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【中國科學報】黃土高原“朝圣”記

——揭開黃土高原生態系統與水文相互作用的奧秘

2019-09-30 中國科學報 甘曉
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傅伯杰(左一)帶領團隊在進行野外調查

  “幾回回夢里回延安,雙手摟定寶塔山。”信天游奔放熱烈的韻律,是每一個陜北人的“心頭好”。新中國成立70周年之際,見證中國歷史轉折點的寶塔山,令人神往。

  此時,距離寶塔山幾十公里外的羊圈溝生態恢復與水土保持實驗基地,中國科學院院士、中科院生態環境研究中心研究員傅伯杰團隊的科學工作者正在開展野外實驗。

  到羊圈溝去,也被研究組同學們稱為“朝圣”。多年來,在國家自然科學基金重大項目“黃土高原生態系統與水文相互作用機理研究”的支持下,他們為揭示黃土丘陵溝壑中隱藏的奧秘,展開一場科學“朝圣”之旅。

  從羊圈溝到黃土高原

  出生在咸陽的傅伯杰是土生土長的陜西人,自然對黃土高原有割舍不下的情分。作為地理學家的他,對這里環境和生態系統的細節變化諳熟于心。

  “這分別是1982年、1999年和2013年,黃土高原植被覆蓋的情況。”9月中旬,傅伯杰在辦公室接受《中國科學報》采訪時,向記者展示了幾張土地利用和土地覆被圖。自退耕還林還草政策實施以來,黃土高原農地大幅度減少,林草面積顯著增加,區域景觀和生態系統發生巨大變化。這些變化有什么生態和環境效應,特別是生態系統和水文及水分有什么相互作用?帶著這些問題他們開始了重大科學基金項目的研究。

  研究人員發現,隨著植被面積增加,諸多新問題暴露出來。例如,樹的生長比草需要消耗更多水分,更容易導致土壤干旱,進而造成樹木生長緩慢,形成“小老頭樹”。事實上,在一些地區,確實因為種植樹木讓土壤干層現象加劇。“在哪些地方種樹、哪些地方種草,種什么樹、種植多少,這代表了生態系統的結構和景觀格局。”長期關注黃土高原生態系統的傅伯杰分析,這其中,水是關鍵因素。

  位于典型丘陵溝壑區的羊圈溝,是研究景觀格局與生態過程的絕佳地點。早在1996年,傅伯杰通過實地考察選址,選取這里作為研究基地。通過長達十多年的堅守,他們在小流域尺度上開展了系統的研究。

  那么,在更大的范圍內呢?在黃土高原這樣一個生態脆弱區、氣候變化敏感區,也是黃河重要的產水區和絕大部分泥沙的來源區,合理開展生態建設是跨尺度利弊權衡的中心問題,需要強有力的科技支撐。

  基于這樣的考慮,在首輪退耕還林(草)工程結束后,傅伯杰帶領團隊向國家自然科學基金委員會提出項目申請。2014年,重大項目“黃土高原生態系統與水文相互作用機理研究”啟動,至2018年底順利結題。

  傅伯杰指出,該重大項目的目標不僅要從科學上探求環境變化和人類活動對黃土高原生態系統分別有多大的影響,更要為指導和規范人類生態恢復活動提供科學依據。

  5年來,在該重大項目支持下,研究人員的“朝圣”之路走出了羊圈溝。他們在黃土高原上建立了251個定位監測樣地,開展了6次覆蓋502個樣方的大規模調查,將他們對生態系統的研究擴展到整個黃土高原的尺度上。

  “逆行者”取“真經”

  在羊圈溝的生活有點“囧”。常駐的研究人員一年中有半年時間在那里待著,住在從老鄉那里租來的窯洞里,五六個人擠一張炕,儀器設備放在另一間,打電話則要跑到山上空曠的地方找信號,洗澡要專門進趟城,斷水斷電也是家常便飯。

  不過,一下雨,他們就“嗨”起來了。“一到下雨,老鄉都往山下跑,學生們都興奮地往山上跑。”這是傅伯杰對野外工作最形象的描述。為了獲得降雨后樹干莖流、降水再分配等數據,研究人員都成了期盼下雨的“逆行者”。

  2014年,羊圈溝基地正式建設了科研生活用房,“逆行者”才有了真正的家,這也成為他們走出羊圈溝的堅實后盾。

  在長期觀測的基礎上,“逆行者”們用堅持和智慧取得了“真經”。

  他們發現,在南北、東西樣帶上降水量不同的地方,實際上存在一個種樹還是種草的分界線,那便是年均降水量在530毫米左右的界線。用專業語言描述的結論便是,年均降水小于這一數值的地區,林地的土壤水分處于接近或者低于土壤萎蔫點的水平。

  “這表明,比年均降水530毫米更干旱的地方,不適合大范圍種樹,更適合種草,既能保持水土,又能建立良好的生態系統。”傅伯杰解釋。

  另一項基于大量監測數據開展的工作也具有指導實踐的意義。研究人員以“固碳量”這一概念為視角,通過耦合地面觀測、遙感和生態系統模型等多種手段,量化分析了黃土高原地區植被恢復的固碳、徑流、蒸散發等生態效應,構建了自然—社會—經濟水資源可持續利用耦合框架。

  傅伯杰介紹,這項研究得到的結論是,目前黃土高原植被恢復已接近該地區水資源植被承載力的閾值。同時,在未來氣候變化條件下,該承載力閾值在383~528克碳/平方米·年間浮動。研究結果2016年發表在《自然—氣候變化》上。

  “這兩項研究都得到了一個定量的結論,幫助我們去權衡退耕還林還草和土壤含水量以及地表徑流量之間的關系。”他強調,黃土高原植被恢復應綜合考慮區域的產水、耗水和用水的需求,以及生態系統的可持續性。

  泥沙去哪兒了?

  “九曲黃河萬里沙,浪淘風簸自天涯。”研究黃河多年,傅伯杰欣賞這首意境豪邁的詩。當然,有關黃河的奧秘更令他著迷。例如,明明自古以來黃河就是世界上輸沙量最大的河流,那90%以上的“萬里沙”來源于中游的黃土高原,但是上世紀70年代以來,來自黃河潼關水文站的數據卻顯示,每年輸沙量從16億噸銳減為3億噸左右。

  “萬里沙”的黃河,似乎正在走向“黃河清”的方向。那么,這些泥沙都去哪兒了?

  “究竟是氣候變化還是人類活動?這兩種因素哪種占主導?如果是人類活動,那么,我們能做點什么?”該重大項目執行過程中,傅伯杰意識到,是時候揭開謎底了。

  研究人員發展了泥沙歸因診斷分析方法,率定各因素的貢獻及其作用。利用黃土高原過去60年的降水、徑流和泥沙觀測數據,研究發現58%的輸沙量減少是由產流能力降低引起的,其次是產沙能力和降水的貢獻,分別占30%和12%。

  在更具體的時間上,壩庫、梯田等工程措施是1970年代至1990年代黃土高原產沙減少的主要原因,占54%。2000年以來,隨著退耕還林還草工程的實施,植被措施成為土壤保持和產沙減少的主要貢獻者,占57%。

  最終,這項研究指向一個結論,最近幾十年黃河泥沙減少的主要原因是人類活動影響。研究成果于2016年在《自然—地球科學》上發表。

  傅伯杰指出,這說明,黃河水沙管理需要從黃土高原小流域綜合治理轉向全流域整體協調。

  5年來,取得科研突破的同時,研究人員還向中央有關部門提交了黃河水沙可持續管理、改善黃土高原淤地壩和梯田管理以及完善退耕還林(草)長效機制等政策建議報告,得到國家決策部門關注。他們的研究結論已經在地方政府的相關政策中得到應用。

  剛剛開學的9月,按照慣例,課題組幾名老師帶領新入學的研究生前往羊圈溝“朝圣”。依據植被和水分相互作用的研究結果,研究人員在延安市退耕還林還草辦公室的支持下,開展了刺槐林疏伐樣地觀測研究,進一步指導黃土高原退耕還林和植被恢復——他們不僅將論文寫進國際著名期刊,更將論文寫在黃土高原變綠的大地上。

  (原載于《中國科學報》 2019-09-30 第4版 自然科學基金)
打印 責任編輯:侯茜

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