喀斯特斷陷盆地石漠化演變及治理技術與示范

曹建華, 鄧 艷, 楊 慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 藍芙寧, 黃 芬, 李建鴻

中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部廣西巖溶動力學重點實驗室/聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心, 桂林 541004

喀斯特斷陷盆地石漠化演變及治理技術與示范

曹建華*, 鄧 艷, 楊 慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 藍芙寧, 黃 芬, 李建鴻

中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部廣西巖溶動力學重點實驗室/聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心, 桂林 541004

巖溶斷陷盆地區(qū)是國家石漠化綜合治理工程、生態(tài)安全屏障、連片特困區(qū),同時也是石漠化治理科技投入薄弱。針對斷陷盆地盆-山共存的環(huán)境地質結構分異,及水土資源不匹配和石漠化嚴重等問題,在滇東蒙自、建水、瀘西為重點區(qū),開展“喀斯特斷陷盆地石漠化演變及綜合治理技術與示范(2016YFC0502500)”項目的國家重點研發(fā)活動,闡明流域尺度石漠化演變機理,以水土資源高效利用為基礎、生態(tài)服務功能提升為核心,研發(fā)石漠化綜合治理技術,形成生態(tài)治理-生態(tài)產業(yè)協(xié)同發(fā)展模式,為生態(tài)富民和生態(tài)文明建設提供技術與示范。形成喀斯特斷陷盆地石漠化機理識別-治理技術研發(fā)-生態(tài)產業(yè)模式構建-綜合效益評估-國土資源空間高效利用對策等系列成果,培養(yǎng)一支高水平創(chuàng)新團隊。

喀斯特斷陷盆地；石漠化；環(huán)境地質分異；水土資源

喀斯特地區(qū)是地球表層系統(tǒng)中典型的脆弱生態(tài)區(qū)組成部分,全球喀斯特分布面積達2200萬km2,約占陸地面積的15%,是地球表層系統(tǒng)的重要組成部分,喀斯特地下水提供了全球1/4人口生產、生活用水[1-6]。但鑒于喀斯特地區(qū)成土物質先天不足,土壤資源短缺、土壤侵蝕程度嚴重,且土壤侵蝕過程具復雜性和隱蔽性[7-10]；含水介質具有地表-地下雙層性和不均勻性,水資源以地下水為主,開發(fā)利用難度大,季節(jié)性旱災和澇災頻發(fā)[4,11-13]；植被立地條件惡劣,群落生態(tài)系統(tǒng)自然恢復緩慢、人工修復難度大[14-18],因此,喀斯特分布區(qū)是地球表層典型脆弱生態(tài)區(qū),其對氣候環(huán)境變化、人為干擾響應敏感[1-2]。

中國西南裸露型喀斯特區(qū)是全球3大喀斯特集中分布區(qū)之一,地處中國東南太平洋、西南印度洋季風區(qū),喀斯特發(fā)育強烈,脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境疊加人口壓力和不合理的生產活動,導致中國西南喀斯特區(qū)在從1987年到2005年,西南石漠化的面積呈加劇趨勢,每年增加1800—2000km2,相當于一個中等大小的自然縣,嚴重制約了當?shù)亟洕鐣目沙掷m(xù)發(fā)展[1-2]。

2008年,國務院批復了《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱(2006—2015)》,在西南喀斯特石漠化區(qū),啟動國家石漠化綜合治理生態(tài)工程,并取得成效：揭示喀斯特生態(tài)系統(tǒng)脆弱性,定義石漠化的內涵,并進行了分類、分級、分區(qū)[1-2,14]；在喀斯特地下水探測、開發(fā)技術方面取得較大成效[19-20]；揭示喀斯特區(qū)土壤侵蝕雙向性和隱蔽性[21-24],制定《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術標準》(SL461—2009)[25]；篩選和培育了一批植物品質,并就種群與環(huán)境間元素生物地球化學行為[26-34]、及適應機制進行了研究[35-38]。

2016年3月,國務院發(fā)布了《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》,明確指出：荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理是推進國家重點區(qū)域生態(tài)修復的主要內容。

斷陷盆地區(qū)是石漠化綜合治理重要類型區(qū),位于珠江、長江中上游,隸屬國家“兩屏三帶”生態(tài)安全屏障區(qū),雖然西南喀斯特石漠化土地面積擴展得到遏制,總體趨勢轉好,但滇東斷陷盆地區(qū)惡化,仍然是集中連片重度石漠化區(qū)。

喀斯特斷陷盆地石漠化綜合治理在基礎理論研究和關鍵技術研發(fā)方面薄弱,治理模式單一,綜合效果亟待提升。因此,開展喀斯特斷陷盆地石漠化演變及綜合治理技術與示范,形成科技支撐服務的、產學研用為一體的生態(tài)治理-生態(tài)產業(yè)協(xié)同發(fā)展的喀斯特斷陷盆地石漠化綜合治理模式及示范具有重要的意義。

1 總體思路

喀斯特斷陷盆地集中分布在滇東-攀西,滇東是斷陷盆地發(fā)育典型、石漠化最為嚴重的地區(qū)。相對于其他喀斯特類型區(qū),斷陷盆地的石漠化演變、水土資源具有5方面特點：(1)受西南印度洋季風影響,形成明顯干濕季節(jié),季節(jié)性干旱嚴重,年平均降水量800—1100mm,70%以上的降水量集中在5月—10月；滇東斷陷盆地光照強度是西南喀斯特區(qū)最高的區(qū)域,年太陽輻射量達550—630kJ/cm2[39-40]；(2)盆-山地形變化劇烈,盆地與周邊山區(qū)氣候反差大,與山區(qū)相比,盆地降水量低1/3,而蒸發(fā)量高1/3,年均氣溫高4—5℃,盆地缺水更為嚴重；(3)周邊山區(qū)喀斯特發(fā)育,水源漏失,地下河深埋,土壤流/漏失嚴重,周邊山區(qū)及斜坡地帶是石漠化發(fā)生的主要地貌部位；(4)喀斯特地下河流域補給區(qū)面積一般都超過1000km2,結構復雜,飽氣帶厚度巨大,水土資源分離；(5)喀斯特地質、水文、氣候條件的制約,導致植被立地條件差和群落生態(tài)的多樣性。

選擇喀斯特斷陷盆地發(fā)育典型、國家石漠化治理工程區(qū)的蒙自、建水、瀘西為重點研發(fā)區(qū),圍繞地質-氣候制約的斷陷盆地生態(tài)系統(tǒng)運行規(guī)律及石漠化驅動機制,地表-地下水、土過程與資源高效利用調控機理,生態(tài)服務功能提升與生態(tài)產業(yè)培育協(xié)同機制3個科學問題；及大功率充電聯(lián)合跨孔CT 成像準確定位地下河技術,流域尺度水土資源高效利用與優(yōu)化調控技術,深根系喬-灌-草生物籬土壤流/漏失阻控及水土保持生態(tài)工程技術,喜鈣耐旱植物材料篩選與快繁及仿自然植物群落優(yōu)化配置技術,特色經濟林-草(藥)-畜(禽)復合系統(tǒng)構建技術,生物資源利用提升與生態(tài)衍生產業(yè)培育等6項關鍵技術,按照“揭示石漠化機理-研發(fā)治理技術-構建生態(tài)產業(yè)模式-評估綜合效益”的總體思路(圖1)。

2 研究內容

(1)斷陷盆地生態(tài)環(huán)境地質分異及石漠化演變機理。揭示碳、氮、鈣、水在生態(tài)系統(tǒng)中遷移規(guī)律,闡明生態(tài)系統(tǒng)演替和石漠化演變過程及驅動機制。

(2)斷陷盆地地表、地下水資源高效利用與優(yōu)化調控。闡明流域尺度水文地質結構與水文過程,研發(fā)地下水開發(fā)、地表水調蓄、雨水收儲、節(jié)水灌溉、土壤保墑等綜合高效利用技術。

(3)斷陷盆地土壤流/漏失阻控與質量提升。揭示坡面、高原面巖土組構與生態(tài)特點,土壤流/漏失驅動因素,研發(fā)深根系喬-灌-草生物籬等阻控技術；消減土壤連作等障礙因子,提高土壤質量。

(4)斷陷盆地石漠化區(qū)植被恢復與功能提升。揭示高原面、坡面和盆地石漠化區(qū)植被退化與恢復生態(tài)學機制,進行耐旱耐瘠薄植物材料的篩選與快繁,研發(fā)仿自然植物群落構建、林-灌-草優(yōu)化配置技術。

(5)斷陷盆地特色生態(tài)產業(yè)的培育、技術研發(fā)與示范。研發(fā)優(yōu)質林(果)-藥(菌)、林-草-畜等生態(tài)衍生產業(yè)技術模式,進行特色生物資源利用與加工企業(yè)、生態(tài)旅游產業(yè)的培育。

(6)斷陷盆地石漠化綜合治理模式與技術集成。集成水土資源高效利用、石漠化生態(tài)治理-生態(tài)富民耦合調控技術,形成可推廣的綜合治理模式,縣域示范,國際合作,技術共享。

本項目依托聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心、國際泥沙研究培訓中心,及4個國家級、6個省部級平臺,由中國地質科學院巖溶地質研究所牽頭,聯(lián)合國土資源部、中國科學院、教育部、水利部、國家林業(yè)局的科研、高校、企業(yè)等18個具有前期基礎的優(yōu)勢單位,共同組成跨部門、多學科、產學研用聯(lián)合攻關的隊伍。本項目的申報還得到蒙自市、瀘西縣、建水縣政府的大力支持。

圖1 項目技術路線及研究內容間的相互關聯(lián)Fig.1 Program technical route and the correlation between the content of research

3 總體目標、考核指標或預期成果

3.1 總體目標

針對喀斯特斷陷盆地盆-山共存的環(huán)境地質結構,及水土資源不匹配和石漠化嚴重等問題,闡明流域尺度石漠化演變機理,以水土資源高效利用為基礎、生態(tài)服務功能提升為核心,研發(fā)石漠化綜合治理技術,形成生態(tài)治理-生態(tài)產業(yè)協(xié)同發(fā)展模式,為生態(tài)富民和生態(tài)文明建設提供技術與示范。

具體目標包括以下6個方面：

(1)闡明碳、水、鈣和氮等物質元素在斷陷盆地喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)規(guī)律,解析斷陷盆地石漠化演變機理與模式,為石漠化治理技術、生態(tài)產業(yè)模式提供依據(jù)。

(2)揭示斷陷盆地流域尺度“五水(雨水、地表水、喀斯特表層帶水、地下水、土壤水)”轉換規(guī)律,研發(fā)地下水開發(fā)、地表水調蓄、雨水收儲、水質修復、節(jié)水灌溉等綜合高效利用技術。

(3)揭示高原面及其與盆地交界坡面的土壤侵蝕關鍵驅動因素與阻控機制,研發(fā)深根系喬-灌-草生物籬土壤流/漏失阻控及水土保持生態(tài)工程技術；闡明土壤質量退化過程,研發(fā)土壤質量提升與特色作物連作障礙消減技術。

(4)基于斷陷盆地植被退化與恢復生態(tài)學機制,研發(fā)篩選、快繁、群落構建、可持續(xù)性經營技術,構建仿自然植物群落與林-灌-草優(yōu)化配置模式與示范。

(5)篩選具生態(tài)產業(yè)前景的鄉(xiāng)土經濟物種,開展引進物種的適應性研究,研發(fā)復合經濟林-草(藥)-畜(禽)等系統(tǒng)和復合水/干果技術,形成生態(tài)衍生產業(yè)模式并示范,培育特色生物資源加工企業(yè)。

(6)發(fā)表能佐證上述科學研究、技術研發(fā)和產業(yè)模式的論著,申請或授權專利,編寫技術規(guī)程/標準；建立示范基地,形成斷陷盆地石漠化綜合治理可供借鑒的范式(例)；培養(yǎng)一支在我國斷陷盆地喀斯特生態(tài)系統(tǒng)及石漠化治理領域的高水平創(chuàng)新團隊。

3.2 預期成果與考核指標

學術成果：通過本項目研究成果的總結凝練,將在地質、水文、水資源、生態(tài)與環(huán)境等領域期刊上發(fā)表學術論文150 篇以上,其中國際主流期刊SCI 論文35 篇以上；圍繞斷陷盆地喀斯特生態(tài)系統(tǒng)形成演化與石漠化演變機理、綜合治理技術途徑、斷陷盆地生態(tài)產業(yè)可持續(xù)發(fā)展機制等方面,出版學術專著3—5 部,形成斷陷盆地喀斯特生態(tài)系統(tǒng)框架,完善喀斯特生態(tài)系統(tǒng)理論,鞏固喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國際領先地位。

技術成果：針對國家重大目標、尤其石漠化綜合治理和脆弱生態(tài)修復和保護,通過關鍵技術研發(fā),形成石漠化治理技術模式8—10 項,申請專利30—35 項,編寫斷陷盆地石漠化綜合治理相關技術規(guī)程/標準3 個,為國家斷陷盆地石漠化綜合治理提供技術支撐。

示范成果：建立示范基地3 個,核心示范區(qū)面積3000 畝,核心區(qū)植被覆蓋率提高30%,水土流失率降低40%,水資源利用率提高25%,年人均收入增加15%,形成生態(tài)產業(yè)模式6—8 項。

成果推廣與國際合作成果：充分發(fā)揮本項目國際平臺作用,在項目執(zhí)行期間,舉辦2 期援外國際培訓班,尤其關注喀斯特石漠化地區(qū)發(fā)展中國家的學員招生；同時,舉辦國內尤其當?shù)剞r民培訓3 次,培訓人數(shù)600 人以上；開展縣域推廣1 個。

爭取與本項目相關的政府間科技合作項目、政府科學技術合作例會交流合作項目2—3項,舉辦1次國際學術研討會。

人才培養(yǎng)成果：通過國內、國外兩種途徑,加強創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。其一,在項目課題中,根據(jù)總體目標,立出創(chuàng)新內容,讓具有發(fā)展?jié)摿Φ哪贻p人承擔,培養(yǎng)碩博士35 名,學術骨干20 名；其二,利用國家政策和國際平臺,送年輕人到國際知名的大學、科研機構深造、學習,培養(yǎng)省部級以上高層次人才1—2 名；其三,培養(yǎng)一支在我國斷陷盆地喀斯特生態(tài)系統(tǒng)及石漠化治理領域的高水平創(chuàng)新團隊。

4 結語

喀斯特斷陷盆地是構造成因為主體的喀斯特地質地貌類型區(qū),該區(qū)的水循環(huán)、水資源狀況受到構造斷裂、裂隙的方向、深度、程度及巖溶發(fā)育程度的制約,而土壤資源受到多母質來源和西南印度洋季風影響,盆-山地形的反差豐富了植被類型的多樣性、增加了復雜性和修復難度,因此,喀斯特斷陷盆地類型的劃分、水土植物資源稟性闡明,針對石漠化演變及綜合治理顯得十分重要；

中國喀斯特區(qū)石漠化綜合治理從前期治理側重遏制石漠化面積擴張、增加植被覆蓋率為主,轉向提升單位面積生態(tài)服務、培育生態(tài)治理衍生產業(yè)為主,服務國家生態(tài)文明建設。針對喀斯特斷陷盆地石漠化治理前期科技投入力量薄弱、治理模式單一、效果不明顯,本項目需要充分吸收消化峰叢洼地、高原類型區(qū)石漠化治理已有的經驗,需要站在新起點、更高要求上部署項目實施方案,強調因地制宜、宏觀與微觀相結合,強調背景調查、基礎研究服務石漠化治理技術研發(fā)和生態(tài)產業(yè)模式構建,點的工作部署,要考慮在面上的代表性和推廣性,尤其生態(tài)產業(yè)的模式要考慮與當?shù)亟洕鐣膶嶋H需求相結合；

在揭示斷陷盆地石漠化隨時間尺度演變、分析成因機制的基礎上,工作部署強調空間尺度的3個級別：喀斯特地貌部位(盆地邊緣丘林、周邊中高山高原面、斜坡帶),不同地貌部位地質、氣候、水文特征的揭示,物質能量循環(huán)規(guī)律的掌握,是認識斷陷盆地生態(tài)系統(tǒng)和石漠化演變的基礎；流域尺度(補給區(qū)、徑流區(qū)、排泄區(qū))喀斯特斷陷盆地地下河流域的面積通常面積大,水文地質條件復雜,了解和掌握斷陷盆地流域尺度的水循環(huán)、水資源空間分配和合理開發(fā)利用及管理,對石漠化綜合治理和生態(tài)產業(yè)可持續(xù)性具有十分重要性；區(qū)域尺度(縣域、地級州市、斷陷盆地大類型區(qū)),石漠化治理、生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升、國土資源的空間規(guī)劃將明顯受到國家政策和地區(qū)政府管理條例的影響。

致謝：本項目的立項、尤其在實施方案的編寫過程中,受到專業(yè)機構21世紀議程管理中心、項目牽頭單位的主管單位、專項指南專家組和同行專家的指導,課題牽頭單位中國地質科學院巖溶地質研究所、云南省地質調查局、中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所、中國水利水電科學研究院、北京林業(yè)大學和云南省紅河哈尼族彝族自治州、蒙自市、瀘西縣和建水縣政府的大力支持,感謝參加本項目的18個單位、116位專家學者的辛勤勞動。

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Rocky desertification evolution, treatment technology and demonstration in Karst faulted basins,Southwest China

CAO Jianhua*, DENG Yan, YANG Hui, PU Junbing, ZHU Tongbin, LAN Funing, HUANG Fen, LI Jianghong

KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences/InternationalResearchCenteronKarstundertheauspicesofUNESCO,Guilin541004,China

Karst faulted basin area is ecological security shelter and contiguous poverty zone with paying rare attention to science and technology in comprehensive rocky desertification treatment of national engineering. Many problems like the geologic structure basin-mountain coexistence, water and soil resources in separation and serious rocky desertification still exist there. And these problems have a great influence on regional ecological security shelter function. Based on the National Key Research and Development Program of China “Rocky desertification evolution, integrated control technologies and demonstration in karst faulted basin area, Southwest China”, Mengzi, Jianshui, Luxi in the eastern Yunnan are selected as the key study area, the mechanism of rocky desertification evolution at the basin scale would be illustrated, with the enhancement the utilization efficiency of water and soil resources, the ecological service function increasing，will be undertaken. We also build collaborative development model both ecological management and ecological industry, and provide technology and demonstration for ecological enriching people and ecological civilization construction. The expected outcomes of our investigation and research, are the mechanism of rocky desertification in karst faulted basins, technologies on integrated control, models of ecological industry, comprehensive benefit evaluation, and efficient space utilization of land resources, as well as high level of innovation team.

karst faulted basin; rocky desertification; environmental and geological differentiation; water and soil resources

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502500)

2016- 10- 12

10.5846/stxb201610122068

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jhcaogl@karst.ac.cn

曹建華, 鄧艷, 楊慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 藍芙寧, 黃芬, 李建鴻.喀斯特斷陷盆地石漠化演變及治理技術與示范.生態(tài)學報,2016,36(22):7103- 7108.

Cao J H, Deng Y, Yang H, Pu J B, Zhu T B, Lan F N, Huang F, Li J H.Rocky desertification evolution, treatment technology and demonstration in Karst faulted basins,Southwest China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7103- 7108.