生態(tài)-地質(zhì)作用模式： 詮釋表生地質(zhì)過程與生態(tài)特征的耦合

肖春蕾， 聶洪峰， 劉建宇， 袁國(guó)禮， 亢益華， 王安婷， 宋保芳

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

生態(tài)地質(zhì)調(diào)查將地質(zhì)作用過程和生態(tài)空間分布、變化規(guī)律作為整體進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)查研究，以完整地獲取地上、地下一體化信息，全面認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)演變及趨勢(shì)，尋求生態(tài)系統(tǒng)管理、保護(hù)與修復(fù)的地球系統(tǒng)科學(xué)解決方案[1]。植被-土壤-水-成土母質(zhì)-基巖多圈層交互作用分析是生態(tài)地質(zhì)主要調(diào)查研究?jī)?nèi)容之一，因?yàn)榈乇砩鷳B(tài)系統(tǒng)特征(森林、草地、濕地、沙漠等)是由區(qū)域氣候、地質(zhì)條件及其衍生的地貌條件之間耦合作用的結(jié)果[2]。前人通過研究西藏-喜馬拉雅-橫斷山區(qū)的長(zhǎng)期造山運(yùn)動(dòng)和季風(fēng)氣候變化狀況對(duì)高山植物區(qū)系、持續(xù)時(shí)間、生活史的影響，發(fā)現(xiàn)原始造山運(yùn)動(dòng)與基巖條件直接決定了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。

巖石風(fēng)化成土過程不斷改變著地表格局，影響著地表環(huán)境，并且為生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、地表生命系統(tǒng)的維持和演化提供著重要的環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，尤其是在區(qū)域氣候、氣象條件相似的情況下，地表植被結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、功能與巖土條件有密切關(guān)系，是生態(tài)修復(fù)需要考慮的重要內(nèi)容。Rahbek等總結(jié)了大量前人研究成果后提出，高異質(zhì)、高復(fù)雜度的地質(zhì)基礎(chǔ)能夠支持更高的物種周轉(zhuǎn)率與特有種數(shù)，低磷、高鎂的基巖組成所篩選出的植被群落類型導(dǎo)致了食草動(dòng)物的食性專一化[5]； Hulshof等總結(jié)了土壤分布與地質(zhì)過程對(duì)物種形成、生態(tài)漂移、擴(kuò)散和生態(tài)位選擇等生態(tài)群落調(diào)節(jié)活動(dòng)的影響機(jī)制，并分析基于石灰?guī)r、花崗巖等特殊土壤區(qū)的植被區(qū)系差異[6]； Spasojevic等的研究表明蛇紋巖風(fēng)化土壤上植物的擴(kuò)散性能受制于某些物種在這種土壤類型上存活的耐受特征[7]； Bern等研究認(rèn)為風(fēng)化過程中巖石性質(zhì)、礦物組成和化學(xué)成分對(duì)成土過程產(chǎn)生影響，而且風(fēng)化殼厚度、巖石裂隙發(fā)育程度等風(fēng)化殼特征也能直接影響上覆植被的類型[8]； 劉鴻雁等通過研究喀斯特地區(qū)的植被生長(zhǎng)與巖石裂隙之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著1 mm以上的巖石裂隙數(shù)目的增多，木本植物覆蓋度增加而草本植物減少，白云巖區(qū)裂隙發(fā)育少，土壤厚度平均在20 cm左右，多草本植被生長(zhǎng)[9]。

本文選擇了內(nèi)蒙古陰山、河北壩上高原、廣西巖溶地區(qū)3個(gè)不同的地理區(qū)域，研究分析了不同生態(tài)問題、植被類型與巖石風(fēng)化過程以及土壤物理化學(xué)特性之間的關(guān)系，建立了內(nèi)蒙古陰山北麓植被分布與風(fēng)蝕作用基巖風(fēng)化成土模式、張北壩上地區(qū)凹陷盆地風(fēng)化沖洪積土壤栗鈣化模式、西南典型巖溶地區(qū)石漠化模式等3種生態(tài)-地質(zhì)作用模式，揭示出不同區(qū)域生態(tài)景觀特征與地質(zhì)背景條件的內(nèi)在關(guān)系，提出了針對(duì)性的生態(tài)保護(hù)修復(fù)建議，以期為區(qū)域修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和重要參考。

1 內(nèi)蒙古陰山北麓植被分布與風(fēng)蝕作用基巖風(fēng)化成土模式

1.1 自然地理概況

內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)位于內(nèi)蒙古中部，陰山山脈向蒙古高原過渡地帶，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)，屬干溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候。該地區(qū)年均降水量為200～400 mm，全年降雨量的60%～70%集中在7-9月，年均蒸發(fā)量為2 000～2 750 mm，為降水量的6～16 倍，旱季達(dá)7個(gè)月(10月-翌年5月)，年平均風(fēng)速3.3～4.6 m/s，大于8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)在40～80 d左右，干旱、低溫、風(fēng)大是該區(qū)主要的氣候特點(diǎn)[10-12]。土壤類型以栗鈣土、棕鈣土與灰褐土為主，有機(jī)質(zhì)含量低。成土母巖類型以玄武巖、花崗巖、變質(zhì)巖及砂礫質(zhì)沉積物為主。由于研究區(qū)干旱少雨、蒸發(fā)量大，處于北京和華北的上風(fēng)向，風(fēng)蝕作用強(qiáng)，導(dǎo)致土地沙化和生態(tài)功能退化[13-15]。

1.2 生態(tài)-地質(zhì)作用模式

該區(qū)域陰山東段、大青山西段、大青山東段等不同地區(qū)，在氣候因子變化不大的情況下，基巖類型與抗風(fēng)化能力不同等導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)類型差異明顯。陰山東段為地勢(shì)較低的坡緩丘陵地貌，植被類型以草地為主，巖石類型為易風(fēng)化的玄武巖，土壤類型以栗鈣土為主。大青山西段為低山丘陵地貌，植被類型以灌木為主，巖石類型為抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的花崗巖，土壤類型以栗鈣土和灰褐土為主。大青山東段為中山區(qū)地貌，植被類型以喬木為主，巖石類型為混雜巖，土壤類型以灰褐土和灰色森林土為主。通過分析化學(xué)蝕變指數(shù)(Chemical Index of Alteration，CIA)[16]和微量元素分布特征，研究分析不同基巖風(fēng)化成土過程、特征對(duì)植被分布的制約，進(jìn)而建立生態(tài)-地質(zhì)作用模式。

1.2.1 巖石類型為玄武巖的緩坡丘陵區(qū)

據(jù)元素地球化學(xué)分析結(jié)果(表1)，以玄武巖為基巖的土壤層中Al2O3、Fe2O3較母巖明顯減少，土壤層CIA低于半風(fēng)化層，這些元素的顯著變化與該地區(qū)土壤層經(jīng)歷了比較強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用有關(guān)。通常情況下，穩(wěn)定微量元素與稀土元素在巖石風(fēng)化過程中很少發(fā)生遷移，隨著其他元素在風(fēng)化過程中的流失，這些元素的含量會(huì)逐漸富集，但它們之間的相對(duì)含量比例與分布趨勢(shì)保持不變，這也是研究地質(zhì)體演化過程中是否有外來物質(zhì)加入或遷入的重要地球化學(xué)方法。據(jù)此，選取11種該類元素開展分析研究。圖1為大陸上地殼元素豐度值標(biāo)準(zhǔn)化后該類元素分布特征，顯示表層土壤的微量元素分布特征與基巖保持一致(D10-D12)，表明該地區(qū)土壤主要為基巖風(fēng)化后的原地成壤，外部遷入物質(zhì)較少，即受風(fēng)蝕作用影響，遷入物質(zhì)量不足以影響基巖風(fēng)化成土的微量元素分布[17]，在風(fēng)蝕作用下可能以物質(zhì)遷出為主。一般情況下，風(fēng)蝕作用遷出物質(zhì)主要以表層的黏土和粉沙為主。針對(duì)成土母質(zhì)為玄武質(zhì)的表土而言，Ca、Mg和Ti含量相對(duì)豐富，因此風(fēng)蝕作用的物質(zhì)遷出致使表層土壤中Ca、Mg、Ti和Al相對(duì)虧損。在風(fēng)力作用下沙粒發(fā)生滾動(dòng)和側(cè)向遷移，沙粒中以Si為主，因此Si含量與其他地區(qū)風(fēng)化土壤接近，未見明顯虧損。

表1 陰山北麓巖石風(fēng)化剖面中主量元素含量

由風(fēng)化剖面土壤層粒度分布(表2)可見，自下而上，該地區(qū)表土中的黏土與粉沙成分為負(fù)增長(zhǎng)，而沙粒為正增長(zhǎng)，也說明了風(fēng)蝕作用下表土細(xì)粒物質(zhì)的遷出。同時(shí)，由于長(zhǎng)年風(fēng)蝕作用的物質(zhì)遷出，致使風(fēng)化黏土與粉沙很難原地殘留，土層較薄，植被類型以草地為主。

表2 陰山北麓巖石風(fēng)化剖面土壤層粒度分布

1.2.2 巖石類型為花崗巖的低山丘陵區(qū)

從基巖到表層，雖然CIA指數(shù)表現(xiàn)為正常增加趨勢(shì)(表1，D01—D05)，但微量元素分布特征表明，表層土不完全由基巖風(fēng)化而成，具有較大比例的遷入成分(圖1，D01—D05)。相對(duì)于緩坡丘陵區(qū)而言，低山丘陵地區(qū)海拔相對(duì)較高(1 650 m)，風(fēng)蝕遷出揚(yáng)塵中的粉沙物質(zhì)可能在該地區(qū)沉降，同時(shí)由于風(fēng)力作用黏土礦物又會(huì)隨大風(fēng)卷起遷出。由地球化學(xué)元素分析結(jié)果可知，該地區(qū)Na和K出現(xiàn)明顯虧損，這與花崗巖中Na和K主要以遷出而無明顯的遷入有關(guān)。另一方面，表層土中Si和Al元素未出現(xiàn)明顯虧損，表明沉降物質(zhì)彌補(bǔ)了遷出的元素虧損或遷出物質(zhì)較少。因此，與緩坡丘陵地區(qū)相比，低山丘陵區(qū)遷出物質(zhì)總量虧損相對(duì)較少。盡管如此，與正常風(fēng)化表土相比，粉沙質(zhì)偏多，黏土偏少，存在風(fēng)蝕黏土的遷出問題，盡管土層比低山丘陵地區(qū)稍厚，但發(fā)育不足50 cm，不適合喬木生長(zhǎng)，野外常見灌木叢(表2)。

1.2.3 巖石類型為混雜巖的中山區(qū)

在中山區(qū)，由于高海拔地勢(shì)(1 800 m)阻擋作用風(fēng)力減小，揚(yáng)塵中的黏土礦物發(fā)生沉降遷入，且地表物質(zhì)遷出較少，基巖與表土的微量元素分布特征表明該地區(qū)表土中存在大量物質(zhì)遷入(圖1，D06—D9)。由于黏土礦物富含Al元素，導(dǎo)致表層土壤的CIA指數(shù)明顯高于上述2個(gè)地區(qū)(表1)?？赡芘c遷入物質(zhì)量較大或很少有物質(zhì)遷出有關(guān)，該地區(qū)表層土壤相對(duì)較厚且黏土礦物相對(duì)豐富(表2)，保障了喬木的生長(zhǎng)需要，野外常見喬木林。

基于以上分析可知，在陰山地區(qū)基巖的風(fēng)化與物質(zhì)遷移等地表地質(zhì)過程中，風(fēng)蝕作用的影響使得不同巖性和地貌區(qū)表層土壤物質(zhì)組成、厚度不同，發(fā)育的植被類型亦不同。綜合分析表生地質(zhì)過程對(duì)生態(tài)特征的影響，建立了內(nèi)蒙古陰山北麓基巖風(fēng)化與風(fēng)蝕作用成土模式(圖2)，以揭示表生地質(zhì)過程對(duì)生態(tài)分布特征的制約影響。

圖2 內(nèi)蒙古陰山北麓植被分布與風(fēng)蝕作用基巖風(fēng)化成土模式

2 張北壩上地區(qū)凹陷盆地風(fēng)化沖洪積土壤栗鈣化模式

2.1 自然地理概況

張北壩上地區(qū)地貌類型主要為沙地和疏緩丘陵，波狀高原景觀十分典型，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地段，屬溫帶大陸性氣候[18-19]。研究區(qū)年均氣溫為-0.3～4.7 ℃，年均降水量382～560 mm，多集中于6—9月，占全年降水量的81.6%[18]。土壤類型主要為栗鈣土與風(fēng)沙土，pH值為5.52～7.37，土壤質(zhì)地以沙質(zhì)、沙壤質(zhì)為主，土層發(fā)育較薄，土壤有機(jī)質(zhì)含量較少，質(zhì)地疏松，持水保肥能力較差[20-21]。研究區(qū)主要巖性為漢諾壩組(N1h)玄武巖與晚古生代花崗巖，新生代以來近 EW 向、近SN向斷裂活動(dòng)較弱，而NE向、NW 向斷裂活動(dòng)較強(qiáng)烈[22]。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型為溫帶草原，主要由干草原和濕地草甸草原組成，極小部分形成森林草原，主要植被有農(nóng)作物、天然草地、人工草地和人工防護(hù)林等四大類型[20]。近年來，壩上地區(qū)人工林枯死問題逐漸得到多方學(xué)者關(guān)注，目前已從造林方式[23]、土壤理化性質(zhì)[24-25]、氣候環(huán)境條件[26-27]和樹木生理[28]等多方面對(duì)三北地區(qū)人工林退化機(jī)制及其影響因素開展了大量研究。但是，鮮有學(xué)者從生態(tài)演化賴以生存的地表地質(zhì)過程角度探討人工林退化問題[29]。本文選擇張北縣安固里淖地區(qū)山間凹陷小型盆地開展生態(tài)-地質(zhì)作用模式研究，以揭示生態(tài)環(huán)境背景對(duì)人工林生長(zhǎng)的影響。

2.2 生態(tài)-地質(zhì)作用模式

利用2010年、2018年兩期高分辨率(優(yōu)于5 m)遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)人工林變化情況，發(fā)現(xiàn)張北壩上波狀高原人工林退化面積達(dá)7萬畝(1)1畝=0.066 7 hm2(判釋標(biāo)準(zhǔn)為斑塊內(nèi)株數(shù)存活的密度降至30%以下)，斑塊數(shù)量545個(gè)，集中分布于凹陷盆地及沖洪積扇前緣地下水位埋深較淺的地區(qū)，土壤層和風(fēng)化層厚度大都不超過1.5 m(下伏基巖)。這些區(qū)域表層土壤pH值介于8.5～9.2，含鹽量介于1.1～1.2 g/kg(表3)，土壤層1 m以淺普遍發(fā)育鈣積層，土壤鈣積層結(jié)構(gòu)緊密，保肥效果好，但通透性差，阻攔根系向下發(fā)育。通過野外剖面觀察發(fā)現(xiàn)，楊樹根系發(fā)達(dá)，但根系橫向生長(zhǎng)，不能穿透鈣積層，楊樹處于頂部枯梢或者整株枯死的狀況。根據(jù)研究區(qū)此類現(xiàn)象，通過野外調(diào)查從山脊、山腳至盆地中央采取土壤剖面樣品，開展土壤理化性質(zhì)和元素地球化學(xué)分析，以分析人工林退化區(qū)的地質(zhì)影響因素，建立生態(tài)-地質(zhì)作用模式。

表3 張北壩上地區(qū)凹陷盆地土壤剖面性質(zhì)參數(shù)

從河北壩上地區(qū)土壤剖面性質(zhì)參數(shù)(表3)可以看出： 安固里淖凹陷南部為玄武巖山區(qū)，玄武巖風(fēng)化后主要析出Ca、Mg以及少量K、Na等堿性離子； 凹陷北部為花崗巖山區(qū)，基巖風(fēng)化后主要析出K、Na和部分Ca、Mg等堿性離子?；鶐r風(fēng)化剝蝕后形成沖洪積扇，在靠近凹陷盆地的沖積扇或洪積扇的前緣(或尾端)，土壤剖面(PM-1和PM-4)物質(zhì)組成上具有成土母巖的特征，但在土壤淀積層(B層)則形成了明顯的白色碳酸鈣沉淀(圖3)，稱為栗鈣層。由于地形上存在一定的高差，山區(qū)基巖風(fēng)化形成的物質(zhì)在重力作用下不斷向凹陷盆地搬運(yùn)，最終導(dǎo)致沖洪積扇前緣的土壤顆粒明顯變細(xì)，以粉砂及黏土為主，蓄水功能強(qiáng)。當(dāng)降雨量較大時(shí)，玄武巖山區(qū)基巖風(fēng)化析出的Ca、Mg以及花崗巖山區(qū)基巖風(fēng)化析出的K、Na等堿性離子便溶解在雨水中，并主要沿著坡度產(chǎn)生了側(cè)向遷移。由于沖洪積扇前緣物質(zhì)較強(qiáng)的蓄水能力以及趨于平緩的地勢(shì)，在降水量減少或蒸發(fā)量增加的情況下，溶解在水中的堿性離子發(fā)生了濃縮，最終在沖洪積物前緣土壤層中形成了一定程度的富集。該區(qū)域不同基巖區(qū)土壤剖面的元素地球化學(xué)分析特征均顯示，表層土壤(A層)的風(fēng)化指數(shù)(CIA)低于B層土壤； 同時(shí)含鹽量也表明，B層土壤較A層含鹽量明顯增加(表3，PM-1和PM-4)。這表明除基巖風(fēng)化的控制外，雨水淋溶作用引起的表層物質(zhì)下滲對(duì)B層中鹽的富集具有一定的促進(jìn)作用，剖面參數(shù)同樣顯示Ca、Mg等離子在B層富集，易形成栗鈣層。一般情況下，隨著基巖或母質(zhì)的風(fēng)化，作為易溶元素的堿金屬或堿土金屬離子會(huì)隨地表水遷移流失，表層元素含量和堿金屬離子的含量要低于母質(zhì)或基巖。由表3可見，在凹陷盆地(PM-1和PM-4)它們相對(duì)富集，尤其在B層富集系數(shù)高達(dá)1.3～3.2倍，說明該凹陷有著鹽堿化趨勢(shì)。因此，在盆地凹陷以及靠近山區(qū)的沖積扇或洪積扇的土壤B層栗鈣層的生成不利于深根喬木生長(zhǎng)，使得人工林出現(xiàn)枯死等現(xiàn)象。與此同時(shí)，伴隨地表及A層水分的快速蒸發(fā)，溶解在深層水中的Na、K離子通過毛細(xì)作用在A層富集(如PM-1和PM-2)，洼地地點(diǎn)出現(xiàn)鹽析出現(xiàn)象，其pH值(8～9)遠(yuǎn)高于本地區(qū)的均值(5.52～7.37)。

圖3 凹陷盆地人工林退化與風(fēng)化沖洪積土壤栗鈣化模式

距離凹陷盆地較遠(yuǎn)的山坡地區(qū)，土壤物質(zhì)組成主要為粉砂和砂的坡積物，粒度較沖洪積物明顯變粗，僅具有一定的蓄水能力。土壤剖面元素地球化學(xué)分析特征同樣顯示A層土壤的CIA低于B層土，其含鹽量表明B層顆粒物較A層含鹽量也在增加(表3，PM-2和PM-5)。這表明山坡處也存在雨水淋溶作用造成的細(xì)粒物質(zhì)下滲，從而引起Ca、Mg等離子在B層的富集，進(jìn)一步生成碳酸鈣。但是，從碳酸鈣含量以及含鹽量的數(shù)值來看，該處富集程度明顯低于沖洪積物前緣(表3，PM-1和PM-4)的B層土壤，這與坡積物具有較強(qiáng)的蓄水能力以及該處一定坡度造成的堿性離子側(cè)向遷移有關(guān)，因此，山坡處適合喬木、灌木叢生長(zhǎng)。

在玄武巖以及花崗巖的山脊或山區(qū)，土壤物質(zhì)組成則是以粗顆粒的殘積物為主，蓄水能力進(jìn)一步減弱，基巖風(fēng)化析出的 Ca、Mg、K、Na等堿性離子均不易匯聚，淋溶作用不明顯，無法形成明顯的碳酸鈣沉淀。山區(qū)土壤剖面(表3，PM-3和PM-6)的元素地球化學(xué)分析表明，從基巖到表層土壤CIA指數(shù)為正常增加趨勢(shì)，表明土壤層中的堿性離子以側(cè)向遷移為主，不同土壤層間垂向遷移較弱，因此沒有形成明顯的碳酸鈣或堿性離子淀積層?？偟目磥恚捎谏巾?shù)貏?shì)所主導(dǎo)的土壤層的蓄水功能較差以及堿性離子側(cè)向遷移，該處土壤層沒有明顯的鹽析出和栗鈣層生成，適合喬木生長(zhǎng)。

綜上所述，本文建立了凹陷盆地人工林退化與風(fēng)化沖洪積土壤栗鈣化模式，揭示了楊樹等人工林的退化受成土母巖及其風(fēng)化作用過程控制的土壤高鹽堿背景的影響(圖3)。在氣候干燥、降雨量不足350 mm、蒸散發(fā)量大的氣候背景條件下，張北壩上高原地區(qū)土壤鹽堿化受基巖類型、地形地貌等地質(zhì)條件和地質(zhì)過程的影響或控制。該地區(qū)有復(fù)雜的火成巖及大量斷裂分布，經(jīng)風(fēng)化剝蝕后形成凹陷，花崗巖風(fēng)化析出大量K、Na、Ca離子，玄武巖風(fēng)化析出大量Mg、Ca離子，這些堿金屬離子隨降雨向凹陷區(qū)匯聚，隨雨水淋濾下滲易形成栗鈣層。凹陷區(qū)和沖洪積扇的前緣為匯水區(qū)，溶解在水中的堿金屬濃縮并殘留，致使在土壤B層形成栗鈣層或表層鹽析出，造成顆粒較細(xì)的沖洪積扇前緣和凹陷盆地的高鹽堿匯聚，土壤鈣積層發(fā)育，立地條件較差，隨著樹齡的增長(zhǎng)，養(yǎng)分和水分不能滿足林木生長(zhǎng)所需，導(dǎo)致楊樹枯梢或者整株枯亡。

3 廣西巖溶地區(qū)成土母巖對(duì)石漠化發(fā)育程度的影響模式

3.1 自然地理概況

廣西地處云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，南臨北部灣海面，西北高、東南低，呈西北向東南傾斜狀，總體呈山地丘陵性盆地地貌[30]，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，雨水豐沛，光照充足，年平均降水量1 630.1 mm，各地年降水量946～2 897 mm[31]，平均年日照1 540.4 h，水熱條件季節(jié)性分配不均使得該區(qū)冬季干旱、夏季炎熱潮濕，干濕季節(jié)明顯。研究區(qū)屬于華南—東南亞板塊，是華南微大陸板塊的組成部分，處于特提斯構(gòu)造域與濱太平洋構(gòu)造域的交接部位，是地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜的地區(qū)[32]。區(qū)域巖石類型主要以灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)巖、大理巖化灰?guī)r等為主。成土母質(zhì)分別為巖漿巖類及其風(fēng)化物、砂頁巖及其變質(zhì)巖類的風(fēng)化物、碳酸鹽巖類風(fēng)化物、紫色—紫紅色砂頁巖的風(fēng)化物，以及近代沖積與湖積物。主要土壤類型為赤紅壤、石灰性土、紅壤、磚紅壤，赤紅壤、紅壤、磚紅壤的成土母質(zhì)主要為花崗巖、砂頁巖風(fēng)化物、第四紀(jì)紅土等[33]。植被類型多種多樣，主要有針葉林、闊葉林、灌叢等，針葉林分布在桂西北地區(qū)，闊葉林分布在桂東南地區(qū)[34]。由于研究區(qū)主要成土母巖為碳酸鹽巖，堅(jiān)硬致密可溶性組分高，在雨量充沛且降水集中的條件下易于溶蝕被水帶走，不溶性的殘留物少，成土條件極差，具備石漠化發(fā)生的地質(zhì)前提。不合理墾荒等人類活動(dòng)是引發(fā)土地石漠化的直接因素。

3.2 生態(tài)-地質(zhì)作用模式

試驗(yàn)區(qū)輕度石漠化表現(xiàn)為土壤層較厚，植被覆蓋率高，以喬木和灌木為主； 中度石漠化表現(xiàn)為土壤層較薄，植被覆蓋率較高，以灌木和草叢為主； 中-重度石漠化表現(xiàn)為土壤層薄，植被覆蓋率較低，以草叢為主； 重度石漠化表現(xiàn)為巖石大面積裸露，植被覆蓋率低。選擇不同巖石類型和石漠化程度分布區(qū)的5條剖面(PMQBN01、PMWM01、PMQBN03、PMBM01、PMTD03)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)從各剖面稀土元素La/Sm值來看，基巖和其上覆土壤均變化不大(表4)，證明基巖在風(fēng)化成土過程中沒有其他物質(zhì)明顯加入，上覆土壤均為原地風(fēng)化的結(jié)果[35]，也就是說，區(qū)域成土母巖的風(fēng)化速率與成壤特征直接影響了區(qū)域石漠化程度。因?yàn)閹r石中Ca、Mg等主量元素活動(dòng)性強(qiáng)，在化學(xué)風(fēng)化中轉(zhuǎn)化為可溶性離子而大量淋失，Si、Al等主量元素性質(zhì)則較穩(wěn)定，風(fēng)化后殘留在原地，成為成土物質(zhì)的主要來源[36]，因此，本文用易溶組分(Ca+Mg)和難溶組分(Al+Si)含量的比值來表征成土母巖的成壤能力(表4)，比值越大成壤能力越小，進(jìn)而結(jié)合地表植被特征進(jìn)行分析，建立廣西石漠化地區(qū)生態(tài)-地質(zhì)作用模式。

表4 廣西巖溶地區(qū)不同程度石漠化土壤剖面性質(zhì)參數(shù)

PMQBN01為輕度石漠化剖面，成土母巖為灰?guī)r與硅質(zhì)巖互層。硅質(zhì)巖的(Ca+Mg)/(Al+Si)值為0.12，難溶組分含量高，灰?guī)r的(Ca+Mg)/(Al+Si)值為4.75，難溶組分含量低。灰?guī)r與硅質(zhì)巖存在的差異性風(fēng)化使山坡坡度都相對(duì)較緩，有利于風(fēng)化后殘余物質(zhì)的保存，因此形成的土壤層較厚。南方降雨充沛，在這樣的地區(qū)喬木等生態(tài)植被發(fā)育較好。

PMWM01為中度石漠化剖面，成土母巖為灰?guī)r。(Ca+Mg)/(Al+Si)值為4.4，難溶組分含量較低，成壤能力較弱，且由于灰?guī)r的差異性溶蝕作用，在地貌上易發(fā)育峰林、溶蝕洼地，地勢(shì)崎嶇，坡度大[37]。上部坡度較大的地方巖石風(fēng)化殘積形成的土壤由于雨水或地形等因素?zé)o法保留在原地，遷移到地勢(shì)低洼地帶[38]，因此上部地區(qū)土壤貧瘠，無法支撐高大喬木的生長(zhǎng)，僅能生長(zhǎng)一些灌木和草叢。

PMQBN03為中度石漠化剖面，成土母巖為大理巖化白云巖。(Ca+Mg)/(Al+Si)值為4.57，難溶組分含量較低，成壤能力較弱，并且由于白云巖發(fā)生重結(jié)晶作用，抗風(fēng)化能力變強(qiáng)，溶蝕速率變慢，因此巖石風(fēng)化后形成的土壤較薄，高大喬木無法生長(zhǎng)，植被以灌木和草叢為主。

PMBM01為中-重度石漠化剖面，成土母巖為較純灰?guī)r。(Ca+Mg)/(Al+Si)值為4.79，難溶組分含量低，因此巖石風(fēng)化后形成的土壤薄。植被稀疏，以草叢為主，巖石小面積裸露。

PMTD03為重度石漠化剖面，成土母巖為發(fā)生明顯大理巖化的巨厚狀純灰?guī)r。(Ca+Mg)/(Al+Si)值為4.92，難溶組分含量極低。由于其經(jīng)歷過重結(jié)晶作用，巖石抗風(fēng)化能力強(qiáng)于上述其他巖石，且?guī)r石一般呈巨厚狀產(chǎn)出，風(fēng)化后形成的土壤很薄。在溶溝或石坑中，其自身風(fēng)化的土壤可以保留在原地，也可以接受上部巖石風(fēng)化后形成的土壤。因此，在地勢(shì)低洼地帶，其上覆土壤層較厚，可以生長(zhǎng)一些草叢等稀疏植被，而坡度大的地方巖石大面積裸露，植被無法生長(zhǎng)。

土壤粒度在一定程度上能夠指示土壤化學(xué)風(fēng)化程度，這是由于土壤中的黏土礦物富硅鋁，Al2O3含量越高，CIA指數(shù)越大，風(fēng)化程度越高。本文土壤粒度用黏粒/(粉粒+砂粒)值來表示，比值越大，風(fēng)化程度越強(qiáng)。從廣西不同程度石漠化土壤剖面性質(zhì)參數(shù)(表4)可以看出，除個(gè)別剖面(PMWM01)外，剖面整體呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，從輕度、中度石漠化地區(qū)到重度石漠化地區(qū)，土壤中黏粒/(粉粒+砂粒)值和CIA指數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)，土壤化學(xué)風(fēng)化程度也越來越高。而中度石漠化地區(qū)(PMWM01)土壤黏粒/(粉粒+砂粒)值和CIA指數(shù)偏高，可能與上覆土壤中黏粒堆積到此處有關(guān)。從植物所需的主要養(yǎng)分元素全N、全P、全K分析(表5)來看，不同程度石漠化土壤中其含量沒有明顯的規(guī)律。養(yǎng)分元素與粒度相關(guān)性分析結(jié)果(表6)顯示: Fe、B、Mn、Cu、Zn與黏粒都呈顯著正相關(guān)，重度石漠化地區(qū)土壤黏粒含量最高，其微量元素Fe、B、Mn、Cu、Zn等含量也高。

表5 廣西巖溶地區(qū)不同程度石漠化土壤剖面養(yǎng)分元素含量

(續(xù)表)

表6 廣西巖溶地區(qū)不同程度石漠化土壤剖面養(yǎng)分元素與粒度相關(guān)性

綜上所述，廣西巖溶地區(qū)石漠化的形成與巖石風(fēng)化后所形成的土壤中營(yíng)養(yǎng)微量元素含量沒有明顯的關(guān)系，而與成土母巖的巖性和地形坡度關(guān)系很大，其生態(tài)-地質(zhì)作用模式如圖4所示。成土母巖巖性差異和人類活動(dòng)擾動(dòng)導(dǎo)致石漠化發(fā)育程度有所不同，中度及以上石漠化常發(fā)育在厚層灰?guī)r、白云巖、大理巖化灰?guī)r等地區(qū)，該巖性地區(qū)地形較為破碎，土壤厚度較薄且不連續(xù)，植被以灌草為主，植被覆蓋度較低，一旦破壞難以修復(fù)； 輕度石漠化常發(fā)育在灰?guī)r夾薄層泥巖、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等巖性地區(qū)，此類地區(qū)地形相對(duì)較為平緩，土壤厚度較厚，植被垂向結(jié)構(gòu)較完整，植被覆蓋度較高。

圖4 廣西巖溶地區(qū)成土母巖對(duì)石漠化發(fā)育程度的影響模式

4 生態(tài)保護(hù)修復(fù)建議

遵循以自然恢復(fù)為主，尊重自然、順應(yīng)自然的基本方針，實(shí)施基于自然的解決方案，利用好自然而非人工力量解決生態(tài)環(huán)境問題，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自然演替以及在群落穩(wěn)定性、生物多樣性和生態(tài)功能性上的優(yōu)勢(shì)，逐步建立起自我維護(hù)、運(yùn)行良好的生態(tài)系統(tǒng)。針對(duì)本文研究重點(diǎn)，特提出以下生態(tài)保護(hù)修復(fù)建議。

(1)在區(qū)域背景氣候氣象條件相似的情況下，基巖風(fēng)化形成的表層風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)對(duì)植被類型具有控制作用，是修復(fù)區(qū)宜灌或宜喬的依據(jù)。陰山北麓喬木林主要生長(zhǎng)在混合巖中山區(qū)，灌木林主要生長(zhǎng)在花崗巖低山丘陵區(qū)，而玄武巖坡緩丘陵地區(qū)由于長(zhǎng)年風(fēng)蝕作用使得黏土與粉砂物質(zhì)遷出，土層較薄，植被類型以草地為主。建議在玄武巖坡緩區(qū)采取嚴(yán)格的保護(hù)措施，因?yàn)橥寥缹右唤?jīng)破壞將難以修復(fù)。在林草修復(fù)過程中應(yīng)加強(qiáng)巖石—風(fēng)化殼—土壤—植被多圈層交互作用剖析，確定不同生態(tài)地質(zhì)條件區(qū)的植被恢復(fù)的適宜類型。

(2)在生態(tài)格局局部不穩(wěn)定、耕地與林草濕地等生態(tài)系統(tǒng)類型間變化程度大的區(qū)域，建議充分考慮生態(tài)地質(zhì)條件的制約，調(diào)整優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。近十年來，壩上波狀高原等農(nóng)牧過渡帶存在草地向農(nóng)田和林地轉(zhuǎn)化的變化趨勢(shì)。本區(qū)域土壤厚度薄、鹽堿度高、土壤鈣積層結(jié)構(gòu)緊密，自然稟賦條件適宜草原生態(tài)類型，不適合深根喬木生長(zhǎng)，已出現(xiàn)人工林枯死的現(xiàn)象，面積達(dá)7萬畝。應(yīng)盡可能采取恢復(fù)自然草地的生態(tài)重建方式，將部分深根楊樹種植區(qū)轉(zhuǎn)換為天然草地、灌木林地。

(3)不同碳酸鹽巖巖性組合對(duì)石漠化程度有控制作用，建議分區(qū)、分類實(shí)施石漠化治理。巖溶地區(qū)成土母巖巖性差異造成成壤能力不同，疊加人類活動(dòng)擾動(dòng)導(dǎo)致石漠化發(fā)育程度有所不同，中度及以上程度的石漠化主要發(fā)育在純碳酸鹽巖區(qū)域，而夾碎屑巖及泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)則發(fā)育輕度及以下程度的石漠化。在輕、中度石漠化地區(qū)，人類活動(dòng)如過度放牧、濫墾濫伐所導(dǎo)致的石漠化，可以通過封山育林、水土保持耕作措施等修復(fù)達(dá)到預(yù)期的治理效果。在重度石漠化地區(qū)，因巖性條件決定這類地區(qū)土壤薄、發(fā)育不連續(xù)，需退耕還林還草，輔助人工修復(fù)林草植被，這類區(qū)域土壤Fe、B、Mn、Cu、Zn等元素含量較高，可以種植少量特色農(nóng)作物。

5 結(jié)論

我國(guó)生態(tài)環(huán)境本底脆弱，生態(tài)問題復(fù)雜多樣，內(nèi)在機(jī)理和演替規(guī)律研究基礎(chǔ)十分薄弱，對(duì)山水林田湖草作為生命共同體的內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律以及各自然生態(tài)要素之間的內(nèi)在聯(lián)系認(rèn)知程度不夠，對(duì)于科學(xué)開展生態(tài)保護(hù)修復(fù)形成瓶頸制約。未來監(jiān)測(cè)識(shí)別退化生態(tài)系統(tǒng)，研究分析生態(tài)地質(zhì)交互帶植被—土壤—水—成土母質(zhì)—基巖相互作用過程，有效識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)退化機(jī)理，針對(duì)性提出基于自然的解決方案，仍是生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作的難點(diǎn)。本文選擇內(nèi)蒙古高原、張北壩上、西南巖溶石山等典型生態(tài)系統(tǒng)，凝練提出生態(tài)地質(zhì)條件與生態(tài)特征及其內(nèi)在關(guān)系等認(rèn)識(shí)，建立了相應(yīng)的生態(tài)-地質(zhì)作用模式，旨在揭示地表地質(zhì)過程對(duì)生態(tài)特征的制約或影響機(jī)理，為科學(xué)修復(fù)提供技術(shù)支撐。