2.1 土壤脆弱性及退化问题
中国南方喀斯特地区的地形地貌、气候、岩性与特殊的二元结构,构成了喀斯特土壤系统相对脆弱与退化现象的基本原因与背景[82-84]。喀斯特成壤母岩主要是可溶性组分较多的如灰岩等的碳酸盐岩,该类岩不溶物一般低于其总物质量的10%,其风化后的残积产物数量稀少,成土极慢,该环境中大约需要经40 000 a才能形成1 cm厚的土壤层,而非喀斯特环境的成壤速率常达喀斯特的10～80倍[85]且该区以方解石、文石为主的碳酸盐岩为成土母岩,土壤即以红、黄壤为主,这种石灰壤是南方喀斯特最主要的耕作土壤,自身砾石比例较高、土壤养分及微生物生物量、碳、氮、磷等都较低[86],且该区较大部分地区处于我国酸雨带,酸化现象致使肥力更低[87]。在一些更为极端的喀斯特地区如滇东、贵州西南部、南部和西北部地区,可溶性岩石连片分布且面积极广,又因该区气候受印度洋季风控制,夏季雨热同期使水热因子高度同步导致易发生大雨、暴雨、干旱等大规模灾害事件; 再加之地处云贵高原腹地,地貌垂直立体性较强,陡坡多、高差强烈、地表崎岖使得势能提高,地表径流冲刷猛烈和降雨后的短期干旱导致水土流失更为迅猛,土壤肥力随着有机质流失迅速下降变得稀薄、贫瘠。数据指出,滇东地区水土流失面积为5.97万km2,已达滇东地区总土地面积的45.20%,而贵州水土流失面积更大,为7.31万km2达贵州土地面积的41.52%[88-89]。此外,喀斯特独特的地上、地下二元结构使流失的水土很大程度上由地表裂隙转入地下洞穴囤积或随着暗河流出而非单纯的高程垂直位移,这一地上地下双流失的特性使得水土流失更加彻底,致使水土资源高度匮乏,最终以不合理的人类社会经济活动为驱动力进一步恶化致使石漠化现象发生。
石漠化诞生于不合理的人类社会经济活动下的喀斯特环境之中,这种以人力为主要驱动力的恶劣生态灾害表现为基岩大面积裸露、土地生产力大幅下降、水分严重漏失以及生物种群多样性受到严重限制,地表景观也逐渐演变为近似于荒漠生境的土地退化过程[90],石漠化已经成为中国三大生态灾害之一[91]。石漠化一旦产生不仅使自然环境恶化,整个相连的生态经济系统都会因此被波及,在土地逐渐失去生产力的过程中,农林牧业生产空间也会遭到强烈压缩,在一些强度、极强度石漠化地区甚至人类基本赖以生存的条件都会被剥夺。如石漠化现象较为明显的广西,因石漠化使得整个生态环境及相关产业链条抗逆弹性弱化,旱涝灾害发生频率提高,每年粮食减收10亿kg以上,折合经济损失约4亿元左右[92]。土壤养分流失、成土速率低下、水土流失迅速以及石漠化现象使得中国南方喀斯特地区土壤承载力大幅下降,人地矛盾愈发激烈,农林牧业发展严重受阻。
2.2 水文脆弱性及水文干旱
喀斯特水文脆弱性主要源自基岩岩性差异与独特的地形地貌结构。该区主要出露基岩是以灰岩、白云岩为主的碳酸盐岩,在这两种岩层中,因岩性差异导致渗漏裂隙的发育进程及方式也存在显著不同; 白云岩的风化以物理崩解为主[93],大量崩解的碎石利于后期的化学风化,且其晶格构架空隙更为均匀,也促进了白云岩整体进行较均匀的溶蚀进程,而灰岩在承受应力时形成的构造裂隙较不均匀,这些不均匀发育的裂隙逐渐体现为溶蚀的差异,使灰岩为主出露的地区溶蚀进程速率、裂隙规模参差不齐; 而在岩性相同的岩层中,薄层较厚层裂隙发育量较多但张开度较低,延伸性弱; 而厚层的裂隙张开度高、伸开距离长裂隙有效性高[94]。这种因岩性不同与裂隙发育程度参差不齐导致的渗漏管道规模及有效性差异使得该区水分在时间、空间分布不均,在一些较大的降雨事件中很容易在低洼的局部形成涝灾[95]并逐渐加深这种不均匀性。
喀斯特干旱不能简单归咎于“气候异常或降水量减少”,因其表层岩溶带结构因环境退化受损,多数石漠化区域的表层岩溶带结构只剩下表层基岩的裂隙、溶沟溶槽已不具备林草、土壤等结构或该结构层薄弱,这致使其对水分资源在水量上和水流过程[96]的调蓄能力大幅削弱,水分通过裸露出露基岩的渗水裂隙直接向地下快速漏失,这种干旱被定义为水文干旱或径流干旱[97]; 同时,水资源调蓄能力的下降也易使季节性干旱与洪涝频发,如2009年秋季至2010年初,中国南方喀斯特地区遭受了记录鲜有的重大旱灾,导致川、渝、黔、滇、桂5省近6.73*106 hm2耕地、5.27*106 hm2作物受灾,2.09*107人、1.37*107头大型牲畜饮水困难[98],干旱过程中不仅农田生态系统严重受损,蓄水设施、池塘干涸,河流、地下水水位显著降低; 水生生物、自然植被、土壤动物等发育、生存都受到严重威胁。
2.3 生态系统及生物多样性衰退
生态系统履行着为人类提供各种商品并维持生命体与物质、能量平衡的职能。一般而言,受到自身所具备的结构链控制,结构层级越是复杂多样,其功能也就越强大且生境条件越优越,其职能与履行程度主要同时也更加稳定在应对逆境时的弹性也越强[99]。而随着人口的急剧增长与精神层次的提高,人们的物质需求也在逐步上升,根据喀斯特地区峰丛、洼地、石山土地类型测算,单位面积上人口密度应为:石质山地52～100人/km2,峰丛、槽谷可承载人口量稍高为100～150人/km2,黔中丘原人口容量最大达150～200人,然而目前真实数据均显著高于该数值[102],近年来,因不断加剧的人地矛盾而导致的伐木毁林、陡坡农耕、矿山开采等破坏生态结构的行为还在攀升[101]。人地矛盾突出加之喀斯特地区本就脆弱且已开始退化的水文、土壤系统,中国南方喀斯特石漠化现象再度加剧,生态系统开始表现出逆向演替趋势,特别是相较其他生境本就不算丰富的植物群落[102]一旦遭到破坏就可能很难恢复。
在南方喀斯特生境中,致使该区生物多样性锐减与生态系统退化诸多要素中,首当其冲的是森林砍伐及其推动产生的水土流失,目前数据表明,水土流失已致贵州378种种子植物受到威胁,占贵州省种子植物总数的8.1%,其中约80%分布于喀斯特生境中[103]。在基于喀斯特生物多样性特征与其重建机制的研究表明,喀斯特生境中各群落的植物种类都不丰富,物种多样性水平较低[104],同时其适生种、群落优势种与建群种也和常规北半球亚热带类群特征有所区别[105-106],研究表明[107]在已出现石漠化的原始生境中,随石漠化程度逐渐上升,植物多样性明显发生变化,物种越来越简单,常绿植物比例逐渐降低,优势种的重要值比例变高,物种组成与分布逐渐混乱,而在一些治理石漠化为目的的人工植林区,植被的物种多样性会较之原始生态中更低[108]。随着喀斯特环境的不断恶化,在石漠化等因素导致的植被逆向演替过程中,土壤动物数量、类群数也呈现减少的趋势[109]。
