肖春蕾， 聶洪峰， 劉建宇， 袁國禮， 亢益華， 王安婷， 宋保芳

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國地質(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，全面認識生態(tài)系統(tǒng)演變及趨勢，尋求生態(tài)系統(tǒng)管理、保護與修復(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)查研究內(nèi)容之一，因為地表生態(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)的長期造山運動和季風(fēng)氣候變化狀況對高山植物區(qū)系、持續(xù)時間、生活史的影響，發(fā)現(xiàn)原始造山運動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)過程對物種形成、生態(tài)漂移、擴散和生態(tài)位選擇等生態(tài)群落調(diào)節(jié)活動的影響機制，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等研究認為風(fēng)化過程中巖石性質(zhì)、礦物組成和化學(xué)成分對成土過程產(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[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，提出了針對性的生態(tài)保護修復(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7個月(10月-翌年5月)，年平均風(fēng)速3.3～4.6 m/s，大于8級以上大風(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[10-12]。土壤類型以栗鈣土、棕鈣土與灰褐土為主，有機質(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，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、特征對植被分布的制約，進而建立生態(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，這些元素的含量會逐漸富集，但它們之間的相對含量比例與分布趨勢保持不變，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。針對成土母質(zhì)為玄武質(zhì)的表土而言，Ca、Mg和Ti含量相對豐富，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相對虧損。在風(fēng)力作用下沙粒發(fā)生滾動和側(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增長，而沙粒為正增長，也說明了風(fēng)蝕作用下表土細粒物質(zhì)的遷出。同時，由于長年風(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(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)。相對于緩坡丘陵區(qū)而言，低山丘陵地區(qū)海拔相對較高(1 650 m)，風(fēng)蝕遷出揚塵中的粉沙物質(zhì)可能在該地區(qū)沉降，同時由于風(fēng)力作用黏土礦物又會隨大風(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，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(1 800 m)阻擋作用風(fēng)力減小，揚塵中的黏土礦物發(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個地區(qū)(表1)。可能與遷入物質(zhì)量較大或很少有物質(zhì)遷出有關(guān)，該地區(qū)表層土壤相對較厚且黏土礦物相對豐富(表2)，保障了喬木的生長需要，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向斷裂活動較弱，而NE向、NW 向斷裂活動較強烈[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]等多方面對三北地區(qū)人工林退化機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)境背景對人工林生長的影響。

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，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，但根系橫向生長，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，最終導(dǎo)致沖洪積扇前緣的土壤顆粒明顯變細，以粉砂及黏土為主，蓄水功能強。當(dāng)降雨量較大時，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)較強的蓄水能力以及趨于平緩的地勢，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B層中鹽的富集具有一定的促進作用，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)它們相對富集，尤其在B層富集系數(shù)高達1.3～3.2倍，說明該凹陷有著鹽堿化趨勢。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，使得人工林出現(xiàn)枯死等現(xiàn)象。與此同時，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離子通過毛細作用在A層富集(如PM-1和PM-2)，洼地地點出現(xiàn)鹽析出現(xiàn)象，其pH值(8～9)遠高于本地區(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粒物質(zhì)下滲，從而引起Ca、Mg等離子在B層的富集，進一步生成碳酸鈣。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。

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，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?，由于山頂?shù)貏菟鲗?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。

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，養(yǎng)分和水分不能滿足林木生長所需，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。因為巖石中Ca、Mg等主量元素活動性強，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，進而結(jié)合地表植被特征進行分析，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?；?guī)r與硅質(zhì)巖存在的差異性風(fēng)化使山坡坡度都相對較緩，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，僅能生長一些灌木和草叢。

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，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，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，在地勢低洼地帶，其上覆土壤層較厚，可以生長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。

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。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，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擾動導(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)成土母巖對石漠化發(fā)育程度的影響模式

4 生態(tài)保護修復(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，逐步建立起自我維護、運行良好的生態(tài)系統(tǒng)。針對本文研究重點，特提出以下生態(tài)保護修復(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在混合巖中山區(qū)，灌木林主要生長在花崗巖低山丘陵區(qū)，而玄武巖坡緩丘陵地區(qū)由于長年風(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)格的保護措施，因為土壤層一經(jīng)破壞將難以修復(fù)。在林草修復(fù)過程中應(yīng)加強巖石—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。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，已出現(xiàn)人工林枯死的現(xiàn)象，面積達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石漠化程度有控制作用，建議分區(qū)、分類實施石漠化治理。巖溶地區(qū)成土母巖巖性差異造成成壤能力不同，疊加人類活動擾動導(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

我國生態(tài)環(huán)境本底脆弱，生態(tài)問題復(fù)雜多樣，內(nèi)在機理和演替規(guī)律研究基礎(chǔ)十分薄弱，對山水林田湖草作為生命共同體的內(nèi)在機理和規(guī)律以及各自然生態(tài)要素之間的內(nèi)在聯(lián)系認知程度不夠，對于科學(xué)開展生態(tài)保護修復(fù)形成瓶頸制約。未來監(jiān)測識別退化生態(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，有效識別生態(tài)系統(tǒng)退化機理，針對性提出基于自然的解決方案，仍是生態(tài)保護修復(fù)工作的難點。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)系等認識，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)過程對生態(tài)特征的制約或影響機理，為科學(xué)修復(fù)提供技術(shù)支撐。