我國喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的發(fā)生與防治

我國喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的發(fā)生與防治

中國的喀斯特地區(qū)包括廣西、云南、貴州、四川、湖南、湖北、廣東、江西和重慶。這是世界三個主要分布區(qū)之一裸露的碳酸鹽巖面積的最大區(qū)域。長期以來,脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境加上人類不合理地利用自然資源,使喀斯特地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。由于喀斯特地區(qū)水土流失的絕對量少,因此該區(qū)域的土壤侵蝕問題以前并未引起廣泛重視。隨著人口增加,人地矛盾突出,巖溶區(qū)的水土流失加劇,石漠化有加速的趨勢,喀斯特地區(qū)的石漠化問題逐步被國家重視,喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕研究也得到關(guān)注。1碳酸鹽巖的風(fēng)化溶蝕形成土層,以成土酸不溶物為固定特征喀斯特地區(qū)成土物質(zhì)主要來源于碳酸鹽巖酸不溶物(主要由硅酸鹽物質(zhì)組成)及碳酸鹽巖層間的薄層泥頁巖。不同學(xué)者分別提出過溶蝕—殘積說、溶蝕—交代說和外來沉積說等不同假說,但隨著研究的不斷深入,溶蝕—殘積說逐漸被認(rèn)為是上覆紅土的真正形成機制?？λ固氐貐^(qū)具有獨特的成土環(huán)境和機制,喀斯特地區(qū)土壤具有以下明顯特征:1.1成土速度慢,土層薄且空間分布不均碳酸鹽巖在風(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%。不同地質(zhì)時代的碳酸鹽巖的酸不溶物質(zhì)的含量在0.41%~10.53%之間。華南褶皺系碳酸鹽巖的純灰?guī)r和純白云巖巖層中酸不溶物含量低于5%,有的甚至不到1%。已有研究資料表明,廣西碳酸鹽巖的溶蝕,形成1m厚的土層需要25萬~85萬a;貴州碳酸鹽巖溶蝕風(fēng)化形成1m厚的土層需要63萬~788萬a,較之于一般非巖溶區(qū)的成土速率慢10~40倍。在喀斯特丘陵的頂部、溶溝以及排水不暢的坡麓和低洼之處,主要分布著黑色石灰土和黃色石灰土,主要由酸不溶物風(fēng)化殘積而成。這些部位一般土層淺薄,分布不連續(xù),厚度一般在10~20cm之間,很少超過2m。而在地形相對平坦的喀斯特峰林溶原、丘峰溶原等地區(qū),主要分布著紅色石灰土。1.2具有土石剖面結(jié)構(gòu),質(zhì)地黏重碳酸鹽巖風(fēng)化緩慢,風(fēng)化后殘留物又少,因而形成的土壤都十分淺薄,且無半風(fēng)化碎屑狀母質(zhì)層,土體直接位于基巖之上,多呈A—B或A—AB型剖面。由于石灰土有顯著的巖石特征,因而石灰土在分類上被劃為初育土。碳酸鹽巖風(fēng)化溶蝕存留的成土酸不溶物多為黏土成分,石灰土<0.05mm的黏粒成分達89.46%~96.81%,<0.001mm的黏粒成分達47.49%~49.72%。質(zhì)地黏重會影響土壤的團粒結(jié)構(gòu)和保水抗旱能力。2土壤流失量的計算容許土壤流失量是土壤侵蝕研究中的基礎(chǔ)問題,它的確定對于采取有效的水土保持措施十分重要。容許土壤流失量定得過低,將導(dǎo)致水保工程過大而耗費大量的資金、人力等資源;定得過高,雖降低了支出,卻會導(dǎo)致水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題?，F(xiàn)有對容許土壤流失量的確定主要有兩個途徑:一是從土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分對作物生長是否產(chǎn)生影響的角度來確定,二是從土壤發(fā)生學(xué)角度出發(fā),通過侵蝕速率與巖石或其他母質(zhì)的風(fēng)化物在生物作用下土壤生成速率的對比關(guān)系來確定?，F(xiàn)有對喀斯特地區(qū)容許土壤流失量的確定主要通過第二種途徑。柴宗新通過計算喀斯特巖石溶解成土速率和廣西碳酸鹽巖的含量,確定廣西碳酸鹽巖地區(qū)的容許土壤流失量為11t/(km2·a),而整個廣西地區(qū)的容許土壤流失量應(yīng)為68t/(km2·a)。韋啟蟠認(rèn)為喀斯特地區(qū)容許土壤流失量最大不超過50t/(km2·a),同時認(rèn)為即使定為50t/(km2·a),也比水利部1984年頒布的南方容許土壤流失量500t/(km2·a)的標(biāo)準(zhǔn)小很多。這也是喀斯特地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重性易被人們所忽視的主要原因。李陽兵等按貴州碳酸鹽巖的風(fēng)化溶蝕速率平均值496.7mm/萬a計算了碳酸鹽巖不同巖石組合類型的成土速率,并以此作為相應(yīng)巖石類型地區(qū)的容許土壤流失量,并確定了貴州碳酸鹽巖地區(qū)容許土壤流失量的空間分布。甄曉君以重慶中梁山喀斯特地區(qū)為例,研究了不同土地利用方式下的喀斯特地區(qū)容許土壤流失量,結(jié)果表明,研究區(qū)容許土壤流失量范圍為19.02~49.01t/(km2·a),不同土地利用方式下平均容許土壤流失量依次為:林地>菜地>耕地>園地。張信寶等提出了以“合理土壤流失量”,即維持土地可持續(xù)利用和陸地生態(tài)系統(tǒng)(山地和河流)健康的土壤流失量,代替容許土壤流失量的建議。這兩方面的研究為更合理地判斷容許土壤流失量和正確指導(dǎo)水土保持措施配置提供了有益的參考。3土壤侵蝕模數(shù)的測定水利部2008年發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007),喀斯特地區(qū)容許土壤流失量為500t/(km2·a)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),喀斯特地區(qū)土壤侵蝕強度微度、輕度、中度、強烈對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)分別為:<500、500~2500、2500~5000、5000~8000t/(km2·a),而根據(jù)西南喀斯特地區(qū)徑流小區(qū)和小流域?qū)崪y資料,喀斯特地區(qū)土壤侵蝕強度基本都在這一標(biāo)準(zhǔn)的微度或輕度范圍內(nèi)。陳曉平在云南文山的西疇西部峰叢地區(qū)測得的平均侵蝕模數(shù)為387.7t/(km2·a);彭建等在花江大峽谷南岸的沉沙池測得的土壤侵蝕模數(shù)在1.65~24.55t/(km2·a)之間;彭韜等在貴州普定縣馬官鎮(zhèn)的陳旗堡建立了徑流試驗場,測得不同土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)在0.7~32.4t/(km2·a)之間;白曉永等利用137Cs斷代法測定了貴州普定縣馬官鎮(zhèn)沖頭峰叢洼地的沉積速率,據(jù)此推算了沖頭小流域20世紀(jì)60年代以來的土壤侵蝕模數(shù)為20.27t/(km2·a);何永彬等同樣利用137Cs方法測得茂蘭峰叢草地洼地小流域平均土壤侵蝕模數(shù)為45.95t/(km2·a);龍明忠等利用花江大峽谷北岸(貴州關(guān)嶺縣板貴鄉(xiāng))的9個谷坊對流失的推移質(zhì)進行了量測,得到1999、2000和2001年土壤侵蝕模數(shù)分別為174.5、813.6和396.8t/(km2·a)。以上結(jié)果表明,在西南喀斯特石漠化面積不斷擴大的背景下,若繼續(xù)沿用500t/(km2·a)的容許土壤流失量,就有可能誤判喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕強度,從而錯誤地指導(dǎo)喀斯特地區(qū)的水土保持工作。因此,為準(zhǔn)確判定喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕強度,還需依據(jù)已有對喀斯特地區(qū)容許土壤流失量的研究成果,劃定更為準(zhǔn)確的土壤侵蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)。曹建華等在分析影響西南巖溶區(qū)碳酸鹽巖風(fēng)化成土因素的基礎(chǔ)上,收集了相關(guān)的資料、數(shù)據(jù)和圖層,估算了西南巖溶區(qū)碳酸鹽巖的風(fēng)化成土速率,并將成土速率作為容許土壤流失量,重新厘定西南巖溶區(qū)水土流失強度的分級標(biāo)準(zhǔn),微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈分別為<30、30~100、100~200、200~500、500~1000、≥1000t/(km2·a)。土壤侵蝕導(dǎo)致土壤細(xì)粒物質(zhì)減少,表層土壤消失。隨著土壤侵蝕程度的不斷加深,裸露的巖石逐漸增多,從而形成石漠化景觀,石漠化是土壤侵蝕的直接后果。目前,對石漠化程度分級的標(biāo)準(zhǔn)較多。王宇等根據(jù)裸巖面積比例,將石漠化土地分為3個等級:嚴(yán)重石漠化土地,裸巖面積>70%;中度石漠化土地,裸巖面積70%~50%;輕度石漠化土地,裸巖面積50%~30%。王連慶等通過對渝東南巖溶石山地區(qū)石漠化研究,把石漠化土地分為相同的3個等級,但裸巖面積比例有所差異,分別為>80%、80%~50%、50%~30%。熊康寧等認(rèn)為僅僅根據(jù)裸巖面積比例進行石漠化程度分級過于簡單,試圖采用基巖裸露面積、土被面積、坡度、植被加土被面積、平均土厚等多項指標(biāo),進行石漠化程度分級。張信寶等提出了土壤流失程度、石漠化程度和地面物質(zhì)組成類型疊加分類系統(tǒng),既能表征石質(zhì)土地面積比例,又能反映石漠化前后地面物質(zhì)組成和植被景觀的變化。4對土壤侵蝕的影響喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機理研究是土壤侵蝕研究的一個重要領(lǐng)域,許多學(xué)者分別從自然因素和人為因素兩個方面做了大量研究。第一,喀斯特地區(qū)土壤侵蝕受碳酸鹽巖的巖性以及發(fā)育土壤的性質(zhì)影響,周忠發(fā)等分析了貴州清鎮(zhèn)市各巖層組中各種巖性石漠化的分布,得出石灰?guī)r地區(qū)的石漠化面積最大,石漠化程度最高,而泥灰?guī)r地區(qū)的石漠化面積最小,并且地層巖性與石漠化的級別也有密切關(guān)系的結(jié)論。李瑞玲等對貴州省石漠化分布圖和底層巖性圖進行了空間分析,發(fā)現(xiàn)石漠化與巖性具有明顯的相關(guān)性,強度石漠化主要分布在純質(zhì)碳酸鹽巖地區(qū),尤其是純質(zhì)灰?guī)r地區(qū);中度石漠化在白云巖組合中的比例較灰?guī)r組合中高;輕度石漠化在碳酸鹽巖與碎屑巖夾層和互層中分布較廣。徐燕等在研究中發(fā)現(xiàn)林地、草地和梯田的土壤物理性狀良好,能減輕土壤侵蝕的發(fā)生與發(fā)展,可有效地發(fā)揮保持水土的作用;大面積農(nóng)耕坡地和裸地的土壤物理性狀極差,是引起土壤侵蝕的主要因素。第二,喀斯特地區(qū)土壤侵蝕受降雨和地形的影響,白占國等通過建立7Be示蹤表土季節(jié)性遷移的研究手段,揭示了喀斯特地區(qū)土壤侵蝕受季節(jié)性降水和微地形控制的機理。第三,喀斯特地區(qū)土壤侵蝕還受其獨有的土石特性影響。首先,土壤與碳酸鹽巖母巖之間是一個比較光滑的基巖表面,無過渡結(jié)構(gòu)。由于土體直接位于基巖之上,降雨導(dǎo)致喀斯特坡地的土壤出現(xiàn)“壤中流”,所以極易發(fā)生滑移、崩塌等重力侵蝕和土層潛蝕,導(dǎo)致坡地基巖直接裸露,呈現(xiàn)大面積喀斯特石漠化的石質(zhì)坡地景觀。其次,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。張信寶等通過分析碳酸鹽巖風(fēng)化殼中土壤蠕滑等塊體運動,解釋了喀斯特風(fēng)化殼巖土界面的突變接觸和土下基巖表面光滑的現(xiàn)象,提出了巖溶坡地的土壤侵蝕是化學(xué)溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕疊加的觀點?？λ固氐貐^(qū)人多地少的矛盾決定了人為因素是土壤侵蝕的重要原因,蘇維詞從巖性、地貌、人類活動等方面詳細(xì)剖析了土壤侵蝕性退化的成因機理,指出不合理的人類活動則是該地區(qū)土壤侵蝕性退化的誘因和外動力。在喀斯特地區(qū),不合理的土地利用和地表植被覆蓋的減少對土壤侵蝕具有放大效應(yīng)。張信寶等分析了毀林開荒和農(nóng)業(yè)耕作對土壤侵蝕過程的影響,提出了地表流水侵蝕和耕作侵蝕的疊加是土質(zhì)農(nóng)耕坡地土地石質(zhì)化的主要驅(qū)動力,耕作侵蝕是土石質(zhì)農(nóng)耕坡地石質(zhì)化的主要驅(qū)動力,地下侵蝕是石質(zhì)坡地石質(zhì)化的主要驅(qū)動力。土壤侵蝕機理研究最直接的方法是人工模擬降雨試驗,在喀斯特地區(qū),楊智等通過人工降雨模擬了典型喀斯特裸坡面徑流過程,研究結(jié)果表明,不同降雨強度和地下孔裂隙度的地表、地下徑流分配呈負(fù)相關(guān)并具有臨界點和交叉平衡點;地表徑流與降雨強度及降雨歷時呈正相關(guān),與地下孔裂隙度呈負(fù)相關(guān),地下徑流與降雨強度及地下孔裂隙度呈正相關(guān),與降雨歷時呈負(fù)相關(guān)。楊成波在不同巖石裸露率的灌叢降雨試驗中發(fā)現(xiàn),累積徑流量與土壤侵蝕量間存在著極為密切的正線性關(guān)系。王明剛在粵北喀斯特山區(qū)的模擬降雨結(jié)果表明,土壤層的入滲、產(chǎn)流模式受到雨強及降雨量的影響,小雨強時以蓄滿產(chǎn)流模式為主,大雨強時基本為超滲產(chǎn)流模式;而下層基巖的入滲、產(chǎn)流模式基本為蓄滿產(chǎn)流模式;地表覆被對降雨侵蝕產(chǎn)沙過程有重要的抑制作用,大雨強條件下尤為突出。5石漠化地區(qū)的主要治理措施針對喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境,很多學(xué)者對喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕防治提出了措施。林昌虎等針對喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕提出控制人口數(shù)量、提高人口素質(zhì)、植樹造林等措施。韋啟蟠提出不僅要植樹造林,還要發(fā)展農(nóng)林業(yè)和經(jīng)濟植物,提高農(nóng)民收入。何騰兵等提出調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)移,從而減輕喀斯特地區(qū)生產(chǎn)壓力的措施。曹建華等提出采取工程和生物措施遏制土壤顆粒從漏斗、落水洞和豎井等位置進入地下,同時在不同程度石漠化地區(qū)要因地制宜地采取措施,積極推進生物籬技術(shù)。張信寶等提出按照坡地巖土組成的垂直分帶特點,因地(土)制宜,開展土壤侵蝕治理。6價格補充喀斯特環(huán)境本身具有特殊性和復(fù)雜性,我國喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究工作仍較為薄弱,圍繞著喀斯特地區(qū)土壤侵蝕仍有大量科學(xué)問題需要研究。6.1不同地質(zhì)環(huán)境背景下巖溶土壤侵蝕的形成速率現(xiàn)行喀斯特地區(qū)容許土壤流失量遠大于成土速率和多數(shù)地區(qū)的土壤侵