引用本文
肖春蕾, 聂洪峰, 刘建宇, 袁国礼, 亢益华, 王安婷, 宋保芳. 生态-地质作用模式: 诠释表生地质过程与生态特征的耦合[J].中国地质调查, 2021,8(6): 9-16.
XIAO Chunlei, NIE Hongfeng, LIU Jianyu, YUAN Guoli, KANG Yihua, WANG Anting, SONG Baofang. Ecological and geological interaction model: The coupling of supergene geological processes and ecological characteristics[J].Geological Survey of China, 2021,8(6): 9-16.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.06.02
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生态-地质作用模式: 诠释表生地质过程与生态特征的耦合
肖春蕾1, 聂洪峰1, 刘建宇1, 袁国礼2, 亢益华2, 王安婷2, 宋保芳2
1.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083

通信作者简介: 聂洪峰(1964—),男,正高级工程师,生态地质调查工程首席专家,主要从事遥感地质、生态地质、水工环地质领域的调查研究工作。Email: nie_hongfeng@qq.com。

第一作者简介: 肖春蕾(1987—),女,高级工程师,主要从事生态地质与国土空间生态保护修复领域的调查研究工作。Email: xiaocl@radi.ac.cn。

收稿日期: 2021-08-27
基金资助: 中国地质调查局”生态地质调查工程(编号: 0703)”“全国地球关键带遥感地质调查(编号: DD20190536)”、国家自然科学基金”典型人为有机质记录反演西藏地区近代湖泊沉积环境演变(编号: 42872100)”项目联合资助
摘要

生态-地质作用关系模式诠释的重要内容之一是将基岩风化成土过程及对生态特征的影响进行形象化表达,包括基岩类型、风化过程中成土元素特征和迁移规律、土壤结构,以及与之相对应的生态特征等,重点突出基岩风化成土过程等表生地质过程对生态特征的影响作用。选择内蒙古阴山北麓、张北坝上、西南典型岩溶区等地区,分别研究、分析了不同表生地质条件下土壤垂向结构特征与物质组成、成壤过程中元素迁移特征、生态支撑层的元素富集与亏损等基岩风化成土过程与特征及其对生态分布特征的影响作用,建立了植被分布与风蚀作用基岩风化成土模式、凹陷盆地人工林退化与风化冲洪积土壤栗钙化模式、成土母岩对石漠化发育程度的影响模式等3种生态-地质作用模式,揭示了成土过程对植被分布特征与不同类型生态问题的影响,以期为国土空间生态保护修复提供科学依据。

关键词: 生态地质调查; 作用关系模式; 基岩风化; 成土过程; 元素迁移
中图分类号:P512;P642.25;X14 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)06-0009-16
Ecological and geological interaction model: The coupling of supergene geological processes and ecological characteristics
XIAO Chunlei1, NIE Hongfeng1, LIU Jianyu1, YUAN Guoli2, KANG Yihua2, WANG Anting2, SONG Baofang2
1. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China;
2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;
Abstract

One of the important contents of the interpretation of the eco-geological interaction model is to visua-lize the weathering and soil-forming process of bedrock and its impact on ecology, including bedrock type, characteristics and migration rules of soil-forming elements in the weathering process, soil structure, and corresponding ecological characteristics. The impact of epigenetic geological processes such as bedrock weathering and soil formation on ecological characteristics is highlighted. In this paper, taking the northern Yinshan of Inner Mongolia, Zhangbei Dam and typical karst area in Southwest China, the authors analyzed the processes and characteristics of bedrock weathering and soil formation under the different supergene geological condition, such as the vertical structure characteristics and material composition of soil, migration characteristics of element, and element enrichment and loss of ecological support layer, and their influence on ecological distribution characteristics. Three eco-geological interaction models are established, including the vegetation distribution and wind erosion bedrock weathering and soil-forming model, artificial forest degradation and weathering alluvial proluvial soil chestnut calcification model in depression basin, and the influence model of soil-forming parent rock on the development degree of rocky desertification. This research helps to reveal the influence of soil-forming process on vegetation distribution and ecological problems, and provides scientific basis for land and space ecological protection and restoration.

Keyword: ecogeological survey; interaction model; rock weathering; soil-forming process; element migration
0 引言

生态地质调查将地质作用过程和生态空间分布、变化规律作为整体进行系统性调查研究, 以完整地获取地上、地下一体化信息, 全面认识生态系统演变及趋势, 寻求生态系统管理、保护与修复的地球系统科学解决方案[1]。植被-土壤-水-成土母质-基岩多圈层交互作用分析是生态地质主要调查研究内容之一, 因为地表生态系统特征(森林、草地、湿地、沙漠等)是由区域气候、地质条件及其衍生的地貌条件之间耦合作用的结果[2]。前人通过研究西藏-喜马拉雅-横断山区的长期造山运动和季风气候变化状况对高山植物区系、持续时间、生活史的影响, 发现原始造山运动与基岩条件直接决定了区域生态系统结构[3]。

岩石风化成土过程不断改变着地表格局, 影响着地表环境, 并且为生态系统的可持续发展、地表生命系统的维持和演化提供着重要的环境和物质基础[4], 尤其是在区域气候、气象条件相似的情况下, 地表植被结构、质量、功能与岩土条件有密切关系, 是生态修复需要考虑的重要内容。Rahbek等总结了大量前人研究成果后提出, 高异质、高复杂度的地质基础能够支持更高的物种周转率与特有种数, 低磷、高镁的基岩组成所筛选出的植被群落类型导致了食草动物的食性专一化[5]; Hulshof等总结了土壤分布与地质过程对物种形成、生态漂移、扩散和生态位选择等生态群落调节活动的影响机制, 并分析基于石灰岩、花岗岩等特殊土壤区的植被区系差异[6]; Spasojevic等的研究表明蛇纹岩风化土壤上植物的扩散性能受制于某些物种在这种土壤类型上存活的耐受特征[7]; Bern等研究认为风化过程中岩石性质、矿物组成和化学成分对成土过程产生影响, 而且风化壳厚度、岩石裂隙发育程度等风化壳特征也能直接影响上覆植被的类型[8]; 刘鸿雁等通过研究喀斯特地区的植被生长与岩石裂隙之间的关系, 发现随着1 mm以上的岩石裂隙数目的增多, 木本植物覆盖度增加而草本植物减少, 白云岩区裂隙发育少, 土壤厚度平均在20 cm左右, 多草本植被生长[9]。

本文选择了内蒙古阴山、河北坝上高原、广西岩溶地区3个不同的地理区域, 研究分析了不同生态问题、植被类型与岩石风化过程以及土壤物理化学特性之间的关系, 建立了内蒙古阴山北麓植被分布与风蚀作用基岩风化成土模式、张北坝上地区凹陷盆地风化冲洪积土壤栗钙化模式、西南典型岩溶地区石漠化模式等3种生态-地质作用模式, 揭示出不同区域生态景观特征与地质背景条件的内在关系, 提出了针对性的生态保护修复建议, 以期为区域修复提供科学依据和重要参考。

1 内蒙古阴山北麓植被分布与风蚀作用基岩风化成土模式
1.1 自然地理概况

内蒙古阴山北麓地区位于内蒙古中部, 阴山山脉向蒙古高原过渡地带, 为农牧交错带典型地区, 属干温带半干旱大陆季风气候。该地区年均降水量为200~400 mm, 全年降雨量的60%~70%集中在7-9月, 年均蒸发量为2 000~2 750 mm, 为降水量的6~16 倍, 旱季达7个月(10月-翌年5月), 年平均风速3.3~4.6 m/s, 大于8级以上大风日数在40~80 d左右, 干旱、低温、风大是该区主要的气候特点[10, 11, 12]。土壤类型以栗钙土、棕钙土与灰褐土为主, 有机质含量低。成土母岩类型以玄武岩、花岗岩、变质岩及砂砾质沉积物为主。由于研究区干旱少雨、蒸发量大, 处于北京和华北的上风向, 风蚀作用强, 导致土地沙化和生态功能退化[13, 14, 15]。

1.2 生态-地质作用模式

该区域阴山东段、大青山西段、大青山东段等不同地区, 在气候因子变化不大的情况下, 基岩类型与抗风化能力不同等导致生态系统类型差异明显。阴山东段为地势较低的坡缓丘陵地貌, 植被类型以草地为主, 岩石类型为易风化的玄武岩, 土壤类型以栗钙土为主。大青山西段为低山丘陵地貌, 植被类型以灌木为主, 岩石类型为抗风化能力较强的花岗岩, 土壤类型以栗钙土和灰褐土为主。大青山东段为中山区地貌, 植被类型以乔木为主, 岩石类型为混杂岩, 土壤类型以灰褐土和灰色森林土为主。通过分析化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration, CIA)[16]和微量元素分布特征, 研究分析不同基岩风化成土过程、特征对植被分布的制约, 进而建立生态-地质作用模式。

1.2.1 岩石类型为玄武岩的缓坡丘陵区

据元素地球化学分析结果(表1), 以玄武岩为基岩的土壤层中Al2O3、Fe2O3较母岩明显减少, 土壤层CIA低于半风化层, 这些元素的显著变化与该地区土壤层经历了比较强烈的风蚀作用有关。通常情况下, 稳定微量元素与稀土元素在岩石风化过程中很少发生迁移, 随着其他元素在风化过程中的流失, 这些元素的含量会逐渐富集, 但它们之间的相对含量比例与分布趋势保持不变, 这也是研究地质体演化过程中是否有外来物质加入或迁入的重要地球化学方法。据此, 选取11种该类元素开展分析研究。图1为大陆上地壳元素丰度值标准化后该类元素分布特征, 显示表层土壤的微量元素分布特征与基岩保持一致(D10-D12), 表明该地区土壤主要为基岩风化后的原地成壤, 外部迁入物质较少, 即受风蚀作用影响, 迁入物质量不足以影响基岩风化成土的微量元素分布[17], 在风蚀作用下可能以物质迁出为主。一般情况下, 风蚀作用迁出物质主要以表层的黏土和粉沙为主。针对成土母质为玄武质的表土而言, Ca、Mg和Ti含量相对丰富, 因此风蚀作用的物质迁出致使表层土壤中Ca、Mg、Ti和Al相对亏损。在风力作用下沙粒发生滚动和侧向迁移, 沙粒中以Si为主, 因此Si含量与其他地区风化土壤接近, 未见明显亏损。

表1 阴山北麓岩石风化剖面中主量元素含量 Tab.1 Content of major elements in rock weathering profile of the northern piedmont of Yinshan Mountain

图1 阴山北麓岩石风化剖面上地壳标准化微量元素蛛网图Fig.1 Upper continental crust normalized trace elements spider diagram in rock weathering profile at the northern piedmont of Yinshan Mountain

图1-1 阴山北麓岩石风化剖面上地壳标准化微量元素蛛网图Fig.1-1 Upper continental crust normalized trace elements spider diagram in rock weathering profile at the northern piedmont of Yinshan Mountain

由风化剖面土壤层粒度分布(表2)可见, 自下而上, 该地区表土中的黏土与粉沙成分为负增长, 而沙粒为正增长, 也说明了风蚀作用下表土细粒物质的迁出。同时, 由于长年风蚀作用的物质迁出, 致使风化黏土与粉沙很难原地残留, 土层较薄, 植被类型以草地为主。

表2 阴山北麓岩石风化剖面土壤层粒度分布 Tab.2 Grain size distribution of soil in rock weathering profile of the northern piedmont of Yinshan Mountain

1.2.2 岩石类型为花岗岩的低山丘陵区

从基岩到表层, 虽然CIA指数表现为正常增加趋势(表1, D01— D05), 但微量元素分布特征表明, 表层土不完全由基岩风化而成, 具有较大比例的迁入成分(图1, D01— D05)。相对于缓坡丘陵区而言, 低山丘陵地区海拔相对较高(1 650 m), 风蚀迁出扬尘中的粉沙物质可能在该地区沉降, 同时由于风力作用黏土矿物又会随大风卷起迁出。由地球化学元素分析结果可知, 该地区Na和K出现明显亏损, 这与花岗岩中Na和K主要以迁出而无明显的迁入有关。另一方面, 表层土中Si和Al元素未出现明显亏损, 表明沉降物质弥补了迁出的元素亏损或迁出物质较少。因此, 与缓坡丘陵地区相比, 低山丘陵区迁出物质总量亏损相对较少。尽管如此, 与正常风化表土相比, 粉沙质偏多, 黏土偏少, 存在风蚀黏土的迁出问题, 尽管土层比低山丘陵地区稍厚, 但发育不足50 cm, 不适合乔木生长, 野外常见灌木丛(表2)。

1.2.3 岩石类型为混杂岩的中山区

在中山区, 由于高海拔地势(1 800 m)阻挡作用风力减小, 扬尘中的黏土矿物发生沉降迁入, 且地表物质迁出较少, 基岩与表土的微量元素分布特征表明该地区表土中存在大量物质迁入(图1, D06— D9)。由于黏土矿物富含Al元素, 导致表层土壤的CIA指数明显高于上述2个地区(表1)。可能与迁入物质量较大或很少有物质迁出有关, 该地区表层土壤相对较厚且黏土矿物相对丰富(表2), 保障了乔木的生长需要, 野外常见乔木林。

基于以上分析可知, 在阴山地区基岩的风化与物质迁移等地表地质过程中, 风蚀作用的影响使得不同岩性和地貌区表层土壤物质组成、厚度不同, 发育的植被类型亦不同。综合分析表生地质过程对生态特征的影响, 建立了内蒙古阴山北麓基岩风化与风蚀作用成土模式(图2), 以揭示表生地质过程对生态分布特征的制约影响。

图2 内蒙古阴山北麓植被分布与风蚀作用基岩风化成土模式Fig.2 Vegetation distribution and bedrock weathering soil formation model of the northern piedmont of Yinshan Mountain

2 张北坝上地区凹陷盆地风化冲洪积土壤栗钙化模式
2.1 自然地理概况

张北坝上地区地貌类型主要为沙地和疏缓丘陵, 波状高原景观十分典型, 为农牧交错带典型地段, 属温带大陆性气候[18, 19]。研究区年均气温为-0.3~4.7 ℃, 年均降水量382~560 mm, 多集中于6— 9月, 占全年降水量的81.6%[18]。土壤类型主要为栗钙土与风沙土, pH值为5.52~7.37, 土壤质地以沙质、沙壤质为主, 土层发育较薄, 土壤有机质含量较少, 质地疏松, 持水保肥能力较差[20, 21]。研究区主要岩性为汉诺坝组(N1h)玄武岩与晚古生代花岗岩, 新生代以来近 EW 向、近SN向断裂活动较弱, 而NE向、NW 向断裂活动较强烈[22]。研究区生态系统类型为温带草原, 主要由干草原和湿地草甸草原组成, 极小部分形成森林草原, 主要植被有农作物、天然草地、人工草地和人工防护林等四大类型[20]。近年来, 坝上地区人工林枯死问题逐渐得到多方学者关注, 目前已从造林方式[23]、土壤理化性质[24, 25]、气候环境条件[26, 27]和树木生理[28]等多方面对三北地区人工林退化机制及其影响因素开展了大量研究。但是, 鲜有学者从生态演化赖以生存的地表地质过程角度探讨人工林退化问题[29]。本文选择张北县安固里淖地区山间凹陷小型盆地开展生态-地质作用模式研究, 以揭示生态环境背景对人工林生长的影响。

2.2 生态-地质作用模式

利用2010年、2018年两期高分辨率(优于5 m)遥感影像数据监测人工林变化情况, 发现张北坝上波状高原人工林退化面积达7万亩(判释标准为斑块内株数存活的密度降至30%以下), 斑块数量545个, 集中分布于凹陷盆地及冲洪积扇前缘地下水位埋深较浅的地区, 土壤层和风化层厚度大都不超过1.5 m(下伏基岩)。这些区域表层土壤pH值介于8.5~9.2, 含盐量介于1.1~1.2 g/kg(表3), 土壤层1 m以浅普遍发育钙积层, 土壤钙积层结构紧密, 保肥效果好, 但通透性差, 阻拦根系向下发育。通过野外剖面观察发现, 杨树根系发达, 但根系横向生长, 不能穿透钙积层, 杨树处于顶部枯梢或者整株枯死的状况。根据研究区此类现象, 通过野外调查从山脊、山脚至盆地中央采取土壤剖面样品, 开展土壤理化性质和元素地球化学分析, 以分析人工林退化区的地质影响因素, 建立生态-地质作用模式。

表3 张北坝上地区凹陷盆地土壤剖面性质参数 Tab.3 Parameters for soil profile in sag basin of Zhangbei Dam

从河北坝上地区土壤剖面性质参数(表3)可以看出: 安固里淖凹陷南部为玄武岩山区, 玄武岩风化后主要析出Ca、Mg以及少量K、Na等碱性离子; 凹陷北部为花岗岩山区, 基岩风化后主要析出K、Na和部分Ca、Mg等碱性离子。基岩风化剥蚀后形成冲洪积扇, 在靠近凹陷盆地的冲积扇或洪积扇的前缘(或尾端), 土壤剖面(PM-1和PM-4)物质组成上具有成土母岩的特征, 但在土壤淀积层(B层)则形成了明显的白色碳酸钙沉淀(图3), 称为栗钙层。由于地形上存在一定的高差, 山区基岩风化形成的物质在重力作用下不断向凹陷盆地搬运, 最终导致冲洪积扇前缘的土壤颗粒明显变细, 以粉砂及黏土为主, 蓄水功能强。当降雨量较大时, 玄武岩山区基岩风化析出的Ca、Mg以及花岗岩山区基岩风化析出的K、Na等碱性离子便溶解在雨水中, 并主要沿着坡度产生了侧向迁移。由于冲洪积扇前缘物质较强的蓄水能力以及趋于平缓的地势, 在降水量减少或蒸发量增加的情况下, 溶解在水中的碱性离子发生了浓缩, 最终在冲洪积物前缘土壤层中形成了一定程度的富集。该区域不同基岩区土壤剖面的元素地球化学分析特征均显示, 表层土壤(A层)的风化指数(CIA)低于B层土壤; 同时含盐量也表明, B层土壤较A层含盐量明显增加(表3, PM-1和PM-4)。这表明除基岩风化的控制外, 雨水淋溶作用引起的表层物质下渗对B层中盐的富集具有一定的促进作用, 剖面参数同样显示Ca、Mg等离子在B层富集, 易形成栗钙层。一般情况下, 随着基岩或母质的风化, 作为易溶元素的碱金属或碱土金属离子会随地表水迁移流失, 表层元素含量和碱金属离子的含量要低于母质或基岩。由表3可见, 在凹陷盆地(PM-1和PM-4)它们相对富集, 尤其在B层富集系数高达1.3~3.2倍, 说明该凹陷有着盐碱化趋势。因此, 在盆地凹陷以及靠近山区的冲积扇或洪积扇的土壤B层栗钙层的生成不利于深根乔木生长, 使得人工林出现枯死等现象。与此同时, 伴随地表及A层水分的快速蒸发, 溶解在深层水中的Na、K离子通过毛细作用在A层富集(如PM-1和PM-2), 洼地地点出现盐析出现象, 其pH值(8~9)远高于本地区的均值(5.52~7.37)。

图3 凹陷盆地人工林退化与风化冲洪积土壤栗钙化模式Fig.3 Model of plantation degradation and weathering alluvial proluvial soil calcification in sag basin

距离凹陷盆地较远的山坡地区, 土壤物质组成主要为粉砂和砂的坡积物, 粒度较冲洪积物明显变粗, 仅具有一定的蓄水能力。土壤剖面元素地球化学分析特征同样显示A层土壤的CIA低于B层土, 其含盐量表明B层颗粒物较A层含盐量也在增加(表3, PM-2和PM-5)。这表明山坡处也存在雨水淋溶作用造成的细粒物质下渗, 从而引起Ca、Mg等离子在B层的富集, 进一步生成碳酸钙。但是, 从碳酸钙含量以及含盐量的数值来看, 该处富集程度明显低于冲洪积物前缘(表3, PM-1和PM-4)的B层土壤, 这与坡积物具有较强的蓄水能力以及该处一定坡度造成的碱性离子侧向迁移有关, 因此, 山坡处适合乔木、灌木丛生长。

在玄武岩以及花岗岩的山脊或山区, 土壤物质组成则是以粗颗粒的残积物为主, 蓄水能力进一步减弱, 基岩风化析出的 Ca、Mg、K、Na等碱性离子均不易汇聚, 淋溶作用不明显, 无法形成明显的碳酸钙沉淀。山区土壤剖面(表3, PM-3和PM-6)的元素地球化学分析表明, 从基岩到表层土壤CIA指数为正常增加趋势, 表明土壤层中的碱性离子以侧向迁移为主, 不同土壤层间垂向迁移较弱, 因此没有形成明显的碳酸钙或碱性离子淀积层。总的看来, 由于山顶地势所主导的土壤层的蓄水功能较差以及碱性离子侧向迁移, 该处土壤层没有明显的盐析出和栗钙层生成, 适合乔木生长。

综上所述, 本文建立了凹陷盆地人工林退化与风化冲洪积土壤栗钙化模式, 揭示了杨树等人工林的退化受成土母岩及其风化作用过程控制的土壤高盐碱背景的影响(图3)。在气候干燥、降雨量不足350 mm、蒸散发量大的气候背景条件下, 张北坝上高原地区土壤盐碱化受基岩类型、地形地貌等地质条件和地质过程的影响或控制。该地区有复杂的火成岩及大量断裂分布, 经风化剥蚀后形成凹陷, 花岗岩风化析出大量K、Na、Ca离子, 玄武岩风化析出大量Mg、Ca离子, 这些碱金属离子随降雨向凹陷区汇聚, 随雨水淋滤下渗易形成栗钙层。凹陷区和冲洪积扇的前缘为汇水区, 溶解在水中的碱金属浓缩并残留, 致使在土壤B层形成栗钙层或表层盐析出, 造成颗粒较细的冲洪积扇前缘和凹陷盆地的高盐碱汇聚, 土壤钙积层发育, 立地条件较差, 随着树龄的增长, 养分和水分不能满足林木生长所需, 导致杨树枯梢或者整株枯亡。

3 广西岩溶地区成土母岩对石漠化发育程度的影响模式
3.1 自然地理概况

广西地处云贵高原东南边缘, 两广丘陵西部, 南临北部湾海面, 西北高、东南低, 呈西北向东南倾斜状, 总体呈山地丘陵性盆地地貌[30], 属亚热带季风气候区和热带季风气候区, 气候温暖, 雨水丰沛, 光照充足, 年平均降水量1 630.1 mm, 各地年降水量946~2 897 mm[31], 平均年日照1 540.4 h, 水热条件季节性分配不均使得该区冬季干旱、夏季炎热潮湿, 干湿季节明显。研究区属于华南— 东南亚板块, 是华南微大陆板块的组成部分, 处于特提斯构造域与滨太平洋构造域的交接部位, 是地质构造非常复杂的地区[32]。区域岩石类型主要以灰岩、白云岩、硅质岩、大理岩化灰岩等为主。成土母质分别为岩浆岩类及其风化物、砂页岩及其变质岩类的风化物、碳酸盐岩类风化物、紫色— 紫红色砂页岩的风化物, 以及近代冲积与湖积物。主要土壤类型为赤红壤、石灰性土、红壤、砖红壤, 赤红壤、红壤、砖红壤的成土母质主要为花岗岩、砂页岩风化物、第四纪红土等[33]。植被类型多种多样, 主要有针叶林、阔叶林、灌丛等, 针叶林分布在桂西北地区, 阔叶林分布在桂东南地区[34]。由于研究区主要成土母岩为碳酸盐岩, 坚硬致密可溶性组分高, 在雨量充沛且降水集中的条件下易于溶蚀被水带走, 不溶性的残留物少, 成土条件极差, 具备石漠化发生的地质前提。不合理垦荒等人类活动是引发土地石漠化的直接因素。

3.2 生态-地质作用模式

试验区轻度石漠化表现为土壤层较厚, 植被覆盖率高, 以乔木和灌木为主; 中度石漠化表现为土壤层较薄, 植被覆盖率较高, 以灌木和草丛为主; 中-重度石漠化表现为土壤层薄, 植被覆盖率较低, 以草丛为主; 重度石漠化表现为岩石大面积裸露, 植被覆盖率低。选择不同岩石类型和石漠化程度分布区的5条剖面(PMQBN01、PMWM01、PMQBN03、PMBM01、PMTD03)进行取样分析, 发现从各剖面稀土元素La/Sm值来看, 基岩和其上覆土壤均变化不大(表4), 证明基岩在风化成土过程中没有其他物质明显加入, 上覆土壤均为原地风化的结果[35], 也就是说, 区域成土母岩的风化速率与成壤特征直接影响了区域石漠化程度。因为岩石中Ca、Mg等主量元素活动性强, 在化学风化中转化为可溶性离子而大量淋失, Si、Al等主量元素性质则较稳定, 风化后残留在原地, 成为成土物质的主要来源[36], 因此, 本文用易溶组分(Ca+Mg)和难溶组分(Al+Si)含量的比值来表征成土母岩的成壤能力(表4), 比值越大成壤能力越小, 进而结合地表植被特征进行分析, 建立广西石漠化地区生态-地质作用模式。

表4 广西岩溶地区不同程度石漠化土壤剖面性质参数 Tab.4 Property parameters for soil profile with different degrees of rocky desertification in karst area of Guangxi Province

PMQBN01为轻度石漠化剖面, 成土母岩为灰岩与硅质岩互层。硅质岩的(Ca+Mg)/(Al+Si)值为0.12, 难溶组分含量高, 灰岩的(Ca+Mg)/(Al+Si)值为4.75, 难溶组分含量低。灰岩与硅质岩存在的差异性风化使山坡坡度都相对较缓, 有利于风化后残余物质的保存, 因此形成的土壤层较厚。南方降雨充沛, 在这样的地区乔木等生态植被发育较好。

PMWM01为中度石漠化剖面, 成土母岩为灰岩。(Ca+Mg)/(Al+Si)值为4.4, 难溶组分含量较低, 成壤能力较弱, 且由于灰岩的差异性溶蚀作用, 在地貌上易发育峰林、溶蚀洼地, 地势崎岖, 坡度大[37]。上部坡度较大的地方岩石风化残积形成的土壤由于雨水或地形等因素无法保留在原地, 迁移到地势低洼地带[38], 因此上部地区土壤贫瘠, 无法支撑高大乔木的生长, 仅能生长一些灌木和草丛。

PMQBN03为中度石漠化剖面, 成土母岩为大理岩化白云岩。(Ca+Mg)/(Al+Si)值为4.57, 难溶组分含量较低, 成壤能力较弱, 并且由于白云岩发生重结晶作用, 抗风化能力变强, 溶蚀速率变慢, 因此岩石风化后形成的土壤较薄, 高大乔木无法生长, 植被以灌木和草丛为主。

PMBM01为中-重度石漠化剖面, 成土母岩为较纯灰岩。(Ca+Mg)/(Al+Si)值为4.79, 难溶组分含量低, 因此岩石风化后形成的土壤薄。植被稀疏, 以草丛为主, 岩石小面积裸露。

PMTD03为重度石漠化剖面, 成土母岩为发生明显大理岩化的巨厚状纯灰岩。(Ca+Mg)/(Al+Si)值为4.92, 难溶组分含量极低。由于其经历过重结晶作用, 岩石抗风化能力强于上述其他岩石, 且岩石一般呈巨厚状产出, 风化后形成的土壤很薄。在溶沟或石坑中, 其自身风化的土壤可以保留在原地, 也可以接受上部岩石风化后形成的土壤。因此, 在地势低洼地带, 其上覆土壤层较厚, 可以生长一些草丛等稀疏植被, 而坡度大的地方岩石大面积裸露, 植被无法生长。

土壤粒度在一定程度上能够指示土壤化学风化程度, 这是由于土壤中的黏土矿物富硅铝, Al2O3含量越高, CIA指数越大, 风化程度越高。本文土壤粒度用黏粒/(粉粒+砂粒)值来表示, 比值越大, 风化程度越强。从广西不同程度石漠化土壤剖面性质参数(表4)可以看出, 除个别剖面(PMWM01)外, 剖面整体呈现有规律的变化, 从轻度、中度石漠化地区到重度石漠化地区, 土壤中黏粒/(粉粒+砂粒)值和CIA指数呈逐渐增大的趋势, 土壤化学风化程度也越来越高。而中度石漠化地区(PMWM01)土壤黏粒/(粉粒+砂粒)值和CIA指数偏高, 可能与上覆土壤中黏粒堆积到此处有关。从植物所需的主要养分元素全N、全P、全K分析(表5)来看, 不同程度石漠化土壤中其含量没有明显的规律。养分元素与粒度相关性分析结果(表6)显示: Fe、B、Mn、Cu、Zn与黏粒都呈显著正相关, 重度石漠化地区土壤黏粒含量最高, 其微量元素Fe、B、Mn、Cu、Zn等含量也高。

表5 广西岩溶地区不同程度石漠化土壤剖面养分元素含量 Tab.5 Nutrient elements in soil profiles with different degrees of rocky desertification in karst area of Guangxi Province
表5 续表
表6 广西岩溶地区不同程度石漠化土壤剖面养分元素与粒度相关性 Tab.6 Correlation between nutrient elements and grain size in soil profiles of different degrees of rocky desertification karst area of Guangxi

综上所述, 广西岩溶地区石漠化的形成与岩石风化后所形成的土壤中营养微量元素含量没有明显的关系, 而与成土母岩的岩性和地形坡度关系很大, 其生态-地质作用模式如图4所示。成土母岩岩性差异和人类活动扰动导致石漠化发育程度有所不同, 中度及以上石漠化常发育在厚层灰岩、白云岩、大理岩化灰岩等地区, 该岩性地区地形较为破碎, 土壤厚度较薄且不连续, 植被以灌草为主, 植被覆盖度较低, 一旦破坏难以修复; 轻度石漠化常发育在灰岩夹薄层泥岩、砂岩、泥质灰岩等岩性地区, 此类地区地形相对较为平缓, 土壤厚度较厚, 植被垂向结构较完整, 植被覆盖度较高。

图4 广西岩溶地区成土母岩对石漠化发育程度的影响模式Fig.4 Model diagram of soil parent rock affecting the development degree of rocky desertification in karst area of Guangxi Province

4 生态保护修复建议

遵循以自然恢复为主, 尊重自然、顺应自然的基本方针, 实施基于自然的解决方案, 利用好自然而非人工力量解决生态环境问题, 充分发挥生态系统自然演替以及在群落稳定性、生物多样性和生态功能性上的优势, 逐步建立起自我维护、运行良好的生态系统。针对本文研究重点, 特提出以下生态保护修复建议。

(1)在区域背景气候气象条件相似的情况下, 基岩风化形成的表层风化壳结构对植被类型具有控制作用, 是修复区宜灌或宜乔的依据。阴山北麓乔木林主要生长在混合岩中山区, 灌木林主要生长在花岗岩低山丘陵区, 而玄武岩坡缓丘陵地区由于长年风蚀作用使得黏土与粉砂物质迁出, 土层较薄, 植被类型以草地为主。建议在玄武岩坡缓区采取严格的保护措施, 因为土壤层一经破坏将难以修复。在林草修复过程中应加强岩石— 风化壳— 土壤— 植被多圈层交互作用剖析, 确定不同生态地质条件区的植被恢复的适宜类型。

(2)在生态格局局部不稳定、耕地与林草湿地等生态系统类型间变化程度大的区域, 建议充分考虑生态地质条件的制约, 调整优化土地利用结构。近十年来, 坝上波状高原等农牧过渡带存在草地向农田和林地转化的变化趋势。本区域土壤厚度薄、盐碱度高、土壤钙积层结构紧密, 自然禀赋条件适宜草原生态类型, 不适合深根乔木生长, 已出现人工林枯死的现象, 面积达7万亩。应尽可能采取恢复自然草地的生态重建方式, 将部分深根杨树种植区转换为天然草地、灌木林地。

(3)不同碳酸盐岩岩性组合对石漠化程度有控制作用, 建议分区、分类实施石漠化治理。岩溶地区成土母岩岩性差异造成成壤能力不同, 叠加人类活动扰动导致石漠化发育程度有所不同, 中度及以上程度的石漠化主要发育在纯碳酸盐岩区域, 而夹碎屑岩及泥质灰岩区则发育轻度及以下程度的石漠化。在轻、中度石漠化地区, 人类活动如过度放牧、滥垦滥伐所导致的石漠化, 可以通过封山育林、水土保持耕作措施等修复达到预期的治理效果。在重度石漠化地区, 因岩性条件决定这类地区土壤薄、发育不连续, 需退耕还林还草, 辅助人工修复林草植被, 这类区域土壤Fe、B、Mn、Cu、Zn等元素含量较高, 可以种植少量特色农作物。

5 结论

我国生态环境本底脆弱, 生态问题复杂多样, 内在机理和演替规律研究基础十分薄弱, 对山水林田湖草作为生命共同体的内在机理和规律以及各自然生态要素之间的内在联系认知程度不够, 对于科学开展生态保护修复形成瓶颈制约。未来监测识别退化生态系统, 研究分析生态地质交互带植被— 土壤— 水— 成土母质— 基岩相互作用过程, 有效识别生态系统退化机理, 针对性提出基于自然的解决方案, 仍是生态保护修复工作的难点。本文选择内蒙古高原、张北坝上、西南岩溶石山等典型生态系统, 凝练提出生态地质条件与生态特征及其内在关系等认识, 建立了相应的生态-地质作用模式, 旨在揭示地表地质过程对生态特征的制约或影响机理, 为科学修复提供技术支撑。

(责任编辑: 沈效群)

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