西南喀斯特地区地表水热过程研究进展与展望
[高江波1, 2 
, 吴绍洪1, 2 , 戴尔阜1, 2 , 侯文娟1, 2, 3 ]
, 吴绍洪引用本文
高江波, 吴绍洪, 戴尔阜, 侯文娟. 西南喀斯特地区地表水热过程研究进展与展望. 2015, 30(6): 647-653
Gao Jiangbo, Wu Shaohong, Dai Erfu, Hou Wenjuan. The Progresses and Prospects of Research on Water and Heat Balance at Land Surface in the Karst Region of Southwest China. Advances in Earth Science, 2015, 30(6): 647-653
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Gao Jiangbo, Wu Shaohong, Dai Erfu, Hou Wenjuan. The Progresses and Prospects of Research on Water and Heat Balance at Land Surface in the Karst Region of Southwest China. Advances in Earth Science, 2015, 30(6): 647-653
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西南喀斯特地区地表水热过程研究进展与展望
高江波（1984-）,男,山东临沂人,副研究员,主要从事喀斯特地区土地利用—地表过程—资源环境效应研究. E-mail: gaojiangbo@igsnrr.ac.cn
摘要
西南喀斯特地区水文二元结构以及生境条件的异质性导致地表水热过程异常复杂。水热过程机理研究薄弱,已经成为生态系统退化关键过程识别、生态恢复重建推进的关键限制因素。首先从野外科学实验、陆面过程参数化、遥感反演技术3个方面简要论述了地表水热过程的研究方法,指出在喀斯特地区,目前亟需开展的工作是在样地和坡面尺度上对地表水热过程进行系统的观测和实验,以深化水热过程机理研究,并发展适用于喀斯特地区的陆面过程模式和遥感反演模型。进而评述西南喀斯特地区地表水热过程已有研究进展与存在问题：水分循环研究的重视,但在特殊的地质背景与复杂的生境条件下,土壤水分时空异质性及降雨入渗产流和土壤侵蚀过程的机理仍不明晰,而且水热耦合研究非常缺失。最后从地表水热过程机理、水热过程变化影响机制、生态系统恢复重建水热调控等方面展望了其未来发展趋势。
关键词:
喀斯特地区; 地表水热过程; 观测与模拟; 土壤水分与水土流失; 石漠化与生态恢复
中图分类号:P942
文献标志码:A
文章编号:1001-08166(2015)06-0647-07
The Progresses and Prospects of Research on Water and Heat Balance at Land Surface in the Karst Region of Southwest China
Abstract
Due to the dual hydrological structure and the high heterogeneous habitat in the Karst region of southwest China, the water and heat processes at land surface are very complicated. The weakness of research on the mechanisms of water movement and heat transfer among soil, vegetation and atmosphere has become the key hindering factor for identifying the mechanism of ecosystem degradation and promoting ecosystem restoration and reconstruction. In this paper, we firstly summarized three methods for investigating water and heat processes in Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC): Field observation and experiments, parameterization of land surface processes and remote sensing technology. It was pointed out that with respect to this kind of study in the southwestern karst region, the systematic observation and experiments at the scales of sample plot and slope are necessary and urgent, which is helpful for deepening the mechanism research on water and heat processes in SPAC and further promoting the development of karst-region-suitable land surface and remote sensing model. And then, we discussed the progresses in the research of water and energy balance at land surface in the southwestern karst areas: emphasizing the study on water cycle, but neglecting the research on energy balance and water-heat coupling. Due to the special geological background and highly heterogeneous habitat, the mechanisms for spatial variability of soil moisture, slope rainfall infiltration and runoff generation were not fully understood. Finally, we explored the prospects of studies on water and energy balance in this region from three aspects: The mechanism of water and energy processes, the influencing mechanism for differences in water and energy processes between different stages of karst rocky desertification, and the regulation of ecological restoration and reconstruction based on the viewpoint of water and heat balance. This study could be helpful for developing studies on rocky desertification containment and ecosystem rehabilitation.
Keyword:
Karst region; Water and heat processes at land surface; Observation and simulation; Soil moisture and erosion; Rocky desertification and ecological rehabilitation.
石漠化是西南喀斯特地区面临的严重生态环境问题, 叠加在脆弱生态系统之上的土地资源粗放式开发是西南喀斯特石漠化产生的直接诱因[1, 2]。石漠化最明显的外在表现是植被与土壤形态和结构变化, 进而可影响地表水热过程, 如导致土壤水分降低、净辐射和植被蒸腾减少、感热通量增加[3]。地表水热过程的变化又与养分的固持与释放、微生物分解与合成、生态系统碳循环等相互作用, 导致喀斯特地区生态系统服务（如水源涵养、土壤保持、碳固定等）的衰退。因此, 在生态系统尺度上, 西南喀斯特石漠化是一种功能性的荒漠化, 即喀斯特生态系统服务的下降和丧失, 其中地表水热过程是生态系统服务形成的关键内在过程。
喀斯特石漠化地区迫切需要进行生态系统的恢复与重建, 而地表水热过程不仅是生态退化的主要表现因子, 更是生态恢复与重建的关键指标[4]。掌握水热状况对提高作物产量、提升生态系统服务、改善生态恢复与重建等具有重要意义。然而, 由于地质背景的特殊性、地形地貌的复杂性以及生境条件的异质性, 喀斯特山区水分运移及能量转换过程与其他区域显著不同, 即使在不同岩性的样区, 其水热循环特征也呈现出较大的差异[5]。因此, 一方面, 喀斯特石漠化地区水热过程研究及其对生态恢复重建的重要性已受到重视, 另一方面, 由于下垫面复杂、观测难度大、基础薄弱等的限制, 喀斯特地区地表水热耦合过程的系统和深入研究却较为欠缺。
基于此, 本文在归纳总结地表水热过程研究方法及其在西南喀斯特地区应用态势的基础上, 论述我国西南喀斯特地区地表水热过程的研究进展, 明晰其未来发展趋势, 对于推动喀斯特地区土地退化过程机理研究、推进退化生态系统恢复重建具有一定的指导意义。
1 地表水热传输过程研究方法
地气之间水热交换过程将地表植被、土壤和大气边界层有机关联成一个整体, 称作土壤— 植被— 大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum, SPAC）。SPAC系统水分和能量传输是陆地表层转化太阳能量及实现热量和水分循环的主要环节, 因而成为生态水文学、自然地理学、气象学等学科的研究热点和前沿[6~8]。SPAC系统水热过程研究手段基本可以归纳为野外观测和试验、遥感技术和陆面模式3种类型。野外科学实验是地表水热过程研究最为重要的手段[9~11], 从某种程度上说, 观测方法和资料质量的优劣代表了陆面过程研究水平; 陆面过程模式力求准确确定地表过程和参数化方法[12~14], 其应用有助于揭示复杂陆面过程的机理; 利用遥感信息估算大尺度地表水热过程的方法[15~17], 为非均匀下垫面上大尺度地表水热通量和过程的监测带来了新思路。从20世纪80年代开始, 在WCRP和IGBP的协调组织下, 世界各国开展了一系列大型陆面过程实验, 如早期的基于均一下垫面的HAPEX-MOBILHY, FIFE, HEIFE, EFEDA等计划, 20世纪90年代以后注重陆面过程与气候和环境关系的HAPEX-Sahel, BOREAS, GAME-Tibet, IMGRASS, AMAZON, NWC-ALIEX, NCAR-GEWEX, IGBP-BAHC计划等。在这些大型研究计划的推动下, SPAC系统水热过程在观测试验、遥感反演和陆面模式模拟等方面取得了显著发展。
西南喀斯特地区由于地形、植被、土壤等下垫面状况过于复杂, 再加上石漠化的演替又加剧了地面覆被状况的异质性[18, 19], SPAC系统水热过程野外观测和试验难度很大, 水热过程特征与作用机理尚不明晰, 亟需从样地、坡面、集水区尺度入手, 开展系统的野外观测和模拟试验, 以深化喀斯特地区地表水热过程机理研究, 并开发与发展适用于喀斯特地区下垫面状况的陆面过程模式[20]。随着近年来对全球变化、流域水资源管理等的日益关注, 需将斑块尺度陆面过程观测推广到更大的尺度水平上[11]。然而, 观测试验和数值模式在喀斯特地区的发展受到非均匀下垫面和复杂地形问题的限制, 对传统地面观测台站实测和样点尺度陆面过程参数化的尺度外推, 在方法论上仍具很大不确定性[21]。另外, 过程机理与尺度外推的不确定也阻碍了遥感技术的应用, 如遥感数据和监测模型的选择与适用性、地表参数反演的不确定性、复杂过程表达不够详尽、下垫面空间异质性的遥感估算、非遥感参数的估算精度等[15], 借助可见光和红外遥感等手段揭示喀斯特SPAC系统水热过程非均匀性特征及其尺度效应的遥感反演工作, 目前仍难以获得可信成果。
喀斯特地区地表水热过程研究方法的发展还需不同方法之间的进一步耦合, 以推动水热过程机理的深化、参数化方案的优化、模拟和反演精度的提高。比如将观测资料同化到陆面过程模式和遥感反演模型中, 融合陆面过程参数化方案与野外观测（获取众多地表过程参数）和模拟试验（增强对喀斯特地区热量传导和水分运移的动力学特征描述）等, 进而借助野外观测和数值模式的发展以推动区域尺度遥感反演技术的改进和应用。
2 西南喀斯特地区地表水热过程研究态势
喀斯特地区由地表与地下水系构成的二元结构往往导致雨水强烈渗漏, 土层浅薄且分布不连续、土壤总量少、储水能力低, 加上人类活动造成植被和土壤系统遭受破坏, 形成湿润气候条件下特殊的干旱现象— 岩溶干旱。同时, 土地覆被状况变化改变了地表能量转换与消耗过程以及微气象环境, 并直接影响光能利用率、植物光合作用和农业产量等。与干旱半干旱区在水热过程参数化、空间异质性与影响机理、水热调控机制等方面的研究进展相比, 喀斯特地区地表水热过程研究仍显薄弱, 主要是通过野外观测分析降雨入渗产流、土壤侵蚀以及土壤含水量时空异质性等水文和土壤流失过程。
2.1 西南喀斯特区地表水热过程研究现状分析
喀斯特地区地形起伏大, 而且雨热同季, 多暴雨, 再加上大规模的破坏性、掠夺性垦殖, 地表覆盖遭到严重破坏, 水土流失极为严重, 是石漠化形成的核心问题[22], 因此, 已对岩溶地区坡面径流及土壤侵蚀过程和机理开展多项研究。例如, 苏维词[23]分析了贵州喀斯特山区土壤侵蚀性退化及其防治; 张雅梅等[24]调查了花江喀斯特峡谷示范区的土壤侵蚀状况; 龙明忠等[25]进行了喀斯特峡谷不同等级石漠化土壤侵蚀的对比研究; 高华端和李锐[26]从地质尺度分析了喀斯特地区的水土流失空间特性; 熊康宁等[7]基于喀斯特生态治理区研究了水土流失机理; 张信宝等[28]对岩溶坡土壤蠕滑和地下漏失进行了深入分析。
另一方面, 由于有效调节土壤蓄持和传输水分的能力, 是石漠化地区生态恢复与重建的重要措施, 因而土壤水分时空异质性也成为诸多研究的重点。如已有研究揭示了石漠化程度、碎石量和土壤质地与结构等对土壤水分有效性、入渗规律以及水库容等土壤水分特征的作用机制[29~31]; 降水、太阳辐射、地面蒸散等气候因子和坡度、坡向等地形因子, 以及植被覆盖度、土壤厚度、植被类型等对土壤水分空间变异性的显著影响[32, 33]; 石漠化不同演替阶段土壤体积含水量和重量含水量的变化特征及其驱动因子[34~36]。
此外, 国际组织、国家和地方政府实施的若干有关西南喀斯特地区生态退化与恢复的计划和项目也都强调了坡面产流过程和土壤水分时空格局的重要性, 如国际地质对比计划（IGCP）设立的一系列喀斯特研究项目, 国家重点基础研究计划资源环境领域设立的“ 西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控” , 包括了“ 喀斯特地区水循环动力过程及其水文生态效应” 课题, 国家自然科学基金项目“ 喀斯特地区土壤退化过程中土壤水动力机制研究” 、“ 岩溶峰丛洼地地区的坡面流研究” 等。
2.2 西南喀斯特区地表水热过程研究进展与不足
上述科学计划、科研项目和研究论文大多表明：喀斯特坡地的土壤侵蚀存在地表降雨击溅、流水侵蚀、重力侵蚀、土下化学侵蚀、地下流失、蠕移搬运及人为加速侵蚀等方式叠加的混合侵蚀机制, 并受到基岩裸露率、土壤厚度及其空间分布、水文地质结构、植被类型等因素的影响, 进而喀斯特成土过程及土壤侵蚀速率对石牙出露— 石林发育乃至洼地发育具有控制作用。尽管如此, 由于岩溶山区水文二元结构及异质性生境, 目前尚未明晰不同尺度降雨入渗产流过程及其主导影响因素, 尤其是岩溶山区壤中流、渗透流、坡下流、竖井流、地下径流等仍缺乏深入研究; 而且, 由于占一定比例出露的石牙与其之间的喀斯特土壤相间交错混布, 土表侵蚀发生后, 地表径流穿行于石牙间隙间对土壤进行侵蚀, 侵蚀扩展途径与类型均较为特殊和复杂, 目前较少有工作借助水文学、喀斯特地形学、环境学、水土侵蚀理论与技术等进行坡地土壤侵蚀发生机制、石牙— 水土侵蚀作用机制等的研究。
岩溶山区土壤水分的时空变异特征与土壤性质、土层深度、表层岩溶带结构、裸岩率、降水、土地利用方式和植被类型等的密切关系也已为许多研究证明。然而, 喀斯特地区岩土层的交错镶嵌以及地表与地下空间的高度连通性, 形成复杂多变的土壤— 岩石环境和类型多样的小生境, 造成地表水分运移过程（如降雨入渗规律和蒸散状况）的显著差异, 进而导致土壤水分空间分布具有明显的复杂性和尺度效应。例如由于地表出露岩石的非均匀性与地下岩石裂隙结构的多样性, 即使在相同的岩石、土壤、植被条件下, 不同类型小生境水分状况也有很大差异, 导致水分具有明显的时空异质性; 与裸岩率较高地段相比, 土被连续分布区土壤水分空间连续性较好, 具有较小的方差和较大的变程。已有关于岩溶山区土壤水分时空异质性的研究, 对各种影响因素的综合考虑还不充分, 包括小尺度范围内生境的高度异质性以及不同生境降雨入渗产流规律和土壤水分状况的差异等的影响。
尽管现有研究已对喀斯特地区地表水文过程, 包括土壤水分空间变异特征和动态演化、地表径流（水土流失）等进行了深入探讨, 但对能量传导的研究仍很欠缺, 主要由袁淑杰等[37]、谷晓平等[38, 39]基于DEM数据, 借助分布式模型估算了贵州喀斯特高原复杂地形下的天文辐射、太阳总辐射和太阳散射辐射。仅关注水分传输而忽视热量传递过程及水热耦合过程是片面的, 水热因子系统研究的滞后已成为阻碍石漠化生态系统恢复重建的重要因素[5]。而且, 即使是水文循环, 也欠缺对地表蒸散发的研究; 生态水文、坡面产汇流等过程的研究成果仍存在明显的不确定性, 壤中流、地下径流、SPAC系统水热连续传输过程研究等方面仍未有实质性进展。
3 西南喀斯特地区地表水热过程研究趋势展望
当前, 喀斯特地区的地表水热过程研究仍以单一要素与过程的观测分析和特征描述为主, 综合考虑不同下垫面特征、集成多过程的机理实验、数理分析与数值模拟显得薄弱。今后应结合野外观测和试验以及数值模拟技术, 综合分析喀斯特地区SPAC系统水热循环特征及其内在机理, 辨识不同石漠化程度、不同生态恢复阶段植被和土壤属性变化对地表水热循环过程的影响机制（图1）。不仅通过野外观测试验增强数值模式和遥感反演模型在喀斯特复杂地形条件下的适用性, 以推动喀斯特地区地表水热过程机理研究, 而且研究成果有助于识别生态恢复和重建的关键环节, 为相关措施的制定提供科学依据。
喀斯特地区地表水热过程机理研究总体框架 General research framework for water and heat processes at land surface in the southwestern Karst areas
3.1 喀斯特植被、土壤与水热过程耦合作用机理
土壤— 岩石环境水分状况、表层岩溶带水文地质结构通过影响植物生理生态性状, 以及生态系统群落结构、物种多样性和稳定性, 进而对植被演替方向和速率产生重要影响。已有关于喀斯特地区水热过程的研究大多是基于野外观测和相关性分析, 综合野外观测、室内模拟试验和数值模式等进行过程机理的深入探讨尚付阙如, 也很难回答“ 喀斯特分布区水分、热量、土壤、植被等生态系统有机和无机成分的耦合作用规律与机理” 这一科学问题。一个重要的原因可能是, 对于具有独特的喀斯特地质环境和面临石漠化威胁的下垫面边界条件而言, 该区无论在水文地质条件（二元结构）、地表植被（覆盖度低）和岩土性状（土层薄、孔隙和裂隙发育）, 还是在地下漏失、地表流失、蒸散发和土壤水分等方面, 都在空间上有系统性不均匀分布, 进而导致了SPAC系统水热过程的复杂性, 给陆面过程研究带来挑战。但另一方面, 在小尺度上准确描述好水热传输过程, 将能为研究这种特殊水分、能量输送和生态系统水热生境条件, 发展陆面模式和推动生态恢复重建等提供重要的科学依据。
3.2 石漠化演替阶段地表水热过程变化机制
结构— 过程— 机理历来是地理学和生态学重要的研究思路[40]。喀斯特石漠化过程必然伴随着土壤理化性质（机械组成、有机质含量、孔隙度、导水率和热扩散率等）、植被生理和物理属性（如气孔导度、叶面积指数、覆盖度、粗糙度等）的变化, 并深刻影响SPAC系统水热过程（如地表蒸散发、坡面产流、辐射平衡和能量平衡）。今后应在揭示水热耦合过程的基础上, 根据下垫面属性的变化, 深入分析在不同石漠化程度下, 地表能量平衡各组分（净辐射、净短波辐射、净长波辐射、感热通量、潜热通量、土壤热通量等）和水分平衡各组分（植被蒸腾、土壤和冠层蒸发、土壤含水量、地表和地下径流等）的特征差异（包括数量、变率及耦合关系等）[3, 41]。进而, 通过敏感性实验、相关分析和回归模拟等方法, 诊断分析植被和土壤在这些组分变化中的贡献程度, 明确不同类型石漠化发展过程中, 植被和土壤条件的变化通过怎样的内在途径调整地表水热过程, 综合分析地表水热过程变化的链式成因关系机理。例如热扩散率通过改变土壤热容量进而影响土壤感热通量和土壤温度, 叶面积指数通过作用于气孔阻力而影响植被蒸腾, 孔隙率通过影响水分渗透性进而影响产流过程。
3.3 石漠化地区生态恢复重建的水热过程优化调控
中国政府和学术界高度重视西南喀斯特石漠化区的生态系统恢复重建, 而且也已将水土流失的治理状况视为生态重建与恢复的重要评判标准。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006— 2020年）》中, 位列“ 生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建” 重点领域及其优先主题首位的就是西南喀斯特地区; 国家重点基础研究发展计划（“ 973” 计划）、国家科技支撑计划和国家自然科学基金也设置了一系列涉及喀斯特退化土地生态重建的项目, 如“ 973” 计划项目“ 西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控” , “ 十一五” 支撑计划项目“ 典型脆弱生态系统重建技术及示范” , 国家自然科学基金重点项目 “ 多重胁迫下西南岩溶生态系统脆弱性和生态恢复能力研究” 等。目前, 水分亏缺仍是喀斯特石漠化地区生态恢复重建的重要限制因子[5], 而且随着西南喀斯特地区石漠化综合治理二期工程的全面开展, 迫切需求对不同时空尺度与生境条件下的水分循环过程研究。然而, 如何有效地实现水热条件的协调利用, 改善植被的恢复重建, 依然是该区石漠化综合治理的主要难题。
地表水热条件是喀斯特生态系统顺向发展与逆向退化的重要决定因素。退化生态系统的恢复过程就是系统中各物种逐步协调与多样化、系统以水热为标志的环境条件逐步改善, 最后过渡到顶级群落的过程。在这个过程中, 水热条件是一个至关重要的问题, 因为它本身就是系统状况的反映, 而且各个阶段都有相对优化的水热结构模式, 在这种模式下, 系统能快速朝着顺行演替方向发展[42]。近年来, 阻碍喀斯特石漠化地区生态重建模式推广的一个重要原因, 就是缺少作物生长过程中重要的水、气、热系统和深入研究。因而, 石漠化地区的生态恢复和重建亟需在全面掌握SPAC系统水分循环和热量传导两个独立而又紧密联系的过程的基础上, 明晰土地退化机理, 探寻最优水热结构模式, 评估恢复重建措施, 进而遏制石漠化进程, 并推进退化系统的恢复与重建。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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