張信寶

(中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 四川 成都 610041)

近年來，作者先后對中國晉陜蒙接壤區(qū)砒砂巖、黃土高原沖溝、華南崩崗、東北黑土侵蝕和西南喀斯特坡地土壤侵蝕等問題進(jìn)行了大量現(xiàn)場考察，并不斷與同行交流和探討，逐步形成了關(guān)于水土流失研究中若干理論問題一些新的認(rèn)識。本文重點(diǎn)從地質(zhì)學(xué)角度對有關(guān)水土流失問題進(jìn)行分析?，F(xiàn)將有關(guān)問題陳述如下，以求拋磚引玉，為新時(shí)期水土保持研究提供理論借鑒,為青年學(xué)者提供學(xué)術(shù)研究的思路和方法。

1 關(guān)于晉陜蒙接壤區(qū)砒砂巖與鄂爾多斯地臺油氣和鈾礦藏的關(guān)系問題

砒砂巖是指分布于晉陜蒙接壤地區(qū)以紅色和白色色調(diào)為主的，主要由砂巖、粉砂巖及泥巖組成的半固結(jié)碎屑巖組合，包括二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系地層[1]。由于該套巖層組合固結(jié)程度低，極易發(fā)生風(fēng)化剝蝕, 該區(qū)重力侵蝕尤為強(qiáng)烈，是黃土高原侵蝕最劇烈的區(qū)域, 雖然它的面積只占黃土高原總面積的5%，但是它年均輸沙量卻占約22%, 被中外專家稱為“世界水土流失之最”和“環(huán)境癌癥”[1]。這些地層在晉陜蒙接壤區(qū)之外的地區(qū)，巖層沙粒間膠結(jié)程度尚好,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不低，水土流失并不嚴(yán)重。我從事國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目《黃土高原地區(qū)綜合考察》的“黃土高原重力侵蝕”專題研究時(shí)，曾試圖用“上覆巖層厚度小，壓力低，成巖程度低”，解釋砒砂巖沙粒間膠結(jié)程度差的原因[2]。筆者認(rèn)為，這種解釋無法圓滿解釋砒砂巖特征。

2016年9月，中央電視臺科技頻道報(bào)道了內(nèi)蒙東勝特大型砂巖鈾礦，使我深受啟發(fā)。該節(jié)目提出東勝鈾礦的形成與鄂爾多斯盆地的油氣輸移有關(guān)，油氣攜帶成礦物質(zhì)由南向北輸移，在北部伊盟隆起東勝一帶沉積下來形成鈾礦；東北部晉陜蒙接壤區(qū)構(gòu)造開口，油氣逸散，沒有油氣田，也沒有鈾礦。節(jié)目中還提及油氣還原性強(qiáng)，具有溶解砂巖的沙粒間膠結(jié)物質(zhì)的作用，我意識到這可能是砒砂巖沙粒間膠結(jié)程度差，固結(jié)程度低的根本原因。

之后，本人查閱了一些文獻(xiàn)[3]，逐漸形成了關(guān)于“砒砂巖”成因的新認(rèn)識。紅層漂白現(xiàn)象記錄反映了淺表層油氣運(yùn)移、經(jīng)過的行跡,是證明油氣是否曾經(jīng)存在及其逸散規(guī)模的重要證據(jù)。盆地東北部砂巖漂白現(xiàn)象與地層中天然氣向北運(yùn)移并逸散密切相關(guān)。天然氣為酸性還原性氣體，當(dāng)還原性氣體進(jìn)入紅層時(shí),通過與Fe3+的化學(xué)還原反應(yīng),生成可溶性物質(zhì)之后從紅層中移開,從而紅層被漂白。流體漂白巖石的同時(shí)，也溶解了巖石沙粒間的碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致其固結(jié)程度降低，形成砒砂巖。天然氣逸散改變了鈾成礦體系的氧化還原電位,為鈾成礦提供了有利的環(huán)境,形成了巨型鈾礦礦藏。

鄂爾多斯盆地為南低北高，總體向西緩傾的大單斜。北部伊盟隆起為地質(zhì)歷史上多期發(fā)育的古隆起, 是油氣的長期運(yùn)移方向。鄂爾多斯盆地的油氣和鈾礦均主要分布于中生代地層，從盆地的油田—?dú)馓铩櫟V—漂白砂巖分布狀況可知，油田分布于盆地的南部，氣田分布于中部，北部伊盟隆起無中生代油氣田分布。東勝鈾礦位于隆起的中東部，層狀的砂巖鈾礦礦體分布于氧化還原過渡帶。伊盟隆起東部的東勝鈾礦以東地區(qū)與晉西擾褶帶交匯，斷裂發(fā)育，鄂爾多斯盆地向北東開口，天然氣大量逸散，漂白砂巖廣泛分布。漂白砂巖分布區(qū)往往有油苗出露，是天然氣逸散的殘留物。由于天然氣沿?cái)嗔岩萆ⅲ虼似咨皫r不限于中生代地層，二疊石盒子組地層也有漂白砂巖分布。

2 關(guān)于優(yōu)先流與黃土高原沖溝形成和塬區(qū)地下水來源的關(guān)系問題

2016年8月，我參加了在甘肅省慶陽市召開的中國黃土論壇暨國際黃土研討會。長安大學(xué)彭建兵教授對報(bào)告中一張PPT的解釋“黃土垂直節(jié)理兩側(cè)的黃土濕度偏高，表明黃土中也有優(yōu)先流”。這個(gè)現(xiàn)象引起了我的注意。優(yōu)先流(preferential flow)“指土壤在整個(gè)入流邊界上接受補(bǔ)給，但水分和溶質(zhì)繞過土壤基質(zhì)，只通過少部分土壤體的快速運(yùn)移”(搜狗百科)。優(yōu)先流是世界近期土壤水分研究的熱點(diǎn)，我立刻將其與黃土高原的沖溝發(fā)育聯(lián)系起來，推測水分以優(yōu)先流的形式沿垂直節(jié)理向下入滲，兩側(cè)黃土含水量增加，碳酸鈣膠結(jié)物被溶解，力學(xué)強(qiáng)度降低，易于發(fā)生侵蝕，形成沖溝。由于化學(xué)溶蝕，沖溝頭部可能存在陷穴，還可能發(fā)生管道侵蝕(pipe erosion)。這些現(xiàn)象在野外都可以看到。我參加了會后的野外考察，考察路線為慶陽市—延安市—壺口瀑布—洛川縣—西安市。我和土壤水分研究的后起之秀王云強(qiáng)談起了垂直節(jié)理—優(yōu)先流—黃土沖溝的想法，并在野外進(jìn)行了現(xiàn)場解釋，得到了在場專家學(xué)者的認(rèn)可。土壤水分的研究多在黃土塬或梁峁的中部開展，那些地貌部位黃土垂直節(jié)理密閉，土壤水分基本均勻向下入滲，一般不發(fā)生優(yōu)先流。黃土塬或梁峁的邊緣部分，由于卸荷效應(yīng)，垂直節(jié)理張開，利于土壤水分以優(yōu)先流形式向下入滲，形成沖溝”(圖1)。

20世紀(jì)90年代初，李玉山先生與我討論黃土高原土壤水的問題時(shí)說，塬區(qū)土壤水的研究表明，降水入滲的深度不可能超過幾米，黃土塬區(qū)幾十到幾百米深的地下水不知從何而來。關(guān)于黃土優(yōu)先流的新認(rèn)識，使我想到了黃土塬區(qū)地下水的來源。塬區(qū)谷坡部位，由于卸荷作用黃土垂直節(jié)理張開，新老滑坡裂縫發(fā)育，利于土壤水以優(yōu)先流的方式入滲遷移，遇到古土壤層或基巖等不(弱)透水層，水分向塬或梁峁中央部位水平遷移，側(cè)向補(bǔ)給塬面區(qū)的地下水。也就是說，塬區(qū)谷坡部位是塬區(qū)地下水的補(bǔ)給區(qū)。

圖1 黃土高原梁峁丘陵邊緣沿垂直節(jié)理發(fā)育的沖溝(張信寶攝于200511)

2019年4月，我參加了董志塬固溝保塬治理工程的考察，當(dāng)?shù)氐墓こ碳夹g(shù)人員現(xiàn)場指出了溝頭和溝坡的陷穴(當(dāng)?shù)厮追Q灌眼)，參加考察的同志一致認(rèn)可了優(yōu)先流的存在。當(dāng)?shù)氐墓虦媳＼卫砉こ套坑谐尚?，措施配置科學(xué)實(shí)用，我將其總結(jié)為“埂—路—池—管(溝)—井—壩”治理工程體系。塬邊埂用來阻擋塬面徑流下溝；埂邊路用來防止徑流入滲和集流；澇池用來蓄水，調(diào)節(jié)徑流；管(溝)—澇池進(jìn)水可采用溝或管道，澇池—消力井—溝底之間必須采用管道；消力井用來消能；谷坊壩用來防止溝谷下切，穩(wěn)定谷坡。埂邊路的一個(gè)重要作用，就是填實(shí)陷穴，防止徑流以優(yōu)先流方式通過陷穴向下入滲。

3 關(guān)于華南地區(qū)的崩崗侵蝕問題

崩崗是厚層風(fēng)化殼發(fā)育的華南花崗巖丘陵區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，由“崩口”和其下方的沖溝組成。前人多用普通的邊坡失穩(wěn)和沖溝發(fā)育的機(jī)理解釋崩崗的發(fā)生與演化，本人感到難以信服。因?yàn)楸缻徍苌侔l(fā)生于其他巖土組成的坡地。2005年我有幸赴江西、湖南二省調(diào)研南方水土保持，有意識地考察了一些崩崗。受1983—1986年在新西蘭研究土流期間看過的一篇用超壓密黏土(overconsolidated clay)理論，解釋20世紀(jì)50年代英國倫敦黏土公路邊坡失穩(wěn)的文章[4]的啟發(fā)，我提出了崩崗失穩(wěn)的巖石風(fēng)化膨脹機(jī)理的觀點(diǎn)，撰寫了《崩崗邊坡失穩(wěn)的巖石風(fēng)化膨脹機(jī)理探討》一文[5]。該文的主要觀點(diǎn)是，不同于碎屑巖成巖壓實(shí)形成的超壓密巖土，花崗巖風(fēng)化殼是巖石風(fēng)化膨脹形成的超壓密巖土。在長期的熱帶亞熱帶氣候條件下，花崗巖風(fēng)化強(qiáng)烈，致密完整的花崗巖風(fēng)化為沙、土碎屑的結(jié)合體。由于碎屑顆粒粒間孔隙的出現(xiàn)，風(fēng)化巖土體積增大，發(fā)生膨脹。風(fēng)化殼中下部巖土由于上覆土層壓力，風(fēng)化碎屑顆粒間的孔隙不能自由舒展，處于壓閉狀態(tài)，存在膨脹應(yīng)力。一旦風(fēng)化殼坡地被沖溝切開，陡立邊坡風(fēng)化殼巖土強(qiáng)度小于膨脹應(yīng)力時(shí)，坡體突然失穩(wěn)，崩塌發(fā)生。

2019年8月以后，我分別赴江西省的贛縣、于都、寧都和興國縣，廣東省的德慶、五華縣，再次對贛南崩崗和廣東崩崗進(jìn)行了考察。通過考察前的文獻(xiàn)[6-10]閱讀和考察期間的實(shí)地觀察，對華南崩崗有了進(jìn)一步的認(rèn)識。

(1) 崩崗的定義。據(jù)搜狗百科描述，華南廣大風(fēng)化殼坡地上發(fā)育著各種形狀的深切山坡崩陷凹地形，其沖溝溝頭部分經(jīng)不斷地崩塌和陷蝕作用而形成一種圍椅狀侵蝕地貌，稱之為崩崗。筆者的定義是：熱帶、亞熱帶地區(qū)，巖石風(fēng)化形成的膨脹壓密厚層土體組成的坡地上，沖溝溝頭部分經(jīng)不斷地崩塌和陷蝕作用而形成一種圍椅狀侵蝕地貌。此定義強(qiáng)調(diào)了土體的膨脹壓密特性(圖2)。

圖2 廣東省五華縣的崩崗(張信寶攝于201909)

(2) 崩崗的物質(zhì)基礎(chǔ)?；◢弾r或含較多長石等易風(fēng)化成土礦物等巖石的厚層風(fēng)化殼。崩崗發(fā)育的華南花崗巖厚層風(fēng)化殼剖面由上而下分別為： ①紅土層； ②風(fēng)化膨脹壓密沙土層； ③含酥碎巖塊的風(fēng)化膨脹壓密沙土層； ④球狀風(fēng)化層(巖石完全酥碎，壓密沙土層極少粒度大于2 cm的礫石，透水性極差)。由于水分難以通過密實(shí)沙土層入滲，崩崗溝往往雨后不久就干凅； 由于巖石完全酥碎，壓密沙土層極少粒度>2 cm的礫石，因此溝道和沖積扇比降小，多<2%。臺灣島、海南島、閩東、粵東和香港等地，由于山地隆升和侵蝕強(qiáng)烈等原因，厚層風(fēng)化殼難以保存，花崗巖山地?zé)o崩崗發(fā)育。

(3) 優(yōu)先流與崩崗的形成發(fā)育。壓密沙土層透水性極差，徑流只能沿巖土孔、裂隙以優(yōu)先流形式入滲，軟化孔、裂隙兩側(cè)風(fēng)化膨脹壓密沙土層，降低抗沖性，利于沖溝形成；降低抗剪強(qiáng)度，利于崩塌發(fā)生。水分下滲到沙土層中或與球狀風(fēng)化層過渡帶中的軟弱帶，促進(jìn)滑坡活動(dòng)。植物根系穿透土層形成的裂隙可能是崩崗?fù)馏w優(yōu)先流的主要通道。實(shí)地觀察到馬尾松根系形成的深達(dá)近10 m垂直裂隙。淺根型的地帶性常綠闊葉林(樹種)被深根型馬尾松替代的植被演替，可能是歷史時(shí)期以來華南地區(qū)崩崗發(fā)生的重要誘因之一。

(4) 崩崗治理。20世紀(jì)50年代史德明等人在總結(jié)群眾崩崗治理經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出的“上攔、下堵、中間削”的治理模式總體上是科學(xué)的[6]?；诒缻彽男纬蓹C(jī)理和驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，筆者認(rèn)為穩(wěn)定山體型崩崗，可采用開發(fā)治理模式(平溝、梯化、建果園)進(jìn)行治理。據(jù)調(diào)查，隨著植被的恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的改善，近年來崩崗發(fā)生面積呈萎縮的態(tài)勢。筆者認(rèn)為，這可能與植被恢復(fù)，增加蒸騰耗水，減少水分入滲，促進(jìn)坡體穩(wěn)定有關(guān)[7-10]。

4 關(guān)于東北地區(qū)黑土的侵蝕問題

東北黑土侵蝕是國內(nèi)近年來水土流失研究的熱點(diǎn)問題之一[11-14]。作者于2019年10月8—10日參與了黑龍江省海倫和克山兩縣的黑土侵蝕考察。通過考察前的文獻(xiàn)閱讀[11-14]和考察與交流，產(chǎn)生了對東北黑土侵蝕形成的粗淺認(rèn)識。(1) 黑土下伏巖土的性質(zhì)對黑土侵蝕有重要的影響(依次為黃土狀亞黏土，河湖相砂泥巖夾礫石層)，亞黏土層和泥巖層為不透水層。 (2) 由于不透水層的存在，黑土層壤中流發(fā)育，是東北黑土侵蝕強(qiáng)烈(坡面侵蝕，侵蝕溝)的重要原因。北美一些黑土下伏的冰磧物，透水性好，這些黑土的侵蝕不如東北黑土強(qiáng)烈。 (3) 東北黑土年內(nèi)有3個(gè)強(qiáng)烈侵蝕期:4月融雪侵蝕與凍土不透水層有關(guān)；6月降雨侵蝕與植被稀疏有關(guān)；7—8月雨季集中降雨侵蝕與黃土狀亞黏土和泥巖不透水層有關(guān)。 (4) 融雪和特大暴雨時(shí)，黑土坡地的淺層地下水位可能接近地表，坡面侵蝕要考慮孔隙水壓力(揚(yáng)壓力)。 (5) 侵蝕溝分類: ①淺溝型：溝底位于黑土與下伏亞黏土層界面附近，深度多小于0.5 m； ②切溝型：溝底位于黑土/亞黏土層界面以下深度1～2 m附近，部分溝壁淺層滑塌發(fā)育； ③沖溝型：溝底與黑土/亞黏土層界面的垂距大于1～2 m，溝壁不穩(wěn)定，崩塌，滑坡發(fā)育。 (6) 侵蝕溝治理模式。 ①淺溝型：中科院東北地理研究所海倫站的盲溝(暗管)+秸稈打捆充填治理措施，針對了壤中流發(fā)育，淺層地下水位高的特點(diǎn)，科學(xué)性強(qiáng)，成效顯著； ②切溝型：海倫站擬開展在盲溝+秸稈充填的淺溝治理措施上，布設(shè)垂向入滲礫石墻和加大盲溝管徑，促進(jìn)徑流入滲和排泄能力的切溝治理試驗(yàn)研究，有望取得成功。黑龍江水土保持科學(xué)研究院的連續(xù)柳跌水柔性治理措施也是成功的。 ③沖溝型：小流域綜合治理模式。溝緣線以上的坡面，路溝工程歸順徑流，防止徑流無序下溝?？松娇h利用路面導(dǎo)水，將暴雨徑流排到坡面上設(shè)置的林地或草地散流坡，避免路水下溝的措施非常有效。溝道中以柳樹生物樁谷坊為骨干的柳條溝柔性治理措施，大型沖溝要考慮用剛性攔砂壩；溝坡的主要治理措施為恢復(fù)植被。對于威脅村鎮(zhèn)和交通安全的大型沖溝，建議參考黃土高原慶陽市合水縣等地“固溝保塬”的《埂—路—池—管(溝)—井—壩》治理工程體系。

5 關(guān)于西南地區(qū)喀斯特坡地土壤的地下漏失問題

2006年11月，我參與考察了昆明市—貴陽市—桂林市一線。在昆明市到貴陽市的考察路途中，我注意到不同于花崗巖風(fēng)化殼剖面的基巖—弱風(fēng)化帶—強(qiáng)風(fēng)化帶——土壤的逐漸變化，碳酸鹽巖風(fēng)化殼剖面是巖土突變，直接接觸。我還注意到土下的或暴露地面不久的石灰?guī)r表面光滑如鏡，長期暴露地面的石灰?guī)r表面粗糙不平,溶蝕紋溝發(fā)育。我們對這些現(xiàn)象進(jìn)行了熱烈的討論，但未得其解。隨后，考察了中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究碳酸鹽風(fēng)化殼的平壩剖面。該剖面紅土層和下伏白云巖也是突變接觸，我們在巖土界面處和紅土層中下部發(fā)現(xiàn)了大量密集的擦痕,擦痕表面光滑(圖3)。觀察巖土界面附近土樣的切片，可見其擦痕在顯微鏡下更加清晰。

圖3 貴州省平壩縣白云巖風(fēng)化殼巖土界面處土體中的擦痕(張信寶攝于200611)

大量密集的擦痕表明，碳酸巖鹽風(fēng)化殼的巖土界面處和上覆土體下部發(fā)生有土壤蠕滑現(xiàn)象。 “土壤蠕滑”機(jī)制可以成功地解釋風(fēng)化殼巖土直接接觸和土下巖石表面光滑的現(xiàn)象：土下碳酸鹽巖表面化學(xué)溶蝕強(qiáng)烈，巖石溶蝕后產(chǎn)生的孔裂隙,被上覆塑性土體以蠕滑的方式充填,造成土石突變、直接接觸。土體充填下伏巖石表面溶蝕后產(chǎn)生孔隙的過程中,不可避免地要摩擦巖石表面, 土下巖石表面光滑如鏡是土體長期磨蝕巖石表面的結(jié)果。長期出露地面的巖石,在差異性溶蝕和濺蝕的作用下,巖石表面粗糙。花崗巖風(fēng)化殼發(fā)育過程中，風(fēng)化形成的黏土礦物體積遠(yuǎn)大于長石等原生礦物，不可能出現(xiàn)溶蝕孔隙和土壤蠕滑現(xiàn)象，因此風(fēng)化殼剖面的巖土呈漸變過渡。

土壤蠕滑現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使我逐漸形成了關(guān)于喀斯特坡地土壤流失的完整理解[4]。不同于非喀斯特坡地的土壤流失幾乎全為地面的流水侵蝕，喀斯特坡地的土壤流失是化學(xué)溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕疊加的結(jié)果,流失方式不僅有地面流失,還有地下漏失。純碳酸鹽巖石質(zhì)山地，可以看作為一個(gè)布滿“篩孔”的石頭“篩子”，溶溝、溶槽和洼地為被土壤塞住的形狀不一，大小不等的“篩孔”，“篩孔”內(nèi)的土壤，通過地下漏失，充填土下化學(xué)溶蝕和管道侵蝕形成孔隙和孔洞，部分進(jìn)入地下暗河[15]。坡地徑流也通過“篩孔”迅速滲入地下，因此喀斯特坡地徑流系數(shù)多不到0.05，遠(yuǎn)低于0.4～0.6的流域徑流系數(shù)。根據(jù)硬化路面徑流系數(shù)高(>0.8)的特點(diǎn)，我們開展了“田間道路集水面+蓄水池”試驗(yàn)工程研究，其蓄水、排水效果很好。2010年西南地區(qū)發(fā)生大旱，王世杰研究員和我共同撰寫了“關(guān)于解決我國喀斯特石漠化地區(qū)農(nóng)田干旱缺水問題的建議”，并獲得回良玉副總理的批示。

喀斯特坡地土壤地下漏失現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，得到了學(xué)術(shù)界大部分同仁的認(rèn)可?！笆濉眹铱萍脊リP(guān)的4個(gè)喀斯特石漠化治理專項(xiàng)指南，均將地下漏失列為主要研究方向。遺憾的是，這一科學(xué)認(rèn)識還沒有傳播到石漠化地區(qū)的基層干部和技術(shù)人員中，導(dǎo)致一些地區(qū)石漠化治理出現(xiàn)了不科學(xué)現(xiàn)象。如云南省開遠(yuǎn)縣在石漠化坡地上，挖機(jī)修梯田營造濕地松林。石漠化坡地的少量土壤多呈土楔狀垂直分布于石灰?guī)r淺層裂隙中(俗稱雞窩土)，降水產(chǎn)流以優(yōu)先流的方式沿垂直的土石界面下滲。挖機(jī)修梯田，挖穴，松動(dòng)巖土，擴(kuò)大了裂隙進(jìn)而促進(jìn)了徑流入滲，雞窩土吸收的水分減少。另外，梯田整地，將深部的雞窩土，翻到表層，促進(jìn)土壤水分的地面蒸發(fā)，減少了植物能夠利用的水分。2019年9月，我現(xiàn)場給當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局的同志講了以上的道理，避免了后續(xù)一個(gè)10億元的造林項(xiàng)目再犯類似錯(cuò)誤。

6 結(jié) 論

水土保持科學(xué)不同于數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論學(xué)科，是密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的應(yīng)用學(xué)科。水土保持研究應(yīng)首先服務(wù)國家生態(tài)文明建設(shè)需求，綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識進(jìn)行研究。同時(shí)要敢于質(zhì)疑權(quán)威和前人的論斷，善于敏銳發(fā)現(xiàn)問題[16]，勤于思考，勇于探索。這樣才能保證我們的學(xué)術(shù)研究沿著正確的方向不斷進(jìn)步。