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岩溶流域演变动力认知 精选

已有 5508 次阅读 2022-11-7 15:24 |个人分类:研学|系统分类:科研笔记

岩溶流域演变动力认知

       岩溶科学发展,尤其是经典喀斯特地区的“石质、无土、无树、无水崎岖地形”地表景象的溯源研究和中国岩溶石漠化治理、摆脱绝对贫困与区域整体贫困的的实践,岩溶与人的关系脉络越来越清晰。岩溶系统溶蚀动力(“解构”动力)和光合作用驱动的生物群落演替(“建构”动力)相互间的对立统一矛盾运动驱动岩溶系统演变,是岩溶区可持续发展能力建设的重要基础。

     从岩溶动力学机制 (CaCO3+H2O+CO2 ➩Ca2++HCO3−1 或 CaCO3+CO2+H2O➪Ca2++2HCO3−1➩(+光合生 物)CaCO3(沉淀)+x(CO2(溢 出)+H2O)+(1−x)(CH2O(沉积)+O2) 看,岩溶过程是溶蚀岩石、发育溶蚀空穴系统(溶蚀裂隙、溶蚀通道和溶洞等),带走地表物质,消耗岩溶整体性和扩大岩块间空隙的岩溶系统“解构过程”,既形成形态丰富、造型优美的岩溶地形景观,也产生了地面沉降塌陷等妨碍工程建设和水资源工程的岩溶灾害或岩溶脆弱性地质现象;而岩溶生物地球化学和岩溶生态系统生产力研究则是岩石、土壤、生物、水、气间的元素循环(包括碳循环)和岩溶生态系统的水土生物资源生产力,既弥补岩溶溶蚀动力解构的物质流失,也增添了岩溶地貌景观的完美性、自然性,展现了岩溶地域的自然演变规律和岩溶系统的“建构过程”(表 1)。“解构”与“建构”的矛盾作用驱动岩溶系统的结构、过程、功能的演变。

      从自然岩溶系统、最早洞穴古人类遗存的人地关系地域系统到“山林泉田村”传统农牧业阶段人地关系地域系统,到岩溶石漠化阶段的人地关系地域系统,再到城乡融合发展、治理岩溶石漠化、保育自然岩溶生态系统的现代化城乡融合人地关系地域系统(山水田林湖草生命共同体建设)看,人地相互作用过程中岩溶系统发生了人为影响尺度的“结构、过程、功能”的系统变化,代表了系统正反馈演变性状[122],一种不可逆的“否定之否定”系统变化,正是自然溶蚀、生物群落演替和人为活动多重过程与因素驱动了岩溶系统的“解构”到岩溶生物地球化学、岩溶森林植被生长的岩溶系统“建构”演变与岩溶系统资源环境的不可逆变化。就自然状态而言,岩溶系统的“解构”是从埋藏岩溶(岩层覆盖)、覆盖性岩溶(风化壳土壤层覆盖)、半覆盖岩溶、裸露岩溶的演进过程,岩溶溶蚀通道增加过程就是岩溶系统物质流失媒介的扩张过程,使覆盖物从部分流失到全部流失,水源涵养结构发生改变;而生物群落演替代表岩溶系统生产力增强的“建构”会使生物物种与组合适应从覆盖岩溶到裸露岩溶的生境演变,生物群落形成水源和养分的自适应调节机制,石生性、喜钙性、耐旱性增强,但生物量减少,脆弱性增加,恢复力降低。世界自然遗产地目录中的岩溶类遗产地展示了自然驱动的“解构”与“建构”的矛盾对立运动范例。马来西亚沙捞越穆鲁国家公园[123] 山体中的巨大溶洞(Sarawak 溶洞,600 m×415 m×80m)是世界上最大的单体溶洞,它与地表残存的团块状崎岖锋利的剑状岩溶代表了溶蚀动力的“解构”产物。山脉与区域河流水面高差甚大,提供了强大的侵蚀溶蚀解构动力,导致巨大溶洞发育与地表第四系碳酸盐岩的侵蚀溶蚀夷尽,但地表仍有茂密的热带雨林与特有动物群。这展现了热带湿润岩溶“解构”和森林植被“建构”的矛盾运动。类似的岩溶生态系统在云南省马关县古林箐省级自然保护区的热带季节性雨林(望天树森林)中可见。该群落山体与南溪河水面有巨大高差,导致热带雨林中大量的溶蚀洼地、落水洞、石牙、茂密森林共存,在接近山脚的溶洞(花渔洞)中有湍急暗河水流出,但在裸露石牙增加和落水洞附近,典型的热带雨林树木−望天树种群急剧减少至消失,代之石生喜钙的其他热带雨林物种增加至主导。同样的热带植物群落变化在西双版纳森林植被也出现[94−95]。中国北京房山世界地质公园[124]的石花洞是北方温带岩溶区“解构”与“建构”相互作 用 代 表 。 马 达 加 斯 贝 马 拉 哈 钦 吉 (Tsingy deBemaraha)严格自然保护区世界自然遗产地[125] 的剑状岩溶、河流峡谷结构展示了岩溶“解构”强于“建构”的岩溶系统,但建构仍顽强进行。该山地覆盖侏罗系碳酸盐岩的玄武岩层和风化壳被雨水、地表径流和地下径流剥蚀夷尽,持续淋滤形成壮观的剑状岩溶、坍塌、洼地、峡谷等地貌。在剑状岩溶(Tsingy)地貌土壤剥蚀溶蚀夷尽区,仍有独特珍稀的岩溶乡土植物群落和动物群存在,展现了岩溶生物的独特自适应机制。中国南方喀斯特云南石林遗产地的多级侵蚀基准面(大叠水瀑布、巴江河、天生桥、湿地)维持了多世代石林与亚热带干湿季风区岩溶森林植被共存[126−127],这里还有人为干扰驱动的岩溶系统“解构”和森林植被生长“建构”相互作用的实例。18 世纪前后开始的铜矿业活动导致森林植被大面积消失,强烈的水土流失使岩溶坡地和干枯的岩溶湿地周边出现高度超过 1 m 的土下石牙,面积占比超过 30%,即岩溶石漠化。岩溶石漠化是人为活动的时空尺度加速岩溶系统的解构[54]。但矛盾对立面的建构也在这里出现。自石林保护地建设和区域经济发展推动的石林旅游业大发展以来,保护地范围出现了森林植被自然恢复和人工辅助恢复,湿地周边的森林植被恢复更快[96,127−128],其他岩溶区有同样的过程[97,129]。石林植被恢复进程研究揭示了亚热带高原干湿季风区岩溶植被从灌丛恢复到地带性植被需要 80-120 年[130],但 20-30 年的恢复植被具有了植被主要功能。这和热带恢复植被主要功能实现周期(20 年)基本相当[131]。

      中国岩溶研究在社会经济发展和应对资源环境变化需要中,从研究岩溶动力驱动的“解构”为主的工程和资源属性向融合溶蚀动力属性、生物地球化学、岩溶生态系统生产力增强的“建构”系统转变的研究中发展。岩溶系统由侵蚀基准面控制的“解构”地貌演变与岩溶植被演替(包括种养殖农林生物产品)实现的岩溶生态系统“建构”构成岩溶山水田林湖草生命共同体建设的理论和技术框架。需要考虑将侵蚀基准面控制的地质尺度(十万年、百万年)岩溶地貌演化[3,6] 与人为干扰活动尺度(十年、百年)的石漠化叠加的“解构”和植被自然演替与人工辅助恢复尺度(十年、百年)的“建构”相融合。就侵蚀基准面而言,一是岩溶区水利(水库)和河流水面影响小流域地貌发育,进而影响植被生长的现象;二是岩溶石漠化发生和治理实践中出现的森林植被消失或恢复对水土流失的加剧或遏制现象,人工湿地周边植被恢复迅速。各类水面(河、天然湿地、水库)是合适的人为影响侵蚀基准面。岩溶小流域有很多控制局地侵蚀深度的侵蚀基准面(不透水岩层、地貌裂点等)。云南普者黑峰林湿地提供了一个不透水岩层风口控制北门河溯源侵蚀,依靠溶蚀率很低的碳酸盐岩层作为不透水层的峰林湿地实例,限制湿地内深水井等工程措施可有效地预防湿地水体漏失,保护岩溶湿地生态系统。就植被生产力而言,通过石生、喜钙、耐旱、季候等特性构建植物群落的常绿和落叶物种结构、生长和枯落转换等调节岩溶生态系统生产力、水源涵养和岩溶区小气候,发挥护卫、建造和调节等生态稳定器作用(表 1)。植物光合作用吸收大气无机碳转变为有机碳,将液态水转变为气态水过程吸收太阳辐射能,释放 O2,调节水循环,涵养水源,这区别于岩溶动力的碳汇效应[104]。岩溶碳循环的水下光合作用也应该涉及水生动物多样性,这值得研究。欧洲克罗地亚普利特维采世界自然遗产地[132] 展现了碳酸盐岩山地的多级岩溶湿地、森林、水生植物和水生动物协同共存的自然格局,也是世界一流自然美的岩溶湿地自然景观,四川九寨沟世界自然遗产地[133] 也有同样的岩溶湿地、森林景观格局。岩溶森林植被以生物量和枯落物形式的“建构”弥补岩溶溶蚀动力的“解构”自源性物质消耗,增强岩溶生态系统生产力,岩溶流域盆、地洼地的农牧基地生物产量增加和种类丰富及城乡多样化产业发展能降低岩溶系统“解构”驱动力。岩溶森林植被年生产力(867 t/km2·a)约为非岩溶区植被生产力(124.33t/km2·a)的70%,岩溶森林落叶物种成分占比30%~50%,年枯落物产量7.8-1.98 t/km2·a(表1)。人们也发现了岩溶原生森林中大气降雨、地表水和地下水相互转换的良性循环的岩溶水双层结构,即枯枝落叶垫积层的上层岩溶裂隙孔隙水(枯落物湿地)和下层岩溶水[118]。因此,将适宜的自然和人为影响的侵蚀基准面和岩溶森林植被演替协同保育落实于岩溶流域的国土空间规划与稳定管理,有助于岩溶山水田林湖草生命共同体建设。

 

本文为《李玉辉,章程,庄晓东,等. 中国岩溶研究进展的哲学认知与展望[J]. 中国岩溶,2022,41(3):401-413.DOI:10.11932/karst20220308》的讨论部分

  

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