科學(xué)通報(bào) | 我國(guó)學(xué)者揭示喀斯特碳酸鹽巖風(fēng)化雙閾值效應(yīng)，為西南石漠化區(qū)農(nóng)業(yè)-生態(tài)協(xié)同調(diào)控提供新方案

近日，貴州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所白曉永教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家科研單位，在亞熱帶喀斯特碳酸鹽巖風(fēng)化與農(nóng)業(yè)-生態(tài)系統(tǒng)耦合機(jī)制研究中取得重要突破。相關(guān)研究成果以“碳酸鹽巖風(fēng)化對(duì)亞熱帶農(nóng)業(yè)可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響及其分區(qū)調(diào)控”為題，發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》。該研究系統(tǒng)揭示了碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的“雙刃劍”效應(yīng)，精準(zhǔn)識(shí)別了關(guān)鍵調(diào)控閾值，構(gòu)建了差異化的分區(qū)調(diào)控方案，為我國(guó)西南喀斯特地區(qū)石漠化治理、生態(tài)保護(hù)修復(fù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了關(guān)鍵科學(xué)支撐。

背景介紹

中國(guó)西南亞熱帶喀斯特區(qū)是全球面積最大、連續(xù)性最強(qiáng)的裸露型喀斯特分布帶，覆蓋西南8省（區(qū)），既是長(zhǎng)江、珠江上游的重要生態(tài)安全屏障，也是我國(guó)南方關(guān)鍵的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，承載著近2億人口的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。該區(qū)域土層淺薄、成土速率極低、水土漏失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)高度脆弱，“高強(qiáng)度土地利用-弱土壤發(fā)育”的結(jié)構(gòu)性矛盾長(zhǎng)期制約著區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)安全。

碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化是維系該區(qū)域土壤形成、生態(tài)穩(wěn)定與農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的核心地質(zhì)過程。適度的風(fēng)化可補(bǔ)充土壤養(yǎng)分、改善水文條件，而風(fēng)化過度或不足則可能引發(fā)土壤退化、石漠化加劇等一系列問題。長(zhǎng)期以來，生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)學(xué)、地質(zhì)學(xué)在該領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)明顯的學(xué)科分割特征，學(xué)界對(duì)風(fēng)化過程在農(nóng)業(yè)-生態(tài)系統(tǒng)中的雙重效應(yīng)、閾值邊界與調(diào)控機(jī)制缺乏系統(tǒng)量化，嚴(yán)重制約了喀斯特地區(qū)生態(tài)保護(hù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展的協(xié)同推進(jìn)。

成果展示

針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)以中國(guó)亞熱帶喀斯特核心區(qū)為研究對(duì)象，基于2000~2020年多源遙感與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與熱力學(xué)溶蝕模型，構(gòu)建了高分辨率碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化速率數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)解析了風(fēng)化過程的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，2000~2020年間，研究區(qū)平均風(fēng)化速率以年均0.38 mm ka-1顯著增長(zhǎng)，空間上呈現(xiàn)“東南高、西北低”的分布格局，廣西、貴州與湖南三省區(qū)貢獻(xiàn)了研究區(qū)63.9%的風(fēng)化總量，凸顯了西南喀斯特區(qū)域在全球碳酸鹽巖風(fēng)化過程中的核心地位。

研究團(tuán)隊(duì)首次在區(qū)域尺度上，量化了碳酸鹽巖風(fēng)化對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的非線性調(diào)控效應(yīng)，識(shí)別出兩個(gè)關(guān)鍵臨界閾值：農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的臨界閾值為33.1 mm ka-1，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的臨界閾值為29.55 mm ka-1。當(dāng)風(fēng)化速率低于閾值時(shí)，風(fēng)化過程以養(yǎng)分供給、生境改良的正向效應(yīng)為主，研究區(qū)內(nèi)89.6%的區(qū)域風(fēng)化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)性呈正相關(guān)，70%的區(qū)域風(fēng)化與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性呈正相關(guān)；而當(dāng)風(fēng)化速率超過閾值后，風(fēng)化的主導(dǎo)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥缆┦А⑹觿〉呢?fù)面脅迫，在廣西、湖南中部等高風(fēng)化速率區(qū)，形成了顯著的“高風(fēng)化-低可持續(xù)性”集聚特征。這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)認(rèn)知中“風(fēng)化有益或有害”的單一結(jié)論，系統(tǒng)闡明了風(fēng)化過程的“雙刃劍”效應(yīng)與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)基于雙閾值分析結(jié)果，整合風(fēng)化速率空間格局、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性水平及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性狀況，通過空間疊置分析，將研究區(qū)劃分為農(nóng)業(yè)優(yōu)化區(qū)、生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)-農(nóng)業(yè)協(xié)同區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)四大功能分區(qū)（圖1）。針對(duì)各分區(qū)的核心矛盾與功能定位，團(tuán)隊(duì)提出了“養(yǎng)分調(diào)控-生態(tài)保育-系統(tǒng)平衡-退化修復(fù)”的差異化、可落地的調(diào)控策略，形成了從科學(xué)問題識(shí)別到分區(qū)調(diào)控實(shí)施的完整技術(shù)路徑，兼具科學(xué)性與實(shí)踐指導(dǎo)性。

圖1 碳酸鹽巖風(fēng)化過程的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)分區(qū).

(a) 生態(tài)過程調(diào)節(jié)分區(qū); (b) 農(nóng)業(yè)優(yōu)化區(qū); (c)生態(tài)保育區(qū); (d) 生態(tài)-農(nóng)業(yè)協(xié)同區(qū); (e) 生態(tài)修復(fù)區(qū)

綜上，該研究不僅豐富了喀斯特地質(zhì)過程與農(nóng)業(yè)-生態(tài)系統(tǒng)耦合研究的理論體系，也為全球脆弱喀斯特地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化、協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)提供了可借鑒的中國(guó)方案與科學(xué)依據(jù)。

本文第一作者兼通訊作者為白曉永，貴州大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員，研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于喀斯特生態(tài)環(huán)境、碳酸鹽巖風(fēng)化與碳循環(huán)、石漠化治理、生態(tài)系統(tǒng)安全調(diào)控等領(lǐng)域的研究，取得了一系列具有國(guó)際影響力的研究成果。研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合了中國(guó)科學(xué)院華南植物園、東北林業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、北京師范大學(xué)、貴州師范大學(xué)等國(guó)內(nèi)10余家科研單位的學(xué)者共同完成此項(xiàng)研究。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U24A20579、U22A20619）、貴州大學(xué)自然科學(xué)專項(xiàng)（國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才）科研基金項(xiàng)目、貴州省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目、貴州省高層次創(chuàng)新型人才項(xiàng)目等多項(xiàng)基金的資助與支持。

文章信息

白曉永，熊練，閆俊華，等.碳酸鹽巖風(fēng)化對(duì)亞熱帶農(nóng)業(yè)可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響及其分區(qū)調(diào)控. 科學(xué)通報(bào), 2026.

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