喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失研究進(jìn)展與展望

岳坤前，顧再柯，李 瑞

(1.貴州師范大學(xué) 中國南方喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001； 2.貴州省水土保持監(jiān)測站,貴州 貴陽 550002)

喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失研究進(jìn)展與展望

岳坤前1，顧再柯2，李 瑞2

(1.貴州師范大學(xué) 中國南方喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001； 2.貴州省水土保持監(jiān)測站,貴州 貴陽 550002)

地下水土流失；研究進(jìn)展；展望；喀斯特石漠化地區(qū)

系統(tǒng)回顧了半個世紀(jì)以來我國喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失的研究進(jìn)展，分析了20世紀(jì)60年代以來相關(guān)研究文獻(xiàn)的主要內(nèi)容與地區(qū)分布，從技術(shù)研究、機(jī)理分析、措施建議等方面進(jìn)行了歸納和總結(jié)，對未來的研究進(jìn)行展望，提出下階段應(yīng)重點(diǎn)對地下水土流失進(jìn)行定量化研究，為探索防治地下水土流失的技術(shù)措施和開展地下水土流失防治效益評價奠定基礎(chǔ)。

我國喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失的研究始于20世紀(jì)60年代初期，在此之后的40余年里，國內(nèi)對喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失的研究相對較少。進(jìn)入21世紀(jì)后，喀斯特石漠化地區(qū)的地下水土流失日益受到了學(xué)者們的關(guān)注，他們對該地區(qū)地下水土漏失機(jī)理進(jìn)行初步研究，并取得了一些研究成果，為探索喀斯特地區(qū)石漠化治理的二元結(jié)構(gòu)體系奠定了較好的研究基礎(chǔ)。但喀斯特地區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下水土流失具有復(fù)雜性、隱蔽性和特殊性，加上監(jiān)測技術(shù)滯后，因此目前還沒有有效措施防治地下水土流失，效益評價研究還處于空白階段，這將嚴(yán)重影響喀斯特石漠化地區(qū)水土流失治理的進(jìn)程。為此，本研究對近半個世紀(jì)以來我國喀斯特地區(qū)地下水土流失研究進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，提出下階段研究的重點(diǎn)內(nèi)容，旨在為喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失的研究提供幫助。

1 文獻(xiàn)獲取與論證

以中國知網(wǎng)(CNKI)信息資源總庫、外刊資源服務(wù)系統(tǒng)、Springer 施普林格數(shù)據(jù)庫、美國國家科學(xué)院在線數(shù)據(jù)庫為主要檢索來源，以1963—2013年為檢索年份，以檢索詞為“喀斯特地下水土流失”“土壤漏失”進(jìn)行初次檢索，共查得博士論文0篇，碩士論文1篇，期刊文獻(xiàn)26篇(中文期刊22篇、外文期刊4篇)，專利1項(xiàng)。從檢索得到的研究文獻(xiàn)數(shù)量年度分布情況看：1963—2007年關(guān)于喀斯特地區(qū)地下水土流失的研究文獻(xiàn)較少；2008年以來，關(guān)于地下水土流失的研究文獻(xiàn)呈上升趨勢，占文獻(xiàn)總量的88%。這說明2007年后地下水土流失引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。

1.1 文獻(xiàn)內(nèi)容分布

文獻(xiàn)內(nèi)容涉及地下水土流失地質(zhì)地貌、巖性、氣候、土壤、地下水循環(huán)等方面的基礎(chǔ)理論研究和對地下水土流失技術(shù)方面的探討。關(guān)于地下水土流失機(jī)理方面的文獻(xiàn)共16篇，占文獻(xiàn)總量的67%；零星幾篇提出運(yùn)用工程技術(shù)、生物技術(shù)等措施治理地下水土流失；也有學(xué)者運(yùn)用137Cs和210Pbex雙標(biāo)記核素示蹤技術(shù)、室內(nèi)模擬試驗(yàn)對土壤地下漏失進(jìn)行探索。目前的研究主要集中在機(jī)理、監(jiān)測技術(shù)方面，對如何有效防治地下水土流失還沒有系統(tǒng)研究成果，對地下水土流失量方面的研究文章只有1篇，但都缺乏連續(xù)的數(shù)據(jù)觀測，且研究較淺。

1.2 文獻(xiàn)單位和地區(qū)分布

在整理的24篇文獻(xiàn)中，作者的單位分布在8個省(區(qū))，貴州研究文獻(xiàn)居首，其次為廣西、四川、上海，說明地下水土流失也引起了非喀斯特地區(qū)研究者的關(guān)注。

其中22篇中文期刊文獻(xiàn)中，有關(guān)研究區(qū)域的文獻(xiàn)共12篇，文獻(xiàn)的研究區(qū)域大部分集中在貴州和廣西，這與西南地區(qū)喀斯特石漠化的分布有著密切關(guān)系，其余文獻(xiàn)以西南地區(qū)為主進(jìn)行總體上的地下水土流失機(jī)理分析。目前該領(lǐng)域正趨向于運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)對地下水土流失機(jī)理進(jìn)行研究，而如何防治地下水土流失還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)。

1.3 研究階段劃分

按照本論文的檢索方式，通過研究背景和研究內(nèi)容將文獻(xiàn)劃分為兩個階段：2000年以前，地下水土流失引起少數(shù)學(xué)者的關(guān)注，1963年劉志剛對廣西都安縣土壤侵蝕進(jìn)行研究時，首次提出了“地下水土流失”；2000年以后國家開始重視生態(tài)環(huán)境治理，學(xué)術(shù)界對石漠化的治理展開研究，地下水土流失引起越來越多學(xué)者的關(guān)注，他們結(jié)合石漠化地區(qū)的具體情況，分析了地下水土流失地質(zhì)地貌、氣候、土壤等因子，對防治地下水土流失開展了理論探討，比如植物籬、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總量的比例估算還需做進(jìn)一步研究。

2 技術(shù)研究

目前對于地下水土流失的監(jiān)測技術(shù)還不夠成熟，監(jiān)測方法主要有137Cs、210Pbex示蹤法，137Cs和210Pbex雙標(biāo)記核素示蹤技術(shù)，室內(nèi)模擬試驗(yàn)等。

2.1 地下水土流失的研究方法

137Cs是環(huán)境中一種重要的放射性同位素，在20世紀(jì)60年代初，Menzel[1]首次研究了關(guān)于土壤侵蝕和放射性核素沉降運(yùn)移的關(guān)系，之后137Cs被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕研究領(lǐng)域中。魏興萍等[2]運(yùn)用137Cs研究表明巖溶區(qū)的地下漏失并非到處可見，往往發(fā)生在巖石裸露率高、人為干擾強(qiáng)的地區(qū)。王克林等[3]得出的環(huán)江喀斯特站水庫沉積泥沙的137Cs和細(xì)顆粒含量(<0.05 mm)的深度分布表明，土壤地下流失產(chǎn)出的泥沙來自深層土壤，基本不含137Cs，計(jì)算出喀斯特站小流域地面和地下水土流失的相對貢獻(xiàn)率分別為12%和88%，得出土壤流失以“地下過程為主、地表過程為輔”的結(jié)論。但由于侵蝕巖溶坡地的土層薄、裸石面積大、壤中碳酸鹽顆粒溶蝕等原因，巖溶坡地土壤的137Cs 流失未必完全是坡地地表流水侵蝕與泥沙流失的結(jié)果，因此不宜用現(xiàn)行的137Cs 示蹤方法測定巖溶坡地的土壤流失量。

2.2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

陸冠堯等[4]通過室內(nèi)模擬不同雨強(qiáng)不同坡度下的人工降雨，35 min后模型中的12個裂隙和漏斗的土壤漏失量呈現(xiàn)兩個主要特點(diǎn)：一是體積越大的裂隙、漏斗產(chǎn)生的土壤漏失量反而越小，其主要原因是地表徑流進(jìn)入殘留有土壤的裂隙和溶孔時，會把顆粒小的土壤沖走，在長期的雨水作用下，當(dāng)該裂隙和溶孔進(jìn)一步溶蝕可連接到溶管或地下河管道時，殘留在里面的土壤又繼續(xù)被水流沖走運(yùn)移，直到無土可流。二是坡度和雨強(qiáng)對中度石漠化土地土壤漏失量影響不大。其原因主要是隨著地下裂隙、漏斗進(jìn)一步增多，溶蝕擴(kuò)大，部分漏斗慢慢發(fā)育成落水洞、豎井，部分溶管發(fā)育成溶洞，土壤直接受重力作用漏失到地下河管道中，地表土壤也通過落水洞、豎井大量進(jìn)入地下河管道中。

3 機(jī)理研究

巖溶的地下水土流失是喀斯特地區(qū)一種獨(dú)特的水土流失方式。唐益群等[5]對貴州普定陳旗小流域的研究結(jié)果表明，喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境為土壤的地下漏失創(chuàng)造了有利的空間條件；地表降水的大量滲漏為土壤的地下漏失提供了侵蝕的水動力條件；風(fēng)干的土壤團(tuán)聚體遇水易崩解，離散出的細(xì)粒物質(zhì)可沿土間孔隙和巖溶裂隙向地下空間遷移；巖溶洞隙內(nèi)填積的黏土在流水的浸潤軟化下呈可塑、軟塑甚至流塑狀，可向其下的溶洞、地下河蠕滑搬運(yùn)，最終導(dǎo)致地表土壤漏失。王恒松等[6]從西南巖溶區(qū)地質(zhì)地貌、巖性、土壤、地下水循環(huán)、生物、氣候6個方面進(jìn)行了探討，表明只有當(dāng)這6個自然因素同時處于不利因素時，地下水土流失才有可能發(fā)生，其中任何一項(xiàng)因素處于有利狀態(tài)時，地下水土流失就會減輕或停止。周念清等[7]通過研究普定巖溶區(qū)的水土流失與土壤漏失模式，分析了巖溶區(qū)水土流失作用機(jī)理，建立了水?dāng)y帶土壤漏失與水土流失概念模型，探討了土壤漏失過程中雨滴濺蝕、坡面侵蝕、落水洞漏失和地下暗河運(yùn)移過程。

3.1 土壤因子分析

喀斯特地區(qū)成土物質(zhì)主要來源于碳酸鹽巖酸不溶物及碳酸鹽巖巖層間的薄層泥頁巖[8]。在風(fēng)化溶蝕過程中，大量物質(zhì)溶解于水而被帶走，酸不溶物質(zhì)的含量一般小于10%，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤資源稀缺，加之石漠化的形成，加劇了土壤由地表向地下流失。李晉等[9]通過對洞穴土樣的分析表明，洞穴土壤顆粒中黏粒含量遠(yuǎn)高于地表土壤，土壤通過巖溶區(qū)特殊的地下流失方式進(jìn)入洞穴系統(tǒng)，土壤顆粒在地下水土流失過程中最容易被水流帶走的是黏粒。袁紅等[10]通過研究西南巖溶坡地土壤養(yǎng)分含量對土壤流失的響應(yīng)特征，分析不同位置土壤剖面的基本理化性質(zhì)和Mg、Cu、Zn、Mg、Mo、Mn等6種元素的遷移特征，發(fā)現(xiàn)這6種營養(yǎng)元素的含量在整個坡體中存在明顯的拐點(diǎn)，主要集中在距坡頂15～25 m處，表明巖溶坡地從距坡頂15 m處開始，土壤流失存在明顯的地表流失和地下漏失。佘恬鈺[11]對貴州普定喀斯特石漠化地區(qū)地表土壤的物理力學(xué)性質(zhì)、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、蠕變特征等進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，并分析了石漠化地區(qū)水土漏失的過程。唐益群等[5]以普定縣陳旗小流域?yàn)槔U明土壤地下漏失的過程和機(jī)理，研究認(rèn)為喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境、地表降水的大量滲漏、風(fēng)干的土壤團(tuán)聚體，以及巖溶洞隙內(nèi)填積的黏土在流水的浸潤軟化下呈可塑、軟塑甚至流塑狀是導(dǎo)致地表土壤漏失的主要因素。

3.2 降雨因素分析

楊長春[12]認(rèn)為碳酸鹽巖的地上與地下雙層結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)特征，造成碳酸鹽巖巖層孔隙的“土壤囊”，并且在地下管隙連通地下水系的情況下，降雨過程中徑流在管隙中的流動會帶走土壤，造成“土壤丟失”現(xiàn)象。胡奕等[13]研究表明，地表徑流與降雨強(qiáng)度的變化呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與地下孔(裂)隙度、巖石裸露率的變化均呈負(fù)相關(guān)；地下孔(裂)隙流與降雨強(qiáng)度、地下孔(裂)隙度和巖石裸露率的變化均呈正相關(guān)，但其相關(guān)性較弱；隨著坡度的增大，地表產(chǎn)流量先增大后減小，而地下孔(裂)隙流則表現(xiàn)為持續(xù)減小。

3.3 地質(zhì)因素分析

喀斯特地區(qū)在以擠壓為主的中生代燕山構(gòu)造運(yùn)動的基礎(chǔ)上，疊加了新生代的喜馬拉雅升降運(yùn)動，褶皺和斷裂縱橫交織，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破碎且節(jié)理發(fā)育[5]，加之以碳酸鹽巖為主，大氣降水溶解一定量的CO2而對碳酸鹽巖具有很強(qiáng)的溶蝕作用，濕熱地區(qū)生物作用產(chǎn)生的有機(jī)酸使灰?guī)r的溶蝕速率進(jìn)一步提高，形成喀斯特地區(qū)特有的地表—地下二元空間結(jié)構(gòu)，為土壤的地下流失創(chuàng)造了條件。華南地區(qū)定量觀測結(jié)果表明[16]，桂林等地的地表溶蝕速率大致在0.05～0.30 mm/a；由于巖溶作用對地下水動力條件的敏感性，因此在地下水以垂直作用方式為主的地區(qū)會出現(xiàn)“土壤丟失”現(xiàn)象[15]。張信寶等[16]認(rèn)為石質(zhì)化純碳酸鹽巖坡地可以看作一個布滿篩孔的“石頭篩子”，溶溝、溶槽和洼地因被土壤堵塞形成形狀不一、大小不等的“篩孔”，“篩孔”內(nèi)的土壤在充填過程中不可避免要磨蝕基巖表面，和化學(xué)溶蝕共同作用形成土下光滑的基巖表面。

3.4 植物因素分析

張信寶等[17]提出巖溶坡地的土壤侵蝕是化學(xué)溶蝕、重力侵蝕、流水侵蝕共同作用的結(jié)果，分析了巖溶坡地土壤地下漏失和土壤石質(zhì)化的過程，以及植被遭到破壞導(dǎo)致植物根系的網(wǎng)固作用消失，土壤通過地下漏失，充填土下化學(xué)溶蝕和管道侵蝕形成的孔隙和孔洞。

4 地下水土流失土壤侵蝕模數(shù)

李晉等[18]通過對地下河出口斷面的連續(xù)定位監(jiān)測表明，一個水文年小流域隨地下河流失的土壤為519.29 kg，初步估算了地下土壤侵蝕模數(shù)為0.42 t/(km2·a)，占地表、地下水土流失總量的0.81%。

5 喀斯特地下水土流失防治措施

目前還沒有一種有效的方法能夠防治地下水土流失。有學(xué)者提出針對不同的地形采用相應(yīng)的保土措施：坡地上部封山育林，在有土的石旮旯地上種植有經(jīng)濟(jì)效益和蓄水保土效益的灌木，依據(jù)洼地、谷地的海拔與地下水位的關(guān)系，實(shí)施不同的保土措施[16，17，19]；在巖溶區(qū)水土流失過程中，抓住水土由地表進(jìn)入地下的關(guān)鍵部位——漏斗、落水洞和豎井，采取工程措施和生物措施遏制地表土壤顆粒進(jìn)入地下[20]。木本植物根系發(fā)達(dá)，盤根錯節(jié)，能固結(jié)土壤，可以減緩?fù)寥赖叵侣┦У倪M(jìn)程，當(dāng)樹木被砍伐后，根系腐爛，固結(jié)土壤的作用消失，原有的涵養(yǎng)土壤養(yǎng)分的功能可能喪失[21]。熊康寧等[22]研究表明土壤通過落水洞、漏斗、豎井等大空間落入地下這種方式可能是危害最大的地下水土流失途徑，可在關(guān)鍵部位用工程措施保護(hù)，建立一定的植被防護(hù)帶、防護(hù)圈、預(yù)防土壤塌陷等。郭紅艷等[23]分析了石漠化地區(qū)水土地下漏失的危害和作用機(jī)制，綜述了土壤地下漏失的研究方法，提出了石漠化地區(qū)水土地下漏失防大于治的防治措施和建議。

6 問題分析與展望

喀斯特石漠化地區(qū)具有獨(dú)特的地表和地下二元結(jié)構(gòu)，地表呈現(xiàn)峰叢洼地、峰林洼地、峰林溶原等地表景觀，地下表現(xiàn)為溶洞、落水洞、豎井等形式，其巖溶管道發(fā)育，水土漏失現(xiàn)象嚴(yán)重，形成地表和地下兩個土壤侵蝕系統(tǒng)，嚴(yán)重阻礙了喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，威脅著當(dāng)?shù)厝罕姷纳姘l(fā)展。由于地下水土流失的隱蔽性和復(fù)雜性，使得目前對于地下水土流失機(jī)理的研究雖取得了較多成果，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問題。2000—2007年關(guān)于地下水土流失的研究零星有幾篇文章，2007年后逐步呈上升的趨勢，主要研究集中在地下水土流失機(jī)理方面，研究內(nèi)容較淺，且缺乏數(shù)據(jù)支撐。在今后的研究中可加強(qiáng)基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)的研究，彌補(bǔ)地下水土流失基礎(chǔ)理論中定量研究的不足。

(2)土壤理化性質(zhì)對地下水土流失的影響研究。目前，關(guān)于喀斯特石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)對地下水土流失的影響方面還沒有相關(guān)的報(bào)道，在今后的研究中可加強(qiáng)對比分析喀斯特石漠化區(qū)地表、地下土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的差異。

(3)地下水土流失量反映地表生態(tài)環(huán)境的演變過程研究?？λ固厥貐^(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，特殊的地表、地下二元結(jié)構(gòu)極易造成水土流失，形成石漠化。土壤在漏失過程中受降雨、地質(zhì)地貌、植被、氣候、節(jié)理、裂隙等綜合因素作用的影響，是造成喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的主要原因。在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)通過喀斯特石漠化地區(qū)地下水土流失量的變化反映生態(tài)環(huán)境演變過程的研究，彌補(bǔ)地下水土流失研究方面的不足，為中國南方喀斯特地區(qū)的石漠化治理提供科學(xué)參考和依據(jù)。

(4)地下水土流失量監(jiān)測技術(shù)滯后?？λ固厥貐^(qū)山高坡陡、地表崎嶇破碎，可溶性碳酸鹽巖廣泛分布，加之濕熱的氣候，為地下空間的發(fā)育提供了條件。地下空間具有復(fù)雜性、隱蔽性和潛在危險性，為地下水土流失的監(jiān)測工作帶來了很大的困難。目前對于地下空間的結(jié)構(gòu)不甚清楚，找出一種科學(xué)而有效的地下水土流失監(jiān)測方法是今后研究工作的重點(diǎn)。

(5)地下水土流失防治問題。由于喀斯特石漠化地區(qū)可溶性碳酸鹽巖大量分布，裂隙、漏斗、落水洞、溶溝、溶槽發(fā)育，土壤淺薄、稀少，巖石中的酸不溶物較低，成土速率極慢，復(fù)雜的地形為地表—地下水土流失創(chuàng)造了條件，導(dǎo)致土壤地表和地下流失相互疊加，生態(tài)環(huán)境惡化，形成石漠化。目前還沒有找到一種有效的方式防治地下水土流失，減少水土資源的損失，減小對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，這也將是今后的一個重點(diǎn)研究方向。

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(責(zé)任編輯 王 琦)

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401050)

S157

A

1000-0941(2015)05-0058-04

岳坤前(1989─)，女，貴州遵義市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭λ固厣鷳B(tài)建設(shè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)；通信作者顧再柯(1970─)，男，貴州畢節(jié)市人，研究員，學(xué)士，主要從事水土保持監(jiān)測工作。

2015-01-28