科学视点

黄土高原“朝圣”记 ——揭开黄土高原生态系统与水文相互作用的奥秘

傅伯杰(左一)带领团队在进行野外调查

  “几回回梦里回延安,双手搂定宝塔山。”信天游奔放热烈的韵律,是每一个陕北人的“心头好”。新中国成立70周年之际,见证中国历史转折点的宝塔山,令人神往。

  此时,距离宝塔山几十公里外的羊圈沟生态恢复与水土保持实验基地,中国科学院院士、中科院生态环境研究中心研究员傅伯杰团队的科学工作者正在开展野外实验。

  到羊圈沟去,也被研究组同学们称为“朝圣”。多年来,在国家自然科学基金重大项目“黄土高原生态系统与水文相互作用机理研究”的支持下,他们为揭示黄土丘陵沟壑中隐藏的奥秘,展开一场科学“朝圣”之旅。

  从羊圈沟到黄土高原

  出生在咸阳的傅伯杰是土生土长的陕西人,自然对黄土高原有割舍不下的情分。作为地理学家的他,对这里环境和生态系统的细节变化谙熟于心。

  “这分别是1982年、1999年和2013年,黄土高原植被覆盖的情况。”9月中旬,傅伯杰在办公室接受《中国科学报》采访时,向记者展示了几张土地利用和土地覆被图。自退耕还林还草政策实施以来,黄土高原农地大幅度减少,林草面积显著增加,区域景观和生态系统发生巨大变化。这些变化有什么生态和环境效应,特别是生态系统和水文及水分有什么相互作用?带着这些问题他们开始了重大科学基金项目的研究。

  研究人员发现,随着植被面积增加,诸多新问题暴露出来。例如,树的生长比草需要消耗更多水分,更容易导致土壤干旱,进而造成树木生长缓慢,形成“小老头树”。事实上,在一些地区,确实因为种植树木让土壤干层现象加剧。“在哪些地方种树、哪些地方种草,种什么树、种植多少,这代表了生态系统的结构和景观格局。”长期关注黄土高原生态系统的傅伯杰分析,这其中,水是关键因素。

  位于典型丘陵沟壑区的羊圈沟,是研究景观格局与生态过程的绝佳地点。早在1996年,傅伯杰通过实地考察选址,选取这里作为研究基地。通过长达十多年的坚守,他们在小流域尺度上开展了系统的研究。

  那么,在更大的范围内呢?在黄土高原这样一个生态脆弱区、气候变化敏感区,也是黄河重要的产水区和绝大部分泥沙的来源区,合理开展生态建设是跨尺度利弊权衡的中心问题,需要强有力的科技支撑。

  基于这样的考虑,在首轮退耕还林(草)工程结束后,傅伯杰带领团队向国家自然科学基金委员会提出项目申请。2014年,重大项目“黄土高原生态系统与水文相互作用机理研究”启动,至2018年底顺利结题。

  傅伯杰指出,该重大项目的目标不仅要从科学上探求环境变化和人类活动对黄土高原生态系统分别有多大的影响,更要为指导和规范人类生态恢复活动提供科学依据。

  5年来,在该重大项目支持下,研究人员的“朝圣”之路走出了羊圈沟。他们在黄土高原上建立了251个定位监测样地,开展了6次覆盖502个样方的大规模调查,将他们对生态系统的研究扩展到整个黄土高原的尺度上。

  “逆行者”取“真经”

  在羊圈沟的生活有点“囧”。常驻的研究人员一年中有半年时间在那里待着,住在从老乡那里租来的窑洞里,五六个人挤一张炕,仪器设备放在另一间,打电话则要跑到山上空旷的地方找信号,洗澡要专门进趟城,断水断电也是家常便饭。

  不过,一下雨,他们就“嗨”起来了。“一到下雨,老乡都往山下跑,学生们都兴奋地往山上跑。”这是傅伯杰对野外工作最形象的描述。为了获得降雨后树干茎流、降水再分配等数据,研究人员都成了期盼下雨的“逆行者”。

  2014年,羊圈沟基地正式建设了科研生活用房,“逆行者”才有了真正的家,这也成为他们走出羊圈沟的坚实后盾。

  在长期观测的基础上,“逆行者”们用坚持和智慧取得了“真经”。

  他们发现,在南北、东西样带上降水量不同的地方,实际上存在一个种树还是种草的分界线,那便是年均降水量在530毫米左右的界线。用专业语言描述的结论便是,年均降水小于这一数值的地区,林地的土壤水分处于接近或者低于土壤萎蔫点的水平。

  “这表明,比年均降水530毫米更干旱的地方,不适合大范围种树,更适合种草,既能保持水土,又能建立良好的生态系统。”傅伯杰解释。

  另一项基于大量监测数据开展的工作也具有指导实践的意义。研究人员以“固碳量”这一概念为视角,通过耦合地面观测、遥感和生态系统模型等多种手段,量化分析了黄土高原地区植被恢复的固碳、径流、蒸散发等生态效应,构建了自然—社会—经济水资源可持续利用耦合框架。

  傅伯杰介绍,这项研究得到的结论是,目前黄土高原植被恢复已接近该地区水资源植被承载力的阈值。同时,在未来气候变化条件下,该承载力阈值在383~528克碳/平方米·年间浮动。研究结果2016年发表在《自然—气候变化》上。

  “这两项研究都得到了一个定量的结论,帮助我们去权衡退耕还林还草和土壤含水量以及地表径流量之间的关系。”他强调,黄土高原植被恢复应综合考虑区域的产水、耗水和用水的需求,以及生态系统的可持续性。

  泥沙去哪儿了?

  “九曲黄河万里沙,浪淘风簸自天涯。”研究黄河多年,傅伯杰欣赏这首意境豪迈的诗。当然,有关黄河的奥秘更令他着迷。例如,明明自古以来黄河就是世界上输沙量最大的河流,那90%以上的“万里沙”来源于中游的黄土高原,但是上世纪70年代以来,来自黄河潼关水文站的数据却显示,每年输沙量从16亿吨锐减为3亿吨左右。

  “万里沙”的黄河,似乎正在走向“黄河清”的方向。那么,这些泥沙都去哪儿了?

  “究竟是气候变化还是人类活动?这两种因素哪种占主导?如果是人类活动,那么,我们能做点什么?”该重大项目执行过程中,傅伯杰意识到,是时候揭开谜底了。

  研究人员发展了泥沙归因诊断分析方法,率定各因素的贡献及其作用。利用黄土高原过去60年的降水、径流和泥沙观测数据,研究发现58%的输沙量减少是由产流能力降低引起的,其次是产沙能力和降水的贡献,分别占30%和12%。

  在更具体的时间上,坝库、梯田等工程措施是1970年代至1990年代黄土高原产沙减少的主要原因,占54%。2000年以来,随着退耕还林还草工程的实施,植被措施成为土壤保持和产沙减少的主要贡献者,占57%。

  最终,这项研究指向一个结论,最近几十年黄河泥沙减少的主要原因是人类活动影响。研究成果于2016年在《自然—地球科学》上发表。

  傅伯杰指出,这说明,黄河水沙管理需要从黄土高原小流域综合治理转向全流域整体协调。

  5年来,取得科研突破的同时,研究人员还向中央有关部门提交了黄河水沙可持续管理、改善黄土高原淤地坝和梯田管理以及完善退耕还林(草)长效机制等政策建议报告,得到国家决策部门关注。他们的研究结论已经在地方政府的相关政策中得到应用。

  刚刚开学的9月,按照惯例,课题组几名老师带领新入学的研究生前往羊圈沟“朝圣”。依据植被和水分相互作用的研究结果,研究人员在延安市退耕还林还草办公室的支持下,开展了刺槐林疏伐样地观测研究,进一步指导黄土高原退耕还林和植被恢复——他们不仅将论文写进国际著名期刊,更将论文写在黄土高原变绿的大地上。


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