中国西南喀斯特地区是世界上面积最大(55×104 km2)[1]、喀斯特发育最典型、人地矛盾最尖锐的喀斯特连续分布带,中心位于贵、滇、桂为主体的岩溶高原地区,脆弱的生态环境严重制约着当地经济发展,这里集中了全国近50%的贫困人口[2],贵州和广西两省88%的贫困县位于石漠化地区[3]。由于喀斯特地区土壤侵蚀具有隐蔽性,20世纪80年代以前,该地土壤侵蚀问题尚未引起广泛关注[4,5]。在人口超载和社会经济落后的双重压力下,喀斯特地区土壤侵蚀加剧,石漠化快速发展、生态环境恶化等问题日益突显。20世纪80年代后,特别是进入21世纪以来,该地区土壤侵蚀研究受到越来越多的关注[5,6],目前研究领域主要集中于土壤侵蚀特征、现状及其分级标准,土壤侵蚀成因及其治理措施以及比选适宜方法定量评价侵蚀量等。

由于控制侵蚀过程的主导因素显著不同,区域间土壤侵蚀和泥沙输移过程、水土流失导致的环境问题也必然存在差异。按照自然环境特征和水土流失特点,水利部将全国分为东北黑土区、西北黄土高原区、西北风沙区、北方土石山区、南方红壤丘陵区、西南石质山区和青藏高原冻融侵蚀区。最新水利普查结果显示,目前西南石质山区水土流失面积达36.12×104 km2,占全国水土流失总面积的27.93%,并且该地区侵蚀程度为强烈及以上的面积占比高出全国平均值5个百分点[7],也就是说,西南石质山区不仅水土流失面积大,而且侵蚀程度非常严重。在西南石质山区,一旦土壤流失导致土地石漠化,进行生态再修复十分困难。因此,掌握该区土壤侵蚀环境和侵蚀方式特殊性,从控制侵蚀关键因子切入,预防或缓解水土流失,对保护区域生态环境安全十分重要。

西南喀斯特山区特殊的地质背景与地理环境条件决定了土壤发育演化具有显著特异性。该地侵蚀环境主要有以下特征:①地貌类型多样,地形切割破碎。南方石漠化治理工程根据地势特点、大地构造和气候条件,将喀斯特地区划分为岩溶槽谷、岩溶高原、岩溶峡谷、断陷盆地、峰丛洼地和峰林平原6种主要的地貌类型[8]。喀斯特地区山高坡陡,贵州省地块平均坡度达21.72°[9],为水力侵蚀提供较强的动力。②多数碳酸盐岩酸不溶物含量不足10%,纯石灰岩或白云岩甚至低于1%,导致喀斯特地区成土过程缓慢,纯碳酸盐岩母质上形成1 m厚的土层需要250~7 800 ka,是非岩溶区的10~40倍[10]。③由于土壤蠕滑作用,喀斯特地区土壤与下覆基岩直接接触,缺少半风化碎屑母质层,降雨入渗后土石界面的侧向径流易诱发严重的土壤侵蚀[11,12]。④缺土少水,富钙元素多,营养元素缺乏,特别是钾含量低的土壤环境仅适宜生长耐瘠、抗旱嗜钙的岩生性植被,植被生态系统蓄水拦沙、保护地表免受侵蚀的作用微弱[12,13]。⑤土壤—植被生态系统的脆弱性是喀斯特山区土壤侵蚀性退化的内因,而不合理的人类活动,如长期掠夺式毁林开荒、陡坡耕作等,则是该地土壤侵蚀性退化的外动力和主导因素[14]。总之,在生态脆弱和人地矛盾双重因素综合作用下,喀斯特地区土壤侵蚀风险很高。

独特的水文过程、水化学作用以及地下裂隙系统是西南喀斯特地区土壤侵蚀的背景,充分认识喀斯特地区水土流失方式的特殊性是评价、监测、治理该地区水土流失问题的基础。喀斯特山区侵蚀过程是地表流水侵蚀(面蚀、沟蚀、石隙刷蚀、潜蚀等)、重力侵蚀(崩塌、滑坡等)、化学溶蚀、地下流失、蠕移、人为加速侵蚀等方式的混合叠加[11,15]。自然状态下,化学侵蚀是喀斯特地区的主导侵蚀方式[12]。地势低洼地区,沉积土壤中多有机酸和CO2,具有较强侵蚀能力的雨水、地表径流在此汇集并与碳酸盐岩发生反应,从而加快了土下溶蚀速率(0.06~0.3 mm/a)[16]。

与其他侵蚀区相比,碳酸盐岩表层多孔隙,下覆基岩发育裂隙、漏斗、竖井、落水洞等,由于特殊的空间二元结构,喀斯特地区地表流失与地下漏失并存[17,18],在此基础上形成了独特的坡面产流产沙过程和流域汇流输沙过程;喀斯特地区多非闭合流域,区域产流汇流与输沙过程极为复杂,侵蚀因子监测与量化难度大;土壤侵蚀模数虽小,但土壤资源的流失对生态环境脆弱、人地矛盾尖锐的喀斯特地区而言危害更严重、治理恢复更困难。因此,在研究西南喀斯特地区土壤侵蚀规律、实施水土保持措施及效益评价时,不能照搬其他地区的研究成果。

水土流失规律在坡面尺度、流域尺度和区域尺度上存在很大差异。国外对喀斯特地区土壤侵蚀的研究较少,国内学者在坡面侵蚀规律和模型估算、小流域产流产沙过程模拟、河流泥沙时空变化规律等方面开展了大量研究工作,这些成果对认识和评价喀斯特地区水土流失现状、指导水土保持工作,发挥了重要作用。但由于关心重点不同、研究起步较晚和影响因素复杂等原因,与其他地区相比,西南喀斯特地区土壤侵蚀机理研究基础仍很薄弱。

西南喀斯特地区具有山高坡陡、土壤浅薄、壤中流发育、下覆基岩类型及构造复杂等特征,这些自然因素特点深刻地影响着地表产流产沙过程与强度。整体而言,喀斯特坡地土壤产流产沙量远小于非喀斯特地区;与其他侵蚀区相比,黄壤坡面天然降雨条件下单位降雨侵蚀力引起的产流产沙量小于黄土坡面和紫色土坡面[17,19]。

坡面产流产沙过程与强度受坡度、坡长、坡位、降雨强度、降雨历时、降雨量、基岩裸露率、地下孔裂隙度、土地利用类型等因素的综合影响。变坡水槽实验、人工模拟降雨实验和径流小区监测数据均表明西南喀斯特地区坡面径流分离速率、径流系数和输沙率随坡度的增大而增大,而地下产流量和产沙量随坡度增大而减小[20,21,22,23],Zhang等[24]则认为坡度对地表产流产沙的增大作用存在临界值;在天然降雨条件下,年均土壤侵蚀模数在径流小区上随坡长线性增加[25];坡中部位由于坡度较大,可能更易遭受侵蚀,重庆南川岩溶区研究结果表明土壤侵蚀模数坡中2 264.8 t/(km2·a)>坡上400.8 t/(km2·a)>坡下(侵蚀减弱至堆积)[26]。径流小区观测资料表明降雨量是影响土壤产沙量最关键的因素[27],在降雨过程资料缺乏时,产沙模数可以用M=0.54 e0.11p进行估算,其中P为降雨量(mm)[17,28]。降雨强度直接决定了降雨动能,人工模拟降雨实验表明雨强与土壤侵蚀程度关系最紧密,地表和地下径流产沙均随雨强增大而增大[29,30],地表产沙在50~80 mm/h存在临界雨强,当雨强小于50 mm/h时,地表不产流;其次为降雨历时,地表径流随降雨历时延长而增加,地下孔裂隙流则与降雨历时呈负相关[22,31]。地下孔裂隙度在喀斯特土壤侵蚀中不容忽视,Dai等[30]研究表明地下孔裂隙度和基岩裸露度会引起径流和泥沙地表地下不均匀分配,是导致喀斯特地区土壤侵蚀过程与机理复杂的关键因素。地下孔裂隙度较大时,地表径流易携带泥沙转入地下,地表径流产沙量随孔裂隙度增加而减小,地下产流产沙量则呈现相反变化趋势[22,30,31]。基岩裸露度对坡面侵蚀特征的影响较为复杂,地表产水产沙随基岩裸露度的增加呈先增加后减小的波动变化特征,地下产水产沙则随基岩裸露度的增加先减小后增加[30,31]。坡耕地是喀斯特地区水土流失的主要来源地,贵州省流失泥沙的90%来自坡耕地[20],坡耕地平均土壤侵蚀模数是林地侵蚀模数的6.32倍,是草地侵蚀模数的6.76倍[9],坡耕地年均侵蚀厚度为林草地的1.8~42倍[19]。

径流小区法是监测坡面水土流失的重要方法,而杜波等[28]认为径流小区的观测数据不能完全反映喀斯特地区产流产沙特征,在裸岩率较大或地下孔隙发育的坡地可能失效。这主要是由于侵蚀—运移—堆积平衡规律在喀斯特地区坡面、小流域、区域尺度上并非完全一致。另外,小区监测中可能存在管理不周、操作不规范等问题,数据可比性较差,部分小区监测数据质量仍需进一步提高。杨子生[32]在滇东北地区根据32个径流小区3年连续监测数据对通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)进行修订,提高了该方程在实际应用中的可靠性。龙明忠等[33]尝试将水蚀预报模型(Water Erosion Prediction Project,WEPP)(坡面版)用于喀斯特地区土壤侵蚀模拟,结果表明WEPP(坡面版)模拟侵蚀量与实测值存在较大误差,需要结合土壤漏失、地形条件、基岩裸露度等因子对模型进行修正。RMMF(Revised Morgan Morgan Finney)模型是基于物理过程的空间分布式模型,运用该模型计算得到2006—2007年广西环江古周流域坡面土壤侵蚀模数为27 mg/(km2·a),与径流小区监测结果基本一致[34]。一些学者将磁性物质或稀土示踪技术等运用到坡面水土流失研究中,其中137Cs技术在喀斯特地区土壤侵蚀研究中受到越来越多的关注。现有的利用137Cs估算土壤侵蚀的方法是在非喀斯特地区建立的,而喀斯特地区土壤异质性强,裸岩出露,汇水路径独特,存在地下漏失,侵蚀背景值不易确定,因此现有137Cs方法在估算喀斯特坡地的土壤流失速率时会出现较大误差[35],野外合理采样、室内精确测量并不一定能消除此误差。在以后的研究中,需要深入探讨137Cs技术的坡面适用性,在理论和方法上进一步完善,建立适用于该地区的137Cs评价模型。

综上所述,相关学者采用径流小区、变坡水槽实验、人工模拟降雨实验、示踪技术等研究了喀斯特坡面产流产沙规律,对土壤侵蚀影响因子进行了定量评价,取得了一些成果,但目前尚未观测砾石出露坡面产流产沙规律及其与主要影响因子之间的关系。另外,由于喀斯特山区坡面空间异质性强,点上的研究成果适用性不强,如何将坡面土壤侵蚀规律推广到流域、甚至区域尺度将成为该地区今后土壤侵蚀研究的难点之一。目前在坡面侵蚀规律研究方面主要受实测资料缺乏的限制,今后需要针对喀斯特地区地貌特征和土壤条件等差异,强化小区监测工作,积累具有时间和空间可比性的产流产沙资料。

与坡面尺度相比,流域尺度土壤侵蚀方式和过程更为复杂。就土壤侵蚀方式而言,坡面土壤侵蚀以面蚀为主,而小流域土壤侵蚀方式多样,除面蚀外,还包括沟蚀、地下漏失、重力侵蚀等;流域产流产沙过程与汇流输沙过程共同影响土壤侵蚀强度和过程。

埋桩法、沉沙池监测、沉积量测量法是简单易行的量测流域土壤侵蚀传统方法。彭建等[36]应用埋桩法计算得到花江示范区板贵坡1999—2000年平均侵蚀厚度为0.87 cm,谷坝监测得到平均土壤侵蚀模数为178.22 t/(km2·a),沉沙池监测得到牛场坡顶坛年平均土壤侵蚀模数为6.55 t/(km2·a)。埋桩、沉沙池以及沟谷谷坊等方法考虑了当地特殊的喀斯特环境,值得推广和借鉴。沉积量测量法通过土壤沉积厚度和土壤密度计算得到土壤沉积总量,再根据侵蚀面积得到土壤侵蚀模数,该方法参数容易获取,计算简便。谢良胜等[37]利用该方法计算得到贵州省毕节市威宁县麻窝山岩溶盆地流域的土壤侵蚀模数为2 900.55 t/(km2·a),与USLE所得结果接近,说明该方法具有可信性,在无资料、无测站、土壤侵蚀量大的地区比较适用。

USLE是目前计算土壤侵蚀量可信度较高的方法之一[36]。许月卿等[38]利用修正通用土壤流失方程(Revised Universaliooil Loss Equation,RUSLE),结合GIS技术,计算得到贵州省猫跳河流域年均土壤侵蚀模数为2 870 t/(km2·a)。Li等[39]将该RUSLE应用到贵州普定后寨河流域,对比可知该流域土壤侵蚀模数由1973年的222.72 t/(km2·a)减小到2013年的103.82 t/(km2·a)。陈萍等[40]应用该方法估算桂江流域年均土壤侵蚀模数为153.5 t/(km2·a),从无石漠化到中等石漠化,土壤侵蚀模数逐渐增强。水土资源管理工具(Soil and Water Assessment Tool,SWAT)模型是基于GIS的分布式水文模型,可以预测流域尺度土壤类型、土地利用方式、管理措施等对水、泥沙和化学物质的长期影响[41]。余丹等[42]根据西南岩溶地区水文特点,引入岩溶水功能模块对该模型进行修订并用于模拟猫跳河流域土壤侵蚀,对比模拟值与实测值发现,改进后的模型对流域产流产沙模拟的误差分别为3.14%和5.74%,模拟精度较高,说明该模型在岩溶山区小流域土壤侵蚀模拟中具有良好的适用性。但构建该模型需要大量基础资料,如地形条件、土地利用信息、水文、土壤、植被、气象资料等,难以推广应用[43]。

湖泊(水库)沉积物是流域侵蚀物质汇流区,受人类活动干扰小,通过同位素示踪、环境磁学性质、粒度分析、地球化学元素分析等技术可以提取出连续、高精度的流域土壤侵蚀信息[44]。徐琳等[45]根据贵州中部小河流域水库沉积物磁学特征定性分析了近45年汇水区内的土壤侵蚀动态变化特征,并结合降水、人类活动等资料探究了侵蚀强度变化的原因,该方法为喀斯特地区充满挑战的土壤侵蚀研究提供了新的思路。洼地是侵蚀泥沙的天然收集场所,土壤剖面的137Cs浓度分布特征反映了泥沙堆积与表层土壤侵蚀信息[46]。137Cs技术虽然在准确估算砾石出露坡面土壤侵蚀量上存在争议,但在流域沉积区均匀厚层沉积满足137Cs测定要求[47,48]。利用洼地或湖泊沉积反演土壤侵蚀的方法整体上来看是可行,但这种方法的精度受土地利用、汇流途径、沉积区面积及封闭性等多种因素影响,仍需要在实践中不断探索完善。

在实际水土保持工作中,常将小流域作为治理单元,但目前尚未在岩溶区流域尺度上建立起较完整的水土流失监测体系。连续高精度的小流域实测资料不足,导致对流域尺度水土流失过程、机理及其影响因子的关系认识尚不明确,制约了喀斯特地区小流域土壤侵蚀预报模型的建立[3]。小流域与坡面产流产沙过程存在一定相似性,但由于小流域存在沟道侵蚀和地下漏失,两者数值差异很大且产流产沙不同步,坡面径流小区资料不能完全准确地反映流域产流产沙特征[28]。因此将小流域作为喀斯特地区土壤侵蚀研究单元,加强对小流域水沙关系的连续高精度监测,可作为以后该区土壤侵蚀研究工作的着力点。

河流泥沙是流域土壤侵蚀与河流水文特征共同作用的结果,河流泥沙的多寡及其时空分布格局在一定程度上可以反映水土流失的严重程度和时空变化特征。在水土流失观测资料不足时,河流泥沙可作为研究区域土壤侵蚀分异特征的重要途径[49]。

在国外,已经有许多实用型模型,如美国基于年的农业非点源污染模型和SWAT等被广泛应用于河流泥沙研究。目前我国对河流泥沙的研究主要集中在黄河流域和长江流域,着力于河流水沙时空变化规律及其影响因素,而在西南喀斯特地区相关研究还不多见,一些学者对乌江、北盘江流域和贵州省输沙规律及时空动态变化进行了探索研究。降雨量、径流量和输沙量是将河流泥沙与区域土壤侵蚀过程与强度联系起来的3个关键指标。相关研究表明,三者具有较好的同步性,乌江中上游6月降雨量、径流量和输沙量均达到最大值,降水集中的4~10月产沙量占全年总产沙量的99%以上[50,51]。对比分析长时间序列河流泥沙资料可以揭示区域内土壤侵蚀的时空分异特征。熊亚兰等[50]对比乌江流域1960—1979年水沙资料发现,输沙模数从大到小依次为上游(鸭池河站)>中游(乌江渡站)>下游(思南站),流域上段地区地势陡峭,土壤侵蚀最为严重。张卫香等[49]利用1956—2000年贵州省水文泥沙资料系统分析了全省河流输沙模数的时空分布特征,结果表明受降雨、植被时空分布格局和人类活动的影响,空间上贵州省河流输沙模数西高东低,时间上呈周期性波动变化,1980年以后,由于贵州省采取了水土保持措施,水土流失量呈递减趋势。熊亚兰等[52]利用HadCM3模型预测了不同情景下河流水文泥沙变化及区域水土流失特征的响应,结果表明,与1980年相比,未来(到2080年)降雨和输沙模数均有所增加,六盘水和黔西南输沙模数增幅较大。

由于河道淤积、地下漏失等因素,被侵蚀的泥沙不能全部运移至水文站。贵州山区主要河流监测结果表明,河流平均输沙模数为322 t/(km2·a)(56~ 1 047 t/(km2·a))[53],低于中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)模型计算结果(1 584.2 t/(km2·a) )[9]。另外,受采样方法所限,采集的河流泥沙样品一般以悬移质为主,推移质含量较少,因此在用河流输沙模数表征区域土壤侵蚀模数时,要根据区域地质背景、水文过程、植被盖度等确定适宜的输移比,避免高估或低估区域实际土壤侵蚀强度。

土壤侵蚀强度分级是土壤侵蚀研究的基础工作[54],也是西南喀斯特地区土壤侵蚀研究的重点内容之一。我国现行的水利部《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)以年均土壤侵蚀模数作为评价土壤侵蚀强度的唯一依据,在西南地区存在很大争议[54]。另外,在西南石质山区统一采用年土壤侵蚀模数小于500 t/(km2·a)作为微度侵蚀的划分标准,未区分喀斯特区和非喀斯特区。西南喀斯特地区独特的侵蚀和成土环境决定了其允许侵蚀量远小于非喀斯特地区,同等侵蚀程度造成的危害较非喀斯特地区更严重。以相同标准划分,往往得出喀斯特地区水土流失不严重的错误结论,误导相关学者及部门对喀斯特地区土壤侵蚀程度及危害的认识,一定程度上滞缓了该地区土壤侵蚀研究和水土保持工作。

为了正确认识和评价西南喀斯特地区土壤侵蚀问题,需要重新厘定适合该地区的土壤侵蚀分级标准。从19世纪末开始,许多学者根据碳酸盐风化成土速率、土壤侵蚀模数、岩性组合、保持土壤肥力可持续的容许流失量等因素,定义了不同的等级划分标准(表1),均在不同程度上改进了原土壤侵蚀强度分级标准。2009年水利部发布了《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》(SL461-2009),将年均土壤侵蚀模数50 t/(km2·a)作为西南岩溶区的允许土壤流失量,该标准较准确地反映了西南喀斯特土壤侵蚀环境特征,便于对比不同学者、不同地区、不同研究方法所得结果,为科学地认识和评价区域侵蚀程度、合理地指导水土保持工作提供了重要依据。

表1   喀斯特地区土壤侵蚀强度分级标准(单位:t/(km2·a))

Table 1   Classification standards for erosion intensity for Karst areas(unit:t/(km2·a))

注:“-”表示相关文献中未划定此类别,故数据空缺

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喀斯特石漠化已成为制约我国西南区域经济发展、人民生活水平提高的最严重的地质生态环境问题[58]。西南岩溶区内石漠化总面积已达10.55×104 km2,并仍以每年2.1%的速度扩大[3]。目前西南喀斯特石漠化研究已成为地学、农学、环境学等领域的研究热点,研究内容聚焦于石漠化形成的地质地貌背景、石漠化驱动机制、空间格局及动态监测、生态治理与恢复等方面[59,60,61]。

按成因,石漠化可分为原生石漠化和次生石漠化。原生石漠化是地质时期自然环境演变的结果[18];次生石漠化是由于人类不合理活动打破生态系统平衡,加剧土壤侵蚀,导致基岩逐渐出露,目前人为因素是导致石漠化的主导成因[62]。小流域是石漠化评价的最佳尺度,在遥感图像中也很容易识别出没有被植被或土壤覆盖的岩石地表。因此,常将裸露岩石面积占地块总面积的比例作为表征石漠化的唯一指标[30](表2)。实际上,裸岩率高低并不能完全等同于石漠化强弱,当大面积裸露基岩叠加在植被覆盖较差的地区时,石漠化程度较强。张信宝等[11,18]引入石质土地面积和土壤流失程度共同评定石漠化等级。熊康宁等[64]将土被、植被、坡度、土层厚度等列为确定石漠化等级的辅助指标,但在实际操作中除了植被+土被指标外,其他指标的代表性不强。

表2   石漠化强度分级标准(单位:%)

Table 2   Classification standards for rocky desertification(unit:%)