论贵州岩溶盆地土壤侵蚀的沉积速率

论贵州岩溶盆地土壤侵蚀的沉积速率

为了研究和研究相当程度较低的喀斯特山区土壤侵蚀模数，建立代表岩石沙漠程度的新方法，调研组经过多次检查和仔细改进，建立了一种使用“沉积量测量法”的新方法，并于2009年6月提交给《中国土壤科学》。2009年底在“973”项目年会(南京)上,笔者向大会汇报该研究成果,张信宝先生认为本研究结论与其研究结果不一致,提出质疑。为保证学术严谨性,课题组马上通知《中国水土保持科学》编辑部暂缓发表该文,随后,我们在中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室对采集的4个沉积剖面样品的137Cs活度进行测定,测定的数据佐证了该方法的正确性,并将研究成果刊发于《中国水土保持科学》2010年第2期。此后,张信宝先生在《中国水土保持科学》2010年第6期上提出质疑。这里,笔者对黔西北麻窝山岩溶盆地环境现状、环境演变、土壤堆积、137Cs活度等方面的研究进展作全面论述,旨在统一该区环境演化问题认识和推动该区相关环境问题的研究。1盆地表土流失及相关问题为开展“973”项目课题研究,课题组在黔西北的威宁县一带考察时发现极具特色的麻窝山盆地型流域,盆地位置等在文献中已有交代。盆地四周山体基岩裸露,盆地中有大量红土堆积,山脚岩缝间残存着明显的红黏土痕迹(图1),初步判断盆地中土壤为山上土层流失堆积为主。通过对比该区域的1∶5万(迤那G-48-28-D,1956年航摄)和1∶1万(勺戛G-48-〈47〉,1990年航摄)地形地质图,发现盆地中最低点海拔前者为2229.0m,后者为2234.5m,前后相差达5.5m。分析认为,除了测量误差造成外,这期间盆地最低点海拔差异应该与水土流失引起的土壤堆积有关。此外,该区不同年代的卫星图片(1988年的Landsat数据与2009年的ALOS数据)对比显示,这期间该区水土流失严重,石漠化过程明显。野外的踏勘过程发现,该区出露地层岩石为泥盆纪(D3)白云质灰岩,流域沟壑纵横,存在多条通往盆地的巨大洪积沟,沟底基岩裸露,沟壁土层松软坍塌(图2),山脚至山坡多处树根显露(图3),反映该区土壤侵蚀量巨大。课题组在盆地内布置钻孔4个和33个浅井,用锤击法钻取土芯,总进尺达78m(4个钻孔分别为12、16、19和31m)。取得的土芯剖面分层明显。上部为典型的红黏土,与下部的石灰土颜色界线清楚(图4),同时下部还发现有多层贝壳类生物残骸(图5),表明历史上盆地曾处于湖沼环境。基于此,认为麻窝山小流域是研究喀斯特石漠化进程和古气候演化的理想场所。自2008年7月以来,课题组先后4次对麻窝山地区进行较大规模的野外调查和样品采集工作。2山地表土覆盖研究由于记录当地环境变化文献资料的匮乏,对近50年来盆地周边生态环境变化主要采用走访调查的方式获得。当地老人对近几十年来岩溶盆地环境变化的记忆是清晰的,通过对当地20多位50~85岁居民的认真走访和仔细询问(音像资料),该地区的环境状况及其演变过程大致如下。20世纪70年代以前,盆地处于湖沼环境,常年积水且水位较深,产鱼虾,仅北部有小部分土地用于耕种。盆地周边森林植被茂盛,生长有以松树(Pinus)和刺叶高山栎(QuercusspinosaDavidexFranch,当地居民称之为姜子树)为主的大量乔木与灌木,其中部分的树木直径超过80cm。从盆地内还无法看到山体的覆盖土壤,见不到岩体裸露。1970年左右,当地生产队组织村民在盆地南部(吴家老包)利用3年时间打通1条高2m、宽1m、长约900m的泄流洞将盆地内湖沼水排出,并在盆地内开始耕种,山上的植被依然茂盛,无明显变化。20世纪70年代后期至80年代初,特别是实行土地家庭联产承包制后,当地居民大量砍伐周围山上的树木售至临近的云南省昭通县。由于当地生产队管理松懈,未对乱砍乱伐行为进行制止,致使在随后的2~3年内粗壮树木几乎被砍伐殆尽,山上只剩下多以直径5cm(手腕粗——当地老人口述)左右为主的树木。由于植被覆盖度的急剧减小,山体和岩石逐渐裸露,流域内大量表土随降雨从盆地周边的冲沟汇入盆地内。据当地村民回忆,降水量较大时,流失土壤在冲沟底部的堆积高度可齐胸(超过1m)。随后的几十年里,村民不断砍伐开荒、挖掘山上所剩的树根和草根,导致植被完全破坏,山上基岩逐步暴露直至今天的现状。进入21世纪以来,随着退耕还林和坡改梯工程的实施,对减缓当地水土流失和缓解石漠化进程起到一定的积极作用。313盆地堆积土层中快发碳质控制率阶段基于张信宝先生利用137Cs数据(1个剖面,137Cs峰值活度位于深度40cm处)对我们的研究提出了质疑,在此就这一问题进行详细讨论。大气核试验和核泄漏产生的137Cs进入大气层后,经过一定的滞留期均匀沉降到地表。根据137Cs沉降规律,1954—1986年共有4次沉降峰值,其对应的年份分别为1954、1959、1964和1986年。137Cs一旦与土壤接触就会被土壤颗粒强烈吸附并固定,导致其含量在沉积土壤剖面不同深度界限明显,可以根据其活度变化定量分析土壤沉积速率,亦可通过土壤中137Cs值与本底值的变化程度推断土壤流失量;但是,应用137Cs法研究土壤侵蚀存在一定局限性,即在短期内有片状和大面积表土流失的土壤中,由于发生土壤易地堆积,导致土壤原层序错乱,不宜再用其进行土壤沉积速率的定量研究。我们对所采集的4个剖面上部土壤样品的137Cs活度进行了测试(采用美国CABERRA公司S-100多道能谱仪测定),结果表明,4个剖面中从地表到222cm处的不同深度均不连续地测出137Cs。由于采样条件限制,每个样品代表的深度不一致,最短的为25cm,最长的达到87cm。在剖面WM-1中的100~125和150~175cm处检出137Cs,分别为2.0和4.2Bq/kg;WM-2剖面中的20~107和147~188cm处检出137Cs,分别为2.4和3.8Bq/kg;剖面WM-3中检出的137Cs分布最深,分别在149~187和187~222cm处检测到137Cs,分别为2.9和1.3Bq/kg;而剖面WM-4中仅在0~40cm处能检出活度为4.8Bq/kg的137Cs,其余样品均低于检测限(图6)。由于研究区水土流失严重,流域地形地貌差异以及植被状况不同,土壤侵蚀程度和过程存在较大差异。研究区盆地堆积土层中137Cs的可能来源有:一是原地沉降;二是在土壤侵蚀过程中,从流域其他地方伴随水土流失带来的易地堆积,也有可能是二者的叠加。盆地内4个剖面中检测出137Cs活度的深度变化差异非常大。笔者认为:正是流域土壤侵蚀导致盆地堆积土壤层序错乱,无法判断其中的137Cs来源是原地沉降,还是来源于易地堆积,或是二者叠加;因此,该区不适宜用137Cs活度对盆地堆积的土壤进行断代。基于上述对麻窝山岩溶盆地环境演化过程的调查和钻孔(浅井)揭示的现象,我们在建立沉积量测量法计算盆地型喀斯特流域土壤侵蚀模数时,认为盆地水土流失加剧应该从土地家庭联产承包制(1980年)开始的推断更为合理。事实上,剖面中137Cs峰值出现的剖面深度可定性地说明,有137Cs沉降以来盆地内土壤的堆积量是很大的,这也正好支持我们用沉积量测量法计算的侵蚀土壤堆积厚度(平均1.33m)。4盆地堆积土壤对石漠化生态环境演化的促有关麻窝山岩溶盆地剖面的相关地球化学研究显示,麻窝山岩溶盆地是西南喀斯特石漠化生态环境研究的典型代表。在短时间尺度上,人为扰动是导致该区石漠化的主因,盆地的堆积土壤记录着石漠化过程中人类活动和自然环境变化的相关信息,通过对堆积土壤进行系统研究可以对石漠化过程进行反演,从而为更加深入研究石漠化成因和环境响应提供依据。研究盆地中土壤堆积量可以揭示人类扰动与石漠化进程的关系,通过与137Cs示踪法及其他水土流失计算方法比较,沉积量测量法可以简捷而较为准确地计算土壤堆积量。研究盆地堆积土壤与山脊残留土壤的地球化学行为可以揭示石漠化地区人类活动带来的地球化学响应。结合多年的水文、气象及社会经济状况资料,对山脊上优势树种适生条件的研究,可为周边及类似石漠化地区的生态修复提供借鉴。在长时间尺度上,通过盆地中湖沼沉积物(钻孔土芯)的元素地球化学研究、14C同位素以及孢粉分析等研究,可以较为准确地推演当地的古气候环境,特别是第四纪以来的气候及环境演化;通过湖泊沉积物中特征元素的变化还可以推演周边人类活动情况;通过湖沼沉积物与基岩的相关性研究,可以尝试找到成岩作用与风化作用的相关地球化学信息,等等:因此,对该岩溶盆地的研究在地学和环境学界必将具有重要的学术意义。5土壤侵蚀模数的确定重度石漠化地区麻窝山流域土壤侵蚀严重,水土流失后大量表土被搬运到盆地中堆积