喀斯特区域水循环过程与其他地区存在显著区别,其水供给服务也具有独特的空间分布特征.然而,目前针对喀斯特地区产水量的时空变化研究较少考虑喀斯特生态系统的特殊性,导致产水量的空间模拟结果存在一定偏差.根据喀斯特地貌形态和地下水补径排泄特征提出了一种产水量分割方法,并基于水量平衡原理建立了地表水与地下水分割校正概念模型.选取喀斯特山区典型区域漓江流域为研究区,通过上述方法校正了 InVEST模型产水量模拟结果,从栅格、地貌分区和子流域3个尺度分析了漓江流域2000-2020年产水量校正前与校正后时空分布格局.研究结果表明:(1)漓江流域2000-2020年InVEST模型产水量呈现先减后增再减的趋势,水供给服务空间分布格局为北高南低.产水深度在岩溶区和非岩溶区几乎没有差异,但在岩溶区内部差异明显:裸露型岩溶区产水深度高于覆盖型和埋藏型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地.子流域分区平均产水深度排序为漓江上游区＞漓江中游区＞恭城河区＞荔浦河区＞漓江下游区.(2)利用地表与地下水分割校正后,水供给服务空间分布格局为四周高于中部,西北部高于东南部.非岩溶区产水深度明显高于岩溶区,埋藏型岩溶区产水深度高于覆盖型和裸露型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地.子流域分区平均产水深度排序为漓江中游区＞漓江上游区＞恭城河区＞荔浦河区＞漓江下游区.(3)相比InVEST模型,考虑地表水与地下水分割校正的漓江流域产水量与实测径流量之间的偏差更小,其时空分布模拟结果更为准确地评估了喀斯特地区可利用水资源量.本研究可为水资源保护政策制订与生态补偿机制建立提供更合理的科学依据和数据基础.

以喀斯特峰丛洼地不同植被恢复阶段灌丛、次生林、原生林为研究对象,采用全挖法分析了各阶段4个优势种的根系构型参数,探讨该特殊生境条件下植物根系构型的差异性、相似性以及资源合理高效的利用方式.结果表明:(1)各个植被恢复阶段优势种拓扑指数T I均趋向于0.5,呈叉状分支结构,并表现为次生林(0.57)>原生林(0.49)>灌丛(0.46),有利于根系在贫瘠且浅薄的土壤环境中拓展生存空间.(2)3种植被恢复阶段优势种的根系平均连接长度在34.29 cm以上,平均为37.01 cm,增加连接长度对植物在养分贫瘠的喀斯特土壤环境的生存有利.(3)次生林根系分支率低于灌丛和原生林,这是不同植被恢复阶段优势种对环境所采取的不同适应策略.(4) 3种植被恢复阶段优势种根系的横截面积比均符合Leonardo da Vinci法则,且不随直径的变化而变化.(5)3种植被恢复阶段优势种在土壤养分、水分获取及土壤空间拓展方面没有显著差异性.研究认为,在喀斯特峰丛洼地异质性很强的生境下,3种植被恢复阶段优势种的根系均为叉状分支结构,且均以较长的连接长度和较低的分支率策略适应其特殊的生态环境.

以桂西北典型喀斯特峰丛洼地植被恢复过程中草丛、灌丛、次生林、原生林4个植被恢复阶段为研究对象,通过测定优势种的根际与非根际的土壤pH、养分含量及微生物多样性,探讨不同恢复阶段根际土壤养分的富集效应及土壤微生物多样性的变化特征.研究结果表明:(1)4个恢复阶段的根际与非根际土壤养分均呈现显著差异;土壤有效态养分较全量养分对植物根际微小的变化响应更为灵敏;大多数养分表现出明显的富集效应,AP和AK在原生林的富集率明显高于其他恢复阶段;(2)4个恢复阶段细菌Shannon-Wiener指数(H)、丰富度指数(S)均高于真菌,根际土壤细菌与真菌Shannon-Wiener指数(H)、丰富度指数(S)与Pielou均匀度(EH)都高于非根际土壤;(3)4个恢复阶段土壤TN分别与pH、SOC、AN呈极显著正相关(P＜0.01),磷素、钾素与土壤微生物多样性呈显著相关(P＜0.05).可研究结果为西南喀斯特脆弱区土壤生态功能恢复与植被恢复重建提供科学依据.

揭示当前多种因素驱动下聚落演变模式与功能转型的地域差异具有重要意义.通过长时间序列的高清影像数据,研究典型峰丛洼地区不同自然和社会经济条件下,近50年来,尤其最近10年乡村聚落在多重背景下的演变模式、内在机制,及其地域差异.结果发现:(1)研究区聚落分布分部主要受耕地、地形和道路的影响,聚落面积增长热点和聚落斑块增长热点的耦合关系存在区域差异;(2)聚落格局演变存在集聚与均匀分布两种趋势;(3)研究区聚落特征和演变的阶段性地域差异十分明显;(4)喀斯特山区聚落的规模变化、演变阶段和演变模式既存在一些共同性的特征,又有各自的差异性;(5)外部因素和聚落农户的自我调适是演化的主要驱动力.

以广西田东县峰丛洼地区域为研究对象,基于野外实地观测,构建了适宜的植被生态需水计算模型,估算了区域典型植物群落不同季节的植被生态需水及生态缺水定额,并分析了其主要影响因素.研究结果表明,4种优势植物群落的生态需水定额均是8月最大、1月最小;五节芒群落的生态需水定额最大,月均最大、适宜和最小需水定额分别为36.85、25.80 mm和23.95 mm,灰毛浆果楝最小,分别为23.99、16.80 mm和15.60 mm;生态缺水定额呈现出与生态需水一致的特征.植被生态需水定额与植被覆盖度、叶面积指数、空气温度和土壤容重呈极显著正相关(P＜0.01),而与田间持水量呈显著负相关(P＜0.05);植被覆盖度、土壤容重、土壤含水率和潜在蒸散4个指标是影响植被生态需水定额的主要因素.

基于定点回顾实验设计,通过对比分析2005年初(退耕还林还草初期)和2014年底典型喀斯特峰丛洼地小流域土壤碳氮格局变化,探讨石漠化治理工程实施后,植被恢复对土壤碳氮积累和碳氮空间格局的影响.研究结果发现:退耕还林还草10a后,示范区土壤有机碳(SOC)含量显著增加1.3g/kg,但土壤全氮含量无显著变化;就空间格局而言,退耕还林还草初期土壤碳氮高值聚类区主要分布在坡脚旱地和荒地(荒草)类型区,退耕还林还草10a后其高值聚类区主要分布在荒地(灌丛和荒草)类型区,而10a前后土壤碳氮的低值聚类区始终分布在洼地旱地类型区;2005年和2014年土壤有机碳半变异函数的拟合模型相同,均为球状模型,在退耕还林还草10a后空间异质性增强,土壤有机碳的空间格局受土壤母质和植被结构的影响增强;而土壤全氮半变异函数的拟合模型不同,由指数模型变为球状模型,在退耕还林还草10a后空间异质性减弱,土壤全氮的空间格局受随机因素影响增强.研究结果对石漠化区域土地利用结构的优化调整具有重要的科学参考和实践指导意义.

以喀斯特峰丛洼地不同植被恢复阶段的草丛、灌丛、次生林和原生林为研究对象,采用土芯法,分0～10、10～20、20～30 cm等3层获取群落活细根(直径≤2 mm),分析其生物量、形态特征及其与土壤性状的关系.结果表明:各恢复阶段细根生物量为194.63～255.19 g·m-2,集中分布在0～10 cm表层土壤中,占0～30 cm土层总生物量60％以上,不同恢复阶段群落生物量的差异不显著;细根比根长和比表面积在不同恢复阶段差异显著,随着植被由草丛向原生林正向恢复而逐渐降低;超过66％的根长和64％的根面积分布在0～10 cm表层土壤中,多数细根根长和根面积均在0～0.5 mm和0.5～1 mm径级,这两级根长和根面积占其总量的87％和72％以上.冗余分析表明,喀斯特峰丛洼地植物群落细根特征与土壤性状之间存在着不同的相关性,其中土壤有机碳、速效钾和全氮对细根特征影响较大.这是植物长期适应生境条件形成的有效策略.

桂西南喀斯特地区生物多样性丰富、特有种多,同时也是石漠化问题较为严重的区域.由于该喀斯特地区土层浅薄、岩石裸露、表层储水能力差,植物在干旱季节经常会受到水分胁迫.植物水力学特征不仅是探讨喀斯特地区植物的生理生态适应性的关键,还能够为石漠化地区的植被恢复提供重要参考.该研究测定了桂西南喀斯特季雨林17种代表性木本植物(包括不同生活型、叶片习性和生境)的木质部脆弱性曲线、最低水势、叶片膨压丧失点和边材密度等水力性状,结果发现:(1)喀斯特植物木质部导水率丧失50％时的水势值(P50)的种间差异较大(-0.51--2.51 MPa),其中常绿种的抗栓塞能力比落叶种强;(2)喀斯特植物的木质部水力安全边界值(最低水势与P50之间的差值)的均值为0.36 MPa,说明喀斯特森林植物在自然最低水势状况下木质部发生栓塞的程度较高;但是不同植物种间存在显著差异,这可能与喀斯特峰丛洼地生境的复杂性以及物种不同的抗旱策略有关;(3)由于喀斯特植物水分适应机制的多样化,导致木质部水力安全边界与叶片膨压丧失点、边材密度的相关性并不显著.在区域气候干热化的背景下,结合喀斯特植物的栓塞脆弱性和长期水势监测(尤其极端干旱事件)分析它们的水力安全,对预测未来喀斯特森林物种分布和群落动态具有重要的指示作用.

为了明确喀斯特峰丛洼地不同土地利用类型土壤水分对降水的响应,采用定位观测法,选择顺坡种植桂牧1号、顺坡种植玉米、封育、刈割除根、火烧、刈割6种喀斯特峰丛洼地最典型的土地利用方式,分析了这6种土地利用方式下土壤水分动态变化.结果表明:研究区2011—2013年的降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型.枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米,平水年和丰水年均表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米.封育和桂牧1号土地利用方式在各降水年型下均具有较高的水分含量,而种植玉米土壤含水量则最低,其次为刈割除根.降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>丰水年>平水年的趋势.不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中,土壤水分变化趋势各有特点,主要受近期降水和土壤蒸发的影响.封育和桂牧1号土壤水分含量高,两种土地利用方式能显著改善土壤水分状况,积蓄一定的水分.

我国西南喀斯特峰丛洼地区脆弱的生态环境与剧烈的人类活动导致石漠化现象以及生态功能退化,制约了区域生态-福祉耦合效益的提升.首先从数值变化与空间变异综合的角度,构建了融合均方根偏差法与地理探测器的生态系统服务空间权衡度指标,进而围绕喀斯特水源涵养-土壤侵蚀关系以及植被固碳-土壤侵蚀关系,在不同环境因子梯度下和地貌形态类型区内开展生态系统服务空间权衡度计算及其分异特征研究.环境因子梯度分析表明,由于植被显著的保持水土能力,水源涵养与土壤侵蚀之间的空间权衡度随植被覆盖度的增大而逐渐减小;地形因子对地表水土过程与植被功能影响深刻,植被固碳和土壤侵蚀之间的空间权衡度随海拔和坡度的升高而逐渐增大,1000 m以上中海拔以及陡坡地区的空间权衡度是低海拔与缓坡地区的4—6倍.地貌形态类型区的统计结果显示,地貌特征对生态系统服务之间的空间权衡关系具有宏观控制作用,植被固碳-土壤侵蚀之间的空间权衡度随地形起伏度的升高而逐渐增大,具体为:中海拔平原＜中海拔台地＜中海拔丘陵＜小起伏中山＜中起伏中山,水源涵养与土壤侵蚀之间则成相反趋势.因此,今后在以生态系统服务协同提升为目标的喀斯特石漠化治理工作中,应强调环境因子作用程度的空间差异以及地貌形态特征的宏观控制作用.