陳 喜 ，張志才

（1. 天津大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 天津 300072；2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098）

0 引 言

喀斯特地表水和地下水循環(huán)及其水資源具有獨(dú)特的時(shí)空分布特征，喀斯特水在人類社會(huì)生存和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。全球喀斯特面積約2 200 萬(wàn)km2（占地球陸地面積15%），為世界約1/4 的人口提供飲用水源[1]。在我國(guó)濕熱的西南喀斯特地區(qū)廣泛分布的質(zhì)純堅(jiān)硬碳酸鹽巖，喀斯特關(guān)鍵帶中CO2-H2O-CaCO3活躍的生物與化學(xué)過(guò)程形成密集發(fā)育的巖溶微形態(tài)以及裂隙和管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，導(dǎo)致喀斯特流域不閉合，地表、地下水文和水動(dòng)力過(guò)程以及流域物質(zhì)、能量平衡計(jì)算復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、承災(zāi)能力弱等脆弱性特征[2-4]。

我國(guó)自開展綠色生態(tài)工程、大規(guī)模退耕還林等生態(tài)保護(hù)措施以來(lái)，植被生態(tài)系統(tǒng)在歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)退化和生態(tài)赤字后已發(fā)生歷史性轉(zhuǎn)變。西南喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)已從大規(guī)模石漠化向植被顯著恢復(fù)階段演變，但植被恢復(fù)程度呈現(xiàn)顯著空間差異，一些地區(qū)生態(tài)恢復(fù)措施未能達(dá)到預(yù)期成效，局部地區(qū)生態(tài)仍處于退化階段、水土流失等環(huán)境災(zāi)害仍在加劇[5-7]，引發(fā)對(duì)目前人工控制恢復(fù)模式和恢復(fù)潛力的質(zhì)疑。受損的生態(tài)系統(tǒng)從退化到恢復(fù)階段的生態(tài)環(huán)境演變不是完全可逆過(guò)程，生態(tài)退化導(dǎo)致的石漠化過(guò)程水土狀態(tài)短時(shí)段難以逆轉(zhuǎn)。此外，氣候變化可能導(dǎo)致極端洪旱事件的增加[5]，從而影響植被自然演替和植被群落的穩(wěn)定性。因此，在綠色發(fā)展理念以及全球變化背景下迫切需要解答未來(lái)植被恢復(fù)前景及其生態(tài)水文效應(yīng)，如植被恢復(fù)潛力有多大，植被恢復(fù)“調(diào)水”、“增效”的生態(tài)水文效應(yīng)，即表土/裂隙水分、養(yǎng)分漏失是否減少，賦存能力是否增強(qiáng)？減少或增強(qiáng)程度有多大？

回答上述問(wèn)題需要在跨越較大的時(shí)間尺度上（如百年以上）解析喀斯特地區(qū)水循環(huán)過(guò)程與陸表生態(tài)、土壤和巖溶發(fā)育協(xié)同演化機(jī)理（圖1，圖2）。21世紀(jì)初建立的地球關(guān)鍵帶科學(xué)（the Earth's critical zone，CZO)[8]，提出了多學(xué)科合作、系統(tǒng)觀測(cè)表層地球系統(tǒng)（風(fēng)化殼底部-植物冠層）發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過(guò)程，以解釋地球關(guān)鍵帶演替模式以及維持地球關(guān)鍵帶功能的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，更好地模擬和預(yù)測(cè)表層地球系統(tǒng)演化及其對(duì)水、土資源可持續(xù)利用的影響[9]。水文學(xué)也提出流域協(xié)同演變理念，旨在通過(guò)研究流域空間特征（土壤序列、坡面形態(tài)、河網(wǎng)、植被分布）及其驅(qū)動(dòng)和控制要素（氣候、基巖風(fēng)化和構(gòu)造隆升）的變化與水文動(dòng)態(tài)的互饋機(jī)理，發(fā)展流域協(xié)同演化的多過(guò)程耦合模型，提高水文演變預(yù)測(cè)精度[10]。因此，喀斯特水文需突破傳統(tǒng)以地表水和地下水的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、相互轉(zhuǎn)化關(guān)系以及化學(xué)性質(zhì)和水資源評(píng)價(jià)為核心的研究范疇，生態(tài)水文學(xué)需要將大氣-植被-土壤系統(tǒng)（SPAC）拓展至大氣-植被-土壤-巖石系統(tǒng)（圖2 中SRPAC），從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度研究SRPARC 中水分、能量交互作用機(jī)制及其結(jié)構(gòu)和組成的演變機(jī)制。袁道先先生提出的巖溶動(dòng)力學(xué)，為喀斯特地區(qū)踐行當(dāng)代地球關(guān)鍵帶科學(xué)實(shí)踐提供了科學(xué)指導(dǎo)思想和研究范式。通過(guò)研究巖溶系統(tǒng)內(nèi)碳、水、鈣循環(huán)為主的物質(zhì)、能量傳輸、轉(zhuǎn)換機(jī)制，為揭示喀斯特水循環(huán)過(guò)程與陸表生態(tài)系統(tǒng)以及地貌的形成和演化規(guī)律，探尋解決喀斯特地區(qū)當(dāng)今人類社會(huì)面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，水資源和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用途徑[11]。

本文結(jié)合我國(guó)西南巖溶地區(qū)大量科學(xué)研究成果，從喀斯特關(guān)鍵帶科學(xué)視角，論述喀斯特植被、土壤和巖石組織結(jié)構(gòu)與水文和生態(tài)水文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)模擬的研究進(jìn)展及發(fā)展；基于巖溶動(dòng)力學(xué)理論，闡述喀斯特地區(qū)碳、水、鈣循環(huán)下表層巖溶帶與水文協(xié)同演變機(jī)制及發(fā)展途徑，為全球氣候變化和綠色發(fā)展形勢(shì)下喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供支撐。

1 喀斯特生態(tài)水文學(xué)發(fā)展

生態(tài)水文是維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性、重建退化生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)研究水文-生態(tài)互饋機(jī)理，即水文過(guò)程如何影響生態(tài)群落分布、結(jié)構(gòu)、功能變化，以及生態(tài)系統(tǒng)演變又如何反饋于水文過(guò)程（產(chǎn)生的水文效應(yīng)），通過(guò)對(duì)流域內(nèi)水文和生態(tài)系統(tǒng)的共同調(diào)控，生態(tài)水文可以為流域水、生物多樣性、生態(tài)服務(wù)以及對(duì)氣候變化的適應(yīng)性四個(gè)方面提供科學(xué)支撐[12]。

1.1 西南喀斯特地區(qū)覆被變化及生態(tài)水文效應(yīng)

我國(guó)西南喀斯特生態(tài)環(huán)境經(jīng)歷了大規(guī)模植被退化、人工恢復(fù)、自然演替三個(gè)階段（圖3）。在20 世紀(jì)80 年代之前，受高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響，生態(tài)系統(tǒng)退化、水土流失嚴(yán)重，約1/4 面積（13 萬(wàn)km2）呈現(xiàn)基巖裸露的石漠化景觀。自20 世紀(jì)80 年代中期采取一系列石漠化治理工程，特別是2000 年實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，人為干擾顯著減少，生態(tài)恢復(fù)總體顯著[7]，但恢復(fù)程度區(qū)域差異顯著，有的石山封山后幾年即可恢復(fù)植被，而有的石漠化地區(qū)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的封育保護(hù)仍無(wú)法形成森林[13]，導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是支撐覆被恢復(fù)的水土等條件發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。石漠化階段呈現(xiàn)植被退化＞土壤流失、質(zhì)量下降＞水分滯蓄能力降低＞植被原有的立地條件不復(fù)存在，植被群落處于逆向演替＞水賦存的二元結(jié)構(gòu)被破壞，水分賦存環(huán)境逐漸向干旱化發(fā)展的惡性循環(huán)[14]，表層巖溶帶對(duì)巖溶管道泉調(diào)蓄能力減弱，泉水動(dòng)態(tài)隨降雨動(dòng)態(tài)變化更為迅速，不穩(wěn)定性增強(qiáng)[15]。石漠化嚴(yán)重地區(qū)即便人為干擾減輕，次生植物群落仍長(zhǎng)期停留在草叢或灌木林階段，很難向森林植被演替。目前采用的退耕還林-蓄水保土-人工造林恢復(fù)植被模式[16]，有的石山地區(qū)引種某種經(jīng)濟(jì)作物第一年豐收后第二年即退化、或蔓延開來(lái)抑制其它作物生長(zhǎng)[13]，引發(fā)對(duì)人工控制恢復(fù)模式和人工植被穩(wěn)定性的質(zhì)疑。

大范圍人工植樹造林增加了流域水分蒸發(fā)消耗（“綠水”），如全球范圍內(nèi)大量草地被森林取代導(dǎo)致蒸散量增加30%[17]，減少河川徑流量等可利用水資源量（“藍(lán)水”）。在降水量較小的干旱、半干旱地區(qū)，當(dāng)人工植被超過(guò)某一臨界值時(shí)，將導(dǎo)致覆被增加＞蒸騰耗水增大＞土壤含水量降低＞抑制植被生長(zhǎng)。在降水量豐沛的非喀斯特濕潤(rùn)區(qū)，陸表土壤水分賦存、調(diào)蓄能力強(qiáng)，植被恢復(fù)呈現(xiàn)良性生態(tài)水文效應(yīng)：植被恢復(fù)＞蒸騰耗水增大＞土壤水分調(diào)蓄能力增強(qiáng)＞促進(jìn)植被生長(zhǎng)，水資源承載力增強(qiáng)。西南巖溶地區(qū)降雨量豐沛，但表土持水能力弱，且成土速率慢，在石漠化地區(qū)采用人工植被恢復(fù)措施或調(diào)節(jié)水土資源等措施，能否形成或多大程度上形成促進(jìn)植被恢復(fù)的良性生態(tài)水文效應(yīng)，即由草叢向頂極階段正向演替＞表土/裂隙水分賦存增強(qiáng)＞植物群落穩(wěn)定性增強(qiáng)的循環(huán)[18]，仍不明晰。

在植被恢復(fù)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程中，隨著人工控制恢復(fù)向植被自發(fā)演替方向發(fā)展，全球氣候變化對(duì)生態(tài)水文過(guò)程影響將日益顯著。至20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，西南喀斯特地區(qū)氣候變化呈現(xiàn)溫度顯著升高（0.16 ℃/10 年）[19]，以及降水雨季雨強(qiáng)日趨增大、無(wú)雨時(shí)間增長(zhǎng)趨勢(shì)[20]，未來(lái)氣溫升高可能導(dǎo)致極端洪澇、干旱事件進(jìn)一步增加[21]。氣溫升高增強(qiáng)植被光合作用和水分利用，干旱等極端降水事件導(dǎo)致的植被水分匱缺阻礙植被生長(zhǎng)和光合作用，大氣中CO2增加的施肥效應(yīng)促進(jìn)植被生長(zhǎng)，進(jìn)而影響土壤水分、蒸散發(fā)和徑流等水文過(guò)程，因此，生態(tài)水文學(xué)研究需要拓展至大氣-水文-生態(tài)之間互饋?zhàn)饔肹22]。持水能力弱的南方喀斯特地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)功能變化幅度對(duì)氣溫、降水量變化響應(yīng)明顯大于非喀斯特區(qū)，且森林、灌叢、草地不同植被類型對(duì)氣候變化響應(yīng)、自我修復(fù)能力、抗旱抗?jié)炒嬖诓町怺3]。濕熱的西南喀斯特地區(qū)，生態(tài)景觀演變?cè)诙啻蟪潭壬鲜茏匀缓腿藶橐蛩赜绊?，引發(fā)生態(tài)退化和恢復(fù)進(jìn)程中驅(qū)動(dòng)因素的爭(zhēng)議，如石漠化發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中自然和人為雙重作用的程度，當(dāng)今大規(guī)模覆被增加的悖論（極端干旱事件的增加預(yù)期降低植被覆蓋率，但植被覆蓋率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)）[23]。在植被向自發(fā)演替方向發(fā)展階段，迫切需要回答未來(lái)氣候變化對(duì)植被自然演替的影響程度，預(yù)測(cè)植被群落的穩(wěn)定性和恢復(fù)的可持續(xù)性，這也是全球綠色發(fā)展關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[24-25]。

1.2 表層巖溶帶結(jié)構(gòu)與植被水分利用

喀斯特地區(qū)SRPAC 系統(tǒng)（圖1）中水分、能量交互作用控制生態(tài)水文動(dòng)態(tài)變化。淺薄的土壤儲(chǔ)蓄的水分一般不足以維持植物生存和生長(zhǎng)水分消耗的水庫(kù)，在土壤/巖石交錯(cuò)的垂直巖溶帶底部或相對(duì)阻水巖層上部（即表層巖溶帶），雨季或雨后具有一定的水分滯蓄能力[26]，成為支撐植被生長(zhǎng)、植被抵御干旱的重要水分來(lái)源[27-28]。因此，表層巖溶帶含水介質(zhì)的構(gòu)成和尺度控制植被對(duì)表層巖溶水獲取的比例和水量[27]。

喀斯特地區(qū)表層巖溶帶裂隙發(fā)育有利于水分滯蓄，但表土和表層巖溶帶滯蓄水能力（約為40 mm）[27]遠(yuǎn)比濕潤(rùn)的非喀斯特地區(qū)土壤蓄水能力?。?20 mm左右），植物為適應(yīng)特殊的喀斯特環(huán)境，其生理特征具有一系列旱生特點(diǎn)。大部分根系位于近地表淺薄處，地下生物量低。如對(duì)廣西三種典型喀斯特生境（淺薄土壤、裸巖和松散的石灰土）的喬木和灌木根系調(diào)查表明，生長(zhǎng)在巖石裂隙中植物最大生根深度灌木不超過(guò)40 cm、喬木不超過(guò)120 cm[29]。對(duì)茂蘭地區(qū)喀斯特植被根系生物量調(diào)查表明，無(wú)論是細(xì)根和小根（根徑＜5 mm）、中根（5～10 mm），還是粗根（＞10 mm），其生物量的97.9%分布于地下10 cm 的垂直空間內(nèi)[30]。根系生物量的分配和分布格局反映了其對(duì)水分虧缺、土壤養(yǎng)分貧乏的適應(yīng)。由此，表層巖溶帶不同小生境類型的水分、土壤狀態(tài)形成不同的植被演替格局，如黔中地區(qū)6 種表層巖溶帶（石面、石縫、石溝、石洞、石槽、土面）中，植被群落恢復(fù)（草叢＞草灌＞藤刺灌叢＞次生喬林＞常綠闊葉林）石面面積最大，土面、石溝、石縫次之，面積最低的是石槽和石洞[31]。

1.3 喀斯特生態(tài)水文模型

流域生態(tài)水文模型是模擬和預(yù)測(cè)氣候變化和人類活動(dòng)影響下生態(tài)水文演變的有效手段。近年來(lái)，生態(tài)水文模型得到長(zhǎng)足發(fā)展，從覆被變化對(duì)蒸散發(fā)、根系吸水、冠層能量傳輸模擬和預(yù)測(cè)功能，發(fā)展到水文與植被生理生態(tài)動(dòng)態(tài)過(guò)程（如光合作用-氣孔行為-蒸騰作用）相耦合的模型，增強(qiáng)了全球和流域尺度上大氣、植被和水循環(huán)過(guò)程模擬功能，廣泛應(yīng)用于土地利用與氣候變化下生態(tài)水文效應(yīng)評(píng)估[32]。

適用于喀斯特地區(qū)的生態(tài)水文模型還很缺乏，主要是喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的高度異質(zhì)性，水流運(yùn)動(dòng)可呈現(xiàn)基質(zhì)達(dá)西流、大裂隙和管道中紊流特征，各種水流成分的流速或滯時(shí)相差極大（如水力傳導(dǎo)度在10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上）[33]。對(duì)此，水文學(xué)、地球化學(xué)、巖土工程等學(xué)科發(fā)展了一系列定量表述巖溶水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型。模型結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單的等效多孔介質(zhì)模型，發(fā)展到孔隙、裂隙和管道的雙重以及三重介質(zhì)水流運(yùn)動(dòng)模型。但該類基于巖溶水動(dòng)力的模型應(yīng)用需要詳細(xì)的裂隙、管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息，因此，應(yīng)用于較大尺度流域含水層水動(dòng)力過(guò)程模擬和預(yù)測(cè)還存在很大的不確定性。

另一種是基于水文學(xué)水熱平衡計(jì)算途徑，如張志才等[34]基于分布式植被-土壤-水文模型（DHSVM）中分層水平衡計(jì)算方法，增強(qiáng)根系層中表層巖溶帶以及地表河和地下河水流演算功能，模擬和預(yù)測(cè)陳旗流域氣候和覆被變化對(duì)植被耗水（蒸散發(fā)）影響，但該類模型基于遙感植被動(dòng)態(tài)作為模型輸入，不具有植被-水分動(dòng)態(tài)互饋功能。近年來(lái)基于碳水循環(huán)機(jī)理建立的全球植被動(dòng)態(tài)模型（Lund Potsdam-Jena，LPJ），具有植被動(dòng)態(tài)與水、碳等耦合機(jī)制，但流域水文過(guò)程過(guò)于概化，更缺乏對(duì)喀斯特裂隙、管道等多重水流模擬功能。對(duì)此，蔡練斌等[35]基于LPJ 模型，增加模型對(duì)表層巖溶帶滯蓄水分模擬功能，初步實(shí)現(xiàn)喀斯特地區(qū)植被-水文動(dòng)態(tài)耦合模型構(gòu)建。應(yīng)用于三岔河流域兩種巖性區(qū)（碳酸鹽巖和碎屑巖），根據(jù)土壤和表層巖溶帶水力參數(shù)（滲透系數(shù)、滯蓄水量等）以及典型植被（溫度針葉常綠林、溫度闊葉常綠林、溫度闊葉夏綠林、灌木、草（C3））功能性參數(shù)，對(duì)比2000 年代實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程覆被指數(shù)（NDVI和LAI）以及預(yù)測(cè)的潛在植被指數(shù)差異及其水資源效應(yīng)，得出目前植被狀態(tài)僅達(dá)到恢復(fù)潛力的25%左右，當(dāng)植被自然恢復(fù)至頂級(jí)狀態(tài)時(shí)，將導(dǎo)致徑流量減少11.2%。

由于喀斯特地區(qū)植被、土壤、巖石裂隙發(fā)育空間的異質(zhì)性大，上述建立的生態(tài)水文模型對(duì)植被根系層滲透系數(shù)和滯蓄水分能力參數(shù)概化，還不足以描述不同類型植被根系分布與土壤、裂隙和管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，覆被恢復(fù)對(duì)水分調(diào)節(jié)能力的影響還有待研究。

2 基于巖溶水動(dòng)力學(xué)理念的喀斯特水文學(xué)發(fā)展展望

雖然不同學(xué)科針對(duì)喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和組成及其對(duì)水文和生態(tài)的影響取得了大量定性認(rèn)識(shí)或（半）定量化研究成果，但還缺乏將這些不同領(lǐng)域研究成果提升至以碳-水-鈣物質(zhì)循環(huán)及其與氣候、生態(tài)協(xié)同演變的系統(tǒng)性研究水平。為此，筆者認(rèn)為需要在下列幾個(gè)方面發(fā)展喀斯特生態(tài)水文學(xué)。

2.1 加強(qiáng)對(duì)喀斯特植被、水文與表層巖溶帶協(xié)同演變機(jī)理研究

喀斯特表層巖溶帶的形成本質(zhì)上是水中CO2與可溶性碳酸鹽巖長(zhǎng)期水巖作用的結(jié)果。研究表明，西南喀斯特地區(qū)溶蝕速率大，如桂林地區(qū)碳酸巖溶蝕速率近90 mm·ka-1[36-37]，石林地區(qū)的綜合溶蝕率為32～73 mm·ka-1[38]，地下溶蝕速率為地上溶蝕速率的2～3 倍[39]。伴隨著日益顯著的氣候變化（干濕交替和酸雨加劇、CO2濃度升高等）和人類活動(dòng)影響，近地表溶蝕作用日益顯著，進(jìn)而導(dǎo)致表層巖溶帶裂隙、管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其水分運(yùn)動(dòng)和賦存能力發(fā)生顯著變化。在植被長(zhǎng)期演變（如草本群落恢復(fù)至頂極群落經(jīng)歷近百年尺度[40]）過(guò)程中，溶蝕可導(dǎo)致隙寬從mm 級(jí)至cm 級(jí)，滲透系數(shù)從小于10-6m·s-1增大到10-3m·s-1以上，水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)可從層流轉(zhuǎn)化為紊流[1]。溶蝕作用將導(dǎo)致裂隙網(wǎng)絡(luò)不斷向深部發(fā)育，地表形成負(fù)地形和土壤覆蓋的洼地[41]。地下巖石裂隙溶蝕越快，上覆負(fù)地形發(fā)育速度越快。

隨著表層巖溶帶裂隙和管道發(fā)育程度加大，表層滯蓄水分下移，迫使植被根系改變其耗水策略以及耗水深度與范圍，以應(yīng)對(duì)水分脅迫[42]。同時(shí)植被根系對(duì)巖石裂隙的根劈作用[43]、植被及其生物作用產(chǎn)生的CO2增強(qiáng)水-巖作用[44]，進(jìn)而可促進(jìn)表層巖溶帶裂隙發(fā)育和對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用。這些作用強(qiáng)度受植被種類、生長(zhǎng)發(fā)育、根徑大小、根系密度以及延伸范圍等多種因素影響[45-46]。

因此，利用巖溶動(dòng)力學(xué)理論，加強(qiáng)SRPAC 系統(tǒng)內(nèi)多要素、多過(guò)程之間協(xié)同演化研究，是認(rèn)知喀斯特地區(qū)水土資源演變趨勢(shì)和植被恢復(fù)潛力、乃至喀斯特地貌形成演化的關(guān)鍵[47]。

2.2 創(chuàng)建喀斯特生態(tài)水文與表層巖溶帶協(xié)同演變的動(dòng)力學(xué)模型

強(qiáng)力溶蝕作用下表層巖溶帶裂隙、管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其水分運(yùn)動(dòng)和賦存能力的變化，使得生態(tài)水文模擬和預(yù)測(cè)中的假設(shè)（如假設(shè)表層巖溶帶結(jié)構(gòu)儲(chǔ)水、導(dǎo)水系數(shù)等穩(wěn)定不變或已知）[8，10]不再成立，因此，需要建立考慮喀斯特地區(qū)植被-水文-生態(tài)-土壤/巖石之間的相互作用動(dòng)力學(xué)模型。

喀斯特地區(qū)水-巖間的相互作用及建模涉及多個(gè)物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，主要包括滲流場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)等。碳酸鹽巖溶解和沉淀不僅受巖石接觸的水量和水流動(dòng)力條件控制，其溶蝕速率還受巖性、CO2分壓、pH、溫度等多種因素控制[48]。自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，發(fā)展了一系列考慮復(fù)雜裂隙形態(tài)中水動(dòng)力和水化學(xué)過(guò)程的溶蝕動(dòng)力模型，如區(qū)分固相表面與均勻溶液區(qū)之間的擴(kuò)散邊界層，以及均勻溶液區(qū)溶質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散作用的PWP 模型和DBL 模型，應(yīng)用于方解石溶解或沉積速率的模擬和預(yù)測(cè)[49]；考慮裂隙粗糙面引起速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的時(shí)空變化，建立時(shí)變局部動(dòng)區(qū)-不動(dòng)區(qū)（非費(fèi)克）比例的瞬態(tài)蓄量模型(FSTS)，定量分析動(dòng)區(qū)-不動(dòng)區(qū)溶質(zhì)濃度變化對(duì)穿透曲線的影響[50-51]。

上述模型已應(yīng)用于特定條件下巖溶含水系統(tǒng)的演化及其對(duì)巖溶泉變化的影響模擬。如毛亮等[52]基于生成的灰?guī)r含水層隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)特定降水、初始裂隙狀態(tài)等條件下，模擬巖溶含水系統(tǒng)溶蝕的主要部分、巖溶泉匯流管道的隙寬變化等。王云等[53]基于地下水滲流和碳酸鹽溶蝕數(shù)值模型，模擬均質(zhì)和非均質(zhì)巖溶盆地含水系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程，得出在大裂隙網(wǎng)導(dǎo)水作用下3ka 后非均質(zhì)盆地比均質(zhì)盆地的孔隙率增幅大34%。Wang 等[50]通過(guò)研究碳酸巖裂隙的化學(xué)溶蝕演化過(guò)程，推導(dǎo)出裂隙滲透系數(shù)隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)的規(guī)律。

國(guó)際上已初步建立了具有巖溶裂隙管道及地貌演變模擬和預(yù)測(cè)功能的模型，代表性的是Liedl 等[54]建立的碳酸巖溶蝕過(guò)程與水動(dòng)力過(guò)程耦合模型（CAVE），具有模擬表層巖溶帶裂隙、管道擴(kuò)展過(guò)程功能。Bauer 等[55]利用該模型反演出裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)樹枝狀和網(wǎng)狀形態(tài)的水動(dòng)力條件。Fleurant 等[47]在地貌演化模型（CHILD）中耦合CAVE 模型，模擬出喀斯特峰叢地貌演化的理想形態(tài)。

近年來(lái)，土壤和巖土工程學(xué)界在植被-裂隙-水流相互作用模型構(gòu)建方面開展了一系列探索性研究，如建立了考慮植物根系形狀的地下水滲流與地表徑流耦合運(yùn)移模型[56]；通過(guò)建立裂隙巖體植物根劈的物理模型和斷裂力學(xué)模型，模擬不同形狀的植物根系水力作用、根系膨脹力與裂隙巖體的斷裂破壞過(guò)程[45]；生態(tài)水文學(xué)通過(guò)建立植被根系發(fā)育特征與土壤特性和水力參數(shù)之間的物理表述，間接地反映植物的物理和生物化學(xué)作用對(duì)土壤、巖石裂隙以及入滲水的影響[57]。

由于喀斯特地區(qū)的裂隙發(fā)育和演化的非均質(zhì)性極強(qiáng)，建立具有不同大小和形態(tài)的裂隙、管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及多重水流狀態(tài)、復(fù)雜的物理和生物化學(xué)作用，能準(zhǔn)確反映這些空間異質(zhì)性特征的表層巖溶帶水流運(yùn)動(dòng)-溶質(zhì)運(yùn)移耦合模型，并將其應(yīng)用于實(shí)際，仍然極具挑戰(zhàn)性。

2.3 加強(qiáng)喀斯特地球關(guān)鍵帶生源要素綜合觀測(cè)和多學(xué)科交叉研究

喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的空間變異性和不確定性，針對(duì)少數(shù)區(qū)域和地點(diǎn)得到的定性和定量分析結(jié)果，不足以解析其結(jié)構(gòu)和組成演化的區(qū)域規(guī)律并建立具有普適性的定量表述方法[58]，難以推廣和應(yīng)用[59-60]。因此，國(guó)際上按氣候梯度、生態(tài)和地質(zhì)類型等建立了一系列地球關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以期得出全球變化下生具有普適性的態(tài)環(huán)境演變理論、方法。但針對(duì)喀斯特關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)還很缺乏，特別是在我國(guó)西南喀斯特地區(qū)，缺乏地球關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)布局。

對(duì)此，基于喀斯特地區(qū)陸表生態(tài)、地表和地下巖溶結(jié)構(gòu)等建立喀斯特關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)。針對(duì)降水豐富、溶蝕強(qiáng)力的南方喀斯特地區(qū)，確定適用于喀斯特關(guān)鍵帶多重水動(dòng)力下的生源要素、觀測(cè)頻次標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，綜合利用地球物理探測(cè)技術(shù)、地球化學(xué)分析技術(shù)[61]以及人工智能模擬技術(shù)，分析喀斯特地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)、能量循環(huán)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以此，可解答關(guān)鍵帶科學(xué)中提出的一系列關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：如能否通過(guò)對(duì)地球關(guān)鍵帶的類型進(jìn)行分類，提出量化關(guān)鍵帶的形態(tài)、功能和動(dòng)態(tài)變化普適性方法？如何根據(jù)關(guān)鍵帶科學(xué)中的數(shù)據(jù)同化來(lái)創(chuàng)新模型并提高預(yù)測(cè)的可靠性；植被冠層和深層基巖之間存在何種聯(lián)系與反饋機(jī)制，以及如何利用關(guān)鍵帶觀測(cè)站數(shù)據(jù)和模型推斷氣候、風(fēng)化和構(gòu)造的全球反饋?人為和自然的干擾對(duì)關(guān)鍵帶服務(wù)功能的演化影響？這些問(wèn)題的解答將促進(jìn)巖溶動(dòng)力學(xué)發(fā)展，進(jìn)而將推動(dòng)喀斯特生態(tài)水文學(xué)向多過(guò)程、多要素協(xié)同演變的發(fā)展，以提高喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)水文效應(yīng)預(yù)測(cè)的可靠性。

3 結(jié) 論

喀斯特地區(qū)針對(duì)不同學(xué)科和領(lǐng)域?qū)Υ髿?、水文、土壤和溶蝕以及生態(tài)等開展了大量研究，但還缺乏將這些片段化、孤立化研究提升至系統(tǒng)性研究水平。依據(jù)地球關(guān)鍵帶科學(xué)系統(tǒng)思維和多學(xué)科綜合研究范式，喀斯特地區(qū)生態(tài)水文學(xué)與碳-水-鈣循環(huán)為主的巖溶動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，研究生態(tài)水文與流域其他要素之間的協(xié)同演變機(jī)制，可重塑影響生態(tài)水文各個(gè)要素演變的歷史和現(xiàn)狀，將突破當(dāng)今水文學(xué)和生態(tài)水文學(xué)傳統(tǒng)假設(shè)，即模擬和預(yù)測(cè)生態(tài)水文過(guò)程時(shí)假設(shè)土壤、巖溶裂隙等過(guò)程穩(wěn)定不變或已知，以尋求適應(yīng)自然生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律，人類社會(huì)發(fā)展模式和資源可持續(xù)利用途徑。