論黔西北麻窩山巖溶盆地土壤堆積記錄——兼答張信寶先生

吳攀，謝良勝，2

(1．貴州大學資源與環(huán)境工程學院，550003，貴陽;2．貴陽市環(huán)境保護局，550002，貴陽)

論黔西北麻窩山巖溶盆地土壤堆積記錄
——兼答張信寶先生

吳攀1，謝良勝1，2

(1．貴州大學資源與環(huán)境工程學院，550003，貴陽;2．貴陽市環(huán)境保護局，550002，貴陽)

針對張信寶先生用137Cs斷代法計算黔西北麻窩山巖溶盆地土壤沉積速率，以及對謝良勝等研究成果提出的質疑，筆者從黔西北麻窩山巖溶盆地環(huán)境現(xiàn)狀、環(huán)境演變、土壤堆積、137Cs活度等方面進行論述。認為:易地堆積土壤來源的不確定性導致土壤層中137Cs來源復雜，不能根據(jù)其峰值確定沉積年代，但可以作為定性判定土壤侵蝕強度的依據(jù);在資料匱乏和無測站數(shù)據(jù)時，沉積量測量法是盆地型喀斯特山區(qū)土壤侵蝕計算的有效方法;麻窩山特殊的環(huán)境地質條件為喀斯特石漠化系統(tǒng)研究提供理想場所。

巖溶盆地;137Cs活度;土壤堆積;麻窩山

為探討資料較為匱乏的喀斯特山區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)，建立表征石漠化程度的新方法，課題組經多次考察研究和謹慎嚴密推敲，建立了利用“沉積量測量法”計算盆地型喀斯特流域土壤侵蝕模數(shù)的新方法［1］，于2009年6月向《中國水土保持科學》投稿。2009年底在“973”項目年會(南京)上，筆者向大會匯報該研究成果，張信寶先生認為本研究結論與其研究結果不一致，提出質疑。為保證學術嚴謹性，課題組馬上通知《中國水土保持科學》編輯部暫緩發(fā)表該文，隨后，我們在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室對采集的4個沉積剖面樣品的137Cs活度進行測定，測定的數(shù)據(jù)佐證了該方法的正確性，并將研究成果刊發(fā)于《中國水土保持科學》2010年第2期。此后，張信寶先生［2］在《中國水土保持科學》2010年第6期上提出質疑。這里，筆者對黔西北麻窩山巖溶盆地環(huán)境現(xiàn)狀、環(huán)境演變、土壤堆積、137Cs活度等方面的研究進展作全面論述，旨在統(tǒng)一該區(qū)環(huán)境演化問題認識和推動該區(qū)相關環(huán)境問題的研究。

1 麻窩山巖溶盆地及其環(huán)境現(xiàn)狀

為開展“973”項目課題研究，課題組在黔西北的威寧縣一帶考察時發(fā)現(xiàn)極具特色的麻窩山盆地型流域，盆地位置等在文獻［1，3］中已有交代。盆地四周山體基巖裸露，盆地中有大量紅土堆積，山腳巖縫間殘存著明顯的紅黏土痕跡(圖1)，初步判斷盆地中土壤為山上土層流失堆積為主。通過對比該區(qū)域的1∶5萬(迤那 G-48-28-D，1956 年航攝)和1∶1萬(勺戛 G-48-〈47〉，1990 年航攝)地形地質圖，發(fā)現(xiàn)盆地中最低點海拔前者為2 229.0 m，后者為2 234.5 m，前后相差達5.5 m。分析認為，除了測量誤差造成外，這期間盆地最低點海拔差異應該與水土流失引起的土壤堆積有關。此外，該區(qū)不同年代的衛(wèi)星圖片(1988年的 Landsat數(shù)據(jù)與2009年的ALOS數(shù)據(jù))對比顯示，這期間該區(qū)水土流失嚴重，石漠化過程明顯。野外的踏勘過程發(fā)現(xiàn)，該區(qū)出露地層巖石為泥盆紀(D3)白云質灰?guī)r，流域溝壑縱橫，存在多條通往盆地的巨大洪積溝，溝底基巖裸露，溝壁土層松軟坍塌(圖2)，山腳至山坡多處樹根顯露(圖3)，反映該區(qū)土壤侵蝕量巨大。課題組在盆地內布置鉆孔4個和33個淺井，用錘擊法鉆取土芯，總進尺達78 m(4個鉆孔分別為12、16、19和31 m)。取得的土芯剖面分層明顯。上部為典型的紅黏土，與下部的石灰土顏色界線清楚(圖4)，同時下部還發(fā)現(xiàn)有多層貝殼類生物殘骸(圖5)，表明歷史上盆地曾處于湖沼環(huán)境?；诖耍J為麻窩山小流域是研究喀斯特石漠化進程和古氣候演化的理想場所。自2008年7月以來，課題組先后4次對麻窩山地區(qū)進行較大規(guī)模的野外調查和樣品采集工作。

2 麻窩山巖溶盆地環(huán)境演化過程

由于記錄當?shù)丨h(huán)境變化文獻資料的匱乏，對近50年來盆地周邊生態(tài)環(huán)境變化主要采用走訪調查的方式獲得。當?shù)乩先藢鼛资陙韼r溶盆地環(huán)境變化的記憶是清晰的，通過對當?shù)?0多位50～85歲居民的認真走訪和仔細詢問(音像資料)，該地區(qū)的環(huán)境狀況及其演變過程大致如下。

20世紀70年代以前，盆地處于湖沼環(huán)境，常年積水且水位較深，產魚蝦，僅北部有小部分土地用于耕種。盆地周邊森林植被茂盛，生長有以松樹(Pinus)和刺葉高山櫟(Quercus spinosa David ex Franch，當?shù)鼐用穹Q之為姜子樹)為主的大量喬木與灌木，其中部分的樹木直徑超過80 cm。從盆地內還無法看到山體的覆蓋土壤，見不到巖體裸露。

1970年左右，當?shù)厣a隊組織村民在盆地南部(吳家老包)利用3年時間打通1條高2 m、寬1 m、長約900 m的泄流洞將盆地內湖沼水排出，并在盆地內開始耕種，山上的植被依然茂盛，無明顯變化。

20世紀70年代后期至80年代初，特別是實行土地家庭聯(lián)產承包制后，當?shù)鼐用翊罅靠撤ブ車缴系臉淠臼壑僚R近的云南省昭通縣。由于當?shù)厣a隊管理松懈，未對亂砍亂伐行為進行制止，致使在隨后的2～3年內粗壯樹木幾乎被砍伐殆盡，山上只剩下多以直徑5 cm(手腕粗——當?shù)乩先丝谑?左右為主的樹木。由于植被覆蓋度的急劇減小，山體和巖石逐漸裸露，流域內大量表土隨降雨從盆地周邊的沖溝匯入盆地內。據(jù)當?shù)卮迕窕貞?，降水量較大時，流失土壤在沖溝底部的堆積高度可齊胸(超過1 m)。隨后的幾十年里，村民不斷砍伐開荒、挖掘山上所剩的樹根和草根，導致植被完全破壞，山上基巖逐步暴露直至今天的現(xiàn)狀。

進入21世紀以來，隨著退耕還林和坡改梯工程的實施，對減緩當?shù)厮亮魇Ш途徑馐M程起到一定的積極作用。

3 137Cs活度及其指示意義

基于張信寶先生［2］利用137Cs數(shù)據(jù)(1個剖面，137Cs峰值活度位于深度40 cm處)對我們的研究提出了質疑，在此就這一問題進行詳細討論。

大氣核試驗和核泄漏產生的137Cs進入大氣層后，經過一定的滯留期均勻沉降到地表［4］。根據(jù)137Cs沉降規(guī)律，1954—1986年共有 4次沉降峰值［5］，其對應的年份分別為 1954、1959、1964 和1986年。137Cs一旦與土壤接觸就會被土壤顆粒強烈吸附并固定，導致其含量在沉積土壤剖面不同深度界限明顯，可以根據(jù)其活度變化定量分析土壤沉積速率［6］，亦可通過土壤中137Cs值與本底值的變化程度推斷土壤流失量［5］;但是，應用137Cs法研究土壤侵蝕存在一定局限性［7］，即在短期內有片狀和大面積表土流失的土壤中，由于發(fā)生土壤易地堆積，導致土壤原層序錯亂，不宜再用其進行土壤沉積速率的 定量研究。

我們對所采集的4個剖面上部土壤樣品的137Cs活度進行了測試(采用美國CABERRA公司S-100多道能譜儀測定)，結果表明，4個剖面中從地表到222 cm處的不同深度均不連續(xù)地測出137Cs。由于采樣條件限制，每個樣品代表的深度不一致，最短的為25 cm，最長的達到87 cm。在剖面WM-1中的100～125和150～175 cm處檢出137Cs，分別為2.0和4.2Bq/kg;WM-2剖面中的20～107和147～188 cm處檢出137Cs，分別為2.4和3.8 Bq/kg;剖面 WM-3中檢出的137Cs分布最深，分別在149～187和187～222 cm處檢測到137Cs，分別為2.9和1.3 Bq/kg;而剖面WM-4中僅在0～40 cm處能檢出活度為4.8 Bq/kg的137Cs，其余樣品均低于檢測限(圖6)。

由于研究區(qū)水土流失嚴重，流域地形地貌差異以及植被狀況不同，土壤侵蝕程度和過程存在較大差異。研究區(qū)盆地堆積土層中137Cs的可能來源有:一是原地沉降;二是在土壤侵蝕過程中，從流域其他地方伴隨水土流失帶來的易地堆積，也有可能是二者的疊加。盆地內4個剖面中檢測出137Cs活度的深度變化差異非常大。筆者認為:正是流域土壤侵蝕導致盆地堆積土壤層序錯亂，無法判斷其中的137Cs來源是原地沉降，還是來源于易地堆積，或是二者疊加;因此，該區(qū)不適宜用137Cs活度對盆地堆積的土壤進行斷代?；谏鲜鰧β楦C山巖溶盆地環(huán)境演化過程的調查和鉆孔(淺井)揭示的現(xiàn)象，我們在建立沉積量測量法計算盆地型喀斯特流域土壤侵蝕模數(shù)時，認為盆地水土流失加劇應該從土地家庭聯(lián)產承包制(1980年)開始的推斷更為合理。事實上，剖面中137Cs峰值出現(xiàn)的剖面深度可定性地說明，有137Cs沉降以來盆地內土壤的堆積量是很大的，這也正好支持我們用沉積量測量法［1］計算的侵蝕土壤堆積厚度(平均1.33 m)。

圖6 堆積土壤剖面137Cs深度分布Fig．6 137Cs contents at different depth of sediment in the Mawoshan Karst Basin

4 麻窩山巖溶盆地研究意義及展望

有關麻窩山巖溶盆地剖面的相關地球化學研究［3，8-9］顯示，麻窩山巖溶盆地是西南喀斯特石漠化生態(tài)環(huán)境研究的典型代表。

在短時間尺度上，人為擾動是導致該區(qū)石漠化的主因，盆地的堆積土壤記錄著石漠化過程中人類活動和自然環(huán)境變化的相關信息，通過對堆積土壤進行系統(tǒng)研究可以對石漠化過程進行反演，從而為更加深入研究石漠化成因和環(huán)境響應提供依據(jù)。研究盆地中土壤堆積量可以揭示人類擾動與石漠化進程的關系，通過與137Cs示蹤法及其他水土流失計算方法比較，沉積量測量法可以簡捷而較為準確地計算土壤堆積量。研究盆地堆積土壤與山脊殘留土壤的地球化學行為可以揭示石漠化地區(qū)人類活動帶來的地球化學響應。結合多年的水文、氣象及社會經濟狀況資料，對山脊上優(yōu)勢樹種適生條件的研究，可為周邊及類似石漠化地區(qū)的生態(tài)修復提供借鑒。

在長時間尺度上，通過盆地中湖沼沉積物(鉆孔土芯)的元素地球化學研究、14C同位素以及孢粉分析等研究，可以較為準確地推演當?shù)氐墓艢夂颦h(huán)境，特別是第四紀以來的氣候及環(huán)境演化;通過湖泊沉積物中特征元素的變化還可以推演周邊人類活動情況;通過湖沼沉積物與基巖的相關性研究，可以嘗試找到成巖作用與風化作用的相關地球化學信息，等等:因此，對該巖溶盆地的研究在地學和環(huán)境學界必將具有重要的學術意義。

5 結論

重度石漠化地區(qū)麻窩山流域土壤侵蝕嚴重，水土流失后大量表土被搬運到盆地中堆積，易地擾動非常大，土壤堆積層序與源區(qū)剖面層序顛倒錯位。差異侵蝕造成易地堆積土壤137Cs來源復雜，不能根據(jù)其活度峰值判斷其沉積年代，也不能作為定量計算土壤侵蝕速率的依據(jù);但可以作為定性判定土壤侵蝕強度的依據(jù)。作為研究成果之一的沉積量測量法，則是無資料數(shù)據(jù)和測站數(shù)據(jù)時盆地型喀斯特山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)計算的重要方法。無疑，麻窩山特殊的環(huán)境地質條件為喀斯特石漠化系統(tǒng)研究提供理想場所。

［1］謝良勝，吳攀，顧尚義，等．盆地型喀斯特流域土壤侵蝕模數(shù)的沉積量測量法［J］．中國水土保持科學，2010，8(2):20-23

［2］張信寶．黔西北麻窩山巖溶盆地沉積物斷代的質疑［J］．中國水土保持科學，2010，8(6):93-94

［3］謝良勝，吳攀，顧尚義，等．喀斯特山區(qū)紅黏土在石漠化過程中的侵蝕與堆積記錄:以烏蒙山脈麻窩山流域為例［J］．中國水土保持，2010(4):47-50

［4］鄭永春，王世杰．137Cs的土壤地球化學及其侵蝕示蹤意義［J］．水土保持學報，2002，16(2):57-60

［5］王宇飛，濮勵杰．137Cs應用于我國土壤侵蝕研究評述［J］．南京大學學報:自然科學版，2002，38(6):803-812

［6］Owens P N，Walling D E，He Q．The behaviour of bomb-derived caesium-137 fallout in catchment soils［J］．Journal of Environmental Radioactivity，1996，32(3):169-191

［7］魏彥昌，歐陽志云，苗鴻，等．放射性核素137Cs在土壤侵蝕研究中的應用［J］．干旱地區(qū)農業(yè)研究，2006，24(3):200-206

［8］曹振興．貴州威寧麻窩山巖溶盆地剖面中記錄的環(huán)境信息研究［D］．貴陽:貴州大學，2011

［9］葛佳杰．喀斯特石漠化過程的土壤堆積記錄研究:以威寧麻窩山為例［D］．貴陽:貴州大學，2011

Recording of soil sediment in the Mawoshan Karst Basin of Northwest Guizhou Province

Wu Pan1，Xie Liangsheng1，2
(1．College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，550003，Guiyang;2．Guiyang Environmental Protection Agency，550002，Guiyang:China)

According to the average sediment accumulation rate calculated by Zhang Xinbao with137Cs dating method as well as doubt on the research results of Xie Liansheng etc．the basin environmental status，environmental evolution，soil sediment，137Cs activity in the Mawoshan Karst Basin of the Northwest Guizhou were represented and discussed again．The results indicated that the uncertainty of source of soil accumulation resulted in complex137Cs sources in soil layer．The peak value of137Cs could not be used to determine the deposition time，but it may be used as a qualitative criterion of soil erosion intensity．Measuring sediment is an available method to calculate the basin soil erosion in Karst mountainous area when there is no station data and lack of detailed information．Mawoshan Karst Basin with special environmental geological conditions is an ideal location for the studies on Karst rocky desertification．

Karst basin;137Cs activity;soil sediment;Mawoshan

2011-08-14

2011-09-30

項目名稱:國家“973”計劃項目課題“碳酸鹽巖風化的生物地球化學過程與成土速率”(2006CB403202)

吳攀(1973—)，男，教授，博士生導師。主要研究方向:環(huán)境地球化學。E-mail:pwu@gzu．edu．cn

(責任編輯:程 云)