西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室科研進展

近幾十年來全球生態(tài)退化問題較為突出，實施生態(tài)保護與修復(fù)迫在眉睫，但已有的修復(fù)工程往往對各生態(tài)系統(tǒng)要素之間的協(xié)同特征和有機聯(lián)系缺乏關(guān)注，生態(tài)修復(fù)的系統(tǒng)性和整體性較弱。生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)工作應(yīng)從社會-生態(tài)系統(tǒng)綜合管理的角度，實現(xiàn)從追求單一目標(biāo)到考慮要素相互作用，從關(guān)注局地到關(guān)注跨區(qū)域影響的轉(zhuǎn)型，這對旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理和政策制定具有重要意義。西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室上官周平、鄧蕾研究團隊分別從全球尺度系統(tǒng)研究了森林、灌木和草地三個主要自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳氮循環(huán)對干旱的響應(yīng)機理，從黃土高原尺度探討了生態(tài)保護與旱區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展所存在的問題與對策。

一、自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)過程對干旱的響應(yīng)機制

極端干旱對陸地碳(C)、氮(N)循環(huán)的庫、通量和過程均有重要影響，而深入了解這一極端氣候變化事件的影響機理極有意義。為了研究土壤碳、氮庫和通量對干旱的響應(yīng)并探討其機理，基于全球134個地點1815份干旱(降水減少)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，系統(tǒng)研究了森林、灌木和草地三個主要自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳氮循環(huán)對干旱的響應(yīng)機理(圖1)：(1)闡明了干旱對生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響機制。由于干旱降低植物生產(chǎn)力，導(dǎo)致凋落物輸入量減少(-8.7%)和凋落物分解量減少(-13.0%)，進而降低了土壤有機碳含量(-3.3%)。與此同時，干旱增加了礦質(zhì)氮含量(+31%)，但降低了氮礦化速率(-5.7%)和硝化速率(-13.8%)，導(dǎo)致全氮含量基本保持不變。干旱導(dǎo)致土壤中可溶性有機碳和氮的積累量增加(+59%，+33%)。(2)明確不同生態(tài)系統(tǒng)類型下土壤碳氮過程對干旱的響應(yīng)機理。干旱使森林土壤氮礦化速率和硝化速率降低，而對總CO2排放量并沒有顯著影響，但卻使灌木土壤CO2排放量降低(-15%)。草地對干旱的適應(yīng)能力高于森林和灌木，其土壤微生物可通過提高酶的活性進而獲取更多的土壤氮營養(yǎng)以滿足其對干旱環(huán)境的養(yǎng)分需求。(3)揭示了土壤碳氮循環(huán)過程對干旱時間和干旱強度的響應(yīng)規(guī)律。發(fā)現(xiàn)土壤CO2和根系呼吸先增加后降低，而土壤氮排放(如N2和N2O)持續(xù)降低，發(fā)現(xiàn)短期干旱激發(fā)了土壤微生物呼吸速率。長時期和高強度的干旱對土壤碳氮過程均表現(xiàn)出顯著的抑制作用，但是，土壤碳氮循環(huán)過程會逐漸趨向穩(wěn)定，表明生態(tài)系統(tǒng)對長時期高強度的干旱會有自適應(yīng)能力。

干旱對土壤碳氮循環(huán)過程的影響受生態(tài)系統(tǒng)類型、干旱持續(xù)時間和強度的調(diào)控。干旱強度越高、持續(xù)時間越長，干旱效應(yīng)就越大，尤其是對CO2排放量的影響越大，其隨干旱強度和持續(xù)時間的增加而降低。該研究結(jié)果揭示了干旱對陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)過程的驅(qū)動機制，對指導(dǎo)全球變化下生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究和模型預(yù)測具有重要價值。

二、黃土高原生態(tài)治理高質(zhì)量發(fā)展途徑

黃土高原是黃河流域?qū)嵤┥鷳B(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的重點區(qū)域。為了貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”的理念和生態(tài)文明思想，實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，因地制宜地規(guī)劃黃土高原生態(tài)治理和發(fā)展藍圖，在分析了黃土高原水土保持及生態(tài)治理成效和存在的主要困難的基礎(chǔ)上，提出黃土高原生態(tài)治理和綠色發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的對策及建議。

1.黃土高原生態(tài)治理的成效

新中國成立以來，黃土高原生態(tài)治理經(jīng)歷了從坡面治理、溝坡聯(lián)合治理、小流域綜合治理、退耕還林還草，到實施生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等幾個階段(圖2)，在區(qū)域生態(tài)建設(shè)、恢復(fù)生態(tài)功能方面成效顯著：植被覆蓋恢復(fù)成效顯著，林草覆蓋面積大幅增加，實現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)良性發(fā)展態(tài)勢；水土流失得到有效控制，入黃泥沙顯著減少；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，發(fā)展了旱地農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)、立體農(nóng)業(yè)等發(fā)展模式，形成了休閑觀光農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)、白色農(nóng)業(yè)、水土保持農(nóng)業(yè)等綜合生態(tài)型農(nóng)業(yè)；鄉(xiāng)村基本實現(xiàn)脫貧致富，“三生”空間不斷優(yōu)化。

2.黃土高原生態(tài)治理存在的主要困難

經(jīng)過幾十年的生態(tài)環(huán)境治理，當(dāng)前仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，表現(xiàn)在：脆弱的生態(tài)環(huán)境仍未根本改變，生態(tài)管理仍以生物和工程管理為重點，尚未與調(diào)整地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展和民生保障充分結(jié)合，缺乏分區(qū)分類綜合管理的保障政策；災(zāi)害風(fēng)險依然較為嚴重，滑坡、沉降、不穩(wěn)定邊坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害十分常見；大規(guī)模的植被恢復(fù)使水土資源的利用超出了可持續(xù)范圍，植被穩(wěn)定性仍然較差；耕地質(zhì)量總體偏低，農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力較低。

3.黃土高原生態(tài)治理及高質(zhì)量發(fā)展的對策建議

(1)設(shè)立黃土高原生態(tài)治理與綠色發(fā)展試驗示范區(qū)。制定流域生態(tài)環(huán)境綜合治理和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展科學(xué)規(guī)劃，以黃土高原區(qū)域合作、生態(tài)合作、經(jīng)濟互補為策略，探索生態(tài)保護、脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、綠色發(fā)展等區(qū)域綜合治理模式，山河林田湖草一體化發(fā)展。(2)推進生態(tài)綜合治理工程，創(chuàng)新生態(tài)治理措施。完善塬地、坡地、壩地、沙地科學(xué)治理模式，提高土地生產(chǎn)能力。(3)實施綠水青山提質(zhì)增效工程，聚焦生態(tài)衍生產(chǎn)業(yè)，加快區(qū)域生態(tài)文明與鄉(xiāng)村振興進程。(4)全面強化水土保持監(jiān)測監(jiān)督，創(chuàng)新黃土高原生態(tài)治理體制和機制。

(翟惠平供稿)