王克林 陳洪松 曾馥平 岳躍民 張 偉 付智勇
中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站 長沙 410125
我國西南喀斯特地區(qū)既是全球碳酸鹽巖集中分布區(qū)面積最大(54 萬平方公里)、巖溶發(fā)育最強烈、人地矛盾最尖銳的地區(qū),也是景觀類型復雜、生物多樣性豐富、生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱的地區(qū)。地處長江、珠江上游生態(tài)安全屏障區(qū),西南喀斯特地區(qū)也是我國最大面積的連片貧困區(qū)域(據(jù) 2014 年國家公布的 592 個貧困縣中有 246 個分布在西南喀斯特地區(qū)),占全國貧困縣總數(shù)的 42%)。受地質(zhì)背景制約,喀斯特區(qū)域成土速率慢,地表土層淺薄且分布不連續(xù);獨特的地表-地下二元水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)導致水文過程變化迅速,水土資源空間分布不匹配;植被具有喜鈣、耐旱、石生的特性,高強度人類活動導致植被破壞后較難恢復,水土流失加劇,以石漠化為特征的土地退化嚴重[1,2]。
為有效治理喀斯特生態(tài)環(huán)境,國家先后在喀斯特地區(qū)實施了天然林保護、退耕還林、石漠化綜合治理、坡耕地水土流失治理、異地扶貧開發(fā)、珠江防護林等一系列生態(tài)建設(shè)工程,特別是國務(wù)院 2008 年批復了《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱(2006—2015 年)》,2012 年又批復了《滇黔桂石漠化片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅規(guī)劃(2011—2020 年)》,進一步加快了石漠化治理步伐。據(jù)國家林業(yè)局 2012 年發(fā)布的第二次石漠化監(jiān)測公報顯示,我國土地石漠化整體擴展的趨勢已得到初步遏制,由過去持續(xù)增加轉(zhuǎn)為“凈減少”,但石漠化防治形勢依然嚴峻。中共中央、國務(wù)院《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》明確指出“繼續(xù)推進石漠化綜合治理”,國家“十三五”規(guī)劃綱要也明確提出“提升西部生態(tài)安全屏障功能、推進石漠化區(qū)域綜合治理”。中科院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(以下簡稱“環(huán)江站”)作為國家野外科學觀測研究站,近 20 年的長期野外觀測研究為喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理與區(qū)域脫貧提供了重要科技支撐。
大型徑流小區(qū)定位監(jiān)測表明,坡面地表產(chǎn)流少(徑流系數(shù) <5%),主要受控于土壤-巖石空間分布[3]。通過開挖大型斷面(深 4 m),基于模擬降雨(40—120 mm/h),進一步證實坡面水文過程以地下水文過程(包括土壤-巖石界面壤中流、表層巖溶帶蓄水、深層滲漏)為主(占降雨 70% 左右,圖 1)。坡面地表徑流僅在降雨強度高時出現(xiàn)且產(chǎn)流量少(2%—15%),起始產(chǎn)流時間與壤中流基本一致,地表產(chǎn)流表現(xiàn)為蓄滿產(chǎn)流機制,而壤中流具有優(yōu)先流的特點;表層巖溶帶具有很強的水文調(diào)蓄功能,其變化幅度主要受控于表層巖溶帶結(jié)構(gòu)和前期含水量,而受降雨強度的影響較小[4,5]。結(jié)合探地雷達探測,發(fā)現(xiàn)“土壤-表層巖溶帶”展現(xiàn)出由植物根系-土壤填充物-巖溶裂隙管道-碳酸鹽巖基質(zhì)共同耦合交織的復雜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征,并初步揭示了填充裂隙的生態(tài)水文功能取決于土壤(或填充物)的性質(zhì)及其剖面分層特征;填充裂隙可為旱季植物提供部分水源,但并非都是水文-侵蝕過程快速通道[6,7]。
圖 1 不同起始邊界條件下喀斯特坡面土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)水量平衡
在地表地下水系比較封閉的喀斯特小流域,發(fā)現(xiàn)洼地土壤層發(fā)揮阻滯和平緩下伏巖石帶補給地下水過程的主要作用;表層巖溶帶具有較高的水分蓄持能力和對快速水文過程的延緩功能,在小流域水循環(huán)中扮演著過渡帶和緩沖帶的角色[8,9]。通過對小流域出口流量的監(jiān)測與模擬,評估了改進的 Maillet、Mangin、Boussinesq 三種模型的適用性,并利用衰減系數(shù)估算了含水層不同介質(zhì)的有效孔隙度及儲水能力,發(fā)現(xiàn)將含水介質(zhì)分為管道、裂隙、基質(zhì)的改進的 Maillet 模型對小流域出口流量擬合精度最高,可用于小流域水文過程模擬。小流域水文過程迅速,含水層在衰減初期的 20 h 內(nèi)排出約 60% 的水量;管道系統(tǒng)雖然發(fā)育程度不高,但連通性好,仍然是重要的排水介質(zhì)(排水量占 25%)[10]。對于地表和地下水系相對開放且坡面垂向裂隙發(fā)育的石灰?guī)r小流域,利用 LSSVM 支持向量機、BP-ANN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)空間模型對表層巖溶泉泉水流量進行模擬,發(fā)現(xiàn)采用降雨量和相對濕度的狀態(tài)空間方程模擬精度最高[11]。
基于坡面大型徑流小區(qū)定位觀測與峰叢洼地小流域同位素估算,發(fā)現(xiàn)喀斯特坡面地表土壤侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)以微度(<50 t/(km2·a))為主,但人為干擾會增加地表侵蝕產(chǎn)沙量(100—300 t/(km2·a) ),并顯著降低土壤養(yǎng)分含量[3,12-14]。通過分析銫同位素(137Cs)及土壤有機碳在喀斯特裂隙中的剖面分布特征,證實了巖石裸露率高的耕地土壤顆粒隨降雨沿地表負地形有呈向地下流失的趨勢,但地下漏失主要發(fā)生在與地下河聯(lián)通的落水洞或管道中[15]。研究結(jié)果為西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕強度分級標準和水土流失綜合治理方案的制定提供了重要參考依據(jù)。并通過修正模型關(guān)鍵算法,提升了傳統(tǒng)基于地表徑流沖刷的土壤侵蝕模型(RMMF 和 RUSLE)在喀斯特峰叢洼地小流域水土流失過程模擬的適用性(與137Cs 定量轉(zhuǎn)換模型結(jié)果非常接近)[13,14],進而推廣到喀斯特縣域水土保持功能評估并取得很好效果[16]。定量評估了西南喀斯特區(qū)大壩有效調(diào)控面積對其流域攔沙功效的影響,發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)大壩有效控制面積比例越大,減沙速率越強,呈現(xiàn)正對數(shù)關(guān)系[17];同時發(fā)展了基于自相關(guān)理論的狀態(tài)空間模型對不同喀斯特流域的月輸沙量進行預測,解決了“地表-地下”雙層空間開放水文系統(tǒng)喀斯特流域月尺度輸沙量變異性大且不易預測的難題[18]。
喀斯特生態(tài)系統(tǒng)受地質(zhì)背景制約,高強度人為干擾是我國喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因。目前,我國大部分喀斯特地區(qū)的植被為次生的矮林和灌草叢,甚至退化為石漠化山地[19,20]。研究發(fā)現(xiàn),人為干擾是坡面和小流域尺度喀斯特土壤養(yǎng)分和水分格局存在特殊的“空間倒置”現(xiàn)象的主要原因,未受人類擾動影響的原生林生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分和水分則表現(xiàn)出與非喀斯特地區(qū)相似的“洼積效應(yīng)”(圖 2)[21,22]。區(qū)域尺度上,進一步發(fā)現(xiàn)了景觀格局隨人為干擾強度變化也呈現(xiàn)出顯著的梯度分異特征[23]。人為干擾導致的植被破壞影響了喀斯特土壤-植被系統(tǒng)的物質(zhì)、能量平衡,誘發(fā)了土壤-植被系統(tǒng)的逆向演變,導致水土流失加劇,灌叢被人為開墾為耕地后,喀斯特石灰土表層有機碳更易流失,也加劇了地表侵蝕產(chǎn)沙量及土壤的垂直漏失[24-26]。同時,人為干擾造成了喀斯特植被群落結(jié)構(gòu)和凋落物歸還質(zhì)量的變化,有機質(zhì)凈礦化速率升高,增加了土壤養(yǎng)分的流失風險[27]。對微生物而言,人為干擾造成了土壤微生物利用底物和微生境的改變,使生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物熵和脲酶活性增強,土壤中變形菌急劇減少;同時造成了氨氧化菌和纖維素分解菌豐度增加,固氮菌豐度減少,不利于土壤碳氮固持[24]。
圖 2 喀斯特特殊侵蝕過程導致土壤養(yǎng)分的 空間倒置
基于退耕演替序列(包括耕地、草叢、灌叢、次生林和原生林,其中耕地和原生林作為對照樣地)研究了喀斯特土壤總氮(N)的累積及影響因素,發(fā)現(xiàn)退耕后表層土壤總氮較快累積,0—15 cm 土層總氮累積速率約為12.4 g N·m-2·yr-1,經(jīng)過 70 年左右可接近原生林水平[28]?;谥参锶郝淙~片 N/P 比及土壤比均表明草叢階段受氮限制,但恢復中后期(灌叢、次生林與原生林)氮循環(huán)過程逐漸開放,受磷(P)限制[28,29]。探討了演替過程中生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制的消減機制,發(fā)現(xiàn)先鋒灌木和喬木通過草酸分泌激發(fā)微生物和 NAG 酶活性,進而促進土壤氮循環(huán)及氮有效性、消減氮素障礙[30]。同時,發(fā)現(xiàn)喀斯特森林土壤的初級氮礦化、初級硝化、硝態(tài)氮異化還原為銨態(tài)氮(DNRA)和硝態(tài)氮固持速率均顯著高于非喀斯特森林,且喀斯特森林土壤的初級硝化速率(GN)與銨態(tài)氮固持速率(GAI)的比值遠高于 1,但非喀斯特森林土壤 GN/GAI 比值與 1 無顯著差異,進一步說明喀斯特森林土壤不受氮限制,但相鄰的非喀斯特森林土壤則受氮限制[31]。在區(qū)域尺度上研究發(fā)現(xiàn)退耕后土壤總氮的快速累積,也相應(yīng)促進了土壤有機碳的快速累積,退耕后0—15 cm 土層有機碳的累積速率約為 138 gC·m-2·yr-1[32]。退耕后喀斯特土壤有機碳與總氮快速累積也在區(qū)域尺度上得到了驗證[33]。上述研究意味著西南喀斯特山區(qū)退耕后生態(tài)恢復中后期可能較少受氮限制,氮供應(yīng)可保障生態(tài)恢復工程的固碳效應(yīng)。
針對喀斯特地區(qū)水分蓄持環(huán)境的特殊性,改進了利用穩(wěn)定同位素技術(shù)判定植物水分來源的研究方法,發(fā)現(xiàn)典型喀斯特生境優(yōu)勢植物種對不同類型水源的利用比例存在明顯差異,穩(wěn)定的深層巖溶水是維持旱季植物水分消耗的關(guān)鍵[34,35]。以植物水分來源的結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合穩(wěn)定性碳同位素技術(shù),發(fā)現(xiàn)以近期雨水為主要水源的植物對應(yīng)著“投機性”的水分利用策略,而依賴深層巖溶水的植物對應(yīng)著相對保守的水分利用策略[36,37]。基于野外原位全根系挖掘的方法,發(fā)現(xiàn)不同生活型廣布植物種大多以淺根系為主要特征,大根幅或高根系密度是這類植物充分利用有限土壤水的關(guān)鍵[38]。結(jié)合針對幼苗根系生長策略的盆栽試驗,進一步證實喀斯特地區(qū)適生植物種并不總是以根系深扎或高水分利用效率為主要特征,植物水分適應(yīng)機制呈現(xiàn)多樣化特征,與不同植物對水分環(huán)境變化的響應(yīng)特征密切相關(guān)[39]。
探討了巖溶發(fā)育與生態(tài)恢復重建過程中養(yǎng)分循環(huán)演變的微生物作用機制,揭示了喀斯特土壤微生物的特殊性,如球囊霉屬和慢生根瘤菌屬分別是該區(qū)土壤叢枝真菌和固氮菌的優(yōu)勢類群,巖性顯著影響土壤叢枝真菌和固氮菌群落組成與結(jié)構(gòu)[40,41];并發(fā)現(xiàn)隨著植被的正向演替,盡管土壤微生物多樣性沒有顯著變化,但群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,微生物量增加,碳代謝的多樣性增加,且原生林固氮根瘤菌數(shù)目明顯增加,土壤氨氧化細菌多樣性也發(fā)生顯著變化[42,43]。同時,生態(tài)恢復明顯提高了土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜性,表現(xiàn)為大體型土壤線蟲的相對多度的增加和土壤線蟲體型分布圖譜相關(guān)曲線斜率的增加[44],人工添加豆科植物可能通過影響微生物群落組成對土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生積極作用,豆科植物能夠明顯提高濕季土壤微生物總量、細菌生物量和真菌生物量,豆科植物添加對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)的維持和提升具有明顯的促進作用[45]。
研發(fā)了喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性修復技術(shù)與模式,主要包括表層巖溶水生態(tài)調(diào)蓄與高效調(diào)配利用技術(shù)、洼地防治技術(shù)、雨水開發(fā)利用技術(shù)、土壤流失/漏失阻控技術(shù)、牧草耐澇栽培與生產(chǎn)力維持技術(shù)、耐旱植被群落優(yōu)化配置技術(shù)等適應(yīng)性修復技術(shù)體系[46]。將景觀格局變化與喀斯特關(guān)鍵水土過程相結(jié)合,開展了喀斯特峰叢洼地適應(yīng)性景觀生態(tài)設(shè)計,提出了喀斯特地區(qū)替代型草食畜牧業(yè)發(fā)展模式和特色生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育方向,被國家發(fā)改委作為喀斯特山區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的典型案例和石漠化治理的典型樣板,并開展了試驗示范與推廣應(yīng)用,取得了顯著的社會生態(tài)與經(jīng)濟效益(圖3),并產(chǎn)生了重要的社會影響。中央電視臺“走近科學”欄目(《石頭山上的新綠》)、《光明日報》(頭版,《廣西環(huán)江:從石漠化到世外桃源》)、《中國科學報》(《喀斯特發(fā)展的教科書》)以及中國新聞社與《人民日報》《經(jīng)濟日報》《文匯報》《科技日報》等相繼報道了環(huán)江站在喀斯特生態(tài)環(huán)境治理方面的研究成果。
圖 3 環(huán)江站古周石漠化治理示范區(qū)(a)生態(tài)恢復與重建前;(b)生態(tài)恢復與重建前后
環(huán)江站圍繞黨中央提出的“精準扶貧”戰(zhàn)略,結(jié)合《滇桂黔石漠化片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅規(guī)劃(2011—2020 年)》和扶貧生態(tài)移民工程的國家重大需求,針對西南集中連片特困地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、人地矛盾突出、產(chǎn)業(yè)缺乏及經(jīng)濟落后等問題,在廣西環(huán)江毛南族自治縣探索了“綠色生態(tài)扶貧”和“特色產(chǎn)業(yè)扶貧”新理念,引進新技術(shù) 22 項、新品種 47 個,示范區(qū)面積由 4 000 畝擴大至 58 000 畝,培訓農(nóng)民 8 400 人次,每個移民掌握 2—3 項技術(shù),并對環(huán)境移民產(chǎn)生的原因及其對社會、經(jīng)濟、環(huán)境的影響進了研究,提出了適度的移民環(huán)境容量與合理的安置模式,為廣西壯族自治區(qū)開展大規(guī)模的異地扶貧和規(guī)劃安置 40 萬人提供了決策依據(jù)和示范樣板,也為環(huán)江開展異地扶貧工作提供了技術(shù)支撐。特別是自 2013 年以來,為打通精準扶貧的“最后一公里”,在全縣積極探索“有土安置”“無土安置”及雙軌并行的“雙土安置”模式,采取“公司+基地+合作社+農(nóng)戶”模式,大力發(fā)展市場前景看好的豆腐、核桃、紅心香柚等產(chǎn)業(yè),為廣西“整鄉(xiāng)推進”脫貧提供了良好的示范樣板。同時,研發(fā)了退化植被近自然改造、生態(tài)高值功能植物種類篩選與定向培育、人工植被復合經(jīng)營與高效利用、立體高效生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育等技術(shù),建立了標準化精準試驗示范基地,開發(fā)了具有綠色、環(huán)保、健康等特點且市場前景廣闊的特色植被復合經(jīng)營產(chǎn)品,培育了經(jīng)濟林果、中藥材種植加工和畜禽養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè),構(gòu)建了喀斯特山區(qū)環(huán)境移民-異地扶貧、植被復合經(jīng)營和特色生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育等科技扶貧體系,為西南生態(tài)脆弱區(qū)的精準扶貧提供了技術(shù)支撐和模式樣板[47]。
作為長江、珠江上游生態(tài)安全屏障區(qū),西南喀斯特地區(qū)對維護國家生態(tài)安全具有重要的生態(tài)功能意義。依托長期樣地定位觀測與區(qū)域遙感監(jiān)測,定量評估了喀斯特地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能價值,揭示了生態(tài)治理措施提高了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),提升了喀斯特水土保持服務(wù)及碳固定功能,顯著改善了農(nóng)民生計的多樣性[41,48-50],并闡明了不同喀斯特地貌類型區(qū)生態(tài)工程成效的區(qū)域差異[51]。隨著生態(tài)工程的實施,喀斯特石漠化地區(qū)植被景觀格局恢復演變特征明顯,植被斑塊數(shù)減少、斑塊連通性和聚集度增加,生態(tài)工程的實施促進了喀斯特地區(qū)植被的正向演替和土壤碳氮養(yǎng)分固定[41,52],并進一步甄別了氣候變化和人類活動對喀斯特地區(qū)植被恢復的相對影響,發(fā)現(xiàn)近30年來氣候變化對喀斯特地區(qū)植被恢復的影響有限,植被恢復主要分布在生態(tài)工程實施面積較大的區(qū)域[51]。發(fā)展了大區(qū)域尺度生態(tài)工程成效識別與厘定的綜合集成方法,首次證實了大規(guī)模生態(tài)保護與建設(shè)工程的投入顯著改善了區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)屬性;不利氣候條件下,生態(tài)工程的實施降低了土地退化的風險,提高了區(qū)域尺度植被覆蓋和碳固定,減緩了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)的敏感性(圖 4)[53];該研究成果也被 Nature 刊發(fā)專門文章詳細評述[54]。
圖4 西南喀斯特區(qū)域生態(tài)評估的相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Sustainability
利用不同恢復階段喀斯特植被生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化特征,闡明了環(huán)境與植被的協(xié)同演變規(guī)律,揭示了喀斯特森林格局的形成與維持機制,探討了植被對喀斯特高度異質(zhì)性生境的適應(yīng)機制,發(fā)展了適應(yīng)于不同環(huán)境特點和石漠化階段的喀斯特植被群落優(yōu)化配置模式[20]。提出喀斯特地區(qū)生態(tài)保護與建設(shè)工程的實施不能單方面追求植被覆蓋(“綠度”)的增加,而是要權(quán)衡不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,提升單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[46]。上述研究極大提升了環(huán)江喀斯特的科學與保護價值,有力支撐了環(huán)江喀斯特成功入選世界自然遺產(chǎn)地(圖5)及環(huán)江縣列入國家重點生態(tài)功能區(qū)和獲批國家石漠公園建設(shè),相關(guān)研究結(jié)果也被國家林業(yè)局第三次石漠化監(jiān)測報告所采用,為國家重大生態(tài)工程效益評價提供了科學依據(jù)。
近20年來,環(huán)江站面向我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與科技扶貧的重大需求,圍繞喀斯特生態(tài)系統(tǒng)格局-過程-服務(wù)變化研究,系統(tǒng)開展了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)長期野外觀測、試驗與示范研究,闡明了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化機制,揭示了人為干擾對喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的影響及其作用機理,研發(fā)了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性修復技術(shù)與模式,構(gòu)建了喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)科技扶貧模式,提出了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化調(diào)控的理論與技術(shù)體系,引領(lǐng)了我國喀斯特生態(tài)學研究,已成為我國喀斯特石漠化治理、水土流失防治與區(qū)域科技扶貧研究的主要平臺與技術(shù)依托單位。當前,我國喀斯特地區(qū)石漠化治理已從前期有效遏制轉(zhuǎn)到深入推進的治理轉(zhuǎn)型階段,扶貧開發(fā)也到了攻克最后堡壘的階段。新形勢下,亟須構(gòu)建轉(zhuǎn)型期喀斯特地區(qū)人與自然和諧的新依從關(guān)系,環(huán)江站將繼續(xù)為我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)以及區(qū)域扶貧提供基礎(chǔ)理論與技術(shù)支撐。在中科院、科技部、國家自然科學基金委以及廣西壯族自治區(qū)政府支持下,因為有以環(huán)江站為代表的長期野外觀測研究與示范的努力和參與,“山清水秀生態(tài)美”將成為西南喀斯特區(qū)域的美麗名片。
圖5 廣西環(huán)江喀斯特世界自然遺產(chǎn)地
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