量化歸因，探尋和諧： 黃土高原生態(tài)改善的求索

魯妮

“蒼黃原野囂張，山腳壑旁村莊。祖輩父輩墾荒，糧食飲水向蒼?！薄皷|亞細亞的腹地，一派空曠遼遠、觸目驚心的蒼黃。”“我家住在黃土高坡，四季風從坡上刮過……”

蒼冷的詩句、形象的描述、耳熟能詳?shù)母枨?，將我們的思緒帶往神秘的黃土高原?！包S天厚土大河長，溝壑縱橫風雨狂”，描述的就是黃土高原溝壑縱橫、地表破碎的典型地貌特征和天氣多變的氣象特點。

近年來，在各項政策和措施的推動下，黃土高原生態(tài)環(huán)境大幅改善。到底哪些措施、多大程度上讓黃土高原生態(tài)改善了？植被恢復的限度在哪里？這些都需要科學研究來為我們解答，要從科學的角度去評判和理解黃土高原各項治理措施的作用。

傅伯杰院士帶領團隊對黃土高原地區(qū)的生態(tài)展開了深入研究。早在2005年，傅伯杰院士就獲得過國家自然科學獎二等獎，當時的獲獎項目是《黃土高原土地利用與土壤侵蝕》。傅伯杰院士團隊不斷探索，把研究主題綜合拓展與深化。時隔15年，他牽頭的《黃土高原生態(tài)系統(tǒng)過程與服務》項目再次獲得2020年度國家自然科學獎二等獎（團隊成員：按照排名順序依次為傅伯杰院士、陳利頂研究員、呂一河研究員、馮曉明研究員、王帥教授）。

蒼涼成歷史，疑似到江南

廣義的黃土高原地區(qū)60余萬平方千米，風成堆積（地表風沙運動過程產(chǎn)生的堆積物）始于250萬年前，黃土厚度達數(shù)十米至兩三百米，歷史氣候冷暖干濕交替，自古以來就是文人墨客眼中的荒涼秘境。

歷史上各朝代為了抵御北方游牧民族侵擾，有過多次發(fā)動百姓和軍隊去黃土高原農(nóng)墾和戍邊的情況。隨著人口增加和土地開墾，黃土丘陵坡地上原生植被逐漸被破壞，形成大量坡耕地，土壤疏松，抗侵蝕能力弱，一遇到侵蝕性降雨就會發(fā)生嚴重的水土流失，大量黃土通過大小支流匯入黃河。

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員呂一河介紹，黃河輸沙量曾達到16億噸/年。而20世紀80年代以后，黃土高原地區(qū)的小流域綜合治理被提上日程，并進行了一定范圍的試驗示范及推廣。特別是2000年以來，“在退耕還林、還草的政策下，各種植被措施、工程措施聯(lián)合發(fā)力，近年來黃河的泥沙量被控制減少到2～3噸/年。”

黃土高原地區(qū)經(jīng)過多年的治理和發(fā)展，大部分坡耕地都退為林地或草地。蒼冷凄涼、滿目黃土的景象已成為歷史，取而代之的是綠油油的植被，以及降雨后云霧繚繞的山間、山下若隱若現(xiàn)的村莊和城鎮(zhèn)?！吧踔劣械娜巳チ撕蟾杏X仿佛到了江南?！眳我缓诱f，“歷史恰恰與當前形成了鮮明的對照，我們國家大力開展生態(tài)文明建設，中國生態(tài)狀況得到了很大的改善。黃土高原地區(qū)尤其明顯，它是近20年全國植被恢復效果最顯著的地區(qū)。”

那么黃土高原地區(qū)的生態(tài)為什么能夠得到修復呢？哪項措施貢獻更大？

泥沙減少量化歸因：黃河泥沙為什么減少了

九曲黃河萬里沙，黃河曾經(jīng)是世界上輸沙量最大的河流，其中90%以上的泥沙來源于中上游的黃土高原。一直以來，黃河治理的難題就是水少沙多，含沙量大。近20年來，在退耕還林還草、水土保持綜合治理、流域治理等措施下，黃河里的含沙量大幅度下降。

那么，哪些因素對泥沙減少起作用了呢？各項因素分別起了多大的作用呢？

傅院士團隊利用黃土高原過去60年的降水、徑流和泥沙等觀測數(shù)據(jù)，探索了黃河水沙變化過程的機制，定量甄別出各個因素對河流泥沙減少的貢獻率。我們知道，隨著降雨和地表產(chǎn)流、匯流過程，黃土高原的泥沙就會被帶到河流里，河流含沙量的多少跟降雨和地表產(chǎn)流、匯流過程相關(guān)的多種因素都會有關(guān)系，那么，不同因素對河流泥沙的影響如何呢？傅院士團隊的研究表明，降水減少對黃河泥沙減少的貢獻率達到12%。此外，產(chǎn)流能力降低對泥沙減少的貢獻率達58%，產(chǎn)沙能力降低的貢獻率達30%。

除了自然因素，我們?nèi)藶榈母黜椆こ檀胧?，哪些對減沙的貢獻更大呢？研究發(fā)現(xiàn)，壩庫、梯田等工程措施是20世紀70年代至90年代黃土高原產(chǎn)沙減少的主要原因，其減沙貢獻占54%。2000年以來，隨著退耕還林還草工程的實施，植被措施成為了土壤保持的主要貢獻者，其減沙貢獻占57%。坡面植被的改善，使淤地壩攔截的泥沙減少，也延長了淤地壩的使用壽命?？偟膩碚f，坡面和溝道的措施共同作用把黃河泥沙量控制到了高強度人類活動影響之前的程度。

但呂一河也指出，隨著壩庫等工程措施攔沙能力的逐漸下降，在黃土高原維持一個可持續(xù)的植被生態(tài)系統(tǒng)對有效保持土壤和控制黃河輸沙量反彈具有更加重要的作用。同時，水沙減少對黃河三角洲也具有重要影響，黃河生態(tài)保護修復與水沙管理需要向全流域整體協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變。

植被恢復并不是越多越好

若不了解實際情況的話，很多人可能會認為，退耕還林還草，植被恢復越多，生態(tài)就越好，實際上并非如此。

呂一河介紹，任何生物的生存和發(fā)展都要依靠水、消耗水。植被恢復越多可以增加植被和土壤里的碳，增加生物量的供給，養(yǎng)活更多依靠植物生存的生命，但是綠色植被系統(tǒng)也要消耗更多的水，需要考慮水資源條件并進行合理判定。

也就是說，我們需要考慮植被恢復的程度應該被控制在什么范圍內(nèi)而不會加劇水資源匱乏。黃土高原地區(qū)大部分處于半干旱和半濕潤氣候條件，水資源原本就比較緊缺，植被過度恢復可能會影響到人們的生產(chǎn)生活用水。

那么各個區(qū)域的植被具體應該恢復到什么程度呢？傅院士團隊結(jié)合遙感技術(shù)、大尺度生態(tài)模型模擬，對碳水關(guān)系進行了量化研究。“基于這套定量的方法，我們初步量化了黃土高原地區(qū)水資源條件能夠承載的植被生產(chǎn)力水平。同時，我們也面向未來預估了人類社會經(jīng)濟用水需求和植被修復需求應達到一個怎樣的平衡。”呂一河說。

研發(fā)綜合模型助力生態(tài)系統(tǒng)服務區(qū)域化評估

基于對生態(tài)系統(tǒng)服務的研究，傅院士團隊還發(fā)展了一個在區(qū)域尺度上定量評價和模擬的模型。該模型受到國際專家的廣泛認可，模型的設計思路和優(yōu)化方法的應用被認為可能是未來生態(tài)系統(tǒng)服務區(qū)域化綜合模型的一個發(fā)展方向。

“在進行模型設計時，我們也參考了一些國際上的生態(tài)系統(tǒng)服務評估模型。現(xiàn)有模型雖然考慮了多種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的協(xié)同和彼此間的矛盾，但并沒有很好地從定量評價和模擬的角度來解決這個問題。”傅伯杰院士團隊采取了多模塊系統(tǒng)化的模型設計，納入情景創(chuàng)建模塊、權(quán)衡分析模塊和基于遺傳算法的多目標優(yōu)化模塊，在方法上具有創(chuàng)新性。呂一河說：“我們將這一模型在50平方千米的小流域進行了應用驗證，取得了良好的效果。模型仍在不斷拓展和完善之中。”

生態(tài)保護：機遇與挑戰(zhàn)并存

2015年，聯(lián)合國發(fā)布了面向2030年的可持續(xù)發(fā)展目標體系，其中第15個目標中就有實現(xiàn)土地退化零增長的內(nèi)容。在呂一河看來，實現(xiàn)土地退化零增長，一是要遏制土地退化，二是要加大土地生態(tài)修復力度。2020年，聯(lián)合國為了推動實現(xiàn)這一目標，又發(fā)布了從2021年到2030年的生態(tài)系統(tǒng)恢復10年計劃，號召各國在生態(tài)恢復領域把工作做得更好?！捌鋵?，在2030年實現(xiàn)所有目標還會面臨非常多的困難?！眳我缓诱f。

中國以山地為主，高質(zhì)量土地資源少，生態(tài)脆弱區(qū)面積很大。并且，即便是在生態(tài)脆弱區(qū)，也有很多老百姓在那里生產(chǎn)生活，勢必會對生態(tài)環(huán)境造成一定的壓力和干擾。呂一河表示，促進生態(tài)保護和民生福祉關(guān)系協(xié)調(diào)，也是中國推進生態(tài)修復工作面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

在挑戰(zhàn)中也蘊含著機遇。一方面，國家重視生態(tài)保護，通過國土空間規(guī)劃及其生態(tài)修復專項規(guī)劃，強化了生態(tài)修復工作的地位及其系統(tǒng)化的落實，還發(fā)布了一些生態(tài)補償政策予以支撐。另一方面，在做生態(tài)修復時不能單純就自然而修復自然，實際上更深層的修復是把人和自然關(guān)系進行協(xié)調(diào)和修復，這是一個長期的過程。需要從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、就業(yè)引導、生態(tài)文化振興等多方面采取措施，加強研究和實踐，促進人與自然和諧共生的生態(tài)文明建設深度發(fā)展。

從蒼茫黃土到綠意盎然，在生態(tài)保護政策推動下，青草綠樹長起來了;“荒山種果樹，綠化又致富了”;沙塵少了，空氣好了;就業(yè)選擇多了……“我們要進一步豐富生態(tài)學這一學科的內(nèi)涵，把老百姓的生計、福祉和國家政策考慮進來，加強對社會、經(jīng)濟、自然3個維度的綜合，來研究生態(tài)修復。研究生態(tài)修復工程在什么程度上取得了成功，還有哪些問題，如何動態(tài)優(yōu)化，為未來理論和實踐發(fā)展提供可靠的科學依據(jù)?！眳我缓?說。

知識鏈接

生態(tài)系統(tǒng)服務：指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的各種惠益，包括供給服務（如提供食物和水）、調(diào)節(jié)服務（如控制洪水和疾?。⑽幕眨ㄈ缇?、娛樂和文化收益）以及支持服務（如維持地球生命生存環(huán)境的養(yǎng)分循環(huán)）等。

產(chǎn)流能力：降水經(jīng)地表植被、土壤等的緩沖和調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生地表徑流的能力。

產(chǎn)沙能力：侵蝕性降雨條件下，地表土壤發(fā)生侵蝕產(chǎn)沙的強度。