喀斯特峰叢洼地石漠化治理與生態服務提升技術研究

王克林,岳躍民,馬祖陸, 雷廷武,李德軍, 宋同清

1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所, 長沙 410125 2 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站, 環江 547100 3 中國地質科學院巖溶地質研究所, 桂林 541004 4 中國農業大學水利與土木工程學院, 北京 100083

喀斯特峰叢洼地石漠化治理與生態服務提升技術研究

王克林1,2,*,岳躍民1, 2,馬祖陸3, 雷廷武4,李德軍1, 2, 宋同清1, 2

1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所, 長沙 410125 2 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站, 環江 547100 3 中國地質科學院巖溶地質研究所, 桂林 541004 4 中國農業大學水利與土木工程學院, 北京 100083

針對峰叢洼地區域石漠化面積削減較為迅速、亟需從前期治理側重遏制面積擴張轉向生態服務提升為主的新階段后面臨的治理投入與分區較為粗放、治理技術與模式缺乏針對性、綜合效益亟待提升等問題,以生態服務提升為核心目標,系統研究生態工程實施以來區域石漠化演變的關鍵因子、水土流失/漏失關鍵過程與調控、植被恢復與人工誘導提升土壤生態功能機理,突破面向生態功能優化的區域生態系統監測評估、表層巖溶水生態調蓄與高效利用、有機物資源利用與退化土壤肥力提升、耐旱型植物群落構建與規模化建植、可持續性生態衍生產業培育等關鍵技術,形成生態服務提升與民生改善的區域石漠化治理系統性解決方案,為石漠化治理二期工程與扶貧提供科技支撐與示范樣板。

喀斯特；峰叢洼地；石漠化；演變機理；治理技術；生態服務提升

經過“十一五”、“十二五”期間大規模的生態保護與建設,西南喀斯特區域生態重建初見成效,石漠化面積已實現由持續增加向“凈減少”的重大轉變,石漠化治理已進入從前期有效遏制轉到深入推進的轉型階段[1-2]。峰叢洼地在喀斯特高原、斷陷盆地、槽谷等八大喀斯特地貌類型中面積最大(12.5萬km2),約占西南喀斯特區域總面積的1/4,主要位于貴州高原向廣西丘陵過渡的大斜坡地帶[3-5]。該區石漠化防治與脫貧、資源開發與生態保護的矛盾更為突出,亟需將生態治理與生態系統服務功能提升有機結合[3, 6-7, 9-11]。

喀斯特地區生態環境問題是當今國際地學研究的熱點[12-14]。國際上早期的喀斯特研究以歐洲占主導地位,側重開展地理地質綜合研究,近年來側重研究喀斯特生態環境脆弱性成因以及對全球變化的相應,人類活動對植被演替、水土過程和生態服務的影響也得到關注[15-18]。瑞士充分利用喀斯特山區的景觀資源發展旅游業,成為人類與喀斯特資源環境協調發展模式的典范[19]。國外喀斯特地區人口和貧困壓力相對舒緩,生態環境以保護為主,而我國西南喀斯特地區環境脆弱、社會經濟發展水平低,以高強度農業活動為主,人地矛盾尖銳,生態恢復在國際上缺乏可借鑒的科學經驗和技術[5, 20]。

“十五”以來,國內圍繞喀斯特水資源開發利用、退化生態系統重建與產業發展,建立了貴州高原喀斯特、廣西峰叢洼地石漠化治理試驗示范基地,在構建復合農林生態系統、發掘和推廣特色農林植物、水土保持與土壤改良等方面形成了一些治理技術與方法,提出了具有一定推廣意義的治理模式[3, 8-9, 21-25]。相比喀斯特高原、斷陷盆地、槽谷等喀斯特地貌類型區,峰叢洼地水熱條件相對較好、石漠化面積削減相對迅速,但治理面臨著植被群落穩定性差、生態服務提升慢、治理技術與模式缺乏區域針對性等問題[3, 5, 9]。作為我國西南生態安全屏障關鍵區域和扶貧攻堅核心區域,峰叢洼地地區比鄰西南出海大通道,是國家重點發展的北部灣經濟區生態腹地,亟需在前期研究生態系統退化機制與適應性修復技術基礎上,以減少人類活動干擾和緩解貧困為主線,將生態治理與人口-產業布局調整、特色生態衍生產業培育和民生改善有機結合,通過石漠化綜合治理提升區域生態服務功能,促進區域可持續發展。

2016年7月,國家重點研發計劃項目“喀斯特峰叢洼地石漠化綜合治理與生態服務功能提升技術研究示范”正式立項,該項目由中國科學院亞熱帶農業生態研究所作為牽頭單位,聯合中國地質科學院巖溶地質研究所、國家林業局石漠化監測中心、中國農業大學、中國水利水電科學研究院、廣西植物研究所、廣西師范學院等國內喀斯特研究優勢單位共同承擔。該項目的立項與實施,既是貫徹中共中央國務院《關于加快推進生態文明建設的意見》“繼續推進石漠化綜合治理”的具體舉措,也是落實“十三五”規劃綱要關于“提升西部生態安全屏障功能、推進石漠化區域綜合治理”的具體行動。

1 項目研究內容

1.1 研究內容

(1)生態工程背景下區域石漠化演變機制及治理成效評估

開展區域生態本底狀況與石漠化時空格局演變研究,揭示生態工程實施以來石漠化格局演變的關鍵驅動因子及其貢獻率,研發面向功能優化的區域生態系統監測與評估技術,評估前期石漠化治理成效及其存在的問題,提出區域石漠化治理重點與分區優化防控方案,構建業務化運行的石漠化動態監測與防控決策支持系統。

(2)地表-地下水資源綜合調控與高效利用技術

研究植被-土壤-表層巖溶帶水文過程相互作用,構建流域尺度的地表-地下水文水質監測體系,揭示雨水、植物水、土壤-表層巖溶帶水、地表水與地下水等“五水”水文循環及相互轉換過程,定量評價流域尺度水資源量及缺水程度；研發以流域為單位的地表-地下水生態調蓄與優化調配、水質凈化、高效利用等關鍵技術,增加流域內可有效利用水資源量。

(3)水土流失/漏失關鍵過程與阻控技術

研究水土流失/漏失關鍵過程與主控因素,揭示水土流失/漏失發生機制,研發室內人工模擬降雨和野外現場自然降雨條件下水土流失/漏失的定量監測技術,構建監測體系與數據庫；建立水土流失/漏失過程預測模型,定量預報水土流失/漏失；研發水土流失/漏失生物-工程協同阻控技術與模式,并開展技術示范。

(4)有機物資源利用與退化土地肥力提升技術

研究退化土地碳氮轉化過程及固持機理,研發碳氮關鍵過程調控、有機物資源就地/原位利用、退化土地肥力提升等技術,突破玉米秸稈、蔗渣、桑枝等農業有機物料就地/原位快速降解技術, 構建基于種草養畜-養殖廢棄物高效處理與利用、種桑養蠶-蠶砂無害化處理-桑枝資源化利用的退化土地肥力提升技術模式,開展試驗示范。

(5)植被復合經營與特色生態衍生產業培育技術

研究植被群落穩定性及多樣性維持機制,研發退化植被近自然改造、生態高值功能植物種類篩選與定向培育、人工植被復合經營與高效利用、立體高效生態衍生產業培育等技術,建立標準化精準試驗示范基地,開發特色植被復合經營產品,形成喀斯特特色生態衍生產業發展格局。

(6)生態服務提升與民生改善的石漠化治理模式集成與示范

以單位面積生態服務提升為主線,研發植被-土壤生態功能協同提升技術,集成適應性水-土-植被-產業技術體系,提出基于城鎮化生態移民、生態旅游、精準扶貧的社會化共同治理對策,構建生態服務提升與民生改善的石漠化綜合治理范式,形成區域石漠化綜合治理系統性解決方案,開展縣域應用示范。

1.2 研究思路

針對峰叢洼地區域石漠化面積消減較快、亟需從前期治理側重遏制面積擴張轉向單位面積生態服務提升,以減少人類活動干擾、緩解貧困、發展可持續性特色生態衍生產業為主線,按照“格局演變-關鍵生態過程機理-適應性技術研發-集成示范”的思路,形成生態服務提升與民生改善的石漠化治理系統性技術方案。

依托環江喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站、國土資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室等研究平臺,拓展與新建4個示范區,以生態服務提升為核心目標,分析生態工程背景下石漠化演變機理及治理成效,研發表層巖溶水生態調蓄與高效利用、土壤漏失阻控與地力提升、耐旱型植物群落構建與規模化建植、可持續特色生態衍生產業培育技術,構建生態服務提升與民生改善的石漠化綜合治理模式,并開展縣域應用示范。項目研究技術路線如下：

2 總體目標

2.1 項目總體目標

以生態服務功能提升為核心目標,以減少人類活動干擾、發展可持續性特色生態衍生產業和緩解貧困為主線,研究石漠化演變機理,評估治理成效,研發水土資源高效利用與植被復合經營技術,培育生態衍生產業,構建生態服務提升與民生改善的石漠化綜合治理模式,為石漠化治理二期工程與扶貧提供科技支撐與示范樣板。

2.2 主要考核指標

闡明峰叢洼地石漠化過程中水循環、水土流失/漏失、土壤碳氮轉化與固持、植被穩定性維持、植被-土壤生態功能協同提升等機理與機制,形成相關理論研究成果；明確區域石漠化演變關鍵驅動因子與治理成效,揭示水土二元流失阻控途徑,提出緩解貧困與提升生態服務的適應性發展模式。研發水資源高效利用技術4項,土壤漏失阻控與肥力提升技術6項,植被復合經營與生態衍生產業技術7項；提出綜合治理模式3項,形成生態治理與生態產業協同技術方案。拓展原有2個示范區,新建2個示范區(輻射縣域以上面積)；示范區指標覆蓋率提高15%,土壤漏失量減少30%,人均收入增加50%；示范推廣面積5萬畝,輻射百色、河池、桂林等市。發表論文100片,申請發明專利20項,制訂技術標準3—5項,提交咨詢報告2份。培養研究生35名,技術培訓3000人次。

圖1 項目研究技術路線圖Fig.1 The technology framework

3 項目研究展望

作為“十三五”國家重點研發計劃的首批立項項目,喀斯特峰叢洼地石漠化治理項目的實施將集中體現專項任務全鏈條設計、一體化實施的特點：項目目標將轉向生態治理與生態產業的有機結合、提升生態系統服務；機理研究將轉向喀斯特坡地-洼地-流域的地上-地下相互作用機理及土壤-植被系統的協同恢復機制；研究方法上將重視喀斯特生態系統格局-過程-功能的耦合；適應性修復技術研發上將注重技術集成、可持續性生態產業的培育,并關注多元社會化治理模式；成果示范推廣將創新石漠化治理管控機制,注重治理模式的區域針對性；生態系統管理上將加強監測評估與適應性管理,支撐石漠化治理二期工程和精準扶貧。

通過本項目的實施,將揭示峰叢洼地石漠化演變機理,評估前期治理成效,研發形成水土資源高效利用、植被復合經營、生態衍生產業培育等技術體系,構建生態服務提升與民生改善的石漠化綜合治理模式,將為峰叢洼地石漠化治理二期工程與扶貧提供科技支撐與示范樣板。然而,由于喀斯特特殊地形地貌及氣候條件的影響,項目實施過程中可能存在一定的風險和不確定性：喀斯特多陰雨天氣導致高質量遙感影像獲取較為困難、石漠化信息提取可能存在一定的誤差；巖土結構復雜、異質性強,野外模擬試驗重復性差；降水量及地下水豐富,但有效開采存在難度等問題。針對上述可能存在的問題,項目執行過程中將利用不同遙感數據源進行融合與查補,并加強地面驗證；同時,對巖土結構進行詳細三維調查,根據復雜程度選擇試驗小區；加強水資源開發勘察基礎研究,通過地表蓄水、植被-土壤生態保水蓄水措施提高水資源供給,保障項目的順利實施。

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Research and demonstration on technologies for rocky desertification treatment and ecosystem services enhancement in karst peak-cluster depression regions

WANG Kelin1,2,*, YUE Yuemin1, 2,MA Zulu3, LEI Tingwu4, LI Dejun1, 2, SONG Tongqing1, 2

1InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2HuanjiangObservationandResearchStationofKarstEcosystem,Huanjiang547100,China3InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China4CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China

The rocky desertification is the most seriously eco-environmental problem in karst regions, Southwest China. The local and national Chinese governments have being implemented a series ecological restoration projects to combat and control rocky desertification. The decrease of rocky desertification in karst peak-cluster depression regions is relatively faster than other karst landforms. However, the treatment of rocky desertification still faced the extensive investment and subregion, the lack of regional pertinence for treatment technology and model, and low comprehensive benefits. Therefore, it should be paid more attention to enhance the ecosystem services in combating and controlling rocky desertification in karst peak-depression regions, including the area increase of rocky desertification. One of the National Key Research and Development Programs has been supported by the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2016YFC0502400). This program aimed to enhance the ecosystem services of karst peak-cluster depression. Firstly, this program explores the mechanisms of rocky desertification evolution on regional scale, the regulation and control of water and soil loss and drop out processes, vegetation recovery and human-driven enhancement of soil ecological functions. Then, it will research and develop the adaptively ecological restoration and reconstruction technology related to the function optimization-oriented ecosystem monitoring and assessment, the regulation, storage, and efficient utilization of epikarst water, the utilization of organic materials and improvement of degraded soil fertilities, the construction and assembly of drought-enduring vegetation communities and large-scale plantation, the cultivation and development of ecological derived industries. At last, with the integration and demonstration of adaptive restoration technology, the program will propose systemic solutions to accomplish the synergies of ecosystem services enhancement and livelihoods improvement for the comprehensive treatment of rocky desertification. This implementation of this program will provide scientific foundations and demonstration prototype for the implementation of karst rocky desertification management and control project and poverty relief.

Karst; peak-cluster depression; rocky desertification; evolution mechanisms; treatment technology; ecosystem services enhancement

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502400)

2016- 10- 07

10.5846/stxb201610072003

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kelin@isa.ac.cn

王克林,岳躍民,馬祖陸, 雷廷武,李德軍, 宋同清.喀斯特峰叢洼地石漠化治理與生態服務提升技術研究.生態學報,2016,36(22):7098- 7102.

Wang K L, Yue Y M,Ma Z L, Lei T W, Li D J, Song T Q.Research and demonstration on technologies for rocky desertification treatment and ecosystem services enhancement in karst peak-cluster depression regions.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7098- 7102.