安吉平++王濟++蔡雄飛++段志斌++顏蒙蒙
摘要:系統(tǒng)梳理了西南喀斯特二元結構下土壤流失的研究進展,結果表明喀斯特山區(qū)土壤侵蝕研究總體起步晚,基礎研究落后,已有研究成果多集中在地表侵蝕現狀、成因、治理措施等方面。喀斯特二元結構背景下存在地下土壤流失的觀點已經得到多數學者的認可,然而受限于研究技術方法,缺乏觀測數據,地下流失途徑、流失量及其危害仍不清楚。因此,尋求必要的技術手段,從流失途徑和過程開展野外觀測是今后喀斯特二元結構下土壤流失研究的重點。
關鍵詞:喀斯特;二元結構;地表土壤侵蝕;地下土壤流失
中圖分類號:S157 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2017)09-1605-06
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.002
Research Progress of Soil Loss under the Dual Structure of Southwest Karst
AN Ji-ping,WANG Ji,CAI Xiong-fei,DUAN Zhi-bin,YAN Meng-meng
(Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China)
Abstract: This paper systematically studies the progress of soil loss under the dual structure of southwest karst, the results show that the research of the soil erosion in karst mountainous started late, and the basic research is lagging. The existing research results have focused on the present situation of surface erosion, causes and control measures. The view of underground soil loss in the context of karst diploid structure has been recognized by most scholars. However, limited to the research methods and the lack of observational data, the way of underground soil loss, the amount of loss and its harm are still unclear. Therefore, seeking the necessary technical means to carry out the necessary field observation from the way and process of loss is the focus of the study of soil loss under karst structure in the future.
Key words: karst; dualistic structure; surface soil erosion; underground soil loss
喀斯特地區(qū)土壤流失的研究總體起步晚,基礎研究落后,可選取的技術方法有限,通過CNKI期刊網的篇名對“喀斯特/巖溶與土壤流失”進行檢索,得出已發(fā)表的文章共18篇,最早在2004年涉及1篇。雖然近年來喀斯特地區(qū)土壤流失問題逐漸被引出,地下巖―土―水―生物作用機理與多尺度土壤流失過程已備受關注,部分學者開始把研究方向逐漸由地表轉向地下,并提出了喀斯特地區(qū)特殊的地下土壤流失方式[1-5]。但是由于喀斯特獨特的二元結構背景,使目前的研究內容主要側重于侵蝕現狀的宏觀性或定量分析評價,而基于侵蝕量、過程、流失途徑等方面的觀測和試驗研究較少,不能客觀揭示喀斯特山區(qū)復雜地理條件(二元結構及其相應的三維空間)下的土壤流失機理。本文通過對已有研究成果的梳理,分析喀斯特二元結構下土壤流失研究已取得的主要研究成果和存在的主要問題,提出對未來研究的建議,旨在引起同行及相關研究機構對喀斯特二元結構下土壤流失機理的更多關注。
1 喀斯特二元結構及其對土壤流失的影響
1.1 喀斯特二元結構
特殊的地質與氣候等條件構造了南方喀斯特地區(qū)地表和地下的不同形態(tài),宏觀和微觀的多孔介質(裂隙和洞穴)以及地表、地下各種蝕余、堆積形態(tài)組成了不均勻的“二元結構”[6,7](圖1)。巖溶地質地貌和巖溶水共同塑造了喀斯特二元結構,二元結構的發(fā)育又產生了喀斯特獨特的巖溶地貌,也為巖溶水的存儲和流動提供了場所。
1.2 二元結構及其對土壤流失的影響
西南喀斯特地表的地貌陡峻而破碎,有較大的地表切割度和地形坡度,為水土流失提供了動力潛能[8],其裸露巖面還能形成一種特殊的產流、匯流機制[9]。此外,喀斯特獨特的二元結構,使該地區(qū)存在特有的地下土壤流失方式[2]。降雨和地表徑流使坡地表土被剝蝕,地表會產生面狀侵蝕(包括濺蝕、片蝕和細溝侵蝕)和溝狀侵蝕[10]。此外,由于地表徑流夾帶被侵蝕的土壤會沿著巖溶裂隙、管道、落水洞等向地下流失,導致地表土壤流失量很小,形態(tài)上主要有淺溝和切溝,而沖溝較少發(fā)育[11],不足以構成黃土高原似的千溝萬壑的景觀。在部分人眼中的山清水秀的喀斯特地貌,也因獨特的二元結構導致了該地區(qū)嚴重的石漠化問題。
2 喀斯特地表土壤侵蝕研究
2.1 喀斯特地表土壤侵蝕現狀
陳曉平[11]認為滇東南喀斯特區(qū)土壤侵蝕已處于極嚴重的潛在危險程度,以中、強度侵蝕為主。林昌虎等[12]認為貴州喀斯特山區(qū)的土壤侵蝕主要是因為不合理的土地利用,再加之外部的地質、地貌、降水等諸因素所致。蘇維詞[13]將貴州喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕劃分為石漠化、土壤貧瘠化、土壤結構性惡化3種類型。彭建等[14]采用埋樁、修建沉沙池等方法,發(fā)現了花江喀斯特峽谷區(qū)的土壤侵蝕量遠小于大多數喀斯特地區(qū),并認為該地區(qū)水土流失已瀕臨無土可流、生態(tài)環(huán)境極其惡化的地步。蔡雄飛等[15]指出喀斯特地區(qū)地形復雜,山高坡陡,河流深切,加上過度的人類活動,導致嚴重的土壤侵蝕問題。由于長期受強烈的碳酸鹽巖化學溶蝕作用,導致喀斯特地區(qū)地表―地下二元結構的發(fā)育,強降雨會加深土壤侵蝕強度并伴隨土壤流失[16]。
從上述研究可以看出,由于喀斯特地區(qū)自然條件的復雜性和多樣性,以及人為活動的影響,導致西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕問題已十分嚴重,雖然已有學者對其產生的因素、危害、治理措施等方面都做了研究,并且“越窮越耕、越耕越窮”的傳統(tǒng)農業(yè)方式正在向現代化轉變,但是由于尖銳的“人―地”矛盾存在已久,以及喀斯特獨特的二元結構使被破壞的生態(tài)系統(tǒng)難以迅速恢復,故有關土壤侵蝕的問題仍有待更深入的研究。
2.2 喀斯特地表土壤侵蝕的影響因素
2.2.1 地質地貌 第三紀以來的地質構造運動奠定了層面多、坡度大、切割深、垂向喀斯特發(fā)育劇烈的碳酸鹽巖山地環(huán)境,該環(huán)境中高山深谷、峰叢、洼地的正負地形格局顯著,增大了土壤的局部聚集和廣泛分散的程度,為土壤侵蝕提供了動力潛能[17-21]。此外,喀斯特地區(qū)巖溶發(fā)育程度和地層組成可以決定土壤侵蝕發(fā)生的強度[22-25]。
2.2.2 氣候條件 中國南方喀斯特屬于亞熱帶濕潤季風氣候,夏季降雨量大且集中,明顯的季節(jié)性干濕交替特征不僅為土壤侵蝕提供了動力條件,還加大了碳酸鹽巖地區(qū)土壤侵蝕強度,促進了喀斯特地區(qū)二元結構的發(fā)育,使可溶性巖石的孔、裂隙增大,相同的土壤進入擴大的“篩孔”時,會使喀斯特土壤結構穩(wěn)定性降低,抗蝕性減弱[26,27]。此外,大部分土粒隨降雨地表徑流作局部空間位移,淀積于低洼部位,表現為土壤逐漸向裂隙、溶洼地集聚,使得巖溶地區(qū)土壤分布極不均勻,土層厚度懸殊[28,29]。
2.2.3 植被因素 曾有學者指出植被是影響土壤侵蝕的重要因素,并揭示了其與土壤侵蝕的內在規(guī)律[30-34]。喀斯特地區(qū)土壤貧瘠、地表水漏失及其富鈣偏堿的環(huán)境,導致其植被具有喜鈣性、耐旱性和石生性,許多喜酸、喜濕、喜肥的植物在這里都難以生長[35]。此外,喀斯特地區(qū)森林植被覆蓋率較低,也降低了森林植被―土壤系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源、保持水土的功能[36,37],該區(qū)域的植被一旦被破壞,生態(tài)環(huán)境就會迅速逆轉,很難恢復,這也體現了喀斯特環(huán)境的脆弱性[38-40]。
2.2.4 有機質 有機質含量越低,土壤抗蝕性越弱。由于石灰土表層集中了土體絕大部分的有機質,表層以下土壤有機質含量迅速降低,一旦富含有機質和植物養(yǎng)分的表土層被剝蝕,土壤抗蝕抗沖能力將明顯下降,其保水保肥性能也會減弱[19,41]。
2.2.5 人類活動 人類對土地資源的不合理利用(如過度的開墾用于耕種、道路建設、城市建設等),超過了土地承載力,破壞了生態(tài)系統(tǒng),導致了嚴重的土壤侵蝕問題。如王亞紅等[42]2006年通過對貴州石板橋水庫沉積物的礦物磁性特征的解譯得出結論,在1960-2002年間,人類活動是影響這一水庫流域內的土壤侵蝕的最重要的因素。當今社會,越來越多的生態(tài)環(huán)境問題引起了人們的關注與反思,人類活動的干擾加重了喀斯特地區(qū)土壤侵蝕程度,巖石裸露使水力侵蝕作用更大,二元結構更為突出。
西南喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕影響因素諸多,包括地質地貌、氣候、水文、植被、人類活動等。這些因素相互影響,其中地質和氣候因素共同控制了該地區(qū)的地貌、水文、植被等自然因素,而這些自然因素又相互影響,進一步決定了該地區(qū)脆弱的自然環(huán)境。此外,這種脆弱的自然環(huán)境和當地的人類活動相互作用,最終導致了該地區(qū)嚴重的土壤侵蝕問題[43]。
2.3 喀斯特地表土壤侵蝕的治理措施
蘇維詞[44]在結合西南巖溶山區(qū)的自然、社會、經濟發(fā)展實際情況的基礎上,提出了要高效合理利用有限的水土資源,通過大力發(fā)展勞務輸出和第三產業(yè)來加強農村小城鎮(zhèn)和市場的建設,以便降低對土地資源的人口壓力;其次是開通綠色產品加工業(yè),以便提高經濟收入量和提供更多就業(yè)崗位;然后是開發(fā)特色旅游業(yè)(如洞穴、峽谷、石林等自然風景點及少數民族風情),以便豐富經濟來源。高漸飛等[45]提出采取生物與工程措施治理,坡耕地“林―草”、“林―糧”、“糧―草”間作及輪作復合經營和建立城郊型混農林草牧(禽)業(yè)模式,初步形成引領小流域農村經濟發(fā)展的生態(tài)產業(yè)。顏萍等[16]提出了以地表水系為中心的小流域綜合治理模式、典型脆弱生態(tài)環(huán)境綜合治理模式、生態(tài)移民治理模式,為進一步實施水土保持措施提供科學依據。
總之,面對日益嚴重的喀斯特生態(tài)問題,人們已經采取了一系列的防治措施,并取得了一定的進展。即嚴格按照“預防為主,全面規(guī)劃,綜合治理,因地制宜,加強管理,注重效益”的基本方針,結合工程措施、生物措施和農業(yè)技術措施等,努力提高水土資源的利用效率和不斷增加經濟效益。但喀斯特地區(qū)不僅僅是土壤侵蝕問題,其獨特的二元結構下造成的地下土壤流失問題也是該地區(qū)生態(tài)恢復緩慢的重要因素。因此,對于地下土壤流失問題及治理措施也需要更多學者們的關注。
3 地下土壤流失研究
3.1 地下土壤流失研究現狀
劉志剛[46]于1963年提出了廣西都安縣石灰?guī)r地區(qū)特殊的地下水土流失方式。Jones[47]通過地衣測年證明土壤沿溶溝消失。Bell等[48]通過考古研究工作提供了灰?guī)r區(qū)土層丟失的證據。肖佐文[49]把粵北喀斯特地區(qū)水土流失形式分為地表的坡面溶蝕面狀流失和地下的洞穴溶巖流失,并認為后者通常是一種被人們所忽視的隱患流失形式。張信寶等[50]在2007年的研究中提出了喀斯特坡地的流失方式不僅有地面流失,還有地下漏失。據2009年周念清等[5]的研究成果顯示,喀斯特地區(qū)漏失以水和懸移質為主,推移質很大部分進入了河流,也有部分通過溶洞或落水洞漏失到地下暗河,在地下運移或沉積。曹建華等[51]認為,在喀斯特坡地的碳酸鹽巖層面、節(jié)理等地方容易被水侵蝕形成孔、裂隙,會造成少量的土壤流失,其大部分是通過短距離的坡面運移至低洼處的落水洞、漏斗,然后匯入地下河。嚴冬春等[52]通過對巖溶丘陵坡地土壤剖面中的137Cs的分布研究,發(fā)現在取樣點2、3的10 cm深處137Cs質量比活度突然降低,說明在該處存在土壤顆粒向下滲漏現象。
近幾年已有部分學者開始關注對地下土壤流失的研究,他們提出了地下土壤漏失的概念以及土壤流失的途徑是沿著孔、裂隙以及漏斗和落水洞進行的。但是由于喀斯特地下土壤流失的研究起步太晚,而且在其二元結構的特殊背景下,相關研究的開展還存在很多的局限,導致目前的研究數據匱乏、技術落后、成果甚少,故還需要更多的學者去關注。
3.2 喀斯特地區(qū)二元結構地下土壤流失因素
3.2.1 巖性 地層巖性不僅決定著土壤理化性質、抗蝕性、土壤剖面特征等,而且對水土流失強度及石漠化有著直接的影響[53]。西南地區(qū)是中國碳酸鹽巖分布最集中、喀斯特發(fā)育最典型的地區(qū),碳酸鹽巖風化成土作用是喀斯特山區(qū)土壤資源的一種重要成土機制[2]。
3.2.2 地質地貌 地質構造會加大對巖石的風化和侵蝕切割作用,使地表大面積被切割,以及所產生不同坡向和不同坡度的地形,為土壤流失提供了動力潛能。在宏觀方面決定了大地貌的類型和特征,進而影響了地表物質和地表徑流的產生與分配,導致了土壤流失;在微觀上直接影響巖溶孔(裂)隙介質的發(fā)生與拓展,加速由于巖溶等地質作用引起的地下水土流失[2]。
3.2.3 土壤因子 土壤是土壤流失發(fā)生的主體,是被侵蝕和被流失的對象[54]??λ固氐貐^(qū)成土速率低,土層薄且分布不均,土壤剖面多為A-B-D型,缺乏C層,碳酸鹽巖母巖與土壤之間存在明顯的硬軟界面,使巖土之間的粘著力差,一遇較大降水,或是地表水下滲以后,很快在這一接觸面上產生側向徑流,使得土層更加松散,極易產生水土流失和塊體滑移,其中土壤細小顆粒隨水流進入地下,導致地下土壤流失[2,38,47,55,56]。
3.2.4 降水因子 降雨強度和降雨時長皆對地下土壤流失有影響。根據水力作用所導致地表物質形成的不同侵蝕形態(tài),分別為濺蝕、面蝕、細溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕等。因巖溶下墊面透水性強,加上巖溶多重介質環(huán)境內廣泛發(fā)育巖溶孔隙以及地下河網,致使巖溶水文過程分為地表與地下兩大部分,通常地下巖溶水文過程占主導地位[39]。巖溶地下水一方面溶蝕、侵蝕或拓寬空穴介質,使灰?guī)r溶蝕殘余物以及上覆土壤隨地表水進入并殘積于空間介質中;另一方面,又攜帶搬運它們,不斷讓出新的空間,使土壤流失過程不斷進行[56]。
3.2.5 植被 由于喀斯特生態(tài)環(huán)境中土壤貧瘠、地下水發(fā)育、旱澇頻繁和其富鈣偏堿的環(huán)境等,導致該地區(qū)植被生長緩慢,群落的自我調控力弱[2,43]。此外,植被退化加劇了降水在時空分布上的不均勻性,降低了土壤水穩(wěn)性,從而在一定程度上促進了水土流失的不斷進行。解明曙[57]對白榆林根系的研究表明,植物根系在土壤中交織穿插,增強了土壤結構穩(wěn)定性,提高了土壤的抗沖能力,可抑制地下水土流失的發(fā)生??梢?,良好的植被覆蓋是防治地下水土流失的關鍵。
由于喀斯特二元結構的特殊性,其地下土壤流失的過程與影響因素目前還無法詳細地觀察與描述,只能在別人的研究基礎上理性地分析。對于喀斯特地下土壤流失因素的研究還需要更多的技術去支撐實驗研究,然后得出實驗數據去證明。
3.3 喀斯特地下土壤流失特點
3.3.1 間斷性和突發(fā)性 喀斯特地區(qū)土壤總量少,土層淺薄,受季節(jié)性降雨、流水侵蝕、重力勢能等作用的影響,地表水夾帶松散的土壤滲入裂隙、管道、落水洞等具有間斷性和突發(fā)性。
3.3.2 危害的多樣性和潛在性 地下土壤流失可能會堵塞巖溶裂隙或管道,從而引起洼地與盆地澇災。其次,地下土壤流失還可能會造成地下河流的污染,難于治理。第三,地下土壤流失會促使巖溶地下地貌的發(fā)育,使地表塌陷,造成危害和損失等。
3.3.3 流失的多樣性 水土資源從地表滲入地下空間后的土壤由地下流失進入洞穴的方式有3種:土壤沿彼此相通的裂隙和管道進入洞穴;土壤由洞口直接被水流沖入洞穴;土壤隨地下河帶入洞穴并沉積[58]。
3.4 地下土壤流失危害
3.4.1 引起洼地和盆地澇災 地下土壤流失可能會堵塞巖溶裂隙或管道,雨季時,強大的雨水無法通過管道或落水洞及時匯入地下,從而引起洼地與盆地的澇災。此外,被堵塞的管道也有可能改變地下水文系統(tǒng),導致原有泉水斷流,造成人們的飲水困難。
3.4.2 造成地下河流的污染 地表徑流夾帶被侵蝕的碎屑物或土壤向地下流失過程中,地表土壤中的重金屬污染物、有機污染物、無機污染物、固體廢物等,通過溶于水或吸附于土壤表面的方式匯入地下河,從而造成地下河流的污染,并且在喀斯特獨特的二元結構下,以目前國內外的科學技術水平,難以對其進行有效的治理。
3.4.3 縮短地下水利工程使用年限 由于喀斯特獨特的二元結構下,地表難以存儲水,并且在一寸土地一寸金的情況下,地下水利工程被不斷引用,巨資修建了一系列地下水庫,解決了當地用水困難的問題,但是地下土壤流失會使土壤或泥沙不斷地堆積,從而減短地下水庫的使用壽命,影響人們的正常生活。此外,地下土壤流失也可能會磨損和影響地下水利工程。
3.4.4 加重生態(tài)環(huán)境問題 地下土壤流失不僅使地表土壤更稀缺,還使地表植被率更低,導致人們可利用的水土資源也越來越少,石漠化的現象越來越嚴重,生態(tài)恢復越來越困難。這是一種無止境的、可怕的惡性循環(huán)。
4 主要問題與建議
一是研究技術方法單一,缺乏觀測數據,無法計算地下流失量。目前針對地下土壤流失的監(jiān)測方法較少,雖然GIS、遙感、同位素示蹤等相關技術都已逐步被運用,也取得了一些成果[43,52,59-61],有關喀斯特地區(qū)的相關研究中均有提及特殊的二元結構導致了地下土壤漏失或地下水土流失,并指出土壤沿巖溶孔(裂)隙、管道、落水洞、地下河等途徑流失,但都缺乏實測數據去支撐,由于喀斯特地下的隱蔽性和復雜性,使地下土壤流失的研究工作開展受到了巨大的局限性,這些研究方法與技術都存在許多問題,目前還沒有一套完整的方法與技術能適合整個喀斯特地區(qū)地表和地下的土壤流失監(jiān)測。此外,特殊的地下土壤流失方式是加重巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素之一,但是目前對于地下土壤流失量占總的土壤流失量的比例、地下水土流失的土壤侵蝕模數以及地下土壤流失測量的具體模型的研究都極少。這方面的定量研究將是今后的一個重點和難點。因此,在已有研究的基礎上,結合先進的科學技術與針對性的研究方法才能突破喀斯特二元結構的局限性,得到更多更有效的研究成果。
二是地下流失途徑尚不清楚。由于巖性特征、巖層分布特征、孔(裂)隙的發(fā)育程度以及地下河分布特征等多樣性與不確定性,導致地下土壤流失的途徑尚不明確,以目前的技術水平難以準確判斷,也就無法采取相應的防治措施。李晉等[62]通過王小寨小流域的小廟山地下河斷面的連續(xù)監(jiān)測結果得出,在2009-2010年,該流域的土壤地下流失速率為0.42 t/km2,僅占地表―地下土壤流失總量的0.81%。由于王家寨小流域受到了人為干擾,落水洞旁的擋墻阻止了土壤的流入,導致了該地區(qū)的土壤流失量很小。因此,地下流失途徑的研究也十分重要。此外,落水洞是導致土壤向地下流失影響最大、最直接的因素,故對于落水洞的防治措施應該是研究的重點。
三是地下土壤流失的危害。喀斯特地區(qū)地下土壤流失不管是對生態(tài)環(huán)境還是人類生活都存在一定的危害性,但是目前對于地下土壤流失危害的研究甚少,人們對其的重視程度和對生態(tài)環(huán)境保護的自覺性都不夠高,故提高人們保護生態(tài)環(huán)境的意識也是防治的關鍵,希望能有更多的學者關注到這個問題,并且給出相應的治理措施。
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