西南喀斯特地區(qū)水土過程與植被恢復(fù)重建*

陳洪松，付智勇，張偉，聶云鵬

①中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125；②中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，廣西 環(huán)江 547100

我國是世界上喀斯特面積最大(344.3萬km2)、分布最廣、類型最多的國家，其中西南喀斯特地區(qū)(約55萬km2)是全球三大喀斯特集中分布區(qū)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈的地區(qū)。由于特殊的地質(zhì)背景和強(qiáng)烈的巖溶作用，加上近現(xiàn)代人類不合理的土地利用，長期以來該區(qū)石漠化和貧困問題相互交織，生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾突出[1-3]，是生態(tài)治理與扶貧攻堅(jiān)的重點(diǎn)、難點(diǎn)區(qū)。經(jīng)過“十一五”“十二五”期間大規(guī)模地實(shí)施退耕還林、封山育林、扶貧開發(fā)、生態(tài)移民等措施，西南喀斯特地區(qū)生態(tài)重建初見成效，石漠化面積已實(shí)現(xiàn)由持續(xù)增加向“凈減少”的重大轉(zhuǎn)變。但是，由于人為驅(qū)動(dòng)因素依舊存在，加上自然災(zāi)害的不確定性和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，穩(wěn)定性差的植被群落易因外來破壞因素影響而逆轉(zhuǎn)，石漠化防治形勢依然嚴(yán)峻[4]。長期以來，由于西南喀斯特地區(qū)基礎(chǔ)研究薄弱，對水土流失過程及機(jī)理認(rèn)知不足，對土地退化成因與發(fā)生機(jī)制了解不清，石漠化綜合治理工程成效的科學(xué)評(píng)估以及可持續(xù)性治理技術(shù)與模式的缺乏，難以為工程建設(shè)提供有效的科技支撐[5]，直接影響扶貧攻堅(jiān)進(jìn)程和2020年全面建成小康社會(huì)的宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

“十三五”是我國全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵期，也是建設(shè)生態(tài)文明的重要階段，迫切需要寓經(jīng)濟(jì)發(fā)展于生態(tài)治理之中，將植被恢復(fù)與生態(tài)治理和民生改善有機(jī)結(jié)合。作為西南生態(tài)安全屏障區(qū)和扶貧攻堅(jiān)核心區(qū)域，隨著石漠化綜合治理二期工程的全面開展，亟需系統(tǒng)梳理和總結(jié)一期治理工程成效與存在問題，基于水文-侵蝕過程與特征來思考植被恢復(fù)重建策略，以鞏固一期治理工程成果，確保二期治理工程的順利實(shí)施，促進(jìn)西南喀斯特地區(qū)生態(tài)服務(wù)提升和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)雙贏的目標(biāo)。

1 土壤-巖石環(huán)境特征

西南喀斯特山區(qū)地形地貌復(fù)雜多變，巖石裸露率高、土層淺薄且不連續(xù)、地表缺水少土、景觀異質(zhì)性強(qiáng)等是其基本特征。西南喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用緩慢，形成1 mm厚的土層需要250～7 880 a，一般比非喀斯特地區(qū)慢10～40倍[7]。碳酸鹽巖風(fēng)化成土的快慢除與碳酸鹽巖溶蝕速率成正比之外，還與碳酸鹽巖酸不溶物含量(一般＜ 4 %)的高低成正比[6]。已有研究資料表明，廣西碳酸鹽巖的溶蝕風(fēng)化形成1 mm厚的土層需要250～850 a[7]，而貴州碳酸鹽巖溶蝕風(fēng)化形成1 mm厚的土層需要630～7 880 a[6]。碳酸鹽巖風(fēng)化形成的石灰土，其理化性質(zhì)有別于地帶性土壤，表現(xiàn)為富鈣、偏堿性、有效營養(yǎng)元素供給不足且不平衡、質(zhì)地偏黏、有效水分含量偏低[7]。與同緯度紅壤相比，受干擾脅迫較小的原生林、次生林、灌叢石灰土養(yǎng)分含量較高，但一旦開墾利用，養(yǎng)分含量急劇降低[8]。

西南喀斯特山區(qū)土壤與母巖之間界面明顯，缺乏過渡層，結(jié)合力差，是人為擾動(dòng)誘發(fā)水土流失、塊體滑移以及石漠化的重要原因之一。該區(qū)分布最廣的兩類巖石是石灰?guī)r和白云巖，二者在巖石裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化作用方式、土層厚度、碎石(＞ 2 mm)含量及風(fēng)化殼持水性能等方面都有較大差異(圖1)。與石灰?guī)r相比，白云巖的風(fēng)化深度和程度較大，巖石滲漏性較弱，二元水文結(jié)構(gòu)不發(fā)育，其溶蝕殘余物質(zhì)能相對均勻地分布地表，土層較厚但多含碎石[9]。碳酸鹽巖的可溶性以及長期強(qiáng)烈的巖溶作用，致使喀斯特地區(qū)地形破碎、崎嶇不平，從而導(dǎo)致景觀異質(zhì)性高和生境多樣。該區(qū)土壤在較大尺度呈集群分布，受控于地貌部位和裂隙的空間展布；在較小尺度呈均勻分布和隨機(jī)分布，常分布于石溝、石縫等肥沃生境[10]。巖石與淺薄且不連續(xù)土層的相互鑲嵌，即土壤與石面、石縫、石溝、石洞、石槽、溶洞等組合形成多種小生境類型，顯著地改變了小尺度范圍內(nèi)的水文循環(huán)和土壤侵蝕過程，是導(dǎo)致生境高度異質(zhì)性和土壤水文生態(tài)功能差異的重要原因。即使在巖石裸露率較高的情況下，不同生境的組合類型不同，相應(yīng)的生境嚴(yán)酷程度也不同，土壤水分、養(yǎng)分狀況也有很大差異?？λ固厣车漠愘|(zhì)性是植被演替的主導(dǎo)因子，植物對各種類型小生境的利用特點(diǎn)為喀斯特環(huán)境不同巖石裸露率地段采取相應(yīng)的植被恢復(fù)途徑和方式提供了理論依據(jù)[9,11]。

圖1 西南喀斯特地區(qū)石灰?guī)r(左)和白云巖(右)斷面土壤-巖石結(jié)構(gòu)特征

2 水文-侵蝕特征

2.1 水文過程與模擬

西南喀斯特地區(qū)雖然降雨充沛，但時(shí)空分布不均，強(qiáng)烈的巖溶作用形成地表地下二元三維空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水文過程迅速、復(fù)雜且時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng)，降雨可通過豎井、落水洞、漏斗等迅速匯入地下，常形成“地下水滾滾流、地表水貴如油”的特殊現(xiàn)象。該區(qū)流域尺度降雨徑流系數(shù)較高(一般0.4～0.7)，但坡面地表產(chǎn)流很少(＜ 5 %)[12-13]。坡面尺度，喀斯特山地除地表徑流外，還存在壤中流、滲透流、坡下流、豎井流、地下徑流等多種形式。坡面定位觀測和模擬降雨試驗(yàn)表明，坡面水文過程以地下過程為主，地表徑流一般只有在高降雨強(qiáng)度下才會(huì)發(fā)生，常呈現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流機(jī)制，超滲地表徑流發(fā)生概率低[12,14]。土壤-巖石界面壤中流是該區(qū)一種重要的水文過程，其產(chǎn)流符合“充填-溢出”理論：土壤-巖石界面飽和區(qū)沿坡由下向上逐漸擴(kuò)展，當(dāng)?shù)叵嘛柡蛥^(qū)連接起來后產(chǎn)生壤中流；而當(dāng)水位達(dá)到地表時(shí)，才開始產(chǎn)生地表徑流[15]。在垂直梯度上，喀斯特山地呈現(xiàn)出上陡下緩的地形特征，在巖溶作用和地形因子綜合控制下，土壤類型分異明顯，降雨入滲和產(chǎn)流過程也具有明顯的垂直分異特征，直接決定了不同坡位需采用不同的石漠化治理和植被恢復(fù)措施(圖2)。

圖2 西南喀斯特山坡土壤水文特性以及植被空間格局和石漠化垂直分帶治理模式

喀斯特區(qū)溶隙、溶洞、管道等多重介質(zhì)構(gòu)成的裂隙水流、地下管道流發(fā)育，對喀斯特流域產(chǎn)匯流起主導(dǎo)作用。它們不僅是水流通道，而且是養(yǎng)分、污染物以及泥沙的運(yùn)移通道。理解小流域地下水流在這些管道里產(chǎn)生、發(fā)展、形成網(wǎng)絡(luò)及其控制因素，對洪水預(yù)報(bào)、污染物運(yùn)移、養(yǎng)分流失、水資源管理以及其他水文和生物化學(xué)過程具有重要意義。然而，這些地下水流通道很難觀測、測量并繪制成圖。建立喀斯特小流域水文模型，有助于掌握喀斯特含水層對降雨的響應(yīng)及流域儲(chǔ)水量的變化。但是，由溶隙、溶洞及管道等多重介質(zhì)所構(gòu)成的喀斯特含水系統(tǒng)是一個(gè)不斷變化的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其與大氣降水、地表水、土壤水和地下水之間的水文循環(huán)過程極其復(fù)雜，具有裂隙流和管道流并存、層流和紊流并存、線性流和非線性流并存、連續(xù)流和孤立水體并存的特點(diǎn)，給水文模型的建立帶來很大困難。目前應(yīng)用于喀斯特含水層的水文模型可分為3類：黑箱模型(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概念模型(灰箱模型)和分布式模型。黑箱模型將一個(gè)蓄水區(qū)看作一個(gè)包括輸入(入滲)和輸出(排水)的黑箱系統(tǒng)，盡管其對喀斯特區(qū)域水文系統(tǒng)功能模擬方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，但它不能提供或不涉及含水層的物理或水文機(jī)制，不能獲取水量、能量轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息，也不能考慮人為干擾等作用，無法進(jìn)行真正的預(yù)測[16]。概念模型根據(jù)一些假定使用簡單的方程來描述復(fù)雜的系統(tǒng)過程，模擬無資料地區(qū)的水文過程比較理想，然而其對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力特征定量研究不夠，參數(shù)沒有明確的物理意義，尺度問題也是限制其應(yīng)用的一個(gè)重要因素[16,19]。分布式模型將整個(gè)流域劃分為多個(gè)網(wǎng)格求解，真實(shí)反映了計(jì)算單元內(nèi)松散介質(zhì)水流與裂隙水流，能夠提供研究區(qū)內(nèi)部水文信息，是未來喀斯特流域水文模型的發(fā)展方向。雖然分布式水文模型可以量化喀斯特地下含水層的空間補(bǔ)給特征，但是，其對地形、地貌、地質(zhì)、植被、土壤、氣象等基本要素資料的要求比較嚴(yán)格，這在缺乏實(shí)測資料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水力參數(shù)空間異質(zhì)性強(qiáng)的喀斯特小流域中應(yīng)用比較困難[19-20]。因此，建立能反映水文過程與植被互饋機(jī)制的水文模型，有助于量化地下含水層空間結(jié)構(gòu)，為深入評(píng)估人類活動(dòng)和氣候變化對流域植被變化的生態(tài)水文效應(yīng)提供科技支撐。

2.2 土壤侵蝕特征與定量評(píng)估

喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究起步較晚，國外始于20世紀(jì)20年代，而我國始于20世紀(jì)60年代，但比較大范圍的研究從20世紀(jì)80年代才開始[21]。受地表覆蓋、土壤-巖石空間分布、表層巖溶帶結(jié)構(gòu)、地表-地下網(wǎng)絡(luò)通道水文連通性等因素的綜合影響，不同地貌類型區(qū)坡地地表侵蝕產(chǎn)沙存在一定的差異。通過徑流小區(qū)、侵蝕劃線或核素示蹤等手段獲得喀斯特坡面年均地表土壤侵蝕模數(shù)大部分比較微弱(＜50 t·km-2·a-1)，但耕作、放牧、砍伐等人為干擾可加劇地表土壤侵蝕[5]。這些研究支撐了水利部將西南喀斯特地區(qū)土壤容許流失量標(biāo)準(zhǔn)從500 t·km-2·a-1降低到了50 t·km-2·a-1。當(dāng)然，除地表雨滴濺蝕和徑流侵蝕外，還存在多種形式的水土地下漏失[3,22-24](圖3)。通過野外監(jiān)測、核素示蹤和地下河泥沙監(jiān)測等技術(shù)，對地下地表土壤流失比例、地下土壤流失量取得了初步認(rèn)識(shí)，但是研究結(jié)果不一。有的認(rèn)為土壤侵蝕以地下漏失為主，也有的則認(rèn)為以地表侵蝕為主。由于喀斯特裂隙結(jié)構(gòu)的地下隱蔽性、復(fù)雜性和高度異質(zhì)性，水土漏失表現(xiàn)出極強(qiáng)的時(shí)空異質(zhì)性、非線性和尺度依賴性，亟需研發(fā)土壤地下流失的監(jiān)測手段和技術(shù)，以深入揭示土壤地下流失的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律[5]。

圖3 西南喀斯特山地坡面水土二元流失途徑

隨著野外定位觀測、核素示蹤、與遙感和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合等各種研究技術(shù)和方法的應(yīng)用以及對土壤侵蝕過程和機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，各國學(xué)者嘗試建立適用于喀斯特地區(qū)或者改進(jìn)已在非喀斯特區(qū)成功應(yīng)用的土壤侵蝕模型。已在我國西南喀斯特地區(qū)使用的土壤侵蝕模型有USLE/RUSLE、RMMF、WEPP及SWAT等。其中，USLE/RUSLE是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，所需參數(shù)少，在喀斯特地區(qū)應(yīng)用較多。但是，由于相關(guān)基礎(chǔ)研究薄弱，且缺乏野外試驗(yàn)的支持，部分參數(shù)無法直接獲取，多使用經(jīng)驗(yàn)公式換算或借鑒其他類型區(qū)，模擬結(jié)果具有較大的不確定性。已有侵蝕模型大多建立在地表徑流沖刷的前提下，因此在地表產(chǎn)流產(chǎn)沙少的西南喀斯特地區(qū)應(yīng)用時(shí)都需要進(jìn)行參數(shù)修正或校正，以與實(shí)測結(jié)果相對一致[25-27]。

3 植被恢復(fù)現(xiàn)狀與對策

生境的高度異質(zhì)性是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)最重要的特征，也是形成西南喀斯特地區(qū)豐富的植物物種多樣性和特色種質(zhì)資源的主要原因。然而，受地質(zhì)背景和特殊的二元三維空間結(jié)構(gòu)的制約，西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被具有石生、旱生、喜鈣等特性，一旦因人為干擾破壞，極易導(dǎo)致石漠化，對應(yīng)著地表植被的急劇退化和植物生長環(huán)境的根本性改變。通過實(shí)施石漠化綜合治理、生態(tài)移民、退耕還林還草等一系列生態(tài)工程，西南喀斯特區(qū)域石漠化整體擴(kuò)展趨勢得到有效遏制，植被恢復(fù)成效顯著。國土資源部最新石漠化遙感調(diào)查表明，石漠化總面積由2000年的11.35 萬km2、2005年的12.96萬km2減少為2015年的9.2萬km2，經(jīng)歷了增長和逐步改善兩個(gè)階段[4]。21世紀(jì)以來，石漠化面積減少的主要原因是國家利用多種資源，聯(lián)合各方面力量，大力實(shí)施了石漠化綜合治理工程，其減少程度主要與植被修復(fù)工程力度、植被恢復(fù)的喀斯特地貌條件、水資源利用和區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān)。

目前西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋率提升明顯，但部分區(qū)域還存在不同類型區(qū)植被恢復(fù)難易程度不一、因植被結(jié)構(gòu)單一導(dǎo)致的植被恢復(fù)可持續(xù)性不強(qiáng)和生態(tài)功能弱等問題，亟需依照植物生長環(huán)境條件的差異，分區(qū)研究植物環(huán)境適應(yīng)機(jī)制以及植物群落穩(wěn)定性和物種多樣性維持機(jī)制。比較成熟的植被恢復(fù)模式都注重在提高植被覆蓋率和治理石漠化的同時(shí)，著力解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生存和發(fā)展問題(圖4)。因此，將植被恢復(fù)與生態(tài)治理和惠民增收有機(jī)結(jié)合，通過實(shí)施退耕還林還草、封山育林、“自然+人工誘導(dǎo)”恢復(fù)等措施，因地制宜，研發(fā)退化植被近自然改造、高值功能型植物的篩選與定向培育、人工植被復(fù)合經(jīng)營與高效利用、立體高效循環(huán)特色生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育等技術(shù)，加快自然和人工植被恢復(fù)速率，提升植被恢復(fù)可持續(xù)性，發(fā)揮植被的碳固定、水土保持和水源涵養(yǎng)功能，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)治理與脫貧致富雙贏，促進(jìn)西南喀斯特區(qū)域生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

圖4 廣西環(huán)江縣古周示范區(qū)治理前(左)后(右)對比

4 結(jié)論與討論

西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾突出，地表缺水少土、生境異質(zhì)性高，具有環(huán)境容量小、抗干擾能力弱、穩(wěn)定性低、自我調(diào)節(jié)能力差等特征，是我國生態(tài)治理和扶貧攻堅(jiān)的重點(diǎn)和難點(diǎn)地區(qū)。由于地表-地下二元三維空間結(jié)構(gòu)高度發(fā)育，土層淺薄且?guī)r石滲漏性強(qiáng)，加上地表土被空間分布的不連續(xù)和高異質(zhì)性，以及地下各形態(tài)喀斯特溶蝕系統(tǒng)的隱蔽和復(fù)雜性，西南喀斯特地區(qū)水文過程十分復(fù)雜，多界面產(chǎn)流且以地下過程為主。在這一特殊的水文過程驅(qū)動(dòng)下，該區(qū)土壤侵蝕疊加了化學(xué)溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕的耦合作用，呈現(xiàn)地面流失和地下漏失的混合侵蝕機(jī)制。因此，石漠化綜合治理要考慮植被對地表、地下水文過程的調(diào)節(jié)作用和對土壤侵蝕的防控作用，充分發(fā)揮植被的水土保持功能和水源涵養(yǎng)功能。在石漠化治理已進(jìn)入從前期有效遏制轉(zhuǎn)到深入推進(jìn)的轉(zhuǎn)型階段，區(qū)域貧困、人地矛盾等間接驅(qū)動(dòng)因素依然存在，迫切需要寓經(jīng)濟(jì)發(fā)展于生態(tài)治理之中。今后應(yīng)在加強(qiáng)石漠化演變規(guī)律及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子、喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)與功能變化、植被與水文過程相互作用等基礎(chǔ)研究的同時(shí)，因地制宜，避免大規(guī)模高強(qiáng)度人工種植，將植被恢復(fù)與生態(tài)服務(wù)提升和民生改善有機(jī)結(jié)合，突破植被復(fù)合經(jīng)營與高效利用技術(shù)，積極培育和發(fā)展與生態(tài)治理方向相適應(yīng)的生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)西南喀斯特區(qū)域扶貧開發(fā)與生態(tài)環(huán)境治理的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)生態(tài)治理與脫貧致富雙贏，促進(jìn)該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展及西南生態(tài)安全屏障建設(shè)。

(2017年12月29日收稿)

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