喀斯特石漠化綜合治理及其區域恢復效應

王克林,岳躍民,陳洪松,吳協保,肖 峻,祁向坤,張 偉,杜 虎

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 國家林業和草原局中南調查規劃設計院, 長沙 410014

全球喀斯特面積2200萬km2,占地球陸地面積15%,為世界約1/4的人口提供飲用水源,是地球表層系統的重要組成部分[1-2]。喀斯特占我國國土總面積的1/3,連片裸露區集中分布于我國西南部(約54萬km2,其中位于滇黔桂的峰叢洼地類型,面積最大12.5萬km2)巖溶發育最強烈、人地矛盾最尖銳,巨大人口壓力及高強度農業活動影響下,該區石漠化與貧困區高度重疊,是典型的生態脆弱區[3-5]。我國高度重視喀斯特生態退化與石漠化治理,“十五”期間,就將“推進黔、桂、滇巖溶地區石漠化綜合治理”列為國家目標,國家“十一五”規劃綱要中,將石漠化地區綜合治理作為生態保護重點工程。2008年國務院正式批復了《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱》(2006—2015年),明確了石漠化治理的目標、任務和政策措施,石漠化治理作為一項系統的綜合工程正式展開。2016年,《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》正式發布,進一步鞏固石漠化治理成果,突出治理重點。國家“加大生態系統保護力度、實施重要生態系統修復工程、加強石漠化綜合治理”背景下,喀斯特地區石漠化面積由2005年的12.96萬平方公里減少到2016年的10.07萬km2(尤其峰叢洼地區消減最快,近10年減少了30%),植被覆蓋顯著增加,喀斯特生態保護與修復已取得階段性成效[6-7]。

十九大報告提出“樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念,形成人與自然和諧發展的新格局,滿足人民日益增長的優美生態環境的需求”,進一步明確了建設生態文明、建設美麗中國的總體要求。將山水林田湖草作為生命共同體,以增強可持續性為目標,提出“美麗中國”建設的系統性解決方案,成為新時期國家生態文明建設戰略迫切的科技需求。當前,由于勞務輸出、城鎮化及大規模生態保護與建設工程的影響,喀斯特地區高強度人口壓力正逐步緩解,面臨著由高強度農業耕作向大規模自然恢復與人工造林的轉變。喀斯特石漠化面積呈現“持續凈減少”的趨勢,石漠化治理也面臨著轉型[7]。

新形勢下,如何提升喀斯特區生態恢復質量、鞏固扶貧成果、增強生態恢復與扶貧開發的可持續性？成為喀斯特生態保護與修復面臨的現實需求。在喀斯特區初步“變綠”和石漠化面積持續凈減少基礎上,如何提升喀斯特生態系統服務、實現石漠化治理的提質與增效？如何有效調控喀斯特生態系統格局-過程-服務、構建喀斯特地區人與自然和諧的新依從關系,成為當前喀斯特生態治理面臨的挑戰[6, 8]。亟需解析高強度人為干擾向大規模自然恢復與人工造林轉變背景下喀斯特生態系統退化/恢復機理,梳理喀斯特石漠化綜合治理技術與模式,把握石漠化治理的區域生態恢復效應,為西南喀斯特地區生態恢復與扶貧開發成效鞏固、鄉村振興與美麗中國戰略的實施提供科技支撐。

1 石漠化綜合治理工程概況

國務院于2008年2月批復了《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱(2008—2015年)》(以下簡稱《規劃大綱》)。《規劃大綱》明確了石漠化綜合治理工程建設的目標、任務和保障措施,確定了“以點帶面、點面結合、滾動推進”的工作思路,重點采取農業、林業及水利工程等措施綜合治理石漠化,石漠化治理開始作為一項獨立的、系統工程和綜合治理的思路全面展開(表1)。

試點階段：2008—2010年,國家安排專項資金在100個石漠化縣開展巖溶地區石漠化綜合治理試點工程,累計安排中央預算內專項投資22億元,整合了其他中央專項投資及地方投資上百億元,明顯加大了投入力度。截止到2010年底,經過3年的奮斗,100個試點縣實施石漠化綜合治理1.6萬km2以上,451個縣初步完成3.03萬平方公里的石漠化治理任務,實現了《規劃大綱》確定的到2010年的階段性目標。試點縣治理工作以潛在石漠化土地為重點,采取綜合措施,大大減緩了石漠化擴展的速度。

推廣階段：2011年,石漠化綜合治理工程正式實施,工程規模將由“十一五”期間的100個縣擴大到200個石漠化治理重點縣,2012年擴大至300個縣,2014年已擴大至316個縣。截止到2015 年,316個重點縣已累計完成中央預算內專項投資119億元,地方投資20.1億元,完成巖溶土地治理面積6.6萬km2,石漠化治理面積2.25萬km2。在專項投資的帶動下,451個石漠化縣積極整合退耕還林、天然林保護、長江防護林、珠江防護林、農業綜合開發、土地整治等相關方面的中央資金規模達1300多億元,初步完成石漠化治理面積4.75萬km2。

表1 石漠化綜合治理工程任務投資累計完成情況表(2008—2015年)

成效鞏固與深入推進階段：2016年1月,在《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱(2006—2015 年)》到期之際,國家發改委會同國家林業局、農業部、水利部印發了《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》(2016—2020),明確提出開展石漠化治理要以綠色發展為基本理念,堅持保護優先、自然修復為主,在鞏固一期工程建設成果基礎上,集中治理范圍,突出建設重點,集中使用中央預算內專項資金,對長江經濟帶、滇桂黔石漠化集中連片特殊困難地區為主體的200個石漠化縣實施重點治理,以小流域為中心,突出林草植被保護與建設,兼顧區域農業生產、草食畜牧業發展,實現“治石”與“治貧”相結。

2 喀斯特生態系統退化/恢復機理

喀斯特系統具有二元三維空間結構,存在地表-地下水文路徑聯通的多界面網絡通道,其水文過程響應快,生物地球化學循環周期短,二元水文地質結構保水固土能力差、水土漏失嚴重,地表-地下過程耦合對人為干擾響應更為敏感[3-6]。研究發現人為干擾是小流域尺度喀斯特土壤養分和水分格局存在特殊的“空間倒置”現象的主要原因,未受人類擾動影響的原生林生態系統的土壤養分和水分則表現出與非喀斯特地區相似的“洼積效應”[9]。人為干擾導致的植被破壞影響了喀斯特土壤-植被系統的物質、能量平衡,誘發了土壤-植被系統的逆向演變,導致水土流失加劇,灌叢被人為開墾為耕地后,喀斯特石灰土表層有機碳更易流失,也加劇了地表侵蝕產沙量及土壤的垂直漏失[10-13]；而地表土壤侵蝕、落水洞或豎井等垂直管道上覆土被的塌陷、泥沙直接進入開放裂隙、落水洞等地下通道、土壤沿未開放的具有突變界面的張性節理裂隙流失以及地下水侵蝕裂隙填充土壤導致坡地土壤整體蠕移-坍塌等是喀斯特土壤地表流失、地下漏失的主要途徑[11-14]。人為干擾造成了土壤微生物利用底物和微生境的改變,也造成了氨氧化菌和纖維素分解菌豐度增加,固氮菌豐度減少,不利于土壤碳氮固持[15-16]。水文過程方面,人為干擾通過土地利用方式改變了下墊面水文特性,進而影響到降水的產匯流過程,提高了同等降水強度下的產流量,增加土壤流失的風險[17-19]。

生態工程的實施加快了喀斯特地區植被的恢復速率,植被恢復突變時間與工程實施的時間密切相關[20-21]；生態治理措施提高了喀斯特生態系統服務價值,提升了喀斯特水土保持功能及固碳功能,顯著改善了農民生計的多樣性[10, 22-26]。隨著耕地減少及草地和林地的增加,喀斯特典型退化流域泥沙沉積量與水資源量協同變化,而生態系統凈生產力與水資源量和泥沙沉積量為此消彼長的權衡關系[27],提出喀斯特地區生態保護與建設工程的實施不能單方面追求林地或草地等面積的增加,要權衡不同生態系統服務之間的關系,提升單位面積生態系統服務功能[6, 28]。不同恢復階段,發現植被恢復初期土壤C和N之間的耦合受制于土壤N固定能力的不足,植被恢復可顯著提升土壤C固定,但人工恢復的碳匯效應遠低于自然恢復[29-30]。

3 石漠化治理適應性技術與模式集成

國外喀斯特區人口壓力舒緩,以保育為主(生態旅游、洞穴探險等),人地矛盾不突出,研究主要側重喀斯特水文地質、地下水資源與利用、洞穴及古氣候記錄、地質災害防治等方面[31-32]。而我國西南喀斯特地區人類活動以高強度農業活動為主,人地矛盾尖銳,社會經濟發展水平低,生態恢復在國際上缺乏可借鑒的科學經驗和技術。我國西南喀斯特區實施了全球喀斯特區最大的生態修復與保護工程,在生態學、生物地球化學、生態水文學等領域頗有建樹,針對喀斯特地上-地下雙層水文地質結構及水土運移過程的特殊性,在喀斯特生態系統退化機理、水土流失/漏失機制、生物地球化學循環、喀斯特生境植被適應機制等理論研究基礎上,創新石漠化治理技術,突破了喀斯特水資源高效利用(地下水探測與開發、表層巖溶水生態調蓄與調配利用、道路集雨綜合利用等)、水土流失阻控與肥力提升(土壤流失/漏失阻控、土壤改良、耕地肥力提升等)、適應性植被修復(喀斯特適生植被物種篩選與培育、耐旱植被群落優化配置、植被復合經營等)及生態衍生產業培育等石漠化治理技術50余項,形成喀斯特生態治理的全球典范,為國家石漠化治理工程的實施及全球喀斯特生態治理提供了有力技術保障[6, 33-39]。

在上述石漠化治理技術的基礎上,根據喀斯特區域差異,綜合考慮喀斯特生態資源優勢與產業發展特色,以區域生態服務功能提升兼顧居民收入水平提高為目標,以生態環境問題和社會問題為共同導向,權衡生態與經濟在區域內的重要性,因地制宜采取兼顧生態效益與經濟效益、短期效益與長期效益的石漠化區域治理措施,初步集成形成了可復制、可推廣、區域針對性較強的石漠化綜合治理模式(圖1)：

圖1 石漠化治理技術與模式集成Fig.1 The integrated technology and measures for rocky desertification treatment

(1)喀斯特石山坡麓灌木林及人工林地提質與改造模式。該模式適用于水熱資源豐富但利用率低,石多土少,難以發展速生林、經果林,人地關系相對寬松的南亞熱帶喀斯特地區。主要目標是改造灌木林和人工林的林相,提高林地效益,改善石山坡麓區經濟效益低下的狀況。改造灌木林和人工林,間種適宜石生環境的珍貴高值樹種,如紅豆杉、柚木和降香黃檀等,改變林地經濟效益低下、水熱資源得不到充分利用的現狀,改善灌木林和人工林結構和穩定性,解決石漠化治理和退耕還林過程長期效益與短期效益之間的矛盾,提高長期經濟效益。

(2)喀斯特土地集約化利用的立體生態農業發展模式。該模式適用于人口密度大,土地資源匱乏,人均壩地面積低、山地面積比例較大的喀斯特石山區。目標是充分利用坡頂(石質坡地)—坡腰(土石混合坡地)—坡麓(土質坡地)—洼地(土層較厚)的有限土地資源。該方法基于垂直分帶治理的石漠化治理思路[40],山頂采用封山育林的方式恢復,山腰間種石山適生的生態高效林木和高經濟附加值林,低洼地區和坡麓發展喀斯特特色林果藥等產業。通過垂直空間的合理布局,形成山體之中農、牧、林緊密結合、相互支持的立體生態農業格局,能兼顧石漠化治理的長中短效益,獲得較大的經濟效益和生態效益。

(3)喀斯特石生環境適應性特色高效經濟林果產業模式。該模式適用于具有較好的水熱資源,土層相對較厚,但利用效率低下、以傳統農耕模式種植大豆、玉米為主的石山區。目標是充分利用區域土地資源優勢,解決用水問題。在土多的坡麓坡腳,篩選適宜當地種植且需水量不高的特色經濟林果品種,如無患子、蘇木、火龍果、澳洲堅果等,有針對性地發展農產品深加工和生態旅游,培育喀斯特生態衍生產業。同時發展坡面路池工程,攔蓄坡面雨水,配合屋頂集雨水池,開發利用表層巖溶水和基巖裂隙水等方式,有效解決經濟林灌溉用水和人畜飲水問題,避免和減輕林果產業發展帶來的水土流失。

(4)側重生態效益提升的喀斯特自然封育與傳統林木種植模式。該模式適用于人為干擾程度大、生態功能低下、石漠化嚴重等不適合繼續發展農林經濟的石山區,主要目標為迅速恢復植被覆蓋,提高生態效益。選用耐干旱瘠薄、喜鈣、巖生、速生、適用范圍廣、經濟價值高的喬灌木、藤和草進行生態修復,如任豆、香椿、女貞等喀斯特石生環境適生植物,并進行封育,禁止砍伐,同時輔之以適當的固土保水工程措施,形成人工造林和自然封育相結合的綜合治理模式,促進石漠化嚴重地區植被覆蓋的快速增加,提高石漠化土地治理效果,具有較好的生態效益。

4 石漠化治理的區域生態恢復效應

大規模生態保護與建設背景下,西南喀斯特區石漠化格局演變的總體趨勢已由2011年以前的持續增加轉變為持續凈減少,石漠化程度減輕、結構改善,特別是重度石漠化減少明顯[7]。現有研究發展了大區域尺度生態工程成效識別與厘定方法,闡明了西南喀斯特地區植被恢復演變特征與生態工程的實施具有較好的一致性,發現近30年來氣候變化對喀斯特地區植被恢復的影響有限,植被恢復主要分布在生態工程實施面積較大的區域,工程實施前后、喀斯特地區植被生長季葉面積指數(LAI)變化速率由0.01 m2m-2a-1增加到0.02 m2m-2a-1(P<0.05),植被地上生物量固碳速率由0.14 Mg C hm2-1a-1增加到0.3 Mg C hm2-1a-1(P<0.01)；工程實施后、僅滇桂黔三省植被地上生物量固碳達到4.7 Pg C(2012年),增加了9%(+0.05 Pg C a-1),相比2010—2050年中國森林14.95 Pg C的固碳潛力,生態工程背景下西南喀斯特地區可能有巨大的固碳潛力,喀斯特地區生態工程對我國碳匯能力的提升具有重大貢獻[41-43]。全球尺度上,中國西南喀斯特地區是全球植被覆蓋和地上植被生物量增加最快的地區之一,其中,中國西南八省區植被覆蓋度從1999年的69%增加到2017年的81%,而地上植被生物量1999—2012年平均增加了4%,占全球植被地上生物量增加最快地區(P<0.05)的5%(圖2)[44]。

圖2 全球尺度喀斯特植被覆蓋與地上生物量恢復趨勢 Fig.2 The increased vegetation cover and aboveground biomass in China karst at global scale

國際科學界也高度肯定中國喀斯特生態治理成效,2018年1月9日,《自然》子刊(Nature Sustainability)發表我國西南喀斯特區石漠化治理植被恢復評估成果,1月25日,《自然》針對該研究發表長篇評述,指出“衛星影像顯示中國正在變得更綠”,進一步肯定我國通過石漠化治理加快西南喀斯特地區植被恢復的積極成效[45]。同時,喀斯特石漠化區貧困人口削減與脫貧攻堅成效明顯,滇桂黔農村貧困人口從2010年的2898萬減少到2017年的858萬,全國14個集中連片特困地區中,滇桂黔石漠化區貧困縣減少量最多。

5 石漠化治理存在的主要問題

在國家“十一五”、“十二五”科技支撐計劃課題及“十三五”4個國家重點研發計劃項目(峰叢洼地、高原、斷陷盆地、槽谷)的支持下,我國喀斯特系統研究在喀斯特生態要素觀測、生態過程、水文地質、土壤侵蝕、生物地球化學、生態水文、植被生態生理、生態系統服務等領域進行了較為深入的專項研究,為喀斯特生態系統優化調控與管理奠定了堅實基礎[6,36-38]。然而,受可溶性碳酸鹽巖地質背景制約(地上-地下水土二元結構、成土慢且土層淺薄不連續、水文過程響應快、生物地球化學循環周期短等)及生態治理長期性和復雜性的影響,喀斯特石漠化治理與生態恢復重建過程中又產生了治理成效鞏固困難、治理技術與模式缺乏區域針對性、水資源利用效率低且季節性缺水嚴重、土壤生態功能恢復滯后、植被群落穩定性欠佳、生態恢復可持續性差等問題。

在喀斯特生態恢復研究方面,以往對喀斯特表生過程研究的縱深觀測尺度一般只到土壤層和表層巖溶帶,缺乏從地球表層系統科學角度進行整體性、系統性綜合觀測與集成分析。同時,由于喀斯特景觀異質性高、地域差異大,目前仍缺乏較為系統的大尺度地面觀測數據。研究領域偏重自然過程,而在喀斯特生態恢復與石漠化面積削減過程中,勞務輸出(外出務工)、城鎮化發展、脫貧攻堅、異地扶貧搬遷等社會共同治理模式也緩解了喀斯特地區高強度的人口壓力,使人為開發利用與破壞對喀斯特脆弱生態系統的干擾強度顯著減弱,社會人文發展過程減輕了對土地的依賴,也促進了喀斯特地區的生態恢復[46-48]。當前研究對社會人文因素的影響關注不夠,難以深入認識喀斯特表層地球系統的形成、演化、功能、服務及其社會人文驅動機制。

西南喀斯特地區是我國最大面積的連片貧困區,近年來扶貧開發與發展特色產業過程中,部分區域大規模種植經濟林果、速生用材林等人工林,喀斯特地區形成了大面積的人工林(廣西2001—2015年完成退耕地造林達24萬hm2),顯著加快了喀斯特地區植被覆蓋度和生物量的增加,提高了區域木材蓄積量,但人工林樹種相對單一,生物多樣性保育功能低下,病蟲害發生率增高,也受喀斯特區土層淺薄、土壤總量有限、礦質養分不足的制約難以持續[49-51]。同時,大面積人工林也影響生物多樣性、土壤水分、養分固持等生態服務功能的恢復,人工造林導致的森林覆蓋增加將顯著促進陸面蒸散發,也可能造成區域土壤水分下降[49,52]。而自然恢復條件下區域林地雖恢復相對較慢,但耗水量低、土壤碳固碳速率快[29]。因此,亟需辨析不同措施、特別是大規模人工造林與自然恢復的差異,厘清自然恢復與人工造林的區域尺度生態服務效應,為人工林可持續改造與建設、區域生態服務提升提供科學依據。

6 未來研究展望

作為我國主要的生態脆弱區、長江和珠江上游生態安全屏障區、以及全國最大面積的連片貧困區,當前,西南喀斯特地區大規模生態保護與建設取得顯著的階段性成效,石漠化實現了由面積增加向“持續凈減少”的轉變,面臨著石漠化治理轉型,從前期側重遏制面積擴張、增加植被覆蓋轉向提升生態系統服務能力、增強恢復的可持續性。另一方面,由于外出務工、城鎮化、貧困減緩等的影響,喀斯特地區高強度人口壓力正逐步緩解,面臨著由高強度農業耕作向大規模自然恢復與人工造林的轉變。

在國家“保護優先、自然恢復為主”的方針及“加大生態系統保護力度、實施重要生態系統修復工程、加強石漠化綜合治理”的背景下,如何通過生態治理將喀斯特地區的生態資源優勢轉化為發展優勢,提高生態恢復質量、鞏固扶貧成果、增強生態恢復與扶貧開發的可持續性？成為當前喀斯特生態保護與修復面臨的現實需求。在植被覆蓋快速增加和喀斯特生態系統服務功能初步恢復的基礎上,如何實現石漠化治理的提質與增效,實現喀斯特綠水青山轉變為金山銀山的轉換？成為當前喀斯特生態治理面臨的重大挑戰。

面對新的需求與挑戰,喀斯特生態恢復研究需要提高喀斯特生態系統要素觀測的頻率及自動化水平,由要素過程研究向系統化的“表層地球系統科學”研究轉變,從側重單一生態要素、單一生態過程的研究向多要素綜合、多過程綜合以及景觀格局與生態過程耦合、生態過程與生態系統服務的耦合、自然與人文過程的耦合等轉變,從喀斯特地表過程研究向地上-地下過程耦合及喀斯特關鍵帶過程系統集成轉變,由生態系統尺度到小流域、樣帶與區域尺度拓展。同時,面向“一帶一路”沿線50多個喀斯特分布國家的喀斯特景觀生態保育與生態治理需求,加強我國喀斯特基礎研究經驗輸出與生態治理技術轉移,發揮我國在全球喀斯特系統研究方面的核心輻射帶動作用。另一方面,加強喀斯特生態治理管理制度創新,建立社會資本投入生態治理的引導機制,提升社會組織和公眾參與生態保護與建設的積極性,為我國西南喀斯特地區石漠化治理與扶貧開發成效鞏固、鄉村振興與美麗中國戰略的實施提供科技支撐。