西南喀斯特地区水土过程与植被恢复重建*

陈洪松，付智勇，张伟，聂云鹏

①中国科学院亚热带农业生态研究所 农业生态过程重点实验室，长沙 410125；②中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，广西 环江 547100

我国是世界上喀斯特面积最大(344.3万km2)、分布最广、类型最多的国家，其中西南喀斯特地区(约55万km2)是全球三大喀斯特集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大、岩溶发育最强烈的地区。由于特殊的地质背景和强烈的岩溶作用，加上近现代人类不合理的土地利用，长期以来该区石漠化和贫困问题相互交织，生态保护与社会经济发展矛盾突出[1-3]，是生态治理与扶贫攻坚的重点、难点区。经过“十一五”“十二五”期间大规模地实施退耕还林、封山育林、扶贫开发、生态移民等措施，西南喀斯特地区生态重建初见成效，石漠化面积已实现由持续增加向“净减少”的重大转变。但是，由于人为驱动因素依旧存在，加上自然灾害的不确定性和生态系统的脆弱性，稳定性差的植被群落易因外来破坏因素影响而逆转，石漠化防治形势依然严峻[4]。长期以来，由于西南喀斯特地区基础研究薄弱，对水土流失过程及机理认知不足，对土地退化成因与发生机制了解不清，石漠化综合治理工程成效的科学评估以及可持续性治理技术与模式的缺乏，难以为工程建设提供有效的科技支撑[5]，直接影响扶贫攻坚进程和2020年全面建成小康社会的宏伟目标的实现。

“十三五”是我国全面建设小康社会的关键期，也是建设生态文明的重要阶段，迫切需要寓经济发展于生态治理之中，将植被恢复与生态治理和民生改善有机结合。作为西南生态安全屏障区和扶贫攻坚核心区域，随着石漠化综合治理二期工程的全面开展，亟需系统梳理和总结一期治理工程成效与存在问题，基于水文-侵蚀过程与特征来思考植被恢复重建策略，以巩固一期治理工程成果，确保二期治理工程的顺利实施，促进西南喀斯特地区生态服务提升和社会经济可持续发展，实现区域生态经济双赢的目标。

1 土壤-岩石环境特征

西南喀斯特山区地形地貌复杂多变，岩石裸露率高、土层浅薄且不连续、地表缺水少土、景观异质性强等是其基本特征。西南喀斯特地区碳酸盐岩风化成土作用缓慢，形成1 mm厚的土层需要250～7 880 a，一般比非喀斯特地区慢10～40倍[7]。碳酸盐岩风化成土的快慢除与碳酸盐岩溶蚀速率成正比之外，还与碳酸盐岩酸不溶物含量(一般＜ 4 %)的高低成正比[6]。已有研究资料表明，广西碳酸盐岩的溶蚀风化形成1 mm厚的土层需要250～850 a[7]，而贵州碳酸盐岩溶蚀风化形成1 mm厚的土层需要630～7 880 a[6]。碳酸盐岩风化形成的石灰土，其理化性质有别于地带性土壤，表现为富钙、偏碱性、有效营养元素供给不足且不平衡、质地偏黏、有效水分含量偏低[7]。与同纬度红壤相比，受干扰胁迫较小的原生林、次生林、灌丛石灰土养分含量较高，但一旦开垦利用，养分含量急剧降低[8]。

西南喀斯特山区土壤与母岩之间界面明显，缺乏过渡层，结合力差，是人为扰动诱发水土流失、块体滑移以及石漠化的重要原因之一。该区分布最广的两类岩石是石灰岩和白云岩，二者在岩石裂隙发育程度、风化作用方式、土层厚度、碎石(＞ 2 mm)含量及风化壳持水性能等方面都有较大差异(图1)。与石灰岩相比，白云岩的风化深度和程度较大，岩石渗漏性较弱，二元水文结构不发育，其溶蚀残余物质能相对均匀地分布地表，土层较厚但多含碎石[9]。碳酸盐岩的可溶性以及长期强烈的岩溶作用，致使喀斯特地区地形破碎、崎岖不平，从而导致景观异质性高和生境多样。该区土壤在较大尺度呈集群分布，受控于地貌部位和裂隙的空间展布；在较小尺度呈均匀分布和随机分布，常分布于石沟、石缝等肥沃生境[10]。岩石与浅薄且不连续土层的相互镶嵌，即土壤与石面、石缝、石沟、石洞、石槽、溶洞等组合形成多种小生境类型，显著地改变了小尺度范围内的水文循环和土壤侵蚀过程，是导致生境高度异质性和土壤水文生态功能差异的重要原因。即使在岩石裸露率较高的情况下，不同生境的组合类型不同，相应的生境严酷程度也不同，土壤水分、养分状况也有很大差异。喀斯特生境的异质性是植被演替的主导因子，植物对各种类型小生境的利用特点为喀斯特环境不同岩石裸露率地段采取相应的植被恢复途径和方式提供了理论依据[9,11]。

图1 西南喀斯特地区石灰岩(左)和白云岩(右)断面土壤-岩石结构特征

2 水文-侵蚀特征

2.1 水文过程与模拟

西南喀斯特地区虽然降雨充沛，但时空分布不均，强烈的岩溶作用形成地表地下二元三维空间结构，导致水文过程迅速、复杂且时空异质性强，降雨可通过竖井、落水洞、漏斗等迅速汇入地下，常形成“地下水滚滚流、地表水贵如油”的特殊现象。该区流域尺度降雨径流系数较高(一般0.4～0.7)，但坡面地表产流很少(＜ 5 %)[12-13]。坡面尺度，喀斯特山地除地表径流外，还存在壤中流、渗透流、坡下流、竖井流、地下径流等多种形式。坡面定位观测和模拟降雨试验表明，坡面水文过程以地下过程为主，地表径流一般只有在高降雨强度下才会发生，常呈现蓄满产流机制，超渗地表径流发生概率低[12,14]。土壤-岩石界面壤中流是该区一种重要的水文过程，其产流符合“充填-溢出”理论：土壤-岩石界面饱和区沿坡由下向上逐渐扩展，当地下饱和区连接起来后产生壤中流；而当水位达到地表时，才开始产生地表径流[15]。在垂直梯度上，喀斯特山地呈现出上陡下缓的地形特征，在岩溶作用和地形因子综合控制下，土壤类型分异明显，降雨入渗和产流过程也具有明显的垂直分异特征，直接决定了不同坡位需采用不同的石漠化治理和植被恢复措施(图2)。

图2 西南喀斯特山坡土壤水文特性以及植被空间格局和石漠化垂直分带治理模式

喀斯特区溶隙、溶洞、管道等多重介质构成的裂隙水流、地下管道流发育，对喀斯特流域产汇流起主导作用。它们不仅是水流通道，而且是养分、污染物以及泥沙的运移通道。理解小流域地下水流在这些管道里产生、发展、形成网络及其控制因素，对洪水预报、污染物运移、养分流失、水资源管理以及其他水文和生物化学过程具有重要意义。然而，这些地下水流通道很难观测、测量并绘制成图。建立喀斯特小流域水文模型，有助于掌握喀斯特含水层对降雨的响应及流域储水量的变化。但是，由溶隙、溶洞及管道等多重介质所构成的喀斯特含水系统是一个不断变化的复杂动态系统，其与大气降水、地表水、土壤水和地下水之间的水文循环过程极其复杂，具有裂隙流和管道流并存、层流和紊流并存、线性流和非线性流并存、连续流和孤立水体并存的特点，给水文模型的建立带来很大困难。目前应用于喀斯特含水层的水文模型可分为3类：黑箱模型(经验模型)、概念模型(灰箱模型)和分布式模型。黑箱模型将一个蓄水区看作一个包括输入(入渗)和输出(排水)的黑箱系统，尽管其对喀斯特区域水文系统功能模拟方面有独特的优势，但它不能提供或不涉及含水层的物理或水文机制，不能获取水量、能量转换的详细信息，也不能考虑人为干扰等作用，无法进行真正的预测[16]。概念模型根据一些假定使用简单的方程来描述复杂的系统过程，模拟无资料地区的水文过程比较理想，然而其对系统的结构和水动力特征定量研究不够，参数没有明确的物理意义，尺度问题也是限制其应用的一个重要因素[16,19]。分布式模型将整个流域划分为多个网格求解，真实反映了计算单元内松散介质水流与裂隙水流，能够提供研究区内部水文信息，是未来喀斯特流域水文模型的发展方向。虽然分布式水文模型可以量化喀斯特地下含水层的空间补给特征，但是，其对地形、地貌、地质、植被、土壤、气象等基本要素资料的要求比较严格，这在缺乏实测资料、内部结构复杂、水力参数空间异质性强的喀斯特小流域中应用比较困难[19-20]。因此，建立能反映水文过程与植被互馈机制的水文模型，有助于量化地下含水层空间结构，为深入评估人类活动和气候变化对流域植被变化的生态水文效应提供科技支撑。

2.2 土壤侵蚀特征与定量评估

喀斯特地区土壤侵蚀的研究起步较晚，国外始于20世纪20年代，而我国始于20世纪60年代，但比较大范围的研究从20世纪80年代才开始[21]。受地表覆盖、土壤-岩石空间分布、表层岩溶带结构、地表-地下网络通道水文连通性等因素的综合影响，不同地貌类型区坡地地表侵蚀产沙存在一定的差异。通过径流小区、侵蚀划线或核素示踪等手段获得喀斯特坡面年均地表土壤侵蚀模数大部分比较微弱(＜50 t·km-2·a-1)，但耕作、放牧、砍伐等人为干扰可加剧地表土壤侵蚀[5]。这些研究支撑了水利部将西南喀斯特地区土壤容许流失量标准从500 t·km-2·a-1降低到了50 t·km-2·a-1。当然，除地表雨滴溅蚀和径流侵蚀外，还存在多种形式的水土地下漏失[3,22-24](图3)。通过野外监测、核素示踪和地下河泥沙监测等技术，对地下地表土壤流失比例、地下土壤流失量取得了初步认识，但是研究结果不一。有的认为土壤侵蚀以地下漏失为主，也有的则认为以地表侵蚀为主。由于喀斯特裂隙结构的地下隐蔽性、复杂性和高度异质性，水土漏失表现出极强的时空异质性、非线性和尺度依赖性，亟需研发土壤地下流失的监测手段和技术，以深入揭示土壤地下流失的发生与发展规律[5]。

图3 西南喀斯特山地坡面水土二元流失途径

随着野外定位观测、核素示踪、与遥感和地理信息系统相结合等各种研究技术和方法的应用以及对土壤侵蚀过程和机理的进一步认识，各国学者尝试建立适用于喀斯特地区或者改进已在非喀斯特区成功应用的土壤侵蚀模型。已在我国西南喀斯特地区使用的土壤侵蚀模型有USLE/RUSLE、RMMF、WEPP及SWAT等。其中，USLE/RUSLE是经验统计模型，所需参数少，在喀斯特地区应用较多。但是，由于相关基础研究薄弱，且缺乏野外试验的支持，部分参数无法直接获取，多使用经验公式换算或借鉴其他类型区，模拟结果具有较大的不确定性。已有侵蚀模型大多建立在地表径流冲刷的前提下，因此在地表产流产沙少的西南喀斯特地区应用时都需要进行参数修正或校正，以与实测结果相对一致[25-27]。

3 植被恢复现状与对策

生境的高度异质性是喀斯特生态系统最重要的特征，也是形成西南喀斯特地区丰富的植物物种多样性和特色种质资源的主要原因。然而，受地质背景和特殊的二元三维空间结构的制约，西南喀斯特地区生态环境脆弱，植被具有石生、旱生、喜钙等特性，一旦因人为干扰破坏，极易导致石漠化，对应着地表植被的急剧退化和植物生长环境的根本性改变。通过实施石漠化综合治理、生态移民、退耕还林还草等一系列生态工程，西南喀斯特区域石漠化整体扩展趋势得到有效遏制，植被恢复成效显著。国土资源部最新石漠化遥感调查表明，石漠化总面积由2000年的11.35 万km2、2005年的12.96万km2减少为2015年的9.2万km2，经历了增长和逐步改善两个阶段[4]。21世纪以来，石漠化面积减少的主要原因是国家利用多种资源，联合各方面力量，大力实施了石漠化综合治理工程，其减少程度主要与植被修复工程力度、植被恢复的喀斯特地貌条件、水资源利用和区域经济条件密切相关。

目前西南喀斯特地区植被覆盖率提升明显，但部分区域还存在不同类型区植被恢复难易程度不一、因植被结构单一导致的植被恢复可持续性不强和生态功能弱等问题，亟需依照植物生长环境条件的差异，分区研究植物环境适应机制以及植物群落稳定性和物种多样性维持机制。比较成熟的植被恢复模式都注重在提高植被覆盖率和治理石漠化的同时，着力解决当地农民的生存和发展问题(图4)。因此，将植被恢复与生态治理和惠民增收有机结合，通过实施退耕还林还草、封山育林、“自然+人工诱导”恢复等措施，因地制宜，研发退化植被近自然改造、高值功能型植物的筛选与定向培育、人工植被复合经营与高效利用、立体高效循环特色生态衍生产业培育等技术，加快自然和人工植被恢复速率，提升植被恢复可持续性，发挥植被的碳固定、水土保持和水源涵养功能，是实现生态治理与脱贫致富双赢，促进西南喀斯特区域生态与社会经济可持续发展的重要保障。

图4 广西环江县古周示范区治理前(左)后(右)对比

4 结论与讨论

西南喀斯特地区生态环境十分脆弱，生态保护与社会经济发展矛盾突出，地表缺水少土、生境异质性高，具有环境容量小、抗干扰能力弱、稳定性低、自我调节能力差等特征，是我国生态治理和扶贫攻坚的重点和难点地区。由于地表-地下二元三维空间结构高度发育，土层浅薄且岩石渗漏性强，加上地表土被空间分布的不连续和高异质性，以及地下各形态喀斯特溶蚀系统的隐蔽和复杂性，西南喀斯特地区水文过程十分复杂，多界面产流且以地下过程为主。在这一特殊的水文过程驱动下，该区土壤侵蚀叠加了化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀的耦合作用，呈现地面流失和地下漏失的混合侵蚀机制。因此，石漠化综合治理要考虑植被对地表、地下水文过程的调节作用和对土壤侵蚀的防控作用，充分发挥植被的水土保持功能和水源涵养功能。在石漠化治理已进入从前期有效遏制转到深入推进的转型阶段，区域贫困、人地矛盾等间接驱动因素依然存在，迫切需要寓经济发展于生态治理之中。今后应在加强石漠化演变规律及其关键驱动因子、喀斯特关键带结构与功能变化、植被与水文过程相互作用等基础研究的同时，因地制宜，避免大规模高强度人工种植，将植被恢复与生态服务提升和民生改善有机结合，突破植被复合经营与高效利用技术，积极培育和发展与生态治理方向相适应的生态衍生产业，促进西南喀斯特区域扶贫开发与生态环境治理的协同，实现生态治理与脱贫致富双赢，促进该区域社会经济协同发展及西南生态安全屏障建设。

(2017年12月29日收稿)

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