王志剛，萬木春，孫佳佳，張平倉(cāng)

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水土保持研究所；b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430010；2.秭歸縣開明建筑有限責(zé)任公司,湖北 秭歸 443600)

西南喀斯特石漠化區(qū)土壤形成速率研究綜述

王志剛1a,1b，萬木春2，孫佳佳1a,1b，張平倉(cāng)1a,1b

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水土保持研究所；b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430010；2.秭歸縣開明建筑有限責(zé)任公司,湖北 秭歸 443600)

強(qiáng)烈的人為作用造成我國(guó)西南喀斯特區(qū)水土流失嚴(yán)重，并導(dǎo)致了石漠化。而碳酸鹽巖風(fēng)化后殘留物極少，土壤形成速度極慢，又導(dǎo)致石漠化的恢復(fù)極難。因此，西南喀斯特區(qū)石漠化的核心問題就是土壤形成與流失的矛盾。目前對(duì)于碳酸鹽巖成土速率的計(jì)算，都是基于剖面上碳酸鹽巖溶蝕速率來推算的,溶蝕速率是通過灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)試片溶蝕速率確定的，只考慮了巖-土接觸面上的碳酸鹽巖溶蝕速率，不考慮碳酸鹽巖巖層間和巖體內(nèi)部的風(fēng)化作用。而可以包含以上3種成土模式的流域地球化學(xué)平衡法，則是在花崗巖地區(qū)建立起來的，應(yīng)用在碳酸鹽巖上，必須對(duì)其進(jìn)行修正。碳酸鹽巖的風(fēng)化成土與花崗巖的差異較大，碳酸鹽巖的風(fēng)化分成2個(gè)過程，即碳酸鹽巖風(fēng)化形成殘積物和殘積物進(jìn)一步風(fēng)化形成土壤。在綜述前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了在風(fēng)化速率計(jì)算中增加殘積物風(fēng)化模塊，以區(qū)分碳酸鹽巖基巖與殘積物2個(gè)不同風(fēng)化過程的方法，來修正基于花崗巖建立的流域地球化學(xué)平衡法，以適合碳酸鹽巖上土壤形成速率的計(jì)算。

西南地區(qū)；喀斯特石漠化；碳酸鹽巖風(fēng)化；土壤形成速率；花崗巖；溶蝕速率法；流域地球化學(xué)平衡法

人類掠奪式的開發(fā)，導(dǎo)致在地質(zhì)地貌極其復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境極其脆弱的西南喀斯特地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的石漠化[1-4]。多年來，國(guó)家投入了巨資來恢復(fù)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[5-6]，但生態(tài)環(huán)境恢復(fù)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，目前西南喀斯特地區(qū)石漠化恢復(fù)究竟處于一個(gè)什么樣的進(jìn)程，是惡化了還是改善了，是一個(gè)亟待回答的問題?；卮鹪搯栴}對(duì)于了解石漠化狀況，指導(dǎo)進(jìn)一步治理，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。要回答石漠化恢復(fù)處于什么樣的進(jìn)程，首先須搞清楚石漠化恢復(fù)的機(jī)理，也就是回答石漠化地區(qū)土壤形成速率和退化速率這2個(gè)基本問題。最終通過兩者的比較分析確定石漠化恢復(fù)的進(jìn)程。另外，確定碳酸鹽巖母巖上土壤的形成速率也是土壤發(fā)生學(xué)的基本問題。明確這些科學(xué)問題，不僅對(duì)土壤發(fā)生、地球化學(xué)和土壤侵蝕理論有重要意義，而且可以為喀斯特地區(qū)土壤資源可持續(xù)管理和利用、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等提供重要依據(jù)。

1 西南喀斯特地區(qū)的石漠化

喀斯特石漠化概念的形成經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的探討過程。Yuan最早給出石漠化較完善的科學(xué)定義：石漠化是指覆蓋有土壤和植被的喀斯特區(qū)域轉(zhuǎn)變成幾乎沒有土壤和植被覆蓋的石質(zhì)景觀的過程[7]。然而，王世杰認(rèn)為，石漠化是一個(gè)廣義的概念，在南方濕潤(rùn)地區(qū)，在人類活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，流水侵蝕導(dǎo)致地表出現(xiàn)巖石裸露的荒漠景觀，都應(yīng)該歸屬石漠化的范疇，不僅僅局限于特定的碳酸鹽巖地區(qū)，發(fā)育于不同地質(zhì)環(huán)境背景上的石漠化，存在著許多本質(zhì)上的差異[8]。并最終提出，喀斯特石漠化(Karst rocky desertification)是指在亞熱帶脆弱的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕，基巖大面積出露，土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程[8]。它是土地荒漠化的主要類型之一，以脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境為基礎(chǔ)，以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力，以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì)，以出現(xiàn)類似荒漠景觀為標(biāo)志[8]。雖然，荒漠化多指干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)的土地退化，但目前學(xué)術(shù)界已普遍認(rèn)同濕潤(rùn)地區(qū)的喀斯特石漠化也屬于荒漠化的一種形式，并且喀斯特石漠化以出現(xiàn)類似荒漠的景觀為重要標(biāo)志[8-11]。喀斯特石漠化一經(jīng)發(fā)生，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生逆向演替，原有的植被退化或消亡，植被覆蓋率低，大部分地區(qū)巖石裸露，地表呈現(xiàn)出類似荒漠化景觀[8]。根據(jù)荒漠化景觀的發(fā)展程度將喀斯特石漠化劃分為不同的等級(jí)，如：巖石裸露程度 >70%時(shí)稱重度石漠化；巖石裸露程度在50%～70%時(shí)稱中度石漠化；巖石裸露程度在30%～50%時(shí)稱輕度石漠化；巖石裸露程度 <30%時(shí)稱無石漠化[12]。

2004—2005年，國(guó)家林業(yè)局組織開展了喀斯特區(qū)石漠化土地監(jiān)測(cè)工作，并發(fā)布了喀斯特區(qū)石漠化狀況公報(bào)。監(jiān)測(cè)范圍涉及湖北、湖南、廣東、廣西、貴州、云南、重慶、四川8省(自治區(qū)、直轄市)的460個(gè)縣。截止2005年底，石漠化土地總面積為12.96萬km2，占監(jiān)測(cè)區(qū)總面積的12.1%(監(jiān)測(cè)區(qū)總面積107.14萬km2)，占監(jiān)測(cè)區(qū)巖溶面積的28.7%(監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶面積為45.10萬km2)。在這8個(gè)省區(qū)中，貴州省石漠化面積達(dá)331.6萬hm2，占石漠化總面積的25.6%，其后依次為云南288.1萬hm2、廣西237.9萬hm2、湖南147.9萬hm2、湖北112.5萬hm2、重慶92.6萬hm2、四川77.5萬hm2和廣東8.1萬hm2，分別占石漠化總面積的22.2%，18.4%，11.4%，8.7%，7.1%，6.0%，0.6%。監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)輕度石漠化356.4萬hm2，占石漠化總面積的27.5%；中度石漠化591.8萬hm2，占45.7%；重度石漠化293.5萬hm2，占22.6%；極重度石漠化54.5萬hm2，占4.2%。另?yè)?jù)“中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察”的估算，按現(xiàn)在的水土流失速度，35 a后西南巖溶區(qū)石漠化面積將翻一番。由此可見，我國(guó)面臨的喀斯特石漠化問題依然極其嚴(yán)峻，開展喀斯特石漠化相關(guān)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 喀斯特石漠化的成因及危害

喀斯特石漠化是在自然和人為共同作用下形成的歷史自然體。西南地區(qū)是我國(guó)喀斯特石漠化最嚴(yán)重的地區(qū)，它位于青藏高原的東南翼斜坡，處在太平洋季風(fēng)與印度洋季風(fēng)交匯影響的邊緣地帶，屬中亞熱帶、南亞熱帶和北熱帶氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛[13-14]。在地質(zhì)歷史上，從震旦紀(jì)到三疊紀(jì)，該區(qū)沉積了巨厚的碳酸鹽巖；三疊紀(jì)晚期，印支運(yùn)動(dòng)爆發(fā)，云貴高原形成；以擠壓為主的中生代燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使西南地區(qū)普遍發(fā)生褶皺作用，形成高低起伏的古老碳酸鹽巖基巖面；以升降為主的新生代喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)云貴高原被再度抬升[13,15]。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)塑造了西南喀斯特地區(qū)陡峻而破碎的地貌格局，由此產(chǎn)生較大的地表切割度和地形坡度，為水土流失提供了動(dòng)力潛能。另外，因?yàn)樘妓猁}巖抗物理風(fēng)化能力強(qiáng)，而化學(xué)風(fēng)化后剩下的不溶物含量又極低[16]，所以喀斯特區(qū)成土速率低，土層淺薄，一旦破壞極難恢復(fù)，并且新構(gòu)造上升運(yùn)動(dòng)，會(huì)使該區(qū)接收的第四紀(jì)沉積物厚度小、分布零星[15]。

生態(tài)地質(zhì)環(huán)境條件脆弱并不意味著一定會(huì)出現(xiàn)石漠化，導(dǎo)致西南喀斯特地區(qū)石漠化的直接原因還是人類的不合理利用。早在清初，人們就開始認(rèn)識(shí)貴州的石漠化現(xiàn)象。而在此之前的明朝，貴州的生態(tài)環(huán)境還是良好的，因?yàn)槊鞒畬?duì)貴州的治理基本上是延續(xù)元代的土司制度，貴州人口和田地均較少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然延續(xù)著原始的方式[2]。到了清中期，隨著人口的膨脹，土地被大量開墾為農(nóng)田，如貴州田地?cái)?shù)量從1724年到1753年增加了77%，石漠化開始凸顯，局部地區(qū)出現(xiàn)“地埆不可耕”。然而更為嚴(yán)重的是，貴州自20世紀(jì)20年代以來，森林先后遭到4次較大規(guī)模的破壞：第1次是20年代至40年代的戰(zhàn)爭(zhēng)；第2次是50年代末“大煉鋼鐵”使大片原始林、次生林毀于一旦；第3次是“文革”時(shí)期“以糧為綱”大搞開山造田，大肆砍伐林木；第4次就是70年代末至80年代初，由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制變動(dòng)，再次使林木遭到嚴(yán)重破壞[17-18]。西南喀斯特地區(qū)的人口壓力和長(zhǎng)期掠奪式的經(jīng)營(yíng)開發(fā)，最終導(dǎo)致了“人口增加→陡坡開荒→植被減少、退化→水土流失加重→石漠化→貧困→人口增加”的惡性循環(huán)的形成[8,19-20]。

喀斯特石漠化危害的本質(zhì)是導(dǎo)致土地生產(chǎn)力退化，而土地生產(chǎn)力退化又是各種土壤屬性退化的綜合表現(xiàn)[8,21]?？λ固厥貐^(qū)的土壤退化主要表現(xiàn)在土壤薄層化、粗骨化、貧瘠化，土壤物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)惡化和土壤水庫(kù)萎縮。強(qiáng)烈的水力侵蝕導(dǎo)致喀斯特石漠化地區(qū)土壤顆粒大量流失，土層逐漸變薄，土壤中礫石含量增加，呈現(xiàn)粗骨化，原有的良好土體構(gòu)型被破壞，植被立地條件惡化[22-24]。隨著水土流失的加劇，土壤肥力也持續(xù)下降，養(yǎng)分元素如氮、磷、鉀含量降低，有機(jī)質(zhì)含量也顯著降低[19]。另外，隨著石漠化的發(fā)展，土壤物理性惡化，土壤出現(xiàn)板結(jié)，透氣性變差[19,25]。土壤化學(xué)性質(zhì)也出現(xiàn)惡化，如pH升高，堿解氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂含量下降等[26-27]。土壤微生物種群和生物學(xué)性質(zhì)也出現(xiàn)惡化，如土壤微生物總量降低，多樣性損失，酶和酶活性降低[22,27]。土壤薄層化、粗骨化、板結(jié)和地表結(jié)皮破壞等，又導(dǎo)致土壤涵養(yǎng)水源的能力降低，土壤水庫(kù)萎縮，使石漠化地區(qū)旱澇災(zāi)害頻繁[8,23,25,28]。

3 碳酸鹽巖上土壤的形成速率研究進(jìn)展

西南喀斯特石漠化區(qū)特殊的地質(zhì)、地形、植被和氣候條件導(dǎo)致了了該區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，一方面是成土速率低、土層淺薄[15-16]；另一方面，較大的地表切割度和坡度，以及充沛的降雨，為水土流失提供了動(dòng)力潛能[13-14]。因此，西南地區(qū)喀斯特石漠化的核心問題就是喀斯特特殊條件下土壤的累積與流失，亦即土壤形成與退化的矛盾。下面從土壤形成速率國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和西南地區(qū)碳酸鹽巖上土壤的形成速率研究實(shí)際情況2個(gè)方面，對(duì)西南喀斯特石漠化區(qū)土壤形成速率研究進(jìn)行評(píng)述。

3.1 土壤形成速率國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，各類研究使用的巖石風(fēng)化和土壤形成速率的計(jì)算方法多是在非喀斯特地區(qū)建立起來的，主要包括：①模擬淋溶實(shí)驗(yàn)法[29]；②剖面物質(zhì)損耗法[30]；③剖面物質(zhì)與環(huán)境條件法[31]；④剖面土壤酸化模型(PROFILE model)[32]；⑤流域土壤酸化模型(MAGIC model)[33]；⑥同位素比值法[34]；⑦流域元素輸入輸出平衡法[35-36]等。不同方法的適用范圍不同，每種方法既有其優(yōu)點(diǎn)，也有其局限性(表1)。

另外，不同方法測(cè)定的土壤形成速率存在很大差異。造成這些差異的原因，首先是研究的空間尺度不同。Langan等指出單個(gè)土壤剖面風(fēng)化速率計(jì)算使用的數(shù)據(jù)為“某一點(diǎn)”的數(shù)據(jù)，而流域風(fēng)化和土壤形成速率計(jì)算所用的數(shù)據(jù)包含了流域內(nèi)不同土壤的空間變異[37]。前者計(jì)算的是研究區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的風(fēng)化和土壤形成速率，后者為流域的平均風(fēng)化和土壤形成速率。其次，不同方法的理論前提各不相同，也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)化和土壤形成速率的計(jì)算結(jié)果存在差異。此外，土壤風(fēng)化的時(shí)間尺度也會(huì)影響不同方法的計(jì)算結(jié)果。一般來說，土壤的當(dāng)前風(fēng)化速率比長(zhǎng)期風(fēng)化速率要高[38-40]。在實(shí)際應(yīng)用中，研究者應(yīng)根據(jù)研究目的、時(shí)空尺度要求、測(cè)試手段、精度要求等條件，以及模型本身的完善程度來選擇合適的方法。

表1 土壤形成速率計(jì)算方法比較Table 1 Comparison of methods of calculating soilformation rate

3.2 碳酸鹽巖上土壤的形成速率

目前對(duì)于西南地區(qū)碳酸鹽巖成土速率的計(jì)算，都是基于單個(gè)剖面或者多個(gè)剖面統(tǒng)計(jì)的碳酸鹽巖溶蝕速率和不溶物含量來推算的(表2)[41]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是概念簡(jiǎn)單、易于測(cè)定。這種方法存在一定的問題，首先這種方法依賴于碳酸鹽巖溶蝕速率的測(cè)定，而碳酸鹽巖溶蝕速率又是通過灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)試片溶蝕速率確定的[42]，這種方法只考慮了巖-土接觸面上的碳酸鹽巖溶蝕速率，不考慮碳酸鹽巖巖層間和巖體內(nèi)部的風(fēng)化作用。而根據(jù)楊瑞東等的研究，碳酸鹽巖成土存在巖-土界面上風(fēng)化成土、巖層層間界面上風(fēng)化成土、巖層整體塊狀風(fēng)化成土等3種模式(圖1)，并據(jù)此認(rèn)為，根據(jù)碳酸鹽巖溶蝕速率推算的碳酸鹽巖成土速率比真實(shí)的成土速率低[43]。其次，這種方法測(cè)定的是剖面尺度上的土壤形成速率，在應(yīng)用過程中存在尺度匹配上的問題。目前，對(duì)于喀斯特地區(qū)土壤退化的研究大多是宏觀的，通過對(duì)比自然林地、次生灌木林地、草地、坡耕地、嚴(yán)重石漠化土地等已經(jīng)出現(xiàn)了明顯差異的景觀單元上土壤屬性的惡化狀況[51-53]，并根據(jù)植被覆蓋度、坡度、裸巖面積、土層深度等評(píng)價(jià)石漠化的程度[10,54-55]。并且，小流域及其更宏觀的尺度是水土保持工作和生態(tài)環(huán)境建設(shè)開展的重要尺度，它們與基于剖面的碳酸鹽巖成土速率推算之間存在一個(gè)尺度不匹配的問題[56-57]。

表2 西南地區(qū)碳酸鹽巖成土速率的估算及其方法Table 2 Estimation methods for carbonate rockweathering and soil formation rate in Southwest China

注:圖3(d)中這些不規(guī)則條帶狀是土。

因此，當(dāng)前對(duì)西南地區(qū)碳酸鹽巖上土壤的形成速率的研究，需要將基于剖面的研究尺度提高到小流域的水平上，一方面可以囊括碳酸鹽巖成土的3種模式，另一方面可以與喀斯特石漠化土壤退化的研究相匹配。對(duì)應(yīng)的研究方法則可以采用流域元素地球化學(xué)平衡法計(jì)算。但是該方法是基于花崗巖母巖建立起來的，碳酸鹽巖的成分和風(fēng)化過程與花崗巖的差異較大，必須對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正。

4 流域元素地球化學(xué)平衡法的修正

土壤是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，因此土壤的形成速率與風(fēng)化速率密切相關(guān)，可以用流域元素地球化學(xué)平衡法計(jì)算土壤的當(dāng)前風(fēng)化速率。目前，該方法在小流域研究中得到了廣泛應(yīng)用[35-36,58-59]。流域元素地球化學(xué)平衡法的基本原理是元素地球化學(xué)質(zhì)量平衡。在地球表面，假定巖石風(fēng)化的產(chǎn)物是土壤和水中的溶質(zhì)，這個(gè)風(fēng)化過程驅(qū)動(dòng)了一個(gè)大尺度的地球化學(xué)循環(huán)[60]。Barth于1961年提出了一個(gè)初步的概念公式來描述和計(jì)算這個(gè)循環(huán)中的物質(zhì)平衡[61]，即

W=ΣDi+S。

(1)

式中：W表示被風(fēng)化巖石的總質(zhì)量；Di表示被水循環(huán)帶走的各種元素的質(zhì)量；S表示風(fēng)化產(chǎn)物的質(zhì)量。令ci和si分別為第i種元素在巖石和其風(fēng)化產(chǎn)物中的平均含量，則有

ciW=Di+siS。

(2)

式(1)和式(2)是后來各種改進(jìn)和完善的水文地球化學(xué)平衡計(jì)算公式的母版。其中，在Yoshioka，Wakatsuki，Rasyidin等人改進(jìn)的基礎(chǔ)上[60,62]，Wakatsuki等于1993年提出了一個(gè)較為完善的[63]、根據(jù)流域元素地球化學(xué)質(zhì)量平衡原理的、計(jì)算風(fēng)化速率和土壤形成速率的方法，其平衡方程為

PPi+RRi+A=SSi+DDi+VVi+GGi。

(3)

式中：Pi，Di，Gi分別為雨水、地表徑流水和地下水中i元素的含量(g·m-3)；P，D，G分別為降雨量、地表徑流量和地下水量[104·m3·(hm2·a)-1]；Ri，Si，Vi分別為巖石、土壤和植物中i元素的含量(104·g·t-1)；R，S，V分別為巖石風(fēng)化速率、土壤形成速率和植物生長(zhǎng)速率[t·(hm2·a)-1]；A為i元素人為施肥輸入量[104·t·(hm2·a)-1]。

當(dāng)研究區(qū)域位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，非農(nóng)業(yè)利用的小流域，人為作用很小的時(shí)候，式(3)中的人為影響(A)可以忽略；如果小流域處于穩(wěn)定狀態(tài)，即元素生物吸收和歸還達(dá)到平衡，那么可以不考慮生物對(duì)元素輸入輸出的影響，即忽略式(3)中的V和Vi。因此，質(zhì)量平衡方程可以改寫為

PPi+RRi=SSi+DDi+GGi。

(3)

由于Al，Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，O，Si等主量元素平均含量之和占地殼總質(zhì)量的95%以上[64]，而巖石、土壤和水中的Al，Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，Si均主要以氧化物的形式存在，因此一般選擇Al，Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，Si7種元素用于計(jì)算風(fēng)化速率和土壤形成速率[60]，并建立如下的方程組：

PPAl+RRAl=SSAl+DDAl+GGAl；

(4)

PPCa+RRCa=SSCa+DDCa+GGCa；

(5)

PPFe+RRFe=SSFe+DDFe+GGFe；

(6)

PPK+RRK=SSK+DDK+GGK；

(7)

PPMg+RRMg=SSMg+DDMg+GGMg；

(8)

PPNa+RRNa=SSNa+DDNa+GGNa；

(9)

PPSi+RRSi=SSSi+DDSi+GGSi。

(10)

在花崗巖地區(qū)，可以通過上述方程組聯(lián)立，利用多元回歸分析來求算風(fēng)化速率和土壤形成速率[63]。

為了簡(jiǎn)便，許多學(xué)者在應(yīng)用該方法計(jì)算風(fēng)化和土壤形成速率時(shí)假設(shè)流域處于穩(wěn)定狀態(tài)，而不考慮生物對(duì)元素輸入與輸出的影響。顯然，只有當(dāng)植物生長(zhǎng)所消耗的元素與植物分解進(jìn)入土壤中的元素達(dá)到平衡時(shí)，假設(shè)才成立。事實(shí)上，很少有流域處于穩(wěn)定狀態(tài)[65-67]。盡管元素輸入輸出平衡法存在一些假設(shè)和前提條件，但仍然被認(rèn)為是定量測(cè)定元素地表遷移最可靠的手段，同時(shí)也是野外計(jì)算風(fēng)化和土壤形成速率最為精確的方法[68]。

但是，流域元素地球化學(xué)平衡法是基于花崗巖母巖小流域建立起來的，石灰?guī)r的成分和風(fēng)化過程與花崗巖的差異較大(表3)，因此要用該方法來計(jì)算碳酸鹽巖母巖上土壤的形成速率，必須對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正。

表3 花崗巖、石灰?guī)r母巖及其形成土壤的主量元素平均含量Table 3 Mean contents of major elements in soildeveloped from granite and limestone %

花崗巖風(fēng)化成土的小流域物質(zhì)平衡表達(dá)式可以概化為

基巖風(fēng)化釋放 + 大氣沉降=土壤 +

地表徑流輸出 + 地下水輸出 + 生物凈吸收 。

但是碳酸鹽巖的風(fēng)化成土與花崗巖的差異較大，碳酸鹽巖的風(fēng)化截然地分成2個(gè)過程，即碳酸鹽巖風(fēng)化形成殘積物，殘積物進(jìn)一步風(fēng)化形成土壤。而殘積物的成分主要是黏土，與碳酸鹽巖的成分差異較大。因此，碳酸鹽巖風(fēng)化成土的小流域物質(zhì)平衡表達(dá)式應(yīng)修訂為

基巖風(fēng)化釋放 + 殘積物風(fēng)化釋放 + 大氣沉降=

土壤 +地表徑流輸出 + 地下水輸出 + 生物凈吸收 。

碳酸鹽巖上殘積物的成分與基巖的成分差異較大，在選擇適合計(jì)算土壤形成速率的元素方面也需要修正，并通過不同元素的平衡方程來區(qū)分基巖風(fēng)化速率和殘積物風(fēng)化速率。

Wakatsuki等認(rèn)為對(duì)于花崗巖發(fā)育的土壤越穩(wěn)定的元素越適合用于計(jì)算風(fēng)化速率，但事實(shí)上并不是因?yàn)檫@樣，比如Al元素非常穩(wěn)定，但卻不適合計(jì)算風(fēng)化速率[63]。我們認(rèn)為，理想狀態(tài)下的流域元素輸入輸出平衡法還隱含了一個(gè)假定，即土壤是風(fēng)化的產(chǎn)物，相對(duì)于巖石而言，土壤基本不發(fā)生風(fēng)化，因此在巖石中風(fēng)化速率越大于土壤中風(fēng)化速率的元素越適合于計(jì)算巖石風(fēng)化速率和土壤形成速率。碳酸鹽巖母巖的Ca(或Mg)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其形成的土壤中的含量(表3)，因此碳酸鹽巖Ca(或Mg)的風(fēng)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤Ca(或Mg)的風(fēng)化速率，對(duì)于碳酸鹽巖Ca(或Mg)應(yīng)該更適合于計(jì)算土壤形成速率。另外，碳酸鹽巖母巖中主量元素的含量與其形成土壤的中主量元素含量差異遠(yuǎn)大于花崗巖與其上形成土壤間的差異，因此碳酸鹽巖流域元素輸入輸出平衡應(yīng)該包含更加豐富的信息，比如可以區(qū)分巖石風(fēng)化速率和土壤風(fēng)化速率等?？梢约俣?，Ca或Mg的風(fēng)化速率主要反映基巖的風(fēng)化速率，而Si，Al，F(xiàn)e，K，Na的風(fēng)化速率主要反映殘積物的風(fēng)化速率。

5 結(jié)論與展望

喀斯特石漠化是指在亞熱帶脆弱的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕，基巖大面積出露，土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程。它是土地荒漠化的主要類型之一，以脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境為基礎(chǔ)，以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力，以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì)，以出現(xiàn)類似荒漠景觀為標(biāo)志?？λ固厥窃谧匀缓腿藶楣餐饔孟滦纬傻臍v史自然體。西南喀斯特區(qū)地表切割度和坡度大，地形陡峻破碎，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，為水土流失提供了動(dòng)力潛能。歷史上和當(dāng)前強(qiáng)烈的人為作用造成地表植被破壞，引發(fā)了嚴(yán)重的水土流失，并直接導(dǎo)致了嚴(yán)重的石漠化。而碳酸鹽巖風(fēng)化后殘留物極少，成土速度極慢，又導(dǎo)致石漠化的恢復(fù)極難。因此，西南地區(qū)喀斯特石漠化的核心問題就是喀斯特特殊條件下土壤的累積與流失的矛盾。

目前對(duì)于西南地區(qū)碳酸鹽巖成土速率的計(jì)算，都是基于單個(gè)剖面或者多個(gè)剖面統(tǒng)計(jì)的碳酸鹽巖溶蝕速率和不溶物含量來推算的。這種方法依賴于碳酸鹽巖溶蝕速率的測(cè)定，而碳酸鹽巖溶蝕速率又是通過灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)試片溶蝕速率確定的，只考慮了巖-土接觸面上的碳酸鹽巖溶蝕速率，不考慮碳酸鹽巖巖層間和巖體內(nèi)部的風(fēng)化作用。而可以包含以上3種成土模式的，基于流域地球化學(xué)平衡的巖石風(fēng)化和土壤形成速率計(jì)算方法多是在花崗巖地區(qū)建立起來的，應(yīng)用在西南喀斯特地區(qū)的碳酸鹽巖上，必須對(duì)其進(jìn)行修正。碳酸鹽巖的風(fēng)化成土與花崗巖的差異較大，碳酸鹽巖的風(fēng)化分成2個(gè)過程，即碳酸鹽巖風(fēng)化形成殘積物，殘積物進(jìn)一步風(fēng)化形成土壤。本文提出了在風(fēng)化速率計(jì)算中，增加殘積物風(fēng)化模塊，并區(qū)分碳酸鹽巖基巖與殘積物2個(gè)不同的風(fēng)化過程，來修正基于花崗巖建立的流域土壤形成速率計(jì)算方法，以適合碳酸鹽巖上土壤形成速率的計(jì)算。有必要進(jìn)一步開展試驗(yàn)觀測(cè)，以驗(yàn)證該修正方法的可行性和準(zhǔn)確性。

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(編輯：姜小蘭)

Review of Studies on Soil Formation Rate in Karst RockyDesertification Region of Southwest China

WANG Zhi-gang1,2,WAN Mu-chun3,SUN Jia-jia1,2,ZHANG Ping-cang1,2

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Hubei Key Laboratory of Water Resources &Eco-environment,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;3.Kaiming Construction Limited Liability Company of Zigui County,Zigui 443600,China)

Human activities have induced severe soil and water loss and gave rise to rocky desertification in Karst region of southwest China.The recovery of rocky desertification is extremely difficult because there’s very little residue after the weathering of carbonate rocks.Therefore,the key issue of karst rocky desertification is the contradiction between soil formation and soil loss.Currently,the rate of soil formation from carbonate rock is calculated based on the dissolution rate of carbonate rock in soil profile.The dissolution rate of carbonate rock is determined by the dissolution experiment of standard test piece of carbonate rock.This method only considers the soil formation on the contact surface between soil and rock,but not the soil formation between rock layers and rock interior.However,the method of watershed’s geochemical balance which contains the above soil formation types is based on the granite region.It must be modified when applied to carbonate rock watershed.The most important difference of the soil formation between carbonate and granite rocks was the weathering of carbonate rocks diametrically divided into two processes,namely the weathering of carbonate rock to form residual material,and the further weathering of residual material to form soil.In this paper,we propose to modify the method of watershed’s geochemical balance by considering the weathering process of residual material to distinguish these two processes.

Southwest China;Karst rocky desertification;weathering of carbonate rock;soil formation rate;granite;dissolution rate;method of watershed’s geochemical balance

2014-12-30；

2015-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101191,41201269)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)專題資助項(xiàng)目(2012ZX07503-002-03)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CKSF2014022/TB，CKSF2015011/TB)；長(zhǎng)江科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(CKSF2012052/TB)

王志剛(1981-)，男，湖北棗陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事土壤地理、土壤侵蝕研究，(電話) 027-82926391(電子信箱)peter.zgwang@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.014

S151

A

1001-5485(2015)03-0064-09

2015,32(03):64-72