科学通报 | 我国学者揭示喀斯特碳酸盐岩风化双阈值效应，为西南石漠化区农业-生态协同调控提供新方案|中国科学院|喀斯特|石漠化|碳酸盐岩风化

近日，贵州大学、中国科学院地球化学研究所白晓永教授团队联合国内多家科研单位，在亚热带喀斯特碳酸盐岩风化与农业-生态系统耦合机制研究中取得重要突破。相关研究成果以“碳酸盐岩风化对亚热带农业可持续性和生态系统稳定性的影响及其分区调控”为题，发表于《科学通报》。该研究系统揭示了碳酸盐岩化学风化对农业可持续性与生态系统稳定性的“双刃剑”效应，精准识别了关键调控阈值，构建了差异化的分区调控方案，为我国西南喀斯特地区石漠化治理、生态保护修复与农业可持续发展提供了关键科学支撑。

背景介绍

中国西南亚热带喀斯特区是全球面积最大、连续性最强的裸露型喀斯特分布带，覆盖西南8省（区），既是长江、珠江上游的重要生态安全屏障，也是我国南方关键的农业主产区，承载着近2亿人口的农业生产需求。该区域土层浅薄、成土速率极低、水土漏失严重，生态系统高度脆弱，“高强度土地利用-弱土壤发育”的结构性矛盾长期制约着区域农业发展与生态安全。

碳酸盐岩化学风化是维系该区域土壤形成、生态稳定与农业可持续性的核心地质过程。适度的风化可补充土壤养分、改善水文条件，而风化过度或不足则可能引发土壤退化、石漠化加剧等一系列问题。长期以来，生态学、农业学、地质学在该领域的研究呈现明显的学科分割特征，学界对风化过程在农业-生态系统中的双重效应、阈值边界与调控机制缺乏系统量化，严重制约了喀斯特地区生态保护与农业发展的协同推进。

成果展示

针对这一关键科学问题，研究团队以中国亚热带喀斯特核心区为研究对象，基于2000~2020年多源遥感与地面观测数据，结合机器学习与热力学溶蚀模型，构建了高分辨率碳酸盐岩化学风化速率数据集，系统解析了风化过程的时空动态演变规律。研究发现，2000~2020年间，研究区平均风化速率以年均0.38 mm ka-1显著增长，空间上呈现“东南高、西北低”的分布格局，广西、贵州与湖南三省区贡献了研究区63.9%的风化总量，凸显了西南喀斯特区域在全球碳酸盐岩风化过程中的核心地位。

研究团队首次在区域尺度上，量化了碳酸盐岩风化对农业可持续性与生态系统稳定性的非线性调控效应，识别出两个关键临界阈值：农业可持续性的临界阈值为33.1 mm ka-1，生态系统稳定性的临界阈值为29.55 mm ka-1。当风化速率低于阈值时，风化过程以养分供给、生境改良的正向效应为主，研究区内89.6%的区域风化与农业可持续性呈正相关，70%的区域风化与生态系统稳定性呈正相关；而当风化速率超过阈值后，风化的主导效应转变为土壤漏失、石漠化加剧的负面胁迫，在广西、湖南中部等高风化速率区，形成了显著的“高风化-低可持续性”集聚特征。这一发现打破了传统认知中“风化有益或有害”的单一结论，系统阐明了风化过程的“双刃剑”效应与动态转换机制。

在此基础上，研究团队基于双阈值分析结果，整合风化速率空间格局、农业可持续性水平及生态系统稳定性状况，通过空间叠置分析，将研究区划分为农业优化区、生态保育区、生态-农业协同区、生态修复区四大功能分区（图1）。针对各分区的核心矛盾与功能定位，团队提出了“养分调控-生态保育-系统平衡-退化修复”的差异化、可落地的调控策略，形成了从科学问题识别到分区调控实施的完整技术路径，兼具科学性与实践指导性。

图1 碳酸盐岩风化过程的精准调节分区.

(a) 生态过程调节分区; (b) 农业优化区; (c)生态保育区; (d) 生态-农业协同区; (e) 生态修复区

综上，该研究不仅丰富了喀斯特地质过程与农业-生态系统耦合研究的理论体系，也为全球脆弱喀斯特地区应对气候变化、协调农业发展与生态保护提供了可借鉴的中国方案与科学依据。

本文第一作者兼通讯作者为白晓永，贵州大学教授、中国科学院地球化学研究所研究员，研究团队长期致力于喀斯特生态环境、碳酸盐岩风化与碳循环、石漠化治理、生态系统安全调控等领域的研究，取得了一系列具有国际影响力的研究成果。研究团队联合了中国科学院华南植物园、东北林业大学、北京林业大学、北京师范大学、贵州师范大学等国内10余家科研单位的学者共同完成此项研究。

本研究得到了国家自然科学基金联合基金（U24A20579、U22A20619）、贵州大学自然科学专项（国家级领军人才）科研基金项目、贵州省省级科技计划项目、贵州省高层次创新型人才项目等多项基金的资助与支持。