喀斯特石漠化綜合治理植被恢復(fù)技術(shù)研究進展

張緊緊， 熊康寧， 李 瑞

（貴州師范大學(xué)喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽 550001）

喀斯特地區(qū)空間異質(zhì)性強、抗干擾能力差、生態(tài)系統(tǒng)功能低下，環(huán)境十分脆弱，加之受到生產(chǎn)力落后及人類不合理活動的影響，植被逐步退化，植被覆蓋度降低，土壤保水固土能力下降，制約了植物的生長，使得水土流失呈現(xiàn)惡性循環(huán)，減緩了喀斯特地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)進程，不利于發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟和改善人民生活質(zhì)量（姚小華等，2013；熊康寧等，2010、2002；）。在國家大力推進鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)大背景下，恢復(fù)和保護喀斯特石漠化區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，使人民脫離貧困是當(dāng)前亟需解決的問題（熊康寧等，2016）。

石漠化治理的關(guān)鍵在于修復(fù)環(huán)境，發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，而生態(tài)退化的根源在于貧困落后思想觀念下造成的過度開發(fā)利用資源（劉拓等，2012）。從根本上治理石漠化，改善生態(tài)環(huán)境必須有機結(jié)合生態(tài)修復(fù)與經(jīng)濟發(fā)展，進行林灌草優(yōu)化配置與特色林產(chǎn)品開發(fā)。與國外喀斯特區(qū)人口稀少、環(huán)境優(yōu)美、多為國家自然保護區(qū)不同，我國喀斯特地區(qū)人口集中，大面積的土地被開墾為耕地，受到傳統(tǒng)耕作方式弊端的影響，水土流失更為嚴(yán)重、巖石裸露率增加、生態(tài)系統(tǒng)進一步退化、石漠化災(zāi)害嚴(yán)重、人民生活質(zhì)量低，出現(xiàn)了“生態(tài)環(huán)境脆弱-人民生活貧困-過度開墾土地-生態(tài)系統(tǒng)退化-石漠化加劇”的惡性循環(huán)，因此應(yīng)根據(jù)植物生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等多學(xué)科的理論方法，兼顧植被恢復(fù)與經(jīng)濟發(fā)展，依據(jù)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)、微地貌、氣候等立地條件，合理配置林灌草植被，設(shè)計針對不同石漠化等級與自然條件的林灌草修復(fù)技術(shù)與生態(tài)型林果產(chǎn)業(yè)鏈，促進石漠化的治理，實現(xiàn)本地資源優(yōu)勢向經(jīng)濟優(yōu)勢的轉(zhuǎn)變。本文通過分析國內(nèi)外喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)的機理與技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出植被恢復(fù)的關(guān)鍵科學(xué)問題，解決喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)與配置中存在的問題及對未來的植被修復(fù)研究方向進行展望。

1 植被恢復(fù)機理

1.1 植被群落的演替機制 植被恢復(fù)是生態(tài)重建的關(guān)鍵，而植物多樣性的恢復(fù)是植被恢復(fù)的重要內(nèi)容，應(yīng)遵循植被地帶性與演替規(guī)律，選擇優(yōu)良鄉(xiāng)土經(jīng)濟型樹種，優(yōu)化配置林灌草的空間配置。早期研究表明，植被群落物種多樣性會隨著環(huán)境狀況的改善與演替階段的發(fā)展逐漸增高，群落結(jié)構(gòu)性也越來越好（喻理飛等，2002）?，F(xiàn)有研究表明，喀斯特地區(qū)植被的時空演替特征為：隨著植被群落由草叢向頂級群落的正向演替，草本層的物種豐富度、均勻度與多樣性指數(shù)逐漸降低；灌木層和喬木層的各測度指數(shù)均先增加后降低，均在次生喬林階段達到最大，隨后降低（司彬等，2008）。在植被恢復(fù)過程中，人為干擾區(qū)的植物多樣性約為自然保護區(qū)的1/4，群落高度上升密度下降，植被蓋度與生態(tài)優(yōu)勢度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，群落生物量不斷增大（宋同清等，2008）。西南喀斯特地區(qū)由北至南年均氣溫與年降水量逐漸增加，植被群落的高度、蓋度增加但物種數(shù)量與多樣性卻呈下降趨勢。灌木層與喬木層的豐富度自北向南逐漸增加，草本層則相反，草本層、灌木層、喬木層的多樣性指數(shù)均為北熱帶與北亞熱帶高于中亞熱帶和南亞熱帶（文麗等，2015）。

1.2 植物的光合特性 光合作用是綠色植物對內(nèi)外因子最敏感的生理過程之一，植物的生存競爭能力很大程度上體現(xiàn)在該植物光和生理對不同環(huán)境的適應(yīng)程度。隨著科技的發(fā)展，光合生理研究從過去的常見種與農(nóng)作物為主逐漸向以生物多樣性和區(qū)域關(guān)鍵種為主（蔣高明，2004），越來越被廣泛地應(yīng)用于植物適應(yīng)性評價、適生種篩選及種苗培育方面。不同的植物光合作用存在著明顯的差異，在相同的環(huán)境條件下，光能利用效率高且能與當(dāng)?shù)厮疅釛l件相適應(yīng)的植物通常其生態(tài)適應(yīng)性更強（Monteit，1972）。光合色素捕捉的光能是植物進行光合作用的主要能量來源，在光合色素中葉綠素起主要作用，而光合酶活性會影響葉綠素的合成（徐興利等，2012；Masuda 等，1996）。 因受太陽輻射及溫濕度等環(huán)境條件的影響，植物光合作用和蒸騰作用具有明顯的季變化和日變化，通常光合速率日變化為一條單峰曲線，而在高溫、低濕的夏季晴朗日，許多植物的光合作用日變化為一條雙峰曲線，主要是由于植物在高溫、強日照的條件下會抑制光合作用的發(fā)生，減輕光對植物的破壞程度，在一定程度上可以反映出局部生境的小氣候狀況（彭晚霞等，2008；許大全，1990）。此外水分和養(yǎng)分條件是影響光合作用的重要因素之一，水分和養(yǎng)分條件的變化會影響光合產(chǎn)物在植物體各個組分間的分配，當(dāng)植物受到干旱及養(yǎng)分虧缺脅迫時，光合作用產(chǎn)物會更多地分配到植物根系，提升植物的根系吸水能力（平曉燕等，2010；賀海波等，2008）。

1.3 物種的抗旱性 喀斯特石漠化區(qū)降雨雖然豐富，但由于植被覆蓋率低、土壤保水固土能力差，加之特殊的地上-地下二元結(jié)構(gòu)地貌特性，該區(qū)域缺水嚴(yán)重，臨時性干旱頻發(fā)，因此選取耐旱性強的物種對該區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的保護十分重要。種子的萌芽情況對植被恢復(fù)具有顯著影響，土壤水分是種子萌芽最大的限制因素，一般情況下，種子的發(fā)芽率隨著水勢的下降呈下降趨勢，且因物種不同有較大的差異（彭素琴等，2006），不同種子發(fā)芽時的臨界含水量也不同，臨界含水量越低的物種種子抗旱性能越強，越適合生長于缺水的石漠化地區(qū)。植物的水分利用效率是植物抗旱性能的重要指標(biāo)，其可反映植物生長過程中葉片代謝與水分利用之間的關(guān)系，在一定的干旱脅迫下，葉片光合作用會減弱，蒸騰速率下降，水分利用效率會有所提高，但干旱脅迫對水分利用效率的提高存在一個閾值，達到閾值以后，水分利用效率會隨干旱脅迫的加劇而下降 （王慶偉等，2010）。植物的生理生態(tài)特性與抗旱性能具有直接關(guān)系，其中葉壽命、柵欄組織及葉片結(jié)構(gòu)組織緊密度與抗旱性呈正相關(guān)，單葉面積、比葉面積與抗旱性呈負相關(guān)，此外抗旱植物可以通過閉合葉表面的氣孔來適應(yīng)干旱環(huán)境 （牟鳳娟等，2016）。因此，加強研究喀斯特區(qū)適應(yīng)力強分布廣泛物種的生理生態(tài)特性，對提高物種的抗旱性、增加種子的萌發(fā)率、提高水分利用效率及提升植被恢復(fù)效益具有現(xiàn)實意義。

1.4 植被與土壤的耦合機制 植被與土壤的關(guān)系是生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容，在目前世界上大規(guī)模開展植被恢復(fù)與生態(tài)重建的背景下，植被與土壤的耦合機制研究是進行植被恢復(fù)與生態(tài)保護的理論基礎(chǔ)。眾多學(xué)者對不同類型土壤的理化性質(zhì)、土壤微生物及土壤酶活性等與植被的相互作用規(guī)律展開了研究。土壤是植物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量的變化直接影響著植物的生理特性，進而影響植物多樣性與植物豐富度，從而改變植物的群落結(jié)構(gòu)與功能特性 （張俞等，2018；Frelich等，2003；Austrheim 等 ，1999；Atchley 等 ，1999）。 同時，植被的生長恢復(fù)也影響著土壤質(zhì)量，地上植被生物量的累積可以保水固土，植物根系和枯落物也可以提升土壤肥力 （彭晚霞等，2008）。研究表明，植被恢復(fù)過程對土壤的物理性質(zhì)具有重要影響，可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度、改善土壤結(jié)構(gòu)（張曉霞等，2016；潘佑靜等，2016），還可以增加土壤養(yǎng)分、提高土壤酶活性、增加微生物含量（王來等，2017）。植被與土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出良好的耦合關(guān)系，因此植被與土壤之間屬于良性的物質(zhì)循環(huán)關(guān)系 （黃文娟等，2006）。

2 植被恢復(fù)技術(shù)

喀斯特地區(qū)早期的植被恢復(fù)技術(shù)主要包括：按小生境類型配置樹種的小生境技術(shù)；見縫插針，局部整地的造林技術(shù)；生境改造與利用技術(shù)；切根苗造林，容苗器補植技術(shù)；栽針留灌撫闊技術(shù)等（朱守謙等，2000）。但這些植被恢復(fù)技術(shù)主要針對喬木樹種的恢復(fù)，并未提及林灌草的合理修復(fù)與優(yōu)化配置技術(shù)，自2005年后，新型的林草、林灌草修復(fù)與空間優(yōu)化配置技術(shù)開始逐漸增多。有學(xué)者認為，在中亞熱帶濕潤氣候下，常綠落葉闊葉混交林是喀斯特森林自然條件下的演替頂級，與作為常規(guī)氣候頂級的常綠闊葉林不同，其屬于一種土壤和地形頂級。因此石漠化植被恢復(fù)措施不是簡單的人工造林種草，而是要具有較高的技術(shù)含量，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、海拔、土壤等自然因子，按照植被的自然演替?guī)律，建立生態(tài)功能較為完善的喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)，而且要根據(jù)因地制宜和適地、適樹、適量原則培育經(jīng)濟林，提升經(jīng)濟效益（李秉略，2013；周政賢等，2002）?？λ固厥貐^(qū)主要地表類型及植被恢復(fù)措施見表1。

表1 喀斯特石漠化地區(qū)主要地表類型及植被恢復(fù)措施

也有學(xué)者根據(jù)石漠化類型、治理措施類型提出了其他植被恢復(fù)技術(shù)。周瑋等（2013）將石漠化治理的植被恢復(fù)技術(shù)分為封山育林和生態(tài)重建兩種大類。封山育林育草在喀斯特石漠化區(qū)所有植被恢復(fù)技術(shù)中最經(jīng)濟可行。而林草植被自然恢復(fù)過程艱難漫長，人工造林等措施可加快植被恢復(fù)速率，是實施石漠化治理工程的重要手段。楊先義等（2015）針對貴州省畢節(jié)市黔西縣素樸鎮(zhèn)3個村的石漠化等級及其實際情況，采取了不同的植被恢復(fù)技術(shù)，對喀斯特區(qū)植被恢復(fù)具有借鑒作用（表2）。

結(jié)合以上分析并根據(jù)相關(guān)文獻研究，石漠化地區(qū)林草植被恢復(fù)措施主要又可分為以下三種類型。

2.1 植被篩選與配置技術(shù) 喀斯特石漠化地區(qū)土壤瘠薄、礦質(zhì)養(yǎng)分不足、保水能力差、土壤抗侵蝕能力差。因此在物種配置篩選上：（1）樹種應(yīng)選擇凋落物較少且降解速率快的鄉(xiāng)土樹種，并盡量具有經(jīng)濟價值。（2）草種應(yīng)選擇根系發(fā)達，水分利用效率高且具有經(jīng)濟價值的多年生牧草。（3）在陡坡裸巖及溶溝、溶槽部位采用填充客土的辦法種植匍匐藤本及常綠灌木植物。（4）林灌草恢復(fù)時應(yīng)注重區(qū)分陽坡與陰坡，陽坡配置陽性物種，陰坡配置喜陰物種。（5）在土層較薄地區(qū)可采用營養(yǎng)缽育苗后植入土壤，提高種苗的成活率。（6）深根系與淺根系植物進行配置，使植物能夠充分利用土壤各層水分，增加水分利用層次度，減輕同層水分競爭壓力。（7）最重要的是在植被修復(fù)配置時應(yīng)兼顧農(nóng)民的經(jīng)濟利益，采取農(nóng)民易接受和易推廣的技術(shù)，從而保證后期管護工作的有效開展 （郭紅艷等，2016）。

表2 不同等級石漠化土地的植被恢復(fù)技術(shù)

2.2 峰叢洼地水土保持與生態(tài)經(jīng)濟林技術(shù)體系依據(jù)峰叢洼地特殊的水土流失過程和小微地貌條件，將石漠化生態(tài)治理與經(jīng)濟治理相結(jié)合，以充分利用土地資源和防止水土流失為原則，以廣西果化示范區(qū)為例，采用辟荔植物籬技術(shù)、隔坡式植物籬技術(shù)、裸露石芽植物籬技術(shù)、砌墻保土地埂植物籬技術(shù)等植物籬保土技術(shù)措施與牧草-金銀花梯化種植技術(shù)、牧草-火龍果梯化種植技術(shù)及牧草-火龍果-蔬菜等坡面梯化種植技術(shù)，將火龍果、金銀花、牧草、蔬菜等經(jīng)濟物種有機結(jié)合，為峰叢洼地石漠化治理與經(jīng)濟發(fā)展提供了新思路（羅為群等，2013）。

2.3 山地混農(nóng)林業(yè)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)集約-循環(huán)經(jīng)營技術(shù)體系 根據(jù)石漠化地區(qū)水土流失嚴(yán)重，經(jīng)濟水平低下等問題，以林-農(nóng)-草復(fù)合經(jīng)營及庭院經(jīng)濟為思路，發(fā)展特色經(jīng)果林和草地畜牧業(yè)為手段，開展農(nóng)田水利建設(shè)，進行品種改良及經(jīng)果林、林糧、林草規(guī)范化種植，搭配坡改梯、植物籬護坡工程，引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民進行參與式種養(yǎng)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林草、畜牧相結(jié)合，以畢節(jié)石橋、貞豐花江、清鎮(zhèn)王家寨小流域為例，提出了混農(nóng)林業(yè)技術(shù)體系、生態(tài)產(chǎn)業(yè)集約經(jīng)營技術(shù)體系、生態(tài)建設(shè)循環(huán)經(jīng)營技術(shù)體系（劉拓等，2012）。

3 石漠化地區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)研究存在的問題

國外因喀斯特區(qū)人口稀少，喀斯特環(huán)境問題影響較小，對喀斯特地區(qū)的植被恢復(fù)研究相對較少，國內(nèi)對于黃土高原區(qū)的植被恢復(fù)理論技術(shù)較為成熟。由于獨特的地質(zhì)環(huán)境條件，喀斯特地區(qū)的林灌草植被修復(fù)與特色林產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究仍存在很多問題。

3.1 石漠化地區(qū)適生植物優(yōu)勢品種的篩選問題雖然對于喀斯特地區(qū)的林草植被已進行了大量的適生物種篩選工作，但喀斯特區(qū)擁有豐富的植被物種資源，有很多優(yōu)勢物種尚未用于播種與造林試驗，這其中不乏具有較高生態(tài)功能與經(jīng)濟價值的適生物種。因此，喀斯特石漠化地區(qū)仍應(yīng)繼續(xù)開展其余優(yōu)勢物種的適應(yīng)性及生態(tài)、經(jīng)濟價值研究，篩選更加優(yōu)質(zhì)的林灌草品種。

3.2 植被配置的物種多樣性提升問題 針對目前經(jīng)濟林配置物種較為單一，生物多樣性指數(shù)低長期施肥導(dǎo)致土壤板結(jié)及地力下降的問題，通過對植物適應(yīng)機制、養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化效率及養(yǎng)分歸還特征研究，根據(jù)植物養(yǎng)分利用區(qū)間的差異及養(yǎng)分返還速率，開展石漠化地區(qū)生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合型林草空間優(yōu)化配置，配置適應(yīng)環(huán)境能力強的樹種，并配以適宜的水、肥管控措施，集成結(jié)構(gòu)豐富、高效增值的林分結(jié)構(gòu)配置模式，提升林草配置的植物多樣性，形成良性的植被土壤生態(tài)系統(tǒng) （楊蘇茂等，2017）。

3.3 無石漠化與潛在石漠化地區(qū)的植被配置問題 目前的林草植被修復(fù)技術(shù)多針對已石漠化的土地，對無石漠化與潛在石漠化地區(qū)的林草優(yōu)化配置研究較少。但由于無石漠化與潛在石漠化多為耕地，糧食作物根系不發(fā)達，保水固土能力弱，加之農(nóng)用地季節(jié)性翻耕，使得其水土流失較為嚴(yán)重，土壤肥力不斷下降，應(yīng)針對其開展林糧、糧草的復(fù)合經(jīng)營，優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)模式，在防止土壤流失的同時提升經(jīng)濟效益。

3.4 地下水土漏失防治的植被恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)問題 喀斯特地區(qū)特殊的二元三維空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)致使水土地下漏失（蔣忠誠等，2014），目前植被恢復(fù)措施在保水固土、保護自然環(huán)境、提升生態(tài)安全等方面作出了重要貢獻，但大多是在裂隙、漏斗等地表周圍建設(shè)植物籬和植被防護帶，還無法從根本上解決該區(qū)的水土地下漏失問題。因此應(yīng)加強植被恢復(fù)對不同地貌地下水土漏失的防治研究，提出更加全面有效的植被配置關(guān)鍵技術(shù)降低地下水土漏失量。

4 結(jié)語

因水文、氣候等自然環(huán)境條件的差異性，喀斯特不同區(qū)域石漠化等級不同。因此，在進行植被恢復(fù)時，應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件，因地制宜，適地適樹，選用適生力強的鄉(xiāng)土樹種，是植被恢復(fù)能否成功的關(guān)鍵。此外，應(yīng)選擇針闊混交林種，使森林生態(tài)環(huán)境林分多樣化。在石漠化生態(tài)治理的基礎(chǔ)上，還要兼顧區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的要求，解決人地矛盾，進而達到綜合治理石漠化目的。學(xué)者們對喀斯特石漠化區(qū)造林配置模式和造林技術(shù)的研究較多，大都采用封山育林、人工造林種草等地表生物工程手段，但立地條件與植物的適宜性關(guān)系還不夠緊密，導(dǎo)致造林成活率不高，事倍功半，而且存在人工造林樹種較單一、生物多樣性低、封育幾十年仍無法形成森林的問題。在今后的研究中，需要加強石漠化地區(qū)適生林草優(yōu)勢品種的篩選、植被配置的物種多樣性提升、無石漠化與潛在石漠化地區(qū)的植被配置及地下水土漏失防治的植被修復(fù)技術(shù)等研究。