喀斯特槽谷區土地石漠化與綜合治理技術研發

蔣勇軍, 劉秀明, 何師意, 何丙輝, 謝建平, 羅維均, 白曉永, 肖 瓊

1 西南大學地理科學學院,西南大學巖溶環境開放實驗室, 重慶 400715 2 中國科學院地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴陽 550081 3 中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站，普定 562100 4 中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部,廣西巖溶動力學重點實驗室, 桂林 541004 6 西南大學生命科學學院,三峽庫區生態環境與生物資源省部共建國家重點實驗室培育基地, 重慶 400715

喀斯特槽谷區土地石漠化與綜合治理技術研發

蔣勇軍1,*, 劉秀明2,3, 何師意4, 何丙輝5, 謝建平6, 羅維均2, 白曉永2, 肖 瓊4

1 西南大學地理科學學院,西南大學巖溶環境開放實驗室, 重慶 400715 2 中國科學院地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴陽 550081 3 中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站，普定 562100 4 中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部,廣西巖溶動力學重點實驗室, 桂林 541004 6 西南大學生命科學學院,三峽庫區生態環境與生物資源省部共建國家重點實驗室培育基地, 重慶 400715

深入揭示流域尺度水-土-生資源格局和研發因地制宜的水-土-生治理技術是“十三五”石漠化治理工程的主要瓶頸。國家重點研發計劃——“喀斯特槽谷區土地石漠化過程及綜合治理技術研發與示范”項目(2016YFC0502300)針對槽谷區特點,鎖定兩個關鍵科學問題和五個關鍵技術,從過程機理研究-技術研發-應用示范3個層面解剖區域水/土/生物資源分布格局與地質地貌之間的關系,闡明石漠化過程中的相關生態變化機理,因地制宜地研發水土資源高效利用、土壤地上/下流/漏失阻控與生態恢復技術；研發野生砧木及經濟樹種互作效應與優化配套技術,構建槽谷區可持續的生態系統和生態產業模式并示范推廣,為區域生態改善和貧困問題解決提供科技支撐。

土地石漠化；綜合治理技術；生態恢復； 喀斯特槽谷區

土地石漠化是不同時期在全球熱帶和亞熱帶喀斯特地區普遍發生的現象[1-2],在中國南方喀斯特地區分布最為廣泛、程度最為嚴重,受到國際喀斯特研究學界的廣泛關注[3]。石漠化不僅造成生態系統退化,而且被稱之為“災害之源、貧困之因、落后之根”,嚴重制約著經濟社會的發展[4-5]。第一期(2006—2015年)石漠化治理工程取得明顯效果但問題依然不少[6]。隨著我國經濟的發展,石漠化治理目標從早期以解決農戶生計問題為主轉向協調考慮生產和生態服務能力的提升[7]。這在美國田納西流域和地中海沿岸國家已經有成功的治理模式[8-10]。喀斯特地區的表生系統強烈受地質背景制約,是“地質-生態”復合系統[11-12]。地表的水-土-生資源的分布格局與地質背景發育特點密切相關,在流域尺度上表現得更為明顯[13]。但如何深入地解剖水-土-生資源格局與地質背景特點之間的關系,避免當前石漠化治理過程中存在的治理措施雷同、實效有待提高、針對性不強等問題？如何構建與自然環境相適應、可持續發展的人工生態系統？如何研發因地制宜、適合不同喀斯特地貌單元特點的水-土-生治理技術與體系？依舊是“十三五”石漠化治理中亟須攻關的難題和關鍵。

喀斯特槽谷區是中國南方喀斯特分布面積最大的“老、少、邊、山、窮”地區,槽谷區石漠化區域水資源高效利用[14-15]、土壤漏失和肥力保育[16-17]、困難立地造林、生態經濟型樹種、草種篩選、坡耕旱地系統整治等一些關鍵性技術問題亟待解決。科技部重點研發計劃——“喀斯特槽谷區土地石漠化過程及綜合治理技術研發與示范”項目針對槽谷區緊密式箱型背斜/向斜構造發育、巖層傾角大、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層、高位蓄水構造頻繁出露、干谷區旱澇災害頻發等特點,加強對喀斯特槽谷地區“三水”轉換過程、生境高度異質性的認識和改造、植物適應性及適生物種的篩選、物種搭配及群落構建等研究和技術研發,最后構建穩態喀斯特生態系統和綠色產業發展機制與生產和生態服務能力協同的流域適應性管理體系。

1 項目研究內容

1.1 研究思路

針對喀斯特槽谷區石漠化治理的主要問題,聚焦兩個關鍵科學問題:(1)背斜/向斜型槽谷區水土資源分配格局及動態差異機制？(2)野生砧木及經濟樹種與土壤生態環境互作機制？擬解決5個關鍵技術問題：(1)干谷雨洪“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術；(2)“籬-埂-路-溝-池(窖)” 順層坡土壤侵蝕控制與蓄水技術；(3)土壤大團聚體重塑與根系構型改良的“根-土復合體”阻隔逆層坡土壤漏失技術；(4)野生砧木及經濟樹種互作效應與優化技術；(5)近自然群落-經濟植物復合種植與生態恢復技術,提出研究思路(圖1): 以喀斯特槽谷區土地石漠化過程的空間格局及驅動力研究為出發點,通過對典型槽谷的解剖,揭示水資源時空變化過程及特點,研發相應的利用技術并示范；揭示土壤流/漏失過程及特點,研發相應的防治技術并示范；揭示植物群落退化過程與特點,研發相應的調控與恢復技術并示范；構建與喀斯特槽谷生態系統生產力維持機制相匹配的生態產業示范體系；評估中國南方喀斯特槽谷區小流域主要類型對不同治理模式的適應性,提出槽谷區小流域主要類型綜合治理優化方案的系列咨詢報告。

1.2 主要研究內容

圍繞上述研究思路,項目設置6個課題,具體研究內容如下：

圖1 項目研究思路圖Fig.1 Diagram of the project work flow

1.2.1 喀斯特槽谷區石漠化發生與演變規律及驅動機制

用多時相數據闡明區域石漠化演變的時空格局及地質背景制約的分異規律,解析重大人為活動的驅動機制[18]；用高分遙感數據精細刻畫流域的地質背景、水-土-生資源配置、貧困空間分布格局及規律,揭示石漠化演變過程與規律,解析驅動力、關鍵因子交互關系并構建景觀模型進行預景,為區域石漠化的分類治理決策、流域石漠化治理與精準扶貧的實施等提供科技支撐。

1.2.2 喀斯特槽谷區水資源時空變化及高效利用技術研發與示范

針對槽谷區干谷發育且降雨產匯流過程迅速、旱澇災害頻發、高位蓄水構造頻繁出露但利用開發難度大、槽谷兩翼山地水資源漏失嚴重以及高強度的人類活動帶來日趨嚴重的水污染[13,19-20]等問題,通過地質調查、水文地質資料收集、定位動態監測、示蹤與水文地球化學等技術手段,闡明水資源時空演化規律及形成機制；研發干谷雨-洪水資源的“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術；研發“路-溝-池(窖)”的 坡面蓄水與凈化處理技術體系、“蓄-引”的高位表層巖溶泉和接觸泉開發利用技術,通過試驗與示范,為坡地石漠化綜合治理提供水資源保障；提出槽谷區水資源開發利用集成模式。

1.2.3 喀斯特槽谷區土壤地上/下流/漏失過程與保護技術研發及示范

針對喀斯特槽谷區特殊地質構造與水土流/漏失的特殊性,通過全坡面徑流場結合多核素示蹤技術,闡明喀斯特槽谷區土壤地上地下流/漏失過程與機理；研發順層坡 “籬-埂-路-溝-池(窖)” 坡面土壤流失防控關鍵技術；研發逆層坡土壤大團聚體重塑及根-土復合體阻隔逆層坡土壤漏失技術；揭示不同石漠化階段土壤化學侵蝕過程,研發養分均衡有機化的土壤保育技術。通過土壤內部調控與坡面控制工程相結合,集成量、質雙增的土壤保育關鍵技術并進行示范。

1.2.4 喀斯特槽谷區退化植物群落生態恢復技術與示范

在樣帶調查、經濟樹種及野生砧木資源收集、先鋒種和優勢種的篩選、野外控制試驗、室內培養試驗的基礎上,采用該領域比較先進的技術如穩定性同位素技術[21-23]、分子生物學、功能基因組學、宏基因組、宏轉錄組,Biolog代謝板、NMR代謝組學[24,25]等,闡明植被退化的生態過程與機制與土壤微生物特征；篩選植被恢復的建群種和優先種,確定槽谷區干旱貧瘠土壤適生野生砧木和經濟樹種,闡明野生砧木及經濟樹種與土壤生態環境互作機制,建立近自然群落-經濟植物復合種植與生態恢復技術；研發野生砧木和適生經濟樹種嫁接、種植與產量品質調控技術；篩選并優化促進野生砧木根系發育的微生物菌株,研制微生物菌劑,加快退化植被生態恢復。

1.2.5 喀斯特槽谷區生態產業技術體系研發與應用示范

解析喀斯特槽谷類型與生態產業發展的耦合關系,選取典型喀斯特槽谷構建和集成示范“特色經濟作物高效栽培、產品精加工技術與生態農林產業體系”、“道地中藥材高效豐產關鍵技術研發與精品生態藥業產業體系”、“武陵山區(槽谷)生態游憩資源與商品開發產業體系”、“現代農業循環經濟技術研發與產業鏈”等,全方位構建槽谷石漠化治理與經濟效益相促進的多種生態產業體系,形成生態治理與生態產業協同技術方案,開展縣域范圍以上應用示范,建立符合科學邏輯和可演繹的喀斯特石漠化治理與生態產業模式。

1.2.6 喀斯特槽谷區石漠化綜合治理模式評價與優化及區域推廣

針對大型水利工程改變喀斯特地下水流場[26],生態系統效益與生態系統健康評價指標混亂[27-28],流域適應性管理缺乏有效集成[29-31],石漠化協同治理模式難以進行區域推廣等問題,采用水文地球化學技術、PSR模型[32-33]、PLM、ELM模型與DPSIR框架發展決策支持系統等多種手段相結合的研究方法,揭示水利工程的生態效應特征及其規律,構建石漠化治理恢復生態系統服務與生態系統健康的指標體系,對不同類型槽谷石漠化治理模式進行優化,提出槽谷區石漠化協同治理模式。

1.3 研究方案與技術路線

在深入認識喀斯特槽谷區特點的基礎上,詳細分析槽谷區地質地貌背景和前期石漠化治理成效,進行槽谷類型和流域類型劃分,剖析區域水/土/生物資源分布格局與形成機制,揭示流域尺度土地石漠化的時空格局演變過程與驅動機制,揭示典型槽谷流域喀斯特生態系統的運行過程與規律,因地制宜地研發水土資源高效利用、土壤坡面流失控制和地下漏失阻控、土壤保育與生態恢復技術體系,闡明經濟作物生長的限制性因子與機制,研發野生砧木和經濟樹種互作效應與優化配套技術及其產業化體系,解決經濟與生態效益之間的矛盾。同時構建槽谷區穩定且可持續的生態系統和生態產業模式,并進行示范推廣,為區域生態改善和貧困問題解決提供科技支撐。具體技術路線如圖2所示。

2 總體目標

2.1 項目目標

項目將在理論上闡明槽谷區水-土-生物資源的分配格局及形成的差異機制,揭示流域尺度土地石漠化形成演化過程及驅動機制,揭示順層坡土壤流失與逆層坡土壤漏失過程及差異機制,闡明水文-生態系統對典型大型工程建設的響應過程,闡明土壤營養元素流失過程及經濟林(果)退化早衰的土壤限制性因子,揭示生態系統退化及野生砧木-微生物根際互作的分子機理。在技術上研發干谷“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術、“路-溝-池(窖)”坡面水系利用技術、“引”為主或“蓄-引”并重的地下水利用技術、“路-溝-池”間“籬-埂”順層坡水土流失控制技術、“根-土復合體”逆層坡土壤漏失阻控技術、經濟林(果)早衰防控技術、定向培肥與養分均衡有機化土壤保育技術、野生砧木和適生經濟樹種嫁接、種植與產量品質調控技術近自然群落-經濟植物復合種植與生態恢復技術、適宜且具槽谷特色的生物能源、生物醫藥、山地旅游等生態產業技術。最終建立水土資源高效利用模式與示范、穩定的生態系統與適宜槽谷特色生態產業模式與示范、退化植被生態恢復的經濟樹種產業開發配套技術模式與示范、不同類型槽谷石漠化綜合治理模式與示范、槽谷區石漠化協同治理模式與區域推廣等模式目標,為喀斯特槽谷石漠化區生態環境改善、長江中上游地區生態安全屏障建設提供科技支撐。

2.2 考核指標

項目整體考核指標包括水土資源高效利用技術與模式6項、土壤流/漏失阻控技術4項、土壤質量保育技術5項、生態修復與優化配置技術4項、生態產業技術模式8項、開展縣域范圍以上應用示范,具體包括發表論文、專著 、研發專利、開發數據庫、培養人才等,同時歸納總結石漠化土地綜合治理模式8—10項、土壤流/漏失阻控技術4項、土壤質量保育技術5項、生態修復與優化配置技術4項、生態產業技術模式8項,建立2個示范基地,為省部級以上政府部門采納的戰略咨詢報告2份。

圖2 項目技術路線圖Fig.2 Schematic representation of the technologies for this project

2.3 預期成果

科學方面：從流域尺度上揭示典型背斜/向斜型槽谷區水土資源分配格局、土壤流/漏失與土地石漠化形成的動力學機制,及野生砧木及經濟樹種與土壤生態環境互作機制,闡明槽谷區“地質-生態”復合系統的水-巖-土-氣-生的相互作用與相互影響過程,為因地制宜進行石漠化治理提供科學依據。

技術方面：研發和集成具有槽谷特色的水土資源高效利用、土壤流/漏失阻控與質量保育以及生態修復與優化配置等技術,以及適宜的生態產業技術模式,并形成相應的示范區,推動槽谷區域社會、生態和經濟的可持續發展。

3 結語

“天無三日晴,地無三尺平,人無三分銀”,是喀斯特地區環境和社會的真實寫照,本項目將形成具有典型示范價值的喀斯特槽谷石漠化區生態治理、生態產業、生態富民相結合的系統性技術解決方案,實現生態、經濟、社會等綜合效益,對即將啟動的第二期國家石漠化治理工程提供強有力的科技支撐作用。但是在項目實施過程中,石漠化發生與演變規律多時相數據、不同時空尺度遙感數據與監測數據耦合的理論和方法、石漠化生態系統恢復重建的關鍵技術能否成功突破；單項技術能否有效整合以及在喀斯特槽谷示范區有效集成需要各課題間加強合作與交流,及時總結成功經驗,同時需要項目專家組實時實地對項目實施進行指導與評估。

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Research and development of comprehensive rehabilitation measures for land rocky desertification in karst trough valley area

JIANG Yongjun1,*, LIU Xiuming2,3, HE Shiyi4, HE Binghui5, XIE Jianping6, LUO Weijun2, BAI Xiaoyong2, XIAO Qiong4

1SchoolofGeographicalSciences&KarstEnvironmentLaboratory,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,Guiyang550081,China3ChineseAcademyofSciences,PudingKarstEcosystemResearchStation,ChineseAcademyofSciences,Puding562100,China4KeyLaboratoryofKarstDynamics,MinistryofLandandResources&Guangxi,InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China5CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China6StateKeyLaboratoryBreedingBaseofEco-EnvironmentandBio-ResourceoftheThreeGorgesArea,SchoolofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

The bottleneck of the “Thirteenth- five” Program of Rock Desertification Control is to unveil the watershed scale water-soil-biology pattern and develop water-soil-biology restoration technologies corresponding to local conditions. The National key research and development program of China (2016YFC0502300) integrates multi-disciplinary teams to explore the land rocky desertification landscape restoration and for pilot test in the karst trough valley, two key scientific questions and five technologies are the foci of this program. The project will probe the relationships between the distributions of water-soil-biology and landscape and geology, and elucidate the mechanism of the ecological deterioration during the land rocky desertification process, and develop high efficient techniques on soil and water resources utilization and the soil flow/loss prevention upon/underground. Appropriated technologies for better combination the advantages of aboriginal wild rootstocks and economic tree species will be developed, with special aim to reconcile the seemingly conflicting interests between economy development and ecological protection, a sustainable ecosystem and eco-industry model in karst trough valley will be established, which will provide a scientific and technological support for regional ecosystem restoration and poverty elimination.

land rock desertification;comprehensive rehabilitation measures;ecological restoration;Karst trough valley area

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502300)

2016- 10- 14

10.5846/stxb201610142074

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiangjyj@swu.edu.cn

蔣勇軍, 劉秀明, 何師意, 何丙輝, 謝建平, 羅維均, 白曉永, 肖瓊.喀斯特槽谷區土地石漠化與綜合治理技術研發.生態學報,2016,36(22):7092- 7097.

Jiang Y J, Liu X M, He S Y, He B H, Xie J P, Luo W J, Bai X Y, Xiao Q.Research and development of comprehensive rehabilitation measures for land rocky desertification in karst trough valley area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7092- 7097.