水土漏失是岩溶区特有的水土流失问题，以我国西南岩溶区最典型。由于岩石裸露、土被不连续，西南岩溶区土壤常分布在岩缝、洼地或谷地中，降雨后土壤很容易沿岩溶裂缝或落水洞漏失，导致耕地土壤丧失(图 1a)，石漠化加剧，一些石漠化区几乎无土可流(图 1b)^[1-3]。水土漏失堵塞地下河管道，常造成岩溶洼地和盆地洪涝或内涝灾害(图 1c)，仅广西岩溶区就有6.12万hm²耕地常被淹没，而且近年来内涝灾害越来越频繁, 威胁当地居民生命财产安全^[4]。水土漏失还导致地下河淤积、污染洞穴景观(图 1d)和河水。如桂林冠岩地下河，因地表水土漏失，近年来该地下河洞穴很多景点被泥沙污染，地下河到因泥沙淤积已不能划船游览，雨季还有大量泥水出流，影响美丽漓江水的清澈度。

图 1(Fig. 1)

图 1 西南岩溶区水土漏失导致的主要问题 Fig. 1 Main issues from soil and water leakage of karst area in Southwest China

虽然水土流失自20世纪30年代就开展了研究^[5], 20世纪末, 我国水土流失研究已达到国际领先水平^[6]，但岩溶区水土漏失研究到21世纪初才开始。2005—2007年水利部、中国科学院、中国工程院联合组织了中国水土流失与生态安全考察，发现西南岩溶区的水土漏失问题对于区域资源环境影响很大，并引起了国家和相关部门的高度重视^[7]。2010年起，将西南石质山区列入中国一级水土流失区^[8]，西南岩溶区水土漏失研究与防治才逐渐展开，特别是“十三五”“脆弱生态修复与保护”国家重点研发专项在广西、贵州、云南、重庆和桂林岩溶区设立5个项目，有效推动水土漏失研究与防治工作，但至今尚未形成理论和防治技术体系。笔者分析和总结我国西南岩溶区水土漏失取得的重要进展和不足，展望下一步研究方向，为进一步推动西南岩溶地区水土漏失研究与防治提供借鉴。

首先，水土漏失过程具有隐蔽性^{[7, 9]}。西南岩溶地区区域地表、地下二元岩溶地质结构，导致水土漏失主要过程发生在地下，隐蔽性强。由此，周围岩溶地质结构和岩土缝组构难以勘查和定量统计，而且水土漏失过程和水土漏失量难以现场监测评价^[10]。因岩溶区水土漏失过程的隐蔽性与其岩溶地质结构相关，故称为地质隐蔽性。

第二，土壤允许流失量相对较低。因岩溶地区成土速度慢，土壤有限，允许土壤流失量＜50 t/(km² ·a)(SL461—2009), 远低于其他区的常规标准500 t/(km² ·a) (SL190—1996/2007)，而其中的土壤漏失量相对更少, 往往容易被忽视。这是过去对西南岩溶地区水土流失和漏失问题重视不够的重要原因。

第三，水土漏失过程和特点存在地貌差异性。西南岩溶区包括峰丛洼地、断陷盆地、峰林平原、岩溶高原、岩溶槽谷、岩溶峡谷6种主要岩溶地貌区^{[1, 7]}，以峰丛洼地、断陷盆地、坡立谷(主要在峰林平原或岩溶高原区)的水土漏失问题最严重，而这3类岩溶地貌区，其流域规模、水土漏失过程和特点也存在很大差异。

第四，水土漏失防治工程具有艰巨性。西南岩溶区的地下河管道和洞穴深埋于地下数十米至几百米，延伸几公里至几十公里^[10-11]。水土漏失防治和地下管道清淤工程难度很大，不但经费投入巨大，而且需要有切实可行的防治依据和治理技术支撑^[7]。

岩溶区水土漏失主要过程目前还存在学术观点分歧。张信宝等^[12-13]认为岩溶地区土壤漏失是坡面产流产沙过程及向下伏岩溶裂隙的土壤蠕滑过程；唐益群等^[14]认为是土壤从上覆土层向下伏岩层迁移的过程；冯腾等^[15]认为是地表土壤渗漏到地下含水层的过程，且主要沿岩土软硬界面向地下漏失。从土壤漏失量角度考虑，越来越多的学者^[16-20]认为岩溶区土壤以落水洞为重要漏失途径。虽然一些专家认为，岩溶山地的土壤漏失应限定为坡地土壤地下流失, 而进入沟道、洼地后的泥沙运移属于输移过程, 不应划为地下漏失^[21]。学术观点可以讨论，但从水土漏失防治的重要性角度，如果不考虑落水洞水土漏失与地下河的水土输移过程, 就难以把握西南岩溶地区水土漏失与防治的重点及关键过程。而且，土壤剖面¹³⁷Cs分布特征表明, 地表土壤随降雨沿裂隙向地下运移的侵蚀量较少^{[15, 22]}，局部地表的水土漏失研究难以解决西南石漠化区严重的耕地丧失、岩溶内涝和洞穴景观破坏等突出问题。李晋等^[23]在落水洞被堵塞的小流域的研究表明，岩溶地区地下漏失量不足流域水土流失量的1%, 而云南南洞地下河流域的水土流失调查研究^[24]表明，水土漏失量占流域水土流失量的91.58%。因此，水土漏失研究必须以岩溶流域为单元，系统研究包括地表、落水洞、地下河等在内的所有水土漏失关键过程(图 2^[25])。这无论对于流域水土漏失理论和技术方法的建立，还是对于流域水土漏失防治均具有重要理论和现实意义^[26]。

图 2(Fig. 2)

图 2 岩溶区水土漏失过程剖面[25] Fig. 2 Section of soil and water leakage processes in karst area[25]

水土漏失调查监测主要包括常规方法、地球物理方法、地球化学指纹示踪法、人工模拟实验法，评价模型等。

常规方法是传统水土流失测定方法在岩溶区水土漏失研究中的应用。如划线法和打桩法可监测地表局部地区如耕地的土壤漏失^{[22, 27]}，并通过建立微地貌单元土壤漏失概念模型和数学模型估算土壤漏失量^[17]。地下河流泥沙监测可分析流失的水土漏失动态^[25]。通过坡面径流水土流失观测站监测和沉沙池监测可分析小流域水土流失总量^[27]。

地球物理方法是探测岩溶水文地质结构作有成效的方法。近年来，利用探地雷达成功探测了裂隙和洞穴的空间及其土壤沉积厚度和表层岩溶带结构^[28]。探地雷达技术在常规数据处理基础上，再增加属性提取技术，可有效分析表层岩溶带岩土组构介质和表层岩溶带发育界面深度，但也存在一定适用范围和局限^[29-30]。

地球化学指纹示踪法首推同位素示踪法，目前应用较多的为¹³⁷Cs和²¹⁰Pb等放射性同位素示踪法。岩溶洼地沉积的土壤剖面的¹³⁷Cs浓度分布特征可反映泥沙堆积与表层土壤侵蚀信息，满足¹³⁷Cs测定要求。很多学者通过测试土壤剖面或裂隙不同部位的¹³⁷Cs质量比活度来说明土壤的漏失^[28-39]，如何永彬等^[36]通过¹³⁷Cs示踪，估算出贵州茂兰峰丛洼地区土壤地下漏失占水土流失的30%。He等^[40]通过5个洞穴地表到洞内的剖面¹³⁷Cs活度分析，有效进行了土壤漏失模数计算。相比¹³⁷Cs技术，²¹⁰Pb_ex可以用来估算时间尺度更长的土壤侵蚀速率^[41]。一些学者综合利用¹³⁷Cs和²¹⁰Pb_ex放射性核素结合来有效示踪了岩溶区的地表水土流失过程^[42-44]，但利用²¹⁰Pbex专门分析岩溶区水土漏失的成果较少。乔依娜^[45]利用洼地沉积物的有机碳通过AMS ¹⁴C测试探索了重庆市典型岩溶洼地近千年土壤侵蚀强度的演变阶段，对地下河和洞穴沉积物的水土漏失研究有参考价值。洞穴滴水的氘、氧同位素和化学成分也可指示地表水土漏失情况^[46-47]。地下河和洞穴沉积物的磁化率、泥沙物质组成等多地球化学指纹方法可分析地下河泥沙的来源^[48-49]。

人工模拟实验法通过模拟试验，发现降雨强度、岩石裸露率、地形坡度、岩石孔隙率及连通情况等对岩溶地区水土流失和漏失均有较大影响^[50-53]，揭示了岩溶地质结构和降雨强度对土壤地下漏失的一些重要规律和影响因素。

评价模型通过引入水文和泥沙流通性指数，成功应用岩溶水文过程VarKarst模型定量评估土壤水土流失和漏失的贡献率及动态^[54]。近年来该模型已在西南岩溶关键带的水文过程及土壤侵蚀模拟研究取得初步进展^[55]。

岩溶流域的水土漏失不但与地下水循环密切相关，也与地表土壤侵蚀和地下土壤运移过程有关，是复杂的系统过程，是流水侵蚀、化学溶蚀和重力作用3种动力机制综合的结果^{[12, 17]}。水土漏失影响因素研究主要包括地质结构、岩溶地貌、气候、土地利用方式、人类活动等方面。

虽然西南岩溶地区大多数碳酸盐岩的难溶物含量低，土壤成土速度慢，导致岩溶区土层薄、岩石裸露和土壤允许流失量相对较低^{[17, 56-58]}，但不纯碳酸盐岩或纯碳酸盐石中的泥质夹层可成为水土漏失的泥沙的重要来源^[49]。岩石中沿地质构造产生的岩溶裂隙或洞穴是水土漏失发生的前提，岩溶空间的类型、规模大小和连通性对水土漏失的影响很大。如Dai等^[59-60]研究表明，地下孔裂隙度和基岩裸露度会引起径流和泥沙在地表及地下不均匀分配，地下孔裂隙度较大时, 地表径流易携带泥沙转入地下, 地下产流产沙量随孔裂隙度增加而增加, 随基岩裸露度的增加地下产水产沙先减小后增加。

岩溶地貌对水土漏失的影响很大。Li等^[61]通过获取西南岩溶区40个流域的3a输沙量，发现断陷盆地、岩溶峡谷、峰丛洼地、岩溶峰林、岩溶高原、岩溶槽谷因地貌因子差异大，流域输沙量存在明显差别。同一岩溶地貌类型中的不同地貌部位，其水土流失和漏失也存在明显差异，如峰丛洼地，有落水洞的洼地底部，其水土漏失量远大于坡地和垭口^[62]。岩溶地区地表水土流失随坡度而增加，但地下产流量和产沙量随坡度增大而减小^[63-65]。地层的倾向，是顺向坡还是逆向坡，对水土漏失过程和速度均有较大影响^[66]。

气候因素包括降雨量、降雨强度和降雨历时，对岩溶区水土漏失有重要影响。人工模拟降雨实验和现场监测表明, 降雨强度与土壤侵蚀程度关系最紧密, 坡耕地侵蚀性降雨强度在25~30 mm/h以上，地表和地下径流产沙随降雨强度增大而增大，当降雨强度＜50 mm/h时, 以地下漏失为主，地表不产流；降雨强度＞50 mm/h时，以地表侵蚀为主，但存在临界降雨强度。地表径流随降雨历时延长而增加, 地下孔裂隙流则与降雨历时呈负相关^{[51-52, 59]}。

不同土地利用方式和人为干扰方式，无论对岩溶区径流还是土壤侵蚀或漏失的影响均有很大差异。Peng等^[67]在贵州普定陈旗岩溶流域的5种不同土地利用方式(灌草覆盖的火烧迹地、无覆盖的火烧迹地、幼林地、耕地和稀疏灌丛地)下设置全坡面径流场。监测结果表明，2007—2010年各土地利用方式下平均坡面径流系数为0.19%~2.18%，坡耕地的径流系数明显高于其他土地利用方式，其次是无覆盖的火烧迹地；各土地利用方式的年均土壤侵蚀量介于0.40~36.64 t/(km² ·a)之间，耕地是其他土地的数十倍。

水土保持示范区的坡面乔-灌-草生物篱土壤漏失阻控和落水洞水土漏失阻控试验表明，水土漏失防治要针对土壤由地表进入地下的关键部位—漏斗、落水洞、竖井以及坡耕地、裸岩地和果园开展, 采取以生物措施为主, 辅以相应的工程措施, 遏制地表土壤进入地下系统。生物措施以水土保持林建设、裸露石芽植物篱、砌墙保土地埂植物篱、隔坡式植物篱为主, 工程措施主要有土地整理、坡改梯、洼地排水系统、落水洞坊等^[68-71]。但水土漏失防治的生物措施与工程措施如何协同，需要多学科多部门共同研究解决水土漏失综合治理系统工程^[72]。

结构决定过程，岩溶地区的水土漏失主要取决于岩石的可溶性、岩溶空隙发育程度及其连通性，而水文过程与土壤侵蚀的耦合过程及其水土漏失量的大小则取决于土壤分布特征及与岩溶空隙的相关性，因此，岩土缝(孔、洞)组构是水土漏失研究的基础，以往虽然从地表、地下二元岩溶结构及岩溶裂隙发育程度等方面说明水土漏失具有隐蔽性，但对岩-土-缝(孔、洞)组构缺乏定量刻画。同时，西南岩溶区水土漏失防治的重要性主要是由于该地区缺水少土，土壤珍贵。但岩溶土壤分布特点和珍贵程度有赖于岩土缝(孔、洞)组构的定量表达，否则难以科学说明其重要程度。

由于岩溶区水土漏失过程的地质隐蔽性和区域差异性，以往的水土漏失研究重点讨论不同降雨、生态环境和土地利用方式条件下地表土壤侵蚀与地下漏失的比例，而对于水土漏失关键过程研究不深入。近年来，虽从关键带土壤厚度及表层岩溶带的结构差异，研究了不同岩溶结构产流、产沙阈值及对水土漏失的影响，但缺乏岩溶流域系统性研究。西南岩溶地区表层岩溶带水土漏失关系到山区居民供水安全，以落水洞集中式排泄为主的岩溶洼地水土漏失量和危害均很大，以往对其水土漏失关键过程、机制和强度均缺乏研究。地下河系统的水土流失仅有个别案例，区域地表土壤是否漏失到了地下河？有多少比例沉积于地下河中？目前尚无科学数据。

虽然可通过地表埋桩法等计算局部地区的土壤漏失量，或通过土壤¹³⁷Cs分析，从洼地附近坡面水土流失量与洼地土壤沉积量之差来反映区域的水土漏失量，但这些方法不能计算整个岩溶流域及其年、季及场雨等不同时间尺度的水土漏失量。一个岩溶流域，大到地下河流域，小到表层岩溶泉域，水土漏失的过程和影响因素很多，如何利用已有模型进行水土漏失过程概化，并把握关键参数，定量评价流域不同时间尺度的水土漏失？如地下河流域，虽然可进行地下河出口的泥沙动态监测，但因地下河内的洞穴、管道空间规模较大，大量的泥沙可长时间沉积于地下空间内。因此，地下河出口的泥沙动态不能反映地下河流域年、季等短时间尺度的水土漏失量，也就不能提供影响耕地丧失、地下管道堵塞等关键的水土漏失数据。同时，尚无公认的岩溶流域水土漏失评价模型。

西南岩溶区属于“桂黔滇喀斯特石漠化防治”国家生态功能区，水土漏失不但加剧石漠化，还严重影响耕地、水土和景观资源的保护和生态安全，形势严峻。水利部《新时代水土保持目标与对策》明确提出，到2050年，西南岩溶区水土流失面积要减少到8.05万km²，水土保持率达到88.5%^[73], 任务非常艰巨。

地球关键带理论是21世纪解决复杂和艰巨问题的前沿理论，因此，解决西南岩溶地区水土漏失问题，应以岩溶地区的地球关键带(简称为岩溶关键带)理论为指导。而且，因岩溶关键带范围和层次结构清晰^[74]，可为深入揭示水土漏失过程及机制，推动水土漏失科学评价和有效防治提供重要新思路和理论基础(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 广西平果国家野外站岩溶关键带水土漏失观测研究剖面 Fig. 3 Monitoring section for soil and water leakage in karst critical zone of the Pingguo national field station, Guangxi

研究岩溶关键带的“六水”(降水-植被水-地表水-土壤水-表层岩溶带水-渗流带水)水文结构、水文响应单元及其与水土漏失单元的耦合关系。划分水土漏失单元，定量刻画其岩石与土壤、岩溶裂隙与土壤、管道与土壤的组构特征，以及表层岩溶带、包气带、地下河上部潜水带的岩溶率、岩溶空隙(孔、缝、洞)的连通性、岩土缝的含水率等指标。利用探地雷达和超级高密度电法仪等技术，确定岩石类型、土壤厚度与表层岩溶带和岩溶洼地的裂隙、管道等构成的三维结构，构建关键带三维水土漏失网络，并通过关键参数的现场监测进行校正。

以岩溶流域为单元，以岩溶关键带为核心部位开展，其关键过程包括表层岩溶带、落水洞和地下河系统的水土漏失。在表层岩溶带系统，通过地球化学指纹示踪，研究水土漏失单元水循环过程，降雨-植被带-土壤带-表层岩溶带-岩溶泉之间水文转化及其与土壤侵蚀和溶质运移的耦合过程和机制，以及出流到下部地表洼地或洞穴、地下河的水土漏失比例。在落水洞系统，通过现场监测，研究不同降雨条件下(尤其是暴雨过程)地表流、岩溶裂隙流汇水后向落水洞管道集中排泄的水文过程及水土漏失耦合过程、时空动态变化规律和影响因素。在地下河系统，通过现场监测、地球化学指纹示踪和示踪试验，研究地下河对流域水土漏失的响应过程、泥沙沉积与迁移过程及其影响因素，还要通过洞穴环境信息进行泥沙来源及沉积历史过程追溯^[75]。

以新兴的VarKarst等模型为基础，考虑西南岩溶地貌发育强烈的特点，增加坡地与洼地模块、关键带厚度随机分布模块、快速流与慢速流模块、植被动态生长模块等，构建岩溶流域水土漏失评价模型框架^[76]。通过岩溶关键带结构、不同水流路径“新水”和“旧水”比例、降雨产流产沙阈值等监测数据，对相关参数进行敏感性分析和校正，并以实际监测的径流和泥沙量进行对照验证，构建适用于西南岩溶区的水土漏失定量评价模型。分析近几十年极端降雨事件的时空规律，结合CMIP6等降雨数据产品，利用VarKarst模型模拟未来气候变化和植被恢复条件下岩溶流域的水土漏失量，进行不同极端降雨情景下水土漏失风险评价，由此形成流域水土漏失防治模式及对策。