桂西北喀斯特生态系统退化机制与适应性修复试验示范-科技促进发展

一、前言我国西南喀斯特地区(占地面积54万km 2)既是全球喀斯特集中分布区面积最大、喀斯特发育最强烈、人地矛盾最尖锐的地区，也是景观类型复杂、生物多样性丰富、生态系统极为脆弱的典型地区[1,2]。

作为长江、珠江上游生态安全屏障区，西南喀斯特地区也是我国面积最大的连片贫困区域，其中国家扶贫重点县227个，贫困人口超过5000万，约占全国贫困人口总数的60%。

受地质条件制约，喀斯特作用产生地表地下双层空间结构，成土过程极为缓慢，土壤浅薄且分布不连续，植被具有石生、旱生、喜钙等特性，在人口超载和经济社会落后的双重压力下，植被破坏后较难恢复，水土流失加剧，以石漠化为特征的土地退化严重[3]。

石漠化桂西北喀斯特生态系统退化机制与适应性修复试验示范研究*■　王克林**　陈洪松　岳跃民 中国科学院亚热带农业生态研究所, 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站　长沙　410125摘　要：围绕喀斯特退化生态系统恢复与重建的国家重大需求，针对喀斯特生态系统植被群落稳定性差、土壤生态功能恢复滞后、生态治理成效缺乏可持续性等问题，依托广西环江喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，我们开展了桂西北喀斯特生态系统退化机制及适应性修复研究，提出了喀斯特生态系统服务功能优化调控的理论与技术体系，为西南喀斯特区域石漠化综合治理及社会经济可持续发展提供科学依据与技术支撑。

关键词：退化机制　适应性修复　喀斯特　峰丛洼地　石漠化　桂西北DOI :10.11842/chips.2015.02.004* 该项目荣获2014年度中国科学院科技促进发展奖——科技贡献奖一等奖，项目成员：王克林、陈洪松、曾馥平、苏以荣、宋同清、岳跃民、何寻阳、张伟、聂云鹏、张明阳。

** 王克林，二级研究员、博士生导师，中国科学院亚热带农业生态研究所党委书记兼环江喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站站长，中国生态学会副理事长、国际景观生态学会中国分会（IALE-China ）副理事长、湖南省生态学会理事长，《农业现代化研究》主编、《生态学报》执行副主编。

长期从事景观格局变化与生态过程研究。

乃至世界亚热带喀斯特的典型地区，2011年石漠化土地面积为115.6万公顷，也是广西755万贫困人口（2012年数据，按2300元扶贫新标准统计）的主要分布区域，同时由于该区处于珠江中上游，直接影响珠江流域的生态安全，是国家石漠化治理和扶贫开发的重点区域。

因此，抑制桂西北喀斯特生态系统退化趋势并提升其生态服务功能已经成为西南喀斯特区域生态安全屏障建设和社会经济可持续发展最迫切的需求。

近年来，西部大开发基础设施与生态治理项目、退耕还林、石漠化综合治理等生态工程的实施，使喀斯特退化生态系统的恢复重建取得了较大的进展，石漠化整体扩展的趋势得到有效抑制。

但由于喀斯特地质地貌背景及生态系统的复杂性和异质性，一方面，局部地区的成功经验，无法在更大范围内推广应用；另一方面，虽然经过多年的实践，在一些典型地区石漠化治理和生态恢复初步措施已见成效，但与邻近非喀斯特区域比较，生态服务功能依然低下。

西南喀斯特地区的石漠化治理和生态恢复初见成效后，迎来更为艰巨的任务——生态服务功能的全面提升。

如何在喀斯特贫困山区通过生态文明建设保住青山绿水，促进区域经济、人口和生态环境可持续发展依然是一个严峻的课题。

因此，中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测站（简称环江站）对西南喀斯特地区进行了专项研究——喀斯特生态系统退化机制与适应性修复试验示范研究。

这对进一步保障石漠化综合治理等国家重大生态工程，拉动喀斯特区域社会经济持续高效发展，进一步发展和提炼针对性强的区域生态系统适应性调控与管理模式具有重大推动作用。

这既是贯彻国家生态文明建设的具体举措，也是落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》（以下简称《纲要》）关于“生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建”的具体行动。

二、桂西北喀斯特生态系统退化机制适应性修复研究工作的进展与成效围绕《纲要》优先主题“生态脆弱区域生态系统功能的恢复与重建”的国家重大需求，针对喀斯特生态系统退化问题，环江喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站设立了专项研究，组织人员开展了桂西北喀斯特生态系统退化机制及适应性修复研究，并取得了显著成果。

1.取得的重要成果（1）水土过程通过对典型喀斯特峰丛洼地土壤性质空间变异的多尺度系统研究，项目组发现了人为干扰下土壤水分和养分坡地高于洼地的特殊空间倒置规律及其成因，阐明了水分和养分的空间变异特征及其主要影响因素[4]；发现了喀斯特坡地水土过程具有地表地下二元流失的特征，人为干扰会增加地表侵蚀产沙量[5]。

经研究，项目组认为可利用沉积断代的方法研究坡面侵蚀及利用沉积物来源估算地表和地下侵蚀贡献，提出治理该地区的土壤侵蚀需要减少土壤扰动、采用保护性种植和近自然林业替代高强度利用等新途径。

研究结果为西南喀斯特地区水土流失综合治理方案的制定提供了重要的参考依据，为水利部调整西南喀斯特地区土壤允许流失量标准奠定了重要的研究基础。

（2）退化成因利用14C瘤菌多样性和丰度降低，是造成石灰土SOC快速丢失[6]，而根据喀斯特典型森林生态系统木质素pH是影响这（3）适应机制基于碳氢氧稳定同位素技术，结合对典型喀斯特生境植物根系分布的调查，项目组发现了不同生境广布植物种均以浅根系为主的特征，阐明了广布植物种与生境特有种水分利用策略差异特征以及植被片段化分布格局成因，揭示了不同生活型植物对异质性生境的水分适应和维持机理[7]；阐明了不同演替阶段喀斯特植被生态系统的动态变化特征及环境与植被的协同演变规律，建立了不同演替阶段植被生态系统适应性修复的有效途径[8]；筛选了适应不同喀斯特生态功能区的优良经济/环境植物和退耕还林(果)种草模式。

这一研究结果为喀斯特山区植被恢复重建和适宜物种的选取提供了科学依据。

（4）格局变化围绕喀斯特生态系统格局变化监测与评估，项目组改进并发展了高度异质性喀斯特生态参量遥感提取方法与技术体系[9]。

考虑受地质条件制约的喀斯特生态系统特性，项目组构建了喀斯特生态系统服务功能价值评价指标体系，并基于遥感影像像元克服了传统方法“以点代面”的缺点，提高了喀斯特生态系统服务功能价值的评估精度。

基于多时相与长时间序列卫星遥感数据，揭示了桂西北喀斯特石漠化由净增加转为净减少，生态工程实施背景下喀斯特植被总体呈增加趋势且恢复速率加快的规律[10]，其中，广西植被恢复最为明显，其次为贵州，云南植被恢复较慢。

这一研究结果为喀斯特生态系统格局变化监测与生态工程建设成效评估提供科技支撑。

(5）优化调控基于景观格局优化和水土过程的综合调控，我们探讨了喀斯特脆弱生态系统的形成机理和退化机制，建立了能够反映小尺度景观结构和功能的喀斯特峰丛洼地景观生态分类系统，揭示了人类活动对生态系统生态服务功能的影响机制，提出了适应性景观生态设计的优化模式以及不同干扰强度下喀斯特生态系统服务功能恢复的综合调控途径[3]；适于喀斯特区域生态环境特点的人工草地牧草组合，揭示了人工草地生态系统生产力稳定性维持原理，建立了喀斯特天然和人工草地替代型草食畜牧业发展模式，为构建替代型生态系统服务功能优化调控模式提供了科学依据。

2.成果应用及社会影响经近5年的研究与探索，环江站项目组构建了石漠化综合防治模式与技术体系，研发了植被生态系统优化配置与适应性修复关键技术，提出了喀斯特生态系统服务功能恢复的综合调控途径。

国家和广西地方政府相关部门多次与项目组进行了沟通与交流，及时将研究成果应用于当地生态建设与社会经济发展，提出了喀斯特山区产业发展与石漠化治理模式。

该模式主要针对西南喀斯特山区石山面积大、可耕土地资源少、水资源利用较难、传统农业发展受到一定限制等问题。

基于景观格局优化和水土过程的综合调控，项目组进行峰丛洼地适应性景观生态的设计，优选确定适于喀斯特区域生态环境特点的人工草地牧草组合，提出了喀斯特山区替代型草食畜牧业发展模式。

该模式在广西环江古周和下塘试验区推广示范面积3000余亩，经过2009-2013年5年的试验示范，该示范区植被覆盖率提高了40%左右，土壤侵蚀模数下降了30%左右；人均纯收入显著提高，已接近或超过环江县平均水平。

该生态恢复与产业发展模式被国家发改委作为喀斯特山区产业发展的典型案例和石漠化治理的典型样板。

项目主要合作创新单元——环江站为目前我国西南喀斯特地区唯一的国家野外科学观测研究站，也是中方面取得的显著成果，（以年1月通过组建验收。

研究成果有力支撑了研究区所在县成功获取发、水利部“坡耕地水土流、环保部“土壤重金属污染修复章良、国家环境保护部生态司司长庄国泰以及中科院党组副书记方新、副院长施尔畏、詹文龙和丁仲礼等先后到项目研究示范区域考察。

中国新闻社、人民日报、光明日报、中国科学报、经济日报、文汇报、科技日报等7家中央新闻媒体单位相继报道了桂西北喀斯特生态系统退化机制与适应性修复技术方面的研究成果，引起了广泛的社会影响。

2012年5月3日中央电视台科教频道（CCTV-10）《走进科学》栏目以“石头山上的新绿”为标题专题详细报道了项目组在石漠化治理与生态恢复方面的研究成果。

三、喀斯特生态系统退化机制与适应性修复示范研究中面临的问题喀斯特地区石漠化治理与生态建设已取得一定成效，石漠化土地面积在2005-2011年实现了由持续增加向净减少的重大转变，但由于喀斯特石漠化治理和扶贫开发的长期性、艰巨性和复杂性以及对喀斯特生态基础研究的相对薄弱，喀斯特生态系统退化机制与适应性修复试验示范研究仍存在一些不足：1.在喀斯特生态基础研究方面，现有研究对喀斯特土壤生态功能的恢复关注不够，特别是因土壤属性恢复的滞后性，缺乏喀斯特地上地下特殊二元水土过程与植被协同演变机制研究。

2.在喀斯特退化生态系统治理技术与发展模式方面，目前项目组已研发了一系列喀斯特石漠化治理与生态建设相关技术与模式，但现有技术与模式多停留在特定区域背景下单一的群落或植被类型，植被群落稳定性差，缺乏整体水平的技术集成，对不同治理技术与模式的稳定性和持续性关注也不够，技术和模式的适宜性有待于进一步观测与评估，特别是大尺度喀斯特退化生态系统恢复的区域环境效应。

3.在生态系统服务功能提升技术方面，目前喀斯特生态恢复与重建目标主要集中在生态环境状况的恢复，忽视了生态修复与民生改善及喀斯特扶贫开发的有机统一，需权衡和集成生态系统产品供给功能与支持调节功能的关系，目前还缺乏不同生态系统服务功能之间的权衡和集成技术。

4.在试验示范与技术模式推广应用方面，在生态脆弱区国家生态移民扶贫开发及城镇化快速发展等影响下，喀斯特地区高强度人类活动干扰有所缓解。

新形势条件下，如何开展农户、企业与当地政府共同参与的推广应用示范与生态系统适应性管理成为目前面临的现实问题。