陳洪松，付智勇，張偉，聶云鵬

①中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所 農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125；②中國科學院環(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)育最強烈的地區(qū)。由于特殊的地質背景和強烈的巖溶作用，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)保護與社會經濟發(fā)展矛盾突出[1-3]，是生態(tài)治理與扶貧攻堅的重點、難點區(qū)。經過“十一五”“十二五”期間大規(guī)模地實施退耕還林、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，石漠化面積已實現(xiàn)由持續(xù)增加向“凈減少”的重大轉變。但是，由于人為驅動因素依舊存在，加上自然災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，石漠化防治形勢依然嚴峻[4]。長期以來，由于西南喀斯特地區(qū)基礎研究薄弱，對水土流失過程及機理認知不足，對土地退化成因與發(fā)生機制了解不清，石漠化綜合治理工程成效的科學評估以及可持續(xù)性治理技術與模式的缺乏，難以為工程建設提供有效的科技支撐[5]，直接影響扶貧攻堅進程和2020年全面建成小康社會的宏偉目標的實現(xiàn)。

“十三五”是我國全面建設小康社會的關鍵期，也是建設生態(tài)文明的重要階段，迫切需要寓經濟發(fā)展于生態(tài)治理之中，將植被恢復與生態(tài)治理和民生改善有機結合。作為西南生態(tài)安全屏障區(qū)和扶貧攻堅核心區(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施，促進西南喀斯特地區(qū)生態(tài)服務提升和社會經濟可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)經濟雙贏的目標。

1 土壤-巖石環(huán)境特征

西南喀斯特山區(qū)地形地貌復雜多變，巖石裸露率高、土層淺薄且不連續(xù)、地表缺水少土、景觀異質性強等是其基本特征。西南喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖風化成土作用緩慢，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化形成1 mm厚的土層需要630～7 880 a[6]。碳酸鹽巖風化形成的石灰土，其理化性質有別于地帶性土壤，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，結合力差，是人為擾動誘發(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、風化作用方式、土層厚度、碎石(＞ 2 mm)含量及風化殼持水性能等方面都有較大差異(圖1)。與石灰?guī)r相比，白云巖的風化深度和程度較大，巖石滲漏性較弱，二元水文結構不發(fā)育，其溶蝕殘余物質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，從而導致景觀異質性高和生境多樣。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的水文循環(huán)和土壤侵蝕過程，是導致生境高度異質性和土壤水文生態(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，相應的生境嚴酷程度也不同，土壤水分、養(yǎng)分狀況也有很大差異?？λ固厣车漠愘|性是植被演替的主導因子，植物對各種類型小生境的利用特點為喀斯特環(huán)境不同巖石裸露率地段采取相應的植被恢復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-巖石結構特征

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，但時空分布不均，強烈的巖溶作用形成地表地下二元三維空間結構，導致水文過程迅速、復雜且時空異質性強，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度下才會發(fā)生，常呈現(xiàn)蓄滿產流機制，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展，當?shù)叵嘛柡蛥^(qū)連接起來后產生壤中流；而當水位達到地表時，才開始產生地表徑流[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、管道等多重介質構成的裂隙水流、地下管道流發(fā)育，對喀斯特流域產匯流起主導作用。它們不僅是水流通道，而且是養(yǎng)分、污染物以及泥沙的運移通道。理解小流域地下水流在這些管道里產生、發(fā)展、形成網(wǎng)絡及其控制因素，對洪水預報、污染物運移、養(yǎng)分流失、水資源管理以及其他水文和生物化學過程具有重要意義。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及流域儲水量的變化。但是，由溶隙、溶洞及管道等多重介質所構成的喀斯特含水系統(tǒng)是一個不斷變化的復雜動態(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，給水文模型的建立帶來很大困難。目前應用于喀斯特含水層的水文模型可分為3類：黑箱模型(經驗模型)、概念模型(灰箱模型)和分布式模型。黑箱模型將一個蓄水區(qū)看作一個包括輸入(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制，不能獲取水量、能量轉換的詳細信息，也不能考慮人為干擾等作用，無法進行真正的預測[16]。概念模型根據(jù)一些假定使用簡單的方程來描述復雜的系統(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)的結構和水動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用的一個重要因素[16,19]。分布式模型將整個流域劃分為多個網(wǎng)格求解，真實反映了計算單元內松散介質水流與裂隙水流，能夠提供研究區(qū)內部水文信息，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給特征，但是，其對地形、地貌、地質、植被、土壤、氣象等基本要素資料的要求比較嚴格，這在缺乏實測資料、內部結構復雜、水力參數(shù)空間異質性強的喀斯特小流域中應用比較困難[19-20]。因此，建立能反映水文過程與植被互饋機制的水文模型，有助于量化地下含水層空間結構，為深入評估人類活動和氣候變化對流域植被變化的生態(tài)水文效應提供科技支撐。

2.2 土壤侵蝕特征與定量評估

喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究起步較晚，國外始于20世紀20年代，而我國始于20世紀60年代，但比較大范圍的研究從20世紀80年代才開始[21]。受地表覆蓋、土壤-巖石空間分布、表層巖溶帶結構、地表-地下網(wǎng)絡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)土壤容許流失量標準從500 t·km-2·a-1降低到了50 t·km-2·a-1。當然，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，對地下地表土壤流失比例、地下土壤流失量取得了初步認識，但是研究結果不一。有的認為土壤侵蝕以地下漏失為主，也有的則認為以地表侵蝕為主。由于喀斯特裂隙結構的地下隱蔽性、復雜性和高度異質性，水土漏失表現(xiàn)出極強的時空異質性、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，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)相結合等各種研究技術和方法的應用以及對土壤侵蝕過程和機理的進一步認識，各國學者嘗試建立適用于喀斯特地區(qū)或者改進已在非喀斯特區(qū)成功應用的土壤侵蝕模型。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是經驗統(tǒng)計模型，所需參數(shù)少，在喀斯特地區(qū)應用較多。但是，由于相關基礎研究薄弱，且缺乏野外試驗的支持，部分參數(shù)無法直接獲取，多使用經驗公式換算或借鑒其他類型區(qū)，模擬結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，因此在地表產流產沙少的西南喀斯特地區(qū)應用時都需要進行參數(shù)修正或校正，以與實測結果相對一致[25-27]。

3 植被恢復現(xiàn)狀與對策

生境的高度異質性是喀斯特生態(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資源的主要原因。然而，受地質背景和特殊的二元三維空間結構的制約，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，極易導致石漠化，對應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)域石漠化整體擴展趨勢得到有效遏制，植被恢復成效顯著。國土資源部最新石漠化遙感調查表明，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，經歷了增長和逐步改善兩個階段[4]。21世紀以來，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，大力實施了石漠化綜合治理工程，其減少程度主要與植被修復工程力度、植被恢復的喀斯特地貌條件、水資源利用和區(qū)域經濟條件密切相關。

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)植被恢復難易程度不一、因植被結構單一導致的植被恢復可持續(xù)性不強和生態(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)境適應機制以及植物群落穩(wěn)定性和物種多樣性維持機制。比較成熟的植被恢復模式都注重在提高植被覆蓋率和治理石漠化的同時，著力解決當?shù)剞r民的生存和發(fā)展問題(圖4)。因此，將植被恢復與生態(tài)治理和惠民增收有機結合，通過實施退耕還林還草、封山育林、“自然+人工誘導”恢復等措施，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、人工植被復合經營與高效利用、立體高效循環(huán)特色生態(tài)衍生產業(yè)培育等技術，加快自然和人工植被恢復速率，提升植被恢復可持續(xù)性，發(fā)揮植被的碳固定、水土保持和水源涵養(yǎng)功能，是實現(xiàn)生態(tài)治理與脫貧致富雙贏，促進西南喀斯特區(qū)域生態(tài)與社會經濟可持續(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)保護與社會經濟發(fā)展矛盾突出，地表缺水少土、生境異質性高，具有環(huán)境容量小、抗干擾能力弱、穩(wěn)定性低、自我調節(jié)能力差等特征，是我國生態(tài)治理和扶貧攻堅的重點和難點地區(qū)。由于地表-地下二元三維空間結構高度發(fā)育，土層淺薄且?guī)r石滲漏性強，加上地表土被空間分布的不連續(xù)和高異質性，以及地下各形態(tài)喀斯特溶蝕系統(tǒng)的隱蔽和復雜性，西南喀斯特地區(qū)水文過程十分復雜，多界面產流且以地下過程為主。在這一特殊的水文過程驅動下，該區(qū)土壤侵蝕疊加了化學溶蝕、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。在石漠化治理已進入從前期有效遏制轉到深入推進的轉型階段，區(qū)域貧困、人地矛盾等間接驅動因素依然存在，迫切需要寓經濟發(fā)展于生態(tài)治理之中。今后應在加強石漠化演變規(guī)律及其關鍵驅動因子、喀斯特關鍵帶結構與功能變化、植被與水文過程相互作用等基礎研究的同時，因地制宜，避免大規(guī)模高強度人工種植，將植被恢復與生態(tài)服務提升和民生改善有機結合，突破植被復合經營與高效利用技術，積極培育和發(fā)展與生態(tài)治理方向相適應的生態(tài)衍生產業(yè)，促進西南喀斯特區(qū)域扶貧開發(fā)與生態(tài)環(huán)境治理的協(xié)同，實現(xiàn)生態(tài)治理與脫貧致富雙贏，促進該區(qū)域社會經濟協(xié)同發(fā)展及西南生態(tài)安全屏障建設。

(2017年12月29日收稿)

[1] JIANG Z C, LIAN Y Q, QIN X Q. Rocky desertification in Southwest China: impacts, causes, and restoration [J]. Earth-Science Reviews,2014, 132: 1-12.

[2] 王世杰, 李陽兵. 喀斯特石漠化研究存在的問題與發(fā)展趨勢[J]. 地球科學進展, 2007, 22(6): 573-582.

[3] 張信寶, 王世杰, 曹建華, 等. 西南喀斯特山地水土流失特點及有關石漠化的幾個科學問題[J]. 中國巖溶, 2010, 29(3): 274-279.

[4] 蔣忠誠, 羅為群, 童立強, 等. 21世紀西南巖溶石漠化演變特點及影響因素[J]. 中國巖溶, 2016, 35(5): 461-468.

[5] 陳洪松, 馮騰, 李成志, 等. 西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕特征研究現(xiàn)狀與展望[J]. 水土保持學報, 2018, 32(1): 10-16.

[6] 曹建華, 袁道先, 潘根興. 巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的土壤[J]. 地球科學進展,2003, 18(1): 37-44.

[7] 王世杰, 季宏兵, 歐陽自遠, 等. 碳酸鹽巖風化成土作用的初步研究[J]. 中國科學D輯, 1999, 29(5): 441-449.

[8] CHEN H S, ZHANG W, WANG K L, et al. Soil organic carbon and total nitrogen as affected by land use types in karst and non-karst areas of northwest Guangxi, China [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2012, 92(5): 1086-1093.

[9] 陳洪松, 聶云鵬, 王克林. 巖溶山區(qū)水分時空異質性及植物適應機理研究進展[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(2): 317-326.

[10] 李陽兵, 王世杰, 李瑞玲. 不同地質背景下巖溶生態(tài)系統(tǒng)的自然特征差異——以茂蘭和花江為例[J]. 地球與環(huán)境, 2004, 32(1): 9-16.

[11] 任海. 喀斯特山地生態(tài)系統(tǒng)石漠化過程及其恢復研究綜述[J]. 熱帶地理, 2005, 25(3): 195-200.

[12] 陳洪松, 楊靜, 傅偉, 等. 桂西北喀斯特峰叢不同土地利用方式下坡面產流產沙特征初探[J]. 農業(yè)工程學報, 2012, 28(16): 121-126.

[13] 彭韜, 楊濤, 王世杰, 等. 喀斯特坡地土壤流失監(jiān)測結果簡報[J]. 地球與環(huán)境, 2009, 37(2): 126-130.

[14] FU Z Y, CHEN H S, XU Q X, et al. Role of epikarst in near-surface hydrological processes in a soil mantled subtropical dolomite karst slope: implications of field rainfall simulation experiments [J].Hydrological Processes, 2016, 30(5): 795-811.

[15] 王升. 白云巖區(qū)喀斯特坡地降雨產流機制及基巖地形的影響[D]. 北京: 中國科學院大學, 2017.

[16] 蒙?；? 王臘春. 巖溶流域水文模型研究進展[J]. 地理科學進展,2010, 29(11): 1311-1318.

[17] FLEURY P, PLAGNES V, BAKALOWICZ M. Modelling of the functioning of karst aquifers with a reservoir model: application to Fontaine de Vaucluse (South of France) [J]. Journal of Hydrology,2007, 345(1): 38-49.

[18] 徐宗學, 羅睿. PDTank模型及其在三川河流域的應用[J]. 北京師范大學學報(自然科學版), 2010, 46(3): 337-343.

[19] CHANG Y, WU J, JIANG G. Modeling the hydrological behavior of a karst spring using a nonlinear reservoir-pipe model [J]. Hydrogeology Journal, 2015, 23(5): 901-914.

[20] BORGHI A, RENARD P, CORNATION F. Can one odentify kasrst conduit networks geometry and properties from hydraulic and tracer test data? [J]. Advances in Water Resources, 2016, 90: 99-115.

[21] 顏萍, 熊康寧, 王恒松, 等. 喀斯特地區(qū)水土流失與水土保持研究進展[J]. 中國水土保持, 2016(1): 54-59.

[22] HERMAN E K, TORAN L, WHITE W B. Clastic sediment transport and storage in fluviokarst aquifers: an essential component of karst hydrogeology [J]. Carbonates and Evaporites, 2012, 27(3/4): 211-241.

[23] 張信寶, 王世杰, 賀秀斌, 等. 碳酸鹽巖風化殼中的土壤蠕滑與巖溶坡地的土壤地下漏失[J]. 地球與環(huán)境, 2007, 35(3): 202-206.

[24] 馮騰, 陳洪松, 張偉, 等. 桂西北喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征及其指示意義[J]. 應用生態(tài)學報, 2011, 22(3): 593-599.

[25] FENG T, CHEN H S, POLYAKOV V O, et al. Soil erosion rates in two karst peak-cluster depression basins of northwest Guangxi,China: comparison of RUSLE model with radiocesium record [J].Geomorphology, 2016, 253: 217-224.

[26] FENG T, CHEN H S, WANG K L, et al. Modeling soil erosion using a spatially distributed model in a karst catchment of northwest Guangxi,China [J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2014, 39(15):2121-2130.

[27] 李成志, 連晉姣, 陳洪松, 等. 縣域喀斯特地區(qū)土壤侵蝕估算及其對土地利用變化的響應[J]. 中國水土保持科學, 2017, 15(5): 39-47.

[28] QI X K, WANG K L, ZHANG C H. Effectiveness of ecological restoration projects in a karst region of southwest China assessed using vegetation succession mapping [J]. Ecological Engineering, 2013, 54:245-253.