黃土高原典型流域生態問題診斷與系統修復實踐探討
——以山西汾河中上游試點項目為例

周 偉,官炎俊,劉 琪,范彥波,白中科,2,3,師學義,2,3,胡業翠,2,3,黃雨晗,白東升

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035 3 自然資源部礦區生態修復工程技術創新中心, 北京 100083 4 山西省土地整理中心, 太原 030024 5 自然資源部國土整治中心, 北京 100035 6 山西省自然資源廳生態修復處, 太原 030024

我國國土空間有限性、人類擾動劇烈性以及生態文明、城鄉統一與鄉村振興的戰略目標,倒逼必須實施生態系統“整體保護、系統修復與綜合治理”。從科學研究到政策實施的“多學科交叉融合、多專家聯手攻關、多部門協同管理”已成為我國生態保護修復重要保障[1]。根據國家三部委在2016年10月聯合印發的《關于推進山水林田湖生態保護修復工作的通知》文件精神,相關部門已經在全國范圍內影響國家生態安全格局的核心區域、關系到民族永續發展的重點區域、以及生態系統受損嚴重區域積極組織開展山水林田湖草生態保護修復工程試點工作。

黃土高原是人類文明的發源地之一,是全國水土流失治理和防沙治沙的重點區域, 是“兩屏三帶”國家生態安全戰略格局中“黃土高原-川滇生態屏障”和“北方防沙帶”的重要組成部分,同時也是我國重要的礦產資源和化工基地。長期以來,受到國土資源粗放和不合理開發利用等因素影響,一些區域在一定程度上受到人類活動破壞,生態系統破損退化嚴重。20世紀80年代以來通過水土流失治理[2- 4]、礦區土地復墾[5- 7]、生態退耕還林還草[8- 10]、治溝造地整治和坡改梯[2,11]等重大生態工程建設,黃土高原生態環境質量等得到明顯提升[12- 14],為全面開展生態保護修復積累了寶貴經驗[15]。但黃土高原地區流域生態系統仍面臨著局部地段水資源短缺、流域地表植被破壞、水土流失嚴重等生態環境問題[14,16]。黃土高原生態建設是阻止西部地區沙塵暴等惡劣氣候環境、促進北方地區經濟社會發展的前沿陣地,其生態安全在西北乃至全國具有非常重要的地位,開展山水林田湖草生態保護修復是落實西部大開發戰略部署的有效保障。

水與土之間的相互協調與制約,構成了自然界物質、能量、信息等交換循環的兩大要素,水土要素的相互協調是生態、文明及生態文明的根基[17]。流域是大氣和土的循環空間和重要單元,是以河流為紐帶,由上、中、下游各生態要素組合而成的一種復合生態系統,是人類文明發展最主要的活動場所[18],流域好比聯通區域的大動脈,與區域社會經濟發展緊密相連[19-20]。隨著生態文明建設進程的不斷推進,各領域專家學者高度重視流域生態系統治理,針對流域生態環境經濟[21-22],流域水生態體系健康[23-24],以及流域生態系統綜合管理[25- 27]等領域開展了廣泛研究,并取得大量成果。但當前研究對象多為水資源豐富的大江大河流域,對雨季排洪、旱季斷水的黃土高原地區流域生態系統研究較少。流域生態系統綜合治理的思想及內涵已被政府和學者廣泛接受[18,28- 30],但因缺乏具體工程措施理論及實踐指導致使流域生態系統綜合管理效果不明顯[26]。基于“山水林田湖草是一個生命共同體”理念,進行流域生態系統保護修復的理論與實踐研究尚處于探索階段。如何統籌生態、社會、經濟之間關系,探索黃土高原典型流域生態保護修復的理論與實踐,是黃土高原地區發展的重中之重。

因此,本文在黃土高原由耕作為主、采礦損毀為輔等人類活動脅迫向系統性生態保護修復轉變的歷史背景下[3],以國家第三批山水林田湖草修復工程試點項目區山西省汾河中上游為例,在分析黃土高原典型流域生態系統特征及生態問題的基礎上,提出生態修復的核心理念,并以汾河中上游為例對生態修復工程的實踐內容進行探討,以期為未來流域生態系統修復工程提供理論與實踐參考。

1 黃土高原流域生態系統特征及生態問題

1.1 黃土高原流域生態環境特征

圖1 黃土高原地理功能分區Fig.1 Geographical functional division of the Loess Plateau

黃土高原位于我國溫帶地區,降雨量區域差異明顯(200 mm至700 mm不等),屬于半濕潤-半干旱地區。區域受黃土覆蓋嚴重,覆蓋厚度多為0—250 m,部分地區厚度超過300 m。依據地形地貌及形成條件,可劃分6個類型區[4](圖1)。黃土高原地區水土流失程度大、流失面積廣,對周邊生活及生產環境損害影響極其嚴重。該區礦產資源豐富,大面積、高強度煤炭資源的開采,給生態環境保護帶來巨大挑戰。生態環境修復技術經歷了從局地尺度的就地治理,到流域尺度的綜合治理階段,然后到區域尺度的可持續發展階段的演變過程[31-32]。土地復墾與生態修復研究為黃土高原采礦區生態治理提供理論依據和技術支撐,但由于礦區生態脆弱、土地損毀嚴重、復墾周期緩慢,黃土高原礦區土地復墾工作存在一定長期性和艱巨性[33-34]。

朱顯謨院士在理論、試驗示范區及重點流域成功治理實踐的基礎上提出了“全部降水就地入滲攔蓄,米糧下川上塬、林果下溝上岔、草灌上坡下坬”的黃土高原國土整治“28字方略”[35],探索出如何以流域為單元,系統治理黃土高原地區水土流失嚴重的實踐路徑。黃土高原區流域生態保護與修復要運用系統思維,山水林田湖草綜合治理—合理利用水土資源,優化林田湖草結構,形成以流域為單元的系統性防治體系。山既定格了流域空間,又為水土資源循環提供了勢能和循環空間；流域要以水為介質,林、草、田、湖等要素結構優化,共同構成的“自然-社會-經濟”相互作用復合系統(圖2)。

圖2 黃土高原山水林田湖草關系圖 Fig.2 Relationship between mountains, rivers, forests, farmlands, lakes, and grasses of the Loess Plateau

1.2 黃土高原流域主要生態問題

(1)水環境水生態問題惡化。水環境水生態問題包括水資源短缺、地下水位逐步下降、地表徑流量不斷減少、水域面積嚴重萎縮、水質惡化等,這既有自然惡劣環境因素,又受人類不合理活動影響：黃土高原區氣候寒冷干旱、年降水量少,河流出現多次多處斷流現象,地下水含量也逐年減少；加之人類生活生產對水資源的需求增高,水資源開采技術手段不合理,化肥和農藥過量使用,以及采煤對地下水資源的影響,遠遠超出流域內水資源及水環境能夠承載的范圍。

(2)水土流失治理形勢嚴峻。黃土高原大部分地區植被稀疏、山高坡陡,加上季節性集中降雨沖刷,在地形、降水、土壤等自然因素和能源開采、植被破壞等人為因素共同作用下流域內水土流失嚴重。水土流失現象導致農用地被破壞、水資源短缺、土壤極度貧瘠的同時,也制約了社會經濟可持續發展,是促使黃土高原地區成為連片特困區的主要原因之一。提高黃土高原典型流域土地保水保土能力、加快推進區域控風沙綜合整治,逐步改善區域生態環境已迫在眉睫。

(3)礦區生態環境破壞嚴重。黃土高原地區煤礦資源豐富,數十年來煤礦資源的開采為社會經濟的發展做出了巨大貢獻,但對當地及周邊生態環境也造成了極大的破壞。主要包括由煤礦開采造成采空區面積大、引發地面塌陷、村民房屋損壞等事故災害；開采破壞了地質環境,固體廢棄物露天堆放破壞地貌景觀及土地資源；由采煤引起的地裂縫、地表崩塌、山體滑坡以及泥石流等；尾礦物等廢水廢渣的排泄,造成水源污染及土壤污染等環境問題。

(4)生物多樣性保護刻不容緩。黃土高原區歷史悠久,原生態系統中各種動植物資源豐富。但由于人類活動的長期影響,部分動植物種類受到很大的威脅、生態系統的完整性再不斷喪失。森林和亞高山草甸生態系統嚴重退化,加之保護區及其周邊礦產資源的開采、人造工程等破壞了原始生態,使生態系統抵抗外來物種入侵能力減弱。生物多樣性是生態系統完整性和可持續性的重要體現,加強對黃土高原地區流域生物多樣性保護工作刻不容緩。

2 黃土高原典型流域生態系統修復理念

生態系統修復是一種充分體現系統性、整體性的生態環境修復和保護過程,其核心內容是將生態系統及其組成系統各生態要素進行整體化考慮、系統性修復。黃土高原典型流域的生態保護修復必須堅持從系統理念出發,因地制宜合理遵循流域生態修復理念。

(1)宏觀規劃調控與局地修復調整相結合的生態修復理念。不同流域生態系統本底與生態損毀程度不一,且造成生態系統破壞因素各異,單一從局部視角開展生態系統修復工程具有一定局限性和盲目性。開展流域生態系統修復宏觀規劃調控,有利于統籌協調區域資源利用、環境生態治理和社會經濟發展三者之間關系[36],有效整合與引導資金投入,有序推進與規范流域生態系統修復與保護工作。宏觀規劃調控是指導局地修復調整的重要依據與實施規范,局地修復調整是落實宏觀規劃調控的重要舉措與有效補充。通過宏觀規劃調控與局地修復調整相結合,從宏觀指導到微觀操作層面同時保障,能夠有效地針對各環節、各領域出現的“疑難雜癥”進行“對癥下藥”,確保生態保護修復治理“藥到病除”。

(2)區域生態功能提升與社會經濟發展相協調的生態修復理念。黃土高原地區是我國最為嚴重的生態脆弱區,也是經濟發展貧困聚集地區,是我國“貧病交迫”的典型區域之一。針對黃土高原水土流失嚴重地區進行退耕還林還草,對當地及周邊的生態環境恢復起到一定的積極作用,但不可避免增加耕地壓力,對該地區糧食安全及社會穩定造成威脅[10,14]；黃土丘陵溝壑區進行治溝造地,為植被生長提供一個良好的生態環境,但造成生活、生產、生態競爭水土資源等問題也暴露無遺[2]。進行流域生態系統修復工程布置及規劃,既應該注重生態系統的功能提升,也要注重與促進農業轉型與農民增收等社會經濟發展相協調,力保黃土高原地區的生態環境、社會生活與經濟狀況得到綜合發展。

(3)由“頭痛治頭、腳痛治腳”轉向“整體把脈,系統治療”的生態修復理念。單依靠“點”層面對各生態要素進行修復治理,“頭痛治頭、腳痛治腳”很難實現流域生態水平整體提升。應緊緊把握“山水林田湖草是一個共同體”理念,立足于生態系統的整體性和系統性,統籌山水林田湖草各生態系統要素。在明確生態環境主要矛盾和問題的前提下,從全局出發,結合自然地理單元分布、國土空間規劃及區域特征,識別優先保護和重點治理的關鍵,全面開展水環境保護整治、農牧用地修復、水土流失預防、生物多樣性保護、礦山開采治理等工程的優化整合。加強“一塊區域、一個問題、一種技術、一項工程”的生態修復思路,采取適合區域修復關鍵技術整體解決方案[37]。

(4)由“開刀治病”工程治理向“健康管理”自然恢復逐步引導的生態修復理念。流域生態系統修復治理方式包括工程治理和自然恢復,工程治理修復周期短、效果明顯,但成本大,且治標不治本；自然恢復成本低,且具有可持續性,但對于生態破壞嚴重區域成效低。黃土高原地區生態環境遭到了一定程度的破壞,但整體生態系統及生態功能并未完全受損,在結束或降低人為負向干擾活動對生態系統的影響后,黃土高原生態系統將會朝著更完整、更穩定的方向正向演替[38]。生態治理初級階段,黃土高原典型流域生態系統脆弱,單依靠生態系統的自我修復功能,很難實現修復目標。必須實施礦區復墾、治溝造地、水土流失綜合防治等生態治理工程,使流域生態系統能夠在短時間內達到修復效果。穩定的生態系統具有自我調節和自我組織能力,在減輕人為干擾的基礎上,順應自然、保護自然,可積極引導生態系統朝著健康有序的方向演替[39]。當土壤侵蝕得到有效控制、生態系統功能穩定提升后,應逐步引導生態系統向自我修復方向發展,由治理為主向保護為主轉變,由“開刀治病”向“健康管理”轉變。

3 實踐探討：以山西省汾河中上游為例

3.1 汾河中上游概況

汾河是山西人民的母親河,是山西省最大的河流,也是黃河的第二大支流。干流全長694 km,流域面積 39471 km2,約占全省面積的25%(圖3)。汾河中上游流域范圍主要包括忻州市的寧武、靜樂二縣,太原市的婁煩、尖草坪、古交和萬柏林四縣(區),東西寬約88 km,南北長約165 km,土地面積為7299.12 km2,占全省土地總面積的5.06%,是華北平原生態屏障和山西得天獨厚的水源涵養區。項目區地貌類型主要有山地、丘陵和平原三大類。區內主要為溫帶大陸性季風氣候,但南北跨度大,且具有明顯的海拔高差,南北之間氣候差異顯著。項目區主要生態特征為氣候干旱寒冷、降雨集中、土壤侵蝕嚴重、水源涵養功能降低以及礦區土地損毀嚴重等,是黃土高原地區流域生態環境綜合治理的典型代表區域之一。

圖3 汾河中上游位置示意圖Fig.3 The location of the middle and upper reaches of Fenhe River

3.2 生態保護修復工程項目實踐設計思路

汾河中上游生態修復工程以生態文明思想、扶貧開發思想和鄉村振興思想為指導,全面貫徹落實《生態文明體制改革總體方案》和習近平總書記視察山西時重要指示精神。在“山水林田湖草是一個生命共同體”及黃土高原典型就有生態系統修復四大理念支撐下,堅持從“整溝治理”入手,緊緊圍繞“為什么—是什么—治什么—怎么治—治成什么—錢怎么籌—地怎么保” 等系統性科學問題開展生態修復研究；以問題為導向,以“病種”為單位,以構建“一站式”多學科診治中心為理論模型支持,全面開展礦山治理、造林綠化治理、水土保持生態修復、水資源與水生態保護恢復、土地綜合整治和生物多樣性保護等六大治理工程。

3.3 生態保護修復分區及主要任務

3.3.1管涔山汾河源頭水源涵養及生物多樣性保護區

該區域位于忻州市寧武縣范圍內,位于“管涔山汾河源頭水源涵養與生物多樣性保護生態功能區”三級生態功能區范圍內,是汾河、桑干河、大清河的重要水源涵養區,而且也是蘆芽山國家級自然保護區所在區域。該區域為生態系統保護的核心區,其主要任務是：整體圍欄保護草原,補播優良草種、改良天然草地,建設巡護木棧道方便管護；實施生態移民搬遷工程,清退自然保護區核心區、緩沖區村落；通過拉網封禁、植被恢復建設劃定重點保護區；在林中空地植樹造林；大力種植沙棘林,綠化移民村土地；交通沿線、主要路口、村莊設立大型宣傳標志碑牌；建立華北落葉松、云杉物種基因庫；通過對天然林撫育、修剪培育優良母樹,建設母樹林基地,保護華北落葉松、云杉優良種源。

3.3.2汾河干流中上游水生態保護修復區

該區域涉及寧武、靜樂、婁煩、古交河萬柏林 5 縣(市、區),位于“汾河上游水庫調蓄與水土保持生態功能區”、“管涔山汾河源頭水源涵養與生物多樣性保護生態功能區”和“太原西山煤炭綜合開發與生態環境保護生態功能區”范圍內。該區域生態系統保護修復的主要任務是：實施入河排污口整治工程,新建及提標改造污水處理廠,建造垃圾處理處理站,建設生態溝渠、跌水復氧、人工濕地等,推進排污口規范化,實現入河排污口處水質達標排放。并且開展地下水水質保護工程,降低地下水污染風險。

3.3.3水土保持生態保護修復區

該區域涉及寧武、靜樂和婁煩 3 縣,主要包括靜樂、婁煩 2 縣。位于“汾河上游水庫調蓄與水土保持生態功能區”范圍內,是黃土高原水土保持及生態恢復的重點區。其主要任務是：以攔沙減沙、蓄水保土、改善生態、增產增效為目的,以小流域為單元,開展以封禁治理、水保林建設、溝道治理、坡改梯、生產路建設、水庫河岸防護林建設等工程為主的水土保持工程等。

3.3.4汾河上游水源涵養生態保護修復區

該區域涉及寧武、靜樂和婁煩 3 縣,位于“管涔山汾河源頭水源涵養與生物多樣性保護生態功能區”和“關帝山水源涵養與生物多樣性保護生態功能區”三級生態功能區范圍內。該區屬于黃土高原土石山區的水源涵養區,地形復雜,山勢走向縱橫,地勢高差大。由于缺乏山水林田湖草生命共同體的認識,忽視了水源涵養區、河流源頭、河流兩岸的生態系統的保護修復。該區域已經成為生態系統保護修復的關鍵區域,其主要任務是：加強水源涵養林建設；因私挖亂采煤炭遺留露天采場的生態環境治理,煤層出露點煤炭自燃等地質災害綜合治理； 水土保持工程建設及荒山荒坡綠化,河流水系、濕地、河岸植被恢復等水生態保護修復等。

3.3.5礦山生態環境治理修復區

該區域涉及婁煩、古交、萬柏林和尖草坪4縣(市、區),主要包括古交和萬柏林2市(區)。 位于“太原西山煤炭綜合開發與生態環境保護生態功能區”范圍內,是山西省礦山生態環境破壞的嚴重區,也是山西礦山及地質災害綜合治理典型區,更是生態環境保護修復最迫切區域。該區域生態保護修復的主要任務是采煤塌陷地綜合治理、矸石山等固體廢棄物壓占破壞地植被恢復、采空區及地裂縫整治、地質災害綜合治理、晉祠泉域地下水保護恢復、河道整治、濕地恢復以及河流水體污染治理等。

4 經驗與展望

4.1 初步經驗

汾河中上游山水林田湖草生態保護修復工程按照“分區域整體保護,按溝系系統修復,坡溝地綜合治理,全流域整體推進”的工作思路,有效推進試點項目工程穩步實施,形成的“治溝、治村、治河、治山、治林、治人”立體開發治理模式是實施山水林田湖草生態環境保護、鄉村振興戰略和全面脫貧致富的重要抓手。與以往土地整治與生態修復工程相比,此次山水林田湖草生態保護修復緊緊圍繞“堅持六個結合”先進做法：

(1)堅持退耕還林和荒山造林有機結合。在“輸血”的同時要不斷“造血”,單靠從農業用地中“輸血”難以保證林業用地的有效供給,而且“輸血”過程也不斷加重耕地壓力。因此,在堅持退耕還林的同時,要選擇適宜區域規模化進行荒山造林,實現耕地與林地可持續化發展。

(2)堅持生態環境建設和經濟發展建設相結合。生態環境建設生態文明思想的重要落實,經濟發展建設則是扶貧開發思想和鄉村振興思想的有效保障。選擇生態脆弱地區進行生態環境建設與自然條件優良地區發展經濟建設,生態與經濟建設有機統一,是保護生態環境與促進經濟增收的主要途徑；

(3)堅持科學的生態修復技術和精細的管護措施相結合。運用集流整地、大容器苗脫袋栽植等技術,形成針闊混交、喬灌草復合種植模式；加強水源地設立凈水設施、修建坡面治理工程與護岸與治灘工程、修筑截水溝/排水溝、削坡減載以及邊坡人工加固等修復技術。鼓勵支持退耕農戶、村集體合作社以及專業護林工作人員三方協作管護,有效保障造林成活率,實現加強修復技術與提升管護措施五五分的有機統一；

(4)堅持生態建設和鄉村振興相結合。生態建設的服務和產品是保障周邊人類福祉的有效途徑,鄉村振興是提高人民物質生活和生產水平的必要措施和保障。在實行鄉村振興戰略同時確保生態建設不落下,努力實現一個戰場兩場戰役的偉大勝利,形成生態建設與百姓富強的有機統一；

(5)堅持“生態修復、文化復興”與“產業多元、宜居環境”相結合。改善生態環境,擴展城市發展空間,拓寬產業多元化發展,提高居民生活環境質量,實現綠化全覆蓋目標。將試點工程區打造成生態優美,功能齊全,設施完善的自然生態屏障。

(6)堅持生態修復和整溝治理相結合。依據黃土高原地區生態特征及地理現狀,以“整溝治理”入手,系統協調生態各要素進行生態修復治理,打造生態空間山清水秀、生產空間集約高效、生活空間宜居適度,實現 “生態在山上、生產在溝谷,生活在溝口”的有機統一。

4.2 未來展望

生態保護與修復是一項長期而復雜的系統工程,是實現我國生態文明建設的中堅力量。我國山水林田湖草生態保護修復工程處于試點階段,流域生態系統保護修復的長效機制尚未形成。為促進黃土高原乃至全國地區流域生態系統環境質量的全面提升,完善我國山水林田湖草生態保護修復工程的理論體系和實踐基礎,進行流域生態系統保護修復工作還得從以下幾個方面進行加強：

(1)完善生態系統保護修復體系。加強對流域生態特征分析、對生態問題診斷、對流域生態退化機理的識別等認知水平；健全流域生態系統承載力評價與生態系統分區指標體系；加強生態修復工程實施過程中的技術指導與監督規范,確保工程項目達到預期修復效果。

(2)加強生態補償制度建設。流域生態修復涉及主體眾多,上下游生態利益緊密聯系,積極推進生態補償標準機制的建立,合理協調各部門、各主體之間利益配置[40]；科學界定補償者與被補償者的權利義務,完善生態破壞者賠償、生態收益者付費、生態修復者獲利的生態補償運行機制；積極探索流域生態補償模式、補償途徑及補償方式,推進生態補償制度的成熟化建設。

(3)健全動態評估與績效管理制度。積極引入第三方機構獨立開展不定期流域生態修復狀況評價；制定績效考核目標與指標體系,完善流域生態系統修復的評價機制；評估流域生態系統的綜合治理狀況和既定修復目標的實踐情況,確保項目如期完工,資金使用取得實效；總結經驗教訓,加強評價結果應用,推動流域生態系統修復治理工作有序開展。

(4)加強“天空地海一體化”調查監測技術。根據山水林田湖草生態保護修復工程的布局設計,構建省、市、縣各級層面宏觀監測、常規監測、精細監測和應急監測體系。提升全要素、全方位和全天候的生態修復監控能力,及時掌握生態修復治理的動態變化,確保全生命周期中過程控制和目標控制。