喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范

曹建华, 邓 艳, 杨 慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 蓝芙宁, 黄 芬, 李建鸿

中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 桂林 541004

喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范

曹建华*, 邓 艳, 杨 慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 蓝芙宁, 黄 芬, 李建鸿

中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 桂林 541004

岩溶断陷盆地区是国家石漠化综合治理工程、生态安全屏障、连片特困区,同时也是石漠化治理科技投入薄弱。针对断陷盆地盆-山共存的环境地质结构分异,及水土资源不匹配和石漠化严重等问题,在滇东蒙自、建水、泸西为重点区,开展“喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范(2016YFC0502500)”项目的国家重点研发活动,阐明流域尺度石漠化演变机理,以水土资源高效利用为基础、生态服务功能提升为核心,研发石漠化综合治理技术,形成生态治理-生态产业协同发展模式,为生态富民和生态文明建设提供技术与示范。形成喀斯特断陷盆地石漠化机理识别-治理技术研发-生态产业模式构建-综合效益评估-国土资源空间高效利用对策等系列成果,培养一支高水平创新团队。

喀斯特断陷盆地；石漠化；环境地质分异；水土资源

喀斯特地区是地球表层系统中典型的脆弱生态区组成部分,全球喀斯特分布面积达2200万km2,约占陆地面积的15%,是地球表层系统的重要组成部分,喀斯特地下水提供了全球1/4人口生产、生活用水[1-6]。但鉴于喀斯特地区成土物质先天不足,土壤资源短缺、土壤侵蚀程度严重,且土壤侵蚀过程具复杂性和隐蔽性[7-10]；含水介质具有地表-地下双层性和不均匀性,水资源以地下水为主,开发利用难度大,季节性旱灾和涝灾频发[4,11-13]；植被立地条件恶劣,群落生态系统自然恢复缓慢、人工修复难度大[14-18],因此,喀斯特分布区是地球表层典型脆弱生态区,其对气候环境变化、人为干扰响应敏感[1-2]。

中国西南裸露型喀斯特区是全球3大喀斯特集中分布区之一,地处中国东南太平洋、西南印度洋季风区,喀斯特发育强烈,脆弱的喀斯特生态环境叠加人口压力和不合理的生产活动,导致中国西南喀斯特区在从1987年到2005年,西南石漠化的面积呈加剧趋势,每年增加1800—2000km2,相当于一个中等大小的自然县,严重制约了当地经济社会的可持续发展[1-2]。

2008年,国务院批复了《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲(2006—2015)》,在西南喀斯特石漠化区,启动国家石漠化综合治理生态工程,并取得成效：揭示喀斯特生态系统脆弱性,定义石漠化的内涵,并进行了分类、分级、分区[1-2,14]；在喀斯特地下水探测、开发技术方面取得较大成效[19-20]；揭示喀斯特区土壤侵蚀双向性和隐蔽性[21-24],制定《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》(SL461—2009)[25]；筛选和培育了一批植物品质,并就种群与环境间元素生物地球化学行为[26-34]、及适应机制进行了研究[35-38]。

2016年3月,国务院发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》,明确指出：荒漠化、石漠化、水土流失综合治理是推进国家重点区域生态修复的主要内容。

断陷盆地区是石漠化综合治理重要类型区,位于珠江、长江中上游,隶属国家“两屏三带”生态安全屏障区,虽然西南喀斯特石漠化土地面积扩展得到遏制,总体趋势转好,但滇东断陷盆地区恶化,仍然是集中连片重度石漠化区。

喀斯特断陷盆地石漠化综合治理在基础理论研究和关键技术研发方面薄弱,治理模式单一,综合效果亟待提升。因此,开展喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范,形成科技支撑服务的、产学研用为一体的生态治理-生态产业协同发展的喀斯特断陷盆地石漠化综合治理模式及示范具有重要的意义。

1 总体思路

喀斯特断陷盆地集中分布在滇东-攀西,滇东是断陷盆地发育典型、石漠化最为严重的地区。相对于其他喀斯特类型区,断陷盆地的石漠化演变、水土资源具有5方面特点：(1)受西南印度洋季风影响,形成明显干湿季节,季节性干旱严重,年平均降水量800—1100mm,70%以上的降水量集中在5月—10月；滇东断陷盆地光照强度是西南喀斯特区最高的区域,年太阳辐射量达550—630kJ/cm2[39-40]；(2)盆-山地形变化剧烈,盆地与周边山区气候反差大,与山区相比,盆地降水量低1/3,而蒸发量高1/3,年均气温高4—5℃,盆地缺水更为严重；(3)周边山区喀斯特发育,水源漏失,地下河深埋,土壤流/漏失严重,周边山区及斜坡地带是石漠化发生的主要地貌部位；(4)喀斯特地下河流域补给区面积一般都超过1000km2,结构复杂,饱气带厚度巨大,水土资源分离；(5)喀斯特地质、水文、气候条件的制约,导致植被立地条件差和群落生态的多样性。

选择喀斯特断陷盆地发育典型、国家石漠化治理工程区的蒙自、建水、泸西为重点研发区,围绕地质-气候制约的断陷盆地生态系统运行规律及石漠化驱动机制,地表-地下水、土过程与资源高效利用调控机理,生态服务功能提升与生态产业培育协同机制3个科学问题；及大功率充电联合跨孔CT 成像准确定位地下河技术,流域尺度水土资源高效利用与优化调控技术,深根系乔-灌-草生物篱土壤流/漏失阻控及水土保持生态工程技术,喜钙耐旱植物材料筛选与快繁及仿自然植物群落优化配置技术,特色经济林-草(药)-畜(禽)复合系统构建技术,生物资源利用提升与生态衍生产业培育等6项关键技术,按照“揭示石漠化机理-研发治理技术-构建生态产业模式-评估综合效益”的总体思路(图1)。

2 研究内容

(1)断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理。揭示碳、氮、钙、水在生态系统中迁移规律,阐明生态系统演替和石漠化演变过程及驱动机制。

(2)断陷盆地地表、地下水资源高效利用与优化调控。阐明流域尺度水文地质结构与水文过程,研发地下水开发、地表水调蓄、雨水收储、节水灌溉、土壤保墒等综合高效利用技术。

(3)断陷盆地土壤流/漏失阻控与质量提升。揭示坡面、高原面岩土组构与生态特点,土壤流/漏失驱动因素,研发深根系乔-灌-草生物篱等阻控技术；消减土壤连作等障碍因子,提高土壤质量。

(4)断陷盆地石漠化区植被恢复与功能提升。揭示高原面、坡面和盆地石漠化区植被退化与恢复生态学机制,进行耐旱耐瘠薄植物材料的筛选与快繁,研发仿自然植物群落构建、林-灌-草优化配置技术。

(5)断陷盆地特色生态产业的培育、技术研发与示范。研发优质林(果)-药(菌)、林-草-畜等生态衍生产业技术模式,进行特色生物资源利用与加工企业、生态旅游产业的培育。

(6)断陷盆地石漠化综合治理模式与技术集成。集成水土资源高效利用、石漠化生态治理-生态富民耦合调控技术,形成可推广的综合治理模式,县域示范,国际合作,技术共享。

本项目依托联合国教科文组织国际岩溶研究中心、国际泥沙研究培训中心,及4个国家级、6个省部级平台,由中国地质科学院岩溶地质研究所牵头,联合国土资源部、中国科学院、教育部、水利部、国家林业局的科研、高校、企业等18个具有前期基础的优势单位,共同组成跨部门、多学科、产学研用联合攻关的队伍。本项目的申报还得到蒙自市、泸西县、建水县政府的大力支持。

图1 项目技术路线及研究内容间的相互关联Fig.1 Program technical route and the correlation between the content of research

3 总体目标、考核指标或预期成果

3.1 总体目标

针对喀斯特断陷盆地盆-山共存的环境地质结构,及水土资源不匹配和石漠化严重等问题,阐明流域尺度石漠化演变机理,以水土资源高效利用为基础、生态服务功能提升为核心,研发石漠化综合治理技术,形成生态治理-生态产业协同发展模式,为生态富民和生态文明建设提供技术与示范。

具体目标包括以下6个方面：

(1)阐明碳、水、钙和氮等物质元素在断陷盆地喀斯特生态系统中循环规律,解析断陷盆地石漠化演变机理与模式,为石漠化治理技术、生态产业模式提供依据。

(2)揭示断陷盆地流域尺度“五水(雨水、地表水、喀斯特表层带水、地下水、土壤水)”转换规律,研发地下水开发、地表水调蓄、雨水收储、水质修复、节水灌溉等综合高效利用技术。

(3)揭示高原面及其与盆地交界坡面的土壤侵蚀关键驱动因素与阻控机制,研发深根系乔-灌-草生物篱土壤流/漏失阻控及水土保持生态工程技术；阐明土壤质量退化过程,研发土壤质量提升与特色作物连作障碍消减技术。

(4)基于断陷盆地植被退化与恢复生态学机制,研发筛选、快繁、群落构建、可持续性经营技术,构建仿自然植物群落与林-灌-草优化配置模式与示范。

(5)筛选具生态产业前景的乡土经济物种,开展引进物种的适应性研究,研发复合经济林-草(药)-畜(禽)等系统和复合水/干果技术,形成生态衍生产业模式并示范,培育特色生物资源加工企业。

(6)发表能佐证上述科学研究、技术研发和产业模式的论著,申请或授权专利,编写技术规程/标准；建立示范基地,形成断陷盆地石漠化综合治理可供借鉴的范式(例)；培养一支在我国断陷盆地喀斯特生态系统及石漠化治理领域的高水平创新团队。

3.2 预期成果与考核指标

学术成果：通过本项目研究成果的总结凝练,将在地质、水文、水资源、生态与环境等领域期刊上发表学术论文150 篇以上,其中国际主流期刊SCI 论文35 篇以上；围绕断陷盆地喀斯特生态系统形成演化与石漠化演变机理、综合治理技术途径、断陷盆地生态产业可持续发展机制等方面,出版学术专著3—5 部,形成断陷盆地喀斯特生态系统框架,完善喀斯特生态系统理论,巩固喀斯特生态系统国际领先地位。

技术成果：针对国家重大目标、尤其石漠化综合治理和脆弱生态修复和保护,通过关键技术研发,形成石漠化治理技术模式8—10 项,申请专利30—35 项,编写断陷盆地石漠化综合治理相关技术规程/标准3 个,为国家断陷盆地石漠化综合治理提供技术支撑。

示范成果：建立示范基地3 个,核心示范区面积3000 亩,核心区植被覆盖率提高30%,水土流失率降低40%,水资源利用率提高25%,年人均收入增加15%,形成生态产业模式6—8 项。

成果推广与国际合作成果：充分发挥本项目国际平台作用,在项目执行期间,举办2 期援外国际培训班,尤其关注喀斯特石漠化地区发展中国家的学员招生；同时,举办国内尤其当地农民培训3 次,培训人数600 人以上；开展县域推广1 个。

争取与本项目相关的政府间科技合作项目、政府科学技术合作例会交流合作项目2—3项,举办1次国际学术研讨会。

人才培养成果：通过国内、国外两种途径,加强创新人才的培养。其一,在项目课题中,根据总体目标,立出创新内容,让具有发展潜力的年轻人承担,培养硕博士35 名,学术骨干20 名；其二,利用国家政策和国际平台,送年轻人到国际知名的大学、科研机构深造、学习,培养省部级以上高层次人才1—2 名；其三,培养一支在我国断陷盆地喀斯特生态系统及石漠化治理领域的高水平创新团队。

4 结语

喀斯特断陷盆地是构造成因为主体的喀斯特地质地貌类型区,该区的水循环、水资源状况受到构造断裂、裂隙的方向、深度、程度及岩溶发育程度的制约,而土壤资源受到多母质来源和西南印度洋季风影响,盆-山地形的反差丰富了植被类型的多样性、增加了复杂性和修复难度,因此,喀斯特断陷盆地类型的划分、水土植物资源禀性阐明,针对石漠化演变及综合治理显得十分重要；

中国喀斯特区石漠化综合治理从前期治理侧重遏制石漠化面积扩张、增加植被覆盖率为主,转向提升单位面积生态服务、培育生态治理衍生产业为主,服务国家生态文明建设。针对喀斯特断陷盆地石漠化治理前期科技投入力量薄弱、治理模式单一、效果不明显,本项目需要充分吸收消化峰丛洼地、高原类型区石漠化治理已有的经验,需要站在新起点、更高要求上部署项目实施方案,强调因地制宜、宏观与微观相结合,强调背景调查、基础研究服务石漠化治理技术研发和生态产业模式构建,点的工作部署,要考虑在面上的代表性和推广性,尤其生态产业的模式要考虑与当地经济社会的实际需求相结合；

在揭示断陷盆地石漠化随时间尺度演变、分析成因机制的基础上,工作部署强调空间尺度的3个级别：喀斯特地貌部位(盆地边缘丘林、周边中高山高原面、斜坡带),不同地貌部位地质、气候、水文特征的揭示,物质能量循环规律的掌握,是认识断陷盆地生态系统和石漠化演变的基础；流域尺度(补给区、径流区、排泄区)喀斯特断陷盆地地下河流域的面积通常面积大,水文地质条件复杂,了解和掌握断陷盆地流域尺度的水循环、水资源空间分配和合理开发利用及管理,对石漠化综合治理和生态产业可持续性具有十分重要性；区域尺度(县域、地级州市、断陷盆地大类型区),石漠化治理、生态系统服务功能提升、国土资源的空间规划将明显受到国家政策和地区政府管理条例的影响。

致谢：本项目的立项、尤其在实施方案的编写过程中,受到专业机构21世纪议程管理中心、项目牵头单位的主管单位、专项指南专家组和同行专家的指导,课题牵头单位中国地质科学院岩溶地质研究所、云南省地质调查局、中国科学院亚热带农业生态研究所、中国水利水电科学研究院、北京林业大学和云南省红河哈尼族彝族自治州、蒙自市、泸西县和建水县政府的大力支持,感谢参加本项目的18个单位、116位专家学者的辛勤劳动。

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Rocky desertification evolution, treatment technology and demonstration in Karst faulted basins,Southwest China

CAO Jianhua*, DENG Yan, YANG Hui, PU Junbing, ZHU Tongbin, LAN Funing, HUANG Fen, LI Jianghong

KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences/InternationalResearchCenteronKarstundertheauspicesofUNESCO,Guilin541004,China

Karst faulted basin area is ecological security shelter and contiguous poverty zone with paying rare attention to science and technology in comprehensive rocky desertification treatment of national engineering. Many problems like the geologic structure basin-mountain coexistence, water and soil resources in separation and serious rocky desertification still exist there. And these problems have a great influence on regional ecological security shelter function. Based on the National Key Research and Development Program of China “Rocky desertification evolution, integrated control technologies and demonstration in karst faulted basin area, Southwest China”, Mengzi, Jianshui, Luxi in the eastern Yunnan are selected as the key study area, the mechanism of rocky desertification evolution at the basin scale would be illustrated, with the enhancement the utilization efficiency of water and soil resources, the ecological service function increasing，will be undertaken. We also build collaborative development model both ecological management and ecological industry, and provide technology and demonstration for ecological enriching people and ecological civilization construction. The expected outcomes of our investigation and research, are the mechanism of rocky desertification in karst faulted basins, technologies on integrated control, models of ecological industry, comprehensive benefit evaluation, and efficient space utilization of land resources, as well as high level of innovation team.

karst faulted basin; rocky desertification; environmental and geological differentiation; water and soil resources

国家重点研发计划项目(2016YFC0502500)

2016- 10- 12

10.5846/stxb201610122068

*通讯作者Corresponding author.E-mail: jhcaogl@karst.ac.cn

曹建华, 邓艳, 杨慧, 蒲俊兵, 朱同彬, 蓝芙宁, 黄芬, 李建鸿.喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范.生态学报,2016,36(22):7103- 7108.

Cao J H, Deng Y, Yang H, Pu J B, Zhu T B, Lan F N, Huang F, Li J H.Rocky desertification evolution, treatment technology and demonstration in Karst faulted basins,Southwest China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7103- 7108.