中國西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)研究

中國西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)研究巖溶生態(tài)系統(tǒng)是巖溶學科又一新的研究領域，“巖溶生態(tài)系統(tǒng)”被定義為受巖溶環(huán)境制約的生態(tài)系統(tǒng)。其系統(tǒng)中的物質(zhì)、能量遷移都帶有巖溶環(huán)境的“烙印”。中國西南巖溶石山區(qū)是全球碳酸鹽巖集中分布的三大區(qū)之一(歐洲地中海沿岸、美國東部和中國西南部)，同時它也是我國南方、北方兩大生態(tài)脆弱區(qū)(西南巖溶石山區(qū)、西北黃土高原干旱區(qū))和國定貧困縣集中分布區(qū)之一。因此，本項目的研究具有重要的理論意義和實際應用前景。本項目的新進展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一、中國西南巖溶石山區(qū)有巖溶縣292個，集中分布于北東向的構(gòu)造隆起帶上將中國西南1:50萬地質(zhì)圖與行政區(qū)劃圖的疊加，并以縣為信息單元，統(tǒng)計了碳酸鹽巖的出露面積，以碳酸鹽巖出露面積占國土面積的比例大于30％為標準，厘定中國西南巖溶石山區(qū)有巖溶縣292個，集中分布于滇東、桂西、黔、湘西、鄂西、渝東，呈北東向的隆起帶上(圖1)。這為揭示巖溶環(huán)境對人口、資源、社會經(jīng)濟制約的規(guī)律提供了有效的研究途徑。圖1中國西南巖溶縣分布圖二、西南巖溶縣的分布與社會經(jīng)濟發(fā)展狀況存在內(nèi)在的關系以2000年分省統(tǒng)計年鑒為源，用人口密度、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入作為社會經(jīng)濟發(fā)展的指標。統(tǒng)計的結(jié)果(表1)顯示：(1)廣西、湖南、湖北、重慶4省市巖溶縣的人口密度與非巖溶縣人口密度作對比，則廣西、湖南、湖北、重慶巖溶縣的人口密度僅分別為非巖溶縣的85.05%、83.03%、46.78%、54.43％。巖溶縣的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入也不及非巖溶縣。(2)貴州省是西南碳酸鹽巖集中分布的中心，其人口密度明顯高于鄰省桂西、湘西、鄂西及渝東碳酸鹽巖集中分布區(qū)，但它的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值則遠比鄰省的低，其原因可能有兩：①貴州土壤資源更缺乏，水資源更難利用。貴州碳酸鹽巖出露面積占土地面積的比例61.2%,而巖溶地下水的資源量卻占總水資源量的83%，石灰土面積僅占土類面積的25%；②當?shù)鼐用窨可?、開荒和開礦與惡劣的生態(tài)環(huán)境抗爭的觀念根深蒂固。表1貴州、廣西、湖南、湖北、重慶巖溶縣人口密度、農(nóng)民人均純收入、人均國民生產(chǎn)總值與非巖溶縣對比指標貴州廣西湖南湖北重慶巖溶縣非巖溶縣巖溶縣非巖溶縣巖溶縣非巖溶縣巖溶縣非巖溶縣巖溶縣非巖溶縣人口密度(人/km2)209.3157.2182.8214.6378.7456.1194.2415.3274.2503.8農(nóng)民純收入(元/人)1412144523652257195921241723237314942092國內(nèi)生產(chǎn)總值(元/人)2440178838233815409145654002623729903995三、廣西巖溶縣的分布與植被覆蓋特征存在制約關系廣西在60－80年代森林遭受幾次大規(guī)模的砍伐，在80年代中后期實施封山育林，恢復至今巖溶石山區(qū)與非巖溶區(qū)有較大的差異：巖溶區(qū)灌叢平均覆蓋率為14.81%,森林覆蓋率平均為12.13%；而非巖溶區(qū)的灌叢群落覆蓋率僅為1.92%，森林覆蓋率平均為31.32%。而且它們的空間分布與碳酸鹽巖的分布有較好的對應關系(圖2),灌叢覆蓋率與碳酸鹽巖分布面積的比例成正比，而森林覆蓋率與碳酸鹽巖分布面積比例成反比。這意味著巖溶石山區(qū)植被恢復的緩慢。圖2廣西巖溶縣的分布與灌叢覆蓋、森林覆蓋之間的空間關系上左：灌叢分布；上右：森林分布；下：巖溶縣分布四、植被演化對巖溶表層帶水循環(huán)有直接的影響弄拉是廣西巖溶峰叢洼地生態(tài)建設的典型之一，選擇封山育林40年、25年兩個不同的植被群落進行對比，監(jiān)測其表層泉的動態(tài)變化。蘭電塘是喬木頂極群落，植被覆蓋率95%，2001年4月—2002年5月，斷流1次，31天；東望泉灌叢群落，植被覆蓋率65%，斷流兩次，42天，124天(圖3)。而且蘭電塘泉的HCO3-、Ca2+濃度均高于東望泉，這表明封山育林、植被群落的恢復，不僅增強巖溶表層帶對水循環(huán)的調(diào)蓄能力，而且有利于巖溶的發(fā)育。水位(cm)水位(cm)圖3弄拉蘭電塘泉與東望泉水位動態(tài)變化對比五、砂頁巖(隔水層)的位置對水、土資源的影響不同的巖石組合特征可以制約巖溶區(qū)的土地利用方式。湖南保靖縣塘口灣庫區(qū)內(nèi)兩個緊密相鄰的洼地：吉庫洼地和老寨洼地。它們均受到NNE、NWW向兩組斷裂構(gòu)造的影響，圖4砂頁巖(隔水層)的位置對水、土資源的影響左:吉庫洼地的地質(zhì)剖面及其景觀右:老寨洼地的地質(zhì)剖面及其景觀在洼地的周邊均發(fā)育有泉水，但吉庫洼地的基底是由砂頁巖組成，它既可以截留通過構(gòu)造帶從上游來的水，同時又阻隔了水向地下的滲漏(圖4左),成為一片水源充足的水田；而老寨洼地，整體由碳酸鹽巖組成，起阻水、隔水作用的砂頁巖深埋地下40-60m，因此，雖然老寨洼地在周邊也發(fā)育有巖溶表層泉和受斷裂影響的常流泉，但流出的水很快漏失到地下，因而地表的土壤也就用于旱田的耕作(圖4右)。六、西南巖溶生態(tài)評價分區(qū)采集了西南七省一市各縣地質(zhì)、氣候、植被、土壤、社會經(jīng)濟等22個指標，結(jié)合西南巖溶生態(tài)特征，將西南巖溶地區(qū)分為5個生態(tài)區(qū)，其中3個生態(tài)區(qū)可分出7個生態(tài)亞區(qū)，4個生態(tài)亞區(qū)可分出9個生態(tài)小區(qū)(表3)。表3西南巖溶生態(tài)評價分區(qū)表各區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征及生態(tài)治理(重建)的建議：I．隆起帶巖溶生態(tài)區(qū)：碳酸鹽巖連續(xù)分布，是中國西南碳酸鹽巖分布最為集中的區(qū)域，也是石漠化最為嚴重、人們生活最為貧困的區(qū)域。I-1黔南、桂西亞區(qū)：純碳酸鹽巖分布區(qū)，因無隔水層，地表水缺乏，地下河發(fā)育，地貌以峰叢洼地和峰叢谷地為主；成土物質(zhì)少，水土流失嚴重，土壤資源短缺,水資源難利用。(1)在開發(fā)地下水資源的同時，要特別關注巖溶表層帶對水循環(huán)的調(diào)蓄功能，水柜建設要與巖溶表層帶發(fā)育特征協(xié)調(diào)；(2)在石漠化治理、退耕還林(封山育林)的同時，要特別關注發(fā)展特色經(jīng)濟植物；(3)在遏制水土流失的同時，要降低人口增長，提高人口素質(zhì);(4)注意處理好土地利用與地下水之間的關系。I-2.黔北、湘西、鄂西亞區(qū)。碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層，因隔水層的存在，常出現(xiàn)高位蓄水構(gòu)造和懸掛式的地下河，而白云巖集中分布區(qū)可打井取水；不同巖性巖石互層出現(xiàn)，外源水的作用使成土速率和土壤質(zhì)量有所提高，不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)對土地利用、生態(tài)環(huán)境的影響顯著。局部地區(qū)巖溶生態(tài)環(huán)境問題依然突出。(1)在充分利用隔水層，修建水庫、地下河引水工程，解決缺水問題的同時，要關注洼地、谷地防澇;(2)碳酸鹽巖集中分布區(qū)要關注封山育林、治理石漠化;(3)要關注碳酸鹽巖與非可溶巖互層情況下，元素遷移特征研究及特色經(jīng)濟作物的開發(fā);(4)防治鐵路隧道等基礎工程建設，對巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，導致水源漏失。II．沉降帶巖溶生態(tài)區(qū)。第四紀沉積物大量覆蓋，耕地面積分布廣，地貌以巖溶平原、峰林平原為主，水、土資源相對豐富，外源水對巖溶發(fā)育影響強烈，地表、地下巖溶形態(tài)發(fā)育。便利的交通為地表、地下巖溶旅游景觀的開發(fā)提供了很好的條件。人類活動強烈，地下水易污染，巖溶塌陷、巖溶干旱時有發(fā)生。在大力發(fā)展該地區(qū)巖溶景觀旅游業(yè)的同時，要關注地表水、地下水的合理利用和調(diào)配：(1)監(jiān)測巖溶水資源的季節(jié)動態(tài)，調(diào)配水資源，治理巖溶干旱；(2)監(jiān)測地下水水位，禁止過量開采而引起塌陷；(3)監(jiān)測水質(zhì)，防治水源污染。Ⅲ四川盆地巖溶生態(tài)區(qū)。碳酸鹽巖深埋，出露面積小，巖溶水經(jīng)過深部循環(huán)，多形成硫酸鹽型熱水，出現(xiàn)豐富的具醫(yī)療價值的溫泉、熱泉，有較高的經(jīng)濟開發(fā)價值。IV.斷陷盆地及周邊山地巖溶生態(tài)區(qū)。該區(qū)處于印度板塊、揚子板塊、西藏板塊三大板塊活動的交匯區(qū)，斷陷盆地廣布，盆地中有數(shù)十米至數(shù)百米厚的新生界松散層和半固結(jié)巖層，僅滇東盆底面積大于30km2的盆地有69個。斷陷盆地不僅是大片耕地集中分布區(qū)，而且是政治、經(jīng)濟活動的中心，人口密集，需水量大，而盆地周邊山地巖溶發(fā)育，地下河深埋，水源漏失，加上盆地降水比山地少1/3，因此斷陷盆地常常是缺水的干壩子，水資源的短缺制約著當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。綜合開發(fā)地下水資源，解決盆地用水困難，充分利用好光熱資源，發(fā)