蔣勇軍

西南大學地理科學學院,巖溶環(huán)境重慶市重點實驗室, 重慶 400715

1 引言

喀斯特地區(qū)的表生系統(tǒng)強烈受地質背景制約,是“地質-生態(tài)”復合系統(tǒng)[1],喀斯特槽谷區(qū)是中國南方喀斯特分布面積最大的地貌類型區(qū),緊密式箱型背斜/向斜構造發(fā)育、巖層傾角大、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層、短距離地帶性黃壤與非地帶性石灰土交錯出現(xiàn)以及高位蓄水構造頻繁出露,這些因素控制著喀斯特槽谷區(qū)域水-土-生物資源的分布格局[2],特殊地質背景上長期不合理的人類活動導致區(qū)域土地石漠化和生態(tài)退化問題突出。至2015年底,喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化總面積達21323.7 km2,占槽谷地區(qū)土地總面積(26.5萬km2)的8.3%,占槽谷區(qū)巖溶面積的16.1%,其中輕度、中度和重度石漠化面積分別為11894.8 km2、8615.8 km2和813.1 km2,分別占石漠化面積的55.8%、40.4%和3.8%[3]；同時區(qū)域大型工程建設(水電、交通)改變了地下水流場,進而對生態(tài)系統(tǒng)產生顯著的影響[2]。

因此,在科技部重點研發(fā)計劃——“喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化過程及綜合治理技術研發(fā)與示范(2016YFC0502300)”項目的支持下,聚焦喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)退化過程與機理的科學問題,經過項目組全體成員三年的共同努力,在喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)退化與修復方面取得了一些重要進展,因而形成了喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)退化與修復的論文專題。

2 主要進展

該專題主要涉及到喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕(石漠化)近20年來的變化過程、流域和坡地尺度石漠化形成演變過程與機理、隧道建設對土壤理化性質與水土流失的影響、水土流失的防控技術與效果以及生態(tài)恢復對碳酸鹽巖風化過程的影響等。

2.1 喀斯特槽谷區(qū)石漠化(土壤侵蝕)演變過程與防控

操玥等[4]在改進土壤流失模型中降雨侵蝕力因子基礎上,利用槽谷區(qū)2000、2005、2010和2015年的相關數(shù)據(jù),研究了喀斯特槽谷區(qū)的土壤侵蝕時空演變過程,發(fā)現(xiàn)2000至2015 年間,槽谷區(qū)的土壤侵蝕總量逐年減少,平均侵蝕模數(shù)逐年降低,土壤侵蝕總量和年平均侵蝕模數(shù)分別由61.86×107t/a 減少至2.97×107t/a和21.61 t/hm2·a降低至1.04 t/hm2·a,土壤侵蝕狀況整體在減輕,表明2005年開始的國家石漠化治理工程對槽谷區(qū)水土流失的防治起到了的良好效果。槽谷區(qū)水土流失或石漠化的形成主要還是不合理的坡地開墾導致,表現(xiàn)為坡耕地水土流失的強度遠遠高于自然植被條件下的水土流失強度[5]；同時,隨著土地石漠化和植被退化,地表反照率明顯增強[6],而石筍中的灰度值降低[7]。因此,地表反照率和石筍灰度值可以用來表征喀斯特土地石漠化與植被退化過程。

槽谷區(qū)特殊的背斜/向斜地質結構形成的順層坡和逆層坡的水土流失過程差異明顯,順層坡的水土流失明顯高于逆層坡[8]。在此基礎上,研發(fā)了順層坡種植拉巴豆地埂籬的根土復合體的喀斯特坡地水土流失防控技術[9],結果表明拉巴豆地埂籬根土復合體能有效提高喀斯特土壤的粒徑大小,增強土體的抗剪/沖性能,有效防止水土流失；而且拉巴豆為典型的豆科植物,能夠利用大氣N2合成植物生長所需的氮肥,從而提高土壤肥力；同時拉巴豆本身是一種高營養(yǎng)高產的牧草,有較高的經濟價值。因此,拉巴豆地埂籬的種植可望實現(xiàn)石漠化治理中的生態(tài)效應和經濟效應的雙贏,在喀斯特水土保持方面具有良好的推廣與應用前景。

2.2 喀斯特槽谷區(qū)隧道建設的水文生態(tài)效應

喀斯特槽谷區(qū)緊密式箱型背斜/向斜構造而形成眾多山地地貌,成為區(qū)域交通發(fā)展的障礙。因此,喀斯特槽谷區(qū)交通發(fā)展過程中導致隧道建設規(guī)模巨大,據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2017年底,區(qū)內高速鐵路和高速公路分別達4000km和6800km,穿越喀斯特含水層的鐵路和公路隧道分別為975座和421座,隧道總長達2332 km。隨著隧道建設過程中大量地下水的排放,喀斯特地表水被疏干、地下水位降低甚至改變了地下水的流場,從而帶來一系列的水文生態(tài)問題。

2.2.1喀斯特槽谷區(qū)隧道建設改變了坡面水文過程并加劇了石漠化(水土流失)

張等[10]通過對隧道建設影響和無隧道建設影響的兩個徑流場的對比研究發(fā)現(xiàn),隧道建設影響區(qū)的坡面產流過程明顯快于無隧道建設影響區(qū)的坡面產流過程,且隧道建設影響區(qū)的地表徑流系數(shù)遠遠高于無隧道建設影響區(qū)的地表徑流系數(shù)；同時,隧道建設影響區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)遠遠高于無隧道建設影響區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),這表明隧道建設改變了槽谷區(qū)坡面水文過程并且加劇了槽谷區(qū)土地石漠化。

2.2.2喀斯特槽谷區(qū)隧道建設改變了土壤微生物群落結構和土壤理化性質

喀斯特槽谷區(qū)隧道建設排水造成地表水被疏干和地下水位降低,切斷地表水、地下水與土壤水之間的聯(lián)系,從而導致土壤水分降低,進而引起土壤微生物群落與功能變化[11],表現(xiàn)為土壤微生物豐度和多樣性降低,而適應干旱的微生物種群的增加[11]；隨著隧道建設帶來的土壤濕度以及土壤微生物豐度和多樣性的降低,土壤CO2濃度顯著降低[12],從而改變土壤結構和土壤理化性質[10-12],主要表現(xiàn)為隧道建設排水造成土壤容重和粘粒的增加,而有機質和養(yǎng)分含量的下降,最終導致土壤質量的降低。

2.2.3喀斯特槽谷區(qū)隧道建設導致的生態(tài)退化

隧道建設排水帶來的土壤水分和土壤質量變化,不可避免地導致植物生態(tài)過程的變化,土壤水是季節(jié)性和工程性缺水的喀斯特地區(qū)植物生長的限制性因素,隨著隧道建設排水,土壤水分降低,植物利用水源和利用水分效率將發(fā)生變化來維持其生長,進而影響植物的生長過程,最終導致區(qū)域植物多樣性和生物量的變化,以及生態(tài)的退化。盡管該部分的研究成果未在此專題發(fā)表,但這是喀斯特槽谷區(qū)隧道建設的重要生態(tài)效應之一,也是喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)面臨的一個主要問題和將來的重要研究方向。

2.3 喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)恢復的環(huán)境效應

李[13]等基于碳酸鹽巖熱力學溶蝕模型估算了1992—2017年喀斯特槽谷區(qū)碳酸鹽巖風化碳匯通量(CSF),利用Lindeman-Merenda-Gold 模型定量評估了氣候及生態(tài)恢復因子對槽谷區(qū)CSF 的相對貢獻率。發(fā)現(xiàn)：槽谷區(qū)植被覆蓋度增加速率為0.004/a,特別是2005年以來隨著國家石漠化治理工程的實施,槽谷區(qū)植被覆蓋和生態(tài)系統(tǒng)得到明顯的改善,其增加區(qū)域的面積占比達到了95.07%；隨著槽谷區(qū)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的恢復,碳酸鹽巖風化碳匯效應增加,植被恢復對碳酸鹽巖風化碳匯通量的貢獻率約為11%,表明恢復喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務功能得到提升。