喀斯特石漠化综合治理植被恢复技术研究进展

张紧紧， 熊康宁， 李 瑞

（贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001）

喀斯特地区空间异质性强、抗干扰能力差、生态系统功能低下，环境十分脆弱，加之受到生产力落后及人类不合理活动的影响，植被逐步退化，植被覆盖度降低，土壤保水固土能力下降，制约了植物的生长，使得水土流失呈现恶性循环，减缓了喀斯特地区生态文明建设进程，不利于发展区域经济和改善人民生活质量（姚小华等，2013；熊康宁等，2010、2002；）。在国家大力推进乡村振兴和生态文明建设大背景下，恢复和保护喀斯特石漠化区的生态环境，促进该区域经济发展，使人民脱离贫困是当前亟需解决的问题（熊康宁等，2016）。

石漠化治理的关键在于修复环境，发展生态产业，而生态退化的根源在于贫困落后思想观念下造成的过度开发利用资源（刘拓等，2012）。从根本上治理石漠化，改善生态环境必须有机结合生态修复与经济发展，进行林灌草优化配置与特色林产品开发。与国外喀斯特区人口稀少、环境优美、多为国家自然保护区不同，我国喀斯特地区人口集中，大面积的土地被开垦为耕地，受到传统耕作方式弊端的影响，水土流失更为严重、岩石裸露率增加、生态系统进一步退化、石漠化灾害严重、人民生活质量低，出现了“生态环境脆弱-人民生活贫困-过度开垦土地-生态系统退化-石漠化加剧”的恶性循环，因此应根据植物生态学、土壤学、经济学等多学科的理论方法，兼顾植被恢复与经济发展，依据喀斯特地区的地质、微地貌、气候等立地条件，合理配置林灌草植被，设计针对不同石漠化等级与自然条件的林灌草修复技术与生态型林果产业链，促进石漠化的治理，实现本地资源优势向经济优势的转变。本文通过分析国内外喀斯特地区植被恢复的机理与技术研究现状，提出植被恢复的关键科学问题，解决喀斯特地区植被恢复与配置中存在的问题及对未来的植被修复研究方向进行展望。

1 植被恢复机理

1.1 植被群落的演替机制 植被恢复是生态重建的关键，而植物多样性的恢复是植被恢复的重要内容，应遵循植被地带性与演替规律，选择优良乡土经济型树种，优化配置林灌草的空间配置。早期研究表明，植被群落物种多样性会随着环境状况的改善与演替阶段的发展逐渐增高，群落结构性也越来越好（喻理飞等，2002）。现有研究表明，喀斯特地区植被的时空演替特征为：随着植被群落由草丛向顶级群落的正向演替，草本层的物种丰富度、均匀度与多样性指数逐渐降低；灌木层和乔木层的各测度指数均先增加后降低，均在次生乔林阶段达到最大，随后降低（司彬等，2008）。在植被恢复过程中，人为干扰区的植物多样性约为自然保护区的1/4，群落高度上升密度下降，植被盖度与生态优势度呈现出先降低后升高的趋势，群落生物量不断增大（宋同清等，2008）。西南喀斯特地区由北至南年均气温与年降水量逐渐增加，植被群落的高度、盖度增加但物种数量与多样性却呈下降趋势。灌木层与乔木层的丰富度自北向南逐渐增加，草本层则相反，草本层、灌木层、乔木层的多样性指数均为北热带与北亚热带高于中亚热带和南亚热带（文丽等，2015）。

1.2 植物的光合特性 光合作用是绿色植物对内外因子最敏感的生理过程之一，植物的生存竞争能力很大程度上体现在该植物光和生理对不同环境的适应程度。随着科技的发展，光合生理研究从过去的常见种与农作物为主逐渐向以生物多样性和区域关键种为主（蒋高明，2004），越来越被广泛地应用于植物适应性评价、适生种筛选及种苗培育方面。不同的植物光合作用存在着明显的差异，在相同的环境条件下，光能利用效率高且能与当地水热条件相适应的植物通常其生态适应性更强（Monteit，1972）。光合色素捕捉的光能是植物进行光合作用的主要能量来源，在光合色素中叶绿素起主要作用，而光合酶活性会影响叶绿素的合成（徐兴利等，2012；Masuda 等，1996）。 因受太阳辐射及温湿度等环境条件的影响，植物光合作用和蒸腾作用具有明显的季变化和日变化，通常光合速率日变化为一条单峰曲线，而在高温、低湿的夏季晴朗日，许多植物的光合作用日变化为一条双峰曲线，主要是由于植物在高温、强日照的条件下会抑制光合作用的发生，减轻光对植物的破坏程度，在一定程度上可以反映出局部生境的小气候状况（彭晚霞等，2008；许大全，1990）。此外水分和养分条件是影响光合作用的重要因素之一，水分和养分条件的变化会影响光合产物在植物体各个组分间的分配，当植物受到干旱及养分亏缺胁迫时，光合作用产物会更多地分配到植物根系，提升植物的根系吸水能力（平晓燕等，2010；贺海波等，2008）。

1.3 物种的抗旱性 喀斯特石漠化区降雨虽然丰富，但由于植被覆盖率低、土壤保水固土能力差，加之特殊的地上-地下二元结构地貌特性，该区域缺水严重，临时性干旱频发，因此选取耐旱性强的物种对该区的植被恢复和生态环境的保护十分重要。种子的萌芽情况对植被恢复具有显著影响，土壤水分是种子萌芽最大的限制因素，一般情况下，种子的发芽率随着水势的下降呈下降趋势，且因物种不同有较大的差异（彭素琴等，2006），不同种子发芽时的临界含水量也不同，临界含水量越低的物种种子抗旱性能越强，越适合生长于缺水的石漠化地区。植物的水分利用效率是植物抗旱性能的重要指标，其可反映植物生长过程中叶片代谢与水分利用之间的关系，在一定的干旱胁迫下，叶片光合作用会减弱，蒸腾速率下降，水分利用效率会有所提高，但干旱胁迫对水分利用效率的提高存在一个阈值，达到阈值以后，水分利用效率会随干旱胁迫的加剧而下降 （王庆伟等，2010）。植物的生理生态特性与抗旱性能具有直接关系，其中叶寿命、栅栏组织及叶片结构组织紧密度与抗旱性呈正相关，单叶面积、比叶面积与抗旱性呈负相关，此外抗旱植物可以通过闭合叶表面的气孔来适应干旱环境 （牟凤娟等，2016）。因此，加强研究喀斯特区适应力强分布广泛物种的生理生态特性，对提高物种的抗旱性、增加种子的萌发率、提高水分利用效率及提升植被恢复效益具有现实意义。

1.4 植被与土壤的耦合机制 植被与土壤的关系是生态学的重要研究内容，在目前世界上大规模开展植被恢复与生态重建的背景下，植被与土壤的耦合机制研究是进行植被恢复与生态保护的理论基础。众多学者对不同类型土壤的理化性质、土壤微生物及土壤酶活性等与植被的相互作用规律展开了研究。土壤是植物生存的物质基础，土壤质量的变化直接影响着植物的生理特性，进而影响植物多样性与植物丰富度，从而改变植物的群落结构与功能特性 （张俞等，2018；Frelich等，2003；Austrheim 等 ，1999；Atchley 等 ，1999）。 同时，植被的生长恢复也影响着土壤质量，地上植被生物量的累积可以保水固土，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，植被恢复过程对土壤的物理性质具有重要影响，可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度、改善土壤结构（张晓霞等，2016；潘佑静等，2016），还可以增加土壤养分、提高土壤酶活性、增加微生物含量（王来等，2017）。植被与土壤养分、土壤微生物、土壤结构均表现出良好的耦合关系，因此植被与土壤之间属于良性的物质循环关系 （黄文娟等，2006）。

2 植被恢复技术

喀斯特地区早期的植被恢复技术主要包括：按小生境类型配置树种的小生境技术；见缝插针，局部整地的造林技术；生境改造与利用技术；切根苗造林，容苗器补植技术；栽针留灌抚阔技术等（朱守谦等，2000）。但这些植被恢复技术主要针对乔木树种的恢复，并未提及林灌草的合理修复与优化配置技术，自2005年后，新型的林草、林灌草修复与空间优化配置技术开始逐渐增多。有学者认为，在中亚热带湿润气候下，常绿落叶阔叶混交林是喀斯特森林自然条件下的演替顶级，与作为常规气候顶级的常绿阔叶林不同，其属于一种土壤和地形顶级。因此石漠化植被恢复措施不是简单的人工造林种草，而是要具有较高的技术含量，根据当地的气候、海拔、土壤等自然因子，按照植被的自然演替规律，建立生态功能较为完善的喀斯特森林生态系统，而且要根据因地制宜和适地、适树、适量原则培育经济林，提升经济效益（李秉略，2013；周政贤等，2002）。喀斯特石漠化地区主要地表类型及植被恢复措施见表1。

表1 喀斯特石漠化地区主要地表类型及植被恢复措施

也有学者根据石漠化类型、治理措施类型提出了其他植被恢复技术。周玮等（2013）将石漠化治理的植被恢复技术分为封山育林和生态重建两种大类。封山育林育草在喀斯特石漠化区所有植被恢复技术中最经济可行。而林草植被自然恢复过程艰难漫长，人工造林等措施可加快植被恢复速率，是实施石漠化治理工程的重要手段。杨先义等（2015）针对贵州省毕节市黔西县素朴镇3个村的石漠化等级及其实际情况，采取了不同的植被恢复技术，对喀斯特区植被恢复具有借鉴作用（表2）。

结合以上分析并根据相关文献研究，石漠化地区林草植被恢复措施主要又可分为以下三种类型。

2.1 植被筛选与配置技术 喀斯特石漠化地区土壤瘠薄、矿质养分不足、保水能力差、土壤抗侵蚀能力差。因此在物种配置筛选上：（1）树种应选择凋落物较少且降解速率快的乡土树种，并尽量具有经济价值。（2）草种应选择根系发达，水分利用效率高且具有经济价值的多年生牧草。（3）在陡坡裸岩及溶沟、溶槽部位采用填充客土的办法种植匍匐藤本及常绿灌木植物。（4）林灌草恢复时应注重区分阳坡与阴坡，阳坡配置阳性物种，阴坡配置喜阴物种。（5）在土层较薄地区可采用营养钵育苗后植入土壤，提高种苗的成活率。（6）深根系与浅根系植物进行配置，使植物能够充分利用土壤各层水分，增加水分利用层次度，减轻同层水分竞争压力。（7）最重要的是在植被修复配置时应兼顾农民的经济利益，采取农民易接受和易推广的技术，从而保证后期管护工作的有效开展 （郭红艳等，2016）。

表2 不同等级石漠化土地的植被恢复技术

2.2 峰丛洼地水土保持与生态经济林技术体系依据峰丛洼地特殊的水土流失过程和小微地貌条件，将石漠化生态治理与经济治理相结合，以充分利用土地资源和防止水土流失为原则，以广西果化示范区为例，采用辟荔植物篱技术、隔坡式植物篱技术、裸露石芽植物篱技术、砌墙保土地埂植物篱技术等植物篱保土技术措施与牧草-金银花梯化种植技术、牧草-火龙果梯化种植技术及牧草-火龙果-蔬菜等坡面梯化种植技术，将火龙果、金银花、牧草、蔬菜等经济物种有机结合，为峰丛洼地石漠化治理与经济发展提供了新思路（罗为群等，2013）。

2.3 山地混农林业、生态产业集约-循环经营技术体系 根据石漠化地区水土流失严重，经济水平低下等问题，以林-农-草复合经营及庭院经济为思路，发展特色经果林和草地畜牧业为手段，开展农田水利建设，进行品种改良及经果林、林粮、林草规范化种植，搭配坡改梯、植物篱护坡工程，引导当地农民进行参与式种养，将农业生产与林草、畜牧相结合，以毕节石桥、贞丰花江、清镇王家寨小流域为例，提出了混农林业技术体系、生态产业集约经营技术体系、生态建设循环经营技术体系（刘拓等，2012）。

3 石漠化地区植被恢复技术研究存在的问题

国外因喀斯特区人口稀少，喀斯特环境问题影响较小，对喀斯特地区的植被恢复研究相对较少，国内对于黄土高原区的植被恢复理论技术较为成熟。由于独特的地质环境条件，喀斯特地区的林灌草植被修复与特色林产业发展研究仍存在很多问题。

3.1 石漠化地区适生植物优势品种的筛选问题虽然对于喀斯特地区的林草植被已进行了大量的适生物种筛选工作，但喀斯特区拥有丰富的植被物种资源，有很多优势物种尚未用于播种与造林试验，这其中不乏具有较高生态功能与经济价值的适生物种。因此，喀斯特石漠化地区仍应继续开展其余优势物种的适应性及生态、经济价值研究，筛选更加优质的林灌草品种。

3.2 植被配置的物种多样性提升问题 针对目前经济林配置物种较为单一，生物多样性指数低长期施肥导致土壤板结及地力下降的问题，通过对植物适应机制、养分吸收转化效率及养分归还特征研究，根据植物养分利用区间的差异及养分返还速率，开展石漠化地区生态-经济复合型林草空间优化配置，配置适应环境能力强的树种，并配以适宜的水、肥管控措施，集成结构丰富、高效增值的林分结构配置模式，提升林草配置的植物多样性，形成良性的植被土壤生态系统 （杨苏茂等，2017）。

3.3 无石漠化与潜在石漠化地区的植被配置问题 目前的林草植被修复技术多针对已石漠化的土地，对无石漠化与潜在石漠化地区的林草优化配置研究较少。但由于无石漠化与潜在石漠化多为耕地，粮食作物根系不发达，保水固土能力弱，加之农用地季节性翻耕，使得其水土流失较为严重，土壤肥力不断下降，应针对其开展林粮、粮草的复合经营，优化农业结构模式，在防止土壤流失的同时提升经济效益。

3.4 地下水土漏失防治的植被恢复关键技术问题 喀斯特地区特殊的二元三维空间地质结构致使水土地下漏失（蒋忠诚等，2014），目前植被恢复措施在保水固土、保护自然环境、提升生态安全等方面作出了重要贡献，但大多是在裂隙、漏斗等地表周围建设植物篱和植被防护带，还无法从根本上解决该区的水土地下漏失问题。因此应加强植被恢复对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关键技术降低地下水土漏失量。

4 结语

因水文、气候等自然环境条件的差异性，喀斯特不同区域石漠化等级不同。因此，在进行植被恢复时，应充分结合当地自然条件，因地制宜，适地适树，选用适生力强的乡土树种，是植被恢复能否成功的关键。此外，应选择针阔混交林种，使森林生态环境林分多样化。在石漠化生态治理的基础上，还要兼顾区域经济发展的要求，解决人地矛盾，进而达到综合治理石漠化目的。学者们对喀斯特石漠化区造林配置模式和造林技术的研究较多，大都采用封山育林、人工造林种草等地表生物工程手段，但立地条件与植物的适宜性关系还不够紧密，导致造林成活率不高，事倍功半，而且存在人工造林树种较单一、生物多样性低、封育几十年仍无法形成森林的问题。在今后的研究中，需要加强石漠化地区适生林草优势品种的筛选、植被配置的物种多样性提升、无石漠化与潜在石漠化地区的植被配置及地下水土漏失防治的植被修复技术等研究。