巖溶槽谷石漠化綜合治理區治理生態效益評價

伏文兵，嚴友進，李華林，林梽桓，胡 剛，黃朝海

1. 貴州華力創通工程咨詢有限公司，貴陽 550000；2. 貴州省森林資源與環境研究中心/貴州大學 林學院/貴州大學 土壤侵蝕與生態修復研究中心，貴陽 550025；3. 北京林業大學 水土保持學院，北京 100083

喀斯特地貌是具有特殊能量、物質、功能和結構的生態系統，其生態敏感度高，穩定性差，基巖裸露，干旱頻繁發生[1]． 喀斯特地區巖溶發育強烈，人地矛盾尖銳，地表破碎，山勢陡峭，土壤貧瘠，耕地少，人類活動強烈干擾生態環境，使石漠化區與貧困區高度重疊，是典型的生態脆弱區[2-4]． 貴州省是我國水土流失嚴重的省份之一，坡耕地面積大、石漠化嚴重[5]，制約了貴州石漠化地區農業經濟的發展和農民生活水平的提高． 我國高度重視喀斯特地區石漠化和生態退化的治理，國家“十一五”規劃綱要中將貴州石漠化地區綜合治理作為生態保護重點工程． 2016年《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》進一步推進貴州喀斯特地區石漠化綜合治理[6]． 在國家政策的支持下，貴州省多縣開展了喀斯特地區石漠化綜合治理，因此，對石漠化綜合治理后的效益進行評價顯得十分必要．

對石漠化治理效益的評價一般從社會效益、經濟效益和生態效益3個方面進行[4]． 以往對喀斯特地區石漠化效益評價主要集中在兩個方面：一是微觀或單因素探究植物群落與生境的關系[7-9]，例如：唐政等[10]通過土壤原生動物群落大小和多樣性來表征喀斯特地區生態恢復與土壤肥力的協調演變規律；文麗等[11]研究西南喀斯特植被演替過程中群落的特征表明：西南喀斯特植被演替是生物驅動與環境因素相互作用的結果，不同區域植被演替和植物群落不同；杜虎等[12]對喀斯特地區不同植物群落與土壤的耦合關系研究表明：不同植物群落與土壤耦合關系不同，不同生態系統應該制定相應合適的培育管理措施等． 二是宏觀地評價石漠化綜合治理的模式與方法． 例如：陳洪松等[6]宏觀描述西南喀斯特地區石漠化綜合治理成效、問題與對策表明：西南喀斯特地區石漠化與貧窮問題相互交織，通過石漠化綜合治理能夠初步遏制石漠化進一步擴展；陸原[13]借助系統論觀點對喀斯特地區石漠化的內涵分析表明：應把人地關系之間的協調作為石漠化治理的宗旨；王克林等[2]研究喀斯特地區石漠化綜合治理及其區域恢復效應表明：目前石漠化治理存在成效鞏固困難、治理技術缺乏區域針對性、社會人文驅動機制不清等問題． 綜上所述：目前對喀斯特地區石漠化綜合治理效益評價主要集中于單方面的生態效益評價和宏觀的定性描述，對綜合評價石漠化治理效益具有一定的局限性． 本研究選擇貴州省綏陽縣巖溶地區典型巖溶槽谷石漠化小流域(太白河小流域和洪光壩小流域)為單元，基于野外試驗、調查收集、實地驗證、定點監測等手段獲取數據，通過植被多樣指數、國家林業行業標準(LY/T 1721-2008)、土壤流失方程(RUSLE)和社會經濟評價指標，構建生態-社會-經濟三位一體的植被評價體系，對喀斯特地區石漠化綜合治理效益進行定量分析與評價，為喀斯特地區石漠化綜合治理提供理論依據．

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州省綏陽縣位于貴州省北部，大婁山脈中段，總面積2 566 km2，地理坐標為106°57′22″-107°31′11″E，27°49′22″-28°29′34″N． 該區域屬于中亞熱帶濕潤季風性氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，降水較豐沛[14]，多年平均降水量1 160 mm，多年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫38.8 ℃，極端最低氣溫-6.2 ℃，多年平均無霜期283 d；年平均日照1 114.2 h． 該區域地形起伏較大，地貌類型復雜，土壤主要以水稻土和黃壤為主，pH值為6.2～7.5，森林覆蓋率達47%． 喀斯特面積達2 431.80 km2，占全縣總面積的94.77%，其中：潛在石漠化面積790.84 km2，輕度石漠化面積358.98 km2，中度石漠化面積44.14 km2，強度石漠化面積1.80 km2，無石漠化面積1 236.04 km2(數據來源：《貴州省綏陽縣喀斯特石漠化綜合防治規劃(2005-2050年)》)． 2019年，綏陽縣生產總值137.8億元，增長10.2%；城鎮、農村居民人均可支配收入分別達32 827元、13 922元，分別增長8.8%，9.6%(數據來源：《綏陽縣2020年政府工作報告》)． 本次研究以綏陽縣石漠化綜合治理成果顯著，且具有代表性的太白河和洪光壩兩條小流域為研究對象(圖1)，評價其石漠化綜合治理效益． 太白河小流域位于綏陽縣北部太白鎮境內，距縣城82 km，包括鳳凰村、富裕村、石輪村、水壩村、太平村5個村． 總人口1.28萬人，農業人口1.19萬人． 洪光壩小流域位于綏陽縣東北部溫泉鎮境內，距縣城50 km，包括洪駱村、旺草鎮角口村、廣懷村、石羊村4個村． 總人口0.89萬人，其中農業人口0.86萬人．

圖1 研究區地理位置示意圖

1.2 數據來源

根據《貴州省綏陽縣喀斯特石漠化綜合防治規劃(2005-2050年)》，以小流域為單元，按照“因地制宜、突出重點、統籌規劃、合理布局、相對集中、示范帶動、以輕度和中度石漠化治理為突破口”的原則，開展綏陽縣石漠化綜合治理工程示范、監測等一系列工作． 為了監測和評估石漠化綜合治理與效益，我們分別于2014年和2016年，組隊到綏陽縣進行了石漠化綜合治理工作調研． 通過統計上報、現場驗證、走訪座談的形式，對太白河流域和洪光壩流域石漠化治理工程試點區開展了石漠化綜合治理成效調查，獲取2015年兩個流域土地利用以及石漠化現狀分布面積數據． 并于2014年設置野外試驗樣區，對石漠化綜合治理前后進行綜合評估，通過現場實地調查了解石漠化綜合治理措施、模式、技術、方法等情況，為本研究提供了數據來源．

1.3 研究方法

1.3.1 試驗設計及樣地設置

在綏陽縣太白河流域和洪光壩流域典型石漠化治理區選擇不同植被類型的樣地開展試驗． 太白河流域選擇封山育林(封育林)樣地6個，人工造林(人工林)樣地9個；洪光壩流域選擇封育林樣地5個，人工林樣地6個． 其中，植被調查內容主要包括物種名、株數、頻度、胸(地)徑、高度、枝下高、冠幅以及人工造林與植草的保存率、生長發育狀況、林木與草被蓋度、生長量等． 各樣地基本信息如表1所示．

表1 綏陽縣典型喀斯特小流域樣地信息

續表1

1.3.2 植被多樣性計算方法

研究區植物群落物種組成、結構變化代表了該區域內植被恢復演替發展的方向． 通過對治理工程實施封育措施和人工造林措施前后的植物物種多樣性變化的研究，分析植被變化趨勢，評價治理效果． 本研究選擇物種豐富度指數、生物多樣性指數、均勻度指數、生態優勢度指數對項目治理區植物多樣性進行評價． 具體計算公式和生態含義如表2所示．

表2 植物多樣性分析指標及公式[15-16]

1.3.3 植被固碳量估算方法

森林生態系統是陸地生態系統最重要和面積最大的子系統[17]，是地球陸地生態系統的主體，是陸地碳的主要儲存庫[18]． 森林植被通過光合作用，可吸收和存儲大氣中的CO2，從而維持大氣中的CO2平衡[19]． 因此要評價喀斯特地區石漠化綜合治理的效益，評估植被固碳量的變化必不可少． 本研究植被固碳量依據國家林業行業標準《森林生態服務功能評估規范》(LY/T 1721—2008)[20]進行計算． 計算公式如下：

G固碳=1.63R碳AB年

(1)

式中：G固碳為植被年固碳量，單位：t/a；R碳為CO2中C的比例，為27.27%；A為林分面積，單位：hm2；B年為林分凈生產力，單位：t/(hm2·a)．

1.3.4 土壤侵蝕估算方法

本研究選用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)開展太白河和洪光壩小流域土壤流失研究[21]，其計算公式為：

A=R·K·LS·C·P

(2)

式中：A為單位面積上時間和空間平均的土壤流失量(土壤侵蝕模數)，單位：t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，單位：MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，單位：t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為坡長與坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子．

1) 降雨侵蝕力因子

在RUSLE中，將一次降雨總動能與該次降雨最大30 min雨強的乘積稱為降雨侵蝕力． 本研究采用卜兆宏等[22-23]和黃炎和等[24]根據南方亞熱帶實測數據提出的R值計算式：

(3)

2) 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性反映土壤在雨滴擊濺、徑流沖刷或者兩者共同作用下，被分散、搬運的難易程度． 確定土壤可蝕性的最好辦法是在天然小區上直接測定，但必須有足夠數量而且觀測歷時較長的數據庫資料． 土壤可蝕性因子K反映了不同土壤的侵蝕率，滲入率，總持水能，磨蝕、搬運及可侵蝕性． 本研究根據項目工程區主要土壤類型、有機質含量，結合楊廣斌等[25]和高華端等[26]計算的不同土壤類型K值的研究結果，最終確定綏陽縣為0.28．

3) 坡長與坡度因子

在通用土壤流失方程中，地形對土壤侵蝕的影響用坡長和坡度因子來計算． 坡度因子(S)反映坡度對侵蝕的影響，土壤侵蝕程度隨坡度的增加而增加，且增加速度加快． 坡長(L)定義為從地表徑流源點到坡度減少直至有沉積出現地方之間的距離，或到一個明顯的渠道之間的水平距離． 本研究采用黃炎和等[27]建立的亞熱帶地形因子方程計算：

LS=0.08L0.35S0.6

(4)

式中：L為侵蝕坡面的坡長(m)；S為侵蝕坡面的坡度(°)． 根據綏陽縣典型區域坡長、坡度調查結果，本研究LS值為3.62．

4) 植被覆蓋因子

該因子是在相同土壤、坡度和相同的降雨條件下，某一特定作物或植被情況時的土壤流失量與耕種過后連續休閑的土地土壤流失量的比值，一般為0～1． 該因子包括植被、作物種植順序、生產力水平、生產季長短、栽培措施、作物殘余物管理、降雨分布等相互作用，主要體現在植被蓋度的變化上． 樣地治理前后植被蓋度計算植被覆蓋因子C． 本研究C值估算采用如下公式(蔡崇法等[28])：

(5)

式中：fC為植被蓋度．

5) 水土保持措施因子

水土保持措施因子(P)是指特定水土保持措施下土壤流失量與相應未實施水土保持措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比． 包含于這一因子中的侵蝕控制措施有：等高耕作、等高帶狀種植、修梯田、土壤保持耕作、輪作等． 本研究主要的工程措施是修建梯田和梯田整修，根據游松財等[29]估算江西省泰和縣土壤侵蝕量的方法和流域的野外調查，對治理前后的P進行賦值．

2 結果與分析

2.1 石漠化現狀

從圖2可知：太白河流域土地總面積3 010 hm2，其中水田40.46 hm2，梯坪地6.51 hm2，坡耕地1 242.94 hm2，灌木林地936.49 hm2，喬木林地125.91 hm2，其他林地563.51 hm2，經濟林1.96 hm2，建設用地43.69 hm2，水域11.67 hm2，其他土地36.86 hm2． 洪光壩小流域土地總面積3 500.93 hm2，其中水田615.36 hm2，梯坪地157.06 hm2，坡耕地651.68 hm2，灌木林地975.30 hm2，喬木林地439.69 hm2，其他林地577.12 hm2，建設用地75.75 hm2，水域面積8.97 hm2． 坡耕地和灌木林地均為兩個小流域的主要土地利用類型．

圖2 2015年綏陽縣喀斯特典型小流域土地利用類型和石漠化現狀

太白河小流域無明顯石漠化面積1 080.92 hm2，潛在石漠化面積619.08 hm2，輕度石漠化面積561.69 hm2，中度石漠化面積371.68 hm2，強度石漠化面積376.63 hm2，無明顯石漠化面積占總面積的36%． 洪光壩小流域無明顯石漠化面積700.11 hm2，潛在石漠化面積1 069.63 hm2，輕度石漠化面積1 077.14 hm2，中度石漠化面積654.05 m2，無強度石漠化，無明顯石漠化面積占總面積的20%． 石漠化類型中兩個小流域均有不同等級的石漠化發生，應該采取合適的植物措施、工程措施和耕種措施防止石漠化情況持續加重．

在實際工作中，除加強口岸檢疫外，還須制定相應的防除措施和跟蹤監測體系且落實到實處[17-18]，把此類入侵性、高危害性的雜草控制在一定的范圍內，做到早發現、早防除，保護我國的農業和生態環境。

2.2 植被恢復效益評價

2.2.1 植被多樣性變化

太白河小流域和洪光壩小流域Shannon-Wiener多樣性指數分別從治理前的0.747和0.732提高到治理后的0.751和0.744(圖3)；優勢度分別從治理前的0.553和0.563降低到治理后的0.546和0.544；均勻度分別從治理前的0.412和0.405提高到治理后的0.419和0.421；物種豐富度也逐漸增加(圖3)． 結果表明，通過封育管理和人工造林等石漠化治理措施，物種組成和群落結構發生改變，物種豐富度提高，群落復雜性增加，結構和層次更加多樣化． 在人工造林和封育管理措施下，研究區物種數、多樣性指數均增加，均勻度指數、優勢度指數按照群落正向演替發展規律進行． 植物多樣性有利于發揮石漠化生態系統的功能，使生態系統更加完善穩定． 主要表現在物種多樣化使石漠化系統內物種間競爭加強，有利于植物適應更加惡劣的環境而繁衍生存；物種間營養的相互關系更加多樣化，使各營養水平間的能量流動趨于穩定；多樣性的提高，使系統抵抗外界干擾的能力增強．

圖3 石漠化綜合治理前后植被多樣性變化

2.2.2 植物群落特征變化

植被蓋度反映植被的茂密程度和植物進行光合作用面積的大小；土層厚度(覆蓋層)是植物根系、土壤微生物和土壤養分的載體；枯枝落葉層(腐殖層)肥力性質最好，是植物根系和微生物分布最多的一層，對土壤的改良和防止水土流失有著重要的作用；林地面積的增加對該區域生態環境的改善有著重要的意義． 從表3可知：各種治理措施使得植被蓋度有不同程度的提高，其中人工林的效果最為明顯，其次是封育林． 治理前后封育林和人工林的土層厚度不變；封育林枯枝落葉層增加2 cm，而人工林的枯枝落葉層不變；林地面積增加，太白河流域新增林草面積1 300 hm2，其中封育林1 120 hm2，人工林180 hm2；洪光壩流域新增林草面積1 610.87 hm2，其中封育林1 463.41 hm2，人工林147.46 hm2．

表3 石漠化小流域植被群落特征

根據野外調查可知：石漠化治理措施提高了石漠化區域的植被蓋度，而土層厚度和枯枝落葉層沒有明顯變化． 土壤形成是一個十分漫長的過程，喀斯特地區地理條件特殊，形成土壤更加困難． 在河谷以及河漫灘區域，封育林枯枝落葉層平均增加2 cm． 因封山育林區去除人為干擾后，植被生長相對茂密，而人工林地區枯枝落葉層較薄，主要是植被稀疏，處于恢復的初級階段． 2015年綏陽縣干旱，天氣持續高溫少雨，人工林的存活率較低．

2.3 植被固碳量效益評估

由表4可知，2015年太白河和洪光壩小流域人工林生物量分別為264.60 t和237.41 t；封育林生物量分別為7 414.40 t和11 634.11 t． 太白河和洪光壩小流域人工林固碳量分別為2.90 t和7.95 t ；封育林固碳量分別為8 904.00 t和11 634.11 t． 石漠化綜合治理后流域的生物量和固碳量均明顯增加，封育林增加的生物量和固碳量大于人工林． 封育林中喬、灌、草均有，年生長量均較大，而人工林面積少，且成活率低，年生長量很小，還未充分發揮人工林的保水保土效益． 封育林的固碳量和生物量增加相對于人工林更顯著． 植物群落地上生物量增加，表明群落所處的生境將趨于好轉，群落具有較好的生態系統功能，同時植被水土保持的效果明顯[30]． 植被是影響水土流失的關鍵因子之一，而生物量是植被生態系統中的關鍵[31]，是植被發揮涵水保土功能的關鍵，是實現其健康持續發展的根本保證． 研究表明，實施石漠化綜合治理工程成效顯著，固碳效益明顯，生境逐漸變好．

表4 石漠化小流域植被固碳效益

2.4 水土保持效益評價

從圖4可知，太白河小流域治理前后土壤侵蝕模數分別為517.39，503.41 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數減少13.98 t/(km2·a)；治理前后的水土流失總量分別為15 573.44，15 152.64 t，水土流失量減少420.80 t． 洪光壩小流域治理前后土壤侵蝕模數分別為347.27，341.83 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數減少5.44 t/(km2·a)；治理前后的水土流失總量分別為12 157.68，11 967.23 t，水土流失量減少190.45 t． 石漠化綜合治理實施一年其水土流失量減少，土壤侵蝕模數降低，而隨著林草措施效益的發揮，其效益將日益顯著． 從水土保持的角度來看，綏陽縣石漠化綜合治理工程效益顯著．

圖4 石漠化綜合治理水土保持效益評價

2.5 社會經濟評價

本研究選擇農地生成力、農業產值、林業產值、人均收入、恩格爾系數等來對石漠化綜合治理區的社會經濟進行評價，評估石漠化綜合治理前后社會效益(圖5)． 太白河和洪光壩小流域農地生產力分別提高55.21 kg/hm2和24.08 kg/hm2；農業產值總量分別提高12萬元和28萬元；林業產值總量分別提高16.50萬元和6.6萬元；人均收入分別增加0.36萬元和0.52萬元；恩格爾系數分別降低1.3%和2.3%． 根據實地調查：石漠化綜合治理后，小流域實施水利水保工程后，農地周邊的交通、水肥條件得到改善，農戶種植知識增加，技術改進，從而使得糧食產量出現逐年增加的趨勢，人均收入增加． 農業產值與農地生產力關系極為密切，項目工程區經過實施的林草工程、小型水利水保措施及其他基本農田建設項目等，使得農地生產條件得到改善，較大程度地提高了農地生產力，最終促使了農業產值的提高． 林業產值提高不顯著，其所栽植的經濟林(油茶、桃、李、金銀花)收益比較慢，待其產生效益至少得3年的時間． 而隨著時間的推移，營林措施效益逐漸明顯，林木質量逐漸提高，促使林業產值的提高． 恩格爾系數>59%為貧困，(50%，59%]為溫飽，(40%，50%]為小康，(30%，40%]為富裕，≤30%為最富裕． 研究區人民生活總體達到溫飽水平，而逐漸向小康靠攏．

圖5 石漠化綜合治理社會效益評價

3 結論與討論

喀斯特石漠化太白河和洪光壩流域植被Shannon-Wiener多樣性指數、均勻度指數、物種豐富度指數增加，優勢度降低． 在人工造林和封育管理措施下，研究區植被按照群落正向演替發展規律進行． 植被蓋度有不同程度的提高，其中人工林的效果最為明顯，其次是封育林． 封育林和人工林的土層厚度不變；封育林枯枝落葉層增加2 cm，而人工林的枯枝落葉層不變． 兩個流域林地面積增加2 910.87 hm2． 綏陽縣典型石漠化綜合治理流域植被群落逐漸恢復并趨于復雜化．

2015年綏陽縣太白河和洪光壩小流域生物量和固碳量分別為19 550.52 t和20 548.96 t，封育林增加的生物量和固碳量大于人工林． 植物群落地上生物量增加，實施石漠化綜合治理成效顯著，固碳效益明顯，生境逐漸變好．

太白河小流域治理后土壤侵蝕模數減少13.98 t/km2·a；水土流失量減少420.80 t． 洪光壩小流域治理土壤侵蝕模數減少5.44 t/km2·a；水土流失量減少190.45 t． 隨著時間的推移，兩個典型喀斯特石漠化小流域林草措施效益逐漸發揮，水土保持效益日益顯著．

小流域內農地生產力提高，治理后農業產值提高40萬元，林業產值提高23.10萬元． 人均收入增加，恩格爾系數降低，人民生活水平向小康水平發展．

綜上所述，通過石漠化綜合治理工程的實施，綏陽縣治理區的生態環境得到了較大程度的改善，固碳減沙效果明顯，農民生活水平有一定程度提高，經濟狀況得到了好轉． 開展巖溶地區石漠化綜合治理工程對該區生態環境、區域經濟、社會持續性發展具有極為積極的作用．