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探尋巖溶環境的時空演變

2021-08-19 10:08:21    來源: 中國自然資源報    作者:于德福 胡兆鑫

持續觀測西南巖溶資源環境30余載

中國是世界上碳酸鹽巖分布最為廣泛的國家之一,碳酸鹽巖出露面積達125萬平方千米,約占國土總面積的13%。其中,以云南、貴州、廣西、重慶、四川、湖南、湖北、廣東等省(區、市)組成的西南巖溶區,是世界上最大的連片裸露碳酸鹽巖分布區,總面積達50萬平方千米。然而,巖溶地質體在賦予大自然獨特秀美風光的同時,也帶來了石漠化、干旱、巖溶塌陷、濕地退化、水污染,以及巖溶地貌、洞穴、水、土等資源的可持續利用與保護等資源和環境問題。

為破解巖溶區資源環境難題,1986年,在桂林市東部一片巖溶峰叢洼地中,地礦部中國地質科學院巖溶地質研究所(現為中國地質調查局巖溶地質研究所)選址建立了我國開展巖溶水文地質專項研究的第一個野外試驗場——丫吉試驗場,以中法科技合作為基礎,借鑒國際先進經驗,通過對典型巖溶泉流域的長期觀測和建模,研究巖溶水運動規律。

從丫吉起步,經過30余年建設,巖溶所已逐步建立起由一個主站和5個分站組成的西南巖溶環境野外科學觀測研究站,針對巖溶關鍵帶石漠化時空演變的控制因素及其資源環境開展持續觀測、試驗、研究與示范,目前已形成覆蓋廣西、貴州、云南、重慶、廣州等地典型巖溶環境,涵蓋10類30多個觀測指標的巖溶環境觀測網絡。2019年,該站納入自然資源部野外科學觀測研究站管理序列。

截至目前,該野外站建有3000多平方米的多功能綜合科研實驗用房、600多畝試驗用地、23個專題試驗場、208個表層巖溶泉等觀測站點,配備了野外觀測和室內分析試驗儀器設備200多臺(套),取得了一批基礎觀測數據。

如今,西南巖溶環境野外科學觀測研究站不僅是解決我國西南巖溶區重大資源環境問題的長期觀測、試驗研究與科技示范的基礎平臺,開展全球現代巖溶學研究、巖溶關鍵帶監測試驗的重要基地,而且還是聯合國教科文組織國際巖溶研究中心、國際標準化組織巖溶技術委員會、巖溶動力系統與全球變化國家級國際聯合研究中心開展國際對比研究、學術交流與培訓的重要野外臺站,為推動國際巖溶地質研究及巖溶學科創新發展提供了重要支撐。

建成覆蓋典型地貌區的巖溶關鍵帶觀測網絡

為探索解決巖溶地區重大資源環境問題的技術方法,巖溶所從地球關鍵帶的視野出發,通過西南巖溶環境野外科學觀測研究站建設,建成了覆蓋典型巖溶地貌區的系統性巖溶關鍵帶觀測網絡,對熱帶巖溶峰叢洼地、巖溶峰林平原、巖溶平原、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、亞熱帶巖溶峰叢洼地等巖溶關鍵帶進行野外科學觀測和研究。

其中,廣西平果熱帶巖溶峰叢洼地關鍵帶野外觀測研究站,主要開展巖溶關鍵帶地質與生態過程、生態系統修復與保護、石漠化形成演化與綜合治理等示范與監測研究工作,為實現我國西南巖溶地區石漠化綜合治理的國家目標提供技術支撐和科技示范。

廣西桂林巖溶峰林平原關鍵帶野外觀測研究站建立在會仙濕地、寨底地下河、毛村地下河以及丫吉試驗場S31巖溶泉上,以溶洞濕地生態系統內部的能量轉換和物質運移(循環)為研究對象,通過開展地下水與地表水相互作用觀測,進行典型溶洞濕地、巖溶石山景觀脆弱生態系統的修復試驗,揭示溶洞濕地生態系統的結構、功能和運行規律。

重慶武隆巖溶槽谷關鍵帶野外觀測研究站,建有土壤水分運移試驗場、巖溶碳循環試驗場、石灰巖埋片溶蝕試驗場以及徑流試驗場等綜合性巖溶生態科技示范區,并設立了洞穴環境自動監測系統,對洞穴內主要環境要素進行長期、自動觀測,以獲取現代洞穴環境特征以及旅游活動對洞穴環境、景觀的影響。

云南蒙自巖溶斷陷盆地關鍵帶野外觀測研究站點,選擇巖溶斷陷盆地的超大型地下河流域,開展水文、地質、氣候、生態等一系列觀測,研究巖溶斷陷盆地巖溶動力系統的循環及其驅動機制,開展石漠化演變機理科學研究及其治理技術研發,以解決巖溶斷陷盆地區重大資源環境問題和重大地球系統科學問題。

貴州荔波亞熱帶巖溶峰叢洼地關鍵帶野外觀測研究站點,主要開展巖溶地下河流域水均衡和碳通量觀測,通過水流與碳通量觀測,認識森林生態系統調節水文的過程和增加碳匯的機制,并于1997年執行了國際地球科學計劃“巖溶作用與碳循環”項目(IGCP379項目)。

廣州巖溶平原關鍵帶野外觀測研究站,從巖溶塌陷形成機理入手,圍繞誘發(觸發)巖溶塌陷的巖溶管道裂隙系統的水(氣)壓力突變過程的捕捉、地下巖土體變形監測和隱伏土洞形成演化過程的監測定位等關鍵科學問題,通過集成研發巖溶塌陷動力監測系統、巖溶土洞光電傳感監測技術和地質雷達探測識別技術,有效破解巖溶塌陷地質災害的監測難題。

為巖溶區資源環境開發利用提供示范

在對巖溶環境進行觀測、研究的同時,西南巖溶環境野外科學觀測研究站還開展了大量的探索與實踐,推動開展巖溶資源環境開發利用示范。

廣西平果市果化鎮龍何屯及周邊山地,曾是桂西南石漠化程度最嚴重的區域之一,石漠化面積占土地面積的70%,植被覆蓋率不足10%,森林覆蓋率不足1%,生態環境脆弱,旱澇災害頻繁。石漠化已經嚴重威脅當地居民的生存和珠江流域的生態安全。

平果站在此建立示范基地,持續20年對石漠化與水土流失等生態環境問題進行了系統性、創新性研究,探索形成的“果化模式”實現了生態、經濟、社會效益三豐收:植被覆蓋率增加60%,土壤侵蝕模數下降80%,水資源利用率增長5倍,土地利用率提高60%;形成了以火龍果種植為主的特色生態產業,并建立了以表層巖溶水開發為龍頭的立體生態農業模式。“果化模式”及相關技術在西南八省300多個縣40萬平方千米巖溶區輻射推廣,帶動了西南巖溶區治理石漠化2萬平方千米,指導30多個縣實施土地整治500萬畝;推動平果市開發生態產業,帶動近20萬人脫貧致富;推動百色市推廣生態產業,輻射帶動1000多萬人脫貧致富。

南方巖溶地區地表水系不發育,但地下卻分布著3000多條地下河,開發利用率只有10%。桂林站通過開展水文地質自動化監測,在地下水循環機理、地下河系統結構特征、地下水流動規律與水循環轉化機理等研究的基礎上,實施巖溶水資源開發利用示范工程200多處,指導了100多個巖溶大泉、40多條地下河的水資源開發利用,使水資源利用率提高30% ,并帶動地方開發1300多條地下河,直接解決了巖溶石山嚴重缺水地區和貧困地區600萬人飲用水困難,為2000多萬人提供了飲用水源保障。

被稱為“桂林之腎”的會仙濕地,具有涵養水源、凈化水質、調蓄洪水、維持碳循環的功能,是巖溶區特殊的、價值最高的生態系統。桂林站圍繞巖溶濕地退化機制及濕地生態保護與修復問題,開展了巖溶水文過程、巖溶水化學、巖溶生物地球化學作用等研究,首次給出了巖溶濕地的科學概念,初步建立了巖溶濕地的分類體系和典型濕地生態模型,揭示巖溶濕地特殊的水—土—生物地球化學循環是生態功能的主要驅動機制。

荔波站所處的茂蘭國家級自然保護區是中國亞熱帶地區巖溶原始森林保護區,其生物多樣性與同緯度其他類型原始森林有很大差異。保護區內超高的森林覆蓋率和豐富的生物多樣性不僅為西南巖溶地區生態環境恢復樹立了標桿,也為石漠化治理提供了生物資源寶庫。由于土壤缺失,這里的森林被稱為“石頭上的森林”,因此森林調蓄徑流和促進碳轉化的機理會有所不同。而這正是荔波站要解決的關鍵科學問題。該站開展的流域水均衡和碳通量研究,與保護區進行的人與生物圈和諧統一、林業資源調查、生物多樣性保護、保護區管理等工作相互配合,對原始森林參與巖溶流域水循環和碳循環的機理進行研究。

這些成功的案例,不僅為中國破解巖溶區資源環境難題提供了解決方案,而且還伴隨著一批批到中國學習考察的國際巖溶學者的腳步走向了世界。其中,石漠化治理的“果化模式”,讓新西蘭、坦桑尼亞等6個國家生活在石漠化地區的群眾,享受到了中國智慧帶來的幸福。

立足巖溶,走向世界。今后,西南巖溶環境野外科學觀測研究站將進一步規范完善一站多點式巖溶關鍵帶站網監測體系,推動不同巖溶關鍵帶和資源環境治理模式與技術試驗示范研究,構建全球巖溶關鍵帶監測網絡及信息共享平臺、石漠化區生態修復與保護效果監測與信息共享平臺,建成巖溶關鍵帶資源環境可持續利用技術試驗示范區、多類型石漠化生態修復示范區以及巖溶流域資源環境綜合調控大型試驗場,力爭為破解全球巖溶地區重大資源環境難題作出更大的貢獻。

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