脆弱的岩溶地质环境是石漠化发生的基础，不合理的人为工程活动是石漠化发生和发展的驱动力。研究脆弱的岩溶地质环境的内涵以及导致不合理的人为工程活动的原因，对正确制定石漠化治理对策有着至关重要的意义。
一、岩溶地质环境脆弱性的基本特征分析
岩溶石山环境的脆弱性是因为岩溶系统本身与大气、水体联系密切，与人类工程活动关联过深，以及岩溶山区水文地质条件的特殊性和碳酸盐类岩石的地球化学背景的特点，导致了环境容量低下、稳定性差的结果。“地表缺水、少土、土质贫瘠”是岩溶山区生态环境脆弱的基本特征。岩溶环境的易损性和生态环境的难以恢复性是其脆弱性的组成和内涵。
(一)岩溶干旱缺水
岩溶干旱缺水是岩溶山区生态环境的脆弱性特征之一。该特征主要源于碳酸盐岩区的岩性、地质构造、地形地貌、水岩作用、气候影响及岩溶作用等生成的地表及地下多重复合的岩溶空间结构———地表高位的岩溶洼地和谷地、落水洞与岩溶漏斗，和地下岩石中的空隙、裂隙、溶蚀洞穴、管道等，成为大气降水、地表水和地下水转换的通道和空间。这些岩溶形态在空间尺度上的不均匀性，导致了岩溶环境中水资源分布和赋存的特殊性。尽管西南岩溶山区年大气降水量几乎都在1000毫米以上，但强烈的岩溶发育和地表与地下双重排水系统结构特征、造成了大气降水和地表水向地下含水系统中的大量渗漏。剧烈起伏的地形条件造成地表水多集中在深切割的河谷中，而耕地、城镇和村寨则分散在高悬于河谷或远离河谷的谷地、洼地内，地表水资源、耕地、人口在空间上分布极不协调，形成“地表水贵如油、地下水滚滚流”的特殊岩溶干旱景象。多年来岩溶山区水资源开发经验表明:除人口集中的城镇和工矿外，对分散分布的耕地和村寨采用高扬程、远距离的地表水集中供水方式既不经济，也不利于管理，而且供水成本高，广大的山区农民难以承受，而远离河谷的山区地带则因岩溶渗漏造成地表建库条件差，从而难以实施大、中型的地表蓄水工程。近年不同部门从石漠化治理、饮水安全及烟水配套工程的角度，在岩溶山区已实施了较多的小水窖、小山塘工程，亦因缺乏水源，或由于无水可持续补给使得水质恶劣而不能达到应有的效果。
(二)土地缺少
少土是岩溶区生态环境的脆弱性特征之二，主要包括岩石本身成土条件差造成的少土和由于自然和人为因素造成的水土流失两个方面。另外，研究表明，岩溶环境条件下岩溶洪涝淹没引起的耕地破坏，也是造成土地缺少的原因之一。
在岩石本身成土条件方面:岩溶山区的碳酸盐岩有着共同的特点，岩石矿物成分以方解石、白云石为主，岩石化学成分中钙(CaO)、镁(MgO)含量高，不溶物含量都低，使得岩石风化成土、土层的形成、植被的生长条件先天不足。以碳酸盐岩分布最广、时代齐全的贵州省和云南省不同时代碳酸盐岩化学成分为代表，并对各时代有代表性的碳酸盐岩的化学成分统计，见表2－1与表2－2。
表2－1 贵州省不同时代碳酸盐岩平均化学成分含量表
表2－2 云南泸江流域主要地层碳酸盐岩化学成分含量表
资料来源:云南省地质调查院.云南泸西小江流域岩溶地下水调查与地质环境整治示范报告.2006.
续表
从表2－1和表2－2中可见，不同地域、不同时代的纯碳酸盐岩化学成分虽然有所差别，但总体上CaO和MgO含量都占总化学组分总量的绝大部分，Fe2O3，SiO2，Al2O3等不溶物含量一般在10%以下。
将岩溶山区红粘土的主要化学成分及其含量特征列于表2－3。
表2－3 红粘土主要化学成分含量表 单位: %
比较表2－2与表2－3可看出:其一，由碳酸盐岩变成土层，土层中的CaO和MgO含量降到小于5%，而不溶物量(SiO2、Al2O3、Fe2O3等)增加至73.34～96.84%，其原因在岩溶作用中，碳酸盐岩中绝大部分可溶物都被水带走，仅将含量很低的不溶物残留下来成土，进而说明了岩溶山区碳酸盐岩风化的成土条件极差，一旦流失，将难以恢复。其二，石灰岩中不溶物含量相对更低于白云岩中不溶物含量，因此石灰岩区成土条件比白云岩区更差。
袁道先院士在《岩溶环境学》一书中采用下述实例对于一个没有外来物质成分的地区的碳酸盐岩的成土速度进行了估算(袁道先，1988):
岩溶石漠化治理的地学模式研究
式中:T为产生t米厚的残积土层需要剥蚀的碳酸盐岩的厚度(米);t为残积土层厚度(米);n为碳酸盐岩中不溶物的总含量(%);m为残积土中不溶物的总含量(%);G1为残积土的容重(吨/立方米);G2为碳酸盐岩的容重(吨/立方米);A1为残积土的分布面积(平方千米);A2为与残积土相关的碳酸盐岩分布面积(平方千米)。
以某地红粘土为例，各项参数取值如下:
t=10米;G1=1.9吨/立方米;G2=2.6吨/立方米;A1=3平方千米;A2=3平方千米;n=2.446%;m=86.017%。带入式(2－1)，计算得
岩溶石漠化治理的地学模式研究
计算结果说明;要形成1米的土层，需要剥蚀25米厚的碳酸盐岩。据有关资料，目前条件下，石灰岩的剥蚀速度为100～300毫米/千年，形成1米厚的土层(剥蚀25米厚的岩石)需要25万～85万年。可见，一旦土层流失，难以恢复。
在水土流失方面，岩溶山区不但存在因强烈起伏的地形条件造成的土壤在大气降水期间受坡面流冲刷，并以地表水体作为载体通过地表河流的流失，而且还有通过落水洞进入地下，以地下河为载体的土壤流失。因此，相对非岩溶地区而言，岩溶山区更容易发生土壤流失。根据2005年贵州省水利厅黔水保［2005］154号文《贵州省水利厅关于贵州省水土流失情况的公告》，贵州省水土流失总面积73179.01平方千米，占总土地面积的41.54%。其中长江流域水土流失面积为51646.82平方千米，占其总土地面积的44.62%;珠江流域水土流失面积为21532.19平方千米，占其总土地面积的35.64%。
除上述原因外，造成耕地缺乏的另一因素来源于岩溶洪涝造成的“土地废置”。岩溶山区水文网特征之一是具有地表和地下双重的排水系统，暴雨期随着地表汇流向地下的“转入”，携带大量泥沙进入地下排水系统，由于岩溶发育的不均匀性和水动力条件的改变，地下水中泥沙逐渐沉积造成地下通道堵塞，引起地下河系统排水不畅，造成地表岩溶谷地和洼地积水长期淹没，谷地及洼地中耕地不能耕种而被迫废置。西南岩溶山区这类岩溶洼地甚多，据不完全统计，仅贵州省内现有淹没面积大于300亩的岩溶洪涝洼地就有525处，造成约3023368.5亩耕地在雨季被淹没，相当一部分洼地中耕地不能耕种而被迫废置。洪涝洼地淹没每年造成减产和绝收粮食至少为1.76亿千克。岩溶洪涝规模大多数为300～500亩，最大者面积大于1平方千米。其中:大型(大于500亩)105处，受淹面积达253797亩;中型(50～500亩)238处，受淹面积达45664.5亩;小型(小于50亩)182处，受淹面积2907亩。
岩溶山区一方面是土地资源匮乏，不能满足人类生活的需要，另一方面大量的耕地由于岩溶洪涝淹没造成土地产出效率低甚至绝收而被迫废弃，这对土地资源匮乏的岩溶山区来说，不能不说是严重的损失。由于这类耕地被淹没废弃的原因与当地地质和水文地质条件有关，因此，研究这些洼地的岩溶水文地质条件、淹没成因和治理途径，通过合理的整治工程，将被废置的耕地解决出来重新利用恢复生产，配合生态移民作为石漠化区移民的安置基地，不但可以促进石漠化贫困区群众脱贫，而且对推进石漠化区生态环境治理起到积极的作用。
(三)土质贫瘠
岩溶山区生态环境脆弱的第三个特征是耕地土质贫瘠。土壤是岩石风化的产物，土壤中的矿物元素主要来源于母岩中矿物元素的迁移，其成分组成及含量的多寡与母岩中的矿物和元素成分密切相关。
多年来，不同的研究部门、学者从不同的角度，通过不同岩类分布区岩土典型剖面的详细研究，揭示了有关岩石风化成土过程中矿物元素的迁移特征。韩行瑞等(1997)以贵州省遵义市某岩溶单元流域为研究基地，选择碳酸盐岩和非碳酸盐岩类岩石风化剖面，按照基岩到土层的顺序，将剖面划分成母岩层、弱风化层、强风化层及表层土4个层次，对各层次的地球化学特征进行了较系统的研究，并在此基础上，揭示了不同岩石风化过程中不同矿物元素迁移的过程和特点。
1.非碳酸盐岩风化剖面元素迁移
(1)元素含量分布特征
以下三叠统夜郎组九级滩段(T1y3)紫色砂泥岩为代表，分析非碳酸盐岩风化剖面中各元素的迁移过程。紫色砂泥岩风化剖面中各层次岩土中元素含量分布较均一，差异不大。如母岩层中Al2O3含量占到17.68%，表土层中15.76%;母岩层中CaO2.7%，表土层为1.2%。元素迁移动态特征见图2－1，其中P2O5在成土过程中受到强烈淋溶而迁移，其余元素处于微弱淋溶与聚积状态，说明碎屑岩成土需要的时间短，土壤元素含量对母岩成分具有良好的继承性。土壤元素变化量及淋溶聚积值见表2－4。
图2－1 T1y3紫色砂泥岩风化剖面元素迁聚图
表2－4 紫色砂泥岩风化剖面元素迁移动态淋溶聚积值
注:变化量系土壤元素含量与母岩层之差。“－”表示淋溶。(据韩行瑞等，1997)表中反映出成土过程中P2O5，CaO，Fe2O3，Mn，Cl，Sr迁移;SiO2，Al2O3，S，B，Mo等元素聚积。
(2)元素迁移特征
从表中得出碎屑岩成生紫色土的元素迁聚序列:迁移序列:常量元素:P2O5＞CaO＞MgO＞Cl＞Fe2O3＞Na2O＞Al2O3;微量元素:Mn＞Sr＞Cu＞Zn＞B。
聚积序列:常量元素:SiO2＞K2O＞S;微量元素:Se＞Mo。
总之，碎屑岩形成的风化壳，多数元素处于淋溶迁移状态，其中P2O5的迁移强度最大，达90.9%，CaO，MgO的迁移强度小于碳酸盐岩形成的风化壳。
2.石灰岩类风化剖面元素迁移
(1)元素含量分布特征
以二叠系中统茅口组(P2m)石灰岩风化剖面为代表。石灰岩风化形成的剖面中，母岩层、弱风化层、强风化层及表土层中常量元素SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO及微量元素Mn，Zn等的分布不均匀，含量变化大。如SiO2在母岩层中的含量一般仅在3.0%左右，而表土层中的含量则占到63.72%;CaO在母岩层中的含量50.95%，表土层中仅占1.89%;Mn在母岩层中7×10－5，表土层中为17×10－4。从母岩层到弱风化层、强风化层、表土层，主要元素含量变化见表2－5。
表2－5 某石灰岩剖面元素迁移变化量表
注:淋溶、聚积值按公式:
岩溶石漠化治理的地学模式研究
计算。式中:a为母岩层中元素含量;b为表土层中元素含量。“－”表示元素迁移;“+”表示元素聚积(据韩行瑞等，1997)
表中数据说明:石灰岩成土过程中SiO2，Al2O3，Fe2O3，TiO2，Na2O，P2O5逐渐聚积;CaO，MgO，S，Cl因长期淋滤和溶解而随水迁移;K2O从母岩层至强风化层聚积，但在表土层中则发生迁移。微量元素中Cu，Zn，B，Mo，Se聚积，而Sr迁移。
(2)元素迁移特征
成土过程中的元素迁移动态分析见图2－2。
迁移型元素:CaO，MgO，S，Cl，Sr;
聚积型元素:SiO2，TiO2，Se，Na2O，Cr，Mn。
表土层弱聚积型元素:Al2O3，Fe2O3，K2O，P2O5，B，Cu，Zn;
表土层聚积型元素:Mo。
元素的淋溶、聚积值见表2－6。
剖面中各层次元素的淋溶、聚积值随成土的深化具有逐渐增大的趋势。由各层次元素的淋溶、聚积值得出岩石到土壤元素的迁移序列:迁移序列:常量元素:CaO＞MgO＞Cl＞S;微量元素:Sr。
聚积序列:常量元素Fe2O3＞Al2O3＞SiO2＞P2O5＞K2O＞TiO2＞Na2O;微量元素:Mn＞Zn＞B＞Mo＞Cu。
图2－2 P2m石灰岩风化剖面元素迁聚图
表2－6 石灰岩风化剖面元素迁移动态淋溶聚积值
注:淋溶、聚积值按公式:
岩溶石漠化治理的地学模式研究
计算。式中:a为母岩中元素含量;b为表土层中元素含量。“－”表示元素迁移;“+”表示元素聚积。综合上述分析结果，石灰岩类形成的石灰土，CaO，MgO，Cl，Sr为迁移元素;SiO2，Al2O3，Fe2O3，Na2O，K2O，P2O5，Mn，B，Zn等属聚积元素。元素S在灰岩剖面为迁移元素。
3.白云岩类风化剖面元素迁移
(1)元素含量分布特征
以寒武系娄山关群(2－3ls)风化剖面为代表。白云岩风化剖面从母岩层、弱风化层、强风化层及表土层中常量及部分微量元素的含量变化较明显，差异较大。表土层中SiO2含量是母岩层中含量的14.4倍，Al2O3为35.7倍，Fe2O3为26.2倍，Zn为17.9倍，B为10.8倍;母岩层中CaO的含量是表土层中含量的60.4倍，MgO为14.4倍。表土层、强风化层、弱风化层相对母岩层，各层次元素含量的变化量见表2－7。
从表2－7中看到:表土层和强风化层元素含量变化不大，常量元素变化小于6%，微量元素除Zn与Mn外，一般均不超过9×10－6，而表土层和强风化层与弱风化层中同类元素含量差异较大，表明弱风化层在成土的初级阶段具有继承母岩成分含量的特点。从母岩风化演变为土层，SiO2，Al2O3，Fe2O3，Na2O，K2O等常量元素和Cu，Zn，Mn，B等微量元素等在土层中聚积，而CaO，MgO，Cl发生迁移，S，Sr从母岩层到弱风化层微弱迁移，从强风化层到表土层中则聚积。
表2－7 某白云岩剖面元素迁移变化量表
注:变化量为各层次元素含量与母岩层含量之差。(据韩行瑞等，1997)
(2)元素迁移特征
元素迁移动态见图2－3。
元素迁移类型如下:
迁移型元素:CaO，MgO，Cl;
聚积型元素:SiO2，TiO2，P2O5，Sr，Se，Mn，B。
微弱淋溶聚积型元素:Al2O3，Fe2O3，Na2O，K2O，Cu，Zn;
表层聚积型元素:S，Mo。
元素迁移动态的淋溶聚积值见表2－8。
从表2－8中分析得出，白云岩风化剖面土壤元素的迁移聚积序列为:
迁移序列:常量元素:CaO＞MgO＞Cl。
聚积序列:常量元素:Al2O3＞Fe2O3＞SiO2＞K2O＞TiO2＞S＞P2O5＞Na2O;微量元素:Zn＞B＞Se＞Mo＞Cu＞Mn＞Sr。
图2－3 白云岩风化剖面元素迁聚动态图
表2－8 白云岩风化剖面元素迁移动态淋溶聚积值
注:淋溶、聚积值按公式: 计算。式中:a为母岩中元素含量;b为土层中元素含量。“－”表示元素迁移;“+”表示元素聚积。
(据韩行瑞等，1997)
元素的聚积序列说明，白云岩形成的风化壳中土壤元素K2O，Zn、B强烈富集，对植物所需矿物营养元素供给较有利。
综上述研究:碎屑岩风化成土时间短，矿物风化程度低，土壤碎屑颗粒含量高。而碳酸盐岩成土是常量元素CaO，MgO，S，Cl，Sr的迁移和SiO2，Al2O3，Fe2O3，TiO2，Na2O，K2O，P2O5的聚积过程，同时也是微量元素Mn，B，Mo，Cu，Zn，Cr，以及稀有元素逐渐聚积的过程。与非碳酸盐岩成土相比，碳酸盐岩成土十分缓慢，矿物风化淋溶强烈，铁、铝富集明显，主要形成硅铝质、铁铝质和铝质富铝型风化壳，土壤质地黏性重，从而成为岩溶区土层土质贫瘠的根本原因。
另一方面，由于碳酸盐岩化学成分中钙、镁含量高，方解石、白云石等可溶矿物含量占到90%以上，这个特点决定了岩溶山区是一个富钙的水环境，它不但对地下水的化学成分有影响，使得水中硬度较高，而且在岩石风化成土过程中和后期物质成分的迁移中都影响土层的化学成分，成为一个富钙的岩、土、水、气循环系统，也导致土层中对植物生长所需的多种矿物元素缺乏而不利于植物的生长。
二、不合理人为工程活动的引发原因分析
引发石漠化的动力因素主要是不合理的人为工程活动，这已经得到普遍的认可，所以研究导致不合理的人为工程活动产生的根本原因对于防止石漠化则更有实际意义。因此，查清导致不合理的人为工程活动产生的原因，针对原因采取科学有效的措施化解矛盾，遏制或尽可能减少不合理活动的发生，将地质环境整治和生态环境修复工程相结合，可有效地防止石漠化的发生和发展，使之达到有效防治石漠化目的。
分别对岩溶山区石漠化的发生率与相关的自然、社会和经济环境进行相关分析，借以揭示引发不合理人为工程活动的根源。
西南岩溶山区经济落后、人民生活贫困，到20世纪末，全区尚有152个国家级扶贫开发重点县，没有越过温饱线人口约1000万，约占全国贫困人口的1/2。通过对我国西南地区270个岩溶县(市)调查资料统计，区内人均国内生产总值水平为全国人均国内生产总值的45.4%，农民人均纯收入为全国农民平均纯收入的65.8%。石漠化面积前100位的县的平均人均国内生产总值水平仅为全国平均值的32.4%，农民平均纯收入仅为全国农民平均水平的58.7%。
对贵州省石漠化最严重的50个县的石漠化发生率、石漠化加剧程度分别与农民年纯收入进行相关统计分析(图2－4，图2－5)。
图2－4 石漠化发生率与农民纯收入关系图
图2－5 石漠化加剧与农民人均收入关系图
图2－6与图2－7反映，石漠化发生率与农民人均纯收入和人均粮食占有量之间均呈明显的负相关关系。石漠化发生率越高，农民人均收入越低、人均占有粮食越少。
图2－6 农民纯收入与石漠化发生率关系图
图2－7 农民人均粮食与石漠化发生率关系图
图2－4～图2－7分别从农民人均收入、农民人均占有粮食、石漠化发生率和石漠化加剧程度的角度分析了三者之间的相关关系，得出了地区经济落后、人民生活贫困是石漠化发生、发展的主要原因之一。或者说，地区经济越落后、人民越贫困，石漠化发生和加剧的可能性越大。
图2－8与图2－9则从农业生产资源的的角度，论述了农业生产资源占量与贫困的关系。
图2－8 人均耕地与贫困发生率关系图
图2－9 耕地平均灌溉量与贫困发生率关系图
图2－8与图2－9中明显地反映出人均耕地占有量和耕地的灌溉程度与贫困发生率呈负相关。综合起来说明:岩溶山区农业生产资源越缺乏，农民越贫困，石漠化越容易发生，石漠化程度也越严重。而且，石漠化程度越严重，农民也越贫困。因此，贫困与石漠化好似一对“孪生兄弟”，有极为突出的因果关系。
根据贵州省2005年社会与经济发展统计资料，对贵州省以地(州、市)行政区石漠化发生率与经济发展有关的指标进行相关分析，见图2－10。
图2－10中反映，各地(州、市)石漠化的发生率和农村贫困发生率具有显著的正相关关系，而与农村人均常用耕地占有面积、耕地平均工程供水量、农民纯收入等呈负相关关系。黔东南苗族侗族自治州石漠化发生率低的原因与该区绝大部分面积为非岩溶区的地质背景有关，其贫困发生率高则与当地经济社会基础、资源环境等相关。
前述统计分析结果可看出，石漠化区存在的共同特征:
图2－10 贵州省各行政区相关指标关系图
1)石漠化都发生在岩溶区。
2)石漠化发生率与农村人口贫困发生率具有较高的正相关关系。
3)导致农村贫困发生的根本原因与岩溶石漠化区人均占有耕地的不足、耕地灌溉水平低下、土地产出率低密切相关。
综合前面对岩溶地质环境脆弱性的基本特征和对引发不合理人为工程活动的原因分析结果，可以清晰地看出，石漠化区脆弱生态环境其实均与岩溶地质背景密切相关。耕地缺少源自于碳酸盐岩成土条件的天生不足和强烈的水土流失，如图2－10中可见，贵州省扶贫开发重点县农村人均占有常用耕地面积大都不足1亩;耕地灌溉水平低下除与农田水利工程不足、效率不高有关外，更主要的是与岩溶山区强烈的岩溶发育导致的岩溶干旱缺水相关;土地产出率低下则主要是耕地灌溉率低下和土质贫瘠导致不利于农作物生长，致使土地产出率低、农作物品质差、产品附加值低的结果。
20世纪后期以来，岩溶山区人口骤增。20世纪50年代贵州省人口密度为80人/平方千米，2000年达212人/平方千米，2005年达到223人/平方千米。有关研究认为，在自然状况下，贵州省温饱型人口承载力为3237万人，超载666万人(以年人均粮食300千克，粮食含热量10032焦耳/日，蛋白质含量60克/日的标准衡量);小康型人口承载力2428万人，超载1475万人(以年人均粮食400千克，粮食含热量12540焦耳/日，蛋白质含量80克/日标准衡量。人口密度已经超过自然状态条件下农业资源的承载能力，加之农业资源的空间分布的不均衡以及开发利用的不合理、有效开发利用程度低下，水、土等资源难以满足石漠化区人类生存和发展的需要。
岩溶山区人口的增加和农业生产资源(水、土)的缺乏成为制约区内经济社会发展的“瓶颈”，造成山区农村广泛贫困。据贵州省2005年统计资料，贵州省贫困县年人均粮食占有量仅为324千克。在缺乏科学的指导下，人类为谋求生存而走向盲目的毁林开荒、乱砍滥伐的道路，其结果加剧了山区水土流失、石漠化、岩溶干旱及岩溶洪涝的发生发展，导致生态环境恶性循环。因此，可以认为:引发的石漠化发生发展的不合理人为工程活动的原因，是“人类生存需要与环境承载力的矛盾”。
石漠化的形成和发展的实质，是在脆弱的岩溶地质背景条件下人类生存需要与环境承载力矛盾的结果。