喀斯特石漠化治理水土流失的时空变化

喀斯特石漠化治理水土流失的时空变化

1石漠化治理示范区确立的背景中国南方的喀斯特代表了世界上最典型的亚热带湖泊。这一地区除了拥有石林、荔波、武隆为代表的世界自然遗产外,石漠化已成为中国三大生态灾害之一,国家在21世纪后加大了治理力度。水土流失是石漠化形成的核心问题,然而很长时期内,喀斯特地区水土流失资料缺乏,传统研究方法的不适用,严重制约了该领域的研究进程,许多科学问题有待进一步阐明。作为中国南方喀斯特的中心,贵州省的石漠化面积比重居我国首位,其石漠化研究、治理在全国都具很强的代表性。2006-2010年期间,结合石漠化治理工程,我们在贵州喀斯特高原上设立了三类不同地理环境的石漠化治理示范区,进行了长期水土流失监测。本文通过对前人研究成果的吸收、大量的实地考察、长期监测数据的分析,旨在系统总结石漠化治理区这类脆弱生态环境下的水土流失特征与关键问题,丰富喀斯特地区水土流失的理论基础、监测体系及参照数据,为长期而艰巨的石漠化治理提供科学支持。地质、地貌因素是石漠化脆弱生态系统得以存在、发展的载体与物质基础,因此典型石漠化区首先从地学的角度进行选择。毕节鸭池、清镇红枫湖、贞丰—关岭花江石漠化治理示范区分别代表典型的喀斯特高原山地、高原盆地和高原峡谷地貌(图1)。石漠化地区不仅自然环境恶劣,而且整个生态经济系统都出现了问题,为了系统地解决问题,典型治理示范区的选择兼顾了气候类型、石漠化程度、治理时间、人口密度、农业发展模式等多个自然—人文地理要素(表1)。本文将从不同的地理视角分析水土流失发生机制与空间差异,获取客观、全面的科学结果。2监测水土流失的方法与动态变化2.1样地设置和选择在系统论思想的指导下,石漠化治理以小流域为单元进行,与治理工程同步,在三个示范区内分别划出4条(石桥、王家寨、羊昌洞、顶坛)核心小流域作为监测单元,每条小流域内分别设立系列监测样地,共计45块(图2)。样地的选择依据是能够全面涵盖整个示范区的整体情况,包括地貌部位、石漠化等级、土地利用、治理措施等。水土流失调查基于野外定位监测,根据三个研究区的实地条件,选择相应的监测手段,具体情况如下。2.1.1适宜修建区域此法是获取土壤流失量的经典方法,但在基岩露头多的石漠化山区,修建时有一定限制,有些地段甚至不适宜修建。本研究中径流小区主要应用在土层较厚的鸭池和红枫湖的潜在—轻度石漠化样地。通过测定不同径流小区每次降雨后的土壤流失量,将一年内所有降雨事件的土壤流失量累加,得出样地一年的土壤侵蚀量。2.1.2单位面积土壤流失量及容重监测式中,Δh为土壤侵蚀厚度(mm);M为单位面积土壤流失量(t/km2);γ为土壤容重(g/cm3),以监测当年的各示范区的平均值为准;k为样地的裸岩率。2.1.3砂池法2.1.4土壤侵蚀模数法通过径流小区和侵蚀线(针)法计算出样地的土壤侵蚀模数,据此转换成区域土壤侵蚀模数的公式如下:式中,为区域的土壤侵蚀模数;Msi为区内各级土壤侵蚀强度;fi为区内各级土壤侵蚀强度面积比例;Ai为各级侵蚀度面积;A为区域总面积。2.2土壤侵蚀模数变化从典型石漠化治理区核心小流域的监测数据(表2)分析可知,虽然三个研究区土壤侵蚀模数相差较大,但经过5年治理,总体上研究区的土壤侵蚀模数均呈逐年递减的趋势,平均年降幅为5.08%~8.82%,土壤资源得到了有效保护。2010年鸭池高原山地区的侵蚀量较上一年有小幅回升,这与2009年8月至次年4月西南地区的大旱灾有很大的关联,同时体现了山地区对干旱灾害的抗逆性较弱。从空间上对比,土壤侵蚀模数表现为高原山地>高原盆地>高原峡谷,其中高原峡谷的土壤侵蚀模数极低,远小于其他两个研究区。高原山地土层较厚,境内多传统耕作方式,土壤垦殖率高,大于25°坡地近1/4,水土流失严重,在水保措施实施后,土壤侵蚀模数持续降低,降幅较大。高原盆地的自然优势明显,大于25°坡地小于10%,植被生态较好,水土流失相对较轻,在经果林、草地大面积建设后,土壤侵蚀模数降至一个较低值,呈小幅度稳定下降趋势。高原峡谷区深切,大于25°坡地达40%以上,前期水土流失剧烈,现阶段近无土可流,加上本区石漠化治理时间早,目前的治理效果较好,近几年侵蚀模数一直非常小。3不同视角下水土流失的特点3.1不同的管理方法3.1.1侵蚀量的估计结果鸭池高原山地区的人口密度远大于其他两个研究区,粮食压力大,加上石漠化治理年限较短,其他模式的经济效益未深入人心,目前的农业发展模式仍以粮食种植为主。在石漠化治理核心区石桥小流域内,通过典型小块样地的监测获取不同水保措施的土壤侵蚀量,再通过示范区各类水保措施面积推算出整个示范区的侵蚀量(表3)。监测结果显示:坡耕地和置荒地生态环境较差、人类活动强烈,土壤侵蚀量大,动态变化特征不稳定;坡改梯有着非常大的减沙效益,但5年来侵蚀量变化特征不稳定,说明坡改梯措施从地形坡度上阻止了流失过程,而人为活动然强烈;水保林与经果林均表现出了较好的保土效果,在种植幼苗期因为翻种等可能会导致短期内流失较大,随着植被生长,流失量逐年稳定减小;封禁治理区由于强度石漠化环境以及无需翻种的特点,治理初期土壤侵蚀量便很小,此后逐年稳定下降。5年来各类监测样地的土壤侵蚀量总体表现为坡耕地>置荒地>经果林>水保林>坡改梯>封禁治理,坡耕地的土壤侵蚀量远大于其他地类,而封禁治理的侵蚀量远小于其他,最大值与最小值相差32倍。高原山地的自然环境决定了水田极少、缓坡旱地较少,当地人民大量开垦坡耕地,这是该区土壤侵蚀量大的直接原因。3.1.2两种治理模式的差异红枫湖示范区是一类自然条件较优的喀斯特环境,利用地理区位上的优势,目前经济发展较好,羊昌洞小流域、王家寨小流域分别是重要的草食畜牧和果蔬基地,对改善当地经济起到重要作用,二者分别在土壤肥沃的盆地内发展草食畜牧业与种植农业,而对盆地四周的边坡、台地,均种植水保林、经果林,对山坡中度以上石漠化土地则采取封禁治理。两种治理模式的差异主要体现在植被上组合方式、盖度及盖度变化上。农业模式以农作物占主导,植被的季节变化频繁,夏冬相差悬殊,而畜牧业草地由于轮流割草的管理方式,整体植被覆盖变幅较小。这样的差异直接影响了水土流失,监测结果(图3)显示5年来两个小流域的侵蚀模数均在稳定地下降,反映了石漠化治理的水土保持效益,而生态畜牧业则更胜一筹,说明了草地建设能同时具备良好的经济与生态效益。3.1.3生态顶堂模式花江示范区的人口密度看上去较小,为147人/km2(表1),但考虑到其中-强度石漠化的恶劣环境,该区土地资源极其稀缺,人地矛盾异常突出。花江峡谷是最早探索石漠化治理的地区,绝地逢生,发展了成功的“顶坛模式”。顶坛小流域是典型的纯碳酸盐岩峡谷环境,境内鲜有连片土被,在零星分布的土地上,从潜在石漠化到强度石漠化土地,当地农民都种植了花椒。因此除原生样地外,几乎所有监测样地都是花椒林。种植花椒给当地农民带来了良好的经济效益,这在如此恶劣的自然条件下是极其成功的;通过长期的生态监测,经济林模式也带来了很好的生态效益,水土保持便是其中的重要一方面。根据石漠化样地的监测数据计算,侵蚀模数从2006年的24.04t/km2.a降低到2010年的18.16t/km2.a,减沙率为22.61%。3.2不同等级石漠化土壤侵蚀从前面的论述中可以看出不同土地利用下土壤侵蚀量的差异非常大,鸭池示范区坡耕地的侵蚀量是封禁治理区的30倍以上,侵蚀量上巨大的差异不仅仅是由不同土地利用方式造成的,还有更内在的原因——地表特性的差异。土地利用反映了人类活动和植被方面的特点,却无法体现坡度与土被的特征。石漠化等级划时充分考虑了坡度、土被、植被等特征,不同等级石漠化很好体现了地表特性的差异(表4),在喀斯特区,石漠化状况从根本上决定了该区水土流失的基本特点。其中土被的状况,主要是土层厚度和土被覆盖率直接决定了多少可被侵蚀的物质基础。因此,在一个土层薄、土被斑状分布的地区,无论是何种土地利用类型,土壤侵蚀量都会非常之小。在选取监测样地时充分考虑了示范区石漠化等级现状,样地覆盖了无—强度5个等级,另外还设置了用做对照的原生林地。针对不同等级石漠化区的监测结果显示(图4),不同等级石漠化区的侵蚀量差异明显,反映了一定的侵蚀特征与变化规律。综合分析3个示范区的土壤侵蚀数据,结合石漠化土地的地表特征,可从不同等级石漠化视角归纳出以下特征:(1)潜在、轻度石漠化区既有较大的土被覆盖和较厚的土层,又有足够大的坡度将雨水转化成侵蚀动力,潜在石漠化区由于土层更厚、地类常为坡耕地、荒山荒坡等,故土壤侵蚀量最大,且年际变化不稳定;轻度石漠化区侵蚀量次之,在实施经果林、种草等措施后,土壤侵蚀量逐年减小。潜在石漠化是下一步治理的重点区域,目前的水土流失危害巨大,以鸭池示范区最为严重。(2)中度和无明显石漠化区的土壤侵蚀量均较小,但是原因不同,前者有足够的坡度提供侵蚀动力,但可供流失的土少;后者有较厚的土层,坡度却较小。中度石漠化区在不采取水保林、封育治理前,侵蚀量比无明显石漠化的高,随着治理年限增长,土壤流失量逐年减小。无明显石漠化区在坡度小于5°时流失较弱,但若坡度大于5°,流失量将大大增加,且其年际变化常不稳定,需注意其潜在的危害。(3)强度石漠化区的土壤侵蚀量很小,甚至极低,该区有足够大的坡度将降雨转化成侵蚀径流,但经历了长期剧烈流失后,现已濒临无土可流失,以花江示范区最为典型。与原生林地相比,虽然同为侵蚀量微弱的区域,但二者的生态环境却为两个极端。强度石漠化区在采取封禁治理后,在植被恢复的同时,水土流失亦能逐年降低。因此强度石漠化区的土壤侵蚀量貌似微弱,保其水土后才能带来改善其生态环境。龙明忠以花江峡谷样地实测数据为基础,选取坡度、植被覆盖率、有机质含量、土壤含水量、降雨侵蚀力、裸岩率这6个相关性较大的因子,建立了不同等级石漠化的土壤侵蚀预报模型,经检验,该模型能较准确的预报各等级石漠化下的侵蚀量。在不同等级石漠化土壤侵蚀模型中,各指标的贡献率差异明显,说明了石漠化等级对土壤侵蚀的控制。综上所述,不同等级石漠化地表特性差别大,土壤侵蚀特征各不一样,但目前喀斯特区土壤侵蚀分级标准并未体现各石漠化等级间的区别。为了更科学的对待这一地区水土流失问题,下一步应根据不同等级石漠化的地表特点,细化土壤侵蚀强度的分级。在此基础上,以石漠化地区主要的环境特征为切入点,研制出因地制宜的治理措施。4几个核心问题4.1石漠化坡度、坡度水土流失现状地貌类型控制了自然生态环境的特征,从宏观上制约了区域水土流失强度,中国南方喀斯特多山,坡度决定了地表径流和冲刷的基本驱动力。尽管生态与工程措施能缓解坡地的土壤侵蚀,但地貌陡峻显然增加了水土流失的敏感性,水土易流失是这一地区的重要特征。2006-2009年间,贵州省水土保持监测站在“西南喀斯特地区土壤侵蚀机理及水土流失预测研究”项目中,据不同坡度小区对土壤侵蚀量进行了长期监测(图5),在不考虑植被覆盖的情况下,土壤侵蚀量与坡度呈正相关,但这种变化并非线性增加,而是类似存在一个临界坡度:坡度5°~10°区间,土壤侵蚀量低且缓慢增长;坡度10°~15°区间,土壤侵蚀量急剧增加,15°小区的侵蚀量比10°的增加了308%;坡度15°~40°,总体上土壤侵蚀量只缓慢增加,局部区间甚至有小幅下降。从>15°和>25°坡地比例这两组数据看(表1),三个示范区均表现为高原峡谷>高原山地>高原盆地,单从坡度的角度看,高原峡谷的水土流失敏感度最高,然而近5年峡谷区的土壤侵蚀量却最低。这主要因为峡谷区虽有陡坡将降雨转化为侵蚀径流,却没有足够的土壤可被流水侵蚀。高原山地人口密度大,但平缓洼地较少,突出的人地矛盾导致大量坡耕地的开垦,加之这一地区的土层较厚,土壤侵蚀模数远大于另外两个示范区。石漠化治理工程实施后土壤侵蚀得到一定控制,但坡耕地仍然大面积存在,水土流失形势依然严峻。在粮食压力短期无法缓解的背景下,坡改梯工程是最有效的一种治理方法,从保护生态环境的长远目标出发,还需考虑产业转型,将传统的粮食种植引导向生态农业模式。高原盆地区的自然条件最好,有较大面积的平缓洼地供农业种植,洼地四周的山地多为缓丘,在控制了坡地的水土流失后,该区的土壤侵蚀量下降到一个稳定的低值。羊昌洞片区成功发展了草地畜牧业,对草地的监测结果表明,喀斯特地区种草不仅能带来较好的经济效益,也是一条有效的水土保持途径。此外,大面积裸露的岩石也是喀斯特地表景观的一个特点,据王济等对不同裸岩率下喀斯特高原土壤侵蚀的室内模拟试验,同一坡度或不同坡度条件下,坡面总径流量和总土壤侵蚀量均随着裸岩率的增大而减小。原因主要有:(1)裸岩含大量节理、裂隙、管道等,能吸收和渗漏一定量的降雨。(2)由于长期的风化作用,裸岩能吸收和吸附部分降雨。(3)裸岩的截流汇流作用降低了地表径流速度。据此,石漠化等级高的地区产流产沙量有减弱趋势,这一定程度上影响了不同地貌类型区的水土流失特征。三个治理区的裸岩率大小与土壤侵蚀量大小顺序是吻合的。4.2生态恢复措施石漠化综合治理工程的核心内容是生态修复,植树造林、退耕还林(草)、封山育林、作物改良是主要的治理手段。石漠化区土壤侵蚀模拟试验表明,地表植被覆被对降雨侵蚀产沙过程有重要掏抑制作用。流域产沙量与地貌形指标相关分析显示,当下垫面环境特性比较均一的情况下,地貌形态才会对流域产沙量产生显著影响,植被因素往往控制了区域下垫面的环境特性,由此可见,尤其在较大尺度上,植被对水土流失的控制作用明显。在治理区长期的调查中发现,植被主要通过以下途径保护水土:(1)植被林冠层对降雨进行截流,削弱了降雨的侵蚀动力。(2)枯枝落叶层吸收降水作用很大,减少了地表径流,作为土壤层的覆盖物,阻挡了土壤溅蚀。(3)植物的根系网络能固结土壤,改良土壤孔隙率,增加透水性,死亡的根系有利于土壤有机质的增加,增强土壤抗蚀性。样地内土壤根系密度与土壤侵蚀模数均为负相关。(4)空气湿度高、光照强度弱的环境能生长苔藓植物,苔藓层减缓了雨滴溅蚀与径流冲刷,使土壤抗蚀性大大增强。据我们对花江峡谷区13份标本的室内实验,苔藓类的最大持水率达407%~504%,等值降雨量为0.86~1.50mm。石漠化治理区植被覆盖率与保土作用呈明显的正相关,均表现为随着植被覆盖率增加,土壤侵蚀模数逐渐降低。对植被覆盖率与土壤侵蚀模数作单因子相关分析可得,y=31.998-0.0027x2-0.1413,其中y为土壤侵蚀模数,x为植被覆盖率,相关系数r=0.793,置信度水平47.07%。但植被覆盖率指标不能完全反映植被的水土保持功能的差异,综合性的评价指标能全面的评植被对水土流失的影响。据我们对三个示范的生态监测分析,2006-2010年间,高原山地区植被覆盖率分别升高了13.21个百分点,物种多样性指数提高了26.85%,群落均匀度指数提高了1.06倍,草本、灌木生物量分别提高了6.58倍和9.25%,土壤侵蚀模数降低了33.15%;高原盆地区的植被覆盖率分别升高了12.53个百分点,物种多样性指数提高了96.86%,群落均匀度指数提高了1.13倍,草本、灌木生物量分别提高了2.07倍和14.41%,土壤侵蚀模数降低了35.29%;高原峡谷区植被覆盖率升高了21.21个百分点,物种多样性指数提高了18.38%,群落均匀度指数提高了6.72倍,草本、灌木生物量分别提高了27.42%和49.81%,土壤侵蚀模数降低了20.31%。总体上讲,生态恢复措施有良好的水土保持效果。经济林模式在生存条件最困难的高原峡谷区获得了成功,但在其他地区实施遇到了一定的难度,因为经果林的经济效果在短期内无法显现,有些地区土地资源相对较多,当地农民在传统思想影响下不愿放弃粮食耕种。而发展草地畜牧业既能快速有效的减少水土流失,又能在短期内带动经济发展,兼顾生态和经济两大目标,因此十分值得在石漠化治理工程中推广。4.3地下流失主要影响因素喀斯特特殊的地下流失在近几年被广泛提及,它体现了喀斯特环境的先天脆弱性。但地下流失的专题研究很少,定量研究则极少。当前一个关键的问题是其在喀斯特地区地表-地下水土流失总量中的贡献率不清楚。由于地下流失过程异常复杂,目前针对地下流失的监测尚在探索之中。据李晋等对王小寨小流域小庙山地下河断面的连续监测结果,在2009-2010年一个完整水文年内,该流域土壤地下流失速度率为0.42t/km2,仅占地表-地下土壤流失总量的0.81%。王家寨小流域的地下流失微弱与落水洞被挡墙围住有很大关系,这防止了土壤大量流入落水洞被地下河带走。对地下流失贡献率的总体评价有待更多地貌类型区的长期监测数据来断定和支撑。从理论上讲,地下流失途径大致包括土壤沿裂隙、管道、落水洞、溶洞、地下河流走这几类,国内学者对以上方式均有提及,但无实测数据支撑;国外关于地下流失的研究重点考虑落水洞这一要素。争议较大的是坡地土壤沿连续贯通的裂隙、管道、孔洞流入地下空间,有学者认为这种流失是石质坡地的主要驱动力,也有学者认为在流域尺度,通过这种途径的流失量是小的,绝大部分的泥沙主要通过短距离的坡面运移从低洼处的落水洞、漏斗进入地下暗河系统。笔者认为山坡的表层岩溶带由于与地下水动力联系弱,孔隙本身的空间小,土壤更多的是充填在其中,通过此途径连续蠕滑导致的流失量的可能性小。要准确判裂隙、孔洞中的土壤有无运移,有待于对裂隙土壤成分进行测年断代,根据IngoFeeser对爱尔兰Burren地区裂隙土壤中木炭碎片的14C断代的结果,3个样品的结果分别为晚铁器时期、11-12世纪、4-5世纪,时间相差很大,说明了土壤落入裂隙的时期不同,其后已长时间停止运移。洼地内的落水洞、漏斗、竖井等对地下流失的潜在危害度高,这几类负地形空间大,洞口位置低,与地下水系统动力联系强,土壤易大量流入其中,被地下河源源不断的带走。因此它们是地下流失防治时的关键环节,在大型负地形的入口处采取挡墙等工程措施保护,防止土壤大量落入。同时考虑到洼地内可能出现塌陷形成新的洞口,则要采取生态措施,建立植物防护带、防护圈,用树林的根系网固作用进行预防。5石漠化区水土流失现状和治理技术(1)结合石漠化治理工程的监测数据表明,2006-2010年中,高原山地、高原盆地、高原峡谷的核心小流域的土壤侵蚀模数分别下降33.15%、35.29%、20.30%。不同地貌类型区的水土流失特征差异明显,高原山地土层较厚、陡坡开垦,土壤侵蚀模数最大;高原盆地利用自然优势,发展生态畜牧业与生态农业,侵蚀量降低到一个稳定的低值;高原峡谷中—强度石漠化环境几乎无土可流,加上发展经济林、治理时间较长,现阶段侵蚀模数极低。(2)在不同土地利用类型监测样地中,坡改梯、水保林、经果林、封禁治理均获得了良好的水土保持效果。其中,坡改梯的减沙效益巨大,高原山地坡耕地在实施坡改梯后减沙率达92.98%;经果林和水保林在种植初期可能因为翻耕短期内流失较重,但随着植