氣候因子對我國喀斯特石漠化治理影響研究綜述

朱大運， 熊康寧

(貴州師范大學喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化工程技術研究中心，貴州貴陽 550001)

我國喀斯特地貌分布廣、面積大，主要分布在以貴州高原為中心的西南地區，面積約54萬km2。區內生物多樣性豐富，喀斯特作用強烈，景觀類型復雜而典型，生態系統極度脆弱，在全球喀斯特研究中占有重要地位[1-3]。近幾十年來，為了滿足人類日益增長的物質需求，資源被過度開發利用，喀斯特生態遭到嚴重破壞，石漠化現象快速增加[4]。截至2011年年底，我國石漠化面積約12萬km2，占喀斯特土地總面積的26.5%，占區域國土面積的11.2%，防治形勢十分嚴峻[5]。石漠化已成為政府和科研部門高度關注的問題，國家“十五”至“十二五”規劃綱要中，明確將石漠化治理作為國計民生的大事，強調加快小流域治理，減少水土流失，加速推進黔桂滇喀斯特地區石漠化綜合治理進程[6]。

當前，全球氣候系統變暖是非常明確的[7]，以氣候變暖和降雨格局轉變為主要特征的全球變化正改變著陸地生態系統的結構和功能[8]。在喀斯特地區氣候因素是造成或加劇石漠化的重要原因之一。氣候變化控制著地表水量平衡，通過降雨和溫度因子調控土壤的入滲與蒸發過程，使得地表土壤一直經歷干濕循環作用，表層土壤中的水分處于一種動態變化之中，最終土壤水力性能下降(持水能力、滲透特性等)，侵蝕加劇，土壤水中的養分不能正常遷移，動植物所需水分及養分難以維系，生態系統退化，從而形成不同的石漠化景觀[9]。過去50年，我國西南地區氣候整體呈現“暖干化”趨勢[10]，極端氣候事件發生頻率和強度顯著增加[7，11-12]，地表水熱環境的改變給喀斯特石漠化治理帶來新的挑戰，促使研究者思考將人類-林草/作物-牲畜-生態經濟效益作為耦合系統來應對氣候變化，并基于這種思想開展了相關治理工作，從最初的生物措施，到工程措施，再到政策方針措施等，治理體系不斷完善，對地形、氣候等因子影響作用的認知逐步深化，取得了良好進展與示范性成果[13-14]。筆者圍繞喀斯特石漠化這一主題，對近幾十年我國石漠化治理及其與氣候因子關系的研究進行概要總結，并對未來發展趨勢提出展望，旨在為喀斯特石漠化治理提供借鑒和參考。

1 我國喀斯特地區氣候特征與石漠化分區治理現狀

我國喀斯特地區以貴州高原為中心，北起秦嶺山脈南麓，南至廣西盆地，西至橫斷山脈，東抵羅霄山脈西側(98°36′～116°05′E，22°01′～33°16′N)，涵蓋貴州省、云南省、廣西壯族自治區、湖南省、湖北省、重慶市、四川省、廣東省等全境或部分地區，氣候以濕潤多雨的亞熱帶氣候為主要特征，溫度較高，雨量豐沛，水資源季節年際變化大，干旱和內澇災害頻繁發生。同時，該地區還呈現地表-地下雙層結構特征和典型的山地垂直氣候特征[15]。

喀斯特石漠化地區生態環境脆弱，可溶巖成土速率緩慢；水文過程變化迅速，旱澇時常發生；水土資源空間分布不匹配；水熱因子的高度時空異質性，貫穿于喀斯特生態系統形成與演化的各個環節；氮磷鉀極度缺乏的高鈣鎂土壤環境容量小，生態系統可恢復性低[16]，因此，開展治理工作十分困難，需要兼顧多種因素。國家《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱2006—2015》在充分考慮巖石類型、巖性組合特征對喀斯特地貌塑造的影響，不同喀斯特地貌對區域環境和水土資源的制約、石漠化在不同地貌條件下的形成、發育特征等因素基礎上，將我國西南石漠化綜合治理劃分為八大區域，分別代表不同的石漠化特征類型，因地制宜、有針對性地布設治理方向。在這種方向指引下，探索出了生態經果林、果/草—養殖—沼氣[17]、經果林+特色作物種植+傳統農業[18]、立體生態農業[19]等成功模式和案例，石漠化得到有效遏制，促進了當地生態經濟社會的發展。

2 喀斯特石漠化治理與氣候因子影響作用研究進展

喀斯特是一種特殊的地域綜合體，抗干擾與適應能力差，對外界環境響應敏感，它發育于植被系統脆弱、土壤C層缺失且結構不穩定的生態環境中，西南亞熱帶高溫多雨的氣候條件為其提供了侵蝕動力基礎[20-21]。排除人為擾動和地表土壤系統自身作用，氣候變化對喀斯特石漠化演變及防治的影響不容忽視，它通過氣溫、降水、光照、二氧化碳濃度等因子的生態循環功能作用于石漠化產生的外圍環境，其中以氣溫和降水的表現最為明顯，同時也是干擾石漠化治理進程的主導氣候因子。石漠化治理措施多種多樣，筆者參考中國水土保持措施分類標準[22]，從生物措施、工程措施、耕作措施、制度措施4個方面，分別闡述氣候因子對石漠化治理影響的研究現狀與進展。

2.1 氣候因子對石漠化生物治理措施的影響

2.1.1 氣候因子對石漠化治理物種選擇的影響 喀斯特石漠化是植被逆向演替和消亡的結果[23-24]，因此，石漠化治理以生態恢復為核心原則，選擇適宜的物種成為關系人工生物恢復措施成敗的重要前提。在石漠化治理物種篩選方面，眾多研究多考慮植被的適生、耐旱、喜鈣、偏堿特性，通過重復種植試驗來確定適應物種[25-26]，并且基本上以鄉土樹種為主，它們對小生境有著天然的適應性，氣候因子影響作用通常被忽視。當前石漠化治理更加側重強調生物功能多樣、植被群落結構合理與生態經濟綜合效益的實現，生態功能型、經濟型、藥用型物種占有一定比例，它們對區域氣候環境的適應性、抗逆性評估是石漠化治理物種選擇的重要指標。

喀斯特獨特的地表-地下“二元三維”的空間結構特征，導致地質性干旱環境普遍而脆弱，干旱脅迫成為影響該地區植物生存的重要因素，也是石漠化物種選擇的主要參考依據[27]。現階段氣候因子對石漠化治理物種選擇的理論研究更多集中于干旱脅迫適應性方面，涉及植被生長的各個階段，從物種種子萌發[28]、生長與生物量計算[29]、水分利用率[30]到植物的光合、蒸騰作用差異[31]，而且隨著干旱程度的變化某些物種抗旱特性還會發生轉化。吳俊文等對廣東3種常見石漠化造林樹種浙江潤楠、楓香和亮葉含笑的光合與耗水特性研究表明，在不同脅迫條件下日平均耗水速率存在顯著差異，在正常和輕度干旱情況下楓香的抗旱能力較強，而在重度干旱條件下浙江潤楠的表現更好[32]。

巖溶植被帶有水平地帶性、區域性烙印，不同的氣候帶，巖溶植被的區系成分、結構和外貌也不盡相同，在物種選擇上還必需注重小尺度氣候環境的綜合影響。如蒜頭果等樹種從氣候濕潤、土壤肥厚的云南廣南地區引種到氣候、土壤等自然條件較差的硯山試驗地生長表現并不好[33]。同時，喀斯特山地光、熱、水、二氧化碳等資源還存在垂直差異，生境異質性的存在甚至成為植被演替的主導因子，脫離了自然環境條件的具體要素，即便選用優良的樹種，也有可能造成對生境的二次破壞。李先琨等指出，在喀斯特山地頂部、陽坡、陰坡植被恢復上，需要根據光照和溫度因子選擇適宜物種[25]。

2.1.2 石漠化治理植被恢復對氣候因子的響應 氣候變化與植被變化的相關性已經在全球和區域尺度上得到證明。基于遙感信息的提取和分析[34]表明，自20世紀80年代以來，我國西南喀斯特地區植被指數年際變化與氣候因子年際變化相關性區域分異特征明顯，在不同氣候條件下呈現不同的規律性，進一步增進了對影響喀斯特生態系統穩定性的自然過程的認知。植被恢復是西南喀斯特石漠化治理和生態重建的關鍵步驟[35]，水熱條件成為喀斯特植被系統恢復進程的重要限制性生態因子[36-37]。研究發現，喀斯特地表植被凈初級生產力(NPP)與氣溫、降水顯著相關，氣溫的脅迫作用強于降水[38]，并且植被對氣候因子的響應存在一定滯后性[39-40]，不同的植被類型對水熱條件響應程度不同，與水熱條件時滯相關越強的植被則滯后時間相對越久[40]，就溫度和降雨來講，植被NDVI對降水的響應比對溫度的響應速度更快。此外，對于某些氣候因子而言，它對植被的影響還存在閾值效應，超過閾值點主導因素就會發生變化，如貴州省喀斯特地區植被生長對降雨大小程度就有不同的響應，當年降雨量在900 mm以下時，氣候性干旱是制約植被生長的主要因素；當年降雨量在900 mm以上時，地質性干旱開始影響植被生長[41]，并且植被在多次中度干旱后的恢復能力明顯強于重度干旱[42]。

2.1.3 氣候因子對石漠化治理的影響 近幾十年來，我國西南地區氣候整體呈暖干化態勢，氣溫明顯上升，降水量有所減少[43-44]，水熱條件失衡，干旱發生概率增大，進一步加劇了石漠化土地的喀斯特干旱現象。云南曲靖等喀斯特地區就因持續干旱氣候影響石漠化面積擴展了6.8%，生物治理成果遭受嚴重破壞[45]。毋庸置疑，人為干擾在石漠化逆向演變過程中發揮著舉足輕重的作用，但是氣候等其他因素影響作用評價也是外界一直比較關注的問題。相關性與主成分法量化分析研究結果[46]，人為因素仍然是廣西石漠化發展或逆轉的主導因子，氣候變化僅是次要影響因子，人類活動、氣候變化對石漠化的影響貢獻率分別為64.115%、23.355%，相似結果在桂西北、粵北、貴州等地區石漠化研究中也得到相應的證實[39，47-48]。除了極端氣候事件，一般短時期內氣候變化對石漠化區植被的影響作用并不明顯，從長遠考慮在石漠化治理的過程中應當結合氣象資料，根據地區氣象變化特點，選擇適宜生長的耐貧瘠巖生性灌草，提高植被成活率，從而增加植被覆蓋度，防止石漠化程度加劇[46]。

生物措施是石漠化治理手段中最為行之有效的方法之一，在不同區域、不同氣候條件下適林、適草植被的選擇上，一直在不斷地探索研究。谷勇等從石漠化特點、成因機制等方面考慮，根據氣候、立地條件等差異，對云南喀斯特石漠化提出了分區治理，協調發展的理念[49]。通過對石漠化適草植被的研究，李馨等認為，加強氣候災害預報與控制研究，提升草地在極端氣候中生存能力，是石漠化治理中人工草地建設面臨的重要問題之一[50]。

2.2 氣候因子對石漠化工程治理措施的影響

水土保持工程措施是小流域水土保持綜合治理措施體系的主要組成部分[51-52]，其目的就是通過各種工程措施改變小地形和供水補水結構，發展農耕經濟產業，減少和防止土壤侵蝕，攔蓄利用徑流泥沙，以達到石漠化綜合治理效果。我國西南喀斯特石漠化治理主要工程措施是坡改梯，部分坡改梯工程配套田間道路和微集水工程[53]。與生物治理措施相比，氣候因子對石漠化治理工程措施的影響方式較為單一，與降雨因子關系最為密切，主要表現在對地表產流峰值的預估上。西南喀斯特區多處于亞熱帶季風氣候的控制下，年降水集中在夏季，產流高峰也發生在同一時期，且區域性差異性大，充分評估最大降雨量、極端氣候事件的潛在威脅，有助于增強工程措施設計的科學性、合理性。遵循這一理論，畢節石漠化地區坡改梯工程實施過程中就把氣候要素作為重要參考，根據降雨和匯流面積，結合坡面自然排水方式、地形地貌等布設坡面溝渠工程，并且在配套蓄排引水工程建設中把溝渠的防御暴雨標準按10年一遇24 h最大降雨量設計[54]，明顯高于清鎮市王家寨小流域5年一遇的防洪設計標準[55]，表現出更強的抗洪防沖能力。黃雪松等對廣西石漠化旱澇災害防治措施與策略研究中也主張根據石漠化區旱澇災害分布特點，設置農田基礎設施、水利工程設施，進一步增強旱澇防御能力[56]。然而，實際操作中由于對氣候因子影響作用認識不充分，而導致工程措施沒有發揮應有作用，治理效果不理想的情況也不乏存在。張信寶等發現，在一些石漠化坡耕地治理試點工程中存在部分蓄水工程來水不足、利用效率不高的問題，這主要與對喀斯特坡地降雨產流特性認識不足從而導致設計來水量偏大有關[53]。

2.3 氣候因子對石漠化治理耕作措施的影響

長期以來，由于喀斯特地區耕地資源短缺、人地矛盾突出，毀林開荒、濫砍濫伐一直是加劇我國石漠化現象的直接原因，在此背景下以林草植被修復為核心的生態整治法應運而生[27，49，57]。生物治理措施雖然較為有效，但并不能從根本上解決農民的糧食安全和收入增長問題。盧良恕提出，喀斯特地區氣候資源獨特，“立體氣候”特征明顯，降水較為豐富，具備發展特色農業潛力[58]。基于氣候影響和水土保持考慮的等高線高植、草田輪作、免耕少耕等保護性耕作措施在西北黃土高原已經得到比較成熟的研究和推廣運用[59-60]，然而在水土流失嚴重的西南喀斯特地區相關報道卻很少，特別是在微觀層面和氣候影響機制的研究。何騰兵等對喀斯特山區旱地研究表明，實施保護性耕作措施后土壤理化性質發生了變化，全磷、全鉀、速效鉀等土壤養分含量明顯高于常規耕作土壤[61]。潘艷華等通過石漠化區耕作措施對比試驗，進一步證實保護性耕作措施可以增加土壤有機質、全氮含量和孔隙度，降低土壤容重，極大改善石漠化土壤環境質量[62]。

近年來，在保護性耕作和石漠化治理特色立體農業的引導下，氣候因子在石漠化治理中作用的關注度逐漸上升。立體農業是結合當地的氣候、水文、植被以及人文等因素，經過優化配置，由糧食作物-經濟作物-牧草輪作模式、果樹-藥材模式等組成的復合農林經營體系，耕作方式與氣候都是整個連接體系必不可少的部分[19]。在廣西平果縣倡導的農果草系統耦合生產模型，就是以作物相似的生存氣候條件為前提，從而實現豆科牧草、1年生牧草及飼料作物參與糧食作物和經濟作物的套作和輪作[63]。任繼周在對喀斯特地區農業發展建議中也提倡充分運用氣候(水熱)資源潛力，發揮氣候因子的正向促進作用，通常情況下牧草等飼用植物生長期比一般農作物長1～2個月，比農作物多利用20%～40%的積溫，節約15%～20%的水分，如果以20%的耕地用來草田套種，既可保證糧食產量，又可增加收益[64]。

2.4 氣候變化與石漠化治理政策措施的互動促進

喀斯特石漠化治理是一個兼具復雜性、科學性與長期性的工程[65]。黨的十七大報告指出，“加強水利、林業、草原建設，加強荒漠化石漠化治理，促進生態修復。加強應對氣候變化能力建設，為保護全球氣候作出新貢獻”。喀斯特地區退化生態系統的恢復重建已上升為重大國家需求[66]，國家及各級相關部門頒布和制定了許多政策措施，相關制度、政策成為石漠化治理工程實施的根本保障。從氣候變化層面上講，與之最密切的有關石漠化治理政策措施當屬生態移民和能源替代，力求恢復自然生境、改變傳統的薪炭能源結構，通過增加碳匯、減少溫室氣體排放來改善氣候環境。廣西環江縣自從建立肯福、城北等移民開發區，實行生態移民后，原石漠化地區封山3年，植被覆蓋率可提高10%～30%，封山6年植被覆蓋率可提高90%以上[67]；環江縣下南鄉實施環境移民工程10年，植被恢復效果顯著，物種豐富度與多樣性穩步增加，生態環境得到了極大改善[68]。貴州省貞豐縣北盤江鎮自1997年以來推廣“花椒-豬-沼氣”治理模式，解決農村能源問題[69]，云南石林地區則利用該區日照充分的優勢，修建太陽能光伏電廠，嘗試發展潔凈能源[70]。這些新型能源結構舉措，一是減少了當地居民對植物柴的依賴和碳排放，緩解了對區域氣候環境的影響；二是增加了經濟效益和社會效益。

3 研究展望

自20世紀80年代初石漠化災害概念提出[71-72]以來，我國喀斯特石漠化治理已經走過了30多年的歷程，石漠化問題受到各界越來越多的關注和重視。研究者從石漠化發生演變規律、調控機制、治理策略和調控措施等多方面開展了研究，然而由于人為擾動和地質條件在石漠化演變中起重要作用，主要研究成果多聚焦于這2個相關內容。客觀地講，在當前全球氣候快速變化的大背景下，氣候因子對喀斯特石漠化的影響作用以及石漠化治理對氣候變化的適應性研究相對滯后，目前尚處于初級階段，隨著石漠化治理時間尺度的不斷延展，氣候對石漠化治理的影響研究會引起更多的關注。

在現有研究基礎上，未來喀斯特石漠化治理與氣候變化關系問題，應從以下幾個方面進一步深入。

3.1 極端氣候對石漠化治理的影響機制及預防

近年來，西南地區氣候異常情況頻繁，干旱、洪澇、霜凍等極端災害事件發生次數明顯增多，給石漠化治理成果帶來了嚴峻的挑戰。增強喀斯特區植被對極端氣候的生理反應，以及自適應恢復或外界介入恢復特征研究十分必要；總結歸納多介質、長尺度氣候變化成果，探索極端氣候事件發生規律，并對未來變化趨勢作出相應的預測，為預防和應對極端災害提供理論支撐。

3.2 喀斯特石漠化演變與氣候因子的微觀作用機制探究

石漠化演變是多種因素綜合作用的結果，它與氣候變化關系的探究目前主要集中在宏觀層面，即石漠化面積的增減與氣溫、降水變化如何對應。如果進一步細化到不同等級石漠化對月、季節甚至每日氣候變化的響應，或者喀斯特區內林、草、微生物、動物、土壤養分對月、季氣候因子的響應研究，將有助于人們在微觀層次上對石漠化演變和氣候作用機制有更深入了解，從而為石漠化治理提供科學指導。

3.3 石漠化治理與氣候變化適應性模型構建

遙感技術迅猛發展[73-74]，尤其是中高分辨率遙感影像、激光雷達影像不斷豐富，為石漠化和氣候變化短周期、大范圍、高密度、高時效性的動態監測提供了可能，同時可以讓研究者占有更多歷史資料。在大數據分析支撐下，引入更多相關因子，構建石漠化治理與氣候變化適應性模型，模擬不同升溫、降水模式下，石漠化治理采用不同模式的預期效果，增強應對措施的前瞻性。

3.4 加強學科交叉，將石漠化治理作為一個耦合系統進行研究

石漠化治理適應氣候變化研究是一個復雜的、跨學科的系統工程，當前對石漠化治理措施設置和氣候氣象學科的交叉合作相對缺乏，研究方法少且單一，今后應加強借鑒其他氣候變化適應研究中的方法，如氣候情景和社會經濟情景構建、行動影響矩陣、參與式評估、風險評估、措施評估等，提高研究的有效性、科學性和全面性。

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