中國喀斯特生態(tài)保護與修復研究進展

何霄嘉,王 磊,柯 兵,*,岳躍民,王克林,曹建華,熊康寧

1 中國21世紀議程管理中心, 北京 100038 2 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長沙 410125 3 中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,環(huán)江 547100 4 中國地質科學院巖溶地質研究所 自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室, 桂林 541004 5 貴州師范大學喀斯特研究院, 貴陽 550001

喀斯特地貌約占全球陸地總面積的12%,為近25%的世界人口提供飲用水,喀斯特地貌分布面積5萬km2或占國土總面積20%以上的國家有88個[1-3]。巖溶過程的活躍性及與地表生態(tài)系統(tǒng)的相互融合,使得喀斯特生態(tài)系統(tǒng)成為地球表層系統(tǒng)的重要組成部分[4-5]。我國西南喀斯特地區(qū)以云貴高原為中心,面積約54萬km2。我國喀斯特發(fā)育最為典型、地貌類型齊全,主要包括：喀斯特峰叢洼地、斷陷盆地、喀斯特高原、喀斯特槽谷等。從全球角度來看,我國西南喀斯特地區(qū)由于碳酸鹽巖古老堅硬、受季風氣候的水熱配套等影響,加上人類活動強度高,具有顯著生態(tài)脆弱性[5]。由于碳酸鹽巖的可溶性,形成地表地下雙層水文地質結構,水資源難利用；碳酸鹽巖成土物質先天不足,造成土壤資源短缺,土層淺薄,土被不連續(xù),土壤富鈣而偏堿性,土壤較肥沃但總量少,限制喀斯特山地植被生產(chǎn)力[6-7]；受人為干擾的影響,大部分地區(qū)目前表現(xiàn)為次生的矮林和灌草叢,部分地區(qū)退化為石漠化,恢復難度較大[8]。

“九五”以來,在國家科技計劃的持續(xù)支持下,圍繞喀斯特生態(tài)修復與石漠化治理,在喀斯特生態(tài)保護與修復基礎理論、技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)示范等方面開展了系統(tǒng)研究,從全球角度闡明了我國喀斯特區(qū)的特殊性及生態(tài)脆弱性,發(fā)現(xiàn)了喀斯特地上-地下雙層水文地質結構及水土運移過程的特殊性,揭示了人類干擾脅迫下喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化機制,在生物地球化學循環(huán)、巖溶風化成土過程、水土流失/漏失機制、地表-地下水文過程、喀斯特生境植被適應機制、西南生態(tài)安全維持機制等理論研究基礎上,研發(fā)了喀斯特適應性生態(tài)修復與石漠化治理技術與模式,提出了喀斯特景觀資源保護與可持續(xù)利用對策,為我國西南生態(tài)安全屏障建設及喀斯特區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了重要科技支撐[7,9-15]。然而,我國西南喀斯特地區(qū)石漠化治理與脫貧攻堅的任務依然艱巨,據(jù)國家林業(yè)和草原局第三次石漠化監(jiān)測結果顯示,截至2016年底,仍有石漠化10.07萬平方公里,貧困人口占全國的1/3,截至2017年仍有211個縣沒有脫貧。

黨的十八大首次把生態(tài)文明建設提到中國特色社會主義建設“五位一體”總體布局的戰(zhàn)略高度,十九大提出“樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念,形成人與自然和諧發(fā)展的新格局,滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需求”；第十三屆全國人民代表大會將建設“美麗中國”和生態(tài)文明寫入憲法,生態(tài)文明建設被提高到空前的歷史高度和戰(zhàn)略地位。新形勢下,亟需梳理我國喀斯特生態(tài)保護與修復主要研究進展,剖析我國喀斯特生態(tài)修復與石漠化治理存在主要問題及其未來研究重點,為我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 國內外喀斯特區(qū)地球表層系統(tǒng)研究概況

喀斯特系統(tǒng)具有二元三維空間結構,存在地表-地下水文路徑聯(lián)通的多界面網(wǎng)絡通道,其水文過程獨特、復雜且時空異質性高,巖-土-水-氣-生各界面具有獨特的、相互緊密聯(lián)系的界面過程及其響應與反饋機制。國外喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境以保育為主,研究主要側重喀斯特水文地質、地下水資源與利用、洞穴及古氣候記錄、巖溶地質災害防治等研究。國際上早期的喀斯特研究以歐洲發(fā)達國家占主導地位,以斯洛文尼亞、意大利、西班牙、瑞士和奧地利為代表的發(fā)達國家側重地理地質綜合研究,在地貌演化、洞穴、水文水資源等領域總體水平較高。東南亞和中亞等發(fā)展中國家、社會經(jīng)濟發(fā)展水平低,人地矛盾尖銳,研究以開發(fā)利用和生態(tài)修復為主,如泰國在洞穴開發(fā)、巖溶塌陷等方面工作較多,土耳其、伊朗在干旱區(qū)喀斯特研究上具有一定的研究特色。

我國喀斯特區(qū)主要集中分布于滇桂黔等8省(區(qū)、市,圖1),總人口2.22億人(少數(shù)民族4537萬人),社會經(jīng)濟發(fā)展水平低,以高強度農(nóng)業(yè)活動為主,人地矛盾尖銳,石漠化嚴重,同時也是連片貧困區(qū)和少數(shù)民族聚居區(qū),開發(fā)與生態(tài)保護的矛盾更為突出,在喀斯特基礎研究和生態(tài)保護與建設方面具有世界代表性和范例性[3,7,9]。目前國內喀斯特表層地球系統(tǒng)科學研究從原來的側重地貌過程和水文過程的傳統(tǒng)巖溶過程研究轉變到研究更多關注喀斯特生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價、人類干擾脅迫下生態(tài)系統(tǒng)退化機理與修復、水土資源利用等研究,在生態(tài)學、生物地球化學、生態(tài)水文學等領域頗有建樹,積累了一系列水-土-植被-生態(tài)延伸產(chǎn)業(yè)方面的生態(tài)保護與修復技術模式。

圖1 全球喀斯特分布(藍色深度代表碳酸鹽巖分布程度)[16]Fig.1 World carbonate extent (The deeper the blue legend, the more carbonate extent) [16]

我國喀斯特研究領域論文數(shù)、被引頻次均列世界第一,國際學術影響力最大,截止2017年,我國喀斯特研究發(fā)文量4516篇,排名第一,占全球總體發(fā)文量的46%,是第二名美國的4倍多；我國該領域論文總被引頻次也最多,達到24191次,高于美國的總被引頻次[17]。全球喀斯特發(fā)文量前10的研究機構中,我國研究機構占到一半,包括中國科學院、中國地質科學院、貴州師范大學等。我國喀斯特研究已由過去僅具備地域優(yōu)勢,發(fā)展到現(xiàn)今地域優(yōu)勢與學術優(yōu)勢并存的新階段,已由傳統(tǒng)地貌學拓展為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的資源、能源、生態(tài)“三位一體”的綜合性學科,研究水平從跟跑向引領方向發(fā)展,形成具有我國特色的喀斯特研究成果,提出了地表地下二元水文地質結構、表層巖溶帶對生態(tài)、水文系統(tǒng)控制作用、石漠化現(xiàn)象、水土地下漏失等理念,石漠化治理措施和成效在國際上得到高度關注和認可,尤其是提出的喀斯特生態(tài)保護與修復、石漠化綜合治理、喀斯特與應對全球氣候變化等新方向,引領了國際喀斯特領域學科發(fā)展。

2 我國喀斯特生態(tài)保護與修復研究突出進展

“九五”以來,針對西南喀斯特地區(qū)植被退化、水土流失、石漠化等問題,在科技部等部門和地方政府的科研項目支持下,開展了一系列水土流失、石漠化治理、水資源利用、植被恢復與重建等方面的科技攻關項目,研究成果和治理成效顯著,有效支撐了我國西南喀斯特地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

(1)喀斯特石漠化治理取得階段性突破。我國長期關注西南喀斯特地區(qū)的生態(tài)保護與修復問題,“九五”期間主要針對石漠化發(fā)生的水文地質條件不清等問題,開展了石漠化綜合考察、水文地質條件調查與評價、全球巖溶作用以及物種引入等研究,突破了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性特征辨識等技術(表1)?！笆濉逼陂g主要針對喀斯特峰叢洼地和高原不同退化程度石漠化治理及加快小流域石漠化治理的需求,劃分了石漠化類型和等級,研發(fā)了喀斯特適生植物篩選、速生植物栽培、山地生態(tài)農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)林植物推廣等技術,提出了生態(tài)恢復、基本農(nóng)田建設、巖溶水開發(fā)利用、農(nóng)村能源及生態(tài)移民等工程措施為主的生態(tài)恢復技術,解決物種的適生性、工程性缺水以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結構轉變等問題?！笆晃濉逼陂g主要針對喀斯特峰叢洼地、高原和槽谷類型石漠化治理缺乏系統(tǒng)性,開始了縣域石漠化綜合治理試點工程,研發(fā)了生物與工程措施配套的植被恢復、坡耕地治理、土壤漏失通道封堵等治理技術與模式,解決了石漠化地區(qū)植被構建和人工誘導等植被恢復和水土流失等問題?！笆濉逼陂g主要針對石漠化實現(xiàn)持續(xù)增加到“凈減少”的拐點、全面推進石漠化綜合治理的需求,研發(fā)了表層巖溶水調蓄、土壤流失/漏失阻控、表層水資源有效開發(fā)、耐旱植被群落優(yōu)化配置等適應性生態(tài)修復技術體系,提出了石漠化治理典型模式并推廣示范,初步解決了恢復植被的穩(wěn)定性問題?！笆濉逼陂g主要針對石漠化治理技術與模式缺乏可持續(xù)性、治理綜合效益較低、生態(tài)服務功能亟待提升等問題,分別在喀斯特峰叢洼地、高原、槽谷和斷陷盆地等類型區(qū)正在開展喀斯特石漠化治理技術與模式的集成、生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育、生態(tài)服務功能提升、規(guī)?；痉兜妊芯?以形成石漠化治理與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同的系統(tǒng)性解決方案。

表1 我國喀斯特石漠化治理階段進展

(2)突破喀斯特區(qū)保土集水與植被恢復等石漠化治理技術體系,形成喀斯特生態(tài)治理的全球典范。歐美喀斯特區(qū)沒有人為干擾導致的大規(guī)模生態(tài)環(huán)境退化,發(fā)展中國家存在但政府關注有限,我國政府高度重視喀斯特生態(tài)修復與石漠化治理。在國家科技支撐計劃、重點研發(fā)計劃等支持下,圍繞喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)修復與石漠化治理,系統(tǒng)開展了喀斯特石漠化退化過程與機理研究。針對喀斯特地上-地下雙層水文地質結構及水土運移過程的特殊性,在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化機理、水土流失/漏失機制、生物地球化學循環(huán)、喀斯特生境植被適應機制等理論研究基礎上,創(chuàng)新石漠化治理技術體系,突破了喀斯特地下水探測與開發(fā)、表層巖溶水生態(tài)調蓄與調配利用、道路集雨綜合利用、土壤流失/漏失阻控、土壤改良與肥力提升、喀斯特適生植被物種篩選與培育、人工誘導栽培、耐旱植被群落優(yōu)化配置、植被復合經(jīng)營、生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育等石漠化治理技術體系(圖2),提出了喀斯特山區(qū)替代型草食畜牧業(yè)發(fā)展、石漠化垂直分帶治理、喀斯特復合型立體生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展等石漠化治理模式,開展了治理技術與模式的集成和規(guī)?；痉?編制修訂了喀斯特區(qū)水土流失防治標準,初步形成了石漠化治理與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同的系統(tǒng)性解決方案,有效遏制了石漠化擴展趨勢,為國家石漠化治理工程的實施及全球喀斯特生態(tài)治理提供了有力技術保障。

圖2 喀斯特石漠化治理技術體系Fig.2 Treatment technology for karst rocky desertification

(3)將生態(tài)治理與扶貧開發(fā)有機結合,因地制宜發(fā)展多種特色石漠化治理模式,助力喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和脫貧攻堅。①肯福模式：針對石漠化嚴重地區(qū)人口密度遠超其生態(tài)承載能力的問題,采取生態(tài)移民的科技扶貧模式,集成特色生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)培育以及生態(tài)移民-異地扶貧植被復合經(jīng)營等技術體系。遷出區(qū)在人口密度降低的前提下,實施種養(yǎng)結合的替代型草食畜牧業(yè)培育；遷入?yún)^(qū)利用水土資源配套優(yōu)勢,開展土壤改良與肥力提升,發(fā)展特色經(jīng)濟林果等生態(tài)高值農(nóng)業(yè)。示范區(qū)植被覆蓋度達到 70%以上,土壤侵蝕速率下降30%；人均純收入由2008年的2918元增加到2017年的9664元。該模式創(chuàng)建了生態(tài)移民-特色產(chǎn)業(yè)培育的科技扶貧長效機制,實現(xiàn)了扶貧開發(fā)的可持續(xù)性,受到聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)專家高度認可。②花江模式：在重度石漠化的干熱河谷地區(qū),針對嚴重干旱脅迫條件下脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復維持與適應性調控,重點突破耐旱鄉(xiāng)土物種選育種植、鑲嵌群落配置與固碳保育、水質生物凈化、農(nóng)村能源結構優(yōu)化等關鍵共性技術,解決了植物抗旱保墑、特色林果、增匯物種培植、水資源高效利用等生態(tài)問題,形成了以特色經(jīng)果-立體農(nóng)業(yè)、水利水保優(yōu)化配套與極度干旱應急調控為核心的技術模式。1996—2018年,示范區(qū)植被覆蓋度從2.5%提高到49.25%,農(nóng)民人均純收入從610元提高到6893元。該模式已在貴州、云南、廣西、重慶33個縣區(qū)推廣應用,可在喀斯特高原、峽谷和峰叢洼地推廣。③果化模式：在中度石漠化亞熱帶地區(qū),針對喀斯特峰叢山區(qū)石漠化問題,結合山區(qū)立體特點和水熱條件,采用水資源開發(fā)和綜合利用、植被恢復、農(nóng)業(yè)結構轉變水土保持等一體化復合生態(tài)模式。其關鍵技術包含人工誘導植被修復技術、霸王花嫁接火龍果產(chǎn)業(yè)化技術、表層巖溶水生態(tài)調蓄技術、水土漏失生物與工程措施聯(lián)合防治技術等。通過近20年治理,植物覆蓋率由不足10%提高到70%,森林覆蓋率由不足1%提高到50%以上,土壤侵蝕模數(shù)下降了80%,水資源利用率提高了3倍。示范區(qū)人均年收入由不足600元提高到1.8萬元。并已在廣西百色市、南寧市等周圍10多個縣得到了推廣應用,帶動了20多萬人脫貧。今后可在桂、滇、黔10多萬平方千米的喀斯特峰叢山區(qū)推廣。④畢節(jié)模式：在輕度石漠化高原地區(qū),針對水土流失與林草植被生產(chǎn)力維系調控,重點突破了抗凍群落配置、草地生產(chǎn)力維持及草畜平衡調控、坡地植物籬保水固土、社區(qū)種養(yǎng)與再生能源清潔循環(huán)利用等技術,解決了抗凍耐旱鄉(xiāng)土物種和牧草選育種植、鑲嵌群落配置與固碳保育、林草及糧草空間優(yōu)化配置、草種營養(yǎng)優(yōu)化配制、水利水保優(yōu)化配套與極度干旱應急調控、能源結構多能互補等生態(tài)問題,形成了以物種多樣性生態(tài)修復誘導、草食畜牧配置、水土綜合整治與合理調配、社區(qū)種養(yǎng)與能源結構優(yōu)化為核心的技術模式。2005—2018年,示范區(qū)植被覆蓋度從34.70%提高到51.34%,農(nóng)民人均純收入從3091元提高到8090元。該模式已在貴州、云南、廣西、重慶25個縣區(qū)推廣應用,可在喀斯特高原、峽谷和槽谷地區(qū)推廣。

(4)喀斯特生態(tài)保護與修復有效改善了喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境,有力支撐了當?shù)孛撠毠?并獲得國際社會的高度認可。通過多年持續(xù)治理,我國喀斯特石漠化面積由2005年的12.96萬平方公里減少到2016年的10.07萬平方公里。喀斯特地區(qū)2001—2015年植被生物量的增加速度是治理前(1982—2000年)的2倍,治理區(qū)域比非治理區(qū)域的植被覆蓋度高7%,與未開展生態(tài)治理的越南、老撾和緬甸等鄰國相比,生態(tài)治理顯著促進了西南喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改善,僅滇桂黔三省植被生物固碳量就達到4.7億噸,比治理前增加了9%。2018年1月9日,《自然》子刊(Nature Sustainability)發(fā)表上述喀斯特生態(tài)修復與石漠化治理成效評估成果[18]；1月25日,《自然》針對該論文發(fā)表長篇評述,指出“衛(wèi)星影像顯示中國正在變得更綠”,進一步肯定我國通過生態(tài)修復與石漠化治理加快西南喀斯特地區(qū)植被恢復的積極成效(圖3)[19]。同時,喀斯特石漠化區(qū)農(nóng)村脫貧效果明顯,全國14個集中連片特困地區(qū)中,滇桂黔石漠化區(qū)貧困縣減少量最多,達80個；滇桂黔農(nóng)村貧困人口從2010年的2898萬減少到2017年的858萬。

圖3 Nature專文評述我國西南喀斯特區(qū)域生態(tài)恢復成效評估成果Fig.3 Views and news in Nature about the ecological restoration assessment for Southwest China karst

(5)喀斯特景觀資源保護取得顯著成效,多處入選世界自然遺產(chǎn)地。由于豐富的生物多樣性、奇異的地貌景觀和洞穴等資源,喀斯特景觀具有較高的美學、科學及保護價值,聯(lián)合國教科文組織公布的世界自然遺產(chǎn)地名錄中,有50個左右主要分布于喀斯特地區(qū)[3]。由于易受人類活動影響的脆弱性,我國喀斯特景觀保護一直是國內喀斯特研究的重點,特別是國家和世界地質公園、石漠化公園規(guī)劃與建設成為近年來我國喀斯特景觀保護的熱點[5]。目前我國以喀斯特景觀為主或為輔的國家地質公園有32家,占國家地質公園的23.2%,入選世界地質公園11處。同時,鑒于我國南方喀斯特地區(qū)展示了喀斯特特征和地貌景觀的最好范例,完全滿足世界遺產(chǎn)的美學和地質地貌標準,有潛力滿足生態(tài)過程和生物多樣性標準,以及完整性和保護管理要求。云南石林喀斯特、貴州荔波喀斯特、重慶武隆喀斯特、廣西桂林喀斯特、貴州施秉喀斯特、重慶金佛山喀斯特、廣西環(huán)江喀斯特分兩批列入世界自然遺產(chǎn)地,顯著提升了我國西南喀斯特景觀的全球價值和重要性,成為喀斯特生態(tài)文明建設的國際品牌。

(6)國際喀斯特研究中心落戶我國桂林,喀斯特國際科技合作計劃倡議得到多國積極響應。自1990年開始,以我國科學家為核心的國際團隊,連續(xù)實施了UNESCO六個國際喀斯特地質對比計劃,創(chuàng)造了UNESCO持續(xù)支持同一學科領域的紀錄。2008年2月,聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)國際喀斯特研究中心落戶我國桂林。截至目前,已舉辦9屆國際培訓班,吸引了來自5大洲36個國家的169名學員,惠及18個“一帶一路”沿線國家。先后與泰國、柬埔寨、斯洛文尼亞、塞爾維亞、斯洛伐克、德國、美國實施了雙邊合作項目。2016年11月,我國提出“全球喀斯特動力系統(tǒng)資源環(huán)境效應”國際合作計劃倡議,擬開展生態(tài)改善、減貧開發(fā)、應對全球氣候變化等研究與合作。22個國家,36位科學家表示支持,來自美國、巴西等11個國家的科學家代表共同簽署了支持函。時任聯(lián)合國教科文組織總干事致賀信,認為該計劃的實施對克服人類共同面臨的難題非常重要。此外,今年由我國主持的“國際標準組織喀斯特專業(yè)分委員會”獲批,進一步提升了我國在國際喀斯特研究領域的話語權。

3 我國喀斯特生態(tài)修復與石漠化治理存在主要問題

整體而言,當前國內外喀斯特表層地球系統(tǒng)科學研究各自側重的領域和優(yōu)勢不同,針對某一領域的某一問題專項研究多,統(tǒng)一的對比監(jiān)測研究體系尚未形成,尤其沒有從地球表層系統(tǒng)科學層面進行整體系統(tǒng)分析,難以深入認識表層地球系統(tǒng)(地球關鍵帶)的形成、演化以及控制人類生存環(huán)境的過程和生態(tài)服務功能變化規(guī)律,亟需由要素過程研究向系統(tǒng)化的“表層地球系統(tǒng)科學”研究過渡。大規(guī)模生態(tài)保護與建設背景下,我國西南喀斯特區(qū)石漠化面積已呈現(xiàn)“面積持續(xù)減少、危害不斷減輕、生態(tài)穩(wěn)步好轉”的態(tài)勢。然而,受喀斯特地質背景的制約(地上-地下水土二元結構、成土慢且土層淺薄不連續(xù)、水文過程迅速等)及生態(tài)治理長期性和復雜性的影響,喀斯特石漠化治理與生態(tài)恢復重建過程中又產(chǎn)生了治理成效鞏固困難、缺乏可持續(xù)性等問題：

(1)初步闡明了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的退化機制,但生態(tài)修復的過程機理還不夠不清楚。受巖溶地質背景制約,喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的高強度人為干擾是導致喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因。大規(guī)模生態(tài)保護與建設促進了喀斯特生態(tài)環(huán)境的改善,但生態(tài)修復對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)格局-過程-功能的影響機理不清。

(2)石漠化治理取得初步成效,但生態(tài)系統(tǒng)服務提升滯后。西南喀斯特地區(qū)2001—2015年的地上植被生物量的增加速率是生態(tài)工程實施前(1982—2000年)的2倍,工程區(qū)比非工程區(qū)的植被覆蓋度高7%,石漠化面積呈持續(xù)“凈減少”態(tài)勢。但相對于植被覆蓋的快速提升,土壤固持、水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務恢復滯后,有待于進一步恢復與提升關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

(3)當前的治理工程分區(qū)較多考慮地質地貌背景,忽略了人類活動強度的空間差異,一些地區(qū)坡地大規(guī)模開發(fā)容易加劇區(qū)域性水土資源失衡的風險。由于城鎮(zhèn)化、勞務輸出等影響,人類活動壓力有所緩解,但云南斷陷盆地等區(qū)域仍人地矛盾尖銳。對人類活動強度變化對生態(tài)恢復的影響關注還不夠,人為耕作擾動土壤是導致石漠化的主要誘因,部分地區(qū)為了快出政績,不顧生態(tài)適應性建設大規(guī)模連片經(jīng)濟林果,對土壤擾動和地表灌草被破壞較大,存在流域性水土資源失衡、出現(xiàn)新的石漠化的風險。經(jīng)濟林生長也受喀斯特區(qū)土層淺薄、土壤總量有限、礦質養(yǎng)分不足的制約。

(4)部分恢復技術和模式缺乏喀斯特區(qū)域針對性與可持續(xù)性?？λ固貐^(qū)具有地上地下二元水文地質結構,土壤受到擾動后地下漏失加劇,而現(xiàn)有治理工程大多照搬黃土高原和南方土山區(qū)等高梯土、砌墻保土、植物籬笆等措施,沒有充分考慮水土運移的特殊性,模式的生態(tài)和經(jīng)濟效益也較難統(tǒng)籌兼顧,部分生態(tài)工程事倍功半。同時,推廣過程中對技術與模式的關鍵限制因素及區(qū)域適宜性考慮不足,導致部分技術與模式面上推廣應用困難。

(5)生態(tài)恢復成效忽略了人文社會的作用機制?？λ固氐貐^(qū)趨于暖干化的不利氣候條件下,大規(guī)模生態(tài)保護與建設工程的實施促進了喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善。但城鎮(zhèn)化、勞務輸出、生態(tài)移民、異地扶貧搬遷等社會化共同治理模式一定程度上也緩解了喀斯特地區(qū)的高強度人口壓力,人類活動對喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)的擾動顯著減少,其對生態(tài)恢復的作用機制被忽略。

4 喀斯特生態(tài)保護與修復未來研究展望

生態(tài)環(huán)境建設是生態(tài)文明建設的核心,將山水林田湖草作為生命共同體,以增強可持續(xù)性為目標,提升生態(tài)系統(tǒng)質量和穩(wěn)定性,提出“美麗中國”建設的系統(tǒng)性解決方案,成為新時期國家生態(tài)文明建設戰(zhàn)略迫切的科技需求。未來生態(tài)保護與修復研究將以增強生態(tài)治理的可持續(xù)性為導向,強調自然過程與人文過程的有機結合,融合大數(shù)據(jù)、空天地一體化等新技術,實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境多要素、多尺度、全過程的監(jiān)測與模擬,實現(xiàn)生態(tài)治理綜合效益的提高,科技支撐國家生態(tài)文明建設戰(zhàn)略[20]。

作為我國主要的生態(tài)脆弱區(qū)、長江和珠江上游生態(tài)安全屏障區(qū)、以及全國最大面積的連片貧困區(qū),在喀斯特初步實現(xiàn)“變綠”基礎上,如何通過生態(tài)治理將喀斯特地區(qū)的生態(tài)資源優(yōu)勢轉化為發(fā)展優(yōu)勢,提高生態(tài)恢復質量、鞏固扶貧成果、增強生態(tài)恢復與扶貧開發(fā)的可持續(xù)性？成為當前喀斯特生態(tài)保護與修復面臨的現(xiàn)實需求。在植被覆蓋快速增加和喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務功能恢復與提升的基礎上,如何實現(xiàn)石漠化治理的提質與增效,實現(xiàn)喀斯特綠水青山轉變?yōu)榻鹕姐y山的轉換？成為當前喀斯特生態(tài)保護與修復亟需解決的技術問題。迫切需要深入剖析喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演化對氣候變化、人類活動的響應機理,厘清自然和人為因素對喀斯特系統(tǒng)演化的相對貢獻。在此基礎上,根據(jù)水土資源賦存特征、社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀以及文化差異,開展喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的綜合評估,識別喀斯特系統(tǒng)關鍵類型區(qū)與生態(tài)紅線,將生態(tài)修復與人口布局、產(chǎn)業(yè)結構調整、城鎮(zhèn)化發(fā)展、生態(tài)產(chǎn)業(yè)等有機結合,提出不同喀斯特功能類型區(qū)可持續(xù)發(fā)展的適應性調控途徑與生態(tài)空間管控方案(圖4),為“美麗中國”和“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的貫徹實施及全球喀斯特分布國家生態(tài)治理提供“中國方案”。亟需重點開展以下研究：

圖4 喀斯特表層地球系統(tǒng)集成研究與可持續(xù)性調控Fig.4 The integration research on karst surface-earth system and sustainability regulation

1)加強喀斯特生態(tài)修復的格局-過程-功能響應機理研究,突出喀斯特地上-地下生態(tài)過程的相互作用及其反饋調節(jié)機制。研究在高強度人為干擾向大規(guī)模生態(tài)建設轉變背景下,生態(tài)修復對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)格局、水土流失/漏失、土壤養(yǎng)分水分及植被結構與功能的影響機理,厘清自然因素與生態(tài)治理對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演變的相對影響。系統(tǒng)開展喀斯特地球關鍵帶研究,應由傳統(tǒng)“二維”景觀生態(tài)研究向“三維”角度轉變,將植被-土壤-表層巖溶帶作為一個整體,系統(tǒng)研究地上-地下生態(tài)過程及巖石-土壤-生物-水-大氣的相互作用機理,揭示喀斯特地球關鍵帶的結構、組成及其演變規(guī)律。

2)定量刻畫與表征喀斯特區(qū)域人類活動強度,揭示喀斯特區(qū)域生態(tài)恢復的社會人文機制。研究不同喀斯特類型區(qū)資源環(huán)境要素時空配置、人口分布及其對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務能力提升的制約機制,發(fā)展區(qū)域尺度人類活動的定量表征及空間表達方法,揭示不同人類活動強度下喀斯特區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應差異特征,厘清自然及社會人文發(fā)展過程對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演變的相對作用,提出不同喀斯特類型區(qū)可持續(xù)發(fā)展的人文調控策略；在此基礎上,因地制宜統(tǒng)籌自然恢復(封育、封禁)與人工造林、土壤與生物措施等工程治理措施的優(yōu)化布局,形成石漠化治理的一體化解決方案。同時考慮非示范區(qū)的石漠化問題的治理策略。

3)提升喀斯特生態(tài)治理的可持續(xù)性,繼續(xù)服務脫貧攻堅與民生改善。構建喀斯特區(qū)域生態(tài)監(jiān)測體系,開展石漠化治理模式成效系統(tǒng)評估,包括生態(tài)效益、社會經(jīng)濟效益以及投入產(chǎn)出比等,劃定喀斯特生態(tài)-生產(chǎn)-生活空間,優(yōu)化喀斯特區(qū)域生態(tài)安全格局。打造和完善不同喀斯特類型區(qū)的特色生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈,建設西南喀斯特農(nóng)牧復合帶,形成石漠化地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的新增長點。以石漠化治理提質增效為重點,建設喀斯特地區(qū)生態(tài)產(chǎn)品與生態(tài)服務價值評估機制。推進石漠化治理生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升治理的綜合效益,助力脫貧攻堅與鄉(xiāng)村振興。集成特色林產(chǎn)業(yè)與鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)鏈集群、生態(tài)畜牧業(yè)與鄉(xiāng)村標準化健康養(yǎng)殖、混農(nóng)林業(yè)與鄉(xiāng)村農(nóng)林要素跨界協(xié)同、山地旅游產(chǎn)業(yè)與鄉(xiāng)村多產(chǎn)融合、生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟與鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)經(jīng)營、生態(tài)產(chǎn)品市場與鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)品牌聯(lián)動等技術體系,構建喀斯特生態(tài)產(chǎn)業(yè)云平臺與鄉(xiāng)村智能振興模式及決策支持系統(tǒng)。

4)依托桂林國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū),推進喀斯特領域國際科技合作。國務院于2016年12月印發(fā)《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)建設方案》,2018年2月國務院正式批復太原、桂林、深圳三個城市為首批國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū),國際社會對此予以密切關注并積極參與相關國際合作。桂林市專門圍繞喀斯特景觀資源可持續(xù)利用,重點針對石漠化地區(qū)生態(tài)修復和環(huán)境保護等問題實施相關行動。建議以桂林示范區(qū)建設為依托,利用好國際喀斯特研究中心,發(fā)揮我國在喀斯特領域的研究優(yōu)勢,深化面向東盟、對接“一帶一路”、輻射全球的國際科技合作,力求牽頭組織喀斯特領域國際科學計劃和科技合作。