典型喀斯特山区水资源安全利用研究--以贵州省为例

第1章 喀斯特地区生态与社会经济环境 　　“喀斯特(Karst)”一词源于前南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛碳酸盐岩高原的名称，意为岩石裸露的地方。“喀斯特地貌”因近代喀斯特研究发轫于该地而得名，指以碳酸盐岩为主的可溶性岩石，在水和重力的作用下，经过溶蚀、侵蚀(冲蚀)、搬运和沉积作用形成的一种地面坎坷嶙峋的地貌形态。“喀斯特”一词自1774年首次见于科学文献以来，其拼音和文字逐渐得到广泛应用(谢翠华，1981)，现在已成为国际上通用的名称。1961年，在中国科学院主持下召开的**次喀斯特学术会议上，对“喀斯特”一词并无异议。1966年，在我国第二次喀斯特(广西桂林)学术会议上，部分专家建议将“喀斯特”一词改为“岩溶”，后来“喀斯特”与“岩溶”又几经反复，现在国内“喀斯特”和“岩溶”等同，可以通用。 　　喀斯特在世界上有广泛分布，现代碳酸盐岩在全球的分布面积达2200万km2，约占陆地面积的15%(袁道先，1997)，中国西南及东南亚、地中海沿岸、加勒比海地区、澳大利亚、新西兰、英国、北欧、美国中东部和东南部等区域喀斯特发育良好。中国是世界上喀斯特*发育的国家之一，中国喀斯特面积达346万km2，约占全球喀斯特总面积的15.78%(袁道先，2014)，其中裸露型和(浅)覆盖型喀斯特面积约为90万km2，接近国土面积的10%。中国喀斯特主要分布在南方的贵州、广西、云南、四川、重庆、湖南、湖北以及北方的山西、河北、山东等省(区、市)，居住人口超过1.5亿人，人口密度约为180人/km2。其中，西南地区是世界上喀斯特集中连片面积**、类型*齐全、景观*丰富、人地矛盾*突出的区域，按含可溶岩地层出露面积计算为78.3万km2，按可溶岩出露面积计算为46.9万km2，居住人口超过1亿人，总体人口密度大于200人/km2。 　　喀斯特地区是一类重要的人居环境，也是一种特殊的地域环境单元，具有独特的地表地下二元结构(地表与地下地貌系统、水文系统、生态系统等)。西南地区分布广泛的碳酸盐岩抗风化能力强、成土过程慢、土层瘠薄、山多坡陡、地表破碎、地表径流与地下径流转换快、工程性缺水突出、水土流失(漏失)严重、石漠化问题突出，属于典型的生态环境脆弱地区，与西北黄土高原区、沙漠边缘区、农牧交错带、海陆交替带等并称为我国典型生态脆弱区(带)。喀斯特区内经济社会发展相对滞后、少数民族分布集中，近年来一直是我国生态建设和扶贫开发的重点区域，面临着加快发展和保护生态的双重压力。 　　1.1脆弱的多样化生态环境 　　西南喀斯特地区地质构造复杂，碳酸盐岩与碎屑岩交错分布，地貌形态多样，包括高原、台地、峰林、峰丛、峡谷、槽谷、盆地、洼地等类型，垂直气候分布明显，小生境多样，生态系统异质性强。桂林山水、黄果树瀑布、路南石林、九寨沟、黄龙、武隆芙蓉洞、荔波小七孔、施秉云台山、小寨天坑地缝等自然景观和旅游资源丰富多样，道地中药材资源、水能资源和生物多样性资源富集，自然生境优美多样，这是喀斯特地区巨大的后发优势，但喀斯特地区生境本底脆弱、资源环境的承载力较低、生态系统的脆弱性和敏感性强、易受破坏、恢复较难。 　　1.脆弱生境的地质及水文地质背景 　　西南喀斯特系多层组合结构的碳酸盐岩，覆盖的地层从三叠系到前寒武系，碳酸盐岩古老、坚硬、质纯，抗风化能力强，成土过程缓慢，形成的喀斯特形态挺拔、陡峭，这是西南喀斯特地区生态脆弱和易出现石漠化的地质背景(袁道先，2008)。西南碳酸盐岩分布区受褶皱和断裂作用影响，形成了以中、小型为主的裂隙-溶隙、溶隙-管道多重介质组合的喀斯特含水介质系统。该区域的地下水主要是管道流、溶洞水和地下河。受复杂的构造运动和气候变化影响，喀斯特水动态变化较大，从上到下依次出现包气带、季节变动带、水平流动带和深部滞留带。常年潜水面以下的水平流动带地下水具有承压性质，其溶蚀和冲蚀能力很强，容易出现溶洞水、地下河。同时，西南喀斯特地区受多次构造运动的影响，其岩性错综复杂，含水岩组富水性极不均一，为该地区喀斯特地下水的研究及找水、配水和用水工程带来了极大难度；而北方奥陶系灰岩组成的地台地区，其地质背景相对简单，为纯碳酸盐岩连续巨厚沉积并以构造断块为主要形式的地区，主要是裂隙水含水层(玛 斯维婷和包浩生，1990；袁道先，1992；韩至钧和金占省，1996)。此外，我国南、北方喀斯特泉的动态也有明显的地域差别。南方的喀斯特泉对降水反应灵敏，流量随季节变化大，**流量常比*小流量大几十到上百倍，降水入渗常达降水量的80%以上；而北方的喀斯特大泉流量动态则较稳定，降水入渗量一般为40%~50%。 　　2.山多坡陡的地表结构，水土流失和石漠化比较严重 　　喀斯特地区大多地表崎岖破碎、山地(丘陵、高原)分布广、坡度陡、水土流失和石漠化比较严重。以贵州为例，全省主要以喀斯特化的山地高原地貌为主，地表切割密集，地块小、土层瘠薄。贵州省内有山地10.87万km2，占全省总面积的61.7%；丘陵5.42万km2，占全省总面积的30.8%，山间平坝区面积占7.5%，面积达到10km2的平坝共有285个，总面积只有5539km2。全省**高差达2793m，**为黎平水口河(148m)，**为赫章韭菜坪(2901m)，全省地表平均坡度为17.8°，其中0~6°地区占全省总面积的13.5%，6°~15°的缓坡区占26.9%，15°~25°的陡坡区占38.4%，25°~35°的极陡坡区占15.9%，35°~90°的极强陡坡区占5.3%。喀斯特出露面积占全省土地总面积的61.9%，其余地区多与沙、页岩相间分布，砂页岩区是水土流失*严重的地区。根据《贵州省水土保持公报(2011～2015)》，2015年全省水土流失面积为48791.87km2，占土地总面积的27.71%，其中，轻度流失面积为26105.19km2，中度流失面积为13601.45km2，强烈流失面积为4841.21km2，极强烈流失面积为2711.16km2，剧烈流失面积为1532.86km2。侵蚀方式主要以沟蚀和崩塌侵蚀为主；从土地利用的角度看，水土流失主要发生在坡耕地、荒山荒坡、低覆盖林地等地类和采矿区；从空间分布来看，由黔西北的毕节、六盘水至黔东南地区逐渐减轻，西部六盘水、西北部毕节及东北部务川、正安、道真、沿河等水土流失*严重，强烈流失等级以上的水土流失主要分布在这一区域，西南部黔西南州、安顺地区、黔南州、遵义地区次之，南部荔波、黔东南州变质岩区森林覆盖率高，属于轻度流失区；从流域来看，主要分布在赤水河上游、乌江上游(乌蒙山区)与下游(武陵山区)河流峡谷沿岸等地；从水土流失的方式看，既有与常态地貌区类似的地表流失方式，更有独特的地下漏失途径，在贵州典型的喀斯特峰丛山区，通过地下漏失的方式流失的土壤量占比达50%以上，部分峰丛洼地的土壤流失基本上都是通过地下漏失途径流走。从石漠化来看，根据国家林业和草原局公报资料，截至2016年底，西南喀斯特地区石漠化土地总面积为10.07万km2，占喀斯特面积的22.3%，占区域总面积的9.4%，涉及黔、桂、滇、川、渝、鄂、湘、粤8个省(区、市)和457个县(市、区)，其中贵州省石漠化土地面积**，为2.47万km2，约占西南地区石漠化土地总面积的1/4；按流域来看，长江流域石漠化土地面积为5.993万km2，占石漠化土地总面积的59.5%；珠江流域石漠化土地面积为3.44万km2，占34.2%；红河流域石漠化土地面积为0.459万km2，占4.6%；其余怒江流域和澜沧江流域石漠化土地面积分别为0.123万km2、0.057万km2，分别占石漠化面积的1.2%、0.6%。水土流失(漏失)和石漠化，是西南喀斯特地区特殊生境和人类活动共同作用的产物，也是西南喀斯特地区生态脆弱性的重要体现。 　　3.土壤瘠薄且缺乏连续性，土体剖面缺乏过渡层 　　土壤是在漫长的地质年代里，在物理、化学以及生物的作用下，由基岩风化产物、各种松散沉积物发育形成的近地表自然介质。其形成主要受母质、气候、地形、生物、时间5大成土因素控制，在人类历史时期，还受人类活动的影响，且各因素相互影响、相互制约，共同作用形成不同的土壤类型。碳酸盐岩的抗风化能力强、成土过程缓慢，据统计，岩溶地区碳酸盐溶蚀风化形成1m厚的土层需要200~8000万年，黔桂地区碳酸盐风化成土速率大约为0.12~6.8g/m2 a，成土速率极慢。 　　从土壤的发育与分布看：碳酸盐岩上覆土壤的连续分布与地貌形态及发育有较密切的关系，其中喀斯特地区只能见到局部保存的黑色石灰土，而厚层风化壳只能形成于地貌起伏小、垂向喀斯特作用不活跃的条件之下，因此，从地理循环的角度来看，这样的景观就是地貌发育的*终阶段——准平原阶段。当地壳长期相对稳定时，喀斯特地下水作用以水平作用方式为主，喀斯特作用以剥蚀夷平为主，喀斯特演化从溶洼向溶原方向发展，地下裂隙减少，土壤流失减弱，风化残积物开始在地表聚集，因此，逐渐形成较厚连续的红色风化壳。青藏高原红色风化壳在大的地貌部位上与主夷平面是一致的，在局部的缓丘或山顶上连续分布。云贵高原红色风化壳较连续，厚度一般在3~5m。湘桂丘陵红色风化壳主要位于喀斯特平原、盆地上(如桂林、永州等地)。这些地区的喀斯特风化壳主体基本上都与开阔平坦的地貌联系在一起。红色风化壳的剥落程度从青藏高原的完全剥落，到云贵高原逐渐演变为局部连续，到湘、桂等地逐渐转变为完全覆盖。喀斯特地貌制约石灰土的类型及分布，并延缓其地带性土壤演化。在热带、亚热带湿润喀斯特地区，石灰土经长期的淋溶过程，逐渐向地带性砖红壤、红壤或黄壤演化。 　　西南喀斯特的核心区——贵州省喀斯特，发育典型，具有耕地质量差、生产力低、人口密度大等特点。20世纪90年代以前，为维持温饱，毁林开荒现象严重，地块分割、土层瘠薄质量差的坡耕地占比不断增大。在国家实施大规模的退耕还林还草政策前，贵州省境内坡度大于25°的陡坡耕地面积多达73万hm2，占耕地总面积的17.2%，其中大于35°的陡坡耕地占耕地总面积的10%。进入20世纪90年代中后期，随着外出务工人员增加，单块坡耕地由于规模小且分散、耕种成本高、产量低且不稳，许多地方坡耕地处于一边弃耕一边开垦的恶性循环，更加剧了水土流失，致使土层变得更加瘠薄。 　　在喀斯特地区土体剖面构型中，土层和下伏基岩(母岩)之间通常缺乏过渡层。一旦遇到下雨，地表径流侵入土石之间，其润滑作用加剧了母岩石上土层的流失，增加了生态脆弱性。 　　据统计分析，喀斯特平坝区土层厚度较大，常达100cm以上，耕作层厚30cm；坡耕地则土层瘠薄，整个土层均为70～80cm，耕作层仅厚10cm左右；在石漠化严重的坡地上，耕地多属石旮旯地，岩石裸露率在70%以上，土壤仅残存在溶隙和溶沟之中，土层更薄；因此，土层田间的持水能力特别低。据贵州普定峰丛洼地区的长观站水文资料分析研究，田间持水量大多为10～30mm，*少的仅为5mm(普定县母猪洞水库的峰丛洼地区)，远远低于非喀斯特湿润区100～130mm的田间持水量，“土壤水库”作用难以发挥。可见，喀斯特地区雨量虽多，但由于土薄、持水量低、数日不雨，即可出现“喀斯特旱情”，甚至酿成旱灾。 　　4.植被群落及其生态系统稳定性低、生物生产力低、种间差异大 　　西南喀斯特地区主要的植被类型有：裸岩地、草丛、灌草丛、灌丛和乔木林等，这些植被类型的形成与发展主要受岩性、气候、地貌、土壤、水文等自然因素及人类活动的制约，各因素综合作用下发育的植被类型乃至植物个体、种群，具有一定的空间选择性和喜钙、耐旱、石生等特点。其次，喀斯特地区由于地表土层薄、水分下渗严重，植物无法获得充足的养分和水分，植被的生长发育受到限制。因此，与相似气候条件的非喀斯特区相比，喀斯特种群生态系统的树木胸径、树高具有生长速率慢、绝对生长量小等特点；同时喀斯特地区的岩-水-土-气循环系统，因其丰富的钙离子及水土资源匹配性差，导致生境异质性高，具有种间、个体间生长过程差异较大等特征