喀斯特生態系統退化診斷特征及風險評價研究——以畢節石漠化為例

梁玉華，張軍以2，，樊云龍

（1.貴州師范學院 地理與旅游學院，貴陽550003；2.南京大學 地理與海洋科學學院，南京210046）

喀斯特石漠化是喀斯特地區生態系統退化的主要類型，也是喀斯特生態系統退化最終形成的一種類似于荒漠化的自然景觀?？λ固厣鷳B系統由于其自然基底環境的脆弱性，具有正向演替緩慢，穩定性差，易受外界干擾而發生演替終止或逆轉的特點，系統的逆轉演替速率遠高于正向演替速率，決定了喀斯特生態系統破壞后極難恢復的特性。貴州省位于世界三大巖溶集中分布區之一的東亞片區的核心地帶，喀斯特地貌發育強烈，地表崎嶇，坡度小于6°的面積僅占全省面積的8%左右，屬于典型的山地省份。貴州省國土資源廳／地礦局的調查數據顯示，貴州省石漠化面積占全省總面積的31%。同時由于地處亞熱帶濕潤氣候區，降水豐富，年均達1 179mm，水土流失敏感性高。強烈的巖溶作用生成的大量裂／溶隙、落水洞等，使地表水難以保存，地表滲漏能力強。研究表明西南喀斯特地區，中度敏感以上區域占總面積的82.8%，不敏感區域面積比例僅占6.4%［1］，在植被缺乏的情況下，土壤極易受侵蝕。因此，喀斯特生態系統穩定的關鍵因素在于植被，植被破壞后，自然演替從森林→疏林→萌生灌叢→藤刺／草灌叢→石漠化發生逆轉的時間較正向演替形成森林生態系統的時間短。

1 喀斯特退化生態系統的診斷特征

喀斯特頂級成熟森林生態系統與非喀斯特地區森林生態系統相比，森林物種多樣性低，結構簡單，生產力低，抗干擾性差。研究表明，茂蘭喀斯特森林群落的綠色生物量為149.123t／hm2，遠低于同生態位的非喀斯特森林，只相當于沙漠邊緣或北泰加林的150t／hm2［2］。成熟生態系統受到超過自身可承受閾值的破壞性外因（自然或人為）干擾下，生態系統將表現出結構簡化、生態過程受阻、功能狀態受損，即生態系統受損而出現退化的趨勢。據此喀斯特退化生態系統可分為以下幾類［3］：（1）結構受損型，即在自然或人為因素影響下，生態系統的結構直接受到破壞，表現為生態系統的組分發生變化，隨后引起生態系統物質循環過程受阻、功能失調等特征。比較常見有樵采砍伐、挖取藥材、尋求工業原料、病蟲害等。（2）景觀受損類型，即生態系統內部結構組分基本上沒有受到影響，但生態系統的面積減少，同時生態系統由成片連續分布變成不連續分布的斑塊，斑塊之間在空間上相對隔離。如喀斯特峰叢洼地中環形農田的分布，農田順坡向峰叢延伸，造成峰叢植被面積不斷縮小，局限于峰叢頂端，各斑塊之間相互分離或有狹窄廊道連接，形成片段化景觀。（3）復合型類型，即同時兼有前面兩種類型的特征，生態系統受損往往表現為結構和景觀上同時發生變化。但生態系統結構的變化難以定量化處理，且結構受損到一定程度才會導致景觀格局的變化，而景觀受損也將導致生態系統內部結構、過程和功能的變化。這種劃分有利于明晰不同受損生態系統類型及其作用機制，因為不同受損類型生態系統退化的過程和時間延滯存在較大的差異，帶來的變化效應也會存在較大差異。這兩種不同的受損類型中，引發退化的主要因素或者機制有所差異，但在根本上都是生態系統的正常物質循環受到影響，從而導致的功能障礙。

2 喀斯特地區生態環境特性

2.1 喀斯特地區土壤特性

喀斯特地區土壤多為土質較黏重的富鐵性黏土，氣候高溫多雨，長期強烈的化學淋溶作用，使風化物中較小的黏粒（＜0.001mm）發生垂直下移，形成上松（上層質地輕，孔隙度高，可達50%，水分容易下滲）下黏（質地黏重，孔隙度低，滲透性?。┑奈锢硇誀畈煌慕缑妫?］，不同界面的碳酸鹽巖系的抗風蝕能力強，導致土壤剖面中通常缺乏C層?；|母巖和上層土壤之間，存在明顯不同的界面，巖土之間的粘著力與親和力大為降低，土壤穩定性差，遇降雨沖刷極易產生水土流失和石漠化［5］。此外，喀斯特區高溫多雨，碳酸鹽巖溶蝕性強，90%的溶蝕物隨水流失，加之巖石中Si、As、Fe等成土元素含量較低，年平均成土模數僅為50t／km2，形成1cm厚的土壤約需2 000～3 000a以上，是其他類型母巖成土時間的10倍［6］，且土壤分布極不均勻，土層厚度懸殊。另一方面，碳酸鹽巖地表堆積物早期的溶蝕及黏土化過程是富Si、Al，脫Ca、Mg的過程與其它母巖紅土脫Si、Al過程不同，其中黏土礦物的形成和演化存在多途徑和多階段性?？傮w上，巖溶地區石灰土土壤在長期的淋溶過程中，有逐漸向地帶性紅壤化或磚紅壤化演變的趨勢［4］。在土壤侵蝕方面，由于特有的雙層地表形態結構，除土層自然侵蝕外，“土壤丟失”現象明顯，在水和重力的雙重作用下，土粒在垂直和水平方向上經微距離或短距離搬運到洼地部位或地下空間中，甚至由地下河帶到更遠的地方，嚴重制約了地表殘余物質的積累和風化殼演化的持續發展［4，7］。

2.2 喀斯特地區植被特性

貴州喀斯特地區的生態系統退化主要是原始頂級植被在受到外界干擾情況下發生的系統逆向演替，是一個在時間維度不連續的突變或漸變過程?？λ固仨敿壢郝錇槌＞G闊葉林，其環境基底地表性質與無植被覆被區一致，地表缺乏土被層，植被主要生長在石縫隙中，大徑級喬木數量不多，卻為系統的優勢群落；具有明顯的分層現象，植被群落結構完整，樹種結構復雜，喬木層發達，林下蔭蔽多為由落葉腐爛形成的富含有機質的腐殖土，動植物物種豐富，小生境復雜，系統穩定性高。據統計，在茂蘭保護區2萬hm2面積內的獸類、鳥類、爬行類和天敵昆蟲的種類分別達34，95，39，60種，維管束植物達801種［8］。這表明在相對惡劣的基底環境條件下，植被已與其小生境形成了一個穩定的生態系統，植被是整個系統穩定的關鍵因素。由于生境環境惡劣，系統的抗干擾能力較低，具備固有的脆弱性，極易退化。在系統受到外界不適當的干擾下，易出現系統退化且退化后恢復極難。如植被被破壞，導致巖溶生態系統由森林→灌叢／藤本→石漠化逆向演化，退化后生態系統重建就非常困難。因此，保護喀斯特植被系統的關鍵是確定其穩定域的大小以及在穩定域范圍內變化時，系統波動響應程度的風險幾率并與區域人為干擾強度進行橫向對比，便于對人類的擾動強度進行管理，努力控制其處于系統的穩定域內，是保證喀斯特地區植被系統乃至生態環境穩定健康的關鍵。

2.3 喀斯特地區水文特性

相關研究已表明在中亞熱帶地區的貴州高原區，不同地貌部位發育程度有所不同，表層巖溶帶的厚度一般在2m左右，相對平緩的地段，如巖溶谷地、峰叢山區的洼地底部則是發育較好的部位［9］，地勢陡峭的區域發育程度較差。喀斯特表層巖溶帶是地表和地下巖溶作用形成的各種巖溶形態構成的，不規則的呈帶狀分布的巖溶化層，其發育主要由高溫高濕下強烈巖溶溶蝕作用及巖石表面的水—巖—CO2（氣）三相不平衡狀態決定的［10］。農業耕作會加速土壤在溶痕、溶孔、溶隙等地形內的填充，使表層土壤減少，從而影響表層巖溶水的垂向循環。森林植被覆蓋度與表層巖溶泉的降水入滲系數之間存在顯著正相關關系。如森林覆蓋度10%左右的六盤水石山區，降水入滲系數為0.36，低于廣西弄拉地區（森林覆蓋度75%左右）的0.88［11］。人類活動對喀斯特生態環境影響極大，如毀林墾荒破壞植被，使水分的水平運動速率加快，影響了水分在表層巖溶帶的垂直運動。由于缺乏植被的保護，雨季易造成洪澇，旱季易形成干旱，影響植被生態環境的穩定性，導致生態環境進一步惡化。

3 喀斯特退化生態系統（石漠化）評價指標體系的構建

穩定的喀斯特頂級生態群落是土壤、植被、表層巖溶水三者結合的產物，植被是主導系統穩定的關鍵因子，也是系統退化的表征因子。診斷喀斯特退化生態系統，需要重視植被系統的變異，從生態系統的內部、外部干擾、系統對擾動的反饋調節3方面確定風險表征因子，如喀斯特地區石漠化過程作為一個“自然—干擾—響應”的復合變化過程，不僅與自然生態環境的基底有關，與人類活動也存在密切聯系，風險評價指標體系應該包括表征其內部特征、干擾及功能特征與外部環境3部分指標。

3.1 喀斯特生態系統內部特征指標

石漠化的發生受自然環境坡度和地貌及社會經濟條件的影響，包括水文、土壤、植被及覆被狀況、人為擾動的強度。這些因子是喀斯特地表生態系統穩定的關鍵，各因子狀態的差異對石漠化發生的概率具有直接的影響。此類評價指標涉及喀斯特生態系統內部特征及其生態系統穩定狀態的宏觀評價，主要包括：① 坡度。石漠化過程本身是一個水土流失的過程，坡度是水土流失的決定性因素之一，可較好地表征土壤受侵蝕風險，敏感性強。但在植被覆蓋率高的地區其對土壤侵蝕的敏感性較低；② 植被覆蓋率。植被覆蓋率的高低可表征喀斯特生態系統的退化程度及穩定性；③ 土壤侵蝕量。該指標表征土壤穩定性的強弱，對坡度變化反應敏感。一般而言，坡度越大，土壤侵蝕量越大，土被越薄；④ 抗干擾性即系統保持自身功能穩定性的能力；⑤ 生態系統服務功能。以保持水土，涵養水源、系統生物質生產能力等為綜合表征。以上因子中坡度一般決定了土被及植被覆蓋率的大小，土被厚度與植被覆蓋協同發展，植被覆蓋保護土被免受侵蝕，土被增厚促進植被生長。土被厚度與坡度在信息上存在部分重疊。

3.2 喀斯特生態系統干擾及功能特征指標

人類活動對生態的變異起到了誘導作用。人類不合理的活動，如砍伐植被、不合理耕作等，會破壞植被導致表層巖溶水循環中斷，地表干旱植被退化乃至消失，土壤裸露造成水土流失乃至土地的石漠化。人類開墾耕地、牧草地、獲取薪柴、封山育林等，對喀斯特生態系統都存在一定干擾，土地利用形式在一定程度上受系統特性的制約，并對系統的穩定性及功能產生影響。在最大承載力范圍內，系統可以滿足不同形式開發利用的要求，體現了喀斯特生態系統的服務與社會經濟功能。社會經濟發展水平制約了人類活動對自然環境的干擾方式及強度。如：①收入狀況。農民收入中農業收入比重越大，對環境的依賴性則越強，對環境的壓力越大，該因子獨立性較強；② 資源狀況?？λ固厣鷳B系統在提供耕地等資源方面的能力相對有限，對收入及人口密度變化的反應敏感性強；③ 人口壓力，包括人口素質及活動強度兩方面；④ 環境質量。植被覆蓋率、土壤侵蝕模數、基巖裸露率等；⑤ 綜合生產力。主要指系統的初級生物質生產量，該因子是綜合因子，在信息上綜合反映環境質量及人類活動等因子的綜合信息。

3.3 喀斯特生態系響應特征指標

石漠化是喀斯特生態系統的一個復雜退化演變過程，系統的開放性使其自身的演化與外界條件變化密切聯系，演變過程具有高度的復雜性和自組織性。但演化的表征可通過各子系統（如植被、土壤等）體現，各子系統通過自身的反饋機制做出反應，以自身特性表現出來。從土壤及土壤微生物的方面來講該類表征指標較多，可以歸納為以下幾個具體方面：① 系統的穩定性，土壤—植被—水循環的穩定性，通過植被蓋度變化，生物生產量變化等，表征系統各組分的物質循環功能的變化；② 水土流失面積比重，表征喀斯特生態環境中的不穩定部分，其比重越大越可以反映生態環境的受干擾及破壞程度，敏感性強。③ 溶蝕速率，主要表征喀斯特生態系統中土壤的再生能力及對水土流失的補償能力，反映了總養分庫狀況的變化及對系統的物質循環過程的影響，該因子主要受降水、溫度等氣候因素的影響，穩定性強，對外界影響的敏感度較低。

喀斯特生態系統退化（石漠化）風險評價指標的確定較為復雜，需要有限的指標獲得客觀精確的評價結果，在一定程度上要較好地反映生態系統的整體特性。依據研究區數據的可得性，選取以下指標用于喀斯特生態系統退化（石漠化）風險評價中（表1）。

表1 喀斯特生態系統退化風險（石漠化）評價指標分級及相應評分

4 實證研究

畢節地區位于貴州省西北部，地處滇黔桂連片巖溶區的腹心地帶，是典型的生態環境脆弱地區。畢節喀斯特地區由于近年來森林資源破壞及陡坡墾植、不合理的土地利用、礦產開發，森林生態等破壞嚴重、水土流失、石漠化面積增加，生態系統退化現象較嚴重。本研究采用定量和定性相結合的方法，參考和借鑒退化生態系評價的原則和方法［12］，利用建立的生態系統退化風險評價指標體系，采用特爾菲法、綜合評價法等進行退化風險評價。首先分別進行系統特征、干擾及狀態和系統響應評價。然后計算算術平均數作為退化風險綜合評價的標準（表1），根據得分將退化風險分為4個等級，具體為1等（4～5分）；2等（3～4分）；3等（2～3分）；4等（1～2分）。

4.1 數據來源

數據主要來源于《2007年貴州省統計年鑒》、《2008年畢節地區環境狀況公報》及遙感分析數據、畢節市林業局公布的《2005—2010生態環保建設數據》，貴州省國土資源廳發布的《畢節地區土地利用總體規劃》及部分野外調研考察監測資料等。

4.2 系統特征分析

由于畢節地區的坡度數據難以獲取，故以全省代替，基于貴州省1∶200 000DEM數據及ArcGIS 9.2軟件的3D分析模塊的表面分析工具，計算得出，貴州省＜6°的面積占9.24%，賦值 5 分；6°～15°占45.59%，賦值4分；15°～25°占36.05%，賦值3分，25°～45°占9.05%，賦值2分；大于45°占0.07%，賦值1分。根據不同坡度的面積比重，加權計算得到坡度為3.54分，但平地面積比重極小。2005年石漠化面積比重24.36%［13］，按標準賦值3分；2006年土壤侵蝕模數3 389t／（km2·a）［14］，按標準賦值3分。2006年森林覆蓋率34.92%［15］，按標準賦值3分。貴州屬于亞熱帶濕潤氣候區，依據懷梯克的研究資料，森林的凈初級生產量應介于熱帶雨林及溫帶闊葉林之間，由于喀斯特地區土壤特性凈初級生產量低于平原地區溫帶闊葉林的年均12t／hm2，按標準賦值3分。綜合畢節地區生態環境及社會經濟發展狀況，平均加權計算得到系統特征綜合得分為3.1分。

4.3 系統干擾及狀態分析

2010年畢節地區耕地面積1 025 102hm2，占全區國土面積（按全地區國土面積2.685 3萬km2）的38.17%［16］，按標準賦值3分。2006年全區人均糧食產量為393.13kg，按標準賦值3分。2006年畢節地區農村人均純收入1 888元，居貴州第6位，按標準賦值1分。2006年畢節地區農業人口比重高達92.76%（按戶籍統計的農業人口計算），按標準賦值1分。2006年畢節地區農民人均產值986.23元，種植業收入占人均純收入的52.24%，按標準賦值2分。2006年畢節地區常住人口725.12萬人，人口密度按全區國土面積2.685 3萬km2計算為270人／km2，按標準賦值1分。綜合畢節地區生態環境，平均加權計算得到系統特征綜合得分為1.83分，表明生態系統受到的干擾程度較強。

4.4 系統響應分析

畢節地區基巖裸露率數據難以獲得，故采用全省重度石漠化的比重代替該指標。據遙感調查，貴州省石漠化總面積為32 477km2。其中重度石漠化面積5 250km2，中度石漠化面積11 896km2，輕度石漠化面積15 331km2［17］，其中重度石漠化占全省面積（貴州水利廳176 167km2）的3.0%。參照已有荒漠化分級標準，即無石漠化（巖石裸露程度＜30%）、輕度石漠化（巖石裸露程度30%～50%）、中度石漠化（巖石裸露程度50%～70%）和重度石漠化（巖石裸露程度＞70%）［18－19］。分別按平均巖石裸露程度，輕度石漠化（巖石裸露程度40%）、中度石漠化（巖石裸露程度60%），重度石漠化（巖石裸露程度70%），計算得出巖石裸露面積16 945km2，占全省土地面積的9.6%，考慮到畢節地區屬于貴州省石漠化比較嚴重的區域，故其基巖裸露率應高于9.6%，按標準賦值3分。畢節地區2000—2005年，累計實施退耕還林174 933 hm2，其中退耕地造林70 600hm2，荒山造林104 333 hm2［20］，退耕造林占40.35%，按標準賦值3分。2008年全區水土流失面積58.89%，按標準賦值1分。畢節地區缺乏相關數據，溶蝕速率以貴州普定測定速率27.07～93.96m3／（km2·a）［21］為標準，按標準賦值2分。綜合畢節地區生態環境，平均加權計算得到系統響應綜合得分2.25分，表明社會經濟系統等對生態系統退化的響應有待進一步強化。

4.5 綜合評價

畢節地區作為貴州喀斯特地區石漠化比較嚴重的區域之一，同時又是貴州省脫貧致富的攻堅地區之一。喀斯特生態環境脆弱，已成為地區可持續發展的重要障礙。綜合對畢節地區喀斯特生態系統的系統特征、系統受干擾及狀態、系統響應評價，得到畢節地區喀斯特生態系統退化程度綜合得分2.40分，按退化程度處于3等（2～3分）的范圍內，系統特征得分3.1分，表明生態系統退化的主要因素不是來源于系統本身；系統受干擾及狀態得分1.83分，說明系統的退化主要是由于脆弱的系統受到外界干擾產生的，在系統修復過程中要加大對人類干擾活動的管理；系統響應綜合得分2.25分，由于畢節地區社會經濟發展水平落后，政府財力困乏，農民生活水平低，在生活壓力下，對生態系統治理及保護的力度和積極性較低。

5 結論與討論

利用建立的評價指標體系對畢節地區生態系統的評價研究表明，喀斯特生態系統自身的素質相比同生態位的非喀斯特地區存在一定差距，但系統自身素質不是決定生態系統退化的關鍵因素。關鍵因素在于喀斯特地區由于社會經濟發展落后，區域在發展過程中注重速度的趕超，忽略了對生態系統的保護或是在發展及生存空間的雙重壓力下，不得不舍棄生態環境而發展。此外，系統的響應評價顯示，在對生態系統退化上的響應力度不夠，主要原因是畢節地區作為全國深度貧困地區之一，在財政、資金等方面力不從心。因此，需要國家加大對該區域生態環境保護及恢復的專項資金的支持力度。

退化生態系統的診斷研究隨著喀斯特地區生態環境的惡化引起了越來越廣泛的關注，但在一些理論方面未達成共識。如退化生態系統修復實踐。退化生態系統往往與原生態系統在結構及功能上出現了很大的差異，其內部的控制機制也發生了變化。新的系統的穩定性及系統的演替能力及方向、演替的頂級群落特征可能已完全不同于原生態系統，并不存在生態系統恢復的路徑依賴性，因此完全恢復到原來狀態的可能性不大，恢復是一種新的平衡和穩定狀態的建立，退化生態系統的基礎環境因子與原系統相比已存在一定差異，所以僅僅確定原生系統的關鍵結構要素及恢復重建這些要素的途徑往往不夠，必須結合系統的變化，確定系統新的恢復閾及反饋機制，適時調整恢復的關鍵結構與因素及其強度。這一方面的研究及實踐應用將是喀斯特退化生態系統修復實踐的重要方向之一。

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