中国岩溶生态地质研究.ppt

中国岩溶生态地质研究,郭纯青，王莉，王洪涛,目 录,引言 中国岩溶与发育特征 岩溶多重介质环境 岩溶生态地质研究的核心内容 岩溶生态地质研究方案 结语,引 言,“岩溶”或称“喀斯特（Karst）”，主要指水对可溶性岩石碳酸盐类（石灰岩、白云岩等）、硫酸岩（石膏等）和卤化物岩（岩盐等）的溶蚀作用，并伴有水流侵蚀、冲蚀和重力崩塌等次生作用，形成多种地表、地下奇异的景观与现象组合。因此，“岩溶”可概括为以岩石化学溶解作用为主的地质作用及其结果现象的总体。“喀斯特”一词起源于前南斯拉夫的伊斯特里亚（Istria）石灰岩高原的地理专名，至今“喀斯特”一词已成为世界通用的专门术语。1966年5月在中国第二次全国岩溶学术会议上将“喀斯特”以“岩溶”作为中国的通用术语。而在中国民间，明代徐霞客记中，就把湘、桂、黔、滇地区的地形和自然环境分为“石山”和“土山”两大类，“石山”主要是指中国西南部裸露地面的可溶岩（主要是碳酸盐岩）所分布的地区，可理解为各类岩溶地貌分布区，至今各地还习惯沿用。,“岩溶”是地学中的一个分支，其本质是“富钙岩石圈”（不连续，构成土壤的不可溶物质不超过10%）通过碳、水、钙的物质能量交换而形成“地表和地下多重复合结构”，以及“成土条件极差”两大特点，从而引发一系列特殊的岩溶环境地质问题，如水源漏失、旱涝交迭、土壤薄瘠、石漠化、地面塌陷、山体崩塌、滑坡、矿坑突水突泥、地裂等，构成类似于沙漠边缘一样的脆弱生态环境带（区）。因此，世界各国地质与环境科学家已把“岩溶”作为世界性难题给予极大的关注。,返回目录,1 中国岩溶与发育特征,全球岩溶地区面积2200万km2，居住着约10亿人口。中国境内碳酸盐岩类岩层纵深横广，岩溶现象普遍，类型繁杂，形式多样，发育强烈。中国岩溶地区若按含可溶岩的地层分布面积计，可达344.4万km2，已占国土面积的1/3；若按碳酸盐岩的出露面积计，则为90.7万km2，也接近国土面积的1/10；基本分布于天山阴山构造带以南，即大致在北纬4243以南，此线以北仅有小面积的碳酸盐岩零星分布。如以北纬34的秦岭为界，分为北方干旱、半干旱、温带与南方潮湿、亚热带两大岩溶区。中国南方岩溶区主要分布于滇、黔、桂、川、渝、鄂、湘、粤一带；中国北方岩溶区主要位于晋、鲁、豫、冀一带。,中国碳酸盐类岩层从太古代至近代都有沉积，晚古生代分布面积最大，早古生代次之。新生代海相沉积仅见于西藏及北回归线以南的海岸、陆棚和海洋之中。中国南方岩溶区从古生代至三叠纪有巨厚（3000m10000m）的碳酸盐类岩层分布。它包括扬子准地台和华南地槽褶皱系。第四纪以来，该岩溶区是上升区，碳酸盐岩出露面积广而大，且连成一片。目前，中国南方岩溶区处于热带亚热带、湿润气候条件下，年平均气温为1520，年降雨量800mm2000mm；干燥度小于1，溶蚀速度大于20mm/ka，岩溶作用以溶蚀和侵蚀为主。中国北方岩溶区主要分布于中朝准地台区。该岩溶区碳酸盐岩虽直接出露面积不是很广，但隐伏状态下则是大片相连。目前，中国北方岩溶区处于暖温带、半干旱亚湿润气候条件下，年平均气温614，降雨量200mm900mm；干燥度大于1，溶蚀速度一般小于20mm/ka（存在个别大于20mm/ka的地区），岩溶作用以侵蚀为主。,岩溶按其空间展布的位置可划分为三大类型，即裸露型、覆盖型和埋藏型。中国南方岩溶区岩溶以裸露型与覆盖型为主，且受气候和地质条件的影响，发育强烈；中国北方岩溶区岩溶以埋藏型和覆盖型为主，且受气候和地质条件的影响，发育远不及中国南方岩溶区（见表1）。因此，中国岩溶区岩溶生态地质研究的重点应放在中国南方岩溶区。,表1 中国南北方岩溶发育综合形态对比,返回目录,2 岩溶多重介质环境,2.1 岩溶多重介质环境的基本特点 2.2 岩溶多重介质环境主要资源优势与几个 症结问题,农业可持续发展问题是全球共同关注的焦点问题。岩溶地区农业可持续发展已是中国西部大开发过程中引人关注的热点问题之一。因自然地理条件特殊，中国南方岩溶区形成组构相对脆弱的岩溶多重介质环境。加上不适当的人为干扰，使岩溶多重介质环境遭受严重破坏，导致各类物种资源急剧减少或消失。尤其是水土流失问题日趋严峻，其面积已达该区国土面积的44.5%（初略估计）。部分岩溶山区石漠化问题更为突出，以水力侵蚀为主，伴随有大量的重力侵蚀，并有扩大趋势，而岩溶灾害亦时有发生。中国南方岩溶区主要是由于岩溶多重介质环境脆弱和承灾易损，致使当地农业与区域经济发展缓慢，人民生活水平相对较低。,2.1 岩溶多重介质环境的基本特点,岩溶多重介质环境是一个非常复杂的系统，系指岩溶地区的水体（大气水、地表水、地下水）、碳酸盐岩（岩溶化程度不同的地表和地下结构）、土体、生物及其它物质组成的复杂体系。岩溶多重介质环境富钙，在地壳运动和岩溶的双重作用下，使其内的岩体、水体、土体、生物群落具有层次结构，形成了特殊的岩溶水文地貌生态系统。,(1) 岩溶作用强烈，地表、地下岩溶形态多重组合与复合，构建了岩溶多重介质环境生态脆弱的基础。中国南方岩溶区地处亚热带，水热条件较好，水岩作用强烈，碳酸盐岩空隙空间发育强度大且复杂多变。 (2) 降水丰沛，降水历时长，强度大。因下垫面透水性强，加上岩溶多重介质环境内广泛发育岩溶地下河系，且岩溶地下河系多以地表江河为排泄基准，致使岩溶多重介质环境内岩溶水文过程分为地表与地下两大部分，通常地下岩溶水文过程占主导地位。,(3) 岩溶地貌景观奇特，多类峰体（塔状、锥状）、多级（高中低位）洼地、多层次化洞穴、谷地、平原等形态组合复杂，类型配置多样。 (4) 碳酸盐岩质地较纯，不溶成分少，成壤能力低，土层薄而贫瘠，且分布零星。因特殊的地质、水文和气候条件组合，使岩溶多重介质环境中“水土石”呈多元结构，大多互为分层，相互独立，造成石多土少，水源漏失，水分和土壤的可获性严重制约着植物的分布和覆盖度，使生态系统功能有限，生产力低下，承灾易损，且难恢复。,2.2 岩溶多重介质环境主要资源优势 与几个症结问题,岩溶地区是一种适于资源开发的区域，其环境资源优势明显表现在： （1） 有可持续开发的水力资源与岩溶地下水资源。据不完全统计，中国南方岩溶区内拥有岩溶地下河系3000多个，总长度近14000km，总流量达1500m3/s，其水资源潜力巨大。 （2） 旅游资源丰富，地表、地下均有可供开发的诱人的岩溶景观。 （3） 矿产资源多，且分布广。尤其非金属矿（碳酸盐岩）蕴藏量巨大，易于开采，用途极广。 （4） 气候温暖湿润，且具垂直分带性，特别是岩溶山区多呈“岛屿”小气候，生物多样性明显，具有发展农林牧副业的广阔空间，适宜培育和开发不同种属的植物群落及名特优经济作物。,困扰中国南方岩溶区农业持续发展的“瓶颈”主要是岩溶多重介质环境中的几项症结问题： （1） 森林覆盖率低，水利工程保水性差，水土流失严重，石漠化速度快。 （2） 通行不便，信息闭塞。 （3） 岩溶灾害（塌陷、滑坡、旱涝、浸没内涝等）频繁发生，酸雨危害面积较大。,返回目录,3 岩溶生态地质研究的核心内容,3.1 岩溶多重介质环境脆弱性研究 3.2 岩溶多重介质环境水资源合理开发利用研究 3.3 岩溶多重介质环境土壤质量研究 3.4 岩溶多重介质环境生态承载力研究 3.5 岩溶多重介质环境地球化学元素存留、富集、 迁移演变规律研究 3.6 人类参变作用的强度与方式,岩溶生态地质研究内容可分为六部分：一是研究构成岩溶多重介质环境的各种因子的性质、特征及其整体行为和功能，即其自身的脆弱性；二是研究构成岩溶多重介质环境主要组成部分之一的水体开发利用的选择、调蓄、配置和保护，以满足岩溶生态安全的需要，即其水资源合理开发利用研究；三是岩溶多重介质环境中土壤的形成与演化，即其土壤的质量；四是岩溶多重介质环境中岩溶植被生态特征与演替，即其生态承载力；五是岩溶多重介质环境中地球化学元素与生物的相关关系，即其内地球化学元素存留、富集与迁移规律；六是人类参变作用强度与方式。,3.1 岩溶多重介质环境脆弱性研究,岩溶多重介质环境的脆弱性是因岩溶与大气、水体联系甚密，又与生物、有机质关联过深，导致其环境容量低，自稳定能力小，自身的变化呈振荡性。岩溶多重介质环境脆弱性在时间尺度上，其变化表现为突变和渐变；在空间尺度上，其变化的范围和规模多是从点到线再到面，从部分到部分再到整体。在特定的规律制约下，其脆弱性的属性以岩溶灾害岩溶气象灾害、岩溶地质灾害和岩溶区人类地质作用综合集成的形式表现，其承灾易损性和难恢复性是其脆弱性的组成和内涵。,岩溶多重介质环境脆弱性的地学因素，主要是碳酸盐岩性质、构造活动、水岩作用、地形地貌、气候影响、岩溶化作用生成的地表地下多重复合结构（特别是负的地形和空隙空间体）高低位洼地和谷地、落水洞、脚洞、孔隙、裂隙、洞穴、裂缝和管道等。岩溶多重介质环境脆弱性通常以水流运动形式贯穿其中，在其内形成多个动态的、呈等级的、分层次的、可反馈的、相对独立的脆弱体（带）。,3.2 岩溶多重介质环境水资源合理 开发利用研究,岩溶多重介质环境的地表岩溶形态组合、地下岩溶空隙空间结构、地表地下岩溶水系发育、“三水”（大气降水、地表水、地下水）间的转化等均构成其水资源变化特殊规律（见表2）。 把握岩溶多重介质环境水资源形成演变规律，合理配置雨水集蓄工程、地表水拦蓄工程和地下水提蓄工程，是有效利用和合理保护岩溶水资源，保证岩溶区农业持续发展的基础。,表2 岩溶多重介质环境水资源的四大基本特性,3.3 岩溶多重介质环境土壤质量研究,在岩溶多重介质环境中，地表基质是由可溶性矿物和少量酸性不溶物组成的石灰岩、白云岩等碳酸盐岩类岩石。碳酸盐岩风化成土作用是中国南方岩溶区土壤资源的一种重要成土机制。因碳酸盐岩中可溶性矿物一般占90%以上，而酸性不溶物仅占不到10%，致使土壤的物质来源少，岩溶地区成土过程缓慢。又因碳酸盐岩成土主要为化学风化作用，土壤稳定性差，易成上、下两层，上层质地松软，孔隙度大；下层质地粘重，孔隙度小；加之碳酸盐岩母岩与土层间缺少过渡层，造成土岩间附着力弱，在雨季极易引发水土流失和滑坡等岩溶灾害。,受岩溶多重介质环境的综合影响，其内土壤一般呈弱碱性，类型复杂，富钙且土壤多属幼年期，相对缺乏有机质、全氮、全磷及钾等，土壤肥力低下。加之地形等因素控制，岩溶山地土层薄，岩溶谷地和平原区土层较厚。 岩溶多重介质环境土壤质量是岩溶地区农业持续发展和生态安全的基础保障。因此，研究岩溶多重介质环境土壤形成演变规律、质量变化趋势及人类地质作用等，是岩溶生态地质研究中的一个重要部分。,3.4 岩溶多重介质环境生态承载力研究,岩溶多重介质环境对其内生存的植物种类成分有强烈的选择性喜钙性、耐旱性、石生性及混杂性的植物种群，并存有常绿阔叶林、落叶阔叶林广泛分布（例如茂兰国家级保护区岩溶森林）。森林植被发育可提高其生产量，有益于动物种类发展，致使生物多样性得以长期保存。因岩溶多重介质环境脆弱性，加之人类地质作用强度加大，致使岩溶多重介质环境内森林植被减少，生物多样性降低，发生生态退化问题。,岩溶多重介质环境如同生命体一样，具有自维持和自调节功能。当岩溶多重介质环境处于稳定态时，其内生态系统保持平衡；当岩溶多重介质环境处于非稳定态时，其内生态系统就失去了平衡。为进一步更深刻了解岩溶多重介质环境这一复合系统间物能转换及其形成规律和维护其生态系统所必需的周期之间的联系，界定人类对岩溶多重介质环境干扰的临界点，避免导致生态退化和生态债务，必须查清岩溶多重介质环境生态承载力区域差异性、动态性与在特定时间内其量值的变化区间。因岩溶多重介质环境生态承载力“水土岩”（基础资源承载力部分）“气候岩溶地貌类型人类参变作用”（环境承载力部分）“特殊的岩溶地区植物群落”（生态弹性力部分），合理确定其资源承载力、环境承载力和生态弹性力，并将它们综合集成研究，是解决问题的关键。,3.5 岩溶多重介质环境地球化学元素存留、 富集、迁移演变规律研究,岩溶多重介质环境内的地质学、地球化学、环境科学和生命科学的相互作用和相互联系主要是通过元素在岩溶多重介质环境的地球化学行为和存留、富集、迁移来实现的，这是岩溶生态地质研究的重要内容之一。岩溶地区的生物与其赖以生存的岩溶多重介质环境密切相关，并以地球化学元素传输为主链，通过在岩溶多重介质环境中的“水土岩生物”系统中的存留、富集、迁移，最终对生物的生理生化作用产生影响。因此，将地质学和地球化学的一些理论和方法联合运用，并以地球系统科学为基础，因地因时选择合理的理论、技术和方法体系，将岩溶多重介质环境中岩石、水系沉积物和土壤中的元素地球化学异常，作为有机生物体系中某个（或几个）元素丰度的背景，用以研讨生物个体或群体（特别是农作物）对该元素的吸收和代谢功能，及其在食物链中的传输作用，以求岩溶多重介质环境农业与食品安全之目的。,组成生物体的化学物质与岩溶多重介质环境整体保持着动态平衡，并随之演变而发生变化。在岩溶多重介质环境中，各处地球化学元素的分布是非均匀的，致使不同地区的地球化学背景值存有差异，对生物生长发育的影响亦不尽相同。要研究岩溶多重介质环境中的化学元素，特别是与生物个体和群体生长发育相关的特殊元素，它们的种类、数量、形态与传输条件，以及元素间的协和或拮抗关系，影响生物体的机理等等。,3.6 人类参变作用的强度与方式,岩溶多重介质环境与岩溶地区特有的人文环境构成独特的人地复合系统，二者相互作用是引发岩溶多重介质环境退化与灾害的主要因素。中国南方岩溶区这一特有的人地复合系统的独特性主要表现在以下几个方面： （） 耕地少且质量差，粮食短缺，毁林扩垦坡耕地，致使水土流失加剧和生态破坏，并造成岩溶多重介质环境破坏，难修复。 （） 人口数量过多，农业人口比重大，农业科技与资金不足，在一定程度上制约“三农”经济发展 （） 资源缺乏合理充分利用，没能完全把资源优势转化为经济优势，并存在资源开发的环境问题。 中国南方岩溶地区人口资源环境的矛盾十分突出，使得研究人类参变作用已成为岩溶生态地质研究的一个必不可少的组成部分，确定人类参变作用最佳方式和岩溶区人口资源环境协调发展的科学对策，是当务之急的重要工作。,返回目录,4 岩溶生态地质研究方案,4.1 划分岩溶多重介质环境结构与功能区 4.2 岩溶生态地质研究的技术与方法,4.1 划分岩溶多重介质环境结构与功能区,岩溶多重介质环境结构与功能分区的目的是： （） 在系统研究中国南方岩溶区岩溶多重介质环境各环境介质的空间分异、演变规律和承载力，研究生态资产的空间分布，探讨不同元素地球化学行为和生态过程对人类活动胁迫反应的敏感性的基础上，建立中国南方岩溶区岩溶多重介质环境结构与功能综合区划的原则、方法和指标体系，对其进行结构与功能分区。 （） 以岩溶多重介质环境结构与功能区划为基础，揭示中国南方岩溶区岩溶多重介质环境问题的形成机制，提出综合整治对策，为区域资源开发、农业发展与环境保护提供决策依据，为中国岩溶区生态地质研究与环境整治服务。,岩溶生态地质研究的关键是更新观念，进行理论与技术方法体系创新。岩溶多重介质环境结构与功能区划的技术关键主要有： （1） 将岩溶多重介质环境结构区划（或特征区划）与功能区划有机结合，既要统一考虑地质、气象、水文、生态与人类活动诸多因素的特征，如水分、热量、土壤、元素地球化学、植被、地貌等特征和区划分异，又要兼顾生态系统的功能，如生态敏感性、生态胁迫过程和生态系统服务功能。 （2） 中国南方岩溶区碳酸盐岩赋予岩溶多重介质环境生态系统具富钙性和偏碱性，又受气候条件与人群数量、生活习性和素质的影响，自然环境特征与人类地质作用相结合，要将人类地质作用与人口分布作为区划的重要因素，并研究不同类型的岩溶生态系统与人类地质作用之间的因果关系。 （3） 中国南方岩溶区碳酸盐岩出露特点是以岩溶县区分布为主，已构成独特岩溶县区经济与社会发展模式，岩溶生态与岩溶县区经济相结合，根据各县区岩溶多重介质环境结构、经济结构及其功能的地域分异规律，进行地域划分，并将经济发展与生态保护、生态效益与经济效益综合集成，建立若干“生态和经济”指标，解决生态与经济的矛盾。,4.2 岩溶生态地质研究的技术与方法,从上世纪初以来，特别是近30年来国内外岩溶研究的情况分析，对岩溶多重介质环境时空演变规律和岩溶生态保护与资源开发利用的认识深化，需要岩溶生态系统形成条件与机理、实地保护与利用过程、后期管理等方面研究的有机结合，协同创新，并有赖于新的学术思想和现代地质学、生物学、环境学、数学、物理学、化学及计算机等方面的新理论、新技术、新方法的引入和工程技术手段的革新与推广，跨岩溶地区（省区）和全球岩溶对比，及长期定点、定时、定位观测来实现。,目前，中国岩溶生态地质研究与国际水平并无大差距，在某些方面处于国际领先水平，并具有原始性创新的基础。纵观国内外有关岩溶生态地质的研究，主要存在以下几方面的问题： （1） 岩溶生态地质缺乏研究与实地示范工程的连续性，理论研究大于工程实践。 （2） 中国南方岩溶区内多数省市县（区）在其社会与经济发展的科学规划与可行性研究中，大都未考虑岩溶生态地质特殊性与岩溶生态系统的安全性，隐患甚多。 （3） 在岩溶区水、土、岩、矿产资源开发利用过程中，对岩溶灾害防治认识不足，时常引发或诱导各种岩溶灾害群发或相继发生。 （4） 岩溶多重介质环境具很高的脆弱性，致使其破坏后，其内各环境介质均受影响，其整体结构与功能很难恢复。,针对上述问题，以岩溶多重介质环境安全为主题，论证岩溶生态系统时空变化的复杂性与多样性，基于地球系统科学、生命科学、环境科学和相关的现代技术与方法，建立岩溶生态地质研究系统理论框架和实用技术方法库，使岩溶生态地质研究走上科学、合理、安全、永续的轨道。 以中国南方岩溶区岩溶多重介质环境为主要依托背景，以其生态系统安全为纲，以地球系统科学和系统方法为经，以“岩溶生态经济社会”的复杂关系为纬，建立其研究方法体系。,（1） 将区域资料和信息收集、现场实地调查和室内分析及模拟试验等研究方法和技术手段集成，更深入的研究岩溶生态地质的形成演变规律。 （2） 重视岩溶多重介质环境内“水土岩生物”间的质能传输，对它们内部元素的组成及其运动规律的耦合作用，用地球系统科学的理论与方法，辅之生命科学、环境科学的原理与方法，从区域地质条件分析、地球化学勘查、水文地质和地貌调查与试验、水文气象观测与测量、工程勘探、生态调查与监测等项资料、数据样品和信息入手，分析和确定岩溶多重介质环境组构、其内物质流和能量流传输机制及其内各环境介质的“资源环境生态”承载力。,（3） 重视“3S（RS、GPS、GIS）”相结合的野外监测、调查与室内数据统计、分析、处理的新技术、新方法的引入、开发和应用。以岩溶生态系统安全利用为主，对类岩溶区水、土、岩、各类矿产及农业生产工程及多种岩溶区社会经济发展方式进行综合分析，以“元素链”在岩溶多重介质环境“水土岩生物”体系中的流通为基础准则，确定岩溶生态地质研究评价指标体系。 （4） 在上述基础上，综