、木馒头，为桑科常绿攀援或匍匐灌木植物，适宜生长在裸露岩石上，繁殖能力强。示范区耕地经过长期的耕种，当地农民已经将部分耕地改成梯地，但地埂为块石简单垒成，标准低，防治水土流失效果差，易垮塌，地块内部及地块之间常被裸岩或乱石堆间隔，选用当地的乡土种薜荔作植物篱可有效提高原有地埂的蓄水保土能力。具体方法:①采用块石修筑已经垮塌或即将垮塌的地埂，并使地埂高出地块30 cm左右，再在地埂内侧或外侧种植单行薜荔，种植间距20～30 cm，形成匍匐于块石地埂的植物篱笆，2～3年内即可将整个地埂表面覆盖，覆盖后的块石地埂稳固，不易垮塌，且可过滤地表冲出的泥沙，具有较好的水土保持功能;②在单块面积小于1 m2的裸岩周围，紧靠裸岩间隔20～30 cm种植薜荔，几年后可覆盖裸岩，截留降雨和裸岩径流;③对于单块面积大于1 m2的裸岩或乱石堆，在裸岩或乱石堆表面的石缝、溶洞、溶孔等填充0.5 kg左右的土壤，并用少量混凝土砌块石拦住土壤，在填充的土壤中种植1～2棵薜荔，每1 m2的裸岩面种植5～6棵;④沿坡面由下往上间隔10～20 m，沿着等高线方向，采用薜荔或其他常绿藤灌植物篱笆将近等高的地埂薜荔篱笆和裸岩薜荔篱笆相互连接起来，形成地埂薜荔篱+裸岩薜荔篱+地埂薜荔篱、裸岩薜荔篱+裸岩薜荔篱+地埂薜荔篱、裸岩薜荔篱+裸岩薜荔篱等相互连接的复合型薜荔植物篱。这种植物篱成本低，操作简单，农户易接受，薜荔果可制作凉粉及药用，具有较好的生态、经济及社会效益。

3.2.2 裸露石芽植物篱技术

在中度石漠化以上的石旮旯地或裸岩地块，在单块面积小于1 m2的裸岩周围，紧靠裸岩间隔20～30 cm种植红背山麻杆;单块面积大于1 m2的裸岩或乱石堆，除在周围种植红背山麻杆外，在裸露石芽表面的石缝、溶洞、溶孔等填充0.5 kg左右的土壤，并用少量混凝土砌块石拦住土壤，种植红背山麻杆，每1 m2石芽面种植5～6棵;在裸露石芽或石堆的周围土块每间隔60～80 cm，或者在岩石缝、溶洞、溶孔中填客土种植金银花、赤苍藤等藤本植物，种植密度为1 m2石芽裸露面积种植2～3棵。部分农户因观念落后不愿退耕时，可结合当地农户已有的种植习惯，先种植1年生藤本经济作物(如猫豆)，待金银花、赤苍藤等产生经济效益后，以典型样板逐步引导农户改变传统种植模式。在土壤斑块中种植猫豆，雨热同季的夏秋季节，猫豆藤、枝、叶茂盛，正好可覆盖裸岩，能起到截流岩面流和改善环境的作用，加之种植猫豆当年就能见到经济效益，能满足农户的意愿。

3.2.3 砌墙保土地埂植物篱技术

在坡度较缓、面积较大的地块，先按照传统方式坡改梯、砌墙保土、炸石填土，然后在地埂的内侧或外侧，种植单行金银花、赤苍藤等藤本植物，株距80～100 cm;在地埂内外侧种植双行桂牧1号、象草、狼尾草等牧草。

3.2.4 隔坡式植物篱技术

在坡度较陡、梯级较多、采用块石垒砌的低等级梯形地，在前述地埂薜荔植物篱的基础上，沿坡面向下，每隔10～20 m选择相对狭窄的地块，沿等高线方向种植牧草、金银花等植物，形成条带状植物篱笆。

3.3 土+石组合微地貌单元水土保持技术

示范区石漠化及水土流失严重，土壤不连续分布，被裸岩间隔，导致整个峰丛坡面被分割成了许多大大小小的土壤斑块+裸露岩石组合微地貌单元，每个地貌单元与地下表层岩溶带介质空间组合成了一个相对独立的微型水文地质单元，其水土流失及石漠化的有效防治，主要是针对土壤斑块+裸露岩石组合微地貌单元水土流失的途径(如图1)采取相应的水土保持措施。①对于岩面产流冲蚀，主要采取种植常绿藤本植物覆盖裸岩，截留降雨，或者直接清除裸露石芽，或者沿裸岩周围近土石结合部用浆砌块石建小截流沟拦蓄岩面产流，根据裸岩汇水面积大小，截流沟可设计为内径10～20 cm、沟壁厚5～10 cm;②对于岩土接触面产流和壤中流流失，主要是采取改良土壤、清除石芽以及改善周围小气候环境，改善土壤团粒结构和防治土壤受水热骤变;③对于裂隙流流失及干裂流失，主要是改进种植结构，尽量种植多年生根系发达的植物，少耕或免耕，减少对土壤的扰动，减少石旮旯地和土层薄土地的地下漏失，同时改良土壤、改善周围小气候环境，避免土壤斑块水分骤变产生干裂;④对于土层相对较厚、土被相对连续、土斑+裸岩组合单元数量少的土地，为有效利用土壤资源，采取炸石、砌墙保土、植物篱、立体种植相结合等方式防治水土流失。

图1 土+石组合微地貌单元水土流失过程及水土保持示意图

通过示范区的对比试验，筛选出了薜荔、赤苍藤、扶芳藤、山麻杆、牧草、金银花等适宜岩溶区土+石组合微地貌单元的水保植物，设计了牧草+金银花、牧草+火龙果、牧草篱、扶芳藤+果、山麻杆+果等微地貌单元生态土地优化利用模式，取得了较好的蓄水保土效果，可向整个西南岩溶石山区推广应用。

3.4 坡面植物梯化种植技术

示范区水土流失过程特殊、复杂，常规坡改梯和砌墙保土等工程措施在峰丛坡面已经不适宜，甚至可能导致新的水土流失。因此，我们依据果化示范区峰丛坡面的水土流失特征，研发了峰丛坡面植物梯化种植技术，以实现水土资源的有效保护和可持续利用。

3.4.1 坡面牧草+金银花梯化种植技术

示范区坡面土壤分布不连续，常被裸露石芽间隔。为充分合理利用土壤斑块中的水土资源，减少岩石裸露，改善植被+土壤+岩石组合的生态环境，可采用牧草+金银花组合的坡面梯化种植模式(图2):金银花靠土壤斑块的外侧单行种植，内侧种植牧草。利用金银花发达的根系拦水固土和半常绿的匍匐藤覆盖土壤斑块外侧裸露岩石，改善岩面小气候环境，减少岩面径流对岩面土壤颗粒和土壤斑块的冲蚀，促进岩面地衣、藻类、苔藓、蕨类等植物群落的发育，种植3年以上的金银花就可以获得良好的经济效益。土壤斑块内侧种植牧草，一方面可以起到蓄水保土、改良土壤的作用;另一方面，通过牧草+畜+沼气+沼肥循环经济利用模式，当年就可获得良好的经济效益，能弥补金银花短期不产生经济效益的缺憾，从而实现生态、经济效益的互补和整体效益的逐步提高，农民易接受，易在整个岩溶区推广。

3.4.2 坡面牧草+火龙果梯化种植技术

火龙果在果化示范区种植取得了良好的经济效益，而且火龙果耐旱、耐瘠薄，种植技术简单，农民易掌握，当地农民种植意愿强。但是在石漠化严重的石缝地上种植，常因夏季中午裸岩升温过高而影响火龙果产量。为了获得好的生态、经济效益，在中度石漠化及以下的坡面上，设计火龙果+牧草组合种植模式(图3)，火龙果单行种植在土壤斑块内侧，外侧种植牧草，如桂牧1号、菊苣等。

图2 岩溶坡面金银花与牧草梯化种植技术

图3 岩溶坡面火龙果与牧草梯化种植技术

利用内侧裸岩作为火龙果攀岩的支撑，3年后火龙果可挂果，此时火龙果的枝条刚好对内侧裸岩起到较好的遮荫覆盖和截留降雨作用，外侧的多年生牧草不仅当年可以获得良好的经济效益，而且具有较好的蓄水保土作用，与火龙果一起改善周围的小气候环境，缓解周围裸岩温湿度骤变，促进岩面地衣、藻类、苔藓、蕨类等植物群落的发育，增强表层岩溶带调蓄水资源的能力［10］，同时实现火龙果的高产，从而获得较好的生态、经济以及社会效益。

3.5 洼地水土保持技术

洼地是峰丛洼地最好的土地，但由于岩溶强烈发育，土被通常也被裸露石芽分割，厚薄分布极不均匀，地块坑洼不平，而且面积有限，长期耕种玉米，经济效益不高，易使土壤肥力低下，导致水土流失。为了充分合理利用洼地仅有的土壤资源，必须采取适宜的水土保持工程和生物措施。为此，在果化示范区研发了洼地整地种植火龙果技术［6］(图4)，该项技术的核心主要包括:平整洼地地块;清除地块内零碎的裸露石芽;充分利用裸石资源，浆砌成柱，用作火龙果的攀岩体或地埂;对于相对低洼的地块或者因清除石芽而导致的石坑，采用客土回填;改良土壤;火龙果与牧草、火龙果与蔬菜(或者花生)等立体种植。在洼地四周建截水沟或者营造灌草防护带，同时以生态原则设计浆砌石草埂、浆砌石灌木埂、排水沟及灌草防护带，将水土资源保留在原地，减少向洼地中落水洞的输移，从而有效保持水土。

图4 洼地整地火龙果立体种植模式

4 应用效果

2002 年以来，在“十五”国家科技攻关课题“岩溶峰丛洼地生态重建技术与示范”、“十一五”国家科技支撑计划课题“喀斯特峰丛山地脆弱生态系统重建技术研究”等相关项目的资助下，通过以上一系列水土保持生物与工程技术的实施，经过近8年的治理示范，至2010年，果化示范区的生态环境显著改善，资源利用率和生产率得到提高，植被覆盖率由原来的不足10%提高到70%以上，土壤侵蚀模数下降了50%，水土流失综合治理程度达到了85%以上，石漠化得到了遏制。土地单位面积产值提高了10～20倍，节约水肥50%，年人均收入提高了20%。火龙果园直接经济效益可以达到7.5万～10.5万元/hm2，典型示范户火龙果与蔬菜(或花生)等立体种植第4年年产值可达到16.5万元/hm2。农业生产条件全面改善，水土资源得到了合理高效的利用，土地利用结构以多种形式的农林复合种植模式为主，形成了以火龙果为龙头的附加药材、种草养殖等生态农业产业链，农民逐步摆脱贫困，有的还走上了致富之路。示范区的成功经验已经向周边县辐射推广，成为我国西南岩溶区生态恢复、水土保持、土地整理等生态建设的典型样板。

5 讨论与结论

(1)岩溶峰丛洼地水土流失主要受控于表层岩溶带水文地质结构、地表岩溶形态发育特征、基岩裸露率、岩石+土壤斑块组合特征、降雨以及人为活动干扰，水土流失过程特殊、复杂，以地下漏失为主，非岩溶区原有的各项水土保持技术措施的许多环节已经不适宜，甚至会造成新的水土流失。

(2)岩溶峰丛洼地水土流失的特殊性，决定了治理措施必须针对不同地貌部位水文地质结构、岩+土组合特征以及水土流失的主要途径和特点，采取针对性的生物与工程技术，截断地表、地下流失的主要途径，过滤泥沙，发展水土保持水源林，改良土壤，以提高其调蓄水资源和保持水土的能力。

(3)岩溶峰丛洼地水土保持必须结合石漠化综合防治，以水土资源的有效保护和充分合理利用为原则，以生物措施为主，辅以相应的、小型分散的工程措施，兼顾生态、经济效益，因地制宜地开展试验与示范。根据不同土地类型情况，依据充分合理利用水、土、石资源以及改善生态环境的原则进行，主要有水源林、植物篱、截流沟、坡改梯、炸石、砌墙保土、客土整地等措施。

(4)通过试验与示范，研发了岩溶峰丛洼地适宜的水土保持技术体系，包括:峰丛洼地不同地貌部位的水土保持林建设技术、薜荔植物篱技术、裸露石芽植物篱技术、砌墙保土地埂植物篱技术、隔坡式植物篱技术、土+石组合微地貌单元水土保持技术、坡面植物梯化技术、洼地整地种植火龙果技术等。

(5)岩溶峰丛洼地水土保持技术在果化生态重建示范区的应用，取得了较好的生态、经济和社会效益，为我国西南岩溶区石漠化及水土流失的综合防治提供了科技支撑和典型样板。

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