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    随着经济社会的发展,以气候变化为核心的全球环境变化,正在广泛而深刻地影响着人类社会的方方面面。气候变化所导致的气温增高、海平面上升、极端天气与气候频发等,对自然生态系统和人来生存环境产生了严重影响。增加能源供应和来源途径、改善能源结构,是减少温室气体排放量、解决全球气候变化问题的根本途径。而作为新型能源的地热资源越来越受到人们关注,它具有低成本、可持续利用和环保等其它能源所不可比拟的独特优点。可以说,大力推进地热资源开发利用,改善能源结构,对于解决日趋严重的全球环境问题具有重要的意义。

    ● 什么是地热资源?

    地热资源是指能够经济的被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分。我国地热资源可分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源三种类型。目前可利用的地热资源主要包括:通过热泵技术开采利用的浅层地热能、天然出露的温泉、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源。我国地热资源种类繁多,考虑地质构造特征、热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素。

    ● 地热是如何形成的?

    关于地热的来源,有多种假说。一般认为,地热主要来源于地球外部热源和内部热源。外部热源包括太阳辐射等,内部热源包括放射性元素生热、地核热量等。根据测算,地核的温度达6000°C左右,地壳底层的温度达900~1000°C,地球表面恒温层(距地面约15米)以下约15千米范围内,地温随深度增加而增高,平均增温率约为3°C/100米。不同地区地热增温率有差异,接近平均增温率的称正常地温区,高于平均增温率的地区称地热异常区。地热异常区是研究、开发地热资源的主要对象。地壳板块边沿,深大断裂及火山分布带等,是明显的地热异常区。

    勘查地热资源,一般采用地热地质调查、钻探和各种物化探方法。

    ● 地热资源有哪些用途?

    据史料记载,我国开发利用地热与温泉已有5000多年的悠久历史,是世界上利用地热资源较早的国家之一。新中国成立后,国家重视人民的医疗保健事业,从20世纪50年代起,先后建立温泉疗养院160多家,20世纪70年代后,地热资源的开发利用进入快速发展阶段,尤其是20世纪90年代以来,在市场推动下,地热资源的开发利用得到更加蓬勃的发展。

    地热开发利用方式

    地热资源主要用途包括发电、建筑物供暖、洗浴疗养、种植养殖、烘焙等。其中150℃以上的高温地热主要用于发电,发电后排出的热水可进行梯级利用;90~150℃的中温和25~90℃的低温地热以直接利用为主,多用于工业、种植、养殖、供暖制冷、旅游疗养等方面;25℃以下的浅层地温,可利用地源和水源热泵供暖、制冷。目前全国地热资源开发利用的基本格局是:西南、华南发电;华北、东北供暖与养殖,华东、华中、西北地区洗浴与疗养。

    截至2015年,我国地热资源每年利用量折合标准煤0.21亿吨,其中水热型地热资源利用量折合标准煤415万吨,开采率为0.2%,浅层地热能利用量折合标准煤1600万吨,开采率为2.3%,地热资源开发利用潜力巨大。水热型地热资源利用方式中,地热发电占0.5%,供热采暖占32.70%,医疗洗浴与娱乐健身占32.32%,养殖占2.55%,种植占17.93%,工业利用占0.44%,其他占13.56%。浅层地热能资源开发利用方式主要为供暖制冷。

    ● 地热资源有哪些种类?

    1.水热型地热资源

    我国水热型地热资源非常丰富,出露温泉2334处,地热开采井5818眼。水热型地热资源量折合标准煤12500亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤18.65亿吨,有高温地热资源(≥150℃),但以中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃)为主。其中,水热型中低温地热资源量折合标准煤12300亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤18.5亿吨,发电潜力150万千瓦;水热型高温地热资源量折合标准煤141亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤0.18亿吨,发电潜力为846万千瓦。

    水热型中低温地热资源主要分布于华北平原、河淮平原、苏北平原、松辽盆地、下辽河平原、汾渭盆地等大中型沉积盆地上,分布在山地的断裂带上的地热一般规模较小,分布在盆地特别是大型沉积盆地的地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广,热储温度随深度增加,是地热资源开发潜力最大的地区。

    高温地热资源主要分布在我国藏南-川西-滇西水热活动密集带,其高温地热资源发电潜力为712万千瓦,充分开发利用高温地热资源,积极推进西南地区高温地热发电,因地制宜建立多能互补的发电格局,符合我国当前能源革命需求,也是可再生能源重要组成部分。

    2.浅层地热能

    全国336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨,可替代标准煤11.7亿吨/年,节煤量4.1亿吨/年。从浅层地热能开发利用方式来看,地埋管热泵系统适宜区占总评价面积的29%;较适宜区占53%;地下水源热泵系统适宜区占总评价面积的11%,较适宜区占27%。比较适合应用地下水地源热泵系统的地区主要分布在我国的东部平原盆地及富水性较好的地区。地埋管地源热泵系统普遍具有较好的适宜性。综合考虑,浅层地热能开发利用的影响因素,我国适宜开发浅层地热能的地区主要分布在中东部省份,包括北京、天津、河北、山东、河南、辽宁、上海、湖北、湖南、江苏、浙江、江西、安徽等13个省(市)。

    我国浅层地温能开发利用区划图

    3.干热岩资源

    我国干热岩资源潜力巨大,开发前景广阔,高于美国干热岩资源的估算结果(570万亿吨标准煤)。经初步测算,地下3~10千米范围内干热岩资源折合标准煤860万亿吨,利用其中2%即相当于2015年全国能源总消耗量的4000倍。尤其是位于3.5~7.5千米深度、温度介于150~250℃之间的干热岩资源,资源量巨大,折合标准煤215万亿吨。干热岩资源是最具潜力的战略接替能源,但开发难度较大。

    ● 我国的地热资源家底

    2016年,中国地质调查局发布了《中国地热资源调查报告》。报告指出,“十二五”期间,在原国土资源部的正确领导和财政部的大力支持下,中国地质调查局组织全国60多家单位3000多名技术人员,利用中央财政资金4.16亿元,完成了31个省(区、市)地下热水资源调查,开展了336个地级以上城市浅层地温能资源调查,启动了干热岩资源调查,基本查明了我国地热资源赋存分布与开发利用现状,初步评价了全国地热资源潜力。

    调查结果表明:一是全国31个省(区、市)地下热水资源年可开采量折合标准煤19亿吨,现状年实际开采量折合标准煤415万吨,只占可开采量的0.22%,开发利用潜力巨大。二是全国336个地级以上城市浅层地温能资源年可开采量折合标准煤7亿吨,可实现建筑物供暖制冷面积320亿平方米;现实现建筑物供暖制冷面积4.78亿平方米。三是我国干热岩资源初步估算折合标准煤856万亿吨,是巨大的能源宝藏,其2%的可开采量即相当于2015年全国能源消耗的4000倍,应加快研究步伐。四是我国浅层地温能和地下热水资源开发利用经济与环境效益显著,2015年相关产业总产值约7500亿元,占同年GDP的1%以上;每年减少二氧化碳排放4800万吨。五是京津冀地区浅层地温能和地下热水资源合计折合标准煤3.43亿吨,可基本满足该地区建筑物供暖制冷需求。六是长江经济带浅层地温能和地下热水资源年可开采量折合标准煤9.3亿吨,充分开发利用区内的浅层地温能资源可有效解决长江中下游地区冬季供暖问题。

    ● 最新研究成果

    中国地质调查局自2016年开始实施“全国地热资源调查评价与勘查示范”工程。该工程是在“十二五”地热调查工作基础上,聚焦区域地热背景调查、重点地区浅层地温能调查、水热型地热资源调查、重点区干热岩资源调查以及地热资源勘查开发示范与关键技术研究5项任务,目前取得了一些阶段性成果。

    浅层地温能方面:雄安新区浅层地温能初步勘查表明,新区内大部分地区适用于浅层地温能的开发,雄安新区浅层地温能资源的开发利用,将产生巨大的环境效益与社会效益,为我国未来城市的发展提供新方向。

    水热型地热资源方面:京津冀水热型地热资源调查表明,京津冀地区是我国东部地热资源最丰富的地区,地热资源储量大,开发利用条件较好。根据现状开采量与资源量数据划分了京津冀地区的开采模数分区,可为当地地热资源的开发提供借鉴。

    干热岩方面:干热岩资源是国际社会公认的最具潜力的战略接替能源之一,其开发利用尚在探索中,国际社会对干热岩的开发利用已经进行了40多年的历史,我国正在开展东南沿海地区、青藏高原东北缘干热岩资源地质勘查,2017年8月,中国科学家在青海共和盆地3705米深处成功钻获236℃的高温干热岩,为下一步推进干热岩开发利用试验探索奠定了良好基础,目前中国地质调查局正在大力推进干热岩勘查评价和试验性开采。

    (本文由中国地质科学院水文地质环境地质研究所供稿)

    地热知识点,了解一下?

    中国西南地区岩溶景观 资料图

    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。

    技术人员在广西平果热带岩溶峰丛洼地关键带野外观测研究站裸岩面径流小区测量水质。 胡兆鑫 供图 

    探寻岩溶环境的时空演变

      

    石漠化地区

      

    石漠化地区三七种植基地

     

    近日,由中国地质调查局岩溶地质研究所牵头的国家重点研发计划项目《喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范》正式启动。本项目将以国家石漠化治理工程区的蒙自、建水、泸西三个盆地为研究区,通过研发和集成喀斯特断陷盆地石漠化演变机理、水土漏失阻控、植被恢复、特色资源开发及生态衍生产业构建,建立喀斯特断陷盆地生态环境基础数据库、技术模式与方法库及信息共享平台等,形成断陷盆地生态安全评估技术体系,建立喀斯特断陷盆地综合治理理论与技术体系。

     

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    中国在喀斯特生态及石漠化治理研究中居领先地位,石漠化治理仍需加强

     

    项目首席科学家、岩溶所曹建华研究员介绍,喀斯特生态环境的脆弱性导致石漠化问题在世界不同喀斯特地区普遍存在。石漠化在中国西南、中南半岛、中东地区、地中海沿岸均有分布。除中国西南、中南半岛外,其他国家更多关注的是石漠化区的资源禀赋及其导致的干旱缺水问题,而对生态退化及修复关注较少。

    中国在喀斯特生态及石漠化治理研究中居领先地位。我国从“十五”时期就开始了石漠化的治理工作,中国科学家连续组织实施5个IGCP项目,针对石漠化治理进行研究。在国家石漠化综合治理工程的努力下,我国石漠化面积由逐年增加变为逐年下降,总体趋势好转,西南地区石漠化土地总面积减少7.4%,植被盖度增加4.4%;生态产业得到大力培植与发展,实现200万人脱贫;岩溶地下水开发工程解决了部分人畜饮用水问题。

    2015年4月,中共中央国务院发布《关于加快推进生态文明建设的意见》,明确提出继续推进石漠化综合治理。2016年3月,国务院发布的“十三五”规划纲要明确指出,荒漠化、石漠化、水土流失综合治理是推进国家重点区域生态修复的主要内容,标志石漠化综合治理工作又进入了新的阶段。

    目前,我国石漠化治理在以下几方面仍需加强:石漠化演变机理研究需加强,断陷盆地类型区尤其薄弱;缺水问题没有得到根本解决,水资源利用效率有待提高;水土漏失的阻控技术尚未形成;石漠化区植被退化修复生态学机制有待阐明;特色生态产业物种配置,引进物种适应性及功能缺乏综合效益评价;断陷盆地石漠化治理模式和技术集成欠缺。

     

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    我国断陷盆地石漠化治理起步晚,治理模式和技术相对单一,亟须实现理论突破和技术创新

     

    尽管我国石漠化治理取得一定成效,然而,目前已开展的系列国家“973”计划、科技支撑计划和重点自然科学基金等国家重大项目主要集中在喀斯特高原和峰丛洼地区,断陷盆地鲜有涉及。

    断陷盆地区是我国石漠化最为典型、程度最严重的地区之一,研究显示,我国断陷盆地石漠化面积比例达1.51万平方千米,占喀斯特面积高达32%,集中分布在我国的滇东和攀西一带。由于断陷盆地盆—山地形变化剧烈,气候反差大,降水偏少,蒸发量大,地下水埋藏深、水土资源分离、植被立地条件差等一系列特点,造成断陷盆地石漠化治理起步晚、投入少,导致一系列资源环境问题。

    一是水土漏失加剧。调查结果显示,喀斯特地区土壤侵蚀以地下漏失为主,地下漏失模数占年均总土壤侵蚀的70%~80%。蒙自南洞地下河是水土漏失过程的典型代表,该地下河出口泥沙含量达0.77kg/m3,是南盘江的2.33倍。整个南洞流域水土流失总量为43.6万t/a,高原面土壤垂向漏失是造成地下河泥沙含量提高的主要原因。断陷盆地水土漏失严重威胁长江、珠江中下游经济区的生态安全。

    二是水资源开发与利用不匹配,缺水困难没有根本解决。据调查,西南喀斯特区仍有6637万人存在饮水不安全问题,缺水人口达1947万人。目前完成的西南喀斯特区1:5万水文地质调查面积23万平方千米,可开发利用水资源量615亿立方米/年,但开采程度仅16%。断陷盆地地下水深埋,受制于技术手段落后,地下水勘探、开采、利用难度大,缺水问题仍十分严重。

    断陷盆地地区隶属国家级连片特困地区——乌蒙山区和滇黔桂石漠化区,其中分布在滇东的国家级贫困县有24个,22个是喀斯特县。生态环境恶劣的石漠化区人口密度高,贫困人口近百万,贫困面大且程度深,是西南乃至全国扶贫攻坚的重点地区。

    最新遥感数据显示,滇东—攀西断陷盆地重度石漠化面积呈增加的趋势。滇东—攀西地区隶属国家“两屏三带”生态安全屏障的黄土高原—川滇生态屏障,国家14个连片特困地区的乌蒙山区、滇黔桂石漠化区,影响着长江、珠江、澜沧江等国内、国际重要河流的生态安全,是我国重要的生态保护功能区。

    相比其他喀斯特地貌类型区,我国断陷盆地石漠化治理在基础理论研究和治理关键技术研发方面相对薄弱,治理模式和技术单一,效果较差,存在着“地头水柜水不见,山高水深饮水难,水土流漏无措施,地下“红”河愁不清,山路崎岖生活艰,居民贫根难拔除”的现象,亟须实现理论突破和技术创新,形成科技支撑服务的、产学研用为一体的生态治理—生态产业协同发展的断陷盆地石漠化综合治理模式。

     

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    选择蒙自、建水和泸西3个典型研究区,拟解决3个重大科学问题

     

    据曹建华介绍,《喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范》重点研发计划项目将由岩溶所牵头、联合中科院亚热带农业生态研究所、中国水利水电科学研究院、北京林业大学、云南省地质调查局等单位产学研用攻关,针对断陷盆地盆—山共存的环境地质结构、水土资源不匹配和石漠化严重等问题,选择断陷盆地典型、石漠化程度严重的蒙自、建水和泸西3个研究区开展研究工作。

    三个研究区各有特点。其中,蒙自研究区为断陷盆地喀斯特发育强烈、水土流/漏失严重的典型代表,拟在该地区进行石漠化演变机理研究、水土流/漏失阻控技术和生态产业研发和示范。建水研究区气候干热,缺水严重,具有多级盆地结构特点,拟在该区进行地表—地下水联合调控、植被恢复及功能提升研究。泸西示范区,以小江流域断陷盆地为核心区,流域上游区为喀斯特槽谷与喀斯特峰丛分布区,中游为断陷盆地,下游为峡谷区,将重点研究示范区断陷盆地生态环境地质分异特征及其石漠化演变机理,对断陷盆地“五水”循环过程及水资源均衡进行分析,研发地表—地下水联合调控及水资源高效利用及优化配置技术,构建立体生态产业模式,集成泸西断陷盆地水土资源高效利用、石漠化生态治理—生态富民耦合调控技术,进行综合效益、适用性评价,在县域(流域)范围进行应用示范。

    项目将重点解决3个重大科学问题:

    一是地质—气候制约的断陷盆地生态系统运行规律及石漠化驱动机制。

    针对断陷盆地急剧变化的地形、气候特点以及“盆—山”共存的环境地质结构,加之断陷盆地生态环境地质具有高度异质性,形成特殊的生态水文及其耦联的碳、氮、钙物质循环过程,影响和控制了区域喀斯特生态系统运行和石漠化的发生、演变过程,重点揭示地质—气候制约的断陷盆地生态系统运行规律及石漠化驱动机制,有效服务于断陷盆地水土资源高效利用,进行土壤侵蚀阻控,退化生态修复,生态产业模式构建。

    二是断陷盆地地表—地下水、土过程与资源高效利用调控机理。

    断陷盆地特殊的地质结构和水文地质条件,导致地下水埋深大,“土在楼上,水在楼下”,空间分布极不均匀又不配套,水资源以地下水为主,土壤资源集中分布在盆地平坝区。将对断陷盆地不同喀斯特形态影响水土过程、制约了水资源和土壤资源的开发利用机理等进行研究。

    三是生态服务功能提升与生态产业培育协同机制。

    基于喀斯特断陷盆地富钙偏碱的地球化学背景,导致喀斯特区植被具有喜钙性、旱生性、石生性。缺水少土导致立地条件差,生态恢复的难度大。生态服务功能的提升需要系统阐明植被退化与恢复生态学机制;生态产业涉及的物种与断陷盆地区域地质生态环境协同的生态学原理需进一步揭示;拟建立断陷盆地石漠化治理评价指标体系与评价方法。

     

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    设置6个课题,系统研究石漠化演变机理及综合治理技术与示范

     

    根据项目的重大科学问题、构建技术、生态产业模式等目标,本重点研发项目设置6个课题,拟系统研究石漠化演变机理及综合治理技术与示范。

    《断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理》课题,将选择代表性的喀斯特断陷盆地石漠化区,定量刻画典型流域植被与水文过程交互作用,确立流域生态需水关键期及需水量,明确植被生态水文耦合过程对碳、氮、钙、水等物质传输的影响。在此基础上,解译喀斯特断陷盆地生态环境地质分异规律及其内在联系,揭示喀斯特断陷盆地生态环境地质分异与石漠化协同演变机制、生态系统演替趋势,为喀斯特断陷盆地石漠化区面向生态的水资源合理配置和生态功能恢复提供理论依据。

    《断陷盆地地表、地下水资源高效利用与优化调控》课题,针对断陷盆地水资源以地下水为主、且埋深大、雨水集中、水资源时空分异大、水资源与土壤资源空间上分隔、时间上存在错位等突出问题,以泸西、建水、蒙自三个盆地为解剖对象,开展断陷盆地地表—地下水过程研究、资源高效利用调控技术研发,阐明断陷盆地流域尺度水文地质结构与水文过程,分析“五水(雨水、地表水、喀斯特表层带水、地下水、土壤水)”转换过程,研究喀斯特系统水均衡问题,研发地下水开发、地表水调蓄、雨水收储、水污染风险评估及水质修复、节水灌溉、土壤保墒等综合高效利用技术,探索断陷盆地水资源可持续利用管理技术途径提供科技支撑。

    《断陷盆地土壤流/漏失阻控与质量提升》课题,选择蒙自、建水断陷盆地,针对喀斯特断陷盆地周边山地(陡坡带、高原面)土层浅薄不连续、土壤流/漏失严重、土地持续利用难等问题,查明陡坡带、高原面岩土组构与土壤生态特点,揭示土壤流/漏失驱动因素、土壤退化对石漠化演变的响应关系,及特色作物连作障碍机理,研发深根系乔—灌—草生物篱等阻控技术,消减土壤连作等障碍因子,提高土壤质量,为该区土壤资源抢救、保护与高效利用的有机结合提供理论和技术支撑,促进区域生态改善与生态富民。

    《断陷盆地石漠化区植被恢复与功能提升》课题,针对断陷盆地生态环境地质分异、植被退化和石漠化程度严重等问题,以建水断陷盆地为主要对象,开展植被退化与恢复生态学机制研究,阐明断陷盆地高原面、坡面和盆地植被退化与恢复生态学机制,以生态系统服务功能提升为核心,研发喜钙、耐旱植物材料筛选与快繁技术、稳定群落构建与可持续性经营管理技术,构建仿自然植物群落与林—灌—草优化配置模式并示范,为喀斯特断陷盆地林草植被生态恢复提供理论和技术支撑。

    《断陷盆地特色生态产业的培育、技术开发与示范》课题,针对断陷盆地光热资源丰富,但石漠化严重、水资源短缺、植被退化严重、产业单一、经济效益低下、生态产业欠发达、农民贫困等问题,以提升生态衍生产业发展为主要目标,选取蒙自市和泸西县作为课题研究区域,研发断陷盆地特色经济价值的林、灌、草植物品种种植技术,构建具生态经济效益的复合经济林—草(药)—畜(禽)等系统和复合水/干果技术模式,形成生态衍生产业模式并示范;研究市场潜力大的生物资源(塔拉等)与断陷盆地地质生态环境的适应机制,研发绿色产业提质增效加工利用技术,培育特色生物资源加工企业,为喀斯特断陷盆地的石漠化综合治理和农民脱贫致富提供科技支撑。

    《断陷盆地石漠化综合治理模式与技术集成》课题,针对断陷盆地石漠化区生态治理—生态产业协同石漠化综合治理模式欠缺、石漠化综合治理效益评估缺乏等关键科学问题,开展断陷盆地石漠化治理技术集成与规范,断陷盆地石漠化治理模式集成与范式,断陷盆地石漠化治理县域示范与效益评价,断陷盆地石漠化区生态环境保护、资源综合开发利用建议与对策研究。集成水土资源高效利用、石漠化生态治理—生态富民耦合调控技术,形成基于生态服务功能提升的石漠化生态富民综合治理模式;对石漠化治理工程进行综合效益、适用性评价,并在县域(流域)范围进行应用示范,为断陷盆地退化生态修复和精准扶贫发挥技术支撑与示范引领作用,同时利用联合国教科文组织国际岩溶研究中心平台作用,积极开展国际科技合作,促进技术共享转化。

     

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    重点研发6项关键技术,致力于改善我国老、少、边、穷地区区域生态环境质量

     

    项目将重点研发6项关键技术:

    一是大功率充电联合跨孔CT 成像准确定位地下河技术。

    在断陷盆地区,地下水空间分布及运移规律复杂,难以定位,开采难度大。采用大功率充电联合跨孔彩色CT成像技术,可以降低噪音,提高识别分辨率,对地下水的空间分布进行准确定位。

    二是流域尺度水土资源高效利用与优化调控技术。

    从水资源承载力出发,集成地下水开发、地表水调蓄、雨水收储、水污染风险评估及水质修复、节水灌溉、土壤保墒等技术,达到地表地下水联合调配高效利用。从断陷盆地土壤属性出发,集成有机培肥、保护性耕作、特色作物连作障碍消减等土壤质量提升技术,达到土壤资源高效利用。

    三是深根系乔—灌—草生物篱土壤流/漏失阻控及水土保持生态工程技术。

    以具有丰富溶蚀裂隙喀斯特表层带和落水洞为单元,开展深根系乔—灌—草配置阻控土壤漏失试验,研发相关生物篱技术;引进传统土壤流失防治工程和生物措施,集成断陷盆地水土保持生态工程技术。

    四是喜钙耐旱植物材料筛选与快繁及仿自然植物群落优化配置技术。

    筛选喜钙、抗旱、抗风、耐瘠薄、保水保土固氮能力强等适宜优良植物材料,进行栽培试验;通过种、营养体、最适合环境营造等多技术途径,研发不同植物材料的快繁技术体系。

    五是特色经济林—草(药)—畜(禽)复合系统构建技术。

    重点突破断陷盆地石漠化修复的林下种草养牛(羊)与圈养技术、林—果—药复合经营技术、特色林(果、药)的种苗繁育与优质栽培技术。

    六是生物资源利用提升与生态衍生产业培育技术。

    从塔拉引种、栽培、适应性试验,到生物资源获取、生物产品研制,延长生态产业链,进行喀斯特特色资源利用加工企业的培育。

    曹建华表示,项目参与单位囊括国土资源部、国家林业局、教育部、水利部、中国科学院等部门,覆盖了地学、生态学、林学、土壤学和水土保持学等学科,项目各研究团队均具有深厚的学术研究基础和很强的技术优势,为本项目的顺利执行奠定了坚实基础。

    项目的实施地点与示范区位于我国老、少、边、穷地区,生态环境恶劣,项目将技术研发、试验示范与推广相结合、新技术与已有技术集成和组装相结合、生态效益与社会经济效益相结合,研发技术的应用推广将极大改善区域生态环境质量,使示范区土壤侵蚀模数降低20%~30%,示范区生态服务功能提高30%以上,推动相关生态衍生产业的发展,为生活在生态环境脆弱的断陷盆地区贫困农民提供新的发展机会,对促进少数民族地区的社会稳定具有巨大的社会效益。

    地质扶贫,瞄准断陷盆地精准发力

    近日,由中国地质调查局岩溶地质研究所承担的“湘江上游岩溶流域1:5万水文地质环境地质调查”在湖南新田县发现超大型富锶地下水。

    新田县超大型富锶地下水集中分布于北东部的莲花乡、中南部的茂家乡、大坪塘乡、新圩镇以及东南部的新隆镇,主要分布于中南部,面积约176.7平方千米,锶元素平均含量为1.42毫克/升,是国家饮用天然矿泉水锶元素限值的7.1倍。采用枯季径流模数法,富锶地下水的可开采资源量(或允许开采量)为1192.99×104 立方米/年,开发开采潜力巨大。超大型富锶地下水的发现为新田县着力打造矿泉水产业提供技术支撑。

                                   
    岩溶所在新田扶贫区发现超大型富锶地下水