气候变化及人为活动驱动下的西南喀斯特生态水文研究评述

刘梅先 ，徐宪立 *

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125；2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，广西 环江 547100）

喀斯特在全球广泛分布，约占陆地总面积的12%，供应了世界上约1/4人口的水源[1]，在社会经济发展、自然资源和生态环保中占有重要地位。由于特殊的地质、地形和地貌形态，喀斯特地表持水能力弱，呈现“山（地）高水低”、“石多土少”、“土薄易旱”等特点，水资源利用相对困难。我国是世界上喀斯特面积最大、分布最广的国家之一，其中西南喀斯特连片分布区面积达54万km2。限于人口压力以及认识的不足，以往过度且不合理的开发利用，加剧了当地水土流失，使得大面积地表呈现基岩裸露的石漠化景观[2]，生态环境十分脆弱。为遏制喀斯特地区生态环境的不断恶化，国家先后投入巨资，并同时整合国家相关部门及地方政府的生态修复和环境治理项目与资金，推进石漠化综合整治，实施了退耕还林、天然林保护、生态扶贫、石漠化综合治理等一系列生态建设工程，已然卓有成效。然而，地表水分亏缺依然是喀斯特地区生态环境脆弱的主要因素，也是限制农业和生态可持续发展的重要障碍因子。

生态水文循环是地球生物物理化学循环的核心环节，其关键过程如产流、入渗、蒸发、污染物迁移转化、泥沙形成与输送等，密切关系到水分分配和水资源质量，影响到水资源和生态环境安全问题，一直以来备受关注[3-6]。尤其在全球气候变暖和人口激增的普遍背景下，人们对气候变化和人为活动协同驱动下的生态水文问题关注持续增强，喀斯特地区也不例外[7-8]。目前围绕喀斯特生态水文的研究，涉及了包括水文地球化学[9-10]、坡面水文过程[11]、植被水分来源[12]与耗散特征[13-15]、喀斯特水文模拟[1,16]等多个方面。这些研究从尺度上可以概括为中微观尺度机理（植株、坡面过程）、宏观尺度（流域、区域）表现和生态水文模型构建与应用几个方面。以下主要结合本研究组近5年的相关成果，从这几个尺度来简述国内外的主要研究进展与发展趋势。

1 喀斯特生态水文过程与机理

中微观尺度生态水文过程是形成宏观生态水文表现的基础。中微观尺度上的现象以及观测，是阐明生态水文过程基本规律及机制、理清宏观尺度生态水文过程的基础手段。从根本上讲，喀斯特生态水文过程及其机理与非喀斯特地区是一致的，如植被根系生长改变土壤水文性质[17-19]，不同冠层结构、需水耗散特征等改变降雨分配（如冠层截留）[20]、地表蒸发等过程[21]，从而改变喀斯特坡地水文过程，影响地表和地下径流形成、土壤水分变化和分布[22-24]等。但是，喀斯特地表介质巨大的空间异质性从很大程度上决定了喀斯特地区生态水文过程与非喀斯特地区存在明显差别。通常来讲，发育良好的喀斯特地表介质包括地表土壤、表层岩溶带和深层径流带（地下河网）三种形式[25]。浅薄且渗透速率高的土层以及大量地下裂隙、管道的存在，使得喀斯特地区水文过程、水文—水质（溶质、颗粒物等）耦合过程、植被耗水过程等，均与非喀斯特地区有所不同。如喀斯特地表径流远低于其他地区[26-27]，而地下径流是径流形成的重要组成部分[11,28-29]。喀斯特地区生态水文过程与其他地区最主要的差别，可能首先体现在地下快速渗漏过程[15,29]。如研究组基于模拟降雨（40～120 mm/h）的结果表明，西南喀斯特坡面水文过程以地下水文过程（包括土壤—岩石界面壤中流、表层岩溶带蓄水、深层渗漏）为主（占降雨70%左右）[29]。然而，由于喀斯特地表的复杂性，地下水文路径不明，在坡面尺度上直接无创观测地下渗漏过程目前还难以实现。

同时，复杂的地表介质也决定了喀斯特地区植被水分吸收消耗的复杂性。由于土壤浅薄、储水能力低，喀斯特地表土壤水往往无法满足植物正常的生长需求。为获取足够的水分，深根植物根系会扎入表层岩溶带裂隙中吸收其储存的水分[30]。因此，喀斯特植物水分来源是表层岩溶带裂隙水和土壤水的动态组合（当然其最初来源于大气降水），植物对不同介质中水分的吸收取决于植物水分需求和介质水分含量的状态。但是，受到喀斯特地表复杂性以及观测手段的制约，目前对这两者的认识仍然有限。以喀斯特地区蒸散发为例，目前的研究有三个特点。第一，成果总体偏少；第二，主要偏重在宏观（景观）尺度和植株个体尺度，其测定主要采用的是不（甚）依赖于地形的涡度相关法[13]和热扩散液流探针法[14-15]等；第三，在植株尺度上，主要考虑了较大的乔、灌木，较少涉及矮小植物（如草本等）。但是，矮小植物是喀斯特生态系统的重要组成部分，也是我国西南喀斯特区农、牧业的主要体现形式。

为观测复杂地表条件下矮小植被蒸散发，基于通量守恒原理设计了一款具有较高精度的风室蒸散观测装置（图1）[31]。基于该观测装置并结合TDP探针，研究了喀斯特地区不同农林系统的耗水规律与控制机制，发现不同农林系统蒸散发的控制因子有所差异，其中耕地系统和草地系统的主控因素是气温，而林草混合系统的控制因素则是叶面积指数。同时，蒸散与气象因子之间存在明显的滞后现象，其滞后时间呈现明显的季节特征并取决于气温、相对湿度和饱和水汽压差等的变化速率。更为重要的是，几种典型人工生态系统（大豆玉米轮作、牧草和任豆牧草）对土壤水分基本不敏感，说明正常情况下土壤水分可能不是喀斯特生态系统的控制性因素[32-33]。而基于氢氧同位素方法的研究也指出，典型喀斯特生境优势植物种对不同类型水源的利用比例存在明显差异，稳定的深层岩溶水是维持旱季植物水分消耗的关键[34-35]。

图1 风室蒸散观测装置示意图（a）、对比效果（b）和野外实物（c）（引自：刘梅先等[31]）Fig. 1 Schematic diagram of the ET chamber (a), comparison results between the chamber and weighting method,and installation of the chamber in field (c)

2 喀斯特流域生态水文

区域（流域）尺度上的生态水文，多基于遥感、生态水文模型的手段来进行。在严峻的气候变化和人为干扰背景下，人们更加注重气候变化和人为活动（调蓄，大坝建设、农林业活动等）的生态水文效应。

由于实际记录所示的“极端气候事件发生频度和强度增强”和以往文献中所得出“西南地区气候变化不显著”的矛盾，研究组首先探讨了西南地区气候变化情势，并基于概率模型和联合概率模型（copula）引入（联合）风险的概念，明确了气候极值风险和变化趋势之间的差异，证实西南地区（广西、贵州、云南）年降水量逐渐下降但极端降水事件逐渐增强的事实[36]，并发现大雨量、暴雨天数和暴雨量等极端降雨因子控制了喀斯特流域的径流量[37]。随后进一步发现，虽然当地极端降水事件变化具有明显的空间差异，但受到大尺度天气系统变化的影响，其空间差异正逐渐降低，而局地因素的影响力正逐渐下降[38-39]。同时，降雨是影响西南喀斯特流域蒸发的重要因素。研究表明，相对于非喀斯特流域而言，喀斯特流域蒸发对降雨变化的敏感性较大，并指出在过往的气候变化条件下，喀斯特流域生态系统可能受到更大的退化压力[40]。与径流和蒸散发不同的是，喀斯特流域泥沙主要受到人类活动的控制。研究发现，西南喀斯特地区流域泥沙量呈现显著下降趋势，而这种减沙速率与流域大坝有效控制面积比例呈显著正相关关系[41]。

除水量水质以外，气候变化和人为活动的影响还表现在地表干湿条件方面。例如生态恢复可以从多个层次上影响降雨—径流以及土壤—植被—大气连续体内的水分交换过程，它导致水分消耗和水分截留的变化（蓄水和耗水平衡关系），会进一步改变当地的干湿条件。而相对于径流而言，地表干湿条件与植被生长和生态系统安全可能有着更加直接的联系。针对此，构建了一个地表干湿度模型，基于不同的参数可以甄别人为活动和气候变化对流域干湿度的相对影响。同时发现，在水分限制地区，退耕还林对地表干湿条件有明显影响（变干），而在能量限制区域，退耕还林对地表干湿条件的影响相对较小[42-43]。

3 喀斯特生态水文模型研究

生态水文过程的模拟和预测一直都是生态水文学的研究重点和前沿，也是生态水文学在政策实施、水文水资源管理评估等实际应用中的必要途径。喀斯特地区由于其独特的地质条件，其产流、汇流过程不仅受地形、土壤控制，而且受岩石裂隙走向、分布以及喀斯特漏水洞和漏斗等岩溶地貌控制，水流具有多孔介质达西流、裂隙管道非达西流等多重水流特征，还具有地表水系与地下水系特征[25]。这些高度异质性的地表介质特征，极大地增加了喀斯特生态水文模拟的难度。目前喀斯特地区的水文模型多采用在集总式水文模型中增加地下水流计算方法[44]。而对于所有喀斯特生态水文模型而言，喀斯特关键带导水介质的定量刻画是首要面临的难点问题。目前主要有离散裂隙网络模型、离散管道网络模型、等效连续介质模型、双重连续介质模型和多重介质模型等[1]。这些模型主要用于具有详细资料的地下水动态模拟中，如3DKFLOW[45]、CFP模型[46]、管网模型[47]和DHSRVM模型[16,48]等。

喀斯特生态水文模型中若要考虑生物地球化学过程，模型将变得更加复杂。一方面对水文模型的时空尺度提出更高的要求，如水中化学成分及其与土/岩作用，需要确定降水入渗后滞留时间和路径，以及流出出口断面水流中“老水”、“新水”[49-50]。另一方面，关键生态水文要素（养分、泥沙）在循环中的相互作用和影响及其与水文过程的耦合过程复杂，至今仍未完全摸清其原理或机制，如岩石裂隙和岩石吸附在总磷、活性磷和硝态氮输出中起关键作用[51-52]。常规上，生态水文模型对于生态系统中养分要素（溶质）和水文过程的耦合模拟，一般以水流方程（如Richards方程、圣维南方程等）与对流弥散方程为基础，综合考虑不同溶质的吸附解吸、生物降解和吸收等转化过程、地表径流泥沙过程以及不同界面间的水分和溶质交换过程[53]。总体上，这些生态水文模型之间主要的区别还是体现在包含过程的多少、空间离散方法、要素交换方式、溶质转化过程数学描述和参数化等方面[54-57]。

但是，相对于此类模型框架的确定而言，模型所需要的大量地表、地下岩溶结构和观测资料，包括裂隙分布、结构、导水性质等参数的获取可能更为艰难。如何有效地概化喀斯特地上地下二元结构特征，特别是建立土壤—岩石裂隙中水分储存和运动与植被系统之间的水文连接，以及关键要素间的相互作用的准确数学表述，仍然是喀斯特生态水文模型研究面临的难点。为规避参数获取困难的问题，结合新型参数优化技术（如贝叶斯，蒙特卡洛、遗传算法等）的集总式模型备受学者青睐。这类模型虽然回避了一些具体的水文过程，难以反映喀斯特地形、地貌及植被分布对水文过程的影响，但可以准确地模拟降雨—径流关系、地下水补给过程[1]，如较为流行的VarKarst模型[58]。目前我们也已经构建了基于动态植被的喀斯特生态水文模型，可准确地模拟西南喀斯特流域径流和蒸散发过程[59]，并基于该模型计算出了喀斯特地区植被可利用的最大有效水量，定量回答了喀斯特流域表现出更强的气候敏感的原因[40]。除此之外，基于统计、人工神经网络（ANN）、支持向量机（LSSVM）等方法来预测喀斯特流（泉）域生态水文过程也是学者常用的手段。这些模型基本完全回避了参数获取的问题，而且往往具有较高的精度。如研究发现，最优状态空间方程可以有效的模拟喀斯特流域泥沙过程[60-61]，在表层岩溶泉流量模拟中也具有良好的效果[62]。

4 研究展望

喀斯特地表关键带极其复杂，目前对喀斯特地表关键带中水文—岩石—生源要素的迁移转化过程仍然不够清晰。要准确描述喀斯特生态水文过程，了解地上地下水文结构是先决条件，但这也是喀斯特生态水文研究的难点。目前或有地球物理的方法确定孔隙和管道的走向与结构，但对于较小孔隙仍然无能为力。较小孔隙的分布以及水文连通性，可能是地表关键带水分蓄存和排放的决定因素，密切关系到污染物迁移以及植被可利用水量。因此，未来应首先加强水文地质和生态水文学的联合研究，充分利用地球物理、化学的手段，理清并定量刻画关键带结构。

其次，应更加重视喀斯特生态水文化学过程，亦即水质问题。由于人类社会的干扰和介入所引发的水质污染，如肥料（有机、无机）施用、垃圾堆放和污水废水排放等造成的点源、非点源污染（如化肥、杀虫剂、病毒、细菌、抗生素），是造成水质性水资源短缺的罪魁祸首。相对于非喀斯特地区而言，喀斯特地区水文过程迅速且缺少细颗粒沉积物的吸附，污染物扩散快速、危害更大。加强喀斯特生态水文化学过程方面的研究，揭示污染物迁移转化规律，是完善喀斯特生态环境保护策略的基础，也是国家重大需求。

再次，应加强人类活动和气候变化的生态水文效应研究。人类活动和气候变化是影响生态水文过程的主要外在驱动因素。随着科学技术的不断发展，人类对自然的干扰能力逐渐增强。如大型水利工程措施、地下水开采、农田耕作灌溉、城市化（海绵城市）、森林破坏与退耕还林还草等，都体现了人类对自然界的强行介入。这些干扰改变了地表结构以及物质输入的组成与数量（如化肥），对生态水文物理和化学过程具有深刻的影响，甚至成为控制因素。为了生存与发展，人类对自然的干扰是不可避免的。特别进入21世纪以来，全球气候变化加快，极端气候事件频发，这种严峻气候变化情势，可能会进一步放大人类活动的负面效应。加强对人类活动和气候变化的生态水文效应研究和评估，具有重要理论和现实意义，是探讨如何实现喀斯特地区人类与自然的和谐共处的必经之路。

5 结语

西南喀斯特地区土层浅薄且持水能力弱，地下裂隙多而渗透速率快，导致地表水分亏缺频繁、生态脆弱、污染物扩散快速等一系列生态环境问题。喀斯特地区的合理开发利用，离不开对其生态水文过程的深刻理解。目前，喀斯特生态水文研究已经获得了喜人的进展，大大提升了人们对植被水分耗散、水分来源与植被适宜性、水文快速过程及机理等各方面的认识，并构建了多种生态水文模型，为喀斯特生态环境治理、水资源高效利用等提供了坚实的科学依据和技术支撑。然而，喀斯特地表关键带结构十分复杂，空间异质性巨大，局部观测或个别流域所得出的结论往往具有一定特殊性，相同的生态水文参量在其他地方（流域）或有不同表现，因此，“因地制宜”、“特殊问题特殊分析”在喀斯特地区显得尤其重要。

在未来，喀斯特生态水文研究应进一步结合收水文地质的相关方法，加强与遥感、生态学、植物学、地球化学等学科的交叉，同时提高对生态水文化学过程以及人类活动和气候变化的生态水文效应方面的关注，多尺度、多角度地研究喀斯特生态水文过程。