氣候變化及人為活動驅(qū)動下的西南喀斯特生態(tài)水文研究評述

劉梅先 ，徐憲立 *

（1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 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）

喀斯特在全球廣泛分布，約占陸地總面積的12%，供應(yīng)了世界上約1/4人口的水源[1]，在社會經(jīng)濟發(fā)展、自然資源和生態(tài)環(huán)保中占有重要地位。由于特殊的地質(zhì)、地形和地貌形態(tài)，喀斯特地表持水能力弱，呈現(xiàn)“山（地）高水低”、“石多土少”、“土薄易旱”等特點，水資源利用相對困難。我國是世界上喀斯特面積最大、分布最廣的國家之一，其中西南喀斯特連片分布區(qū)面積達54萬km2。限于人口壓力以及認識的不足，以往過度且不合理的開發(fā)利用，加劇了當?shù)厮亮魇В沟么竺娣e地表呈現(xiàn)基巖裸露的石漠化景觀[2]，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。為遏制喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，國家先后投入巨資，并同時整合國家相關(guān)部門及地方政府的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境治理項目與資金，推進石漠化綜合整治，實施了退耕還林、天然林保護、生態(tài)扶貧、石漠化綜合治理等一系列生態(tài)建設(shè)工程，已然卓有成效。然而，地表水分虧缺依然是喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的主要因素，也是限制農(nóng)業(yè)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙因子。

生態(tài)水文循環(huán)是地球生物物理化學(xué)循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵過程如產(chǎn)流、入滲、蒸發(fā)、污染物遷移轉(zhuǎn)化、泥沙形成與輸送等，密切關(guān)系到水分分配和水資源質(zhì)量，影響到水資源和生態(tài)環(huán)境安全問題，一直以來備受關(guān)注[3-6]。尤其在全球氣候變暖和人口激增的普遍背景下，人們對氣候變化和人為活動協(xié)同驅(qū)動下的生態(tài)水文問題關(guān)注持續(xù)增強，喀斯特地區(qū)也不例外[7-8]。目前圍繞喀斯特生態(tài)水文的研究，涉及了包括水文地球化學(xué)[9-10]、坡面水文過程[11]、植被水分來源[12]與耗散特征[13-15]、喀斯特水文模擬[1,16]等多個方面。這些研究從尺度上可以概括為中微觀尺度機理（植株、坡面過程）、宏觀尺度（流域、區(qū)域）表現(xiàn)和生態(tài)水文模型構(gòu)建與應(yīng)用幾個方面。以下主要結(jié)合本研究組近5年的相關(guān)成果，從這幾個尺度來簡述國內(nèi)外的主要研究進展與發(fā)展趨勢。

1 喀斯特生態(tài)水文過程與機理

中微觀尺度生態(tài)水文過程是形成宏觀生態(tài)水文表現(xiàn)的基礎(chǔ)。中微觀尺度上的現(xiàn)象以及觀測，是闡明生態(tài)水文過程基本規(guī)律及機制、理清宏觀尺度生態(tài)水文過程的基礎(chǔ)手段。從根本上講，喀斯特生態(tài)水文過程及其機理與非喀斯特地區(qū)是一致的，如植被根系生長改變土壤水文性質(zhì)[17-19]，不同冠層結(jié)構(gòu)、需水耗散特征等改變降雨分配（如冠層截留）[20]、地表蒸發(fā)等過程[21]，從而改變喀斯特坡地水文過程，影響地表和地下徑流形成、土壤水分變化和分布[22-24]等。但是，喀斯特地表介質(zhì)巨大的空間異質(zhì)性從很大程度上決定了喀斯特地區(qū)生態(tài)水文過程與非喀斯特地區(qū)存在明顯差別。通常來講，發(fā)育良好的喀斯特地表介質(zhì)包括地表土壤、表層巖溶帶和深層徑流帶（地下河網(wǎng)）三種形式[25]。淺薄且滲透速率高的土層以及大量地下裂隙、管道的存在，使得喀斯特地區(qū)水文過程、水文—水質(zhì)（溶質(zhì)、顆粒物等）耦合過程、植被耗水過程等，均與非喀斯特地區(qū)有所不同。如喀斯特地表徑流遠低于其他地區(qū)[26-27]，而地下徑流是徑流形成的重要組成部分[11,28-29]。喀斯特地區(qū)生態(tài)水文過程與其他地區(qū)最主要的差別，可能首先體現(xiàn)在地下快速滲漏過程[15,29]。如研究組基于模擬降雨（40～120 mm/h）的結(jié)果表明，西南喀斯特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）[29]。然而，由于喀斯特地表的復(fù)雜性，地下水文路徑不明，在坡面尺度上直接無創(chuàng)觀測地下滲漏過程目前還難以實現(xiàn)。

同時，復(fù)雜的地表介質(zhì)也決定了喀斯特地區(qū)植被水分吸收消耗的復(fù)雜性。由于土壤淺薄、儲水能力低，喀斯特地表土壤水往往無法滿足植物正常的生長需求。為獲取足夠的水分，深根植物根系會扎入表層巖溶帶裂隙中吸收其儲存的水分[30]。因此，喀斯特植物水分來源是表層巖溶帶裂隙水和土壤水的動態(tài)組合（當然其最初來源于大氣降水），植物對不同介質(zhì)中水分的吸收取決于植物水分需求和介質(zhì)水分含量的狀態(tài)。但是，受到喀斯特地表復(fù)雜性以及觀測手段的制約，目前對這兩者的認識仍然有限。以喀斯特地區(qū)蒸散發(fā)為例，目前的研究有三個特點。第一，成果總體偏少；第二，主要偏重在宏觀（景觀）尺度和植株個體尺度，其測定主要采用的是不（甚）依賴于地形的渦度相關(guān)法[13]和熱擴散液流探針法[14-15]等；第三，在植株尺度上，主要考慮了較大的喬、灌木，較少涉及矮小植物（如草本等）。但是，矮小植物是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是我國西南喀斯特區(qū)農(nóng)、牧業(yè)的主要體現(xiàn)形式。

為觀測復(fù)雜地表條件下矮小植被蒸散發(fā)，基于通量守恒原理設(shè)計了一款具有較高精度的風室蒸散觀測裝置（圖1）[31]?；谠撚^測裝置并結(jié)合TDP探針，研究了喀斯特地區(qū)不同農(nóng)林系統(tǒng)的耗水規(guī)律與控制機制，發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)林系統(tǒng)蒸散發(fā)的控制因子有所差異，其中耕地系統(tǒng)和草地系統(tǒng)的主控因素是氣溫，而林草混合系統(tǒng)的控制因素則是葉面積指數(shù)。同時，蒸散與氣象因子之間存在明顯的滯后現(xiàn)象，其滯后時間呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征并取決于氣溫、相對濕度和飽和水汽壓差等的變化速率。更為重要的是，幾種典型人工生態(tài)系統(tǒng)（大豆玉米輪作、牧草和任豆牧草）對土壤水分基本不敏感，說明正常情況下土壤水分可能不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的控制性因素[32-33]。而基于氫氧同位素方法的研究也指出，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]。

圖1 風室蒸散觀測裝置示意圖（a）、對比效果（b）和野外實物（c）（引自：劉梅先等[31]）Fig. 1 Schematic diagram of the ET chamber (a), comparison results between the chamber and weighting method,and installation of the chamber in field (c)

2 喀斯特流域生態(tài)水文

區(qū)域（流域）尺度上的生態(tài)水文，多基于遙感、生態(tài)水文模型的手段來進行。在嚴峻的氣候變化和人為干擾背景下，人們更加注重氣候變化和人為活動（調(diào)蓄，大壩建設(shè)、農(nóng)林業(yè)活動等）的生態(tài)水文效應(yīng)。

由于實際記錄所示的“極端氣候事件發(fā)生頻度和強度增強”和以往文獻中所得出“西南地區(qū)氣候變化不顯著”的矛盾，研究組首先探討了西南地區(qū)氣候變化情勢，并基于概率模型和聯(lián)合概率模型（copula）引入（聯(lián)合）風險的概念，明確了氣候極值風險和變化趨勢之間的差異，證實西南地區(qū)（廣西、貴州、云南）年降水量逐漸下降但極端降水事件逐漸增強的事實[36]，并發(fā)現(xiàn)大雨量、暴雨天數(shù)和暴雨量等極端降雨因子控制了喀斯特流域的徑流量[37]。隨后進一步發(fā)現(xiàn)，雖然當?shù)貥O端降水事件變化具有明顯的空間差異，但受到大尺度天氣系統(tǒng)變化的影響，其空間差異正逐漸降低，而局地因素的影響力正逐漸下降[38-39]。同時，降雨是影響西南喀斯特流域蒸發(fā)的重要因素。研究表明，相對于非喀斯特流域而言，喀斯特流域蒸發(fā)對降雨變化的敏感性較大，并指出在過往的氣候變化條件下，喀斯特流域生態(tài)系統(tǒng)可能受到更大的退化壓力[40]。與徑流和蒸散發(fā)不同的是，喀斯特流域泥沙主要受到人類活動的控制。研究發(fā)現(xiàn)，西南喀斯特地區(qū)流域泥沙量呈現(xiàn)顯著下降趨勢，而這種減沙速率與流域大壩有效控制面積比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系[41]。

除水量水質(zhì)以外，氣候變化和人為活動的影響還表現(xiàn)在地表干濕條件方面。例如生態(tài)恢復(fù)可以從多個層次上影響降雨—徑流以及土壤—植被—大氣連續(xù)體內(nèi)的水分交換過程，它導(dǎo)致水分消耗和水分截留的變化（蓄水和耗水平衡關(guān)系），會進一步改變當?shù)氐母蓾駰l件。而相對于徑流而言，地表干濕條件與植被生長和生態(tài)系統(tǒng)安全可能有著更加直接的聯(lián)系。針對此，構(gòu)建了一個地表干濕度模型，基于不同的參數(shù)可以甄別人為活動和氣候變化對流域干濕度的相對影響。同時發(fā)現(xiàn)，在水分限制地區(qū)，退耕還林對地表干濕條件有明顯影響（變干），而在能量限制區(qū)域，退耕還林對地表干濕條件的影響相對較小[42-43]。

3 喀斯特生態(tài)水文模型研究

生態(tài)水文過程的模擬和預(yù)測一直都是生態(tài)水文學(xué)的研究重點和前沿，也是生態(tài)水文學(xué)在政策實施、水文水資源管理評估等實際應(yīng)用中的必要途徑。喀斯特地區(qū)由于其獨特的地質(zhì)條件，其產(chǎn)流、匯流過程不僅受地形、土壤控制，而且受巖石裂隙走向、分布以及喀斯特漏水洞和漏斗等巖溶地貌控制，水流具有多孔介質(zhì)達西流、裂隙管道非達西流等多重水流特征，還具有地表水系與地下水系特征[25]。這些高度異質(zhì)性的地表介質(zhì)特征，極大地增加了喀斯特生態(tài)水文模擬的難度。目前喀斯特地區(qū)的水文模型多采用在集總式水文模型中增加地下水流計算方法[44]。而對于所有喀斯特生態(tài)水文模型而言，喀斯特關(guān)鍵帶導(dǎo)水介質(zhì)的定量刻畫是首要面臨的難點問題。目前主要有離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型、離散管道網(wǎng)絡(luò)模型、等效連續(xù)介質(zhì)模型、雙重連續(xù)介質(zhì)模型和多重介質(zhì)模型等[1]。這些模型主要用于具有詳細資料的地下水動態(tài)模擬中，如3DKFLOW[45]、CFP模型[46]、管網(wǎng)模型[47]和DHSRVM模型[16,48]等。

喀斯特生態(tài)水文模型中若要考慮生物地球化學(xué)過程，模型將變得更加復(fù)雜。一方面對水文模型的時空尺度提出更高的要求，如水中化學(xué)成分及其與土/巖作用，需要確定降水入滲后滯留時間和路徑，以及流出出口斷面水流中“老水”、“新水”[49-50]。另一方面，關(guān)鍵生態(tài)水文要素（養(yǎng)分、泥沙）在循環(huán)中的相互作用和影響及其與水文過程的耦合過程復(fù)雜，至今仍未完全摸清其原理或機制，如巖石裂隙和巖石吸附在總磷、活性磷和硝態(tài)氮輸出中起關(guān)鍵作用[51-52]。常規(guī)上，生態(tài)水文模型對于生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分要素（溶質(zhì)）和水文過程的耦合模擬，一般以水流方程（如Richards方程、圣維南方程等）與對流彌散方程為基礎(chǔ)，綜合考慮不同溶質(zhì)的吸附解吸、生物降解和吸收等轉(zhuǎn)化過程、地表徑流泥沙過程以及不同界面間的水分和溶質(zhì)交換過程[53]?？傮w上，這些生態(tài)水文模型之間主要的區(qū)別還是體現(xiàn)在包含過程的多少、空間離散方法、要素交換方式、溶質(zhì)轉(zhuǎn)化過程數(shù)學(xué)描述和參數(shù)化等方面[54-57]。

但是，相對于此類模型框架的確定而言，模型所需要的大量地表、地下巖溶結(jié)構(gòu)和觀測資料，包括裂隙分布、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水性質(zhì)等參數(shù)的獲取可能更為艱難。如何有效地概化喀斯特地上地下二元結(jié)構(gòu)特征，特別是建立土壤—巖石裂隙中水分儲存和運動與植被系統(tǒng)之間的水文連接，以及關(guān)鍵要素間的相互作用的準確數(shù)學(xué)表述，仍然是喀斯特生態(tài)水文模型研究面臨的難點。為規(guī)避參數(shù)獲取困難的問題，結(jié)合新型參數(shù)優(yōu)化技術(shù)（如貝葉斯，蒙特卡洛、遺傳算法等）的集總式模型備受學(xué)者青睞。這類模型雖然回避了一些具體的水文過程，難以反映喀斯特地形、地貌及植被分布對水文過程的影響，但可以準確地模擬降雨—徑流關(guān)系、地下水補給過程[1]，如較為流行的VarKarst模型[58]。目前我們也已經(jīng)構(gòu)建了基于動態(tài)植被的喀斯特生態(tài)水文模型，可準確地模擬西南喀斯特流域徑流和蒸散發(fā)過程[59]，并基于該模型計算出了喀斯特地區(qū)植被可利用的最大有效水量，定量回答了喀斯特流域表現(xiàn)出更強的氣候敏感的原因[40]。除此之外，基于統(tǒng)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量機（LSSVM）等方法來預(yù)測喀斯特流（泉）域生態(tài)水文過程也是學(xué)者常用的手段。這些模型基本完全回避了參數(shù)獲取的問題，而且往往具有較高的精度。如研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)狀態(tài)空間方程可以有效的模擬喀斯特流域泥沙過程[60-61]，在表層巖溶泉流量模擬中也具有良好的效果[62]。

4 研究展望

喀斯特地表關(guān)鍵帶極其復(fù)雜，目前對喀斯特地表關(guān)鍵帶中水文—巖石—生源要素的遷移轉(zhuǎn)化過程仍然不夠清晰。要準確描述喀斯特生態(tài)水文過程，了解地上地下水文結(jié)構(gòu)是先決條件，但這也是喀斯特生態(tài)水文研究的難點。目前或有地球物理的方法確定孔隙和管道的走向與結(jié)構(gòu)，但對于較小孔隙仍然無能為力。較小孔隙的分布以及水文連通性，可能是地表關(guān)鍵帶水分蓄存和排放的決定因素，密切關(guān)系到污染物遷移以及植被可利用水量。因此，未來應(yīng)首先加強水文地質(zhì)和生態(tài)水文學(xué)的聯(lián)合研究，充分利用地球物理、化學(xué)的手段，理清并定量刻畫關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)。

其次，應(yīng)更加重視喀斯特生態(tài)水文化學(xué)過程，亦即水質(zhì)問題。由于人類社會的干擾和介入所引發(fā)的水質(zhì)污染，如肥料（有機、無機）施用、垃圾堆放和污水廢水排放等造成的點源、非點源污染（如化肥、殺蟲劑、病毒、細菌、抗生素），是造成水質(zhì)性水資源短缺的罪魁禍首。相對于非喀斯特地區(qū)而言，喀斯特地區(qū)水文過程迅速且缺少細顆粒沉積物的吸附，污染物擴散快速、危害更大。加強喀斯特生態(tài)水文化學(xué)過程方面的研究，揭示污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，是完善喀斯特生態(tài)環(huán)境保護策略的基礎(chǔ)，也是國家重大需求。

再次，應(yīng)加強人類活動和氣候變化的生態(tài)水文效應(yīng)研究。人類活動和氣候變化是影響生態(tài)水文過程的主要外在驅(qū)動因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對自然的干擾能力逐漸增強。如大型水利工程措施、地下水開采、農(nóng)田耕作灌溉、城市化（海綿城市）、森林破壞與退耕還林還草等，都體現(xiàn)了人類對自然界的強行介入。這些干擾改變了地表結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)輸入的組成與數(shù)量（如化肥），對生態(tài)水文物理和化學(xué)過程具有深刻的影響，甚至成為控制因素。為了生存與發(fā)展，人類對自然的干擾是不可避免的。特別進入21世紀以來，全球氣候變化加快，極端氣候事件頻發(fā)，這種嚴峻氣候變化情勢，可能會進一步放大人類活動的負面效應(yīng)。加強對人類活動和氣候變化的生態(tài)水文效應(yīng)研究和評估，具有重要理論和現(xiàn)實意義，是探討如何實現(xiàn)喀斯特地區(qū)人類與自然的和諧共處的必經(jīng)之路。

5 結(jié)語

西南喀斯特地區(qū)土層淺薄且持水能力弱，地下裂隙多而滲透速率快，導(dǎo)致地表水分虧缺頻繁、生態(tài)脆弱、污染物擴散快速等一系列生態(tài)環(huán)境問題?？λ固氐貐^(qū)的合理開發(fā)利用，離不開對其生態(tài)水文過程的深刻理解。目前，喀斯特生態(tài)水文研究已經(jīng)獲得了喜人的進展，大大提升了人們對植被水分耗散、水分來源與植被適宜性、水文快速過程及機理等各方面的認識，并構(gòu)建了多種生態(tài)水文模型，為喀斯特生態(tài)環(huán)境治理、水資源高效利用等提供了堅實的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。然而，喀斯特地表關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，空間異質(zhì)性巨大，局部觀測或個別流域所得出的結(jié)論往往具有一定特殊性，相同的生態(tài)水文參量在其他地方（流域）或有不同表現(xiàn)，因此，“因地制宜”、“特殊問題特殊分析”在喀斯特地區(qū)顯得尤其重要。

在未來，喀斯特生態(tài)水文研究應(yīng)進一步結(jié)合收水文地質(zhì)的相關(guān)方法，加強與遙感、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科的交叉，同時提高對生態(tài)水文化學(xué)過程以及人類活動和氣候變化的生態(tài)水文效應(yīng)方面的關(guān)注，多尺度、多角度地研究喀斯特生態(tài)水文過程。