喀斯特地區水土流失與水土保持研究進展

顏　萍，熊康寧，王恒松，李　晉，劉　洋

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

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喀斯特地區水土流失與水土保持研究進展

顏萍1,2，熊康寧1,2，王恒松1,2，李晉1,2，劉洋1,2

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

[摘要]通過對近一個世紀以來喀斯特地區水土流失與水土保持的文獻研究，發現自2000年起喀斯特地區水土流失與水土保持研究的相關文獻呈現快速增長趨勢，分為探索階段、起步階段、增長階段和快速發展階段，從基礎理論、技術措施、模式構建、試驗示范和監測評價等方面對這一領域的主要標志性成果進行了總結，提出了擬解決的關鍵科技問題，并對今后的工作進行展望：針對喀斯特地區特殊的地表和地下“二元”結構，應重點突破喀斯特水土保持關鍵技術適應性研究，建立喀斯特水土保持生態恢復治理模式、綜合性試驗示范和監測系統評價體系，為進一步實施水土保持措施提供科學依據。

喀斯特地區是我國主要的生態環境脆弱區之一，大面積的石漠化體現了水土流失的嚴重性[1-4]。學者們在研究喀斯特地區水土流失和石漠化問題時發現，該地區土壤侵蝕模數較小，卻導致了極其嚴重的石漠化[5]?？λ固氐貐^長期受強烈的碳酸鹽巖化學溶蝕產生了地表-地下雙層空間結構，在強降雨作用下極易產生土壤流失進而導致土質退化[6]?；诳λ固氐貐^水土流失嚴重的現狀，本研究計劃收集整理國內外喀斯特地區水土流失與水土保持的基礎理論、技術措施、模式構建、試驗示范和監測評價等方面的內容，對標志性成果進行系統總結，提出該領域亟待解決的關鍵問題，并對未來的研究發展進行展望，以期能為喀斯特石漠化綜合治理提供理論依據和資料參考。

1文獻獲取與論證

以中國知網CNKI信息資源總庫、維普期刊數據庫、Ei Compendex數據庫、EBSCO數據庫、Springer Link數據庫、Elsevier數據庫、Weily數據庫等檢索平臺為基礎，在各個數據庫中通過檢索項(主題或關鍵詞)，以喀斯特、巖溶、石漠化等作為檢索詞進行初次檢索，在此結果基礎上再以水土流失、水土保持、土壤侵蝕作為檢索詞進行二次檢索，檢索截止時間為2014年12月31日18:00，檢索范圍是1914—2014年國內外喀斯特地區水土流失與水土保持的相關文獻資料。共檢索到中文核心期刊論文297篇、中國優秀碩士學位論文66篇、中國博士學位論文15篇、中國科技項目創新成果13項、中國專利19項、中國重要會議論文37篇、中國重要報紙文獻15篇、中國行業標準2項。在中國知網外文文獻檢索欄、外刊資源服務系統、Springer Link數據庫、Elsevier數據庫和Weily數據庫中通過檢索關鍵詞——karst soil erosion、karst water and soil conservation、karst rocky desertification、limestone soil erosion等，共獲取外文期刊論文134篇，主要研究地區為中國南方喀斯特地區、地中海沿岸地區和美國愛德華茲高原喀斯特地區[7-12]。

1.1文獻年度分布情況

從喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻數量年度分布(圖1)發現，1980—2000年每年只有零星的一兩篇相關研究論文發表。外文期刊中最早的一篇是Drew在1983年發表的《Accelerated soil erosion in a Karst area: The Burren, western Ireland》[11]。自2000年開始，中文核心期刊論文、碩博士學位論文、科技項目創新成果、專利、重要會議論文、重要報紙文獻、標準、外文期刊論文等相關文獻的發表數量迅速增加，表明近15年來世界范圍內關于喀斯特地區水土流失與水土保持的研究呈上升趨勢，其中增長速度最快的是期刊論文。2013—2014年相關專利數量呈迅速增長趨勢，僅2014年有關喀斯特地區水土流失與水土保持的獲批專利就有12項。

圖1　喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻數量年度分布

1.2 文獻內容和學科分布情況

將國內外有關喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻的內容分為基礎理論、關鍵技術、監測評價、治理措施和其他(圖2)。以基礎理論的居多，有211篇，占研究文獻總數的35%；水土流失關鍵技術的文獻154篇，占26%；監測評價的文獻112篇，占19%。涉及學科主要有環境科學、農藝學、農業基礎學、環境科學與工程、農業經濟、自然地理學與測繪學、地質學等，其中：環境科學學科的文獻最多，有99篇；農藝學學科的文獻次之，有68篇(圖3)?？梢娍λ固氐貐^水土流失和水土保持的研究內容和農業、地理、環境等學科關系緊密。

圖2　喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻內容分布(單位：篇)

圖3　喀斯特地區水土流失與水土保持s研究文獻學科分布(單位：篇)

1.3文獻數量和研究機構分布情況

從國內外喀斯特地區水土流失與水土保持文獻數量在科研院所分布情況(圖4、5)可以發現，發表論文最多的是貴州師范大學(91篇)，其次是貴州大學(41篇)、西南大學(37篇)等，我國的有關研究機構以貴州的科研院校為主；國外相關研究機構分布比較分散，但總體集中在歐洲和美國的科研機構，如俄羅斯科學院(3篇)、哥倫比亞大學(2篇)、愛爾蘭國立高威大學(2篇)、科羅拉多州立大學(2篇)等?？λ固氐貐^水土流失與水土保持研究機構的分布情況與喀斯特地區分布情況基本一致，中國南方喀斯特地區研究機構的文獻數量占總數的一半以上。

圖4　中國喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻數量在科研院所分布情況

圖5　國外喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻數量在科研院所分布情況

2研究階段劃分

從文獻數量年度分布可以看出，喀斯特地區水土流失與水土保持研究文獻的發布時間主要是20世紀80年代之后，但從世界范圍來看，20世紀20年代開始就有學者開展了相關研究。筆者綜合收集的資料文獻，將喀斯特地區水土流失與水土保持研究劃分為4個階段(表1)：20世紀20—50年代為探索階段、60—70年代為起步階段、80—90年代為增長階段，2000年至今為快速發展階段。

3國內外研究取得的標志性成果

3.1基礎理論

(1)喀斯特地區土壤侵蝕機理?？λ固氐貐^土壤侵蝕的機制和機理研究一直是土壤侵蝕領域的研究熱點及重點，由于研究成果較為分散，需要全面地展開對這一特殊地理單元土壤侵蝕機理的研究工作[23]。趙中秋等[24]結合中國南方喀斯特地區的地質地理背景，從生物、化學、物理等角度對喀斯特地區土壤退化的過程與機理進行了分析與探討。張信寶等[22]提出了喀斯特地區坡地土壤侵蝕是地表流水侵蝕、重力侵蝕、土下化學溶蝕、地下流失、蠕移、人為加速侵蝕等多種方式疊加的混合侵蝕。曾凌云[25]以貴州紅楓湖流域為研究對象，利用遙感影像、降雨、地形和土壤等數據對流域土壤侵蝕敏感性進行評價與分析，估算流域潛在土壤侵蝕量。

表1　喀斯特地區水土保持研究階段劃分

(2)喀斯特地區地表-地下水土流失的特殊性。Drew、Bell等[11，26]通過地衣、孢粉、考古等研究報道了喀斯特地區的土壤存在向地下空間流失的現象。Geissen等[8]針對墨西哥地表-地下漏失情況，運用分類樹預測落水洞發生和巖溶管道的高危險區域，但不能預測不同形式下地表土壤侵蝕程度。楊成華[27]認為在地下水位埋藏深的喀斯特地區，降水通過漏斗、落水洞、洼地等迅速進入地下，導致地下水土流失。王恒松等[28]從巖性、土壤、地下水系統、氣候、植被等方面探討了喀斯特地下水土流失的機理。唐益群等[29]以喀斯特石漠化嚴重地區——貴州省普定縣陳旗小流域為例，通過野外調查取證和室內試驗分析，重點研究喀斯特地區土壤地下漏失的過程及其機理。

(3)喀斯特土壤侵蝕預測模型研究。1965年，Wischmeier和Smith對美國30個州近30年的觀測資料進行系統分析，用降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長、坡度、覆蓋和管理、水土保持措施因子的乘積形式量化了土壤侵蝕量，采用通用土壤流失方程USLE作為預測面蝕和溝蝕引起的年平均土壤流失量的方法[30-31]。龍明忠[32]以貴州花江喀斯特石漠化地區為例，探討WEPP軟件在喀斯特石漠化地區土壤侵蝕模數研究領域的適用性。

3.2技術措施

(1)GIS與RS技術在喀斯特水土流失治理中的應用。近年來，國內外有不少學者運用GIS與RS技術在喀斯特地區開展了多方面的水土流失研究。Kheir等[33]以地中海巖溶地區為例，借助RS和GIS技術評價該地區水土流失敏感性狀況。趙海兵等[34]運用GIS和USLE模型實現了對喀斯特流域土壤侵蝕模數的估算。1999年，De Jong等[35]在歐洲典型喀斯特地中海區域運用RS技術對區域尺度上的土壤侵蝕模型進行了研究。張明陽等[36]以TM影像為主要信息源，利用GIS和RS技術對喀斯特地區的水土流失狀況進行動態監測和分析。

(2)喀斯特地區典型水土保持技術。①人工恢復植被技術。采取天然更新與人工造林相結合，通過“裁針、留灌、補闊”方式形成復層混交林，提高森林涵養水源能力[37]。②水土保持混交林營建技術。在廣西喀斯特山區采用任豆+車桑子混交造林模式營建技術，上層的任豆是生產經濟用材，下層的車桑子有水土保持功能[38]。③峰叢洼地水土保持技術。將水土流失治理與石漠化防治相結合，因地制宜實施植物籬、坡面梯化、排水溝等措施，多措并舉，綜合防控[39]。

3.3模式構建

(1)以地表水系為中心的小流域綜合治理模式。根據小流域的特點、水土流失規律，因地制宜，因害設防，采取山、水、田、林、路綜合治理的方式，建設符合山區特點的農、林、牧復合農業生產體系，與江河治理相銜接。治理模式可歸納為“一個規劃、兩個體系建設”，即全面規劃，合理布局，綜合防護體系和復合農業生產體系建設[40-41]。

(2)典型脆弱生態環境綜合治理模式?？λ固氐貐^生態環境系統中水、土環境要素缺損，生態環境惡化，極易發生水土流失、石漠化、喀斯特旱澇、地表塌陷等一系列環境災害，要發揮植被的水土保持作用，實施退耕還林還草政策，改良土壤的保水能力[42]，比如貴州花江巖溶石漠化綜合防治與可持續發展示范工程建成后，形成了“坡改梯—小水利—經濟作物—科技興農”的喀斯特生態環境綜合治理模式[38]。

(3)生態移民治理模式。生態移民治理模式主要是將喀斯特生存環境惡劣或地質災害頻發區的農民集體遷出[38]。以廣西環江縣的喀斯特峰叢洼地區為例，中科院長沙農業現代化研究院、廣西山區開發中心和環江縣政府聯合組建股份制扶貧企業，形成“科技單位+公司+基地+農戶”的科技扶貧和異地開發模式[43]。貴州荔波縣通過生態移民，減少和控制人畜活動對環境的破壞，有效遏制了喀斯特地區水土流失的擴展。

3.4試驗示范

在推進喀斯特地區水土流失治理的過程中，始終注重發揮榜樣的作用，采取抓典型、做示范、創樣板的方式，以點帶面，實現區域的可持續發展。

(1)鎮寧典型喀斯特水土流失治理開發試驗示范。通過探索生態恢復、更新、改造和重建的新方法，按照“新喀斯特觀”和“雜種優勢”理論，采用藥—糧—油作物間作套種技術，開辟了13.33 hm2石灰巖荒山作為微生態環境試驗示范點，從而有效開發利用荒山地、控制水土流失，并獲得經濟效益。

(2)“頂壇模式”——石漠化治理試驗示范。1992年貞豐縣提出“因時因地制宜，改善生態環境，依靠種糧穩農，種植花椒致富”的治理思路，在頂壇片區發展花椒生產，形成“頂壇花椒”品牌。治理后，該片區水土流失防治率達94%，土地石漠化治理率達92%，森林覆蓋率達70%[38]。

(3)生態經濟治理試驗示范。廣西平果縣建立4條以任豆、竹子、劍麻為主的石山造林綠化示范帶，開展“任豆+劍麻”“任豆+畜牧業”生態經濟治理試驗示范，使試驗點農民生產生活條件得到改善，促進農村經濟發展，增加了農民收入，為喀斯特地區開展大規模石漠化水土流失綜合治理提供了典范和經驗借鑒[44]。

3.5監測評價

(1)喀斯特水土保持效益監測的方法和指標。梅再美等[45]以貴州清鎮退耕還林(草)示范區為例，對喀斯特地區水土流失動態特征及水土保持效益進行評價，提出了生態監測方法和指標；張芳挺等[46]以貴州畢節石橋小流域為例，探討和評價了喀斯特高原山地水土流失影響因素及水土保持效益；吳鵬等[47]以杠寨小流域為例，對喀斯特地區石漠化綜合治理的水土保持效益進行評價并構建其水土保持效益指標體系。

(2)結合水分能量平衡進行喀斯特水土流失監測。楊勝天等[48]總結了喀斯特地區水土流失遙感監測現狀，提出水土流失監測應著眼于水分能量平衡角度，并在此基礎上進行了喀斯特地區水分能量野外觀測初步試驗研究，為進一步開展喀斯特地區的水土流失監測提供了一個新的思路和方向。

(3)利用GIS技術和通用土壤流失方程(USLE)對喀斯特地區水土流失進行定量評價。許月卿等[49]在GIS技術支撐下，應用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算了貴州省貓跳河流域2002年現實土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量。楊琴[50]利用USLE建立喀斯特地區水土流失影響因子數據庫，進行RS監測，建立適合喀斯特地區的水土流失監測模型，并對研究區水土流失現狀進行了評價。楊廣斌等[5]將喀斯特地區各土壤侵蝕影響因子數據網格化，對土壤侵蝕現狀和土壤侵蝕敏感性進行了定量評價。

4需要解決的關鍵問題與研究展望

各國的土壤侵蝕和泥沙狀況不同，研究的側重點也有所不同。美國、德國、日本等發達國家主要圍繞土壤侵蝕和泥沙的基本理論、河流生態、新技術等領域開展研究。印度、埃及、伊朗等主要圍繞本國存在的亟待解決的水土流失治理和工程泥沙問題開展研究。中國則偏重基礎理論、通用數學模型研究，并出現多學科交叉的發展趨勢?；诳λ固氐貐^土壤侵蝕的復雜性，對土壤侵蝕的基礎性研究和喀斯特地區土壤侵蝕進行定量評價和預報，將是今后相當一段時期中國喀斯特地區水土流失與水土保持研究的重要方向[51-53]。

4.1深入開展喀斯特地下水土流失機理研究

針對喀斯特地區特殊的地表和地下“二元”結構形成的地表和地下既獨立又相互聯系的兩個土壤侵蝕系統[54]，導致地下水土流失地域的不連續性和不完整性、水土流失過程的不均衡性、水土流失危害的多樣性和潛在性等問題[28]，從宏觀與微觀角度分析，將環境因子和地質因子相結合[55]，開展喀斯特地區地下水土流失機理研究與技術示范，并結合喀斯特地區地表水土流失的相關理論與成果，形成喀斯特地區地下水土流失與水土保持理論體系[14]。

4.2加強喀斯特水土保持關鍵技術研究

由于喀斯特地區水土流失研究的技術模型、評估方法較其他地區落后，因此急需建立適合喀斯特地區的土壤侵蝕試驗觀測技術、土壤侵蝕過程研究的核示蹤技術，加強喀斯特水土保持關鍵技術研究，結合“3S”、三維激光掃描和幾何攝影測量等技術，運用衛星雷達數據調查喀斯特地區的水土流失狀況，開展喀斯特地區水土流失的現狀評價、驅動力分析、模型試驗等方面的研究工作，以形成水土流失與水土保持的綜合防治技術體系[56]。

4.3建立喀斯特水土保持生態恢復治理模式

根據喀斯特地區的水土流失特征和立地條件，應結合石漠化治理的成功經驗，總結和大力研發水土保持治理技術，并進行優化、組裝、配套，構建水土保持治理技術集成體系，形成水土保持效益、產業效益和惠及民生顯著的水土保持技術模式與生態衍生產業技術集成[57]，建設喀斯特地區水土保持綜合治理模式示范樣板和關鍵技術的中試與示范推廣基地[43]。

4.4加強喀斯特水土保持試驗示范綜合性研究

結合石漠化的綜合防治，以水土資源的有效保護和充分合理利用為原則，以生物措施為主、工程措施為輔，兼顧生態、經濟和社會效益，研發適用于喀斯特不同地貌條件、不同氣候條件、不同社會經濟條件的水土保持生物與工程技術，因地制宜開展綜合性試驗與示范[40,58-59]。

4.5構建喀斯特水土保持監測系統評價體系

針對喀斯特地區缺乏關于水土保持監測方法的系統研究，微觀和宏觀監測之間如何有效地進行關聯分析目前還是一個空白的現狀，應重點研究如何利用有限的地面監測資料，系統分析喀斯特地區水土流失的空間分布特點與動態變化。加強水土流失典型調查和監測，采用定量和定性結合方法，建立適合喀斯特地區的水土保持監測網絡，提高喀斯特地區的水土流失監測信息管理水平，建設數據庫，開發預測預報模型，實現該區水土保持系統性的動態監測管理，從而構建喀斯特水土保持系統監測評價體系[60-62]。

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(責任編輯李楊楊)

[基金項目]國家“十二五”科技支撐計劃重大課題(2011BAC09B01)；貴州省科技計劃重大專項(黔科合重大專項字[2014]6007號)；貴州師范大學研究生創新基金[研創2014(24)]

[中圖分類號]S157

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)01-0054-06

[作者簡介]顏萍(1989—)，女，四川樂山市人，碩士研究生，主要從事喀斯特地貌與洞穴和石漠化治理方面的研究；通信作者熊康寧(1958—)，男，貴州威寧縣人，教授，博士生導師，碩士，主要從事喀斯特地貌與洞穴、世界遺產和石漠化治理方面的研究。

[收稿日期]2015-03-31

[關鍵詞]喀斯特；水土保持；研究；進展