喀斯特石漠化生态治理技术集成及其多尺度综合配置

柯奇画, 张科利, 王爱娟, 何江湖, 张思琪

(1.北京师范大学 地理科学学部 地理学院 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875; 2.水利部 水土保持监测中心, 北京 100055)

广义石漠化类型中，当属喀斯特石漠化分布最广，对区域内外乃至整个国家可持续发展的影响最大，引起的关注最多。而无论是从全球范围，还是从中国的情况来看，中国西南地区都是喀斯特面积最大、喀斯特地貌发育最强烈、石漠化问题最严重的地区，也是研究和防治石漠化的重点区域[1]。喀斯特石漠化，是指在脆弱的喀斯特生态系统中，人类不合理活动干扰引起植被破坏、水土流失，基岩大面积裸露或地表石砾堆积的土地退化现象和过程[2]。由此可见，石漠化的本质是地表植被破坏后水土流失长期作用的结果，水土流失是石漠化过程中某一阶段作用强度的体现，二者在成因上存在因果关系[3]。因此，石漠化治理的核心是土地石漠化地区的水土流失的治理，而从水土保持角度把握石漠化治理的方向则尤为重要。

石漠化治理是一个非常复杂的国际性的难题。其中，国外喀斯特石漠化地区的人口负担和经济压力较轻，石漠化问题并未引起广泛关注，针对石漠化治理的技术成果报道几乎没有。国外喀斯特地区的生态治理并非以石漠化治理为中心，而是关注对喀斯特景观资源和生态系统的保护[4-5]。例如，在美国[6]、英国[7]、意大利[8]、挪威[9]、斯洛文尼亚[10]、菲律宾[11]和伯利兹等[12]国家，喀斯特地区的生态治理多从政策和管理的层面上强调减少人类干扰和对生态系统和自然资源的保护，主要包括建立保护区进行自然封育[13]，对喀斯特洞穴[14]、地下水资源[15]和生物多样性[16]的保护，以及发展生态旅游业等[17]策略。而中国西南喀斯特地区人地矛盾突出，在“人多钱少、山多地少、石多土少”的背景下，石漠化治理需求紧迫、难度大、任务重，引起国内学术界和国家政府的高度重视[1]。自1989年以来，中国就西南喀斯特区石漠化相关问题开展了诸多工作，先后实施了长珠防护林建设[18-19]、天然林保护[20]、退耕还林(草)等[21]林业重点生态工程、异地扶贫搬迁[22]、石漠化综合治理工程[23]、坡耕地水土流失综合治理试点工程等[24]一系列国家重大生态工程，从不同角度对喀斯特石漠化进行治理。经过几十年的不断探索和实践，中国科研人员和广大喀斯特地区干部群众已经积累了大量的石漠化治理技术和方法[25-31]。在国际专利检索分析平台INNOGRAPHY上对喀斯特石漠化地区生态治理技术和模式的发明专利进行了搜索和统计。结果显示，2003—2020年期间，全球针对石漠化地区生态环境问题公开的中英文发明专利共有447项，且均为中国专利。由此可见，中国不仅在石漠化研究中处于领先地位[32]，还在全球石漠化生态治理技术和模式的研发中起着中流砥柱的重要作用。但针对石漠化治理技术目前依然缺乏全面系统的总结，适用于不同治理背景下的石漠化治理技术配置体系也尚未确立，这将严重影响治理措施配置效益的发挥和后续治理质量的提高。而且最新监测结果显示[33]，中国喀斯特地区生态状况依然十分脆弱，石漠化防治形势仍很严峻，防治工作任重道远。因此，构建全面、系统、能适应不同治理需要的石漠化治理技术库，形成适用于不同治理背景下的石漠化治理技术配置体系，对于提高石漠化治理成效、推动中国生态文明建设和绿色高质量发展具有重要意义。

1 石漠化治理重要概念和范畴的界定

无论是构建系统、科学的石漠化生态治理技术库体系，还是针对石漠化地区生态治理提出有效的技术配置建议，首先都需要明确相关的概念和范畴。

1.1 石漠化地区的生态治理与石漠化生态治理

石漠化地区的生态治理(ecological restoration in rocky desertification region)是指针对石漠化地区的生态环境问题的治理，包括水土流失治理、石漠化治理、地面塌陷防治、大气污染治理、地下水污染的治理、生物多样性保护、绿色生产、垃圾处理等[4]。

石漠化生态治理(eco-control of rocky desertification)是针对石漠化问题的治理，也称石漠化治理，是石漠化地区生态重建的基础。石漠化生态治理的直接途径主要有水土保持(包括植被恢复、坡改梯等)、水利建设与水资源开发、土地复垦等，间接途径则包括农村能源结构调整、生态移民和产业升级等[34]。

1.2 石漠化生态治理技术、措施、模式、范式、样板、策略

石漠化生态治理技术(rocky desertification control eco-technology)也称石漠化治理技术，指的是有关石漠化治理的各种方法和手段，如根灌技术[35]、籐冠技术[36]、苔藓—石斛—桑树生态系统治理技术[37]。

石漠化治理措施(rocky desertification control measure)是对某类石漠化治理技术的总称，如生物措施、工程措施和耕作措施[38]。

石漠化治理模式(rocky desertification control mode)是对多种石漠化治理技术的组合和配置，如广西马山弄拉的“山顶封，山坡林、竹、药，山脚果、药、草，地上粮，低洼桑”的立体复合农林模式[39]。

石漠化治理范式(rocky desertification control pattern)是对同类石漠化治理模式的高度总结，如林下经济[40]，“种—养—沼/肥”循环经济[41]。

石漠化治理样板(rocky desertification control model)指某种治理模式在某一地区的应用获得了成功，成为某地区石漠化治理的推广示范典型，如贵州的“顶坛模式”[42]，广西的“古周模式”等[43]。

石漠化治理策略(rocky desertification control strategy)指采取一些政策上的、管理上的措施来治理石漠化，如生态移民[44]、全面封禁[45]。

2 石漠化生态治理技术库的构建

2.1 资料来源

本研究石漠化生态治理技术库构建所用的背景资料来源广泛，包括：713篇与石漠化地区生态治理相关的期刊、会议、学位论文、报纸和科技成果等形式的文献，15本相关图书[46-60]，8项行业或国家标准、规范和规程[61-68]，8项石漠化地区发展与生态治理相关的规划[69-76]；加之前述的447项相关专利，各类相关资料共计1 191项。其中，文献数据来源于国内外六大权威期刊论文数据库，中文数据库包括知网、万方和维普，英文数据库则包括Web of Science，Elsevier SD和Engineering Village。通过高级检索式，对每个数据库中与石漠化治理技术有关的文献进行了检索，检索日期为2020年1月6日。其中，以知网为例的检索式为：TI= (‘石漠化 /NEAR 5 治理’) AND TKA= (‘技术’+‘措施’+‘模式’+‘对策’+‘经验’)。由于检索的目的是收集与石漠化治理方法有关的资料，因此在下载文献时排除了与治理技术模式无关的部分文献。

2.2 构建思路

(1) 以水土资源为核心。水和土是人类赖以生存的物质基础。土壤侵蚀造成水土流失，是当今世界面临的主要环境问题之一[77]。在本就缺水少土的西南喀斯特地区，水土资源的流失是导致石漠化的直接原因[78]。因此，石漠化治理技术库的构建应围绕水土资源保持和水土资源保护为核心来展开。其中，水土资源保持技术是以水土保持的3大措施[38](即生物措施、工程措施和耕作措施)为参考，分为生物技术，工程技术和耕作技术。水土资源保护技术则是针对石漠化地区水资源缺乏和土壤贫瘠现状，分为节水技术和培土技术。因此，将石漠化治理技术分为生物技术、工程技术、耕作技术、节水技术和培土技术5大类，作为技术库中的一级分类。

(2) 以功能为导向。根据以上5个Ⅰ级分类技术，对现有海量资料中的石漠化治理方法与手段进行分类整合。在此基础上，以功能为导向，根据治理需求和技术特性，在每个Ⅰ级分类技术下进一步划分Ⅱ级分类技术。石漠化治理的对象主要是人为干扰形成的石漠化坡面，主要包括坡地农耕活动，牧伐樵采活动，开发建设活动这3大类活动不合理所导致的石漠化[79]。因此，需要治理的石漠化土地类型主要包括：坡耕地，林草荒地，开发建设用地。为了满足不同类型石漠化土地的治理需要，在划分Ⅱ级技术时，会考虑其对不同石漠化土地类型的适宜度。石漠化生态治理技术库体系中每个Ⅱ级分类对不同石漠化土地类型的适宜度如图1所示。

图1 石漠化生态治理技术对不同石漠化土地类型的适宜度

(3) 以逻辑关系为线索。为了满足不同尺度(即坡面、小流域、区域尺度)石漠化治理的需要，在以上Ⅱ级分类技术的基础上进一步向下划分。以逻辑为线索，由大到小，由粗到细，层层递进，最终构建的石漠化生态治理技术库是一个具有层次性的多级分类系统。前Ⅳ级构成石漠化生态治理技术框架(图2左侧)，主要包括：5个Ⅰ级分类，13个Ⅱ级分类，31个Ⅲ级分类，87个Ⅳ级分类。技术库体系的底层由Ⅴ级分类和Ⅵ级分类组成，共包含1 125项具体的单项技术。其中，Ⅰ和Ⅱ级技术对应区域尺度的治理，Ⅲ和Ⅳ级技术对应小流域尺度的治理，Ⅴ和Ⅵ级技术对应坡面尺度具体的治理。此外，技术库底层附带有技术手册，提供单项技术的详细说明，并对适用条件、技术特点或注意事项进行总结，在此不做具体展示。

(4) 以区域特点为依据。喀斯特地区水土流失和石漠化治理具有其特殊性，普遍面临缺水少土，坡陡石多，植被恢复困难，旱涝频发的自然环境，以及传统种植业为主的产业结构和人多地少，缺粮少钱，饮水灌溉困难的社会经济背景。因此，在构建石漠化治理技术库时，选取了大量具有区域特点或符合区域治理需求的技术，如经济林草类技术中的香料和中药材，抗旱植物，穴状种植，落水洞治理和洼地排水系统等等。

3 石漠化生态治理技术的综合配置

3.1 石漠化治理背景现状类型划分

西南喀斯特区石漠化地块散布在6省1区1市457个县[33]，区域地貌类型多样，气候特征多变；人口密度和人均耕地空间分布不均，社会经济发展水平参差不齐，交通条件差异巨大。由于上述这些差异性的客观存在，即使石漠化程度相同的地块，当其位于的不同自然环境和社会经济条件下时，需要采取不同对策和模式来实施治理。因此，为了做到精准和高效治理，需要将石漠化治理背景现状进行分类。选取了石漠化程度、交通条件、人均耕地和坡面位置这4个划分依据，以刻画石漠化治理区的自然和社会经济条件。①石漠化程度。可反映石漠化条件。建议采用石块出露度指标评判，<10%时，属于无石漠化，10%～30%为潜在石漠化，30%～50%时为轻度石漠化，50%～70%时为中度石漠化，>70%时则属重度石漠化[59, 80]。 ②交通条件。可反映社会环境条件。分为好和差两个级别，具体评判指标和标准可根据治理区的实际情况而定。建议根据距离高速公路的远近来区分，例如，如果距离高速路车程小于3 h，就属于交通条件好；否则就属于差。 ③人均耕地。可反映土地承载力的剩余潜力。可分为富余和不足两种情况。如果人均耕地面积大于区域平均水平，就属于富余Ⅰ级；如果当地人均耕地面积小于区域平均水平，则属于不足Ⅰ级。在石漠化最为严重的滇桂黔石漠化片区，人均耕地面积仅为667 m2[81]。因此建议以667 m2(约1/15 hm2)为界，将人均耕地面积<667 m2的划归为不足，人均耕地面积≥667 m2的归为富余级别。 ④坡面位置。可反映石漠化治理的地形条件。分为坡上、坡中和坡下3个坡位。结合地表过程物质运移规律和地形学原理，得到一般情况下不同坡位的立地条件详见表1。

表1 不同坡位地段的立地条件对比

以上4个划分依据不同水平的各种组合，能够通过逐级制约、层层分解的方式，将石漠化治理背景现状划分为36个基本类型。针对每一个基本类型，提出一种最佳治理模式或一系列的技术集群，实现治理的因地制宜和效益最大化。

3.2 石漠化治理技术与治理背景现状类型的正向匹配

基于集成的石漠化治理技术库，根据每一项Ⅳ级分类技术的性质和应用特点，逐一确定适用的4个划分依据水平，形成一个从Ⅰ级至Ⅳ级分类技术正向匹配石漠化治理背景现状类型的列表(图2—3)。

3.3 基于治理背景的石漠化生态治理技术多尺度综合配置

3.3.1 概化配置 通过在Matlab中编写多条件反向查询算法，基于石漠化治理Ⅳ级分类技术与其适用的治理背景现状类型的匹配结果(图2—3)，以石漠化程度、交通条件、人均耕地状况、所在坡面位置的不同水平为条件，反向查询得到36种石漠化治理背景类型下的坡面尺度治理技术集群。根据石漠化治理技术库的层级关系，将坡面尺度治理技术集群中的同类技术向上归并，对归并结果进行分类组合搭配，形成小流域尺度治理技术组合配置方案。基于小流域尺度技术组合配置方案，以经济发展和生态建设为导向，提炼总结出区域尺度治理方案。不同尺度的初步概化配置结果见表2—4。

图2 石漠化治理技术与治理背景现状类型的匹配建议(上)

图3 石漠化治理技术与治理背景现状类型的匹配建议(下)

表2 不同尺度石漠化治理技术概化配置建议(轻度石漠化)

3.3.2 细化配置 概化配置后的细化配置，指的是结合治理区的自然、社会、经济条件进一步确定合适的备选植物物种，并确认是否采用培土技术、节水技术、水利工程、能源工程和确定合适的相关技术。通过概化配置和细化配置相结合，既能得到不同尺度的石漠化治理方案，又能将石漠化生态治理具体落实到单项技术，达到总体治理方向和具体治理手段兼顾的实用效果。

(1) 植物物种筛选。根据治理区的年降雨量、年均温、年日照时数、土壤pH值等气候土壤条件指标，从技术库中筛选出适合当地生长的备选植物物种。

(2) 培土技术确定。根据土壤健康状况的好坏，确定是否采用培土技术。若土壤健康状况良好，则去掉概化配置结果中的培土技术。如果土壤遭受污染，则需进行土壤修复；如果土壤肥力低下，则需进行土壤改良。

表3 不同尺度石漠化治理技术概化配置建议(中度石漠化)

(3) 节水技术确定。根据治理区是否干旱缺水或基于治理方案的需水程度，确定是否采用概化配置结果中的节水技术，并根据当地的自然经济条件选取合适的节水技术。

(4) 水利工程确定。根据治理区坡耕地现有的灌溉条件，确定是否考虑概化配置结果中的坡面水系工程，并根据当地是否有洼地洪涝灾害来确定是否考虑洼地排洪工程。

(5) 能源工程确定。根据治理区能源是否出现短缺，确定是否在该区建设沼气池、太阳能、小水电和其他节能工程(例如节能灶、节煤炉等)，并根据当地的自然条件和经济条件选取合适的技术措施。如果能够解决石漠化地区农村的能源问题，就可以大大地减少农村的家庭由于燃料缺乏而上山过度樵采所造成的植被破坏和水土流失现象，从而有效地抑制石漠化的形成和发展。

表4 不同尺度石漠化治理技术概化配置建议(重度石漠化)

4 基于区域发展类型的石漠化治技术模式应用总结

中国西南喀斯特区人多地少，普遍面临着3大难题：经济贫困(缺粮少钱)，生存环境条件恶劣(缺水少土、植被覆盖率低、人畜饮水困难、旱涝灾害频发等)，区域可持续发展后劲不足(农村产业结构单一、缺乏替代产业和新的经济增长点)[83]。在此治理背景下，石漠化治理应以缓解人地矛盾，解决上述3大问题为核心。因此，为了将石漠化治理融入地区发展，以经济发展方向为线索，对区域产业背景或区域发展类型进行了分类。基于建成技术库，结合现有石漠化治理模式、代表性的技术措施和常见的治理范式，对不同区域发展类型下对应的模式、技术及其适用条件进行了总结(表5)。

表5 区域发展类型及其石漠化治理技术模式应用总结

5 结 论

本研究以已有的海量文献资料为基础，根据西南喀斯特石漠化地区的区域特点，以水土保持综合治理为导向，构建石漠化生态治理技术库体系，并进一步探讨石漠化治理技术在不同治理背景下的多尺度配置问题及其在不同区域发展类型下的应用问题。这些工作有助于实现不同自然社会经济条件下石漠化治理技术的快速筛选和多尺度配置，有助于将石漠化治理融入到地区发展，为今后石漠化治理工作提供底层数据支持和治理方案参考。

石漠化治理是一个非常复杂的难题，在现实中需要面临的情况千变万化，根据各种治理条件确定最佳治理方案目前依然存在巨大挑战。本研究所提出的石漠化治理技术综合配置方法仅是一种普遍意义上的尝试，无法覆盖现实中出现的所有可能情况。将来在大数据和人工智能深度学习技术的支撑下，基于现有技术模式应用的训练，可进一步开发自动生成最佳石漠化治理技术配置和范式选择方案，并能进行效益分析评价的人机互动系统，以便于政府部门和投资者进行效益预测和风险评价。

此外，关于喀斯特地区的水土地下漏失阻控技术，主要体现在地表地下的蓄水保水和地表的拦沙固土这两个方面，未来还需进一步加强地下河堵洞成库、地下河出口建坝等地下蓄水技术的开发和研究。