973计划“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”项目课题验收会在贵阳召开
2010年10月21-24日，973计划“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”项目课题验收会在贵阳贵州饭店召开。
在会议开幕式上，项目首席科学家刘丛强研究员首先代表项目感谢项目专家多年来的关心和指导，感谢项目全体成员4年多来所付出的艰辛努力。他指出，本项目是一个学科跨度最大、学科交叉最多的973项目，具有工作基础差、组织工作难度大、成果整合提升的要求高等特点。但经过8个课题组的不懈努力，项目已经获得重大进展，取得大量的研究成果。希望通过这次对课题的验收，大家认真总结已有的成绩和亮点，发现更多的科学问题，梳理出创新成果，为项目的总结、提高奠定良好基础。
专家们在认真听取各课题负责人的报告后，一致认为本项目的各个课题研究难度较大、特色明显、成果显著、亮点不少，对各课题组取得的成绩给予高度评价，同时针对每个课题如何进一步总结提出了宝贵的意见和建议。课题负责人报告结束后，在刘丛强研究员主持下，分别召开了“课题评议和项目讨论会”及“项目总结纲要讨论会”。
“西南喀斯特石漠化的时空格局变化和驱动力”、“碳酸盐岩的生物地球化学过程与成土速率”、“西南喀斯特山地土壤趋势过程与水土流失危险度评价”、“喀斯特地区水循环动力过程及其水文生态效应”、“养分生物地球化学循环及其对石漠化过程的响应”、“喀斯特生物适应对策及物种优化配置”、“喀斯特生态系统生产力维持机制和适应性修复”、“喀斯特生态系统的服务功能优化和综合调控”等八个课题分别从“计划任务完成情况”、“研究水平与创新性”、“实施效果”、“人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况”以及“经费使用情况”等几个方面进行了总结。总结报告显示，各课题均圆满完成了既定的研究目标，获得“喀斯特山地水土流失（石漠化）发生机制、过程与速率”、“喀斯特地区生态系统变化的水分-养分循环过程与制约机制”、“喀斯特地区植物适生机制和群落配置原理”等标志性的创新成果。据初步统计，共出版专著 7部，发表论文500余篇，其中SCI论文112篇。获省部级成果奖1项，国家咨询报告一份（获回良玉副总理批示），专利8项。培养博士后4名，博士83名，硕士146名。
“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”项目自2006年立项以来，经历了四年多的研究历程，将于11月下旬接受科技部的评估验收。此次课题验收既是科技部规定的必需程序，也是为迎接项目验收奠定基础、作好充分准备的重要环节，因此意义十分重大。
项目专家组成员：
华南理工大学 党志 教授
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 丁永建 研究员
中国科学院植物所 董鸣 研究员
中国科学院生态环境研究中心 傅伯杰 研究员
中国科学院地球化学研究所 刘丛强 研究员
中国科学院水利部水土保持研究所 邵明安 研究员
南京师范大学 汪永进 教授
中国科学院南京地理与湖泊研究所 王苏民 研究员
中国科学院沈阳应用生态研究所 肖笃宁 研究员
中国科学院广州地化所 赵振华 研究员
中国科学院资环局固体地球科学处 张鸿翔 处长
中国科学院资环局生态与环境处 庄绪亮 处长
贵州省科技厅 黄明 处长
贵州大学 吴天祥 副处长
在筑部分项目成员列席了会议。
（项目办公室 南君亚供稿）
课题验收现场
973计划“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”项目
（2006CB403200）
课题任务完成情况简报
2010年10月
西南喀斯特石漠化的时空格局变化和驱动力
（2006CB403201）
本课题的总体目标是反演西南喀斯特石漠化的时空格局变化和驱动力。在课题组所有成员兢兢业业的努力下及各所在单位的大力支持下，较为圆满地完成了任务书规定的内容和目标科研任务。在以下几个方面取得了重要进展：
（1）在区域尺度上完成了1956年、1986年、1996年、2000年和2005年5个时间段的贵州省的基础地理数据、专题背景数据、遥感影像数据、社会经济数据、野外调查观测数据等。利用地形图提取了６０年代石漠化数据集，应用ＴＭ影像数据完成了１：１０万９２年石漠化数据集，运用分辨率１９.５Ｍ的０７－０８中巴资源卫星０２星与０２Ｂ星数据制作了2007-08年度石漠化图，并建立了喀斯特科学数据中心，为国内外相关研究者提供基础数据和原始资料。
（2）从史料古籍角度，完成了贵州省历史人口、耕地利用、粮食需求数量变化及外来农作物在贵州引种推广等数据的统计工作，结合石漠化发生的地质背景等因素，分析探讨了贵州历史人地关系的演化及其同石漠化发生和演变之间的关系，以及对当前石漠化治理和生态建设的借鉴意义；明确了石漠化发生的起点问题。
（3）开展了针对喀斯特地区的一些新方法和新技术的探索工作。石漠化定量遥感研究方面，高光谱影像已经取得数据并在野外进行光谱测量，数据整理；完成初步成果，建立了研究区喀斯特石漠化光谱库。石漠化研究新技术方面，针对贵州和西南地区多阴雨天气的实际，开展基于雷达数据的喀斯特石漠化研究。不同地貌类型区石漠化状态研究方面，利用项目建立的遥感数据尝试进行了地貌类型自动划分研究，探讨不同地貌区石漠化景观演化状况。不同气候区石漠化状态研究方面，由于不同气候区热量和水分状况不同，生产方式和土地利用方式有很大区别，石漠化发生的几率和敏感度也有很大区别。
（4）利用CA-Markov和CLUE-S这两种模型对后寨河小流域的石漠化景观格局变化进行了模拟，进行了石漠化未来发展预案研究及其潜在环境影响分析。
（5）建立石漠化指数和石漠化逆转指数、不同尺度石漠化评价模型、区域石漠化危害性的定量计算模型。
（6）在贵州首次使用多达242个光谱的Hyperion数据，结合地面同步高光谱测量，采用定量遥感的方法，研究石漠化光谱库和石漠化分类。首次将高光谱数据应用到喀斯特地区石漠化的研究中来，使得石漠化等级的划分避免了传统多光谱遥感影像解译中波段少，难以识别等问题，并根据石漠化判别的需要，选择合适的波段，使研究工作更具科学性。另一方面改进了基于传统多光谱遥感影像建立的石漠化影像特征判读标准，建立了基于高光谱遥感影像光谱曲线的新的喀斯特地区石漠化等级判读指标，并使用该指标完成了喀斯特石漠化等级划分。并使用波谱角填图（Spectral Angle Mapper）的方法，实现石漠化等级分类，提高了分类精度。
（7）成功建立了沉积物有机质纤维素的四阶段提取方法，红外光谱分析结果显示提取物与标准纤维素谱线图是一致的。初步确立了荔波喀斯特原始森林区白鹇湖沉积物反映的环境变迁历史。利用放射性核素137Cs、210Pb比活度，计算出白鹇湖沉积速率约为0.054g/（cm2 ·a），整个沉积物柱长度记录了近200年的环境变迁信息。
（8）应用科学研究的成果，进行石漠化治理示范，取得很好的效果。
（9）依托本项目课题的执行，与贵州省科技厅、普定县岩溶办合作完成了贵州省普定82km2面积的后寨地下河流域喀斯特研究综合试验站站点的新建与恢复工作，该站 现已进入中国生态系统研究网络，正式被命名为普定喀斯特生态系统观测研究站。
项目的参加单位有中国科学院地球化学研究所、中国科学院应用生态研究所、贵州师范大学、贵州大学、广西师范学院等。课题执行期间，培养了2名博士后、6名博士生和18名硕士生；项目人员1人因为业绩比较突出享受国务院政府津贴；获得2项省级奖励、2项其它奖励和1份国家咨询报告（获回良玉副总理批示）；获得1项专利授权；发表4部专著；发表论文共90篇，其中SCI收录10篇、EI收录10篇、CSCD收录70篇。
碳酸盐岩的生物地球化学过程与成土速率
（2006CB403202）
根据本课题任务书，选择喀斯特山地石漠化地区具有代表性和典型特征的生态环境小区和小流域生态系统，围绕碳酸盐岩风化成土作用与喀斯特山地石漠化过程的关键科学问题，以喀斯特山地石漠化地区碳酸盐岩风化的岩－土－水地球化学过程、微生物对碳酸盐岩的风化作用、碳酸盐岩风化成土及红粘土堆积层序研究、喀斯特山区石漠化过程中的红粘土侵蚀及堆积记录和碳酸盐岩风化成土过程及其环境效应等五个专题的形式开展碳酸盐岩－土－水－生物地质剖面系统观测、样品采集和室内分析等研究工作，取得一系列阶段性创新性成果。
（1）确立了喀斯特山地石漠化地区碳酸盐岩风化成土的生物地球化学过程及规律，提出了碳酸盐岩风化成土的“两阶段”成土模式（溶蚀残积和残积土演化）和“三阶段”的地球化学演化过程（富硅铝脱钙镁、富铁锰和富铝脱硅）和相应的矿物演化过程（粘土矿物阶段、氧化铁锰矿物阶段和三水铝石阶段）以及碳酸盐岩风化壳交代成土成因的观点。研究过程中新发现大量碳酸盐岩风化成土作用的地质证据，揭示了碳酸盐岩风化成土作用过程和机理。总结了碳酸盐岩风化成土生物地球化学过程的规律特征，依据地球化学质量平衡原理初步建立了酸盐岩风化成过程中铀系放射性核素的演化模型，利用铀系核素的演化模型探索了碳酸盐岩风化成土速率定量研究的方法，以此估算了碳酸盐岩风化成土的速率。提出适合喀斯特地石漠化治理的农业生物应用技术和地学治理综合方案，并已应用于贵州喀斯特山地石漠化治理及喀斯特地下水勘查的工程实践。
（2）了解贵州自然背景石漠化控制因素，编制完成了开阳、息烽、平坝等三县的石漠化分布图、地质及岩性分布图等图件。探索了碳酸盐岩成土特征和成土方式。恢复西南地区喀斯特环境发展历史；划分了碳酸盐岩红土沉积层序；研究比较了碳酸盐岩红粘土与其他岩石风化形成土壤元素组成；碳酸盐岩形成土壤特征及治理探索。
（3）开展了喀斯特山区石漠化过程中的红粘土侵蚀及堆积记录研究，提出用沉积量测量法测定盆地型喀斯特石漠化地区的土壤侵蚀模数的方法。研究了石漠化过程中的土壤粒度、元素地球化学和土壤化学风化特征等，探索喀斯特山地石漠化地区红粘土的侵蚀和堆积记录石漠化发生发展的过程，以及利用红粘土的侵蚀和堆积记录堆了解人类活动对地表生环境影响等。
（4）系统和多指标剖析了贵州乃至中国西南碳酸盐岩上覆土壤的物质来源，确定了碳酸盐岩风化成土是其主要物质提供者，并总结和归纳了地质构造、岩性、酸不溶物含量等碳酸盐岩风化成土的控制因素。开展了碳酸盐岩风化成土过程的环境效应研究，并总结碳酸盐岩风化成土的控制因素及与生态环境的相关性。开展了碳酸盐岩风化壳岩土界面REE超常富集及机理的研究，着重开展了岩/土界面REE超常富集层的REE赋存相态和富集机理、REE富集过程中的MREE分异行为及其制约因素和强烈Ce负异常的形成机理以及碳酸盐岩风化成土两阶段模式对REE富集的控制作用等研究。
（5）开展了碳酸盐岩表生微生物多样性的研究，对不同岩性、不同岩石样品碳酸盐岩进行微生物分离培养，获得可培养微生物150株，出现频度较高的优势种约30株；发现岩石地衣种类约30个种，其中中国新记录种2个。通过对不同岩性碳酸盐岩微生物种群的对比分析结合样品检测结果，分析碳酸盐岩表生微生物与碳酸盐岩风化的关系。此外，还重点研究了碳酸盐岩表生不可培养微生物的类群，确定它们的分类地位以及系统进化关系，为后期研究微生物在碳酸盐岩风化成土过程中的作用奠定了坚实的基础。
（6）进行了岩石微生物对碳酸盐岩的风化作用的试验研究，实验条件下，采用分离得到的优势菌，选择几株出现频度较高的优势种开展了不同微生物不同作用方式对碳酸钙和碳酸盐岩石的风化溶解作用研究。分析微生物作用前后碳酸盐岩样品中的矿物种类、组分及颗粒大小等相关参数，研究岩石样品的微生物风化作用效果和风化产物，以明确微生物对碳酸盐岩风化作用的过程与机理。另外，还研究了一株岩生真菌对白云岩中稀土元素溶出、迁移和富集影响，一株岩生真菌对方解石的风化作用，碳酸钙微生物风化试验研究等。
（7）开展地衣对碳酸盐岩的风化作用的研究，通过对贵州省贵阳地区地衣生物多样性调查，由新疆大学鉴定认为有中国新记录种2个，贵州新记录种7个，开展了地衣对岩石矿物的风化作用机理及在地衣作用下矿物的演化序列研究，通过对大量着生地衣的碳酸盐岩表面进行电镜观察，发现地衣对基质岩石入侵形成大量溶蚀坑。根据优势种——凹面瓶口衣1年的生长半径变化，计算得到凹面瓶口衣对石灰石的年风化量。
（8）研究了微生物在碳酸盐岩风化成土过程中的作用，研究喀斯特地区生物结皮对碳酸盐岩的侵蚀能力、风化速率和成土作用及其途径等。通过对藻类结皮的研究，初步计算了喀斯特地区，藻类结皮对碳酸盐岩的成土率，并估算了藻类结皮成土量。从地质生物学角度研究微生物在碳酸盐岩风化成土过程中的作用，并提出喀斯特岩溶山区微生物风化成土理论和治理措施。
（9）开展了真菌诱导的碳酸钙形成的研究，为此我们研究了一株可以利用硝酸盐作为氮源的土壤真菌Aletnaria sp. (ITS序列GenBank Accession GU903488)，通过提供不同浓度的硝酸钙和氯化钙浓度来研究该真菌形成碳酸钙的能力，探讨土壤真菌能通过硝酸盐还原作用固定CO2的可能以及土壤中碳酸盐颗粒的形成的控制因素，该研究提出了一个被忽视的碳汇——土壤微生物形成碳酸盐岩，为减少CO2排放提供一条新的方向。
本课题研究与国内外同类研究工作相比具有“原始”、“原地”、“原创”等“三原”特点。
原始：提出了碳酸盐岩风化成土作用与喀斯特山地石漠化过程的关键科学问题，最早提出碳酸盐岩风化成土生物地球化学过程及其环境效应研究课题。
原地：课题的主要工作和研究成果充分利用了贵州地域优势，主要在贵州大地上完成。
原创：提出了碳酸盐岩风化成土作用和生物地球化学过程与过程机理的一系列新观点，构建起碳酸盐岩风化成土作用及其环境效应研究的理论框架，取得了一系列原创性成果，研究成果已应用于贵州喀斯特山地石漠化治理及喀斯特地下水勘查的工程实践。
截止目前，课题已前已发表论文56篇（包括已接收论文），其中SCI论文13篇（其中两篇篇SCI论文影响因子达4.2以上，为地学类SCI之首），其余均为核心期刊，申报国家发明专利4项，获省部级科技进步二等奖1项；培养中青年科技人才2名；博士研究生11名；硕士研究生22名；全面完成了课题的预期目标。
西南喀斯特山地土壤趋势过程与水土流失危险度评价（2006CB403203）
课题圆满地完成了计划任务，取得的主要研究进展如下：（1）阐明了石漠化坡地的土壤发布特点，揭示了地表、地下“二维”水土流失方式；（2）查明了喀斯特坡地土壤和洼地沉积中137Cs发布特点，确定了西南喀斯特山地区137Cs示踪法的适用性；（3）采用多手段综合研究方法，获得了地面与地下流失量的可靠数据；（4）根据坡地土壤硅酸盐矿物物质平衡，确定了不同类型喀斯特坡地的合理流失量；（5）界定了石质化和石漠化的内涵，提出了基于地面物质组成与裸岩率叠加的新的石漠化分类方案；（6）提出了“因土制宜”的喀斯特石漠化垂直分带治理模式；（7）针对喀斯特坡地入渗强烈，地表径流系数极低，农田干旱严重的问题，提出了“关于解决我国喀斯特石漠化地区农田干旱缺水问题的建议”；（8）干湿循环效应下土壤的微观机制的研究；（9）通过进行石漠化地区洞外与洞内土样蠕变试验研究，分析了蠕变与水土漏失的关系；（10）贵州喀斯特山地的化学侵蚀率与贡献率。
课题突破了长期以来“用非喀斯特区对水土流失的认识开展喀斯特区水土流失研究”的思路与方法学，提出了“地下流失是喀斯特山地水土流失重要方式”观点。采用多尺度（样地、峰丛洼地、流域）、多手段综合研究方法（全坡大型径流场、137Cs核素示踪、流域侵蚀速率计算等），设置了不同人为作用影响的控制样地实验，获得了西南喀斯特山地碳酸盐岩成土速率、土壤地表/地下流失和化学流失速率等方面大量可靠科学数据，提升了对喀斯特山地水土流失的发生机制、过程与速率的认识水平：（1）揭示了西南喀斯特山地水土流失的地表、地下“二维”流失特点。大面积分布的纯碳酸盐岩山地，水土流失以地下流失为主：坡地入渗强烈，地表径流系数多<5％，干旱严重；土壤流失也以地下流失为主，占80％以上。（2）阐明了喀斯特区石漠化的发生过程与土壤容许流失量：森林破坏前土壤流失速率低于20 t/km2·a、破坏后短期内>数千t/km2·a、流失殆尽的石质坡地小于50 t/km2·a，石质坡地土壤容许流失量低于25 t/km2·a。（3）提出了土地石质化是石漠化核心的观点，建立了地面物质组成和裸岩率叠加的石漠化分类方案。（4）总结出石漠化坡地“土壤肥沃，总量太少，土地贫瘠；降水丰沛，入渗强烈，干旱严重”的特点，提出了“因土制宜”的喀斯特石漠化垂直分带治理模式和水窖等蓄水工程要加强集水面建设的建议，已在科技支撑项目“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术试验示范”的“云贵高原岩溶山地石漠化坡耕地整治与高效生态农业”课题的示范区中得到了应用，效果很好。
课题共发表（含已接受论文）44篇；其中SCI论文13篇；EI和ISTP论文2篇；CSCD论文27篇；其他论文2篇。上报中央的“关于解决我国喀斯特石漠化地区农田干旱缺水问题的建议”获回良玉副总理批示。培养博士6名，硕士12名。
喀斯特地区水循环动力过程及其水文生态效应
（2006CBC403204）
不同喀斯特生态环境区以水为纽带的大气-水-土壤/岩石裂隙-生物等界面水分循环规律是石漠化治理及生态系统调控的重要基础，喀斯特地貌、地质特别是岩溶裂隙发育程度对水循环及维持生态系统的陆面土壤及生态系统起重要控制作用。区域气候、水文特征及其演变趋势是西南喀斯特地区水资源利用、生态环境保护制定的科学依据。
本课题在室内小尺度，研究覆盖区及岩溶裸露区的降雨-径流过程的水动力特征，以及降水—土壤水—地表水—岩溶水多维转换过程。选择三个典型小流域，包括：位于贵州南部斜坡地带的茂兰国家级自然保护区缓冲区的拉桥片区（荔波），中部高原面上的清镇王家寨小流域（清镇）以及位于峡谷区的花江石漠化综合试验区（花江），普定岩溶实验区陈旗小流域的农林复合系统，开展水文生态系统观测、勘察及实验研究。选择乌江流域思南站以上区域以及位于西南喀斯特中心区的贵州省开展区域气象、水文水资源特征及其变化趋势研究。
通过对西南典型喀斯特流域地貌、地质及水文地质、植被特点分析，分析典型小流域埋藏条件、地下水动态特征、地下水的补给、径流、排泄条件，计算区域地下水的资源量，揭示了喀斯特裂隙发育成因及其在水文与生态系统中的控制作用。通过典型小流域土体基本理化性质、点位观测及试验、枯季流量退水规律区域化分析，定量给出典型喀斯特地区土壤及岩溶裂隙水文地质参数。
通过对普定陈旗堡喀斯特地下河小流域降雨、土壤水、坡脚泉水、坡面径流及地下暗河观测，分析土壤/裂隙，岩溶裂隙、特别是表层岩溶带裂隙对产汇流过程的控制作用，并提出了表层岩溶带定量表征方法及产汇流计算模式。揭示了不同喀斯特生态环境区降水、土壤水、地表水及地下水相互转化机制，建立了定量分析植物蒸散发、土壤水分动态变化及植物－水分关系。构建了植被-土壤及岩石裂隙-水文相互作用的分布式水文模型，实现连续介质达西流、裂隙流、明渠流以及地下管道流并存的水文水动力模拟。从而奠定了不同下垫面条件下降水、土壤水、植被耗水、地表水、地下水之间转化及生态水文效应定量评估基础。
通过典型流域水文实验、强化观测及同位素分析等手段，揭示了降雨、径流、土壤水分、蒸散发等水文过程空间变异性及其与植被生态格局（生境分布、生态结构）的对应关系。通过分析测定贵州中部喀斯特高原区清镇王家寨小流域喀斯特森林及受人类影响退化的喀斯特灌丛5个常见木本植物小枝木质部水分及土壤水、喀斯特皮下水的氢氧同位素值分析，确定植物水分来源，以及喀斯特森林生态系统中植物水分利用策略。
采用水文观测实验、植被耗水测定及分布式水文模型计算等手段，实现了典型喀斯特地区不同地貌形态、石漠化程度、小生境特征以及植被生长阶段下的植物生态需水量计算，提出了基于生态水文过程的喀斯特地区生态需水量计算方法，实现对气候变化及人类活动影响下典型流域生态水文效应评估。
本课题在典型区土壤、地质及水文地质条件分析、水循环与生态系统作用机制研究，气候及下垫面变化的生态水文效应评估，植物水分利用来源及耗水（需水）机理研究，流域生态需水量评估研究，为系统地理解了石漠化过程中水土流失、植被生态系统变化的成因，寻求植被恢复与重建模式及对策、流域水资源状况和流域生态环境改善措施奠定了基础。
岩溶裂隙对水文循环及生态过程起重要作用，也是水土漏失及石漠化发生、发展的重要控制因素。目前一般研究认为，南方岩溶发育受地形地貌控制，而受断裂构造控制不明显，且主要是张性断裂构造起控制作用，本项研究发现了压性构造也对岩溶发育起控制作用，得到岩溶界广泛认同。
研究也发现岩溶裂隙、特别是表层岩溶带裂隙对产汇流过程的控制作用，并提出了表层岩溶带定量表征方法及产汇流计算模式。针对喀斯特地区二元地质结构，构建了考虑多种径流成分的植被-土壤、裂隙-水文相互作用的分布式水文模型，从而全面刻画了喀斯特地区水文过程时空变异特征及其与陆面生态系统的有机联系。目前国内外所建喀斯特流域水文模型多为概念性模型，还未见本研究建立的适用于喀斯特流域的分布式水文模型。
喀斯特地区植物水分不仅来源于降水及土壤，还来源于表层岩溶带裂隙水。如何定量分析喀斯特水分来源一直是水文学界及植物学者研究的难点和热点，本项研究提出了适用于喀斯特地区植物水分来源、水分利用效率的同位素分析方法，结合植物生理生态特征分析，揭示了不同喀斯特生态环境下的植物生态耗水以及优势建群植物的抗旱机理。评估了典型研究区优势植物的生态需水量，为我国西南喀斯特地区石漠化治理及适应性生态系统调控提供了重要的理论基础。
课题完成计划任务设定的五个方面内容，在人才培养指标、出版专著、专利等方面超额完成。发表论文总数超额完成，SCI文章已发表数13篇，已投稿8篇，完成指标。课题组集地质、水文地质、水文学、生态学等领域中青年技术骨干，在研期间，通过学科交叉，培养了水文地质学、生态水文学、同位素水文等交叉领域研究人才项目组，参加11、12界美国Karst会议，在国际学术会议邀请主题发言4次，在喀斯特生态水文学领域具有国内外影响力。培养了研究生38名，其中博士生10名，毕业后在国内外相关研究机构工作，其中在国外研究机构工作1人，在国外大学攻读博士生3人。
养分生物地球化学循环及其对石漠化过程的响应
（2006CB403205）
本课题以典型喀斯特小流域物质在不同圈层之间循环为主线，研究以水为纽带的区域岩石－土壤－植被－大气系统及其中的各个界面物质的生物地球化学循环在人类活动胁迫下变化规律及其生态效应，理解喀斯特生态系统演化中养分循环的生物地球化学特征及其对生态系统类型演变、生产力与生态功能的影响机制，为喀斯特山地水土流失防治或退化和石漠化生态系统的修复的科学基础。具体科学目标有如下三个方面：
l 大气沉降物质对流域生态系统物质循环的影响，重点查明西南酸雨物质沉降对流域和植被土壤系统相关元素循环的影响。
l 不同喀斯特生态系统岩石/土壤/植被系统中养分的生物地球化学循环规律，并进一步为理解植被系统、适生植物和群落演替与土壤养分分布、形态、可利用性等的关系。
l 流域水循环驱动的养分循环规律与流域生态系统之间的关系，建立各子系统之间养分循环的通量变化及其控制因素。
该课题在以下三个方面获得重要创新研究成果：
（1）大气养分输入特征及其对流域养分循环影响的研究方面：通过对不同生态环境地区大气湿沉降的监测和综合分析，揭示了大气沉降物质的组成和变化特征，并首次结算了贵州省养分湿沉降通量，为大气养分对流域生态系统物质循环的影响的评价提供了重要科学依据；同时通过研究建立苔藓对大气氮和硫沉降的含量和同位素记录，应用石生苔藓碳氮元素含量和同位素深化了苔藓同位素方法在环境监测和大气氮沉降研究中的应用。
（2）岩石－土壤－植被－大气系统界面养分循环及其与生态系统演变之间的关系的研究方面：研究揭示，喀斯特山地土壤在土壤厚度、容重、土壤养分（碳、氮、磷、硫等）含量和形态、土壤微生物群落结构和多种酶活性具有高度空间异质性，并随石漠化程度加剧而土壤总体质量下降；土壤剖面有机碳、溶解有机碳以及不同形态硫的含量和同位素组成变化研究揭示了土壤中有关养分的分布变化规律及相互间的耦合作用过程；土壤-植被系统养分循环研究揭示了喀斯特生态系统优势物种的养分计量关系和地质背景之间的关系。
（3）流域尺度养分循环与流域地质和生态背景之间的关系的研究方面：认识了不同喀斯特生态系统和地质背景对地表水地球化学组成的控制规律，为流域化学风化研究以及生态系统养分循环规律研究充实了理论依据；利用多种同位素示踪河水和地下水中多种物质来源，认识到流域人类活动向流域输入大量物质，人为输入物质并参与了碳及其它物质的自然循环；定量分析计算了流域碳酸盐岩和硅酸盐岩的化学风化速率、流域侵蚀消耗的土壤CO2及其在全球温室气体通量的份额，同时为喀斯特地区碳酸盐岩风化成土速率和土壤可允许侵蚀速率的估算提供了依据；发现了硫酸参与流域碳酸盐岩化学风化的丰富证据，系统证明和认识了硫酸参与碳酸盐岩的化学风化作用及其过程特征，并定量分析估算了硫酸风化碳酸盐岩在全球或区域碳循环中的作用。
该课题研究获得的研究成果系统深化了目前人们对流域物质循环及其与生态环境变化之间的关系、对区域与全球碳循环相互关系以及对地表物质循环的人为活动影响机制和程度的理论认识和理解，并成为我们进行喀斯特流域管理和退化喀斯特生态系统恢复的重要科学依据，有关研究成果已经得到国际同行的广泛认可。
课题共发表论文155篇学术期刊论文和2部学术专著。学术期刊论文中，SCI收录论文33篇，EI收录论文11篇，非SCI收录英文期刊论文15篇。学术会议报告14篇，国内学术会议特邀报告3篇。培养博士后2名，博士研究生22名，硕士研究生20名。
课题圆满完成了计划研究任务和预期研究目标，对总项目科学目标的完成具有重要贡献。
喀斯特生物适应对策及物种优化配置
（2006CB403206）
本课题以典型喀斯特生境的植物为研究对象，从蛋白质分子、器官、个体、植物功能型、植物群落等水平上研究了植物适应喀斯特特殊生境的机理，取得如下主要结果：
（1）利用蛋白质组学技术对复苏植物牛耳草在快速失水和复水过程中的与干旱相关蛋白进行了分析，发现所研究的223个蛋白质中干旱诱导表达的占35%，对干旱虽没有响应但在复水时提高表达水平的占5%，这些蛋白对牛耳草适应干湿频繁交替的喀斯特生境是必须的。
（2）野外测定和比较研究了不同功能类群植物的水分关系和叶片光合能力，发现落叶树种具有较大的水力导度、较高的叶片光合能力；常绿树种的抵抗空穴化能力较强、水分运输安全性较高、但长期水分利用效率较低。
（3）人工模拟不同强度的干旱复水环境，发现在反复的临时性干旱条件下，喀斯特植物表现出增强的光合能力和保护机制；落叶乔木主要采用避旱策略，藤刺灌木和常绿乔木主要采用耐旱策略，藤刺灌木的耐旱性更强；克隆植物可以通过觅食行为来适应喀斯特生境的水分空间异质性。
（4）以不同演替阶段的优势种为对象，比较了它们的光合竞争力。演替前期种在高光强的环境下光合竞争力大，弱光环境下光合竞争力小，演替后期种则相反。一般来说，先锋种、次先锋种、过渡种、次顶极种、顶极种的光合竞争力随光照强度的减弱而增强。
（5）在资源植物方面，发现厚轴茶（石灰岩特产茶）的叶片具有许多形态特异的散生石细胞，它们有利于增强叶片的抗萎靡、抗风雨能力，提高环境适应能力。研究还发现花江河谷等地区的重要经济作物顶坛花椒具有一定的自毒作用，可能会影响其连作。
（6）以不同恢复阶段的植物群落为研究对象，总结了退化喀斯特群落恢复过程中优势植物种群分布格局与环境的关联性，阐明了不同演替阶段优势物种的种群结构特征和对异质性环境的利用特征，从种群生态学的角度揭示了喀斯特植被演替过程中的物种替代机理。
根据植物的耐旱性、吸水潜力、耗水能力、水分利用效率、光补偿点、光饱和点、叶片解剖形态等形态和生理指标，基于它们对喀斯特生境的适应机理，系统完成了喀斯特区不同植物种组的划分（包括先锋种、次先锋种、过渡种、次顶级种、顶级种），并归类植物种421个。根据石漠化强度、退化时间、立地条件、植物群落的结构及恢复潜力、土地利用方式等，完成了贵州省喀斯特地区石漠化生态系统的类型划分。在以上研究的基础上，根据立地条件和物种的生态适应性，提出了促进喀斯特石漠化地区植被恢复的多个物种优化配置模式，为喀斯特石漠化综合治理提供了理论依据和参考。
本课题针对我国西南喀斯特生境的主要生态特点，深入探讨了不同功能类群植物的耐旱机理和在不同光强下的光合竞争力。首次比较完整地在不同水平上研究了植物对喀斯特生境的适应性。微观上，深入到蛋白质组学，揭示了大量与植物耐旱性和恢复能力相关的蛋白质；在个体和植物功能类群水平上，研究了大量植物的形态、生理特征与生态适应性；宏观上，从群落生态学的角度揭示了不同演替阶段喀斯特植被的物种替代机理。这些研究成果不仅丰富了植物适应喀斯特生境的生理生态机理，也有利于提高对喀斯特植被物种组成、种间竞争、演替机制的认识。本项目通过对物种生态适应性、立地条件、自然群落演替规律、群落结构评价、生态系统健康评价等方面进行的研究，首次系统地从物种在喀斯特生境中的适应能力、立地环境支撑（供应）能力到生态系统健康度、稳定度的角度出发，在从物种选择到群落结构等方面进行优化配置，建立了石漠化地区不同立地类型下的植被恢复模板和石漠化植物群落结构配置模式。这些研究成果为治理喀斯特石漠化、重建与恢复退化喀斯特生态系统提供了理论依据。
基本上完成了计划任务的研究内容，总共发表SCI论文17篇，国内期刊25篇，获得专利2项，已完成待出版SCI论文4篇，国内核心期刊论文6篇；培养博士研究生6名，硕士研究生23名。
（2006CB403207）
处于不同石漠化阶段的植物群落结构、物种组成和生物多样性均有显著差异，并存在区域特点。贵州普定喀斯特植被随演替进展从稀灌草丛→刺蔓灌丛→落叶阔叶林→常绿落叶阔叶混交林，生物多样性呈现为最低→高→低→低的趋势，群落叶面积和干物质含量增加，而比叶面积则逐渐减小，叶干物质含量与叶面积、最大高度正相关，而干物质含量与比叶面积、最大高度与比叶面积成负相关，说明群落中的优势种对光、空间等的竞争趋于激烈。
贵州茂兰喀斯特典型常绿落叶阔叶混交林的物种组成丰富，木本植物径级分布呈倒“J”形，主要物种呈尺度相关的显著聚集分布和随机分布，种间关联以负关联种对为主，种间竞争排除作用减弱，群落已趋于稳定；喀斯特生境的复杂性和异质性、生境生态位的分化有助于促进喀斯特森林的多物种共存和群落的稳定性。
广西桂林喀斯特石山阴香群落大多数种间关系松散，独立性较强，以幼树和小树个体占多数，自然更新能力较好，处于稳定的增长状态，这将有利于增加种群结构的复杂性和稳定性。青冈栎种内竞争较种间竞争强烈，种群幼苗多但死亡率高，表现出种群前期下降、后期趋于稳定的特点；青冈栎种群的自然生长更新良好，可通过自我调节能力保持种群的稳定性。
云南西双版纳热带喀斯特生境中不同功能类群植物具有独特的水分运输和水分利用策略，从而具有不同的水分利用策略和耐旱机理。常绿植物具有较强的抗栓塞能力，同时常绿植物叶片相对于落叶植物具有较低的膨压丧失点渗透势，使得常绿植物能够适应喀斯特这种干旱的生境并占优势。藤本与树木相比具有较快的水分运输效率、较高的光合速率，但具有较低的抵抗干旱引起的栓塞化的能力。半附生榕树、附生蕨的叶片相对于地生榕和地生蕨具有较为保守的水分利用策略。
不同石漠化阶段喀斯特植物群落的地上生物量随石漠化程度加剧而显著下降，植被正向恢复进程显著增加了地下生物量；茂兰喀斯特常绿落叶阔叶混交林地上生物量达107.43t/hm2，根系生物量为58.15Mg/hm2，属于低地上生物量但高根系生物量森林，但其生产力仍较低。西南地区喀斯特森林的生物量和生产力均小于非喀斯特森林，植被净第一性生产力随气温、降水和太阳辐射的变化呈增长趋势，但喀斯特植被生产力增加值小于非喀斯特植被。
随着石漠化程度加剧，贵州喀斯特不同石漠化阶段植物群落的生境破碎化程度增加，不同的小生境的退化速度不同，石平面和倾斜石面比土平面和土坡的退化更快，在严重的石漠化阶段，植物趋向于分布在土平面和土坡生境。具有脉冲效应的两个表现型的进化博弈动力学表明，种群密度上的扰动不仅导致频率上产生周期振荡，而且可以使在传统意义下的进化稳定策略被非进化稳定策略取代，为物种共存和适应选择提供了可能的机理解释。
喀斯特石漠化生态系统的恢复和重建，已经成为决定西南地区国民经济和社会能否持续发展的关键问题之一，西南喀斯特山区的石漠化治理要符合自然客观规律、经济与生态兼顾并重、因地制宜、分区域治理、技术与措施的可操作并维持生态系统的可持续发展。而植被的恢复和重建是其中的关键环节，根据课题成果以及前人的总结，初步拟定了喀斯特石漠化植被生态恢复与适应性修复的相关建议：人工干预的封山育林，多地区、多阶段的生态恢复示范研究，加强发挥乡土树种的作用，加强石灰岩地区植物种子和幼苗保水保肥措施的研究。
研究水平处于国内领先，在国际上也有一定影响。尽管喀斯特植被研究开展了较长时间，但仍有很多问题没有涉及，本课题的工作可填补其中的许多空白研究之处，有一定的创新性。整个课题的工作以基础性研究为主，不同退化和演替阶段群落特征与生物多样性的变化，退化植物群落恢复的物种来源、种间关系、物种在不同阶段的适应性及其与环境的相互关系，可为科学选择适当物种，通过人工干扰方式促进群落演替提供参考，可为喀斯特山地植被的恢复与重建提供理论依据。基于植物功能群和植物功能性状的方法对喀斯特生态系统植物群落演替的研究属于国内领先水平。热带喀斯特不同功能类群植物的水力结构和水分关系、水分利用策略和耐旱机理，丰富了植物适应喀斯特生境的生理生态机理，同时也为筛选耐干旱以及适宜喀斯特基质种植的植物提供了较好的理论依据。这些研究在国内属于领先水平，在国际上也是领先水平。喀斯特植被的地下生物量和群落总生产力估算研究在国内属于首次突破，基于1公顷大样地的喀斯特典型常绿落叶阔叶混交林的群落稳定性分析在国内亦属于首次，这些工作在国际上尚未见报道；多尺度的西南喀斯特山地生物量和生产力的集成分析属于国内领先水平。利用进化博弈理论和方法研究植物对生境时空变化的适应对策，利用脉冲微分方程和随机微分方程研究资源的周期变化和随机变化对植物种群和群落动态的影响，在国内属于领先水平，在国际上也有一定地位。
研究队伍有一定的创新性；人才培养情况很好，共培养硕博士研究生18名，目前仍有9人在读；很多青年人员参加了工作，但缺乏突出表现的青年人才。
但由于项目运行时间较短（仅4年时间），经费投入较少，部分研究前期基础薄弱，虽然取得了大量的数据，但许多数据的分析还不尽透彻和深入，喀斯特生态系统生产力维持机制的尺度变化特征、喀斯特石漠化生态系统的脆弱性、跃迁性和不可逆变性及其可恢复性、喀斯特石漠化的治理与适应性恢复的尺度转换等工作仍需进一步深入研究。
共发表论文32篇，其中发表SCI文章10多篇、核心期刊文章17篇、专著章节1篇，待发表核心期刊文章4篇；申请专利1个，投稿SCI文章4篇、核心期刊4篇，文章草稿2篇。
喀斯特生态系统的服务功能优化和综合调控
（2006CB403208）
973项目“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”第8课题“喀斯特生态系统的服务功能优化和综合调控”由中国科学院亚热带农业生态研究所、贵州科学院共同承担。根据课题任务书，4年来课题组主要从土地利用与植被变化、有机碳积累、微生物多样性、降雨入渗产流及土壤侵蚀过程等方面对喀斯特生态系统的服务功能价值影响机理和调控途径等进行了系统的研究。
首先，在区域尺度解译了桂西北跨度达35年4个时间段的卫星影像数据，从桂西北土地覆盖类型变化特征、景观格局分析入手，对喀斯特生态服务功能进行了定量评估，探讨了生态服务功能与环境因子、景观格局指数的相互关系，对贵州省及典型喀斯特地区自然林生态系统、人工林生态系统生态服务功能价值及特征进行了评价，对生态服务功能价值的空间尺度特征进行了初步分析。
其次，基于喀斯特植物的适生机制,研究了喀斯特峰丛洼地典型森林生态系统植物群落与环境属性的空间格局以及两者之间的耦合关系，重点探讨了植物群落对人为干扰的响应，揭示了植被对喀斯特高度异质性生境的适应与维持机理，由此提出了不同干扰强度下喀斯特生态系统服务功能恢复的综合调控途径。
第三，从土壤有机碳、土壤微生物多样性的角度，对人为活动与喀斯特生态系统土壤服务功能的关系进行了研究。发现自然条件下喀斯特背景发育的石灰土有机碳含量高于地带性红壤，但农业耕作土壤两者没有显著差异；喀斯特区土壤有机碳密度和储量红壤低。添加外源有机碳分别使红壤、棕色石灰和黑色石灰土原有机碳矿化产生正、负和无激发效应；而红壤和棕色石灰土有机碳矿化对添加外源钙的响应比黑色石灰土敏感。退化生态系统土壤细菌类群数比原生林多，但细菌的遗传多样性比原生林低；随着植被的正向演替，植被多样性增加，土壤细菌代谢功能增强，且土壤真菌与细菌遗传多样性显著正相关；土壤pH、全氮和碳氮比是决定土壤微生物学性质的主要因素。研究揭示了人为活动对喀斯特土壤有机碳积累和土壤微生物多样性的影响机制，从土壤养分变异特征及营养成分的角度对喀斯特地区不同土地利用方式及不同开垦时间的顶坛花椒和白刺花生态系统的服务功能进行了详细解剖，提出通过种植喀斯特本土植物结合接种相应的优势微生物作为恢复喀斯特退化生态系统的措施之一。
第四，研究揭示喀斯特坡地降雨入渗产流及土壤侵蚀过程以“垂直漏失”为主，地表径流系数＜5％，坡面年均侵蚀产沙模数＜10-30t/km2；地表侵蚀产沙甚微，喀斯特坡地土壤稳定入渗率具有随碎石体积含量和坡度的增大而增大的趋势。为适应喀斯特生境土层浅薄、土壤储水量低、地表水缺乏的特点，深根系植物主要通过根系深扎来利用裂隙/裂缝中的水分养分，浅根系植物主要通过提高水分利用效率来适应干旱环境。从而为根据种植植物种类和生态环境特征制定植物种植技术措施，实现喀斯特退化生态系统植被恢复和生态系统服务功能的调控提供了技术基础。
第五，将适应型景观生态设计原理运用到典型喀斯特峰丛洼地进行实例设计研究，建立反映小尺度景观结构和功能的喀斯特峰丛洼地景观生态分类系统，将景观变化数据与生态过程数据相结合，综合分析农户行为偏好和政策因素影响下的景观格局要素之间的优化关系，基于峰丛洼地景观要素和水土过程进行合理的景观格局优化配置预案多目标评价，提出适应型景观生态设计。
课题执行以来，课题组培养相关学科带头人2名（研究员）、研究骨干3名（副研究员），培养硕士和博士毕业研究生25名，其中博士毕业生11人，硕士毕业生14人，研究队伍的整体创新能力得到了大幅提高。发表SCI论文7篇、EI论文4篇、CSCD论文55篇；培养毕业研究生25人，完成既顶目标。
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