呂一河,高光耀,羅 毅,焦菊英,邵明安2,

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院地理科學與資源研究所， 北京 100101 4 西北農(nóng)林科技大學， 楊陵 712100

黃土高原區(qū)域生態(tài)綜合研究：機理深化與方法拓展

呂一河1,2,*,高光耀1,羅 毅3,焦菊英4,邵明安2,3

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院地理科學與資源研究所， 北京 100101 4 西北農(nóng)林科技大學， 楊陵 712100

黃土高原是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一,同時也是我國大規(guī)模生態(tài)恢復的重點區(qū)域。經(jīng)過數(shù)十年的治理,黃土高原生態(tài)環(huán)境得到顯著改善,但一系列新的環(huán)境問題也隨之出現(xiàn),使得該區(qū)域大規(guī)模生態(tài)修復與治理的可持續(xù)發(fā)展成為當前的研究熱點。為了對黃土高原生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和維持機制進行綜合分析與探索,根據(jù)“十三五”國家重點研發(fā)計劃《典型脆弱生態(tài)修復與保護研究專項指南》的要求,中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心牽頭共10家單位聯(lián)合申報了“黃土高原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和維持機制研究”項目,通過了專業(yè)機構(gòu)組織的評審,獲準立項。對該項目的立項背景、總體目標、主要內(nèi)容、研究方案等進行介紹。該項目的開展將對黃土高原生態(tài)修復的適宜性和可持續(xù)發(fā)展提供重要政策與決策支持。

土地覆被變化；水土資源與效應；生態(tài)系統(tǒng)承載力；生態(tài)功能；動態(tài)模擬；黃土高原

實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展并維持其服務的可持續(xù)提供,是人類生存和發(fā)展的重大現(xiàn)實需求?？茖W評估不同尺度生態(tài)系統(tǒng)和特征參量變化并建立宏觀尺度生態(tài)系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)集是滿足上述需求的重要基礎,而生態(tài)-水文-土壤耦合作用機制則是其核心科學問題。

生態(tài)系統(tǒng)與水文相互作用是國際生態(tài)學與水文學交叉研究領(lǐng)域的新興方向,1980年代以來在微觀機理、宏觀格局、格局與過程耦合、歷史演變與未來趨勢預測等多層次、多維度上迅速發(fā)展[1]。土壤侵蝕導致生態(tài)系統(tǒng)退化與生產(chǎn)力降低、且侵蝕過程中泥沙與養(yǎng)分的輸移引發(fā)了跨時空尺度的生態(tài)環(huán)境問題,因而受到廣泛關(guān)注。土壤侵蝕控制與泥沙攔蓄是對人類福祉與發(fā)展有重要貢獻的陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務[2]。植被生態(tài)修復在控制土壤侵蝕、提升生態(tài)系統(tǒng)及其服務功能的持續(xù)穩(wěn)定等方面,發(fā)揮了重要作用[2-3]。目前在生態(tài)系統(tǒng)-水文-土壤作用關(guān)系方面取得了豐富的研究進展,但是對其耦合作用機制的認識仍然不足,特別是受植被多樣性、土壤變異性、跨尺度復雜性等因素的影響,生態(tài)系統(tǒng)與水文、土壤耦合機制已逐漸成為科學研究的前沿和難題。氣候變化、人口及經(jīng)濟迅速增長導致資源環(huán)境壓力加劇,對生態(tài)-水文-土壤關(guān)系的認識和生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升提出了更高的要求。

實驗觀測和數(shù)值模擬、短期響應與長期演變趨勢、微觀過程機理與宏觀格局演變相結(jié)合開展研究,是生態(tài)系統(tǒng)變化及其水土效應研究思想方法和技術(shù)路徑的發(fā)展方向。無論是在微觀還是宏觀尺度上,數(shù)學模型在模擬氣候-生態(tài)-土壤-水資源相互作用過程、預測人類活動和氣候變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)長期演變趨勢等多方面發(fā)揮無可替代的作用,并向綜合性、機理性和更高的可靠性方向發(fā)展。遙感技術(shù)日益成為區(qū)域尺度上動態(tài)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)變化的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)來源[4-6]。自1990年代以來,在IGBP、IHDP等重大國際研究計劃的推動下,遙感傳感器時空分辨率大幅度提升[7-8],滿足不斷提高的生態(tài)系統(tǒng)變化數(shù)據(jù)需求,促進了生態(tài)學、水文學、土地利用/覆被變化及宏觀尺度植被-土壤-水等圈層間相互作用的定量研究。

黃土高原處于半濕潤-半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱,水土資源問題突出。過去50余年來,從開荒種地滿足糧食需求,產(chǎn)生大面積嚴重的水土流失,到1990年代末期開始實施“退耕還林還草”等大范圍系列水土保持與生態(tài)建設政策與工程措施,區(qū)域土地利用/覆被發(fā)生了顯著變化[9],導致黃河水沙銳減、土壤水分呈區(qū)域性干燥化、人工林系統(tǒng)退化等問題[10-13],而人類活動對這些變化起主導作用[14],但深層科學機理尚不明確,在區(qū)域生態(tài)修復的可持續(xù)性方面仍然存在爭議[15-16]。

綜上所述,人類活動和氣候變化背景下區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律、水土資源效應和承載力的多尺度過程機理及綜合評價是目前的國際前沿領(lǐng)域,而黃土高原是研究該問題的理想場所。同時,在耕作為主的強烈人類活動脅迫向大規(guī)模生態(tài)修復轉(zhuǎn)變的背景下,黃土高原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)時空變化及其水土資源和生態(tài)效應與可持續(xù)發(fā)展的承載力方面的研究也亟待進一步深化。因此,黃土高原區(qū)域生態(tài)綜合研究應以生態(tài)系統(tǒng)為切入點,開展如下工作：(1)揭示生態(tài)系統(tǒng)與水土資源耦合作用關(guān)系以及生態(tài)修復措施對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的影響機制；(2)研究區(qū)域氣候-植被-水土資源之間的作用關(guān)系和生態(tài)系統(tǒng)承載力及其閾值,提出分區(qū)、分類的脆弱生態(tài)系統(tǒng)修復和調(diào)控途徑；(3)發(fā)展生態(tài)-水土資源-生態(tài)系統(tǒng)承載力模型,提供預測手段和管理決策的支持工具。

1 黃土高原區(qū)域生態(tài)綜合研究的立項背景

黃土高原處于半濕潤-半干旱地區(qū),降水和植被類型存在明顯的地帶性分布規(guī)律。地形、土壤、氣候、植被和人類活動等因素的綜合作用使得該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱,水土資源問題突出,是我國水土流失最嚴重和生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一[17]。近60余年來,黨和國家高度重視黃土高原的發(fā)展、治理與生態(tài)建設。早期強調(diào)發(fā)展生產(chǎn)和根治黃河水患相結(jié)合。20世紀80年代,黃土高原先后實施了以小流域為基本單元的水土流失綜合治理和“三北”防護林建設工程。1999年,國家啟動了退耕還林(草)和天然林保護工程,黃土高原是退耕還林(草)工程的試驗示范區(qū)。大規(guī)模生態(tài)恢復與重建明顯改善了黃土高原的生態(tài)環(huán)境,植被覆蓋指數(shù)顯著提高,入黃泥沙大幅度減少。據(jù)統(tǒng)計,黃土高原是2000年以來我國植被覆蓋度增加最顯著的區(qū)域[18],2000—2014年區(qū)內(nèi)植被覆蓋顯著增加面積占到51.97%(圖1),年均輸沙量由20世紀70年代前的16億噸銳減到近10年的3.1億噸[14]。一方面,生態(tài)修復使得生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)、土壤侵蝕方式和過程發(fā)生改變,如何揭示新時期的演變機理、模擬侵蝕和水資源效應是黃土高原生態(tài)恢復與重建急需解決的科學問題。另一方面,黃土高原治理成效已取得共識,但受生態(tài)環(huán)境本底脆弱、人類干擾強烈和氣候變化等因素制約,恢復與治理的過程中又產(chǎn)生了新的環(huán)境問題,如土壤的干燥化、人工植被衰敗、滑塌風險提升、淤地壩攔沙效益銳減等[10-13],如何促進黃土高原大規(guī)模生態(tài)修復與治理的可持續(xù)發(fā)展就成為當前亟待解決的重大現(xiàn)實需求問題。

基于上述背景,黃土高原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善及穩(wěn)定性維持技術(shù)研究被列入了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“典型脆弱生態(tài)修復與保護研究”重點專項2016年度申報指南中。根據(jù)指南的要求,中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心作為牽頭單位,聯(lián)合中國科學院地理科學與資源研究所,西北農(nóng)林科技大學等共10家單位申報了“黃土高原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和維持機制研究”項目,并通過評審、獲準立項(項目編號：2016YFC0501600)。本項目旨在開展黃土高原變化環(huán)境下區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和維持機制的理論和方法研究,將為推進退化生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)修復、有效實現(xiàn)從水土流失治理向區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)綜合管理的轉(zhuǎn)變、改善生態(tài)治理成效提供科學基礎。

圖1 2000—2014年黃土高原植被覆蓋顯著增加范圍
Fig.1 The significant vegetation restoration in the Loess Plateau in 2000—2014

2 項目研究目標與內(nèi)容

項目的總體目標是：(1)闡明生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律與驅(qū)動機制,揭示生態(tài)修復對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能的影響機理,解析生態(tài)系統(tǒng)變化與水土資源效應的定量關(guān)系,發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)承載力定量評價和管理模型,闡明生態(tài)系統(tǒng)承載力空間格局與優(yōu)化途徑。(2)定量評估不同生態(tài)修復模式的功能效應和可持續(xù)性,完成生態(tài)系統(tǒng)承載力和植被適宜性綜合評估及系列制圖,為新時期黃土高原分區(qū)、分類的生態(tài)綜合治理提供科學依據(jù)。

項目的主要研究內(nèi)容：(1)生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律及驅(qū)動機制；(2)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能響應機理與綜合評估；(3)生態(tài)系統(tǒng)變化的水文和土壤侵蝕效應與作用機制；(4)生態(tài)系統(tǒng)承載力及可持續(xù)調(diào)控途徑。對應設置5個課題：(1)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)及其空間格局的演變規(guī)律、(2)黃土高原生態(tài)修復模式的格局-結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系、(3)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)變化的水資源效應與作用機理、(4)黃土高原生態(tài)修復的土壤侵蝕效應與控制機制和(5)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)承載力調(diào)控機制與提升途徑。通過上述研究擬解決3個重大科學問題：(1)生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律及自然和社會驅(qū)動機制；(2)生態(tài)修復的水土資源效應與可持續(xù)維持機制；(3)生態(tài)系統(tǒng)承載力空間格局與可持續(xù)利用和調(diào)控途徑。

3 項目研究方案

本項目的實施方案采取“多尺度布局、多任務集成、多維度綜合”的設計框架。從研究尺度上,重點關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)、流域和區(qū)域及其跨尺度關(guān)聯(lián)關(guān)系；要素和過程方面,綜合考慮自然和人文要素與過程的多重維度；目標導向方面,通過系統(tǒng)解析,實現(xiàn)機理識別、評價制圖、動態(tài)模擬和決策支持方面的項目目標。從研究任務的落實上,項目采取分總結(jié)合、多任務集成的策略,生態(tài)系統(tǒng)宏觀格局、關(guān)鍵過程、結(jié)構(gòu)-格局-過程-功能作用機理、生態(tài)系統(tǒng)承載力層層遞進；從研究方法上,地面調(diào)查觀測、遙感監(jiān)測、模型開發(fā)與區(qū)域集成協(xié)調(diào)配合,滿足項目研究的技術(shù)需求。在項目研究的空間布局上,采取沿區(qū)域生態(tài)環(huán)境梯度長期定位觀測站點及其小流域、重點流域/縣域、面上樣帶調(diào)查,再上升到整個區(qū)域的設計策略(圖2)。

圖2 項目研究的空間布局Fig.2 Spatial layout of field-based research

4 項目研究技術(shù)難點

項目的技術(shù)難點主要有3方面。第一,將高分遙感影像和激光雷達三維掃描和識別技術(shù)相結(jié)合的小流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局研究與制圖,基于多源數(shù)據(jù)的區(qū)域多變量植被現(xiàn)狀制圖等方法方面,在本項目中還是新的嘗試,針對項目研究區(qū)無可借鑒的技術(shù)方法,這將是在不同尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、格局研究中需要重點突破的技術(shù)難點。第二,闡明生態(tài)修復背景下,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、格局、過程、功能之間的動態(tài)響應關(guān)系是本項目在科學機理探討方面的重要內(nèi)容,也是開展水土資源效應和生態(tài)系統(tǒng)承載力研究和模擬的依據(jù)。在本項目區(qū)以往單要素或要素之間兩兩關(guān)系的探討較多,多要素之間動態(tài)耦合關(guān)系的研究較缺乏,是機理探索方面的技術(shù)難點。本項目以典型小流域為重點,嘗試在多要素之間動態(tài)耦合關(guān)系定量分析方法方面有所發(fā)展。第三,在模型研發(fā)方面,項目承擔團隊有一定的研究基礎,但是在模型的區(qū)域適應性提升和面向現(xiàn)實需求的集成應用方面,仍然是本項目需要著力突破的技術(shù)難點。以往的模型多是基于小尺度開發(fā)的相對簡單的模型,本項目的研究將重點加強模型功能和區(qū)域適應性拓展方面的研發(fā)力度,通過緊密跟蹤同類模型研究的國際前沿、加強項目內(nèi)部各模型研發(fā)的密切交流與協(xié)作和數(shù)據(jù)共享來攻克模型研發(fā)方面的技術(shù)難點。

[1] Asbjornsen H, Goldsmith G R, Alvarado-Barrientos M S, Rebel K, Van Osch F P, Rietkerk M, Chen J Q, Gotsch S, Tobon C, Geissert D R, Gomez-Tagle A, Vache K, Dawson T E. Ecohydrological advances and applications in plant-water relations research: a review. Journal of Plant Ecology, 2011, 4(1/2): 3-22.

[2] Labriere N, Locatelli B, Laumonier Y, Freycon V, Bernoux M.Soil erosion in the humid tropics: A systematic quantitative review. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 203: 127-139.

[3] Posthumus H, Deeks L K, Rickson R J, Quinton J N. Costs and benefits of erosion control measures in the UK. Soil Use & Management, 2015, 31: 16-33.

[4] Pasher J, Smith P A, Forbes M R, Duffe J. Terrestrial ecosystem monitoring in Canada and the greater role for integrated earth observation. Environmental Reviews, 2014, 22(2): 179-187.

[5] Leitao P J, Schwieder M, Suess S, Okujeni A, Galvao L S, van der Linden S, Hostert P. Monitoring Natural Ecosystem and Ecological Gradients: Perspectives with EnMAP. Remote Sensing, 2015, 7(10): 13098-13119.

[6] 歐陽志云, 張路, 吳炳方, 李曉松, 徐衛(wèi)華, 肖燚, 鄭華. 基于遙感技術(shù)的全國生態(tài)系統(tǒng)分類體系. 生態(tài)學報, 2015, 35(2): 219-226.

[7] Giri C, Pengra B, Long J, Loveland T R. Next generation of global land cover characterization, mapping, and monitoring. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2013, 25(2013):30-37.

[8] 陳軍, 陳晉, 廖安平, 曹鑫, 陳利軍, 陳學泓, 彭舒, 韓剛, 張宏偉, 何超英, 武昊, 陸苗. 全球30m地表覆蓋遙感制圖的總體技術(shù). 測繪學報, 2014, 43(6): 551-557.

[9] Lü Y H, Fu B J, Feng X M, Zeng Y, Liu Y, Chang R Y, Sun G, Wu B F. A Policy-Driven Large Scale Ecological Restoration: Quantifying Ecosystem Services Changes in the Loess Plateau of China. Plos One, 2012, 7(2): e31782

[10] Feng X M, Sun G, Fu B J, Su C H, Liu Y, Lamparski H. Regional effects of vegetation restoration on water yield across the Loess Plateau, China. Hydrology and Earth System Sciences, 2012, 16(8): 2617-2628.

[11] 任美鍔. 黃河的輸沙量: 過去、現(xiàn)在和將來-距今15萬年以來的黃河泥沙收支表. 地球科學進展, 2006, 21(6): 551-563.

[12] 邵明安, 郭忠升, 夏永秋, 王延平. 黃土高原土壤水分植被承載力研究. 北京: 科學出版社, 2010.

[13] 田均良. 黃土高原生態(tài)建設環(huán)境效應研究. 北京: 氣象出版社, 2010.

[14] Wang S, Fu B J, Piao S L, Lü Y H, Philippe C, Feng X M, Wang Y F. Reduced sediment transport in the Yellow River due to anthropogenic changes. Nature Geoscience, 2016, 9:38-41.

[15] 李銳. 中國水土流失基礎研究的機遇與挑戰(zhàn). 自然雜志, 2008, 30(1): 6-11.

[16] Chen Y P, Wang K B, Lin Y S, Shi W Y, Song Y, He X H. Balancing green and grain trade. Nature Geoscience, 2015, 8(10): 739-741.

[17] 陳宜瑜,Beate J, 傅伯杰,于秀波, Jamie P.中國生態(tài)系統(tǒng)服務與管理戰(zhàn)略.北京: 中國環(huán)境科學出版社,2011.

[18] Lü Y H, Zhang L W, Feng X M, Zeng Y, Fu B J, Yao X L, Li J R, Wu B F. Recent ecological transitions in China: greening, browning, and influential factors. Scientific Report, 2015, 5: 8732, doi:10.1038/srep08732.

Integrated regional ecological research on the Loess Plateau: advancing the scientific understanding and methodological tools

Lü Yihe1,2,*, GAO Guangyao1, LUO Yi3, JIAO Juying4, SHAO Ming′an2,3

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

The Loess Plateau is one of the most ecologically vulnerable regions in China. Meanwhile, it is also the pilot region in the large-scale ecological restoration of China. After decades of restoration, the ecological environment in the Loess Plateau has got significant improvement. However, new ecological problems occurred in this region simultaneously, making the sustainable development of large-scale ecological restoration and management becoming an attractive research topic. Research Center for Eco-Environment Sciences of the Chinese Academy of Sciences collaborated with 9 other institutions for the proposal of the project entitled “Research on the mechanisms of regional ecosystems change and sustainability in the Loess Plateau region” according to the Guideline for the National Key Research and Development Program on Typical Ecological Restoration and Conservation Research issued in February 2016. Finally the proposal got approval and financial support after national level competitive evaluation process. The research background, research objectives, main contents, and working plan were introduced in this paper. This research project may provide important policy and decision support for the sustainable development of the Loess Plateau region.

land cover change; water and soil resources and effects; ecosystem carrying capacity; ecological functioning; dynamic modeling; Loess Plateau

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501600)

2016- 10- 16

10.5846/stxb201610162090

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lyh@rcees.ac.cn

呂一河,高光耀,羅毅,焦菊英,邵明安.黃土高原區(qū)域生態(tài)綜合研究：機理深化與方法拓展.生態(tài)學報,2016,36(22):7069- 7073.

Lü Y H, Gao G Y, Luo Y, Jiao J Y, Shao M A.Integrated regional ecological research on the Loess Plateau: advancing the scientific understanding and methodological tools.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7069- 7073.