黄土高原社会-生态系统变化及其可持续性

在全球变化和人类活动驱动下,社会系统与生态系统均处在不断加剧的动态变化中,揭示二者之间的互馈机制是保持和增强系统弹性以及可持续性的科学基础。黄土高原地区是中国人口、资源、环境矛盾最集中的区域之一,也是黄河重要的产水区和绝大部分泥沙的来源区。合理布局黄土高原土地利用格局,协调黄土高原水土保持和黄河下游水资源利用与泥沙控制,是黄土高原地区和黄河流域可持续发展的重大需求。本文立足于国际社会-生态系统耦合研究前沿和可持续发展与生态建设的国家需求,综述了区域社会系统与生态系统的互馈机制和社会-生态系统的耦合模拟的研究进展,总结了黄土高原社会-生态系统的变化过程和驱动机制,认为发展社会-生态系统动态机制分析方法和稳态转换识别方法,建立耦合社会系统与生态系统的土地利用权衡与优化模型,是推动社会-生态系统耦合研究理论与方法创新、为黄土高原的可持续发展提供科学依据的重要途径。     

黄河流域生态系统变化及其生态水文效应

黄河流域是连接青藏高原、黄土高原和华北平原的生态廊道,也是我国"一带一路"建设的重要经济廊道,对国家的经济社会发展和生态安全都具有重要意义。受气候变化和人类活动影响,近几十年来黄河流域生态系统的结构和功能发生了巨大变化,流域生态系统的健康受到威胁。然而,目前仍缺乏对黄河流域生态系统在流域尺度上的整体性研究,对其完整性、连通性和脆弱性的系统研究不足,难以有针对性地提升变化环境下的生态系统服务与生态屏障效应。围绕黄河流域生态保护与高质量发展的重大战略需求,我们认为应从流域整体性出发,通过构建黄河流域生态系统类型及空间格局数据集,分析黄河流域生态水平衡分量的格局变化规律,解析并量化表征气候变化和人类活动与生态系统变化之间的关联;基于多源数据集以及生态水文模型,解析黄河流域生态系统的时空格局变化和生态水文过程,并以此建立关键生态系统服务的定量评估指标体系,揭示关键生态系统服务供给能力的格局特征和空间流动及变化趋势,开展生态系统服务格局特征与空间流动时空变异的归因分析;阐明生态系统结构—过程—服务的级联效应,提出生态屏障功能的优化提升方案,为黄河流域生态治理与管理提供科技支撑。上述研究对完善和丰富地球系统科学具有重要的理论和现实意义。     

地球关键带与地表通量综合观测研究为黄土高原生态保护和可持续发展提供有力的科技支撑

中国科学院黄土高原地球关键带与地表通量野外观测研究站（以下简称“黄土高原关键带站”）立足黄土高原，面向黄河中游，开展季风区地球关键带和地表通量的长期定位观测和数据积累，在科学上为世界地球关键带科学作出突出贡献，在服务国家需求上为黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略提供有力的科技支撑。黄土高原关键带站提出了黄土关键带形成演化的“季风控制论”，重建了地质历史时期黄土高原植被、温度和降水的变化，查明了黄土关键带形成演化的气候背景；重建了过去500年温度、降水等气候要素序列，揭示了黄土高原干旱、高温等极端气候事件发生的诱因及特点；系统开展了黄土高原生态系统过程与服务研究，揭示了黄土高原关键带土地利用格局与生态过程的作用机理，阐明了不同生态系统服务的形成与相互作用机制，提出了面向可持续发展的黄土高原关键带类型划分的指标体系和方法框架；深入开展了黄土高原多尺度水土过程及其对重大生态工程的响应研究，阐明了黄土高原和黄河流域过去60年径流输沙和水沙关系的时空尺度特征与驱动机制，揭示了土壤水分与区域气候、土壤和植被的相互关系，定量评估了黄土高原生物和工程治理措施的环境效应；为黄土高原综合治理、生态保护和经济社会可持续发展提供决策咨询。     

中国北方草地生态系统服务评估和功能区划助力生态安全屏障建设

北方草地是我国重要的绿色生态屏障,也是黄河、长江、澜沧江、滦河等江河的发源地和水源涵养区,其对保障我国生态安全,提升生态系统服务和生态系统稳定性具有极其重要的作用。长期以来,我国在畜牧业生产中重视草地的生产功能,而忽视其生态功能,导致生产功能过度利用,以及生态系统服务和生态功能降低,继而严重威胁着我国的生态安全。开展北方草地生态系统服务评估,制定北方草地主体功能区划,是构建和优化生态安全屏障体系,科学配置草地的生态-生产功能,推进生态文明,统筹山水林田湖草一体化保护和修复,建设"美丽中国",实现人与自然和谐共生的国家重大科技需求。文章基于北方草地生态系统服务和资源环境条件的空间分异规律,将北方草地划分为7个功能区、25个亚区。该生态功能区划将为制定区域国土空间规划,科学布局重要生态系统保护和修复重大工程,统筹推进生态保护和修复工作提供重要的科技支撑。     

基于生态系统服务价值的黄河流域生态与能源-经济-环境耦合协调发展研究

分析黄河流域各省份的生态环境问题,探讨生态系统服务价值时空演化特征及其与能源、经济、环境的协调发展现状,对促进黄河流域高质量协调发展有着重大价值。构建4E系统评价指标体系,基于黄河流域9省区2000、2010和2020年的土地利用数据及能源、经济、环境相关的统计数据,分析黄河流域生态系统服务价值时空演化特征及其分别与能源、经济、环境二元及四元系统的耦合协调发展水平。结果表明：2000—2020年黄河流域的耕地和未利用地面积不断减少,林地、水域和建设用地的面积不断增加,草地面积先减后增;从时间维度看,九省区的生态系统服务价值从2000年的18 385.52亿元增长到2020年的80 242.06亿元;从空间维度来看,黄河流域上游省份的生态系统服务价值较高;研究期内,黄河流域各省份的生态、能源、经济、环境系统组成的复合系统的综合发展指数,各二元系统及四元系统的耦合协调水平均呈缓慢上升趋势。但甘肃和宁夏四元系统耦合协调度变化幅度较低,尤其是宁夏生态-能源-环境-经济系统耦合协调水平仍处于轻度失调状态。据此,提出完善区域对接机制,优化国土空间布局;优化工业产业结构,培育壮大新兴产业;严控工业废...     

黄土高原生态保护和高质量发展现状、问题与建议

黄河流域生态保护和高质量发展已上升为国家战略。2021年《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》的发布与实施,促使黄土高原生态建设进入了生态治理成效巩固、经济社会发展转型的关键期。文章系统总结了黄土高原生态建设与社会经济发展的现状特点和主要问题,从生态系统稳定性和可持续性提升、社会经济系统绿色转型、国土空间科学布局、全流域统筹协调治理等方面提出对策建议,为黄土高原乃至黄河流域生态保护和高质量发展提供科技支撑。     

丘陵沟壑区水土保持与雨水集蓄利用模式研究

为改善我国西北丘陵沟壑地区水土流失,改进区域生态环境,增加区域生态系统的稳定性,提高雨水集蓄利用率,提出了一种就地拦蓄雨水径流、拦截分散地表径流、拦蓄径流泥沙、水土保持效果十分显著的水土保持工程措施。该系统经济、高效地利用雨水,通过改变雨水资源的空间分布方式和蓄水的再分配,在一定程度上解决了西北丘陵沟壑地区的水土流失和干旱等问题。     

中国生态系统研究网络与自然生态系统保护

自然生态保护是生态文明建设的重要任务之一,其主要措施是加大自然生态系统和环境保护力度,通过实施重大生态修复工程,以增强生态产品生产能力,推进荒漠化、石漠化和水土流失的综合治理,以改善区域生态环境。1988年,中科院就创建了中国生态系统研究网络(CERN),并始终将“监测生态系统长期变化”,“研究生态系统演变机制”,“示范生态系统优化管理模式”作为整个网络的3大基本科技任务。实现了网络化、标准化、规范化和制度化运行,成为世界上体量最大、功能最强、运行效率最高的国家级生态系统研究网络,成为国家资环领域重要的科技条件平台。CERN在国家尺度的生态系统研究网络平台创建,国家层面的生态系统监测体系与数据共享系统的建立,生态系统变化机理研究,以及生态系统优化管理示范等方面对科技支撑自然生态系统保护做出了历史性的重要贡献,今后还将在监测生态系统变化、支撑国土空间开发格局优化;研究生态系统变化机理,支撑自然生态系统保护;研制生态建设新技术和优化模式,支撑生态系统高效利用;研究全球变化和环境问题,提升应对气候变化的能力;传播自然生态保护知识,支撑国民生态保护行动等方面持续发挥其不可替代的科技支撑作用,做出新的科技贡献 。     

中国县域生态功能格局研究

生态功能区划是依据区域生态因子、生态系统类型、生态服务功能、生态系统受胁迫过程与效应、生态环境敏感性、生态服务功能重要性等特征的空间异质性而进行的地理空间分区,其目的是明确国家或区域生态安全重要区域,分析区域面临的生态环境问题与生态环境脆弱区,为资源开发、产业布局、生态环境保护与建设规划提供科学指导,为实施区域生态环境分区监管提供基础和前提。在对已有三级生态区划方案的基础上,依据建立的生态功能区划原则、方法和指标体系,以中国县城尺度为最小区划单元,采用空间叠置的方法,综合中国土壤侵蚀模数、生态敏感性和生态环境问题（或生态系统服务功能的重要性）,将中国分成33个水源涵养功能区、57个水土保持功能区、19个防风固沙功能区、11个沿海防护功能区、62个产品提供功能区和86个生物多样性保护功能区,并概述各类生态功能区的分布特征,为生态保护与建设的重点、目标、措施的确定以及区域产业结构与布局的调整提供了重要依据。     

黄土高原生态工程的生态成效

黄土高原是世界上水土流失最严重的地区,也是我国水土保持和生态建设的重点地区。20世纪80年代以后,国家在该地区先后开展了小流域治理工程、水土保持重点工程、退耕还林(草)工程、淤地坝建设和坡耕地整治等一系列生态工程,对土壤侵蚀控制、生态建设等均起到了良好作用。为全面评价该地区生态工程的生态成效,以野外站不同尺度监测及生态系统关键过程长期研究为基础,利用多种模型和统计分析方法,在地块—小流域—行政区和典型生态工程—典型样区—侵蚀和地貌区等不同尺度上,对土地利用和植被覆盖变化、土壤侵蚀动态变化、河流径流和输沙量动态变化以及社会经济结构动态变化进行了综合分析与评估。结果表明,黄土高原地区水土流失范围明显缩小、水土流失程度显著减轻,区域生态状况向良性发展、社会经济发展迅速。但局部地段(如陡坡耕地)水土流失仍然严重、生态环境仍然比较脆弱,治理形势依然严峻。据此,从该地区生态建设的内容、学科建设重点、监督和政策机制、产业结构调整等方面提出了该地区生态工程后期建设的方向和对策。     

近60 年黄河中游水沙变化趋势及其影响因素分析

采用线性回归、Mann-Kendall检验、双累积曲线及小波变换等方法系统分析了黄河中游干流及支流渭河、汾河和无定河的6个主要水文站（头道拐、龙门、花园口、华县、河津、白家川）1950s-2009年的水沙序列。在系统搜集流域基本信息的基础上,深入探讨流域水沙变化的特征及其驱动力。研究表明：黄河中游流量和输沙量呈现急剧减少趋势,尤其在20世纪70年代之后,减少更加显著,其中,汾河的水沙减少幅度最为显著,2000年-2009年的年均流量与输沙量相当于1950年-1959年约20%。干流龙门站流量和输沙量的小波变换在1980年代前表现出0.5～1.0a显著周期,且达到95%的置信度水平,之后周期特征减弱甚至消失。气候变化、降雨、水土保持措施（如退耕还林、草,梯田建设,水库淤地坝等工程）等人类活动是水沙变化的主要影响因素,其中,干流的头道拐和花园口水沙变化受干流水库影响较为显著。     

基于InVEST模型的小流域沉积物保留生态效益评估——以陕西省营盘山库区为例

沉积物保留是保证生态系统健康运转所必需的基础功能之一。准确计算流域沉积物的保留量,开展水土保持效益评估,对于黄土高原水土保持、土地利用结构调整、退耕还林、生态补偿及水库管理等方面具有重要的实际应用价值。本文以陕西省黄河支流无定河源头营盘山库区为例,基于Arc GIS10平台,运用In VEST的沉积物保留模型,定量估算了2013年营盘山库区沉积物保留量及2013-2070年内沉积物保留价值,同时对不同土地利用类型的沉积物保留功能重要性进行了评价。结果表明:2013年营盘山库区的沉积物保留总量为493.43万t;2013-2070年流域的沉积物保留总价值达到1.29亿元;库区东西侧沉积物保留价值差别很大,这与流域内部地形地貌、土地利用方式、生态系统类型、植被覆盖情况、土壤理化性质、气候等因子密切相关,前4个因子起主导作用;不同土地利用类型的沉积物保留功能重要性依次为稀疏草地稀疏灌木林旱地落叶阔叶林水域居民地裸地。     

黄河流域气候与水文变化的现状及思考

黄河是中华民族的母亲河,孕育了博大精深的中华文明。同时,流域频发的水旱灾害也给黄河两岸的人民群众带来了深重的灾难。当前,由于全球增暖和人类活动加剧的影响,黄河流域气候及水文过程发生了显著的变化,流域整体气候的暖干化和人类用水的不断增加使得黄河流域的水文干旱不断加剧。"退耕还林还草"政策的实施使得黄土高原的植被覆盖得到极大改善,有效地抑制了严重的水土流失,但同时也导致该地区土壤的干化和干土层的加厚,这些是黄河流域生态保护和高质量发展面临的重大问题,也是涉及气候-水-生态-人类社会如何协同发展的基础科学问题。     

生态环境建设的内涵与配置

该文从生态环境建设的概念入手,深入分析了生态环境建设的内涵。指出,生态环境建设的实质是水资源、土地资源、气候资源、生物资源等再生自然资源的保护、改良与合理利用。在《全国生态环境建设规划》划分的8个生态环境建设类型区的基础上,提出了以流域为单元进行生态环境建设分区配置的必要性。并以黄河流域上中游为例,重点探讨了其生态环境建设分区的方法与成果。作者采用综合的生态经济指标,以县为单元,将西北地区黄河流域划分为6个生态环境建设区,即：风沙区、黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、沿河阶地与平原区、土石山区、河源区。在分区的基础上,确定了各区生态环境建设的生态经济目标及相应的措施配置模式。针对生态环境建设中存在的问题,提出了对策建议：以流域为单元进行生态环境建设分区;因地制宜建设主攻方向;积极稳步推进“退耕还林还草”;加大投资力度,拓宽投资渠道;加强法制建设,把预防监督放在首位;充分满足生态环境建设的需水要求。     

长江上游紫色土地区不同坡度坡耕地水保措施的适宜性分析

长江上游紫色土区土层薄、降雨集中且频繁,加之人类不合理活动的影响,土壤侵蚀严重,仅次于中国的黄土高原地区,其中,坡耕地是导致长江上游紫色土地区水土流失的最主要因素之一。耕作措施、梯田工程措施以及植物篱措施都能够起到防止坡耕地水土流失的作用,但在不同的坡度范围内,这几种措施的蓄水保土效益也不同。文章在分析坡度对坡耕地、各种水土保持治理措施对土壤侵蚀及效应影响的基础上,根据以上几种治理措施在不同的坡度坡耕地上水土保持效益最大化的原理,提出了不同坡度范围内水土保持措施的合理配置方案。研究认为,在0～5°、5～15°、15～25°3个坡度级别的坡耕地上应分别采用以耕作措施、梯田工程、植物篱为主的措施进行治理,25°以上的坡耕地应该退耕还林的治理模式。该研究将为长江上游紫色土地区的水土流失治理提供科学依据,为减少长江泥沙来源及地区农业可持续发展提供服务。     

黄河中游水土保持措施的减水减沙作用研究

本文对黄河中游河口至龙门区间以及泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施保存率、保存面积以及水土保持坡面措施和淤地坝减水减沙作用的计算方法进行了研究,并用之于实际计算。结果表明：1970年～1996年,河龙区间及泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施年均减少径流5.456×10.8m³,年均减沙2.23810⁸t,分别占对应区间及流域多年平均来水来沙量总和的4.6%和22.9%;水土保持措施减水减沙量依时序递增;每年可为黄河下游减少淤积1.57×10⁸t,减少冲沙用水45×108m³。1970～1996年河龙区间淤地坝年均减水减沙量分别占水土保持措施年均减水减沙总量的59.3%和64.7%;河龙区间淤地坝的减水减沙作用随着时间的延续呈明显的下降趋势,具有时限性及非持续性,据此提出黄河中游地区生态保育对策。     

青藏高原河流输沙量变化与影响

青藏高原是亚洲多条大江大河的发源地,为下游20多亿人民提供宝贵的水资源。河流输沙量与径流量相比被认为是对气候及地表过程变化反应更敏感的河流变量,是量化区域土地退化及土壤资源变化的重要指标。研究选取发源于青藏高原的8条主要河流,包括叶尔羌河、疏勒河、黑河、雅鲁藏布江、怒江、黄河、长江、澜沧江,开展其河源区或上游输沙量变化研究。首先探明了青藏高原主要河流径流量和输沙量的总体水平及空间差异;进而分析了近几十年来(1960—2017年)河流输沙量的变化特征,结合气候(气温、降水)和地表过程(冰川、冻土、植被覆盖)要素解析了影响输沙量时空变化的主要因素,探讨了影响青藏高原河流输沙量变化不确定性的多因素作用机制;最后通过典型案例阐明了河流输沙量变化对高原生态环境及水利工程安全的重大影响,从而为进一步开展青藏高原河流输沙量变化机理研究提供了基础。目前,水文气象资料稀缺是认识青藏高原河流输沙过程的重大挑战,亟待开展、加强观测与模拟研究,为青藏高原水土资源可持续利用以及下游的水安全管理提供科学依据,服务于国家生态安全屏障建设。