喀斯特石漠化生態治理技術集成及其多尺度綜合配置

柯奇畫, 張科利, 王愛娟, 何江湖, 張思琪

(1.北京師范大學 地理科學學部 地理學院 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875; 2.水利部 水土保持監測中心, 北京 100055)

廣義石漠化類型中，當屬喀斯特石漠化分布最廣，對區域內外乃至整個國家可持續發展的影響最大，引起的關注最多。而無論是從全球范圍，還是從中國的情況來看，中國西南地區都是喀斯特面積最大、喀斯特地貌發育最強烈、石漠化問題最嚴重的地區，也是研究和防治石漠化的重點區域[1]。喀斯特石漠化，是指在脆弱的喀斯特生態系統中，人類不合理活動干擾引起植被破壞、水土流失，基巖大面積裸露或地表石礫堆積的土地退化現象和過程[2]。由此可見，石漠化的本質是地表植被破壞后水土流失長期作用的結果，水土流失是石漠化過程中某一階段作用強度的體現，二者在成因上存在因果關系[3]。因此，石漠化治理的核心是土地石漠化地區的水土流失的治理，而從水土保持角度把握石漠化治理的方向則尤為重要。

石漠化治理是一個非常復雜的國際性的難題。其中，國外喀斯特石漠化地區的人口負擔和經濟壓力較輕，石漠化問題并未引起廣泛關注，針對石漠化治理的技術成果報道幾乎沒有。國外喀斯特地區的生態治理并非以石漠化治理為中心，而是關注對喀斯特景觀資源和生態系統的保護[4-5]。例如，在美國[6]、英國[7]、意大利[8]、挪威[9]、斯洛文尼亞[10]、菲律賓[11]和伯利茲等[12]國家，喀斯特地區的生態治理多從政策和管理的層面上強調減少人類干擾和對生態系統和自然資源的保護，主要包括建立保護區進行自然封育[13]，對喀斯特洞穴[14]、地下水資源[15]和生物多樣性[16]的保護，以及發展生態旅游業等[17]策略。而中國西南喀斯特地區人地矛盾突出，在“人多錢少、山多地少、石多土少”的背景下，石漠化治理需求緊迫、難度大、任務重，引起國內學術界和國家政府的高度重視[1]。自1989年以來，中國就西南喀斯特區石漠化相關問題開展了諸多工作，先后實施了長珠防護林建設[18-19]、天然林保護[20]、退耕還林(草)等[21]林業重點生態工程、異地扶貧搬遷[22]、石漠化綜合治理工程[23]、坡耕地水土流失綜合治理試點工程等[24]一系列國家重大生態工程，從不同角度對喀斯特石漠化進行治理。經過幾十年的不斷探索和實踐，中國科研人員和廣大喀斯特地區干部群眾已經積累了大量的石漠化治理技術和方法[25-31]。在國際專利檢索分析平臺INNOGRAPHY上對喀斯特石漠化地區生態治理技術和模式的發明專利進行了搜索和統計。結果顯示，2003—2020年期間，全球針對石漠化地區生態環境問題公開的中英文發明專利共有447項，且均為中國專利。由此可見，中國不僅在石漠化研究中處于領先地位[32]，還在全球石漠化生態治理技術和模式的研發中起著中流砥柱的重要作用。但針對石漠化治理技術目前依然缺乏全面系統的總結，適用于不同治理背景下的石漠化治理技術配置體系也尚未確立，這將嚴重影響治理措施配置效益的發揮和后續治理質量的提高。而且最新監測結果顯示[33]，中國喀斯特地區生態狀況依然十分脆弱，石漠化防治形勢仍很嚴峻，防治工作任重道遠。因此，構建全面、系統、能適應不同治理需要的石漠化治理技術庫，形成適用于不同治理背景下的石漠化治理技術配置體系，對于提高石漠化治理成效、推動中國生態文明建設和綠色高質量發展具有重要意義。

1 石漠化治理重要概念和范疇的界定

無論是構建系統、科學的石漠化生態治理技術庫體系，還是針對石漠化地區生態治理提出有效的技術配置建議，首先都需要明確相關的概念和范疇。

1.1 石漠化地區的生態治理與石漠化生態治理

石漠化地區的生態治理(ecological restoration in rocky desertification region)是指針對石漠化地區的生態環境問題的治理，包括水土流失治理、石漠化治理、地面塌陷防治、大氣污染治理、地下水污染的治理、生物多樣性保護、綠色生產、垃圾處理等[4]。

石漠化生態治理(eco-control of rocky desertification)是針對石漠化問題的治理，也稱石漠化治理，是石漠化地區生態重建的基礎。石漠化生態治理的直接途徑主要有水土保持(包括植被恢復、坡改梯等)、水利建設與水資源開發、土地復墾等，間接途徑則包括農村能源結構調整、生態移民和產業升級等[34]。

1.2 石漠化生態治理技術、措施、模式、范式、樣板、策略

石漠化生態治理技術(rocky desertification control eco-technology)也稱石漠化治理技術，指的是有關石漠化治理的各種方法和手段，如根灌技術[35]、籐冠技術[36]、苔蘚—石斛—桑樹生態系統治理技術[37]。

石漠化治理措施(rocky desertification control measure)是對某類石漠化治理技術的總稱，如生物措施、工程措施和耕作措施[38]。

石漠化治理模式(rocky desertification control mode)是對多種石漠化治理技術的組合和配置，如廣西馬山弄拉的“山頂封，山坡林、竹、藥，山腳果、藥、草，地上糧，低洼桑”的立體復合農林模式[39]。

石漠化治理范式(rocky desertification control pattern)是對同類石漠化治理模式的高度總結，如林下經濟[40]，“種—養—沼/肥”循環經濟[41]。

石漠化治理樣板(rocky desertification control model)指某種治理模式在某一地區的應用獲得了成功，成為某地區石漠化治理的推廣示范典型，如貴州的“頂壇模式”[42]，廣西的“古周模式”等[43]。

石漠化治理策略(rocky desertification control strategy)指采取一些政策上的、管理上的措施來治理石漠化，如生態移民[44]、全面封禁[45]。

2 石漠化生態治理技術庫的構建

2.1 資料來源

本研究石漠化生態治理技術庫構建所用的背景資料來源廣泛，包括：713篇與石漠化地區生態治理相關的期刊、會議、學位論文、報紙和科技成果等形式的文獻，15本相關圖書[46-60]，8項行業或國家標準、規范和規程[61-68]，8項石漠化地區發展與生態治理相關的規劃[69-76]；加之前述的447項相關專利，各類相關資料共計1 191項。其中，文獻數據來源于國內外六大權威期刊論文數據庫，中文數據庫包括知網、萬方和維普，英文數據庫則包括Web of Science，Elsevier SD和Engineering Village。通過高級檢索式，對每個數據庫中與石漠化治理技術有關的文獻進行了檢索，檢索日期為2020年1月6日。其中，以知網為例的檢索式為：TI= (‘石漠化 /NEAR 5 治理’) AND TKA= (‘技術’+‘措施’+‘模式’+‘對策’+‘經驗’)。由于檢索的目的是收集與石漠化治理方法有關的資料，因此在下載文獻時排除了與治理技術模式無關的部分文獻。

2.2 構建思路

(1) 以水土資源為核心。水和土是人類賴以生存的物質基礎。土壤侵蝕造成水土流失，是當今世界面臨的主要環境問題之一[77]。在本就缺水少土的西南喀斯特地區，水土資源的流失是導致石漠化的直接原因[78]。因此，石漠化治理技術庫的構建應圍繞水土資源保持和水土資源保護為核心來展開。其中，水土資源保持技術是以水土保持的3大措施[38](即生物措施、工程措施和耕作措施)為參考，分為生物技術，工程技術和耕作技術。水土資源保護技術則是針對石漠化地區水資源缺乏和土壤貧瘠現狀，分為節水技術和培土技術。因此，將石漠化治理技術分為生物技術、工程技術、耕作技術、節水技術和培土技術5大類，作為技術庫中的一級分類。

(2) 以功能為導向。根據以上5個Ⅰ級分類技術，對現有海量資料中的石漠化治理方法與手段進行分類整合。在此基礎上，以功能為導向，根據治理需求和技術特性，在每個Ⅰ級分類技術下進一步劃分Ⅱ級分類技術。石漠化治理的對象主要是人為干擾形成的石漠化坡面，主要包括坡地農耕活動，牧伐樵采活動，開發建設活動這3大類活動不合理所導致的石漠化[79]。因此，需要治理的石漠化土地類型主要包括：坡耕地，林草荒地，開發建設用地。為了滿足不同類型石漠化土地的治理需要，在劃分Ⅱ級技術時，會考慮其對不同石漠化土地類型的適宜度。石漠化生態治理技術庫體系中每個Ⅱ級分類對不同石漠化土地類型的適宜度如圖1所示。

圖1 石漠化生態治理技術對不同石漠化土地類型的適宜度

(3) 以邏輯關系為線索。為了滿足不同尺度(即坡面、小流域、區域尺度)石漠化治理的需要，在以上Ⅱ級分類技術的基礎上進一步向下劃分。以邏輯為線索，由大到小，由粗到細，層層遞進，最終構建的石漠化生態治理技術庫是一個具有層次性的多級分類系統。前Ⅳ級構成石漠化生態治理技術框架(圖2左側)，主要包括：5個Ⅰ級分類，13個Ⅱ級分類，31個Ⅲ級分類，87個Ⅳ級分類。技術庫體系的底層由Ⅴ級分類和Ⅵ級分類組成，共包含1 125項具體的單項技術。其中，Ⅰ和Ⅱ級技術對應區域尺度的治理，Ⅲ和Ⅳ級技術對應小流域尺度的治理，Ⅴ和Ⅵ級技術對應坡面尺度具體的治理。此外，技術庫底層附帶有技術手冊，提供單項技術的詳細說明，并對適用條件、技術特點或注意事項進行總結，在此不做具體展示。

(4) 以區域特點為依據。喀斯特地區水土流失和石漠化治理具有其特殊性，普遍面臨缺水少土，坡陡石多，植被恢復困難，旱澇頻發的自然環境，以及傳統種植業為主的產業結構和人多地少，缺糧少錢，飲水灌溉困難的社會經濟背景。因此，在構建石漠化治理技術庫時，選取了大量具有區域特點或符合區域治理需求的技術，如經濟林草類技術中的香料和中藥材，抗旱植物，穴狀種植，落水洞治理和洼地排水系統等等。

3 石漠化生態治理技術的綜合配置

3.1 石漠化治理背景現狀類型劃分

西南喀斯特區石漠化地塊散布在6省1區1市457個縣[33]，區域地貌類型多樣，氣候特征多變；人口密度和人均耕地空間分布不均，社會經濟發展水平參差不齊，交通條件差異巨大。由于上述這些差異性的客觀存在，即使石漠化程度相同的地塊，當其位于的不同自然環境和社會經濟條件下時，需要采取不同對策和模式來實施治理。因此，為了做到精準和高效治理，需要將石漠化治理背景現狀進行分類。選取了石漠化程度、交通條件、人均耕地和坡面位置這4個劃分依據，以刻畫石漠化治理區的自然和社會經濟條件。①石漠化程度。可反映石漠化條件。建議采用石塊出露度指標評判，<10%時，屬于無石漠化，10%～30%為潛在石漠化，30%～50%時為輕度石漠化，50%～70%時為中度石漠化，>70%時則屬重度石漠化[59, 80]。 ②交通條件。可反映社會環境條件。分為好和差兩個級別，具體評判指標和標準可根據治理區的實際情況而定。建議根據距離高速公路的遠近來區分，例如，如果距離高速路車程小于3 h，就屬于交通條件好；否則就屬于差。 ③人均耕地。可反映土地承載力的剩余潛力。可分為富余和不足兩種情況。如果人均耕地面積大于區域平均水平，就屬于富余Ⅰ級；如果當地人均耕地面積小于區域平均水平，則屬于不足Ⅰ級。在石漠化最為嚴重的滇桂黔石漠化片區，人均耕地面積僅為667 m2[81]。因此建議以667 m2(約1/15 hm2)為界，將人均耕地面積<667 m2的劃歸為不足，人均耕地面積≥667 m2的歸為富余級別。 ④坡面位置。可反映石漠化治理的地形條件。分為坡上、坡中和坡下3個坡位。結合地表過程物質運移規律和地形學原理，得到一般情況下不同坡位的立地條件詳見表1。

表1 不同坡位地段的立地條件對比

以上4個劃分依據不同水平的各種組合，能夠通過逐級制約、層層分解的方式，將石漠化治理背景現狀劃分為36個基本類型。針對每一個基本類型，提出一種最佳治理模式或一系列的技術集群，實現治理的因地制宜和效益最大化。

3.2 石漠化治理技術與治理背景現狀類型的正向匹配

基于集成的石漠化治理技術庫，根據每一項Ⅳ級分類技術的性質和應用特點，逐一確定適用的4個劃分依據水平，形成一個從Ⅰ級至Ⅳ級分類技術正向匹配石漠化治理背景現狀類型的列表(圖2—3)。

3.3 基于治理背景的石漠化生態治理技術多尺度綜合配置

3.3.1 概化配置 通過在Matlab中編寫多條件反向查詢算法，基于石漠化治理Ⅳ級分類技術與其適用的治理背景現狀類型的匹配結果(圖2—3)，以石漠化程度、交通條件、人均耕地狀況、所在坡面位置的不同水平為條件，反向查詢得到36種石漠化治理背景類型下的坡面尺度治理技術集群。根據石漠化治理技術庫的層級關系，將坡面尺度治理技術集群中的同類技術向上歸并，對歸并結果進行分類組合搭配，形成小流域尺度治理技術組合配置方案。基于小流域尺度技術組合配置方案，以經濟發展和生態建設為導向，提煉總結出區域尺度治理方案。不同尺度的初步概化配置結果見表2—4。

圖2 石漠化治理技術與治理背景現狀類型的匹配建議(上)

圖3 石漠化治理技術與治理背景現狀類型的匹配建議(下)

表2 不同尺度石漠化治理技術概化配置建議(輕度石漠化)

3.3.2 細化配置 概化配置后的細化配置，指的是結合治理區的自然、社會、經濟條件進一步確定合適的備選植物物種，并確認是否采用培土技術、節水技術、水利工程、能源工程和確定合適的相關技術。通過概化配置和細化配置相結合，既能得到不同尺度的石漠化治理方案，又能將石漠化生態治理具體落實到單項技術，達到總體治理方向和具體治理手段兼顧的實用效果。

(1) 植物物種篩選。根據治理區的年降雨量、年均溫、年日照時數、土壤pH值等氣候土壤條件指標，從技術庫中篩選出適合當地生長的備選植物物種。

(2) 培土技術確定。根據土壤健康狀況的好壞，確定是否采用培土技術。若土壤健康狀況良好，則去掉概化配置結果中的培土技術。如果土壤遭受污染，則需進行土壤修復；如果土壤肥力低下，則需進行土壤改良。

表3 不同尺度石漠化治理技術概化配置建議(中度石漠化)

(3) 節水技術確定。根據治理區是否干旱缺水或基于治理方案的需水程度，確定是否采用概化配置結果中的節水技術，并根據當地的自然經濟條件選取合適的節水技術。

(4) 水利工程確定。根據治理區坡耕地現有的灌溉條件，確定是否考慮概化配置結果中的坡面水系工程，并根據當地是否有洼地洪澇災害來確定是否考慮洼地排洪工程。

(5) 能源工程確定。根據治理區能源是否出現短缺，確定是否在該區建設沼氣池、太陽能、小水電和其他節能工程(例如節能灶、節煤爐等)，并根據當地的自然條件和經濟條件選取合適的技術措施。如果能夠解決石漠化地區農村的能源問題，就可以大大地減少農村的家庭由于燃料缺乏而上山過度樵采所造成的植被破壞和水土流失現象，從而有效地抑制石漠化的形成和發展。

表4 不同尺度石漠化治理技術概化配置建議(重度石漠化)

4 基于區域發展類型的石漠化治技術模式應用總結

中國西南喀斯特區人多地少，普遍面臨著3大難題：經濟貧困(缺糧少錢)，生存環境條件惡劣(缺水少土、植被覆蓋率低、人畜飲水困難、旱澇災害頻發等)，區域可持續發展后勁不足(農村產業結構單一、缺乏替代產業和新的經濟增長點)[83]。在此治理背景下，石漠化治理應以緩解人地矛盾，解決上述3大問題為核心。因此，為了將石漠化治理融入地區發展，以經濟發展方向為線索，對區域產業背景或區域發展類型進行了分類。基于建成技術庫，結合現有石漠化治理模式、代表性的技術措施和常見的治理范式，對不同區域發展類型下對應的模式、技術及其適用條件進行了總結(表5)。

表5 區域發展類型及其石漠化治理技術模式應用總結

5 結 論

本研究以已有的海量文獻資料為基礎，根據西南喀斯特石漠化地區的區域特點，以水土保持綜合治理為導向，構建石漠化生態治理技術庫體系，并進一步探討石漠化治理技術在不同治理背景下的多尺度配置問題及其在不同區域發展類型下的應用問題。這些工作有助于實現不同自然社會經濟條件下石漠化治理技術的快速篩選和多尺度配置，有助于將石漠化治理融入到地區發展，為今后石漠化治理工作提供底層數據支持和治理方案參考。

石漠化治理是一個非常復雜的難題，在現實中需要面臨的情況千變萬化，根據各種治理條件確定最佳治理方案目前依然存在巨大挑戰。本研究所提出的石漠化治理技術綜合配置方法僅是一種普遍意義上的嘗試，無法覆蓋現實中出現的所有可能情況。將來在大數據和人工智能深度學習技術的支撐下，基于現有技術模式應用的訓練，可進一步開發自動生成最佳石漠化治理技術配置和范式選擇方案，并能進行效益分析評價的人機互動系統，以便于政府部門和投資者進行效益預測和風險評價。

此外，關于喀斯特地區的水土地下漏失阻控技術，主要體現在地表地下的蓄水保水和地表的攔沙固土這兩個方面，未來還需進一步加強地下河堵洞成庫、地下河出口建壩等地下蓄水技術的開發和研究。