我國巖溶地區水土流失研究進展及發展趨勢

王 魁，馬祖陸，蔡德所，覃星銘

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004;2.中國地質大學，北京100083;3.中國地質科學院巖溶地質研究所，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、生產力低下、人民生活困難為特征的巖溶地區生態脆弱性，是個全球性的環境問題［1］。我國西南巖溶地區巖溶總面積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或重要的水源補給區，其水土保持的地理位置非常重要。該區域的水土流失及由其引發的石漠化問題突出，水利部水土保持監測中心的監測資料表明，2002年黔、滇、桂三省區水土流失總面積約14.3萬 km2，有強烈以上水土流失的縣占76.87%。生態環境惡化影響了當地經濟的發展，貴州、廣西78個貧困縣中，分布在水土流失最嚴重的巖溶石漠化區的即占88%。

西南巖溶地區水土流失帶來的嚴重生態破壞表現在:區域內石漠化總面積已達10.55萬km2，并仍以每年2.1%的速度在擴大;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田;引發了旱澇災害(1700萬人存在飲水困難)，造成河道壅塞、水庫淤積，對流域生態安全構成威脅;水土流失過程中的巖溶塌陷、泥石流和滑坡等一系列生態問題，對人民生命財產安全構成了嚴重威脅;很多地區成了“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90年代以來因水土流失造成嚴重淤積的水庫壩塘即達50余座［2］。

西南巖溶地區的水土流失及石漠化問題得到了國家的高度重視?！笆濉?、“十一五”期間，國家投入了大量的資金，實施了“長治工程”、“珠治試點工程”、退耕還林和石漠化綜合治理等一系列工程，但由于缺乏對巖溶地區特殊水土流失過程和機理的深入了解，許多地區所采取的水土流失治理措施、方法針對性不強，效果并不十分明顯。一些學者認識到巖溶地區特殊的水文過程(水動力系統或水循環方式)和水化學作用、特殊的地下巖溶管道——裂隙系統結構，可能是影響水土流失過程和流失量的主要原因，并開始關注巖溶地區土壤的形成及其特殊的流失過程、途徑、機理的研究。

1 巖溶地區水土流失研究現狀

我國早期的水土流失研究主要集中在西北黃土高原區，對巖溶地區水土流失的研究起步較晚。從20世紀80年代起，廣西等地巖溶地區的水土流失逐步進入專家與學者的研究范疇［3－5］，之后在國家實施的多項解決西南巖溶地區貧困與生態問題的項目和規劃中，水土流失及防治進一步得到重視。2005年7月至2007年5月，水利部、中國科學院和中國工程院聯合開展了“中國水土流失與生態安全綜合科學考察”，對中國七大水土流失區內的水土流失現狀進行了科學考察，其中西南巖溶區的考察范圍主要是西南巖溶區內石漠化比較嚴重的地區，包括貴州、廣西和云南東部，土地面積約55萬km2。根據2002年第三次水土流失遙感解譯提供的數據，考察區內水土流失面積約14.3萬km2，約占考察區土地總面積的26.3%，按行政區域劃分:滇東地區水土流失面積59740.71 km2，占滇東地區土地總面積的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 巖溶環境與水土流失

巖溶地區水土流失是自然因素和人類活動共同作用的結果，其過程和發展受脆弱的生態和地質環境的制約［6］。巖溶地區獨有的二元水文地質結構、陡峻而破碎的地形、石灰土與基巖之間缺少風化母質過渡的巖土界面是造成石灰土土壤侵蝕的重要原因［7］，土壤物理性質與碳酸鹽巖構成的雙層結構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］。與非巖溶地區以坡面流失為主的水土流失方式不同，巖溶區水土流失過程十分復雜，泥沙不僅在降雨過程中通過地表徑流進入水流系統，而且隨水流通過落水洞、豎井、漏斗攜帶泥沙進入地下管道和地下河［9－10］。

基于對巖溶地區水土流失機理認識的深入，一些學者對巖溶區自然因素影響下的水土流失狀況進行了研究，分析了不同自然因素如地形［11］、植被覆蓋類型［12］、降雨、地表徑流和水動力條件［13－14］、土壤性質［15］等對水土流失的影響;還有一些學者從人類活動及其引起的不同土地利用方式出發，對巖溶區森林破壞、過度墾殖、耕作方式、工程建設、礦產開發等造成的水土流失進行了研究［16－17］。這些研究多屬于定性描述，或基于單一或少數影響因子的調查數據，缺乏詳細監測數據的支持，對具體影響程度或綜合影響效果缺乏定量評價。

1.2 巖溶地區水土流失強度

水土流失強度是水土流失治理和水土保持規劃的重要依據。西南巖溶區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遠小于非巖溶區。水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)在巖溶區的適用性存在一定的爭議。

在研究過程中，諸多學者把成土速率作為巖溶區水土流失分類分級標準劃分和修正的重要依據:柴宗新［4］推算得出廣西巖溶區的土壤允許流失量為68 t/(km2·a)，并進行了土壤侵蝕從微度到極強烈的五級劃分;李陽兵等［19］依據碳酸鹽巖風化溶蝕速率平均值，計算了不同巖石組合類型的土壤允許流失量;曹建華等［20－21］估算了西南巖溶區碳酸鹽巖的風化成土速率，將成土速率作為土壤允許流失量，將西南巖溶區水土流失強度劃分為六級。巖溶環境的空間異質性較強，不同研究區域、尺度、時間和空間下的土壤允許流失量和水土流失強度的劃分結果會有差異。在巖溶生態環境遭到破壞的區域(特別是石漠化區)，土壤流失量會隨著環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度的劃分會更加復雜。

1.3 水土流失模型研究

隨著試驗技術的進步，在對巖溶區水土流失過程以及泥沙輸移機理進一步認識的基礎上，一些學者嘗試借助國內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，針對巖溶地區水土流失過程(或途徑)、影響因子、形成機理的特殊性，根據實際觀測資料進行相應的修正，然后進行巖溶區水土流失研究。

周斌等［22］以RUSLE為基礎，結合GIS技術，通過PAMAP對各因子空間數據進行綜合分析，對貴州省巖溶地區的水土流失進行了監測;許月卿等［23］估算了貴州省貓跳河流域2002年土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量，得到了研究區土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量的空間分布。鄭進軍等［24］利用WEPP模型和137Cs核素示蹤技術估算了川中丘陵區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 (普定巖溶野外試驗場)為研究區，利用RS和GIS技術建立了適合于巖溶流域使用的土壤侵蝕預測模型;張宏群［26］運用多元統計學的方法，建立了水土流失的動力遙感信息模型，用于對貴州省喀斯特山區水土流失進行預測。以上嘗試都是基于巖溶區特點的，并且取得了一定的成果，為今后巖溶區水土流失的研究提供了借鑒。

2 存在的問題

巖溶地區水土流失研究是巖溶環境學、巖溶生態學的基礎和前沿熱點，對生態學理論的擴展和深入、構建巖溶生態學理論體系意義重大。巖溶區水土流失研究起步較晚，雖然國內外學者在區域調查、流失機理、流失強度和模型研究等方面做了大量的工作，但由于巖溶區域水土流失的復雜性和研究過程中學科知識的局限性，目前仍存在一些問題。

2.1 水土流失強度標準

在目前的研究中，一些學者已經認識到巖溶地區水土流失的特殊性，對巖溶地區土壤流失方式、土壤侵蝕強度劃分的認識更符合巖溶地區的實際。但是，在巖溶區巖性成土速率的計算上，不同學者的計算結果存在很大差異，并導致對在成土速率基礎上提出的土壤流失量和水土流失強度劃分存在不同認識，而很少考慮到水土流失過程中土壤在不同巖性區域之間的遷移、沉積所引起的空間再分配對土壤侵蝕強度劃分的影響。這些問題的存在，一定程度上影響了對巖溶區水土流失強度的認識和巖溶區水土保持措施的制定與實施。

2.2 對巖溶區水土流失研究尺度的把握

黃土地區水土流失的研究起步較早，其研究過程中的一些經驗和方法被國內廣泛借鑒，因此目前巖溶區水土流失的研究多數也是基于巖溶剖面、坡面或點的。但是，由于巖溶環境的空間異質性較強，在不同巖溶區域點和坡面尺度上的研究結果差異較大，不具備普遍性和適用性。當前水土保持工作的開展多在小流域基礎上進行，但巖溶區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測體系，缺少流域尺度的長期觀測和高精度監測數據支持，對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系研究不夠清晰，還未建立起與不同巖溶環境相適應的流域尺度上的水土流失監測和預報模型。

2.3 水土流失過程研究

巖溶環境的脆弱性和復雜性，決定了巖溶區水土流失過程的復雜性。目前的研究對巖溶地區特殊的水土流失生態過程(尤其泥沙在地下的遷移過程與途徑)與巖溶作用(包括水動力條件、水循環方式、水化學作用)的相互作用(響應、耦合)及巖溶地下結構對水土流失影響方面的研究涉及甚少。

3 今后研究展望

3.1 研究思路與理論創新

20世紀末袁道先院士將地球系統科學理論引入巖溶學研究領域，創建的巖溶動力學理論體系，對巖溶地區水土流失機理研究產生了深刻影響。巖溶區水土流失是巖溶環境的一部分，與整個巖溶環境密切相關，因此研究過程中既要研究其特殊性又要注意其與巖溶環境的關系，將新理論、新思路引入到巖溶地區特殊的水土流失機理研究中。

我國作為世界巖溶大國，應充分利用巖溶區水土流失多樣性、典型性的地域優勢，廣開研究思路，將巖溶環境的地質、地貌、水文、植被、土壤、氣候以及人類活動的影響進行綜合考慮，從整體出發，通過創新性吸收、修正，多學科交叉與滲透，形成與巖溶地區水土流失特點相適應的土壤侵蝕強度分級、水土流失評價預報方法(模型)等新的理論體系、標準，促進巖溶生態學理論創新。

3.2 新技術與新方法應用

在目前的巖溶區水土流失研究中，傳統的地面調查、野外試驗(埋樁、建沉砂池等)方法仍有廣泛的應用，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，如地質填圖新技術、遙感技術的應用，使得區域水土流失調查工作更加簡單、準確;同位素示蹤技術和巖溶水示蹤新技術等也被應用于巖溶地區水土流失研究中，在一定程度上可以進行水土流失量的計算;GIS和數據庫的應用，為水土流失研究提供了新平臺。

以上新的方法和手段都取得了一定的成果。但是，由于巖溶環境的復雜性和技術的限制，在巖溶區水土流失模擬研究方面進展較慢，目前國內巖溶區水土流失研究中尚未出現完善的水土流失過程模擬。鑒于此，今后應借鑒和利用先進的國內外數字模擬技術、生態過程模擬試驗技術、監測與數據傳輸及處理技術等進行宏觀和微觀研究。

3.3 研究尺度的轉變

從過去只關注局部區域(如坡面、剖面、區段)水土流失，或只關注水土流失過程的某一環節或片段(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→區域→全球多尺度結合、多要素綜合監測和研究的轉變，以剖析水土流失全過程(包括從地表到地下流失的過程)，獲得對水土流失發生發展過程或機理的全方位認識。

由于巖溶區條件復雜，因此水土流失在坡面尺度、流域尺度和區域尺度上的規律有很大的不同。目前，對巖溶區水土流失的研究主要集中在坡面尺度上;較大的尺度(流域或區域尺度)研究缺乏基礎資料，研究結果無法得到驗證;小尺度上的定位觀測獲取的資料因位置、數量和區域的差異適用性不強。因此，今后的研究應逐步向流域尺度轉變，在流域監測過程中把握水土流失過程和規律，同時研究其在不同尺度上的轉化和轉移。土壤侵蝕預報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)的水土流失模型和向估算區域、全球尺度的水土流失模型轉變。

3.4 加強監測研究平臺建設和研究數據積累

巖溶區水土流失研究是一個長期的過程，需要大量的監測數據和試驗數據的積累，今后工作中要重視與巖溶生態研究基地結合。以流域為單位，建立多尺度的水土流失監測研究和試驗平臺，形成完善的水土流失監測數據庫;為水土流失機理研究提供詳細的數據支持，以加深對巖溶區水文過程、水循環方式、水化學作用、巖溶結構對水土流失過程和流失量影響的理解，促進水土流失研究逐步從定性向定量方向發展。

4 今后研究的建議

在今后的研究工作中，應將巖溶動力學理論與方法、地球四大圈層相互作用的思路引入到水土流失機理研究中，以建立完善的水土流失監測研究平臺。一是要加強巖溶流域尺度上的巖溶土壤形成機理與成土能力研究;二是要加強水土流失對巖溶地質過程(水文與水動力過程、巖溶地球化學過程、生物地球化學過程)的響應，尤其是地表、地下水土流失過程轉換的研究;三是要加強土壤流失形成機理及主要影響因素的監測、定量評價與預報模型建立等的研究，以進一步揭示巖溶地區土壤形成與流失的特殊時空運行規律，為社會經濟和環境保護的協調發展提供支持。

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