2016年01月13日 星期三

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西南喀斯特再揭秘

岩溶动力学与全球变化研究透视

来源:中国国土资源报 作者:于德福 苏橹萱 发布时间:2018-04-26

桂林山水甲天下。而你可曾知道,在这美丽的山水背后,还有人类难以言表的痛。

最近,荣获广西壮族自治区自然科学奖一等奖的《岩溶动力学与全球变化研究》,就把这些常人忽略的东西系统成为了一门科学。依托他们的这一科研成果,人类在喀斯特地区就可以避害趋利、化害为利,在贫瘠的土地上唱出欢乐的歌。

站到世界最前沿

在桂林,沿江看到的是奇峰林立、云雾缭绕,石芽、石林、峰林、溶沟、漏斗、落水洞让你目不暇接;走进地下溶洞沿地下河顺流而下,多姿多彩的石笋、钟乳石和石柱在灯光的照耀下,让你仿佛进入到梦幻世界。

这里就是中国典型的喀斯特(岩溶)地形分布区。做为游客,你也许会不由地沉醉在如画的风景里。但做为当地居民,感受更多的则是这类地貌带来的诸多不便:“地无三尺平”不说,若远离江河,做饭洗衣的水都难以取得。

因为在喀斯特地区,表层多为破碎的坡积物,而其基底是碳酸钙,在千百年的雨水侵蚀下早就成了“筛子”,根本存不住水。而且,这种情况还在持续且逐年加剧。

在雨水的侵蚀下,喀斯特地区地表土地日渐贫瘠并加速了荒漠化趋势。对此,科学家称之为石漠化。

我国石漠化土地面积到底有多大?中国地质调查局岩溶地质研究所《岩溶动力学与全球变化研究》给出了具体数据:我国岩溶区面积约344万平方千米,占国土面积的1/3 强,约占全球岩溶面积的1/6,是世界上岩溶分布面积最大的国家。其中,我国南方岩溶峰林地貌是举世公认的热带岩溶地貌典型模式。

西南岩溶地区,还是世界上连片分布面积最大、岩溶发育最为强烈的典型生态脆弱区,也是我国贫困和环境退化问题最为严重的“老、少、边、山、穷”地区,石漠化、岩溶塌陷、干旱内涝、地下河污染等环境地质问题突出。

如何解决西南岩溶地区的这些问题?自1987起,岩溶地质研究所就开始了持续研究。在袁道先院士的带领下,研究团队以地球系统科学思想为指导,先后在国家科技支撑计划、国家自然科学基金、广西自然科学基金、国土资源部重点科技项目、中国地质调查局项目、联合国教科文组织国际地球科学计划等几十项国际、国家科技项目的支持下,到2014年形成了国际公认的岩溶动力学理论。

基于中国在岩溶地质研究领域的突出成果,2008年,联合国教科文组织国际岩溶研究中心在中国落户。

从此,在岩溶地质研究领域,中国站到了世界最前沿,为国际岩溶地学的进步贡献了中国智慧。

从此,在喀斯特地形分布区避害趋利、化害为利上,中国向世界提供了可复制的中国方案。

绘制四大圈层运行图

这一中国智慧的最大特点,就是改变了过去岩溶地质研究中单一以地质体为主要研究对象的思维方式,而是以地球系统科学思想为指导,将岩溶地区的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈作为一个完整的系统进行综合研究,总结出其内在运行规律,绘制出四大圈层运行图。

利用岩溶动力学理论,人类发现岩溶动力系统是控制岩溶形成演化,并常受制于已有岩溶形态的,在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上的,以碳、水、钙循环为主的物质和能量传输转换系统;建立了四大圈层间岩溶动力系统碳—水—钙循环概念模型和监测指标体系,研发了现场捕捉碳、水、钙行踪的现代监测和实验技术方法;揭示了岩溶动力系统的四大功能,即形成岩溶地貌、驱动元素迁移、调节大气温室气体浓度、高分辨率地记录全球气候变化;揭示了中国南方表层岩溶化过程与机制,以及对岩溶水资源的调蓄功能,并发现岩溶作用是短时间尺度的地质过程,且与地表生态过程关系密切。

温室气体排放导致全球变暖,利用地质体固定大气中的碳一时成为国际前沿学科。岩溶动力学研究成果表明,岩溶地区其实就是最好的固碳场地。这一研究,在揭示出岩溶动力系统碳循环机制的同时,还初步估算出全球岩溶碳汇量为6.1×108吨/年,约占“全球遗漏汇”的1/3;在石笋古环境重建研究中,获得了16.3万年以来高分辨率的古气候记录,揭示了末次间冰期亚洲季风的起始时间、持时、转换及其太阳辐射驱动机制;发现了石漠化治理、水生生物固碳等岩溶动力系统固碳增汇新途径,从而开拓了全球环境变化研究新领域。

而研究中的一系列思路创新和新发现,也为人类更深入地认识地球提供了全新的视角和启示。研究中,项目组创新性地提出了能够反映区域岩溶动力条件的“岩溶形态组合”方法,科学地划分全球岩溶动力系统及中国岩溶动力系统类型,进而成功地实施了全球岩溶地貌对比;发现内生成因CO2和水动力控制,并首次在野外观测到了水动力条件对钙华沉积速率的控制;率先开展了利用洞穴石笋开展古气候、古环境变化记录重建研究,使得当前石笋的时间分辨率达到了季,建立了新的时间标尺;发现了石漠化治理、水生生物固碳等岩溶动力系统固碳增汇新途径……

这些中国智慧,得到了国际地学界的广泛认可。早在1994年,IGCP执行局主席、英国皇家学会会员M.Brown教授就专门撰文指出:“岩溶动力学理论是国际岩溶研究的核心理论。”

2011年,国际著名《Science》期刊报道评价“桂林岩溶动力学研究团队是站在国际岩溶研究前沿的研究团队,其在岩溶作用与碳汇方面的研究对全球碳减排具有重要意义”。

世界共享中国方案

碳若排放到大气中,就会成为导致地球变暖的罪魁祸首,但若固定在大地和岩石中,就成了提升农作物品质的肥料。因为在这一转换中,无机碳变成了有机碳。

利用这一机理,项目组在西南岩溶地区开展了变害为利的石漠化综合治理示范,有效推动了西南岩溶地区生态文明建设和精准扶贫。

广西平果县果化镇就是其中一个点。果化示范区,面积1000公顷,2000年还是重度石漠化区,农民人均纯收入不足600元。2001年起,通过复合峰丛洼地立体生态农业模式以及一系列石漠化治理新技术的成功应用,该示范区目前植被覆盖率由不足10%提高到85%,农民人均纯收入增加到1万多元。

广西马山县弄拉屯在开发表层岩溶水资源的基础上,通过对裸露石山环境进展综合治理,形成了以休闲旅游观光附加绿色农产品的生态旅游产业链,100多村民人均年收入10万多元,还带动周边村民2000多人就业……

这些可被复制的治理模式,被新西兰、坦桑尼亚等6个国家引进并应用于本国的石漠化治理工作,让这些国家生活在石漠化地区的居民享受到中国方案带来的幸福。

而这,只是项目解决石漠化地区经济社会问题、助推经济社会发展的一个侧面。在研究中,项目组立足科研服务社会、造福社会的宗旨,形成阶段性成果后就通过多种渠道向政府汇报,通过示范开展应用转化,极大地提升了科研成果的社会生命力。

从宏观角度看,成果的应用转化还体现在以下几方面:

成果的应用转化已上升为国家行动。西南岩溶生态系统研究成果,为国家《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲(2006~2015)》提供了重要的科技支撑,有力支持了国家在“十一五”“十二五”期间实施的《岩溶区石漠化综合治理重大工程项目》。

以南方表层岩溶带及表层岩溶水资源分布规律为指导,建立的表层岩溶水开发示范工程,支撑了广西岩溶区地下水开发利用,并在西南岩溶区得到有效推广。自1995年以来,先后在广西马山、都安、环江等20多个县实施水利工程项目100多个,解决20万余人的饮水困难,改善灌溉面积2万多亩。

总结出中国南方岩溶形成发育的四大地域优势,使广西桂林、环江等七大南方喀斯特自然景观列入世界自然遗产名录,为岩溶地区贫困群众脱贫致富打造了金山银山。

在上世纪80~90 年代,国际著名岩溶学家M.M.Sweeting(英国)、D.C.Ford(加拿大)在考察和了解了中国岩溶发育特征后预言:国际岩溶学新理论的发展将会在中国得到启示。如今,岩溶动力学理论体系的创立与应用,使这一预言成为现实。岩溶动力学与全球变化研究成果,将开创我国石漠化地区在新时代更美丽的未来。