喀斯特地區地球關鍵帶科學與生態水文學發展綜述

陳 喜 ，張志才

（1. 天津大學 地球系統科學學院, 天津 300072；2. 河海大學 水文水資源學院, 江蘇 南京 210098）

0 引 言

喀斯特地表水和地下水循環及其水資源具有獨特的時空分布特征，喀斯特水在人類社會生存和發展中發揮著重要作用。全球喀斯特面積約2 200 萬km2（占地球陸地面積15%），為世界約1/4 的人口提供飲用水源[1]。在我國濕熱的西南喀斯特地區廣泛分布的質純堅硬碳酸鹽巖，喀斯特關鍵帶中CO2-H2O-CaCO3活躍的生物與化學過程形成密集發育的巖溶微形態以及裂隙和管道網絡系統，導致喀斯特流域不閉合，地表、地下水文和水動力過程以及流域物質、能量平衡計算復雜，生態系統穩定性差、承災能力弱等脆弱性特征[2-4]。

我國自開展綠色生態工程、大規模退耕還林等生態保護措施以來，植被生態系統在歷經半個多世紀退化和生態赤字后已發生歷史性轉變。西南喀斯特地區生態系統已從大規模石漠化向植被顯著恢復階段演變，但植被恢復程度呈現顯著空間差異，一些地區生態恢復措施未能達到預期成效，局部地區生態仍處于退化階段、水土流失等環境災害仍在加劇[5-7]，引發對目前人工控制恢復模式和恢復潛力的質疑。受損的生態系統從退化到恢復階段的生態環境演變不是完全可逆過程，生態退化導致的石漠化過程水土狀態短時段難以逆轉。此外，氣候變化可能導致極端洪旱事件的增加[5]，從而影響植被自然演替和植被群落的穩定性。因此，在綠色發展理念以及全球變化背景下迫切需要解答未來植被恢復前景及其生態水文效應，如植被恢復潛力有多大，植被恢復“調水”、“增效”的生態水文效應，即表土/裂隙水分、養分漏失是否減少，賦存能力是否增強？減少或增強程度有多大？

回答上述問題需要在跨越較大的時間尺度上（如百年以上）解析喀斯特地區水循環過程與陸表生態、土壤和巖溶發育協同演化機理（圖1，圖2）。21世紀初建立的地球關鍵帶科學（the Earth's critical zone，CZO)[8]，提出了多學科合作、系統觀測表層地球系統（風化殼底部-植物冠層）發生的物理、化學、生物過程，以解釋地球關鍵帶演替模式以及維持地球關鍵帶功能的動力學過程，更好地模擬和預測表層地球系統演化及其對水、土資源可持續利用的影響[9]。水文學也提出流域協同演變理念，旨在通過研究流域空間特征（土壤序列、坡面形態、河網、植被分布）及其驅動和控制要素（氣候、基巖風化和構造隆升）的變化與水文動態的互饋機理，發展流域協同演化的多過程耦合模型，提高水文演變預測精度[10]。因此，喀斯特水文需突破傳統以地表水和地下水的發生發展規律、相互轉化關系以及化學性質和水資源評價為核心的研究范疇，生態水文學需要將大氣-植被-土壤系統（SPAC）拓展至大氣-植被-土壤-巖石系統（圖2 中SRPAC），從更長的時間尺度研究SRPARC 中水分、能量交互作用機制及其結構和組成的演變機制。袁道先先生提出的巖溶動力學，為喀斯特地區踐行當代地球關鍵帶科學實踐提供了科學指導思想和研究范式。通過研究巖溶系統內碳、水、鈣循環為主的物質、能量傳輸、轉換機制，為揭示喀斯特水循環過程與陸表生態系統以及地貌的形成和演化規律，探尋解決喀斯特地區當今人類社會面臨的生態環境問題，水資源和礦產資源開發利用途徑[11]。

本文結合我國西南巖溶地區大量科學研究成果，從喀斯特關鍵帶科學視角，論述喀斯特植被、土壤和巖石組織結構與水文和生態水文觀測實驗、動力學模擬的研究進展及發展；基于巖溶動力學理論，闡述喀斯特地區碳、水、鈣循環下表層巖溶帶與水文協同演變機制及發展途徑，為全球氣候變化和綠色發展形勢下喀斯特地區生態環境恢復提供支撐。

1 喀斯特生態水文學發展

生態水文是維護自然生態系統的可持續性、重建退化生態系統的科學基礎。通過研究水文-生態互饋機理，即水文過程如何影響生態群落分布、結構、功能變化，以及生態系統演變又如何反饋于水文過程（產生的水文效應），通過對流域內水文和生態系統的共同調控，生態水文可以為流域水、生物多樣性、生態服務以及對氣候變化的適應性四個方面提供科學支撐[12]。

1.1 西南喀斯特地區覆被變化及生態水文效應

我國西南喀斯特生態環境經歷了大規模植被退化、人工恢復、自然演替三個階段（圖3）。在20 世紀80 年代之前，受高強度人類活動影響，生態系統退化、水土流失嚴重，約1/4 面積（13 萬km2）呈現基巖裸露的石漠化景觀。自20 世紀80 年代中期采取一系列石漠化治理工程，特別是2000 年實施退耕還林工程以來，人為干擾顯著減少，生態恢復總體顯著[7]，但恢復程度區域差異顯著，有的石山封山后幾年即可恢復植被，而有的石漠化地區經過數十年的封育保護仍無法形成森林[13]，導致這種結果的主要原因是支撐覆被恢復的水土等條件發生了逆轉。石漠化階段呈現植被退化＞土壤流失、質量下降＞水分滯蓄能力降低＞植被原有的立地條件不復存在，植被群落處于逆向演替＞水賦存的二元結構被破壞，水分賦存環境逐漸向干旱化發展的惡性循環[14]，表層巖溶帶對巖溶管道泉調蓄能力減弱，泉水動態隨降雨動態變化更為迅速，不穩定性增強[15]。石漠化嚴重地區即便人為干擾減輕，次生植物群落仍長期停留在草叢或灌木林階段，很難向森林植被演替。目前采用的退耕還林-蓄水保土-人工造林恢復植被模式[16]，有的石山地區引種某種經濟作物第一年豐收后第二年即退化、或蔓延開來抑制其它作物生長[13]，引發對人工控制恢復模式和人工植被穩定性的質疑。

大范圍人工植樹造林增加了流域水分蒸發消耗（“綠水”），如全球范圍內大量草地被森林取代導致蒸散量增加30%[17]，減少河川徑流量等可利用水資源量（“藍水”）。在降水量較小的干旱、半干旱地區，當人工植被超過某一臨界值時，將導致覆被增加＞蒸騰耗水增大＞土壤含水量降低＞抑制植被生長。在降水量豐沛的非喀斯特濕潤區，陸表土壤水分賦存、調蓄能力強，植被恢復呈現良性生態水文效應：植被恢復＞蒸騰耗水增大＞土壤水分調蓄能力增強＞促進植被生長，水資源承載力增強。西南巖溶地區降雨量豐沛，但表土持水能力弱，且成土速率慢，在石漠化地區采用人工植被恢復措施或調節水土資源等措施，能否形成或多大程度上形成促進植被恢復的良性生態水文效應，即由草叢向頂極階段正向演替＞表土/裂隙水分賦存增強＞植物群落穩定性增強的循環[18]，仍不明晰。

在植被恢復相對漫長的過程中，隨著人工控制恢復向植被自發演替方向發展，全球氣候變化對生態水文過程影響將日益顯著。至20 世紀50 年代以來，西南喀斯特地區氣候變化呈現溫度顯著升高（0.16 ℃/10 年）[19]，以及降水雨季雨強日趨增大、無雨時間增長趨勢[20]，未來氣溫升高可能導致極端洪澇、干旱事件進一步增加[21]。氣溫升高增強植被光合作用和水分利用，干旱等極端降水事件導致的植被水分匱缺阻礙植被生長和光合作用，大氣中CO2增加的施肥效應促進植被生長，進而影響土壤水分、蒸散發和徑流等水文過程，因此，生態水文學研究需要拓展至大氣-水文-生態之間互饋作用[22]。持水能力弱的南方喀斯特地區，生態系統功能變化幅度對氣溫、降水量變化響應明顯大于非喀斯特區，且森林、灌叢、草地不同植被類型對氣候變化響應、自我修復能力、抗旱抗澇存在差異[3]。濕熱的西南喀斯特地區，生態景觀演變在多大程度上受自然和人為因素影響，引發生態退化和恢復進程中驅動因素的爭議，如石漠化發生、發展過程中自然和人為雙重作用的程度，當今大規模覆被增加的悖論（極端干旱事件的增加預期降低植被覆蓋率，但植被覆蓋率呈現增加趨勢）[23]。在植被向自發演替方向發展階段，迫切需要回答未來氣候變化對植被自然演替的影響程度，預測植被群落的穩定性和恢復的可持續性，這也是全球綠色發展關注的熱點問題[24-25]。

1.2 表層巖溶帶結構與植被水分利用

喀斯特地區SRPAC 系統（圖1）中水分、能量交互作用控制生態水文動態變化。淺薄的土壤儲蓄的水分一般不足以維持植物生存和生長水分消耗的水庫，在土壤/巖石交錯的垂直巖溶帶底部或相對阻水巖層上部（即表層巖溶帶），雨季或雨后具有一定的水分滯蓄能力[26]，成為支撐植被生長、植被抵御干旱的重要水分來源[27-28]。因此，表層巖溶帶含水介質的構成和尺度控制植被對表層巖溶水獲取的比例和水量[27]。

喀斯特地區表層巖溶帶裂隙發育有利于水分滯蓄，但表土和表層巖溶帶滯蓄水能力（約為40 mm）[27]遠比濕潤的非喀斯特地區土壤蓄水能力?。?20 mm左右），植物為適應特殊的喀斯特環境，其生理特征具有一系列旱生特點。大部分根系位于近地表淺薄處，地下生物量低。如對廣西三種典型喀斯特生境（淺薄土壤、裸巖和松散的石灰土）的喬木和灌木根系調查表明，生長在巖石裂隙中植物最大生根深度灌木不超過40 cm、喬木不超過120 cm[29]。對茂蘭地區喀斯特植被根系生物量調查表明，無論是細根和小根（根徑＜5 mm）、中根（5～10 mm），還是粗根（＞10 mm），其生物量的97.9%分布于地下10 cm 的垂直空間內[30]。根系生物量的分配和分布格局反映了其對水分虧缺、土壤養分貧乏的適應。由此，表層巖溶帶不同小生境類型的水分、土壤狀態形成不同的植被演替格局，如黔中地區6 種表層巖溶帶（石面、石縫、石溝、石洞、石槽、土面）中，植被群落恢復（草叢＞草灌＞藤刺灌叢＞次生喬林＞常綠闊葉林）石面面積最大，土面、石溝、石縫次之，面積最低的是石槽和石洞[31]。

1.3 喀斯特生態水文模型

流域生態水文模型是模擬和預測氣候變化和人類活動影響下生態水文演變的有效手段。近年來，生態水文模型得到長足發展，從覆被變化對蒸散發、根系吸水、冠層能量傳輸模擬和預測功能，發展到水文與植被生理生態動態過程（如光合作用-氣孔行為-蒸騰作用）相耦合的模型，增強了全球和流域尺度上大氣、植被和水循環過程模擬功能，廣泛應用于土地利用與氣候變化下生態水文效應評估[32]。

適用于喀斯特地區的生態水文模型還很缺乏，主要是喀斯特關鍵帶結構的高度異質性，水流運動可呈現基質達西流、大裂隙和管道中紊流特征，各種水流成分的流速或滯時相差極大（如水力傳導度在10 個數量級以上）[33]。對此，水文學、地球化學、巖土工程等學科發展了一系列定量表述巖溶水流運動的數學物理模型。模型結構從簡單的等效多孔介質模型，發展到孔隙、裂隙和管道的雙重以及三重介質水流運動模型。但該類基于巖溶水動力的模型應用需要詳細的裂隙、管道網絡系統信息，因此，應用于較大尺度流域含水層水動力過程模擬和預測還存在很大的不確定性。

另一種是基于水文學水熱平衡計算途徑，如張志才等[34]基于分布式植被-土壤-水文模型（DHSVM）中分層水平衡計算方法，增強根系層中表層巖溶帶以及地表河和地下河水流演算功能，模擬和預測陳旗流域氣候和覆被變化對植被耗水（蒸散發）影響，但該類模型基于遙感植被動態作為模型輸入，不具有植被-水分動態互饋功能。近年來基于碳水循環機理建立的全球植被動態模型（Lund Potsdam-Jena，LPJ），具有植被動態與水、碳等耦合機制，但流域水文過程過于概化，更缺乏對喀斯特裂隙、管道等多重水流模擬功能。對此，蔡練斌等[35]基于LPJ 模型，增加模型對表層巖溶帶滯蓄水分模擬功能，初步實現喀斯特地區植被-水文動態耦合模型構建。應用于三岔河流域兩種巖性區（碳酸鹽巖和碎屑巖），根據土壤和表層巖溶帶水力參數（滲透系數、滯蓄水量等）以及典型植被（溫度針葉常綠林、溫度闊葉常綠林、溫度闊葉夏綠林、灌木、草（C3））功能性參數，對比2000 年代實施生態恢復工程覆被指數（NDVI和LAI）以及預測的潛在植被指數差異及其水資源效應，得出目前植被狀態僅達到恢復潛力的25%左右，當植被自然恢復至頂級狀態時，將導致徑流量減少11.2%。

由于喀斯特地區植被、土壤、巖石裂隙發育空間的異質性大，上述建立的生態水文模型對植被根系層滲透系數和滯蓄水分能力參數概化，還不足以描述不同類型植被根系分布與土壤、裂隙和管道網絡結構之間的關系，覆被恢復對水分調節能力的影響還有待研究。

2 基于巖溶水動力學理念的喀斯特水文學發展展望

雖然不同學科針對喀斯特關鍵帶結構和組成及其對水文和生態的影響取得了大量定性認識或（半）定量化研究成果，但還缺乏將這些不同領域研究成果提升至以碳-水-鈣物質循環及其與氣候、生態協同演變的系統性研究水平。為此，筆者認為需要在下列幾個方面發展喀斯特生態水文學。

2.1 加強對喀斯特植被、水文與表層巖溶帶協同演變機理研究

喀斯特表層巖溶帶的形成本質上是水中CO2與可溶性碳酸鹽巖長期水巖作用的結果。研究表明，西南喀斯特地區溶蝕速率大，如桂林地區碳酸巖溶蝕速率近90 mm·ka-1[36-37]，石林地區的綜合溶蝕率為32～73 mm·ka-1[38]，地下溶蝕速率為地上溶蝕速率的2～3 倍[39]。伴隨著日益顯著的氣候變化（干濕交替和酸雨加劇、CO2濃度升高等）和人類活動影響，近地表溶蝕作用日益顯著，進而導致表層巖溶帶裂隙、管道網絡結構及其水分運動和賦存能力發生顯著變化。在植被長期演變（如草本群落恢復至頂極群落經歷近百年尺度[40]）過程中，溶蝕可導致隙寬從mm 級至cm 級，滲透系數從小于10-6m·s-1增大到10-3m·s-1以上，水流運動形態可從層流轉化為紊流[1]。溶蝕作用將導致裂隙網絡不斷向深部發育，地表形成負地形和土壤覆蓋的洼地[41]。地下巖石裂隙溶蝕越快，上覆負地形發育速度越快。

隨著表層巖溶帶裂隙和管道發育程度加大，表層滯蓄水分下移，迫使植被根系改變其耗水策略以及耗水深度與范圍，以應對水分脅迫[42]。同時植被根系對巖石裂隙的根劈作用[43]、植被及其生物作用產生的CO2增強水-巖作用[44]，進而可促進表層巖溶帶裂隙發育和對徑流的調節作用。這些作用強度受植被種類、生長發育、根徑大小、根系密度以及延伸范圍等多種因素影響[45-46]。

因此，利用巖溶動力學理論，加強SRPAC 系統內多要素、多過程之間協同演化研究，是認知喀斯特地區水土資源演變趨勢和植被恢復潛力、乃至喀斯特地貌形成演化的關鍵[47]。

2.2 創建喀斯特生態水文與表層巖溶帶協同演變的動力學模型

強力溶蝕作用下表層巖溶帶裂隙、管道網絡結構及其水分運動和賦存能力的變化，使得生態水文模擬和預測中的假設（如假設表層巖溶帶結構儲水、導水系數等穩定不變或已知）[8，10]不再成立，因此，需要建立考慮喀斯特地區植被-水文-生態-土壤/巖石之間的相互作用動力學模型。

喀斯特地區水-巖間的相互作用及建模涉及多個物理化學反應過程，主要包括滲流場和溶質場等。碳酸鹽巖溶解和沉淀不僅受巖石接觸的水量和水流動力條件控制，其溶蝕速率還受巖性、CO2分壓、pH、溫度等多種因素控制[48]。自20 世紀70 年代以來，發展了一系列考慮復雜裂隙形態中水動力和水化學過程的溶蝕動力模型，如區分固相表面與均勻溶液區之間的擴散邊界層，以及均勻溶液區溶質對流擴散作用的PWP 模型和DBL 模型，應用于方解石溶解或沉積速率的模擬和預測[49]；考慮裂隙粗糙面引起速度場、濃度場的時空變化，建立時變局部動區-不動區（非費克）比例的瞬態蓄量模型(FSTS)，定量分析動區-不動區溶質濃度變化對穿透曲線的影響[50-51]。

上述模型已應用于特定條件下巖溶含水系統的演化及其對巖溶泉變化的影響模擬。如毛亮等[52]基于生成的灰巖含水層隨機裂隙網絡，假設特定降水、初始裂隙狀態等條件下，模擬巖溶含水系統溶蝕的主要部分、巖溶泉匯流管道的隙寬變化等。王云等[53]基于地下水滲流和碳酸鹽溶蝕數值模型，模擬均質和非均質巖溶盆地含水系統發育過程，得出在大裂隙網導水作用下3ka 后非均質盆地比均質盆地的孔隙率增幅大34%。Wang 等[50]通過研究碳酸巖裂隙的化學溶蝕演化過程，推導出裂隙滲透系數隨時間呈線性增長的規律。

國際上已初步建立了具有巖溶裂隙管道及地貌演變模擬和預測功能的模型，代表性的是Liedl 等[54]建立的碳酸巖溶蝕過程與水動力過程耦合模型（CAVE），具有模擬表層巖溶帶裂隙、管道擴展過程功能。Bauer 等[55]利用該模型反演出裂隙網絡結構呈現樹枝狀和網狀形態的水動力條件。Fleurant 等[47]在地貌演化模型（CHILD）中耦合CAVE 模型，模擬出喀斯特峰叢地貌演化的理想形態。

近年來，土壤和巖土工程學界在植被-裂隙-水流相互作用模型構建方面開展了一系列探索性研究，如建立了考慮植物根系形狀的地下水滲流與地表徑流耦合運移模型[56]；通過建立裂隙巖體植物根劈的物理模型和斷裂力學模型，模擬不同形狀的植物根系水力作用、根系膨脹力與裂隙巖體的斷裂破壞過程[45]；生態水文學通過建立植被根系發育特征與土壤特性和水力參數之間的物理表述，間接地反映植物的物理和生物化學作用對土壤、巖石裂隙以及入滲水的影響[57]。

由于喀斯特地區的裂隙發育和演化的非均質性極強，建立具有不同大小和形態的裂隙、管道網絡系統以及多重水流狀態、復雜的物理和生物化學作用，能準確反映這些空間異質性特征的表層巖溶帶水流運動-溶質運移耦合模型，并將其應用于實際，仍然極具挑戰性。

2.3 加強喀斯特地球關鍵帶生源要素綜合觀測和多學科交叉研究

喀斯特關鍵帶結構具有強烈的空間變異性和不確定性，針對少數區域和地點得到的定性和定量分析結果，不足以解析其結構和組成演化的區域規律并建立具有普適性的定量表述方法[58]，難以推廣和應用[59-60]。因此，國際上按氣候梯度、生態和地質類型等建立了一系列地球關鍵帶觀測網絡，以期得出全球變化下生具有普適性的態環境演變理論、方法。但針對喀斯特關鍵帶觀測網還很缺乏，特別是在我國西南喀斯特地區，缺乏地球關鍵帶觀測網布局。

對此，基于喀斯特地區陸表生態、地表和地下巖溶結構等建立喀斯特關鍵帶觀測網。針對降水豐富、溶蝕強力的南方喀斯特地區，確定適用于喀斯特關鍵帶多重水動力下的生源要素、觀測頻次標準和規范。在此基礎上，綜合利用地球物理探測技術、地球化學分析技術[61]以及人工智能模擬技術，分析喀斯特地球關鍵帶結構以及物質、能量循環和運動規律。以此，可解答關鍵帶科學中提出的一系列關鍵科學問題：如能否通過對地球關鍵帶的類型進行分類，提出量化關鍵帶的形態、功能和動態變化普適性方法？如何根據關鍵帶科學中的數據同化來創新模型并提高預測的可靠性；植被冠層和深層基巖之間存在何種聯系與反饋機制，以及如何利用關鍵帶觀測站數據和模型推斷氣候、風化和構造的全球反饋?人為和自然的干擾對關鍵帶服務功能的演化影響？這些問題的解答將促進巖溶動力學發展，進而將推動喀斯特生態水文學向多過程、多要素協同演變的發展，以提高喀斯特地區植被恢復和生態水文效應預測的可靠性。

3 結 論

喀斯特地區針對不同學科和領域對大氣、水文、土壤和溶蝕以及生態等開展了大量研究，但還缺乏將這些片段化、孤立化研究提升至系統性研究水平。依據地球關鍵帶科學系統思維和多學科綜合研究范式，喀斯特地區生態水文學與碳-水-鈣循環為主的巖溶動力學相結合，研究生態水文與流域其他要素之間的協同演變機制，可重塑影響生態水文各個要素演變的歷史和現狀，將突破當今水文學和生態水文學傳統假設，即模擬和預測生態水文過程時假設土壤、巖溶裂隙等過程穩定不變或已知，以尋求適應自然生態環境演變規律，人類社會發展模式和資源可持續利用途徑。