全 文 ：第 34 卷第 18 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.18
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院西部行动计划项目(KZCX2鄄XB3鄄10);国家自然科学基金项目(U1033004, 31370485)
收稿日期:2014鄄05鄄09; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: songtongq@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201405090929
宋同清,彭晚霞,杜虎,王克林,曾馥平.中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策.生态学报,2014,34(18):5328鄄5341.
Song T Q, Peng W X, Du H, Wang K L, Zeng F P. Occurrence, spatial鄄temporal dynamics and regulation strategies of karst rocky desertification in
southwest China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5328鄄5341.
中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、
发生机制与调控对策
宋同清1,2,*,彭晚霞1,2,杜摇 虎1,2,王克林1,2,,曾馥平1,2
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室,长沙摇 410125;
2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站,环江摇 547100)
摘要:中国西南喀斯特石漠化及发展态势的遏制与综合治理是长江、珠江流域的生态安全需要。 通过总结前人的研究成果、采
集中国科学院环江喀斯特生态试验站部分收集整理和试验数据,尝试性地提出了新的石漠化概念和分类标准,探讨了西南喀斯
特石漠化的空间分布及动态变化规律,阐明了不同石漠化程度生态系统的植被和土壤物理、化学、微生物等属性的表现特征,从
自然和人为两个方面揭示了西南喀斯特石漠化的发生机制,提出了不同石漠化程度的治理对策,以促进喀斯特区域生态、经济、
社会的全面协调与可持续发展。
关键词:西南喀斯特;石漠化;时空变化;发生机制;综合治理
Occurrence, spatial鄄temporal dynamics and regulation strategies of karst rocky
desertification in southwest China
SONG Tongqing1,2,*, PENG Wanxia1,2, DU Hu1,2, WANG Kelin1,2, ZENG Fuping1,2
1 Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
2 Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China
Abstract: The karst landscape in China are mainly located in the southwest of China around Guizhou province and cover an
area of 550 000 km2 . Southwest China is most famous in the world for the continuous distribution of karst landscape, for
holding the largest area of bare carbonate rocks and for experiencing the strongest karst development in the world. The karst
area in southwest China is characterized by unique geological background, high landscape heterogeneity, low ecological
capacity. In the meanwhile, this region is populous and in turn the exploitation of natural resources has been very high. For
example, most natural vegetation has been converted to croplands. As a consequence, the region has experienced serious
soil erosion or rocky desertification over the past decades due to the fragile nature of the ecosystems here, which posed great
threat on the sustainable development of this region. In addition, since southwest China is located in the headwaters region
of the Pearl River and Yangtze River, the ecological degradation in this region directly impacts the ecological safety the in
the middle or lower reaches of the two rivers忆 watersheds. Therefore, a comprehensive control of the karst rocky
desertification and an effective restoration of the degraded areas are necessary for ensuring the ecological security of the
Yangtze and Pearl rivers忆 watersheds. In this paper, we systematically synthesized the information regarding rock
desertification in the karst area in southwest China obtained largely from but not limited to Huanjiang Observation and
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Research Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences. We proposed a new definition of rocky desertification
and its classification criteria. Based on remote sensing data, we discussed the spatial distribution and dynamics of rock
desertification in the karst area in southwest China. At different stages of rocky desertification, the ecosystems were related
to different characteristics embodied by a combination of vegetation, soil physics, chemistry, and microorganism. The
occurrence of karst rocky desertification was explained from natural factors (e.g., geological factors) and human activities,
especially agricultural activities. We proposed several regulation strategies according to the degree of rocky desertification to
boost the harmonious and sustainable development of ecology, economy and society in the karst areas of southwest China.
Key Words: karst area; rocky desertification; spatial鄄temporal dynamics; occurrence; regulation strategies
摇 摇 全球喀斯特面积约 2 200万 km2,占世界陆地面
积的 12%左右,中国境内碳酸盐岩类岩层纵横广,喀
斯特现象普遍,类型繁多,形式多样,发育强烈。 喀
斯特面积为 344.4 万 km2,裸露面积为 90.7 万 km2,
主要集中在以贵州为中心的西南部(102毅— 111毅E,
23毅— 32毅N),面积约为 55 万 km2,是全球三大岩溶
集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大、岩溶发
育最强烈的地区[1鄄2]。 西南喀斯特地区地质背景特
殊,景观异质性强,岩溶作用强烈,生态环境容量小,
但人口众多,尖锐的人地矛盾导致植被破坏和水土
流失日益严重,产生了十分严重的石漠化现象,且呈
不断扩张的态势,严重制约了该区域可持续发展,直
接威胁到长江、珠江流域生态安全[3]。 很多学者从
不同角度尝试研究和探讨了西南喀斯特生态系统退
化机理和石漠化发生机制[4鄄13],提出了许多有益的
生态恢复与综合治理措施,特别是近年来通过“退耕
还林还草冶、“坡耕地整治冶、“生态扶贫冶、“天保冶、
“石漠化综合治理冶等以植被恢复为主的宏观生态工
程的实施,涌现出了广西环江和马山、贵州毕节和贞
丰、湖南龙山和永州等一些成功的石漠化治理模
式[13鄄19],石漠化治理与生态恢复初见成效,但由于土
壤原生境被破坏,且忽略了经济效益,无法实现区域
生态、经济双赢的可持续发展目标,出现了不同程度
的返“贫冶返“漠冶现象,石漠化快速发展的总体趋势
没有得到有效的遏制[20]。 本文通过总结前人的研
究成果和采集中国科学院环江喀斯特试验站部分收
集整理和试验观测数据,尝试提出了新的“石漠化冶
概念和分类标准,探讨了西南喀斯特石漠化的空间
分布及动态变化规律,阐明了不同石漠化程度的生
态系统特征,从自然和人为干扰两个方面揭示了西
南喀斯特石漠化的发生机制,针对性的制定了不同
石漠化程度生态恢复与综合治理关键技术,为促进
西南喀斯特区域生态、经济、社会的协调发展提供一
定的理论依据。
1摇 石漠化概念及演绎
石漠化起源于荒漠化研究,1949年,法国科学家
A.Aubrevile在研究非洲热带和亚热带森林的稀树草
原化过程时,首次提出了荒漠化(Desertification)的
概念。 1977年召开的联合国荒漠化会议(UNCOD)
诞生了荒漠化的定义:“荒漠化是土地生物潜力的下
降或破坏,并最终导致类似于荒漠景观条件的出
现。冶Desertification作为第一个荒漠化定义被联合国
正式采纳[21]。 后来,国内部分学者提出了湿润地区
荒漠化问题,并指出石灰岩风化壳上发育的荒漠化
土地主要分布在四川、贵州、云南、广东、广西、湖南,
又称石漠化土地[22]。
袁道先采用石漠化概念来表征植被、土壤覆盖
的喀斯特地区转变为岩石裸露的喀斯特景观的过
程,并指出石漠化是中国南方亚热带喀斯特地区严
峻的生态问题,导致了喀斯特风化残积层土的迅速
贫瘠化[23]。
罗中康认为,喀斯特地区的森林植被一旦遭到
破坏,不仅难以恢复,而且必然造成大量的水土流
失、土层变薄、土地退化、岩石出露、形成奇特的石漠
化景观[24]。
熊康宁等认为,喀斯特石漠化是在喀斯特脆弱
生态环境下,人类不合理的社会经济活动,造成人地
矛盾突出、植被破坏、水土流失、岩石逐渐裸露、土地
生产力衰退丧失,地表在视觉上呈现类似于荒漠化
景观的演变过程[9]。
王世杰认为喀斯特石漠化是指在亚热带脆弱的
喀斯特环境背景下,受人类不合理社会经济活动的
干扰破坏,造成土壤严重侵蚀,基岩大面积出露,土
9235摇 18期 摇 摇 摇 宋同清摇 等:中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策 摇
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地生产力严重下降,地表出现类似荒漠景观的土地
退化过程[25]。
刘丛强等认为,喀斯特石漠化可简单理解为植
被、土壤覆盖高的喀斯特景观转变为岩石裸露率高
的喀斯特景观的过程[5]。 人类活动、活动断裂、冻融
作用、水土流失、地震、滑坡、崩塌、泥石流等及与之
相关地球化学过程均可促使植被、土壤高覆盖的喀
斯特地区转变为岩石裸露的喀斯特景观。
石漠化是指碳酸盐岩地区生态地质脆弱环境
下,干扰(人类、地质变化、自然灾害等)和岩溶相互
作用而造成的植被破坏、水土流失、土地质量下降直
至岩石裸露、出现类似荒漠化景观的生态系统复合
退化过程。 其中脆弱的生态地质环境为基础,干扰
特别是人类不合理的经济活动为驱动力,植被退化
为诱因,土地生产力下降为本质,荒漠化景观为
标志。
2摇 石漠化类型及特征
对石漠化进行科学评定等级和分类,既有利于
分析、了解石漠化的现状与程度,又便于在此基础上
分门别类的制定合理的石漠化治理规划与方案。
熊康宁等按照综合性原则、主要因素原则、简单
性原则、现状与潜力相结合的原则、相对一致性原则
等将喀斯特石漠化划分为无明显石漠化、潜在石漠
化、轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化、极强度石
漠化六级标准[9]。 张信宝等考察了贵州、云南和广
西的部分石漠化喀斯特山地,对西南亚热带喀斯特
山地石漠化提出了新的认识[8],认为现行的石漠化
程度分级过于简单,不能反映石漠化前后地面物质
组成和植被景观的变化,难以满足石漠化治理规划
编制和措施选择的需要,提出基于土壤流失程度和
地面物质组成类型的石漠化程度的叠加分类。 两种
分类较全面地反映了石漠化坡地的现今景观特征和
石漠化前后的景观变化,可以更好地满足石漠化成
因分析、石漠化治理规划编制和治理措施选择的需
要。 但却没有体现分类原则上的应用性和简单性,
实际应用中存在一定局限性。 蒋忠诚等从直观性、
简易性和可操作性出发,以岩石裸露率作为石漠化
等级划分标准,将石漠化划分为 5 类等级[6],虽然实
用,但未能综合体现石漠化的内涵,如贵州茂兰和广
西木论自然保护区的原始森林大部分生长在悬崖陡
壁、裸露的岩石上和岩石裂隙中,林下岩石裸露率相
当高。
根据直观性、简单性、可操作性、主导因素和综
合代表性原则,以岩石裸露率和植被覆盖率作为石
漠化等级划分的基本依据,将石漠化划分为无石漠
化(玉)、潜在石漠化(域)、轻度石漠化(芋)、中度石
漠化(郁)、重度石漠化(吁)5 级标准。 认为既比较
科学地反映了石漠化程度的内涵和差异,又具有可
操作性,可供推广使用。 各级石漠化程度的特征和
简单利用如表 1。
表 1摇 石漠化等级划分
Table 1摇 Graduation of rock desertification
程度
Degree
岩石裸露程度
Rock percentage / %
植被覆盖率
Coverage / %
特征与利用
Characteristics and utilization
玉 <10 >70 乔灌草植被、土层厚且连续,宜农林牧
域 10—30 >60 灌乔草植被、土层较薄但连续,宜林牧
芋 30—50 30—60 乔草+灌草、土被不连续,宜林牧
郁 50—70 10—30 疏草+疏灌、土浅薄且散布,自然恢复
吁 >70 <10 疏草、土零星分布,难利用
摇 摇 玉:无石漠化 No rock desertification;域:潜在石漠化 Latent rock desertification;芋:轻度石漠化 Slight rock desertification;郁:中度石漠化Medium
rock desertification;吁:重度石漠化 Severe rock desertification
3摇 石漠化的空间分布
石漠化是我国西南喀斯特地区最大的生态问
题,中国地质科学院岩溶地质研究所 2003—2005 年
利用遥感技术探查了西南地区石漠化分布现状,与
此同时,国家林业局于 2004—2005 年采用地面调查
与遥感技术相结合、以地面调查为主的技术方法,摸
清了西南喀斯特石漠化的分布状况,结果显示,截止
0335 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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2005年底,西南喀斯特石漠化土地总面积为 12.96
万 km2,占区域总面积的 12.1%,占区域喀斯特面积
的 28.7%[5]。
从行政区划角度出发,涉及湖北、湖南、广东、广
西、贵州、云南、重庆、四川 8 省(自治区、直辖市)的
460个县(市、区)。 在这 8 省区中,贵州省石漠化面
积达 3.32万 km2,占石漠化总面积的 25.6%,其后依
次为云南 2.88万 km2、广西 2.38万 km2、湖南 1.48万
km2、湖北 1.13 万 km2、重庆 0.93 万 km2、四川 0.76
万 km2和广东 0.08 万 km2,分别占石漠化总面积的
22.2%、18. 4%、11. 4%、8. 7%、7. 1%、6. 0%和 0. 6%。
主要集中发生在黔、滇、桂 3省区,3省区发生石漠化
的面积为 8.58万 km2,占石漠化总面积的 66.13%;3
省区石漠化严重县(指石漠化面积达 300 km2的县)
个数分别为 48个、37个和 30个,占石漠化严重县总
数的 68.05%,集中分布在黔西南、桂西及滇东区域。
从流域分布来看,石漠化主要分布在长江流域
和珠江流域,其中长江流域面积最大,为 7. 32 万
km2,占石漠化总面积的 56. 5%;珠江流域次之,为
4郾 87万 km2,占 37.5%;其他依次为红河流域 0.52 万
km2,占 4.0%;怒江流域 0.18 万 km2,占 1.4%;澜沧
江流域 0.08万 km2,占 0.6%。
就石漠化程度而言,根据中国国际工程咨询公
司编制的 《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲
(2006—2015)》,我国西南喀斯特区域现有石漠化土
地面积 12.96万 km2。 其中,轻度石漠化面积为 3.56
万 km2,占石漠化总面积的 27.47%;中度石漠化面积
为 5.91万 km2,占石漠化面积的 45.60%;重度石漠
化面积为 3.49 万 km2,占 26.93%,中度以上石漠化
面积占到了石漠化总面积的 72.53%(图 1)。
图 1摇 各省(区、市)不同等级石漠化面积比例
Fig. 1 摇 The area proportion of different graduation rocky
desertification in different provinces ( autonomous regions and
municipalities)
4摇 石漠化的数量变化
我国石漠化的数量和空间分布随时间的变化而
不断演变,总体而言呈增加的趋势,不同区域、不同
尺度、不同研究方法石漠化的年扩张率不同。 杨青
青利用遥感技术分析了桂西喀斯特石漠化 1990—
2005年 15年间的变化规律,结果显示:1990 年石漠
化总面积为 2. 37 伊 103 km2,石漠化发生率为
10郾 50%,占国土面积的 7郾 08%;2005 年石漠化总面
积增长为 2郾 69 伊 103 km2,石漠化发生率增长为
11郾 95%,占国土面积的 8郾 02%;从 1990 年到 2005 年
的 15年间,桂西石漠化总体扩张了 323郾 49 km2,平均
每年扩张 0郾 91%[11]。 两个时期石漠化等级结构发生
了变化。 潜在和轻度石漠化占总石漠化面积的比例
变小,中度以上石漠化比例增加,增幅最大的是强度
石漠化。 中度以上石漠化面积扩张较大,扩张程度最
大的是强度石漠化,年变化率在 2郾 89%。 潜在和轻度
石漠化的年变化率较小,仅为 0郾 23%和 0.24%(表 2)。
表 2摇 喀斯特地区不同等级石漠化面积变化
Table 2摇 Area dynamics of different grade rocky desertification in karst region
等级
Degree
1990面积 / km2
Area
2005面积 / km2
Area
变化面积 / km2
Changes of area
变化率 / %
Variation
年变化率 / %
Annual variation
无石漠化 No rock desertification 20204.33 19880.84 -323.49 -1.60 -0.11
潜在石漠化 Latent rock desertification 519.59 537.46 17.87 3.44 0.23
轻度石漠化 Slight rock desertification 883.08 914.53 31.45 3.56 0.24
中度石漠化 Medium rock desertification 616.31 737.86 121.55 19.72 1.31
重度石漠化 Severe rock desertification 351.93 504.45 152.52 43.34 2.89
1335摇 18期 摇 摇 摇 宋同清摇 等:中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策 摇
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摇 摇 中国地质科学院调查结果表明,我国西南喀斯
特地区 20世纪 80 年代末至 90 年代末的石漠化面
积从 82 942.65 km2增加到 105 063.2 km2,平均每年
增加 1 650.26 km2,年平均增长率为 2%[5]。 根据国
土部门监测,从 1987 年到 1999 年,西南喀斯特区石
漠化面积由 9.12万 km2增加到了 11.35万 km2,净增
2.23万 km2,平均每年增加 1856 km2,年均增长率达
1.86%。 近 15年来,我国石漠化仍呈不断扩张的态
势,其扩张率有增无减。
5摇 不同石漠化程度的生态系统特征
中国科学院环江喀斯特试验站基于 5 个不同级
别的石漠化程度,各建立了 6 个 20m伊20m 的样地,
通过植被、土壤的详细调查和分析,发现随着植被的
不断恢复,石漠化程度越来越轻。 植被恢复的早期
阶段以土壤性质的内因演替为主,土壤的性质影响
植被的变化,同时也因植被的变化而变化,这种相互
促进作用在经过一段时间的演替,土壤和植被群落
均受气候的限制,进化为以生态平衡为标志的顶极
群落即喀斯特常绿落叶阔叶混交林[26鄄30]。
5.1摇 不同石漠化生态系统的植被群落特征
随着石漠化程度的增强,植物群落由原生林寅
次生林寅灌丛寅稀灌草丛寅稀疏草丛依次退化,植
物群落分化和层次结构越来越不明显,群落的高度
越来越低,个体和生物量越来越小[31];重度石漠化
只有零星分布的小草,其他石漠化生态系统的植物
群落密度越来越高,物种丰富度、香农指数、均匀度
越来越低,生态优势度呈增加趋势(表 3)。
5.2摇 不同石漠化程度的土壤物理属性
土壤颗粒、容重和含水量是表征土壤组成、结构
和水源涵养功能的物理指标,土壤颗粒组成是构成
土壤结构体的基本单元,并与其成土母质及其理化
性状和侵蚀强度密切相关[32]。 随着植被的退化和
石漠化程度的增加,粉粒和粘粒明显下降,砂粒和土
壤容重增加(表 4)。 5类不同石漠化程度的石灰土>
0郾 25 mm的水稳性大团聚体含量分别高达 73郾 91%、
88郾 67%、95郾 13%、93郾 73%和 89郾 51%,>2mm 的大粒
径团聚体也分别高达 28郾 81%、61郾 99%、76郾 89%、
74郾 19%和 76郾 44%,石灰土大团聚体的数量多、比重
大,土壤的抗蚀性强,随着植被的退化和石漠化程度
的增加,>0郾 25 mm和>2 mm的水稳性团聚体数量呈
下降趋势,土壤的抗蚀性越来越差(表 5) [33鄄34]。
表 3摇 不同石漠化生态系统植物群落特征
Table 3摇 Characteristics of plant community in different rocky desertification ecosystems
指标 Index
玉 域 芋 郁 吁
原生林
Primary forest
次生林
Secondary forest
灌丛
Shrub
稀灌草丛
Sparse shrub & grass
稀疏草丛
Sparse grass
高度 Height / m 15.56 4.74 1.86 3.56 0.2
密度 Density / (株 / m2) 9.31 15.4 53.2 17.8 0.09
总盖度 Coverage 0.80 0.80 0.45 0.25 0.01
物种丰富度 Abundance 46 34 27 39
香农指数 Shannon index 4.13 3.82 3.34 3.84
优势度指数 Dominance index 0.67 0.8 0.76 0.81
均匀度指数 Pielou evenness 0.23 0.16 0.11 0.1
生物量 Biomass / ( t / hm2) 131.42 68.76 27.18 17.46 1.28
摇 摇 玉:无石漠化 No rock desertification;域:潜在石漠化 Latent rock desertification;芋:轻度石漠化 Slight rock desertification;郁:中度石漠化Medium
rock desertification;吁:重度石漠化 Severe rock desertification
表 4摇 不同石漠化程度的土壤物理属性
Table 4摇 Soil physical properties in different rocky desertification ecosystems
程度
Degree
砂粒 Sand
2—0.25mm 0.25—0.05mm
粉粒 Silt
0.05-0.002mm
粘粒 Clay
<0.002mm
含水量
Water content / %
容重 Bulk density /
(g / cm3)
孔隙度 Porosity /
%
玉 0.44 6.51 43.14 46.98 26.92 1.17 55.85
域 0.46 10.75 40.75 44.87 24.55 1.28 51.70
芋 0.71 11.86 45.39 34.94 29.10 1.26 52.45
郁 2.30 5.26 39.24 42.69 26.05 1.39 47.55
吁 0.93 2.73 8.86 16.60 21.75 1.46 44.91
2335 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 5摇 不同石漠化程度的土壤水稳性团聚体组成
Table 5摇 Distribution of soil water鄄stable aggregates in different rocky desertification ecosystems / %
程度 Degree ﹥ 2mm 1—2mm 0.5—1mm 0.25—0.5mm 0.053—0.25mm <0.053mm
玉 68.42 9.63 6.62 4.84 2.46 8.03
域 69.27 8.93 7.99 7.18 4.27 2.37
芋 73.14 9.42 7.57 4.99 1.82 3.05
郁 54.97 12.61 10.85 10.24 7.09 4.25
吁 21.29 13.67 16.75 22.21 14.09 11.99
5.3摇 不同石漠化程度的土壤化学性状
石灰岩山地发育的石灰土一般富含碳酸钙, pH
值较高,但西南喀斯特高温多雨,土壤中的钙、镁大
量淋失,生长发育良好和覆盖度较高的群落其地表
枯枝落叶量大,释放出许多酸性物质进入土壤,对岩
石风化形成的碱性物质起到中和作用,不同石漠化
程度 pH 值在 7.28—7.83 之间,呈微碱性反应,变化
不大 (表 6)。 西南喀斯特属热带、亚热带季风气候,
温湿条件优越,极有利于生物的繁衍与生长,生物
“自肥冶作用强烈,同时加速了岩石的溶蚀、风化和土
壤形成与发育进程,且普遍存在“石碗土冶现象,养分
与水分容易聚集,与同区域的红壤相比,养分含量均
很高。 有机质:57.47—98.12 g / kg,全氮:1.94—4.83
g / kg,全磷:0.89—1.86 g / kg,全钾:0.79—4.90g / kg,
碱解氮: 223. 03—432. 45 mg / kg,速效钾: 27. 18—
118郾 72 mg / kg,速效磷 3.31—8.31 mg / kg,阳离子交
换量:161.13—403.20 mmol / kg,且随石漠化程度的
降低呈逐步增加的趋势,无石漠化土壤的有机质、养
分和阳离子交换量均最高(表 6) [35鄄39]。
表 6摇 不同石漠化程度土壤养分状况
Table 6摇 The conditions of soil nutrient in different rocky desertification ecosystems
程度
Degree pH
有机质
Organic
matter /
(g / kg )
全氮
Total
nitrogen /
(g / kg)
全磷
Total
phosphorus /
(g / kg )
全钾
Total
potassium /
(g / kg)
碱解氮
Available
nitrogen /
(mg / kg)
有效磷
Available
phosphorus /
(mg / kg)
有效钾
Aailable
potassium /
(mg / kg )
阳离子交换量
Cation exchange
capacity /
(mmol / kg)
玉 7.75 98.12 4.83 1.86 4.90 432.45 118.72 8.31 403.20
域 7.70 78.11 4.01 1.19 4.12 392.76 84.75 3.42 379.09
芋 7.28 76.04 2.76 1.13 4.70 267.05 91.89 3.75 365.67
郁 7.73 77.83 3.04 1.17 4.05 254.47 83.43 4.91 335.45
吁 7.83 57.47 1.94 0.89 0.79 223.03 27.18 3.31 161.13
5.4摇 不同石漠化程度的土壤矿质全量
矿质元素是土壤组成的重要部分,是植物生长
良好的保障条件。 土壤矿物质的化学组成与成土条
件和成土过程密切相关,对土壤的性质有极大的影
响,分析土壤矿质全量的化学组成能够了解土壤的
风化发育程度,阐明土壤化学性质在成土过程中的
演变情况及土壤肥力背景状况[40]。 西南喀斯特石
灰土的 SiO2含量随石漠化程度的增加而增加,重度
石漠化土壤 SiO2含量高达 72.68%;Al2O3、Fe2O3的含
量分别为 12. 38%—20.45%、4. 31%—10.99%,其中
潜在、中度和轻度石漠化土壤的 Al2O3、Fe2O3的含量
较高,更有利于 Fe、Al 的富集;土壤 CaO 和 MgO 含
量分别为 0.25%—4.59%和 0.86%—2.42%,均随石
漠化程度的增加而明显降低;MnO的含量很低,规律
性不强(表 7) [41鄄42]。
5.5摇 不同石漠化程度的土壤微生物特征
土壤微生物种群数量受多种因素的影响,能够
敏感地反映不同石漠化程度土壤生态系统的细微变
化,是土壤质量变化的敏感性指标。 西南喀斯特地
区土壤微生物种群数量均较高(表 8),微生物种群
数量组成上细菌的比例为 3.54%—59.88%,放线菌
为 27.97%—96.44%,真菌的比例很小,不足 1%,随
着植被退化和石漠化程度的增加,土壤微生物种群
数量呈逐步下降趋势,但其总数量的变化趋势和组
成与地带性红壤不同,并不完全与细菌相同,而是受
细菌和放线菌的共同控制。 这主要是因为石生植物
3335摇 18期 摇 摇 摇 宋同清摇 等:中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策 摇
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的根系可能向土壤中分泌了刺激微生物生长特别是
放线菌生长的物质,使微生物各种类数量特别是放
线菌数量大幅度增加,随着石漠化程度的加剧,土壤
微生物数量特别是放线菌数量减少,其分解林木凋
落物中含有较多木质化纤维成分等难分解物质的能
力下降,土壤生态系统物质和能量循环的能力
减弱[43]。
表 7摇 不同石漠化程度土壤矿质全量
Table 7摇 The soil mineral components in different rocky desertification ecosystems
程度 Degree SiO2 / % Al2O3 / % Fe2O3 / % CaO / % MgO / % MnO / %
玉 41.67 12.38 5.88 4.59 2.42 0.19
域 40.08 16.15 6.74 2.01 1.57 0.30
芋 44.88 17.07 7.06 3.03 1.96 0.30
郁 43.49 20.45 10.99 0.81 2.02 0.28
吁 72.68 13.55 4.31 0.25 0.86 0.11
摇 摇 土壤微生物生物量碳 (MBC)、氮 (MBN)、磷
(MBP)不仅是研究土壤有机质、氮和磷循环及其转
化过程的重要指标,而且是综合评价土壤质量和肥
力状况的指标之一[44鄄45]。 西南喀斯特土壤微生物
MBC的含量接近和超过了亚热带稻田土壤[46],随着
石漠化程度的增加,植被覆盖度减少,土壤微生物生
活的环境质量下降,土壤微生物 MBC 的含量急剧下
降,但 MBN的含量有小幅度的提高(表 9),这与陈
国潮和何振立研究认为土地利用方式对红壤土壤微
生物 BMN的影响相对较小结果相似[47],MBP 的含
量随石漠化变化的规律性不强。 土壤微生物生物量
碳与微生物量氮(MBC / MBN)的比值是否恒定,不同
的学者其观点不同,Anderson 等[48]认为 MBC / MBN
平均值为 6. 7,陈国潮和何振立[47]认为红壤土壤
MBC / MBN平均值为 6.2,西南喀斯特重度石漠化的
土壤的 MBC / MBN很低,仅为 2.86,其他不同程度石
漠化土壤的 MBC / MBN 高达 10.69—17.98,可见,石
漠化程度减弱明显改变了土壤微生物的群落结构,
提高了微生物生物量碳的固持能力[49鄄51]。
表 8摇 不同石漠化程度土壤微生物种群数量
Table 8摇 The main microbial population in different rocky desertification ecosystems
程度
Degree
细菌
Bacteria /
(伊106cfu / g)
真菌
Fungi /
(伊104 cfu / g)
放线菌
Actinomycetes /
(伊106 cfu / g)
总数
Sum /
(伊106 cfu / g)
细菌比例
Percentage of
Bacteria / %
真菌比例
Percentage of
fungi / %
放线菌比例
Percentage of
actinomycetes / %
玉 16.83 3.37 252.42 269.28 6.25 0.01 93.74
域 9.06 7.00 247.12 256.25 3.54 0.03 96.44
芋 6.18 2.95 4.98 11.19 55.25 0.26 44.49
郁 1.07 2.80 4.22 5.32 20.19 0.53 79.29
吁 2.67 3.81 1.75 4.47 59.88 0.85 39.27
表 9摇 不同石漠化程度土壤微生物生物量
Table 9摇 Soil microbial biomass in different rocky desertification ecosystems
程度 Degree 碳 MBC / (mg / kg) 氮 MBN / (mg / kg) 磷 MBP / (mg / kg) MBC / MBN
玉 559.78 33.21 10.58 16.86
域 776.16 44.52 22.87 17.43
芋 506.55 32.70 56.97 15.49
郁 131.72 46.13 7.92 2.86
吁 268.28 25.10 7.39 10.69
4335 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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6摇 石漠化发生机制
6.1摇 自然因素
6.1.1摇 动力潜能和物质基础
在古环境岩溶过程中,自晚震旦纪到三叠纪晚
期,发育了四大碳酸盐岩沉积构造,纯碳酸盐岩底层
构成了喀斯特石漠化的物质基础,强烈的地质运动
塑造了陡峻而破碎的喀斯特地貌景观,由此而产生
了较大的地表切割度和地形坡度,形成了类型多样
的地貌结构,提供了水土流失和石漠化的动力
潜能[52鄄53]。
6.1.2摇 地形地貌
石漠化的发生发展与喀斯特微地貌特别是地形
坡度有着十分密切的关系,据国家林业局 2004—
2005年监测数据,西南喀斯特石漠化主要发生于坡
度较大的坡面上,发生在 16毅以上的坡面上的石漠化
面积高达 11万 km2,占石漠化土地总面积的 84.9%,
不同石漠化程度的石漠化发生率随坡度等级(1—8
坡度等级依次为 0毅—3毅、3毅—8毅、8毅—15毅、15毅—25毅、
25毅—35毅、35毅—45毅、45毅—60毅和 60毅—88毅)的升高而
升高,任一坡度石漠化的发生率均为:轻度石漠化>
中度石漠化、潜在石漠化>强度石漠化[11]。 王明章
和王尚彦[54]对贵州石漠化分布的相关研究中发现,
发生在喀斯特丘陵中的石漠化面积最大(丘陵区的
坡度一般为 2 级坡度,即 3毅—8毅),达 8 146.01 km2,
占贵州省石漠化总面积的 25.08%;其次是发生在峰
林洼地中的石漠化,面积为 7 609. 13 km2,占 23.
43%;峰丛洼地中石漠化面积为 6631.30 km2,占 20.
42%;喀斯特山地中的石漠化面积为 4 705.43 km2,
占 14.49%;这四种地貌类型中的石漠化面积占到了
整个贵州石漠化总面积的 83%左右。 而喀斯特槽
谷、喀斯特平原和喀斯特峡谷中的石漠化面积分别
为 2581.09、162.44 km2和 1 181. 33 km2,分别占 7.
95%、5%和 3.64%。
高峰丛洼地鄄中峰丛洼地鄄峰林谷地是喀斯特溶
蚀作用逐渐深入的 3种地貌。 高峰丛洼地的山峰溶
蚀程度低,基座粘连在一起。 中峰丛洼地进一步被
溶蚀,峰林谷地是溶蚀的后期阶段。 杨青青[11]指
出,随着溶蚀作用的逐步深入,高峰丛洼地区、中峰
丛洼地区、峰林谷地区 3 种地貌区的石漠化发生率
逐渐降低。 溶蚀程度较高的峰林谷地,石漠化发生
率较低,更适宜农耕和人类居住。
6.1.3摇 岩性
西南喀斯特地区地层的岩性以灰岩为主,不同
岩组不同程度地混有砂页岩等其他岩性岩石。 把这
些岩组按照碳酸盐岩含量分成 4 组,分别为连续性
灰岩,灰岩夹碎屑岩,灰岩与白云岩混合组合,灰岩
与碎屑岩互层组合。 按照碳酸盐岩的分类体系[55],
连续性灰岩、灰岩与白云岩混合组合属于连续性碳
酸盐岩,含量>90%;灰岩夹碎屑岩属于碳酸盐岩夹
碎屑岩组合,含量 70%—90%;灰岩与碎屑岩互层组
合属于碳酸盐岩与碎屑岩互层,含量 30%—70%。
碳酸盐岩含量越高,石漠化发生率越高,分布在连续
性灰岩区域的石漠化面积最大,在各个等级石漠化
中的比例均大于 68%;灰岩夹碎屑岩次之;灰岩与白
云岩混合组合更少;灰岩与碎屑岩互层组合岩性的
石漠化面积很少。 4 组石漠化发生率分别为
25郾 42%、24.81%、20.56%和 1.25%。 强度石漠化中,
前 3组的比例依次为 75%、8%和 16%。 中度石漠化
中,发生在灰岩夹碎屑岩岩性上的石漠化比例较大,
为 25%[11]。
6.1.4摇 溶蚀性和成土速度
西南喀斯特高温多雨,年平均气温在 15 益以
上,向南逐渐增高到 20—24 益 (广西和云南南部),
大于 10 益积温在 5 000—8 000 益左右。 年平均日
照数一般为 1 200—1 600 h,往南高达 1 800—2 000
h,且年际变化不大。 年日照百分率为 25%—42%。
年降水量为 1 000—1 600 mm,最高达 1 800—2 000
mm,年均相对湿度为 75%—80%,具有水热同期的
分布特点,但降水的时空分布极不均匀。 碳酸盐岩
溶蚀性强,90%的溶蚀物随水流失,又加上岩石中
Si、As、Fe等成土元素含量低,成土速度缓慢,年成土
模数平均值为 50 t / km2,形成 1 cm厚土壤需 2000—
3000年以上,是其他类型母岩成土时间的 10 倍,土
层浅薄且不连续,可耕地不足 10%,裸露石山面积占
总土地面积的 40%以上,极易形成石漠化景观[56鄄57]。
6.1.5摇 水文二维结构和水土流失
丰富的降水和高温加速了碳酸盐岩的溶蚀,形
成了众多的溶洞、溶沟、溶隙、漏斗、地下河和溶水
洞,地表水和地下水水文二维结构明显。 从岩溶区
的土壤结构看,碳酸盐岩的母岩与土壤之间缺少土
壤剖面 C层,土壤与岩石之间呈明显的刚性接触,两
5335摇 18期 摇 摇 摇 宋同清摇 等:中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策 摇
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者之间的亲和力和黏着力差,一旦遇上大雨,极易产
生水土流失和块体滑移[58]。 因此,桂西岩溶丘陵区
地表径流虽小,但地表漏水严重,地面溶入系数 0.3
以上的面积占总面积的 89%,其中渗入系数 0.3—
0郾 6的占 69%,0.6—0.9 占 20%,首先到达地面的降
水 90%迅速渗入地下,每年剥蚀表土层 0.3 cm,水土
流失相当严重[57,59鄄60]。
6.1.6摇 雨热状况不均和季节性干旱
气候是喀斯特形成、演化的背景,是重要的喀斯
特生态系统的驱动力。 当气温大于 15 益时,喀斯特
地区岩溶作用随着气温升高而增强[61鄄62]。 其中,潜
在、轻度石漠化与气温呈现正相关,相关系数分别为
0.82 和 0.76[11]。 加上降雨集中在温度较高的 4—9
月,雨水充沛且强大,土壤侵蚀性强,气温和降雨的
综合作用导致喀斯特地区土壤流失与漏失严重,从
而促进石漠化形成。
喀斯特地区平均年降雨量大,但分布不均,春雨
少而迟,不足年总量的 26%,秋雨不足年总量的
16%,此时日照强,蒸发量大,降水量仅为蒸发量的
38%—50%,极易形成季节性干旱,全年出现干旱现
象的平均频率为 45%左右[63]。 6—8 月降水量占全
年降水量的 60%以上,且多以暴雨的形式出现,实测
24 h最大降雨量达 395.5 mm,又加上西南喀斯特地
区坡耕地面积大,雨季时正值农作物播种及生长阶
段,作物不能将疏松的土壤很好地覆盖,导致坡耕地
的水、土、肥随着降雨形成的地表径流流失和地下漏
失,加剧了水土流失和土地石漠化的发生。
6.1.7摇 森林结构和生物量
喀斯特独特的地质积累和气候条件决定了其适
生植物具有嗜钙性、耐旱性和石生性特点,环境容量
低导致物种多样性低,系统结构简单,生物量少。 如
木论喀斯特顶极群落常绿阔叶林群落的平均冠幅为
1.81 m,平均胸径为 6.11cm,平均树高为 4.5 m[64],树
木矮小,绿色生物量仅为 131.42 t / hm2 [4],远低于同
生态位的非喀斯特森林,不及沙漠边缘或北泰加林
(150 t / hm2) [65]。
6.2摇 人为因素
6.2.1摇 人地矛盾尖锐
喀斯特生态系统的脆弱性是其退化的内在驱动
力,而外在驱动力主要来自人类的干扰,二者叠加形
成石漠化现象,其中人为因素是主因。 人口急剧增
长、生态观念单薄、发展政策偏差等是加剧石漠化过
程的重要因素。 胡志斌等[66]认为某地区的人类活
动与居民点、道路的分布正相关,与坡度和高程等因
子负相关,根据喀斯特地区的实际情况对胡志斌的
公式进行修正后得到下式[11]:
HAIi =
Si伊0.3+R i伊0.3
(K伊lg(slopei+0.01)+K伊lg(elei))伊0.4
(1)
式中,HAIi为 i 象元的人类活动强度,Si为居民
点影响力值,R i为道路影响力值,居民点的的影响力
在 ArcGIS中采用反距离函数( IDW)插值,道路的影
响力采用线条密度函数插值得到。 slopei为该象元
的坡度值,elei为该象元的高程值,K = 1000。 运用自
然裂点法将喀斯特峰丛洼地人为活动强度分为 7
级。 1973年石漠化更多的分布于 1级和 2 级的低强
度区间,说明当时石漠化主要分布在远离人类聚集
的地区。 随着时间的推移,2005 年较高人为活动强
度区 5—7级石漠化的分布比例提高,说明新增的石
漠化土地主要在人类聚居地区发生。
西南喀斯特岩溶地区耕地少,土壤瘠薄、持水性
差,生物生产力低,加之人口日益增加,人均占有粮
食量低,农民易陷入“资源困境冶,从而加剧了土地的
反复利用和不断的毁林草开荒,形成土壤肥力日渐
低下、石漠化愈加严重的生态鄄经济的恶性循环。 而
生态破坏之后,农民的“资源困境冶转变为“环境困
境冶和“资源困境冶并存,减缓了喀斯特岩溶地区的
生态重建过程。 在贫困地区,在生态系统良性循环
阀值被突破和缺乏现代科技技术投入的双重约束
下,随着人口继续增长,在原始的、传统的技术水平
下,只能继续靠掠夺性开放利用资源来满足需求,形
成贫困导致生态环境脆弱,生态环境脆弱反过来加
剧贫困这样一种恶性循环。 其结果是使石漠化面积
不断扩张[69]。
6.2.2摇 经济发展水平低
造成岩溶地貌地区石漠化的原因,除了降水、土
壤等自然的内在的原因,最主要的原因还是人为的
破坏加速了石漠化的形成。 人为的破坏多源自经济
活动,而经济活动无疑受区域的经济发展水平的控
制。 基于县市尺度单位,对石漠化的等级分布与不
同经济密度分布进行比较分析,结果发现石漠化大
多发生在经济密度<50 万元 / km2的县市,随着经济
6335 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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密度的增加石漠化发生率依次降低。
6.2.3摇 农业生产方式落后
西南喀斯特地区人口密度高达 172 人 / km2,人
口的飞速增长激化了该区域的人地矛盾,为生存起
见,人类通过砍伐、垦殖、采樵、采矿、放牧、旅游开
发、工程建设等各种方式对本来脆弱的喀斯特生态
环境进行不断干扰和破坏,导致了该区域森林生态
系统的严重退化和生物多样性的严重丧失,除人力
难以达到的喀斯特顶峰悬崖峭壁等危险地带及少量
的森林自然保护区外,其他地方的森林基本上已退
化成灌丛和草坡,生境质量严重下降,部分地带完全
石漠化[31]。 据国家林业局公布的《岩溶地区石漠化
状况公报》,人为因素形成的石漠化占西南喀斯特区
域石漠化总面积的 74%。 其中,过度樵采、不合理耕
作、开垦、乱砍滥伐、过度放牧形成的石漠化面积分
别占人为因素形成的石漠化面积的 31.4%、21.2%、
15.1%、13.4%和 8.2%,此外,乱开矿和无序工程建设
形成的石漠化占人为因素形成石漠化面积的
10.7%。
7摇 不同石漠化程度的治理策略
(1)无石漠化和潜在石漠化
岩石裸露率 10%—30%,地表有各种植被覆盖,
植被覆盖率>60%,土被分布连续,可作为耕地,该类
土地具有较好的生产效率,但存在着水土流失或植
被退化等环境问题,为防止石漠化产生,应进行预防
性治理,特别要注意补充和保护演替后期的繁殖体。
(2)轻度石漠化
岩石裸露率 30%—50%,成片分布的薄层土壤
可作为耕地或草地,存在不太发育的乔灌草植被,植
被覆盖率 30%—60%,该类土地生产和生态效率较
低,为环境质量比较差的土地,可实施草丛寅灌丛寅
次生林寅常绿落叶阔叶林的恢复措施和步骤,充分
利用灌丛恢复时期改良土壤和小气候环境,保护并
适当修剪灌丛,促进有性繁殖更新链尽快恢复,为次
生林群落的形成打下基础。
(3)中度石漠化
岩石裸露率 50%—70%,山坡还有部分土壤可
作为零星耕地和草地,只有少量草灌木,植被严重退
化,植被覆盖率 10%—30%,该类土地生产力和生态
效率低,为环境质量差的土地,实施稀疏草丛寅草丛
寅草灌丛寅灌丛寅乔灌丛寅次生林逐步恢复措施。
(4)重度石漠化
岩石大面积裸露,岩石裸露率大于 70%,山区无
土可流失,植被严重退化为少量毛草,成为典型恶劣
环境,该类土地很难利用,让其自然恢复。
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