加強喀斯特關鍵帶長期觀測研究，支撐西南石漠化區生態恢復與民生改善

本文刊載於《中國科學院院刊》2020年第7期「中國科學院野外臺站」

王世傑* 彭 韜 劉再華 倪 健 陳 喜 張信寶 劉長成

中國科學院地球化學研究所 普定喀斯特生態系統觀測研究站

中國南方喀斯特地區面積約 54 萬平方公裡，佔世界陸地面積的 12%，是我國乃至全球陸地生態系統的重要組成部分；在全球三大喀斯特集中分布區中，其連片裸露碳酸鹽巖面積最大。我國南方喀斯特地區是青藏高原隆起在南亞大陸亞熱帶氣候區形成的一個海拔梯度大、地勢格局複雜、生態脆弱的獨特地理單元；同時，也是全球公認的受地質背景強烈制約的脆弱陸地生態系統。

在世界範圍內具有典型性和代表性的我國南方喀斯特，與其他陸地地理單元相比，在水文地質結構、地球化學背景、物質循環過程，以及人類活動幹擾方面具有其特殊性，主要表現為：地表土被薄且不連續，地上地下連通性好、水文過程變化迅速，水、土資源空間分布不匹配，水熱因子高度時空異質性，氮、磷、鉀極度缺乏的高鈣／鎂土壤環境，環境容量小、生態系統可恢復性難等。這些特殊性造就了該地區石漠化等突出的生態環境問題，劉東生院士曾言，其在地球科學研究領域屬於「難啃的骨頭」。

中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站（以下簡稱「普定站」），緊密圍繞喀斯特表生環境中巖-土-水-氣-生 5 個子系統間物質運移和轉化的生物地球化學過程等核心科學問題，根據喀斯特二元水文地質結構的特點，長期定位開展喀斯特表層地球系統的觀測、研究和示範。

自 20 世紀 80 年代開始，貴州普定作為國家「六五計劃」全國巖溶區水資源攻關研究計劃中的 4 個喀斯特研究區域（山西娘子關、貴州獨山、貴州普定、廣西都安）之一，就已經開展觀測研究工作，至今該區域科學觀測研究未曾中斷過。積累的長達近 40 年的水文、水化學觀測數據，記錄著我國南方喀斯特典型區域陸表過程演變（石漠化土地退化和植被恢復）的環境變化信息。普定站長期的定位觀測研究，為我國西南喀斯特地區的生態環境恢復和石漠化治理，以及區域可持續發展提供了技術支撐和科學依據。

1 系統論證碳酸鹽巖風化成土物源，闡明石漠化科學定義和內涵

1

系統論證了碳酸鹽巖風化成土物源。

碳酸鹽巖成土速率較慢，土壤剖面和空間分布受地貌演化階段和喀斯特雙層空間結構的控制。從區域層面系統性論證了碳酸鹽巖原地風化成土 2 階段模式與形成演化機制——碳酸鹽巖風化殼形成伴隨碳酸鹽礦物的流失，酸不溶物殘積形成土粒，經過漫長堆積作用形成現今紅土風化殼；並構建了喀斯特典型紅土風化殼形成與演化模式，為揭示喀斯特生態系統穩定性與自維持機制提供了基礎理論依據。

從理論上闡明了喀斯特生態系統脆弱性的本質，揭示了喀斯特地區土壤資源總量少、不連續、水土空間不匹配的客觀事實；從物源和地質背景角度，印證了石漠化與地質背景的密切內在關聯性。

2

闡明石漠化科學定義和內涵。

實現了對石漠化發生、演變的內外動力學機制的深刻解析，詳細刻畫了石漠化的科學定義和科學內涵，即：喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要類型，以脆弱的生態地質環境為基礎，以強烈的人類活動為外驅動力，以土地生產力退化為本質，以出現類似荒漠化景觀為標誌。

為遏制石漠化、緩解脆弱生態環境壓力奠定了科學基礎，促進了我國石漠化治理技術體系的形成；提出了新的石漠化科學定義及評價指標體系，包括石漠化現狀（包括樣地尺度、景觀尺度、區域尺度）評價、石漠化作用評價、石漠化過程（即石漠化演變速率）評價、石漠化危害性評價、石漠化敏感性（危險性）評價等。系統性地從多空間尺度揭示了石漠化演變的時空規律，解析了不同地質背景、不同人類活動對石漠化的影響及程度，為石漠化分區、分級、分類治理提供了理論支撐。

2 詳細闡明了西南喀斯特碳循環過程，為石漠化區生態修復提供了理論支撐

揭示了陸生植物、水生植物均有利用無機碳源進行光合作用的新途徑；發現了碳酸鹽巖快速的風化作用與水生植物生物碳泵的耦合機制。揭示了碳酸鹽風化碳匯的巖-土-水-氣-生相互作用的生物地球化學過程、各圈層間碳交換的途徑和通量。解析無機碳與有機碳在各個圈層的內在耦合關係，建立了喀斯特地區碳循環模式，明確了碳酸鹽風化碳匯在區域碳匯中所佔份額。這對於認知喀斯特地區碳匯的調控機理，評估喀斯特地區碳匯潛力及其對全球碳匯貢獻具有重要意義。

巖石風化碳匯效應

利用近 40 年普定站後寨河喀斯特典型流域長期觀測（圖 1）數據，揭示了喀斯特地區植被恢復的雙重碳匯效應。近 40 年來，該區域森林覆蓋率增加（森林面積從 1.6% 增加到 18.9%）對流域產水量沒有重大影響，而流域無機碳輸出的濃度隨森林面積的增加而增加。這是因為森林覆蓋率增加提高了生物過程固碳量和巖溶風化所形成的碳匯量。

圖 1 普定站水 - 碳 - 氮通量模擬試驗場

從全球尺度看，由碳酸鹽溶解、全球水循環和陸地及海洋上的水生生物光合作用共同影響產生的碳匯（或稱耦合水生光合作用的碳酸鹽風化碳匯）份額不可忽視，每年 0.82 Pg。其中，0.47 Pg·a-1 通過海上降水（0.23 Pg·a-1）和陸地河流（0.24 Pg·a-1）進入海洋，0.12 Pg·a-1 再次釋放進入大氣，還有 0.23 Pg·a-1 以有機碳的形式形成於陸地水生生態系統中（水生碳泵效應）。因此，該區域淨碳匯是 0.71 Pg·a-1，約佔全球遺失碳匯的 25%，或佔人類活動排放碳總量的 9%。

隨著全球變暖引起的全球水循環的加強、人類活動排放 CO2 和大氣圈中碳酸鹽粉塵的增加，以及造林地區的增多，碳匯也將增加。預計到 2100 年，全球變暖將會導致全球碳酸鹽風化碳匯增加 21%，即 0.18 Pg·a-1。另外，水生生物光合作用對 DIC（溶解無機碳）的利用，使得由碳酸鹽風化形成的大氣碳匯以往被嚴重地低估至實際值的 1/3 左右，達 0.48 Pg Ca-1。從而使得其中碳酸鹽風化碳匯佔整個巖石風化碳匯達到 94%，而矽酸鹽風化碳匯僅 6% 左右。

普定站相關研究系統性地解析了喀斯特作用碳匯效應、通量及驅動機制，引領國際巖石風化碳匯效應的研究，為陸地水生生態系統穩碳和固碳潛力與調控、巖石風化碳循環和全球遺失碳匯問題的解決提供了新的科學證據和理論支撐。

南方喀斯特區土壤和植被碳儲量與碳匯潛力

獲得了南方喀斯特區土壤和植被碳儲量與碳匯潛力原創數據和認識，推動了喀斯特地區土壤學和生態學方面的發展。

1 土壤

喀斯特植被恢復碳匯潛力大，石漠化坡地自然恢復初期恢復速度快（圖 2）。長期以來，由於喀斯特地區土壤高異質性，人們一直不了解喀斯特地區土壤有機碳含量空間變化規律。通過 150 m×150 m 高密度網格方法，普定站建立典型流域尺度土壤有機碳儲量估算方法，揭示了 0—50 cm 土層有機碳密度對全剖面的貢獻率達 69.97%。

圖 2 普定站退耕樣地（a） 2010 年；（b） 2016 年

提出充分考慮喀斯特山壩系統的特點和土壤厚度、巖石裸露率這 2 個關鍵指標修正土壤碳密度及儲量估算，而傳統方法將高估喀斯特地區土壤碳密度和儲量近 40%。

利用此方法對貴州省喀斯特不同地貌類型區土壤有機碳儲量進行估算，結果顯示：坡度大於 6° 的喀斯特高原區土壤有機碳儲量為 0.14 Pg、峽谷區為 0.05 Pg、槽谷區為 0.17 Pg、斷陷盆地區為 0.02 Pg、峰叢窪地區為 0.05 Pg；貴州全省喀斯特地區土壤有機碳總儲量為 0.96 Pg（其中坡度小於 6° 的地區為 0.53 Pg，大於 6° 為 0.43 Pg）；碳密度為 72 Mg·ha-1，明顯低於全國平均碳密度（108 Mg·ha-1）。

2 植被

在植被研究方面，估算了典型流域地上植被碳儲量與碳匯潛力，發現稀灌草叢、藤刺灌叢、喬灌過渡林、次生喬木林和近原始林的平均地上碳密度分別為：1.70、4.15、22.3、70.28 和 142.2 Mg·ha-1 。退化喀斯特生態系統的碳儲量由稀灌草叢的 38.05 Mg·ha-1增加到次生喬木林的 150.65 Mg·ha-1，表現出巨大的碳匯潛力。喀斯特生態系統生產力較低，物種分配上少數優勢樹種聚集了整個群落絕大部分的地上碳儲量，喀斯特常綠落葉闊葉混交林的地上生物量、地下生物量和粗木質殘體等總生物量低於常態地貌的亞熱帶常綠闊葉林，流域尺度的遙感估算也證實該觀點；但根系生物量分配卻具有獨特的生態策略，更多資源被分配到地下，以迎合喀斯特高度異質性的嚴酷生境。

上述野外觀測研究不僅填補了喀斯特植被根系生物量觀測的空白，也為估算喀斯特地區碳儲量提供了可靠本底數據。鑑於退化喀斯特植被的分布面積廣大，儘管喀斯特森林的碳密度較低，我國南方喀斯特石漠化區域的植被仍具有巨大固碳潛力。同時，從群落物種組成與譜繫結構方面，揭示了喀斯特植被高落葉成分和適鈣植物的獨特性，形成典型的常綠落葉闊葉混交林，富含特有種，群落譜繫結構聚集的特點。研究成果也成為石漠化生態系統植被恢復潛力評估和物種優化配置的重要理論基礎。

3 提出了喀斯特地表、地下「二維」水土流失方式，揭示喀斯特地區水土（養分）流失特點

根據巖土剖面的土壤蠕滑現象，提出了地下漏失（地下流失）也是喀斯特坡地重要的土壤流失方式（圖 3）。基於長期觀測結果，採用多手段綜合研究方法，獲得了地面與地下流失量的可靠數據。

圖 3 喀斯特坡地水土流失發生在森林破壞短時期內

1 在我國喀斯特地區率先利用全坡面大型徑流場的方法，獲得了坡地水土流失的可靠數據。

喀斯特純質石灰巖坡地年地表徑流係數低，多為小於 5%，入滲強烈；年地表土壤流失量也非常小，不同土地利用類型坡地的地表土壤流失量變化為0.39—62.25 t·km-2·a-1。

2 基於長期觀測結果提出喀斯特地區坡面土壤和表層巖溶帶蓄滿產流機制，得出貴州喀斯特坡地坡面產流產沙閾值。

在降雨量超過 40 mm 和最大降雨強度超過 30 mm·h-1（獨立性降雨）時產流、產沙，其中 71.2% 的徑流通過巖溶裂隙、落水洞等向地下漏失 。

3 根據窪地泥沙堆積厚度和窪地面積，得到貴州荔波和普定 5 個窪地流域 1963 年以來的產沙模數。

原始森林植被未遭受破壞的巖溶山地的年土壤地面流失速率低於10 t·km-2·a-1；森林植被遭受破壞的短期內（數年），土壤地面流失速率可高達數千至上萬 t·km-2·a-1；表層土壤大量流失後，土壤地面流失速率又急遽降低至小於 10—100 t·km-2·a-1。這揭示了森林短期破壞對水土流失的影響過程。

4 根據地質背景，確定了不同類型喀斯特坡地的合理流失量。

連續性純碳酸鹽巖地區，總允許流失量 20 t·km-2·a-1 左右，允許地面流失量 5 t·km-2·a-1。

5 基於觀測和模型計算，評估了高原喀斯特典型流域水-氮通量特徵。

喀斯特高原典型流域農業施肥貢獻了氮元素總輸入量的 86%，其中作物生長消耗了總輸入量的 45%；反硝化作用佔 28%，地下河流失約佔 10%，地表流失約佔 5%。

6 構建了石漠化山區路面集雨、溝渠引水、水池蓄水、高效節水「四位一體」的喀斯特表層水資源高效利用與科學調蓄技術體系，以及表層水資源空間優化配置的技術模式（圖 4）。

圖 4 路 - 池集雨蓄水錶層水資源高效綜合利用技術（a）普定梭篩萬畝桃園；（b）「路 - 池」一體化集雨灌溉

有效解決了喀斯特坡地入滲強烈、地表徑流係數極低、農田乾旱嚴重等問題，為喀斯特水土流失防治和表層水資源利用提供了理論依據，為解決喀斯特山區地表水資源不足的問題，改善石漠化地區的農業立地條件促進生態恢復和農業產業結構調整奠定了基礎。

4 構建西南喀斯特不同地質地貌類型區的石漠化治理恢復模式，助力石漠化區生態恢復與民生改善

以貴州為重點開展喀斯特高原地區的宏觀尺度的政策研究。根據喀斯特地區地質背景制約下的自然資源稟賦空間分布、人類活動（如農、林方面的重大政策調整，生態工程，其他大型工程），建立了不同地質地貌類型區的石漠化治理恢復模式，明確了石漠化治理區域、目標、治理措施等，為具體的石漠化治理提供了科學指導。

並針對喀斯特生態系統的六大類型的特點及其生態建設的主要方向，研發了喀斯特表層水資源開發利用、土壤改良、立體農業建設和產業化培育等系列技術體系；創建了高原型、峽谷型和槽谷型等不同地質地貌類型區的石漠化治理恢復模式，在烏蒙山區、武陵山區、滇黔桂石漠化山區等國家扶貧攻堅主戰場等得到廣泛應用和推廣，為西南喀斯特地區的生態恢復提供了示範樣板。以石漠化為主題開展的研究工作被引次數近 3000 次，引領了國內相關研究，推動了全國的喀斯特石漠化治理工作。

5 推動了表生系統過程研究和喀斯特地球關鍵帶科學的發展

喀斯特地區在其特殊的地表和地下巖石土壤結構影響下，地球關鍵帶多圈層（巖-土-水-氣-生）物質循環快速、互饋作用顯著（圖 5）。也正是這些特點為短期內認識喀斯特關鍵帶的功能與演化提供了有利研究條件，形成了「地球關鍵帶」研究的天然實驗室。

圖 5 喀斯特關鍵帶結構和碳交換過程示意圖

利用現代化觀測手段，通過高密度、高頻率、自動化立體監測喀斯特關鍵帶多要素的動態過程，開展不同尺度下控制性實驗和模型集成研究。通過剖析喀斯特關鍵帶物質能量通量的變化規律、循環過程以及驅動機制，揭示全球變化背景下喀斯特關鍵帶的結構與功能、生態系統服務的格局與過程。

探索在全球變化及人類活動背景下喀斯特關鍵帶服務與管理模式，預測其演化趨勢，以提升解決重大科學問題和國家、地區重大需求的能力，為國家和當地政府決策提供科技諮詢；轉化觀測和研究成果，並開展試驗示範，服務於國家、地區社會經濟發展。

普定站也通過積極推動貴州省人民政府-國家自然科學基金委員會聯合資助「喀斯特科學研究中心」項目實施和中-英地球關鍵帶計劃項目的實施，並依託中國科學院科研基地型野外站重點設施建設項目，建成了喀斯特地球關鍵帶觀測研究平臺，並進入中國生態系統研究網絡（CERN）先期啟動的地球關鍵帶觀測研究站網，引領了我國乃至世界喀斯特生態環境研究的學科發展。

6 結語

普定站始終圍繞我國喀斯特地區生態文明建設的重大科技需求和全球變化下的地球系統科學發展需要，在喀斯特生物地球化學循環、生態恢復和石漠化治理方面取得了一批原創性創新成果。

承擔實施了我國有關喀斯特生態環境問題研究的第 1 個「973」項目、第 1 個全球變化重大研究計劃項目和第 1 個國家自然科學基金創新研究群體項目；同時，也為國家《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱（2008—2015 年）》的制定提供科學依據，為石漠化治理技術體系建立發揮了重要作用。通過長期開展喀斯特表生系統過程研究，為喀斯特地區生態恢復和生態文明建設提供了理論基礎，建立研發了石漠化治理技術支撐體系，為區域經濟社會可持續發展提供了重要的科技支撐。

自 2009 年納入 CERN 管理以來，獲得省部級獎勵 4 項，在國內外知名刊物發表論文近 400 篇（其中 SCI 論文 180 餘篇），以及出版專著 3 部等，在國內外產生了重要影響。展望未來，我們堅信普定站將努力建設成為國際一流的喀斯特野外科學觀測研究站，也將努力打造成為一流的集科學研究、人才培養、公眾教育培訓為一體的野外基地，持續助力貴州和西南喀斯特地區生態文明建設。

致謝

感謝中國科學院科技促進發展局楊萍為文章撰寫提出的建議，感謝中國科學院地球化學研究所白曉永、趙敏、劉秀明、羅維均和河海大學張志才提供的部分圖件和數據支持。

王世傑 貴州省人民政府副省長，民革中央常委、貴州省委主委，中國科學院地球化學研究所副所長，中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站站長。中國礦物巖石地球化學學會副理事長，中國第四紀研究會理事，中國地質學會巖溶地質專業委員會委員，中國探月工程科學研究委員會月面環境專業委員會主任委員。「973」項目首席科學家，貴州省核心專家，享受國務院特殊津貼專家，中國科學院「西部之光」計劃入選者，全國優秀科技工作者（2012 年）。在國內外核心刊物上已發表論文 400 餘篇（SCI 論文 60 餘篇），合作編著著作 8 部。《地球與環境》主編，《化學通報》《礦物學報》《中國巖溶》《礦物巖石》《礦物巖石地球化學通報》及 Chinese Journal of Geochemistry 編委。

文章源自：王世傑,彭韜,劉再華,倪健,陳喜,張信寶,劉長成.加強喀斯特關鍵帶長期觀測研究，支撐西南石漠化區生態恢復與民生改善.中國科學院院刊,2020,35(7):925-933.