王 魁，馬祖陸，蔡德所，覃星銘

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004;2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083;3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林541004)

以旱澇、水土流失、石漠化、地面塌陷、物種多樣性受限制、生產(chǎn)力低下、人民生活困難為特征的巖溶地區(qū)生態(tài)脆弱性，是個(gè)全球性的環(huán)境問題［1］。我國西南巖溶地區(qū)巖溶總面積78萬km2，人口1億多人，是珠江、長江和流向東南亞諸多國際河流的源頭區(qū)或重要的水源補(bǔ)給區(qū)，其水土保持的地理位置非常重要。該區(qū)域的水土流失及由其引發(fā)的石漠化問題突出，水利部水土保持監(jiān)測中心的監(jiān)測資料表明，2002年黔、滇、桂三省區(qū)水土流失總面積約14.3萬 km2，有強(qiáng)烈以上水土流失的縣占76.87%。生態(tài)環(huán)境惡化影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，貴州、廣西78個(gè)貧困縣中，分布在水土流失最嚴(yán)重的巖溶石漠化區(qū)的即占88%。

西南巖溶地區(qū)水土流失帶來的嚴(yán)重生態(tài)破壞表現(xiàn)在:區(qū)域內(nèi)石漠化總面積已達(dá)10.55萬km2，并仍以每年2.1%的速度在擴(kuò)大;水土流失和石漠化造成耕地逐步喪失或貧瘠化，人均耕地每年減少4%，50%以上的耕地淪為中低產(chǎn)田;引發(fā)了旱澇災(zāi)害(1700萬人存在飲水困難)，造成河道壅塞、水庫淤積，對(duì)流域生態(tài)安全構(gòu)成威脅;水土流失過程中的巖溶塌陷、泥石流和滑坡等一系列生態(tài)問題，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅;很多地區(qū)成了“無水可飲，無地可耕，無柴可燒”的“三無”地帶，其中僅云南丘北縣20世紀(jì)90年代以來因水土流失造成嚴(yán)重淤積的水庫壩塘即達(dá)50余座［2］。

西南巖溶地區(qū)的水土流失及石漠化問題得到了國家的高度重視。“十五”、“十一五”期間，國家投入了大量的資金，實(shí)施了“長治工程”、“珠治試點(diǎn)工程”、退耕還林和石漠化綜合治理等一系列工程，但由于缺乏對(duì)巖溶地區(qū)特殊水土流失過程和機(jī)理的深入了解，許多地區(qū)所采取的水土流失治理措施、方法針對(duì)性不強(qiáng)，效果并不十分明顯。一些學(xué)者認(rèn)識(shí)到巖溶地區(qū)特殊的水文過程(水動(dòng)力系統(tǒng)或水循環(huán)方式)和水化學(xué)作用、特殊的地下巖溶管道——裂隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可能是影響水土流失過程和流失量的主要原因，并開始關(guān)注巖溶地區(qū)土壤的形成及其特殊的流失過程、途徑、機(jī)理的研究。

1 巖溶地區(qū)水土流失研究現(xiàn)狀

我國早期的水土流失研究主要集中在西北黃土高原區(qū)，對(duì)巖溶地區(qū)水土流失的研究起步較晚。從20世紀(jì)80年代起，廣西等地巖溶地區(qū)的水土流失逐步進(jìn)入專家與學(xué)者的研究范疇［3－5］，之后在國家實(shí)施的多項(xiàng)解決西南巖溶地區(qū)貧困與生態(tài)問題的項(xiàng)目和規(guī)劃中，水土流失及防治進(jìn)一步得到重視。2005年7月至2007年5月，水利部、中國科學(xué)院和中國工程院聯(lián)合開展了“中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察”，對(duì)中國七大水土流失區(qū)內(nèi)的水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行了科學(xué)考察，其中西南巖溶區(qū)的考察范圍主要是西南巖溶區(qū)內(nèi)石漠化比較嚴(yán)重的地區(qū)，包括貴州、廣西和云南東部，土地面積約55萬km2。根據(jù)2002年第三次水土流失遙感解譯提供的數(shù)據(jù)，考察區(qū)內(nèi)水土流失面積約14.3萬km2，約占考察區(qū)土地總面積的26.3%，按行政區(qū)域劃分:滇東地區(qū)水土流失面積59740.71 km2，占滇東地區(qū)土地總面積的45.2%;貴州水土流失面積73078.56 km2，占貴州土地總面積的41.52%;廣西水土流失面積10369.43 km2，占廣西土地總面積的 4.38%［2］。

1.1 巖溶環(huán)境與水土流失

巖溶地區(qū)水土流失是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，其過程和發(fā)展受脆弱的生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境的制約［6］。巖溶地區(qū)獨(dú)有的二元水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、陡峻而破碎的地形、石灰土與基巖之間缺少風(fēng)化母質(zhì)過渡的巖土界面是造成石灰土土壤侵蝕的重要原因［7］，土壤物理性質(zhì)與碳酸鹽巖構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)是造成地下水土流失的重要因素，豐沛的降水是水土流失的主要外營力［8］。與非巖溶地區(qū)以坡面流失為主的水土流失方式不同，巖溶區(qū)水土流失過程十分復(fù)雜，泥沙不僅在降雨過程中通過地表徑流進(jìn)入水流系統(tǒng)，而且隨水流通過落水洞、豎井、漏斗攜帶泥沙進(jìn)入地下管道和地下河［9－10］。

基于對(duì)巖溶地區(qū)水土流失機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，一些學(xué)者對(duì)巖溶區(qū)自然因素影響下的水土流失狀況進(jìn)行了研究，分析了不同自然因素如地形［11］、植被覆蓋類型［12］、降雨、地表徑流和水動(dòng)力條件［13－14］、土壤性質(zhì)［15］等對(duì)水土流失的影響;還有一些學(xué)者從人類活動(dòng)及其引起的不同土地利用方式出發(fā)，對(duì)巖溶區(qū)森林破壞、過度墾殖、耕作方式、工程建設(shè)、礦產(chǎn)開發(fā)等造成的水土流失進(jìn)行了研究［16－17］。這些研究多屬于定性描述，或基于單一或少數(shù)影響因子的調(diào)查數(shù)據(jù)，缺乏詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持，對(duì)具體影響程度或綜合影響效果缺乏定量評(píng)價(jià)。

1.2 巖溶地區(qū)水土流失強(qiáng)度

水土流失強(qiáng)度是水土流失治理和水土保持規(guī)劃的重要依據(jù)。西南巖溶區(qū)碳酸鹽巖中酸不溶物含量低，成土(土壤再生)能力差［18］，形成的土層薄，因此在水土流失過程中允許土壤流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非巖溶區(qū)。水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)在巖溶區(qū)的適用性存在一定的爭議。

在研究過程中，諸多學(xué)者把成土速率作為巖溶區(qū)水土流失分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分和修正的重要依據(jù):柴宗新［4］推算得出廣西巖溶區(qū)的土壤允許流失量為68 t/(km2·a)，并進(jìn)行了土壤侵蝕從微度到極強(qiáng)烈的五級(jí)劃分;李陽兵等［19］依據(jù)碳酸鹽巖風(fēng)化溶蝕速率平均值，計(jì)算了不同巖石組合類型的土壤允許流失量;曹建華等［20－21］估算了西南巖溶區(qū)碳酸鹽巖的風(fēng)化成土速率，將成土速率作為土壤允許流失量，將西南巖溶區(qū)水土流失強(qiáng)度劃分為六級(jí)。巖溶環(huán)境的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，不同研究區(qū)域、尺度、時(shí)間和空間下的土壤允許流失量和水土流失強(qiáng)度的劃分結(jié)果會(huì)有差異。在巖溶生態(tài)環(huán)境遭到破壞的區(qū)域(特別是石漠化區(qū))，土壤流失量會(huì)隨著環(huán)境破壞程度的加劇而減少，最后“無土可流”，這種情況下水土流失強(qiáng)度的劃分會(huì)更加復(fù)雜。

1.3 水土流失模型研究

隨著試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，在對(duì)巖溶區(qū)水土流失過程以及泥沙輸移機(jī)理進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者嘗試借助國內(nèi)外成功的水土流失模型，如修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、WEPP模型等，針對(duì)巖溶地區(qū)水土流失過程(或途徑)、影響因子、形成機(jī)理的特殊性，根據(jù)實(shí)際觀測資料進(jìn)行相應(yīng)的修正，然后進(jìn)行巖溶區(qū)水土流失研究。

周斌等［22］以RUSLE為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS技術(shù)，通過PAMAP對(duì)各因子空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)貴州省巖溶地區(qū)的水土流失進(jìn)行了監(jiān)測;許月卿等［23］估算了貴州省貓?zhí)恿饔?002年土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量，得到了研究區(qū)土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量的空間分布。鄭進(jìn)軍等［24］利用WEPP模型和137Cs核素示蹤技術(shù)估算了川中丘陵區(qū)簡陽縣賈家村附近兩塊坡耕地的侵蝕速率;汪文富［25］以普定后寨河巖溶流域 (普定巖溶野外試驗(yàn)場)為研究區(qū)，利用RS和GIS技術(shù)建立了適合于巖溶流域使用的土壤侵蝕預(yù)測模型;張宏群［26］運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，建立了水土流失的動(dòng)力遙感信息模型，用于對(duì)貴州省喀斯特山區(qū)水土流失進(jìn)行預(yù)測。以上嘗試都是基于巖溶區(qū)特點(diǎn)的，并且取得了一定的成果，為今后巖溶區(qū)水土流失的研究提供了借鑒。

2 存在的問題

巖溶地區(qū)水土流失研究是巖溶環(huán)境學(xué)、巖溶生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)和前沿?zé)狳c(diǎn)，對(duì)生態(tài)學(xué)理論的擴(kuò)展和深入、構(gòu)建巖溶生態(tài)學(xué)理論體系意義重大。巖溶區(qū)水土流失研究起步較晚，雖然國內(nèi)外學(xué)者在區(qū)域調(diào)查、流失機(jī)理、流失強(qiáng)度和模型研究等方面做了大量的工作，但由于巖溶區(qū)域水土流失的復(fù)雜性和研究過程中學(xué)科知識(shí)的局限性，目前仍存在一些問題。

2.1 水土流失強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

在目前的研究中，一些學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到巖溶地區(qū)水土流失的特殊性，對(duì)巖溶地區(qū)土壤流失方式、土壤侵蝕強(qiáng)度劃分的認(rèn)識(shí)更符合巖溶地區(qū)的實(shí)際。但是，在巖溶區(qū)巖性成土速率的計(jì)算上，不同學(xué)者的計(jì)算結(jié)果存在很大差異，并導(dǎo)致對(duì)在成土速率基礎(chǔ)上提出的土壤流失量和水土流失強(qiáng)度劃分存在不同認(rèn)識(shí)，而很少考慮到水土流失過程中土壤在不同巖性區(qū)域之間的遷移、沉積所引起的空間再分配對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分的影響。這些問題的存在，一定程度上影響了對(duì)巖溶區(qū)水土流失強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)和巖溶區(qū)水土保持措施的制定與實(shí)施。

2.2 對(duì)巖溶區(qū)水土流失研究尺度的把握

黃土地區(qū)水土流失的研究起步較早，其研究過程中的一些經(jīng)驗(yàn)和方法被國內(nèi)廣泛借鑒，因此目前巖溶區(qū)水土流失的研究多數(shù)也是基于巖溶剖面、坡面或點(diǎn)的。但是，由于巖溶環(huán)境的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，在不同巖溶區(qū)域點(diǎn)和坡面尺度上的研究結(jié)果差異較大，不具備普遍性和適用性。當(dāng)前水土保持工作的開展多在小流域基礎(chǔ)上進(jìn)行，但巖溶區(qū)水土流失研究中尚未建立起流域尺度的較為完善的水土流失監(jiān)測體系，缺少流域尺度的長期觀測和高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，對(duì)流域尺度的成土能力、水土流失過程及其與各影響因素之間的關(guān)系研究不夠清晰，還未建立起與不同巖溶環(huán)境相適應(yīng)的流域尺度上的水土流失監(jiān)測和預(yù)報(bào)模型。

2.3 水土流失過程研究

巖溶環(huán)境的脆弱性和復(fù)雜性，決定了巖溶區(qū)水土流失過程的復(fù)雜性。目前的研究對(duì)巖溶地區(qū)特殊的水土流失生態(tài)過程(尤其泥沙在地下的遷移過程與途徑)與巖溶作用(包括水動(dòng)力條件、水循環(huán)方式、水化學(xué)作用)的相互作用(響應(yīng)、耦合)及巖溶地下結(jié)構(gòu)對(duì)水土流失影響方面的研究涉及甚少。

3 今后研究展望

3.1 研究思路與理論創(chuàng)新

20世紀(jì)末袁道先院士將地球系統(tǒng)科學(xué)理論引入巖溶學(xué)研究領(lǐng)域，創(chuàng)建的巖溶動(dòng)力學(xué)理論體系，對(duì)巖溶地區(qū)水土流失機(jī)理研究產(chǎn)生了深刻影響。巖溶區(qū)水土流失是巖溶環(huán)境的一部分，與整個(gè)巖溶環(huán)境密切相關(guān)，因此研究過程中既要研究其特殊性又要注意其與巖溶環(huán)境的關(guān)系，將新理論、新思路引入到巖溶地區(qū)特殊的水土流失機(jī)理研究中。

我國作為世界巖溶大國，應(yīng)充分利用巖溶區(qū)水土流失多樣性、典型性的地域優(yōu)勢(shì)，廣開研究思路，將巖溶環(huán)境的地質(zhì)、地貌、水文、植被、土壤、氣候以及人類活動(dòng)的影響進(jìn)行綜合考慮，從整體出發(fā)，通過創(chuàng)新性吸收、修正，多學(xué)科交叉與滲透，形成與巖溶地區(qū)水土流失特點(diǎn)相適應(yīng)的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)、水土流失評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)方法(模型)等新的理論體系、標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)巖溶生態(tài)學(xué)理論創(chuàng)新。

3.2 新技術(shù)與新方法應(yīng)用

在目前的巖溶區(qū)水土流失研究中，傳統(tǒng)的地面調(diào)查、野外試驗(yàn)(埋樁、建沉砂池等)方法仍有廣泛的應(yīng)用，但隨著科技水平的提高，一些新的研究方法和手段逐步被使用，如地質(zhì)填圖新技術(shù)、遙感技術(shù)的應(yīng)用，使得區(qū)域水土流失調(diào)查工作更加簡單、準(zhǔn)確;同位素示蹤技術(shù)和巖溶水示蹤新技術(shù)等也被應(yīng)用于巖溶地區(qū)水土流失研究中，在一定程度上可以進(jìn)行水土流失量的計(jì)算;GIS和數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，為水土流失研究提供了新平臺(tái)。

以上新的方法和手段都取得了一定的成果。但是，由于巖溶環(huán)境的復(fù)雜性和技術(shù)的限制，在巖溶區(qū)水土流失模擬研究方面進(jìn)展較慢，目前國內(nèi)巖溶區(qū)水土流失研究中尚未出現(xiàn)完善的水土流失過程模擬。鑒于此，今后應(yīng)借鑒和利用先進(jìn)的國內(nèi)外數(shù)字模擬技術(shù)、生態(tài)過程模擬試驗(yàn)技術(shù)、監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸及處理技術(shù)等進(jìn)行宏觀和微觀研究。

3.3 研究尺度的轉(zhuǎn)變

從過去只關(guān)注局部區(qū)域(如坡面、剖面、區(qū)段)水土流失，或只關(guān)注水土流失過程的某一環(huán)節(jié)或片段(如土壤沖刷、濺蝕)和影響水土流失的單一因素(如降水、地形)，向重視從微觀→流域→區(qū)域→全球多尺度結(jié)合、多要素綜合監(jiān)測和研究的轉(zhuǎn)變，以剖析水土流失全過程(包括從地表到地下流失的過程)，獲得對(duì)水土流失發(fā)生發(fā)展過程或機(jī)理的全方位認(rèn)識(shí)。

由于巖溶區(qū)條件復(fù)雜，因此水土流失在坡面尺度、流域尺度和區(qū)域尺度上的規(guī)律有很大的不同。目前，對(duì)巖溶區(qū)水土流失的研究主要集中在坡面尺度上;較大的尺度(流域或區(qū)域尺度)研究缺乏基礎(chǔ)資料，研究結(jié)果無法得到驗(yàn)證;小尺度上的定位觀測獲取的資料因位置、數(shù)量和區(qū)域的差異適用性不強(qiáng)。因此，今后的研究應(yīng)逐步向流域尺度轉(zhuǎn)變，在流域監(jiān)測過程中把握水土流失過程和規(guī)律，同時(shí)研究其在不同尺度上的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。土壤侵蝕預(yù)報(bào)也要從估算單一坡面(或局部)的水土流失模型，向估算流域尺度(系統(tǒng))的水土流失模型和向估算區(qū)域、全球尺度的水土流失模型轉(zhuǎn)變。

3.4 加強(qiáng)監(jiān)測研究平臺(tái)建設(shè)和研究數(shù)據(jù)積累

巖溶區(qū)水土流失研究是一個(gè)長期的過程，需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，今后工作中要重視與巖溶生態(tài)研究基地結(jié)合。以流域?yàn)閱挝?，建立多尺度的水土流失監(jiān)測研究和試驗(yàn)平臺(tái)，形成完善的水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;為水土流失機(jī)理研究提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，以加深對(duì)巖溶區(qū)水文過程、水循環(huán)方式、水化學(xué)作用、巖溶結(jié)構(gòu)對(duì)水土流失過程和流失量影響的理解，促進(jìn)水土流失研究逐步從定性向定量方向發(fā)展。

4 今后研究的建議

在今后的研究工作中，應(yīng)將巖溶動(dòng)力學(xué)理論與方法、地球四大圈層相互作用的思路引入到水土流失機(jī)理研究中，以建立完善的水土流失監(jiān)測研究平臺(tái)。一是要加強(qiáng)巖溶流域尺度上的巖溶土壤形成機(jī)理與成土能力研究;二是要加強(qiáng)水土流失對(duì)巖溶地質(zhì)過程(水文與水動(dòng)力過程、巖溶地球化學(xué)過程、生物地球化學(xué)過程)的響應(yīng)，尤其是地表、地下水土流失過程轉(zhuǎn)換的研究;三是要加強(qiáng)土壤流失形成機(jī)理及主要影響因素的監(jiān)測、定量評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)模型建立等的研究，以進(jìn)一步揭示巖溶地區(qū)土壤形成與流失的特殊時(shí)空運(yùn)行規(guī)律，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供支持。

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