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        喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理研究

        2024-05-08 00:00:00崔靜溫慶忠黃佳健
        中國水土保持 2024年4期
        關鍵詞:治理技術石漠化模式

        [關鍵詞] 石漠化;治理技術;模式;喀斯特地區(qū)

        [摘要] 石漠化是喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境最突出的問題,嚴重制約著經(jīng)濟社會的發(fā)展,威脅著人類生存空間。近年來,通過一系列工程項目的實施,我國石漠化面積持續(xù)減少,生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。通過闡明人為干擾下喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化及恢復機制,梳理總結現(xiàn)有石漠化治理技術和模式,聚焦石漠化治理面臨的治理成效鞏固難、可持續(xù)性差、治理技術與模式缺乏區(qū)域針對性、植被群落穩(wěn)定性欠佳等問題,提出未來喀斯特地區(qū)石漠化治理應轉變觀念、推進標準研究制定、探索多元化投融資機制等建議。

        [中圖分類號] S157.2[文獻標識碼] ADOI:10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.014

        [引用格式] 崔靜,溫慶忠,黃佳健.喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理研究[J].中國水土保持,2024(4):49-52.

        我國喀斯特地區(qū)面積約占國土面積的1/3,其中西南地區(qū)是全球三大喀斯特集中分布區(qū)之一,存在峰林、峰叢、洼地、峽谷等地貌[1]。地形地貌的特殊性決定了喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,在自然環(huán)境和人為活動影響下容易引起植被破壞、水土流失,致使基巖大面積裸露或地表石礫堆積,進而導致喀斯特地區(qū)土地退化,石漠化問題突出。石漠化不僅帶來水土流失加劇、旱澇災害頻發(fā)、土壤肥力下降、生物多樣性降低甚至喪失等生態(tài)問題,還造成人口貧困、經(jīng)濟落后等一系列社會經(jīng)濟問題,已成為中國西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境最突出的問題,嚴重制約著經(jīng)濟社會的發(fā)展,威脅著人類生存空間[2]。為改善喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境,促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展,自20世紀80年代以來,我國先后實施了防護林建設、天然林保護、退耕還林還草等林業(yè)重點生態(tài)工程,易地扶貧搬遷項目,石漠化綜合治理工程、坡耕地水土流失綜合治理試點工程等一系列水土保持重點工程項目,對喀斯特地區(qū)石漠化進行多方位的治理,生態(tài)保護修復工作取得了一定成效[3]。調查結果顯示,2005—2016年,喀斯特地區(qū)石漠化面積減少了30%;2016—2021年,石漠化發(fā)生率下降7.36%,石漠化土地面積持續(xù)縮減、林草植被狀況持續(xù)向好,植被覆蓋顯著增加[4]。然而,石漠化治理任務依然艱巨,第四次石漠化調查結果顯示,我國仍有722.32萬hm2石漠化土地尚需治理。從黨的十八大首次把生態(tài)文明建設納入“五位一體”總體布局,到黨的二十大提出“推動綠色發(fā)展,促進人與自然和諧共生”“必須牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念,站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展”,對生態(tài)文明建設提出了更高要求。新形勢下,急需闡明人為干擾下喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化及恢復機理,梳理總結喀斯特地區(qū)石漠化生態(tài)修復技術和模式,為喀斯特地區(qū)生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

        1生態(tài)系統(tǒng)退化及恢復機理喀斯特地貌因其復雜的地表、地下二元三維結構導致保水固土能力差、水土漏失嚴重,地表-地下過程耦合對人為干擾的響應也更為敏感。人為干擾導致土壤團聚體結構被破壞,抗侵蝕和保持養(yǎng)分能力顯著降低[5];人為干擾下的植被破壞影響了土壤-植被系統(tǒng)的物質和能量平衡,產(chǎn)生逆向演替,水土流失加劇,特別是將灌叢人為開墾為耕地后,喀斯特石灰土表層有機碳更易流失,進一步加劇了地表侵蝕產(chǎn)沙及土壤的垂直漏失;而地表土壤的侵蝕,落水洞或豎井等垂直管道上覆土的塌陷導致泥沙直接進入開放裂隙、落水洞等地下通道,土壤沿未開放的具有突變界面的張性節(jié)理裂隙流失以及地下水侵蝕裂隙填充土壤導致坡地土壤整體蠕移-坍塌是喀斯特地區(qū)土壤地表流失、地下漏失的主要途徑。人為干擾下喀斯特地區(qū)石漠化導致土壤微生物生物量降低和群落結構改變,物種和功能多樣性下降,土壤動物的個體密度和類群數(shù)降低,影響枯落物分解和養(yǎng)分循環(huán)進程。近年來,一系列生態(tài)工程的實施加快了喀斯特地區(qū)植被的恢復速率,提高了生態(tài)系統(tǒng)服務價值,顯著拓寬了農(nóng)民增收致富渠道。石漠化治理工程的開展要結合地方實際,因地制宜布設,既要權衡不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的關系,又要考慮地方經(jīng)濟社會的發(fā)展。

        2石漠化治理技術喀斯特地區(qū)石漠化治理的主要技術包括工程技術、生物技術、耕作技術等[6],以下分別闡述不同治理技術的研究現(xiàn)狀和作用機理。

        2.1工程技術陡坡開墾是造成喀斯特地區(qū)石漠化發(fā)育的主要原因之一[7],由土壤流失導致的土地石質化是喀斯特山地石漠化的核心[8]。西南喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖連續(xù)分布、成土速率低、土壤總量少、允許土壤流失量小,在坡耕地上開展耕作不僅破壞了土壤的肥力、抗侵蝕性、顆粒組成、水穩(wěn)性團聚體及地表植被等[9],還加速了土壤地表、地下流失和生物流失,間接驅動坡地石質化[10]。基于這種情況,坡改梯在喀斯特地區(qū)石漠化治理中應用范圍非常廣。實施坡改梯工程,能有效降低土壤侵蝕強度、增加入滲、提高土壤含水量[11],不僅能保護石漠化地區(qū)珍貴的土壤資源, 崔靜等:喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理研究而且能大幅度增加耕地糧食產(chǎn)量,有效促進石漠化山區(qū)糧食與生態(tài)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展[12]??λ固氐貐^(qū)水資源相對豐富[13],但地質地貌特殊,地表地下雙層空間結構發(fā)育顯著,導致水源漏失、深埋,形成“土在樓上、水在樓下”水土資源不配套的基本格局[14],可利用的水資源不足,造成工程性缺水[15]。因此,統(tǒng)籌好石漠化地區(qū)水資源開發(fā)利用是非常必要的。研究表明,集雨工程建設能夠集蓄雨水,緩解石漠化地區(qū)灌溉缺水現(xiàn)狀,在喀斯特水資源利用與應對干旱方面有很高的實用性[16-17]。同時,在有效攔截地表徑流的基礎上,通過利用提取水技術、引蓄水技術等,輔以必要的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術,如噴灌、滴灌等,既能緩解灌溉缺水現(xiàn)狀,又能解決工程性缺水問題。在喀斯特地區(qū)實施能源工程如沼氣池、太陽能及其他節(jié)能工程等,可以通過減少農(nóng)村家庭因燃料缺乏而過度樵采造成的植被破壞,達到抑制石漠化形成和發(fā)展的作用。

        2.2耕作技術不合理耕作會引發(fā)水土流失,造成環(huán)境惡化、地力衰退、生態(tài)破壞及自然災害加重等惡性后果[18]。改進耕作方式、調整種植模式、開展土壤改良等是喀斯特地區(qū)石漠化治理常用的耕作技術。相較于傳統(tǒng)耕作,免耕覆蓋、橫坡耕作、聚壟耕作是常用的保護性耕作措施[6]。衣明圣等[19]研究表明,保護性耕作模式(免耕覆蓋)與傳統(tǒng)耕作模式(深松覆蓋、傳統(tǒng)耕作)相比,免耕覆蓋下作物產(chǎn)量比深松覆蓋、傳統(tǒng)耕作顯著增高,增產(chǎn)率分別達14.63%和5.07%,且土壤表層中有機質、全氮、速效氮等的含量也顯著高于深松覆蓋、傳統(tǒng)耕作。農(nóng)作物秸稈富含有機物質和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,將其覆蓋還田,可提高土壤有機質、氮、磷和鉀等養(yǎng)分含量,增強土壤水分的保蓄能力,減少水土流失,增加作物產(chǎn)量等[20],已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采取的耕作處理方式[21]。潘焰菲等[22]的研究表明,秸稈覆蓋度在50%時能顯著減少地表侵蝕量,主要原因是秸稈覆蓋顯著增大了地表粗糙度,減緩了地表徑流,降低了徑流轉化為侵蝕動力源的可能。少耕加秸稈覆蓋也是改善石漠化土壤環(huán)境質量切實可行的保護性耕作措施[23],通過提高土壤有機質及全氮含量,降低土壤密度,增加土壤孔隙度,提高土壤蓄水量等,達到作物增產(chǎn)的效果,比習慣性耕作處理提高作物產(chǎn)量4.7%~5.3%。橫坡耕作可改善土壤理化性質、提升土壤質量、減少水土流失[24]。與傳統(tǒng)的順坡耕作相比,橫坡耕作顯著減少了N、P等土壤養(yǎng)分的流失[25]。保護性耕作措施下不同耕作技術的水土保持效益不盡相同,大致呈生物覆蓋>橫坡耕作>順坡耕作。單純依靠某一種耕作技術并不能杜絕水土流失,左長清等[26]通過研究紅壤坡地果園不同耕作措施的水土保持效應發(fā)現(xiàn),橫坡耕作仍有1 550.45 t/(km2·a)流失量,超過南方容許流失量500 t/(km2·a)標準。要從根本上控制水土流失,還需要組合多種措施。

        2.3生物技術植被恢復可以改變土壤的物理、化學、生物屬性,并使土壤結構、養(yǎng)分和微生物狀況向好的方向發(fā)展[27],是喀斯特地區(qū)石漠化山地生態(tài)恢復、水土流失防治的有效措施。封山育林、人工造林、退耕還林還草、生物結皮等是喀斯特地區(qū)石漠化治理主要的生物技術,其中封山育林最直接、最有效。在長期的自然封育下,植被能夠依靠僅有的石縫土頑強生長,生長出來的根系可以直接利用各種裂隙在巖層中形成巨大的生態(tài)空間來滿足生長繁殖等自身需求,進而實現(xiàn)自我更新演替,形成復合的植物群落[28]。植樹造林等人工措施很難使植被在巖石表層直接生長起來,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)自然演替過程非常困難且漫長,與自然恢復的天然林相比,形成的人工林在植被群落的穩(wěn)定性、生物多樣性、生態(tài)服務功能等方面均處于劣勢,因此在喀斯特地區(qū)石漠化治理中自然恢復要優(yōu)于人工措施。然而,因自然恢復周期較長,故為加快石漠化治理,實踐中通常會選擇鄉(xiāng)土樹草種,采用人工造林、補植、種草等措施來加速植被恢復速率,推動植被正向演替[29]??λ固氐貐^(qū)因缺少植被保護,故表層土壤非常容易遭受侵蝕,生物結皮的發(fā)育能增加表層土壤的穩(wěn)定性,提高其抗侵蝕能力。生物結皮是由各種藻類、菌類、苔蘚、地衣等共同組成的一個復合生物土壤層,是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[30]。生物結皮能夠通過自身特殊的植株形態(tài)結構實現(xiàn)對土壤水分的攔截儲蓄,為其他植物種子的萌發(fā)提供條件[31],能夠有效改善土壤結構與理化性質,提高土層的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力,減少水土流失[32]。在喀斯特石漠化地區(qū),生物結皮以苔蘚植物中的蘚類植物為主,其具有石生性的特點,且耐寒性強,吸水性強,生物量相對較大[33],作為石漠化地區(qū)的先鋒植物,在推動植被演替進程中發(fā)揮著重要作用。生物結皮可以促進地表原生生物結皮的擴展,增強地表覆蓋,改良土壤微生物肥力,進而起到改良土壤結構和功能、促進生態(tài)系統(tǒng)快速恢復的目的[34]。李冰等[33]分析了生物結皮層蘚類植物在喀斯特石漠化治理中的作用,苔蘚植物通過提高巖石的持水量,促進巖體的風化和土壤的形成,同時生物結皮厚度、生物量與成土量呈正相關關系。不同類型的生物結皮對石漠化地區(qū)土壤理化性質的影響不同[35],選擇合適的蘚類可以加速石漠化治理的進程。

        3石漠化治理模式缺水、少土及植被恢復困難導致生態(tài)環(huán)境脆弱是喀斯特地區(qū)巖溶生態(tài)系統(tǒng)的基本特點。石漠化是人類不合理開發(fā)利用與脆弱生態(tài)環(huán)境疊加的最終表現(xiàn)形式,同時制約著經(jīng)濟社會發(fā)展,是造成區(qū)域經(jīng)濟落后的原因。因此,以蓄水、治土、植被恢復為核心,是喀斯特地區(qū)石漠化治理的關鍵,帶動區(qū)域鄉(xiāng)村振興是石漠化治理的目標。然而,僅靠單一技術措施形成的植被群落結構單一,穩(wěn)定性和可持續(xù)性差,沒有實現(xiàn)系統(tǒng)治理,綜合效應難以顯現(xiàn),即便是治理好的地塊,也會因后期管護跟不上等,面臨退化的風險。為從根本上解決問題,經(jīng)過多年的探索,喀斯特地區(qū)已形成了多種石漠化治理復合模式,實現(xiàn)了綠水青山向金山銀山轉變。1)林草植被恢復帶動農(nóng)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。主要是通過植被恢復結合水資源開發(fā)利用,帶動農(nóng)林產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。如廣東省通過林草植被恢復[36],探索出“封山育林+人工造林+開發(fā)果園+修筑山塘+養(yǎng)殖魚雞鴨”的大羅嶺模式,以“山頂一片林、山腳一園果、塘里一群鴨、樹下一群雞”促進農(nóng)林產(chǎn)業(yè)有機結合;以及“封山育林+水利工程建設+發(fā)展高寒地區(qū)特色蔬菜農(nóng)業(yè)”的祖嶺模式,幫助區(qū)域群眾走上品牌農(nóng)業(yè)發(fā)展之路,實現(xiàn)農(nóng)民增收致富和生態(tài)良好的良性循環(huán)。2)水土保持模式。通過土地整治、客土改良等實施坡改梯工程,增加耕地有效面積,提高攔截泥沙能力,同步配套建設蓄水池、截排水溝等,將治理區(qū)域內的降雨蓄積,保障耕地有效灌溉,最終達到減少水土流失、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。對于缺水嚴重的地區(qū),除上述措施外,還應配套工程節(jié)水和生物節(jié)水措施,發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)。3)生態(tài)移民模式。在喀斯特地區(qū)石漠化嚴重的地方,因人地關系嚴重失調,人口密度遠超生態(tài)承載力,故可通過人口易地搬遷,輔以封山育林、人工造林等植被恢復措施達到石漠化治理的目的。4)生態(tài)旅游模式。通過發(fā)展喀斯特地區(qū)石漠化的景觀價值、教育價值、探險價值等,推動創(chuàng)建石漠化公園,打造石漠化治理典型,促進地方生態(tài)觀光旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展,如云南省文山州西疇縣石漠國家公園、云南彌勒山地石漠化公園、連南萬山朝王國家石漠公園。5)綜合治理模式。以小流域為治理單元,針對不同石漠化特點,進行配套模式組裝,開展山、水、田、林、路綜合治理,針對不同石漠化等級提出不同治理思路和措施[37-38]。

        4分析和展望總體而言,在大規(guī)模生態(tài)保護和生態(tài)建設背景下,喀斯特地區(qū)石漠化面積擴張趨勢得到全面遏制,生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。然而受喀斯特地區(qū)二元三維結構、土層淺薄不連續(xù)、土壤總量少、成土速度慢,以及生態(tài)治理恢復的長期性、復雜性等因素影響,喀斯特地區(qū)石漠化治理面臨著治理成效鞏固難、可持續(xù)性差、治理技術與模式缺乏區(qū)域針對性、植被群落穩(wěn)定性欠佳等問題,如何提升喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣性、穩(wěn)定性、持續(xù)性成為喀斯特地區(qū)石漠化治理面臨的重要挑戰(zhàn)。面對新的挑戰(zhàn),喀斯特地區(qū)石漠化治理要持續(xù)加強對蓄水、保土、植被恢復等方面的研究,堅持尊重自然、順應自然,結合本區(qū)域實際,合理配置石漠化治理模式,注重區(qū)域農(nóng)業(yè)結構調整與生態(tài)產(chǎn)業(yè)培育,強化產(chǎn)業(yè)生態(tài)化、生態(tài)產(chǎn)業(yè)化,使石漠化治理效果具有可持續(xù)性。同時,堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統(tǒng)治理,轉變修復治理思路,從側重單一生態(tài)要素、單一生態(tài)過程的研究向多要素、多過程、多尺度轉變,探索石漠化治理一體化解決方案。注重石漠化治理標準體系研究,完善生態(tài)監(jiān)測評估標準規(guī)范,解決怎么治、治到什么程度、如何判斷治理成效的問題。石漠化治理成本高,加之后期管護等相關費用需求量大,僅靠有限的財政資金任務艱巨,應加強喀斯特地區(qū)石漠化管理相關政策研究,探索多元化投融資機制,鼓勵社會資本參與石漠化治理。最后,喀斯特地區(qū)石漠化治理要防治結合,針對非石漠化區(qū)域加強生態(tài)系統(tǒng)退化機理研究,減少石漠化發(fā)生。

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