關于中國水土流失研究中若干理論問題的新見解

張信寶

(中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所， 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行了大量現場考察，并不斷與同行交流和探討，逐步形成了關于水土流失研究中若干理論問題一些新的認識。本文重點從地質學角度對有關水土流失問題進行分析。現將有關問題陳述如下，以求拋磚引玉，為新時期水土保持研究提供理論借鑒,為青年學者提供學術研究的思路和方法。

1 關于晉陜蒙接壤區砒砂巖與鄂爾多斯地臺油氣和鈾礦藏的關系問題

砒砂巖是指分布于晉陜蒙接壤地區以紅色和白色色調為主的，主要由砂巖、粉砂巖及泥巖組成的半固結碎屑巖組合，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程度低，極易發生風化剝蝕, 該區重力侵蝕尤為強烈，是黃土高原侵蝕最劇烈的區域, 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“環境癌癥”[1]。這些地層在晉陜蒙接壤區之外的地區，巖層沙粒間膠結程度尚好,結構強度不低，水土流失并不嚴重。我從事國家“七五”攻關項目《黃土高原地區綜合考察》的“黃土高原重力侵蝕”專題研究時，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程度差的原因[2]。筆者認為，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道了內蒙東勝特大型砂巖鈾礦，使我深受啟發。該節目提出東勝鈾礦的形成與鄂爾多斯盆地的油氣輸移有關，油氣攜帶成礦物質由南向北輸移，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構造開口，油氣逸散，沒有油氣田，也沒有鈾礦。節目中還提及油氣還原性強，具有溶解砂巖的沙粒間膠結物質的作用，我意識到這可能是砒砂巖沙粒間膠結程度差，固結程度低的根本原因。

之后，本人查閱了一些文獻[3]，逐漸形成了關于“砒砂巖”成因的新認識。紅層漂白現象記錄反映了淺表層油氣運移、經過的行跡,是證明油氣是否曾經存在及其逸散規模的重要證據。盆地東北部砂巖漂白現象與地層中天然氣向北運移并逸散密切相關。天然氣為酸性還原性氣體，當還原性氣體進入紅層時,通過與Fe3+的化學還原反應,生成可溶性物質之后從紅層中移開,從而紅層被漂白。流體漂白巖石的同時，也溶解了巖石沙粒間的碳酸鹽膠結物質，導致其固結程度降低，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歷史上多期發育的古隆起, 是油氣的長期運移方向。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—氣田—鈾礦—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與晉西擾褶帶交匯，斷裂發育，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。漂白砂巖分布區往往有油苗出露，是天然氣逸散的殘留物。由于天然氣沿斷裂逸散，因此漂白砂巖不限于中生代地層，二疊石盒子組地層也有漂白砂巖分布。

2 關于優先流與黃土高原沖溝形成和塬區地下水來源的關系問題

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。長安大學彭建兵教授對報告中一張PPT的解釋“黃土垂直節理兩側的黃土濕度偏高，表明黃土中也有優先流”。這個現象引起了我的注意。優先流(preferential flow)“指土壤在整個入流邊界上接受補給，但水分和溶質繞過土壤基質，只通過少部分土壤體的快速運移”(搜狗百科)。優先流是世界近期土壤水分研究的熱點，我立刻將其與黃土高原的沖溝發育聯系起來，推測水分以優先流的形式沿垂直節理向下入滲，兩側黃土含水量增加，碳酸鈣膠結物被溶解，力學強度降低，易于發生侵蝕，形成沖溝。由于化學溶蝕，沖溝頭部可能存在陷穴，還可能發生管道侵蝕(pipe erosion)。這些現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談起了垂直節理—優先流—黃土沖溝的想法，并在野外進行了現場解釋，得到了在場專家學者的認可。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理密閉，土壤水分基本均勻向下入滲，一般不發生優先流。黃土塬或梁峁的邊緣部分，由于卸荷效應，垂直節理張開，利于土壤水分以優先流形式向下入滲，形成沖溝”(圖1)。

20世紀90年代初，李玉山先生與我討論黃土高原土壤水的問題時說，塬區土壤水的研究表明，降水入滲的深度不可能超過幾米，黃土塬區幾十到幾百米深的地下水不知從何而來。關于黃土優先流的新認識，使我想到了黃土塬區地下水的來源。塬區谷坡部位，由于卸荷作用黃土垂直節理張開，新老滑坡裂縫發育，利于土壤水以優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，側向補給塬面區的地下水。也就是說，塬區谷坡部位是塬區地下水的補給區。

圖1 黃土高原梁峁丘陵邊緣沿垂直節理發育的沖溝(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，當地的工程技術人員現場指出了溝頭和溝坡的陷穴(當地俗稱灌眼)，參加考察的同志一致認可了優先流的存在。當地的固溝保塬治理工程卓有成效，措施配置科學實用，我將其總結為“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，調節徑流；管(溝)—澇池進水可采用溝或管道，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，穩定谷坡。埂邊路的一個重要作用，就是填實陷穴，防止徑流以優先流方式通過陷穴向下入滲。

3 關于華南地區的崩崗侵蝕問題

崩崗是厚層風化殼發育的華南花崗巖丘陵區常見的一種地質災害，由“崩口”和其下方的沖溝組成。前人多用普通的邊坡失穩和沖溝發育的機理解釋崩崗的發生與演化，本人感到難以信服。因為崩崗很少發生于其他巖土組成的坡地。2005年我有幸赴江西、湖南二省調研南方水土保持，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50年代英國倫敦黏土公路邊坡失穩的文章[4]的啟發，我提出了崩崗失穩的巖石風化膨脹機理的觀點，撰寫了《崩崗邊坡失穩的巖石風化膨脹機理探討》一文[5]。該文的主要觀點是，不同于碎屑巖成巖壓實形成的超壓密巖土，花崗巖風化殼是巖石風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，花崗巖風化強烈，致密完整的花崗巖風化為沙、土碎屑的結合體。由于碎屑顆粒粒間孔隙的出現，風化巖土體積增大，發生膨脹。風化殼中下部巖土由于上覆土層壓力，風化碎屑顆粒間的孔隙不能自由舒展，處于壓閉狀態，存在膨脹應力。一旦風化殼坡地被沖溝切開，陡立邊坡風化殼巖土強度小于膨脹應力時，坡體突然失穩，崩塌發生。

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行了考察。通過考察前的文獻[6-10]閱讀和考察期間的實地觀察，對華南崩崗有了進一步的認識。

(1) 崩崗的定義。據搜狗百科描述，華南廣大風化殼坡地上發育著各種形狀的深切山坡崩陷凹地形，其沖溝溝頭部分經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，巖石風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。此定義強調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) 崩崗的物質基礎。花崗巖或含較多長石等易風化成土礦物等巖石的厚層風化殼。崩崗發育的華南花崗巖厚層風化殼剖面由上而下分別為： ①紅土層； ②風化膨脹壓密沙土層； ③含酥碎巖塊的風化膨脹壓密沙土層； ④球狀風化層(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烈等原因，厚層風化殼難以保存，花崗巖山地無崩崗發育。

(3) 優先流與崩崗的形成發育。壓密沙土層透水性極差，徑流只能沿巖土孔、裂隙以優先流形式入滲，軟化孔、裂隙兩側風化膨脹壓密沙土層，降低抗沖性，利于沖溝形成；降低抗剪強度，利于崩塌發生。水分下滲到沙土層中或與球狀風化層過渡帶中的軟弱帶，促進滑坡活動。植物根系穿透土層形成的裂隙可能是崩崗土體優先流的主要通道。實地觀察到馬尾松根系形成的深達近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，可能是歷史時期以來華南地區崩崗發生的重要誘因之一。

(4) 崩崗治理。20世紀50年代史德明等人在總結群眾崩崗治理經驗基礎上，提出的“上攔、下堵、中間削”的治理模式總體上是科學的[6]。基于崩崗的形成機理和驅動力，結合現在的經濟發展水平，筆者認為穩定山體型崩崗，可采用開發治理模式(平溝、梯化、建果園)進行治理。據調查，隨著植被的恢復和生態環境的改善，近年來崩崗發生面積呈萎縮的態勢。筆者認為，這可能與植被恢復，增加蒸騰耗水，減少水分入滲，促進坡體穩定有關[7-10]。

4 關于東北地區黑土的侵蝕問題

東北黑土侵蝕是國內近年來水土流失研究的熱點問題之一[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。通過考察前的文獻閱讀[11-14]和考察與交流，產生了對東北黑土侵蝕形成的粗淺認識。(1) 黑土下伏巖土的性質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，黑土層壤中流發育，是東北黑土侵蝕強烈(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烈。 (3) 東北黑土年內有3個強烈侵蝕期:4月融雪侵蝕與凍土不透水層有關；6月降雨侵蝕與植被稀疏有關；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。 (4) 融雪和特大暴雨時，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，溝壁不穩定，崩塌，滑坡發育。 (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，針對了壤中流發育，淺層地下水位高的特點，科學性強，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，布設垂向入滲礫石墻和加大盲溝管徑，促進徑流入滲和排泄能力的切溝治理試驗研究，有望取得成功。黑龍江水土保持科學研究院的連續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。克山縣利用路面導水，將暴雨徑流排到坡面上設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植被。對于威脅村鎮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 關于西南地區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化殼剖面的基巖—弱風化帶—強風化帶——土壤的逐漸變化，碳酸鹽巖風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巖表面光滑如鏡，長期暴露地面的石灰巖表面粗糙不平,溶蝕紋溝發育。我們對這些現象進行了熱烈的討論，但未得其解。隨后，考察了中國科學院地球化學研究所研究碳酸鹽風化殼的平壩剖面。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現了大量密集的擦痕,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，碳酸巖鹽風化殼的巖土界面處和上覆土體下部發生有土壤蠕滑現象。 “土壤蠕滑”機制可以成功地解釋風化殼巖土直接接觸和土下巖石表面光滑的現象：土下碳酸鹽巖表面化學溶蝕強烈，巖石溶蝕后產生的孔裂隙,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。花崗巖風化殼發育過程中，風化形成的黏土礦物體積遠大于長石等原生礦物，不可能出現溶蝕孔隙和土壤蠕滑現象，因此風化殼剖面的巖土呈漸變過渡。

土壤蠕滑現象的發現，使我逐漸形成了關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溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕疊加的結果,流失方式不僅有地面流失,還有地下漏失。純碳酸鹽巖石質山地，可以看作為一個布滿“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”內的土壤，通過地下漏失，充填土下化學溶蝕和管道侵蝕形成孔隙和孔洞，部分進入地下暗河[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多不到0.05，遠低于0.4～0.6的流域徑流系數。根據硬化路面徑流系數高(>0.8)的特點，我們開展了“田間道路集水面+蓄水池”試驗工程研究，其蓄水、排水效果很好。2010年西南地區發生大旱，王世杰研究員和我共同撰寫了“關于解決我國喀斯特石漠化地區農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象的發現，得到了學術界大部分同仁的認可。“十三五”國家科技攻關的4個喀斯特石漠化治理專項指南，均將地下漏失列為主要研究方向。遺憾的是，這一科學認識還沒有傳播到石漠化地區的基層干部和技術人員中，導致一些地區石漠化治理出現了不科學現象。如云南省開遠縣在石漠化坡地上，挖機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巖淺層裂隙中(俗稱雞窩土)，降水產流以優先流的方式沿垂直的土石界面下滲。挖機修梯田，挖穴，松動巖土，擴大了裂隙進而促進了徑流入滲，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，促進土壤水分的地面蒸發，減少了植物能夠利用的水分。2019年9月，我現場給當地林業局的同志講了以上的道理，避免了后續一個10億元的造林項目再犯類似錯誤。

6 結 論

水土保持科學不同于數學等基礎理論學科，是密切結合生產實際的應用學科。水土保持研究應首先服務國家生態文明建設需求，綜合運用多學科的知識進行研究。同時要敢于質疑權威和前人的論斷，善于敏銳發現問題[16]，勤于思考，勇于探索。這樣才能保證我們的學術研究沿著正確的方向不斷進步。