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。

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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。

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编者按

黄河流域主要台站含沙量变化图

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%。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目和中国科学院国际合作项目的共同资助。

本期自然科学基金版将总结国家自然科学基金重大项目的研究进展,展示其取得的成绩。

九曲黄河万里沙,黄河曾经是世界上输沙量最大的河流,其中90%以上的泥沙来源于中游的黄土高原。近年来黄河输沙量剧烈减少,黄河潼关站上世纪70年代每年的输沙量近16亿吨,目前剧减为3亿吨左右,这既受径流和含沙量的共同影响,更是人类活动和气候变化综合作用的结果。研究组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,其次是由产沙能力和降水所贡献。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%。图片 22000年以来,随着退耕还林还草工程的实施,植被措施成为了土壤保持的主要贡献者,占57%。因此,坡面和沟道的生物和工程等多种措施共同作用把黄河输沙量控制到了人类活动影响之前的程度。但随着坝库等工程措施拦沙能力的逐渐下降,在黄土高原维持一个可持续的植被生态系统对有效保持土壤和控制黄河输沙量反弹具有更加重要的作用。同时,剧烈的水沙减少对黄河三角洲也产生了显著影响,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。这一研究成果对黄河流域治理策略的制定具有重要意义。

我们欣喜地看到,黄河水沙管理从此有据可查,对致密油气有效勘探与开发,也将从根本上改变我国能源严重依赖进口的处境。丰硕成果的背后,是无数科研工作者对地球科学事业呕心沥血、躬身求索,一批批新人崭露头角,让这项伟业得以传承。

中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室傅伯杰研究组在黄土高原生态水文研究方面取得新进展,揭示了黄河泥沙减少的归因。这一研究成果近期在线发表在国际刊物Nature
Geoscience

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。

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。

傅伯杰带领团队在进行野外调查

逆行者取真经

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?

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。

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。

泥沙去哪儿了?

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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