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探寻岩溶环境的时空演变

——记自然资源部西南岩溶环境野外科学观测研究站

来源: 中国地质调查局 发布时间:2021-08-21 浏览量: 字号:T|T

持续观测西南岩溶资源环境30余载

中国是世界上碳酸盐岩分布最为广泛的国家之一,碳酸盐岩出露面积达125万平方千米,约占国土总面积的13%。其中,以云南、贵州、广西、重庆、四川、湖南、湖北、广东等省(区、市)组成的西南岩溶区,是世界上最大的连片裸露碳酸盐岩分布区,总面积达50万平方千米。然而,岩溶地质体在赋予大自然独特秀美风光的同时,也带来了石漠化、干旱、岩溶塌陷、湿地退化、水污染,以及岩溶地貌、洞穴、水、土等资源的可持续利用与保护等资源和环境问题。

为破解岩溶区资源环境难题,1986年,在桂林市东部一片岩溶峰丛洼地中,地矿部中国地质科学院岩溶地质研究所(现为中国地质调查局岩溶地质研究所)选址建立了我国开展岩溶水文地质专项研究的第一个野外试验场——丫吉试验场,以中法科技合作为基础,借鉴国际先进经验,通过对典型岩溶泉流域的长期观测和建模,研究岩溶水运动规律。

从丫吉起步,经过30余年建设,岩溶所已逐步建立起由一个主站和5个分站组成的西南岩溶环境野外科学观测研究站,针对岩溶关键带石漠化时空演变的控制因素及其资源环境开展持续观测、试验、研究与示范,目前已形成覆盖广西、贵州、云南、重庆、广州等地典型岩溶环境,涵盖10类30多个观测指标的岩溶环境观测网络。2019年,该站纳入自然资源部野外科学观测研究站管理序列。

截至目前,该野外站建有3000多平方米的多功能综合科研实验用房、600多亩试验用地、23个专题试验场、208个表层岩溶泉等观测站点,配备了野外观测和室内分析试验仪器设备200多台(套),取得了一批基础观测数据。

如今,西南岩溶环境野外科学观测研究站不仅是解决我国西南岩溶区重大资源环境问题的长期观测、试验研究与科技示范的基础平台,开展全球现代岩溶学研究、岩溶关键带监测试验的重要基地,而且还是联合国教科文组织国际岩溶研究中心、国际标准化组织岩溶技术委员会、岩溶动力系统与全球变化国家级国际联合研究中心开展国际对比研究、学术交流与培训的重要野外台站,为推动国际岩溶地质研究及岩溶学科创新发展提供了重要支撑。

建成覆盖典型地貌区的岩溶关键带观测网络

为探索解决岩溶地区重大资源环境问题的技术方法,岩溶所从地球关键带的视野出发,通过西南岩溶环境野外科学观测研究站建设,建成了覆盖典型岩溶地貌区的系统性岩溶关键带观测网络,对热带岩溶峰丛洼地、岩溶峰林平原、岩溶平原、岩溶槽谷、岩溶断陷盆地、亚热带岩溶峰丛洼地等岩溶关键带进行野外科学观测和研究。

其中,广西平果热带岩溶峰丛洼地关键带野外观测研究站,主要开展岩溶关键带地质与生态过程、生态系统修复与保护、石漠化形成演化与综合治理等示范与监测研究工作,为实现我国西南岩溶地区石漠化综合治理的国家目标提供技术支撑和科技示范。

广西桂林岩溶峰林平原关键带野外观测研究站建立在会仙湿地、寨底地下河、毛村地下河以及丫吉试验场S31岩溶泉上,以溶洞湿地生态系统内部的能量转换和物质运移(循环)为研究对象,通过开展地下水与地表水相互作用观测,进行典型溶洞湿地、岩溶石山景观脆弱生态系统的修复试验,揭示溶洞湿地生态系统的结构、功能和运行规律。

重庆武隆岩溶槽谷关键带野外观测研究站,建有土壤水分运移试验场、岩溶碳循环试验场、石灰岩埋片溶蚀试验场以及径流试验场等综合性岩溶生态科技示范区,并设立了洞穴环境自动监测系统,对洞穴内主要环境要素进行长期、自动观测,以获取现代洞穴环境特征以及旅游活动对洞穴环境、景观的影响。

云南蒙自岩溶断陷盆地关键带野外观测研究站点,选择岩溶断陷盆地的超大型地下河流域,开展水文、地质、气候、生态等一系列观测,研究岩溶断陷盆地岩溶动力系统的循环及其驱动机制,开展石漠化演变机理科学研究及其治理技术研发,以解决岩溶断陷盆地区重大资源环境问题和重大地球系统科学问题。

贵州荔波亚热带岩溶峰丛洼地关键带野外观测研究站点,主要开展岩溶地下河流域水均衡和碳通量观测,通过水流与碳通量观测,认识森林生态系统调节水文的过程和增加碳汇的机制,并于1997年执行了国际地球科学计划“岩溶作用与碳循环”项目(IGCP379项目)。

广州岩溶平原关键带野外观测研究站,从岩溶塌陷形成机理入手,围绕诱发(触发)岩溶塌陷的岩溶管道裂隙系统的水(气)压力突变过程的捕捉、地下岩土体变形监测和隐伏土洞形成演化过程的监测定位等关键科学问题,通过集成研发岩溶塌陷动力监测系统、岩溶土洞光电传感监测技术和地质雷达探测识别技术,有效破解岩溶塌陷地质灾害的监测难题。

为岩溶区资源环境开发利用提供示范

在对岩溶环境进行观测、研究的同时,西南岩溶环境野外科学观测研究站还开展了大量的探索与实践,推动开展岩溶资源环境开发利用示范。

广西平果市果化镇龙何屯及周边山地,曾是桂西南石漠化程度最严重的区域之一,石漠化面积占土地面积的70%,植被覆盖率不足10%,森林覆盖率不足1%,生态环境脆弱,旱涝灾害频繁。石漠化已经严重威胁当地居民的生存和珠江流域的生态安全。

平果站在此建立示范基地,持续20年对石漠化与水土流失等生态环境问题进行了系统性、创新性研究,探索形成的“果化模式”实现了生态、经济、社会效益三丰收:植被覆盖率增加60%,土壤侵蚀模数下降80%,水资源利用率增长5倍,土地利用率提高60%;形成了以火龙果种植为主的特色生态产业,并建立了以表层岩溶水开发为龙头的立体生态农业模式。“果化模式”及相关技术在西南八省300多个县40万平方千米岩溶区辐射推广,带动了西南岩溶区治理石漠化2万平方千米,指导30多个县实施土地整治500万亩;推动平果市开发生态产业,带动近20万人脱贫致富;推动百色市推广生态产业,辐射带动1000多万人脱贫致富。

南方岩溶地区地表水系不发育,但地下却分布着3000多条地下河,开发利用率只有10%。桂林站通过开展水文地质自动化监测,在地下水循环机理、地下河系统结构特征、地下水流动规律与水循环转化机理等研究的基础上,实施岩溶水资源开发利用示范工程200多处,指导了100多个岩溶大泉、40多条地下河的水资源开发利用,使水资源利用率提高30%,并带动地方开发1300多条地下河,直接解决了岩溶石山严重缺水地区和贫困地区600万人饮用水困难,为2000多万人提供了饮用水源保障。

被称为“桂林之肾”的会仙湿地,具有涵养水源、净化水质、调蓄洪水、维持碳循环的功能,是岩溶区特殊的、价值最高的生态系统。桂林站围绕岩溶湿地退化机制及湿地生态保护与修复问题,开展了岩溶水文过程、岩溶水化学、岩溶生物地球化学作用等研究,首次给出了岩溶湿地的科学概念,初步建立了岩溶湿地的分类体系和典型湿地生态模型,揭示岩溶湿地特殊的水—土—生物地球化学循环是生态功能的主要驱动机制。

荔波站所处的茂兰国家级自然保护区是中国亚热带地区岩溶原始森林保护区,其生物多样性与同纬度其他类型原始森林有很大差异。保护区内超高的森林覆盖率和丰富的生物多样性不仅为西南岩溶地区生态环境恢复树立了标杆,也为石漠化治理提供了生物资源宝库。由于土壤缺失,这里的森林被称为“石头上的森林”,因此森林调蓄径流和促进碳转化的机理会有所不同。而这正是荔波站要解决的关键科学问题。该站开展的流域水均衡和碳通量研究,与保护区进行的人与生物圈和谐统一、林业资源调查、生物多样性保护、保护区管理等工作相互配合,对原始森林参与岩溶流域水循环和碳循环的机理进行研究。

这些成功的案例,不仅为中国破解岩溶区资源环境难题提供了解决方案,而且还伴随着一批批到中国学习考察的国际岩溶学者的脚步走向了世界。其中,石漠化治理的“果化模式”,让新西兰、坦桑尼亚等6个国家生活在石漠化地区的群众,享受到了中国智慧带来的幸福。

立足岩溶,走向世界。今后,西南岩溶环境野外科学观测研究站将进一步规范完善一站多点式岩溶关键带站网监测体系,推动不同岩溶关键带和资源环境治理模式与技术试验示范研究,构建全球岩溶关键带监测网络及信息共享平台、石漠化区生态修复与保护效果监测与信息共享平台,建成岩溶关键带资源环境可持续利用技术试验示范区、多类型石漠化生态修复示范区以及岩溶流域资源环境综合调控大型试验场,力争为破解全球岩溶地区重大资源环境难题作出更大的贡献。