喀斯特石漠化地区地下水土流失研究进展与展望

2015-01-27岳坤前顾再柯

中国水土保持 2015年5期

关键词：喀斯特石漠化岩溶

岳坤前，顾再柯，李瑞

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院,贵州贵阳 550001； 2.贵州省水土保持监测站,贵州贵阳 550002)

喀斯特石漠化地区地下水土流失研究进展与展望

岳坤前1，顾再柯2，李瑞2

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院,贵州贵阳 550001； 2.贵州省水土保持监测站,贵州贵阳 550002)

地下水土流失；研究进展；展望；喀斯特石漠化地区

系统回顾了半个世纪以来我国喀斯特石漠化地区地下水土流失的研究进展，分析了20世纪60年代以来相关研究文献的主要内容与地区分布，从技术研究、机理分析、措施建议等方面进行了归纳和总结，对未来的研究进行展望，提出下阶段应重点对地下水土流失进行定量化研究，为探索防治地下水土流失的技术措施和开展地下水土流失防治效益评价奠定基础。

我国喀斯特石漠化地区地下水土流失的研究始于20世纪60年代初期，在此之后的40余年里，国内对喀斯特石漠化地区地下水土流失的研究相对较少。进入21世纪后，喀斯特石漠化地区的地下水土流失日益受到了学者们的关注，他们对该地区地下水土漏失机理进行初步研究，并取得了一些研究成果，为探索喀斯特地区石漠化治理的二元结构体系奠定了较好的研究基础。但喀斯特地区地形结构复杂，地下水土流失具有复杂性、隐蔽性和特殊性，加上监测技术滞后，因此目前还没有有效措施防治地下水土流失，效益评价研究还处于空白阶段，这将严重影响喀斯特石漠化地区水土流失治理的进程。为此，本研究对近半个世纪以来我国喀斯特地区地下水土流失研究进行了系统总结，提出下阶段研究的重点内容，旨在为喀斯特石漠化地区地下水土流失的研究提供帮助。

1 文献获取与论证

以中国知网(CNKI)信息资源总库、外刊资源服务系统、Springer 施普林格数据库、美国国家科学院在线数据库为主要检索来源，以1963—2013年为检索年份，以检索词为“喀斯特地下水土流失”“土壤漏失”进行初次检索，共查得博士论文0篇，硕士论文1篇，期刊文献26篇(中文期刊22篇、外文期刊4篇)，专利1项。从检索得到的研究文献数量年度分布情况看：1963—2007年关于喀斯特地区地下水土流失的研究文献较少；2008年以来，关于地下水土流失的研究文献呈上升趋势，占文献总量的88%。这说明2007年后地下水土流失引起了相关学者的关注。

1.1 文献内容分布

文献内容涉及地下水土流失地质地貌、岩性、气候、土壤、地下水循环等方面的基础理论研究和对地下水土流失技术方面的探讨。关于地下水土流失机理方面的文献共16篇，占文献总量的67%；零星几篇提出运用工程技术、生物技术等措施治理地下水土流失；也有学者运用137Cs和210Pbex双标记核素示踪技术、室内模拟试验对土壤地下漏失进行探索。目前的研究主要集中在机理、监测技术方面，对如何有效防治地下水土流失还没有系统研究成果，对地下水土流失量方面的研究文章只有1篇，但都缺乏连续的数据观测，且研究较浅。

1.2 文献单位和地区分布

在整理的24篇文献中，作者的单位分布在8个省(区)，贵州研究文献居首，其次为广西、四川、上海，说明地下水土流失也引起了非喀斯特地区研究者的关注。

其中22篇中文期刊文献中，有关研究区域的文献共12篇，文献的研究区域大部分集中在贵州和广西，这与西南地区喀斯特石漠化的分布有着密切关系，其余文献以西南地区为主进行总体上的地下水土流失机理分析。目前该领域正趋向于运用先进科学技术对地下水土流失机理进行研究，而如何防治地下水土流失还没有相关的文献。

1.3 研究阶段划分

按照本论文的检索方式，通过研究背景和研究内容将文献划分为两个阶段：2000年以前，地下水土流失引起少数学者的关注，1963年刘志刚对广西都安县土壤侵蚀进行研究时，首次提出了“地下水土流失”；2000年以后国家开始重视生态环境治理，学术界对石漠化的治理展开研究，地下水土流失引起越来越多学者的关注，他们结合石漠化地区的具体情况，分析了地下水土流失地质地貌、气候、土壤等因子，对防治地下水土流失开展了理论探讨，比如植物篱、坡改梯等植物措施和工程措施，但就地下水土流失防治和地下水土流失量占总量的比例估算还需做进一步研究。

2 技术研究

目前对于地下水土流失的监测技术还不够成熟，监测方法主要有137Cs、210Pbex示踪法，137Cs和210Pbex双标记核素示踪技术，室内模拟试验等。

2.1 地下水土流失的研究方法

137Cs是环境中一种重要的放射性同位素，在20世纪60年代初，Menzel[1]首次研究了关于土壤侵蚀和放射性核素沉降运移的关系，之后137Cs被广泛应用于土壤侵蚀研究领域中。魏兴萍等[2]运用137Cs研究表明岩溶区的地下漏失并非到处可见，往往发生在岩石裸露率高、人为干扰强的地区。王克林等[3]得出的环江喀斯特站水库沉积泥沙的137Cs和细颗粒含量(<0.05 mm)的深度分布表明，土壤地下流失产出的泥沙来自深层土壤，基本不含137Cs，计算出喀斯特站小流域地面和地下水土流失的相对贡献率分别为12%和88%，得出土壤流失以“地下过程为主、地表过程为辅”的结论。但由于侵蚀岩溶坡地的土层薄、裸石面积大、壤中碳酸盐颗粒溶蚀等原因，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。

2.2 室内模拟试验

陆冠尧等[4]通过室内模拟不同雨强不同坡度下的人工降雨，35 min后模型中的12个裂隙和漏斗的土壤漏失量呈现两个主要特点：一是体积越大的裂隙、漏斗产生的土壤漏失量反而越小，其主要原因是地表径流进入残留有土壤的裂隙和溶孔时，会把颗粒小的土壤冲走，在长期的雨水作用下，当该裂隙和溶孔进一步溶蚀可连接到溶管或地下河管道时，残留在里面的土壤又继续被水流冲走运移，直到无土可流。二是坡度和雨强对中度石漠化土地土壤漏失量影响不大。其原因主要是随着地下裂隙、漏斗进一步增多，溶蚀扩大，部分漏斗慢慢发育成落水洞、竖井，部分溶管发育成溶洞，土壤直接受重力作用漏失到地下河管道中，地表土壤也通过落水洞、竖井大量进入地下河管道中。

3 机理研究

岩溶的地下水土流失是喀斯特地区一种独特的水土流失方式。唐益群等[5]对贵州普定陈旗小流域的研究结果表明，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；地表降水的大量渗漏为土壤的地下漏失提供了侵蚀的水动力条件；风干的土壤团聚体遇水易崩解，离散出的细粒物质可沿土间孔隙和岩溶裂隙向地下空间迁移；岩溶洞隙内填积的黏土在流水的浸润软化下呈可塑、软塑甚至流塑状，可向其下的溶洞、地下河蠕滑搬运，最终导致地表土壤漏失。王恒松等[6]从西南岩溶区地质地貌、岩性、土壤、地下水循环、生物、气候6个方面进行了探讨，表明只有当这6个自然因素同时处于不利因素时，地下水土流失才有可能发生，其中任何一项因素处于有利状态时，地下水土流失就会减轻或停止。周念清等[7]通过研究普定岩溶区的水土流失与土壤漏失模式，分析了岩溶区水土流失作用机理，建立了水携带土壤漏失与水土流失概念模型，探讨了土壤漏失过程中雨滴溅蚀、坡面侵蚀、落水洞漏失和地下暗河运移过程。

3.1 土壤因子分析

喀斯特地区成土物质主要来源于碳酸盐岩酸不溶物及碳酸盐岩岩层间的薄层泥页岩[8]。在风化溶蚀过程中，大量物质溶解于水而被带走，酸不溶物质的含量一般小于10%，导致喀斯特地区土壤资源稀缺，加之石漠化的形成，加剧了土壤由地表向地下流失。李晋等[9]通过对洞穴土样的分析表明，洞穴土壤颗粒中黏粒含量远高于地表土壤，土壤通过岩溶区特殊的地下流失方式进入洞穴系统，土壤颗粒在地下水土流失过程中最容易被水流带走的是黏粒。袁红等[10]通过研究西南岩溶坡地土壤养分含量对土壤流失的响应特征，分析不同位置土壤剖面的基本理化性质和Mg、Cu、Zn、Mg、Mo、Mn等6种元素的迁移特征，发现这6种营养元素的含量在整个坡体中存在明显的拐点，主要集中在距坡顶15～25 m处，表明岩溶坡地从距坡顶15 m处开始，土壤流失存在明显的地表流失和地下漏失。佘恬钰[11]对贵州普定喀斯特石漠化地区地表土壤的物理力学性质、团聚体稳定性、蠕变特征等进行了一系列的室内试验，并分析了石漠化地区水土漏失的过程。唐益群等[5]以普定县陈旗小流域为例阐明土壤地下漏失的过程和机理，研究认为喀斯特地区特殊的地质环境、地表降水的大量渗漏、风干的土壤团聚体，以及岩溶洞隙内填积的黏土在流水的浸润软化下呈可塑、软塑甚至流塑状是导致地表土壤漏失的主要因素。

3.2 降雨因素分析

杨长春[12]认为碳酸盐岩的地上与地下双层结构与多孔介质特征，造成碳酸盐岩岩层孔隙的“土壤囊”，并且在地下管隙连通地下水系的情况下，降雨过程中径流在管隙中的流动会带走土壤，造成“土壤丢失”现象。胡奕等[13]研究表明，地表径流与降雨强度的变化呈极显著正相关关系，与地下孔(裂)隙度、岩石裸露率的变化均呈负相关；地下孔(裂)隙流与降雨强度、地下孔(裂)隙度和岩石裸露率的变化均呈正相关，但其相关性较弱；随着坡度的增大，地表产流量先增大后减小，而地下孔(裂)隙流则表现为持续减小。

3.3 地质因素分析

喀斯特地区在以挤压为主的中生代燕山构造运动的基础上，叠加了新生代的喜马拉雅升降运动，褶皱和断裂纵横交织，导致岩体结构破碎且节理发育[5]，加之以碳酸盐岩为主，大气降水溶解一定量的CO2而对碳酸盐岩具有很强的溶蚀作用，湿热地区生物作用产生的有机酸使灰岩的溶蚀速率进一步提高，形成喀斯特地区特有的地表—地下二元空间结构，为土壤的地下流失创造了条件。华南地区定量观测结果表明[16]，桂林等地的地表溶蚀速率大致在0.05～0.30 mm/a；由于岩溶作用对地下水动力条件的敏感性，因此在地下水以垂直作用方式为主的地区会出现“土壤丢失”现象[15]。张信宝等[16]认为石质化纯碳酸盐岩坡地可以看作一个布满筛孔的“石头筛子”，溶沟、溶槽和洼地因被土壤堵塞形成形状不一、大小不等的“筛孔”，“筛孔”内的土壤在充填过程中不可避免要磨蚀基岩表面，和化学溶蚀共同作用形成土下光滑的基岩表面。

3.4 植物因素分析

张信宝等[17]提出岩溶坡地的土壤侵蚀是化学溶蚀、重力侵蚀、流水侵蚀共同作用的结果，分析了岩溶坡地土壤地下漏失和土壤石质化的过程，以及植被遭到破坏导致植物根系的网固作用消失，土壤通过地下漏失，充填土下化学溶蚀和管道侵蚀形成的孔隙和孔洞。

4 地下水土流失土壤侵蚀模数

李晋等[18]通过对地下河出口断面的连续定位监测表明，一个水文年小流域随地下河流失的土壤为519.29 kg，初步估算了地下土壤侵蚀模数为0.42 t/(km2·a)，占地表、地下水土流失总量的0.81%。

5 喀斯特地下水土流失防治措施

目前还没有一种有效的方法能够防治地下水土流失。有学者提出针对不同的地形采用相应的保土措施：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蓄水保土效益的灌木，依据洼地、谷地的海拔与地下水位的关系，实施不同的保土措施[16，17，19]；在岩溶区水土流失过程中，抓住水土由地表进入地下的关键部位——漏斗、落水洞和竖井，采取工程措施和生物措施遏制地表土壤颗粒进入地下[20]。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[21]。熊康宁等[22]研究表明土壤通过落水洞、漏斗、竖井等大空间落入地下这种方式可能是危害最大的地下水土流失途径，可在关键部位用工程措施保护，建立一定的植被防护带、防护圈、预防土壤塌陷等。郭红艳等[23]分析了石漠化地区水土地下漏失的危害和作用机制，综述了土壤地下漏失的研究方法，提出了石漠化地区水土地下漏失防大于治的防治措施和建议。

6 问题分析与展望

喀斯特石漠化地区具有独特的地表和地下二元结构，地表呈现峰丛洼地、峰林洼地、峰林溶原等地表景观，地下表现为溶洞、落水洞、竖井等形式，其岩溶管道发育，水土漏失现象严重，形成地表和地下两个土壤侵蚀系统，严重阻碍了喀斯特地区的农业发展，威胁着当地群众的生存发展。由于地下水土流失的隐蔽性和复杂性，使得目前对于地下水土流失机理的研究虽取得了较多成果，但在防治地下水土流失的措施方面仍需要做深入研究。

(1)地下水土流失定量研究问题。2000—2007年关于地下水土流失的研究零星有几篇文章，2007年后逐步呈上升的趋势，主要研究集中在地下水土流失机理方面，研究内容较浅，且缺乏数据支撑。在今后的研究中可加强基础理论数据的研究，弥补地下水土流失基础理论中定量研究的不足。

(2)土壤理化性质对地下水土流失的影响研究。目前，关于喀斯特石漠化地区土壤理化性质对地下水土流失的影响方面还没有相关的报道，在今后的研究中可加强对比分析喀斯特石漠化区地表、地下土壤物理和化学性质的差异。

(3)地下水土流失量反映地表生态环境的演变过程研究。喀斯特石漠化地区生态环境脆弱，特殊的地表、地下二元结构极易造成水土流失，形成石漠化。土壤在漏失过程中受降雨、地质地貌、植被、气候、节理、裂隙等综合因素作用的影响，是造成喀斯特地区生态环境退化的主要原因。在今后的研究中应加强通过喀斯特石漠化地区地下水土流失量的变化反映生态环境演变过程的研究，弥补地下水土流失研究方面的不足，为中国南方喀斯特地区的石漠化治理提供科学参考和依据。

(4)地下水土流失量监测技术滞后。喀斯特石漠化地区山高坡陡、地表崎岖破碎，可溶性碳酸盐岩广泛分布，加之湿热的气候，为地下空间的发育提供了条件。地下空间具有复杂性、隐蔽性和潜在危险性，为地下水土流失的监测工作带来了很大的困难。目前对于地下空间的结构不甚清楚，找出一种科学而有效的地下水土流失监测方法是今后研究工作的重点。

(5)地下水土流失防治问题。由于喀斯特石漠化地区可溶性碳酸盐岩大量分布，裂隙、漏斗、落水洞、溶沟、溶槽发育，土壤浅薄、稀少，岩石中的酸不溶物较低，成土速率极慢，复杂的地形为地表—地下水土流失创造了条件，导致土壤地表和地下流失相互叠加，生态环境恶化，形成石漠化。目前还没有找到一种有效的方式防治地下水土流失，减少水土资源的损失，减小对农业生产的影响，这也将是今后的一个重点研究方向。

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