黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究站建設研究

張茂鑫 吳次芳 李光宇

摘 要：黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究站建設研究是強化基礎研究、促進發展韌性的重要舉措，可為黃河流域生態保護和高質量發展提供科技支撐。研究明確土地利用安全的內涵、總結黃河流域土地利用變化及發展面臨的問題;評述黃河流域野外科學觀測研究站現狀;圍繞黃河流域生態保護和高質量發展路徑，充分論述建設黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究站的必要性、明確研究方向、建站原則等，提出土地利用安全野外科學觀測研究站布設方案，并從宏觀、中觀、微觀上構建了具體監測和評價指標。

關鍵詞：土地利用安全;科學觀測;野外科學觀測研究站;黃河流域

中圖分類號：X83;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.003

Abstract：The field scientific observation and research station of land use security in the Yellow River basin is an important measure to strengthen basic research and promote the resilience of development， which can provide scientific and technological support for ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin. The study clarified the connotation of land use security and summarized the land use change and development problems in the Yellow River basin， and then reviewed the present situation of field scientific observation stations in the Yellow River basin and put forward the ecological protection and high quality development path of the Yellow River basin. After that， it fully discussed the necessity of building a scientific land use observation station in the Yellow River basin， the research direction and the principles of the station construction. Finally， it put forward a plan for the field scientific observation and research station of land use security and established specific monitoring and evaluation indexes from the macro， middle and micro perspectives.

Key words： land use security; scientific observation; field scientific observation and research station; Yellow River basin

2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上提出，黃河流域生態保護和高質量發展，同京津冀協同發展、長江經濟帶發展、粵港澳大灣區建設、長三角一體化發展一樣，是重大國家戰略。黃河流域已從強調治水走到生態保護和高質量發展階段，國家關注重點也從單一要素水治理發展到山水林田湖草生命共同體。土地是植物生長的養分源地和所有生物地球化學、生物物理過程的基質。聯合國糧農組織（FAO）和聯合國環境規劃署（UNEP）組織的專家組， 對以水土流失為主的生態環境問題進行了調查分析，指出不合理的土地利用是造成環境退化的根本之因;美國環保署（EPA）的專家通過監測新澤西州一個小流域30 a的生態環境變化，指出所有的生態環境問題都是區域土地利用與土地規劃問題[1-2]。

黃河流域的生態保護和高質量發展，其重要基礎是維護流域土地的持續生產功能、生態服務與物質循環功能，保持可持續的生物活性、多樣性和生產性，調節水土結構平衡和物質能量的良性循環，保護人類生存環境和有關歷史文化遺址的性能。然而，黃河中上游地區長期以來毀林開荒、在陡坡進行不合理耕作，已成為世界上水土流失最嚴重的區域之一[3]。鑒于此，以土地利用安全為目標，詳細觀測研究山水林田湖草生命共同體的安全閾值，診斷土地利用系統的健康程度，建立土地利用動態監測和預警系統，對于保障黃河流域生態保護和高質量發展無疑是重要的基礎。

1 土地利用安全的內涵

土地利用是一個動態的概念，隨著人類社會的進步和對土地的需求而發生變化。近代生態文明時期，土地既是資源又是山水林田湖草生命共同體的空間載體，其環境生態、代際公平、社會保障等外在于市場的價值被重視[4]。土地利用的目標兼顧經濟目標、生態系統目標和生態環境目標。土地利用安全即人類在土地資源利用過程中，對生態環境、社會經濟發展和其他資源等安全性的影響[5]。土地利用安全強調三方面：一是動態性，即土地利用安全要隨著人口、自然條件、人文策略等因素的變化不斷滿足人類需求;二是聯動性，即土地利用安全和其他因素的安全性相輔相成、相互制約;三是時段性，即土地利用的安全標準隨科技水平發展發生變化，先進技術可促進土地利用安全。

2 黃河流域土地利用變化及發展面臨的問題

人類經濟活動產生的施壓強度和資源與生態環境承載能力的匹配度反映出人地關系。總體看，黃河流域人地關系自西向東逐漸趨緊，其中蘭州、西安、銀川、呼和浩特、太原等核心城市人地關系緊張，面臨生態保護和高質量發展雙重問題[6]。從1980—2015年黃河流域土地利用變化看，黃河流域總面積達79.5萬km2，其中：草地面積占47.47%;耕地面積占26.46%;城鄉工礦居民用地和水域面積較少，占比為2.54%、1.69%。與1980年相比，2015年黃河流域土地利用類型中耕地、沙漠及未利用地、林地、城鄉工礦居民用地面積分別增長0.09%、13.8%、2.99%、50.66%，草地、水域面積分別減少2.55%、37.49%。耕地面積基本沒有發生變化，隨著城鎮化進程加快，城鄉工礦居民用地增加顯著，水域面積大幅縮減，沙漠及未利用地增加明顯[7]。按全國水資源二級分區，黃河流域分為8個分區，分別是：Ι區龍羊峽以上、Ⅱ區龍羊峽—蘭州、Ⅲ區蘭州—河口鎮、Ⅳ區內流區、Ⅴ區河口鎮—龍門、Ⅵ區龍門—三門峽、Ⅶ區三門峽—花園口、Ⅷ區花園口以下。學界較多按此分區，以自然流域為基礎，在水資源、水資源承載力等級、土地利用、人地關系等方面，結合地域單元的完整性以及地區發展與黃河的直接關聯性進行研究（見表1）[8-11]。盡管近年來國家實施山水林田湖草在生態保護修復，在生態安全戰略上取得了大量科研、治理成果，但仍存在一些問題：Ⅰ、Ⅱ區為河源發端，水資源趨緊，Ⅱ區強烈水蝕，沙化、水土流失嚴重、生物多樣性及牧草產量下降[12];Ⅲ區的河套平原和寧夏平原農灌區，隨著工礦用地增加，水域面積縮減，水資源不足，在退耕還林政策下林地面積略有增加;Ⅳ區為沙地和沙漠區，水資源嚴重不足;Ⅴ、Ⅵ區屬于黃土高原丘陵溝壑區，黃土厚度100 m以上，極強烈水蝕、水土流失嚴重，生態重度脆弱，為黃河主要產沙區;Ⅶ、Ⅷ區近年來土地沙化明顯，水資源不足、人地關系趨緊。此外，黃河流域還存在洪水災害、地上懸河、水沙關系不協調、水質污染，以及礦區對生態環境破壞嚴重，生物多樣性降低等問題[13-14]。

據2018年統計年鑒，從經濟發展總體上看，黃河流域涉及50余個地級市，人口占14.6%、人均生產總值5.5萬元低于全國平均水平，而工業廢水、二氧化硫、氮氧化物、煙（粉）塵排放量占總量的10.2%、19.8%、16.9%、17.0%。可以看出，黃河流域地廣人稀、經濟發展整體落后，產業發展不均衡、污染較嚴重[15-16]。此外，黃河流域各省（區）市場化水平偏低，除山東和河南兩省，其余省（區）市場化指數明顯低于全國平均水平，且區域差異顯著，中上游地區低于下游地區[17]。從黃河流域經濟密度看，黃河流域區域發展極不均衡，鄭州、濟南、西安等地級市平均GDP超過7 619萬元/km2，工業企業數達11 168個，占黃河流域總數的25%。而隴南、巴彥淖爾等16個上游地級市平均GDP低于500萬元/km2。東中西部之間的經濟密度差異明顯。東部經濟密度高，且形成了以鄭州、濟南為中心的高級別集聚狀態;中部以西安為中心形成了次一級集聚狀態;西部高水平、中高水平經濟密度區域及實力較強的集聚核心和擴展軸帶分布在內蒙古中部、河南中部、陜西南部、山西中部，其他省（區）的集聚核心和擴展軸帶較弱[18]。

3 黃河流域建設野外科學觀測站的必要性

3.1 野外科學觀測站現狀

新中國成立以來，根據學科發展、國民經濟建設和社會發展的需要，中科院和氣象等部門建立的野外科學觀測研究臺站（簡稱野外科學觀測站）有7 000余個。1999年開始，科技部遴選建設了105個國家野外科學觀測站（后縮減至97個），旨在開展長期觀測，以獲取數據，推動相關領域發展，為國家糧食安全、生態文明建設和重大工程建設提供重要科技支撐。其中，黃河流域范圍內涉及11個國家野外科學觀測站，包括5個農田、2個森林、2個地球物理、1個草地、1個荒漠國家野外科學觀測站，分屬國家林草局、地震局和教育部、中科院等4個部門主管、10個依托單位。但在國家層面沒有形成統一的監管體系，忽視了綜合性和整體性，沒有形成目標統一、監測指標體系聯網的合力監山東泰山、河南南太行地區管體系[19]。野外科學觀測站觀測研究多以點代面，數據的時空橫縱尺度具有局限性，難以系統全面掌握黃河流域自然生態環境、氣候水文等變化及黃河治理工程對全域的影響，還遠遠不足以為黃河流域未來生態保護和高質量發展提供有力科學數據支撐。對比國際經驗，美國的密西西比河曾經是美國十大瀕危河流之一，經過100多a的流域綜合治理，已基本恢復良好的生態系統，其重要經驗是重視對土地利用和土地覆被變化的長期監測[20-21]。巴西亞馬孫河流域的治理，也是從土地利用角度切入進行綜合整治[22]。土地利用是自然資源、自然環境和人類活動三要素的集合體，它能將土地-食品-淡水-氣候-生物多樣性-人類活動聯結成網絡系統，在地塊、地方和流域等不同尺度反映生態保護和區域發展的質量狀況。因此，針對黃河流域上中下游不同地域存在的生態保護和高質量發展問題，統籌建立土地利用安全野外科學觀測研究站，是實現黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的基礎工程，也是評價人地關系是否協調的基點和落腳點。

3.2 生態保護和高質量發展路徑

黃河流域生態保護和高質量發展實質是土地平衡保護整治修復與開發利用建設之間的協調（見圖1），其核心思想就是確保土地利用安全前提下滿足黃河流域人們生產生活生態需求。一方面，面對黃河流域出現的草場退化、濕地退化、荒漠化、鹽堿地、水沙不協調、水污染、災害等一系列問題，不能分而治之，而要遵循山水林田湖草生命共同體的客觀規律，加強生態系統整體性、系統性治理，兼顧數量質量生態效益[23]。國家野外科學觀測站需在時間、空間、目標、監測要素4個維度進行綜合考慮、設計監測指標，然后進行保護整治修復，最后對生態系統質量、生態服務質量、社會經濟效益進行監測評價，反饋實施效果。另一方面，高質量發展要梳理資源配置現狀問題，突破資源瓶頸，以監測為基礎，掌握耕地、水等資源要素質量和生態環境狀況，針對發展規劃等管理政策，實施開發利用建設，最終以監測評價反饋成效。可見，野外科學觀測站是黃河流域保護和發展的關鍵基點。

3.3 野外科學觀測站的研究方向

聯合國新千年生態系統評估項目、《21世紀議程》和《2030年可持續發展議程》等都重視通過土地利用變化的觀測研究，來系統探索生物地球化學過程，水文狀況和水質變化，森林生態系統和森林景觀變化，城市生態系統的改變，人口適應數量和結構，生物群落結構，個體、種群、生態系統對干擾尺度、頻率、模式及類型的反應[24]。面對黃河流域生態環境問題和高質量發展要求，野外科學觀測站將在土地質量、土地利用安全與農田生態、土地利用安全與城市生態系統三方面監測研究。

（1）黃河流域土地質量演化監測。針對區域典型土壤類型開展土地生態系統重要生態過程與生態要素的長期定位網絡監測，構建土地質量評價的指標體系及評價模型，闡明不同時空條件下土地資源質量變化的關鍵過程與趨勢，診斷土地資源質量變化的關鍵控制因子及作用強度，揭示自然沉積與人類活動交互影響下，黃河流域土地質量和環境質量的演變機理和演替規律，為流域生態修復、整治、保護提供基礎數據和技術支撐。此外，再野化是近年來興起的一種生態保護修復新方法，旨在通過減少人類干擾，提升特定區域的荒野程度，以提升生態系統韌性和維持生物多樣性，使生態系統能夠達到自我維持的狀態[25]。黃河流域特別是上游青藏高原和下游黃河三角洲是觀測研究土地再野化最重要和最典型的樣本區域。監測自然資源“緩慢變量”的變化趨勢，在無人類活動擾動情境下土地生態系統維持原狀及自然重塑的過程、響應與效應，測度土地生態系統自我調節潛能及恢復韌性，為區域生態系統的整體恢復、農業資源科學利用和農田生態系統的優化管理提供技術支持。

（2）黃河流域土地利用安全與農田生態系統管理。以山水林田湖草生命共同體理論為指導，開展不同類型土地利用生態系統的結構、過程與功能監測，揭示土地生態系統結構與功能之間的聯系及其對區域變化的響應機理，量化不同土地利用格局對土地健康、農作物產量、生態環境風險等的影響程度，明確土地資源系統安全運行的尺度效應、測度評價和演變規律;重點監測黃河流域灌區、濱海鹽堿農田等生態系統的演化，開展區域土地利用對比試驗，探索不同種植制度、選育新品種、灌溉節水技術，構建土地利用安全與土地健康的概念框架、耦合模型和基礎理論，探討適應性管理與可持續利用的農業資源和農田生態系統對策。

（3）黃河流域土地利用安全與城市生態系統管理。城市生態系統是指特定地域內的人口、資源、環境通過各種相生相克的關系建立起來的人類聚居地或社會、經濟、自然復合體[26]。城市生態系統管理目標是恢復和維持城市生態系統健康、生物多樣性等。監測主要控制區水、電、各類用地開發建設、固體廢物污染等人類社會經濟指標和城市自然生態系統，如生物多樣性、土壤微生物等指標。研究山水林田湖草各要素與城市經濟、社會、生態發展時空匹配的適宜度，綜合評價城市生態系統服務的供給、調節、文化和支持能力[27]。

4 黃河流域野外科學觀測站布設建議

4.1 基本原則

黃河流域是一個極其復雜的社會生態系統，布設野外科學觀測站，必須堅持以下基本原則。

（1）整體性-系統性原則。黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究要加強頂層設計規劃，形成統一的目標認識、規劃研究方向和觀測指標類型、標準，以及網格化的監測網和數據指標體系，以便開展土地利用的整體性-系統性效果評價與監管。整體性強調狀態，從微觀關注要素如水質、生物多樣性等健康狀態，以局域為切入點構建點-線-網-面的微觀-局域-整體流域監測格局。系統性聚焦聯系，基于系統論的關聯性、復雜性、等級結構性視角[28]，既要建立單一要素監測體系，又要構建多要素相互關聯的系統性監測體系，如水和土耦合聯系、社會和生態體系指標耦合聯系等。

（2）區域代表性原則。黃河流域的地勢西高東低，西部河源地區海拔在4 000 m以上，由一系列高山組成，常年積雪，冰川地貌發育;中部地區海拔在1 000～2 000 m之間，為黃土地貌，水土流失嚴重;東部主要由黃河沖積平原組成。流域整體生態環境脆弱，各類水利工程及開發利用均對流域局部與整體生態保護產生影響，因此應在自然地理特異區、災害頻發區、生態脆弱區、人為干預工程區、重點開發區等選取區域代表性觀測站點。

（3）科學問題導向原則。黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究站旨在通過土地利用重大科學問題的探索，以科學觀測數據支撐黃河流域生態保護與高質量發展。要特別重視觀測研究不同類型和不同區域土地利用系統的脆弱點、恢復力、限制、邊界、退化風險、可持續性軌跡、長期趨勢和演變規律，觀測研究經濟社會發展和人類需求與土地利用之間的相互作用過程、時滯、慣性和動力機制，觀測研究土地利用對土地質量、物種多樣和分布、群落組成和生態系統功能的變化等，以期為黃河流域的可持續發展提供科學數據支撐。

（4）基礎條件良好原則。野外科學觀測站必須具有一定的基礎條件，如觀測場地、基礎設施、儀器設備、依托單位和管理部門保障人財物等支撐條件。為避免重起爐灶并節省資源，應根據土地利用安全觀測研究的目標和需要，在現有氣象監測站、水文監測站、水土保持監測站、土地利用監測站、國家野外科學觀測站等基礎上整合觀測研究資源，進行科學合理布設。

4.2 野外科學觀測站布設

根據野外科學觀測站建站原則和研究方向，未來將形成網狀全覆蓋、整體性、系統性觀測研究體系。黃河流域現有11個野外科學觀測站，分別側重農田、森林、地球物理、環境材料、草原、沙漠等典型區域問題開展監測研究，均納入土地利用觀測研究體系（見圖2）。根據黃河流域上下游存在的生態、經濟發展問題以及黃河上中游地區退耕還林（草）[29]、南水北調工程、水利水電工程[30]、引黃灌溉工程[31]、山水林田湖草生態保護修復試點/生態安全戰略等生態修復保護布局[32]，結合現有野外科學觀測站區位，建議在Ι、Ⅱ區河源發端區加強荒漠化、水源補給、退耕還林等效果監測，增設達日、瑪曲、瑪沁3個觀測站;在Ⅲ區的灌區及Ⅳ、Ⅴ區交界處定西、鄂爾多斯、臨河、呼和浩特新增4個觀測站，著重節水灌溉、品質選育、退耕還林、沙化等土地利用變化安全監測;Ⅴ區增設1個榆林站點，加強近年工礦用地對生態環境的影響;Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ區近年沙化嚴重，中下游人地關系不協調，其中西安人地關系緊張，加強鄭州、濟南較發達地區經濟發展對生態的影響研究，增設西安、濱州2個站點，加強濕地、鹽堿地治理基礎觀測研究。

4.3 野外科學觀測研究指標構建

指標構建是黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究的關鍵環節。在圖1黃河流域生態保護與高質量發展實現路徑中已明確，觀測指標應綜合考慮目標、時間、空間、觀測要素4個維度，在監測評價上考慮要反映生態系統質量、生態服務質量、社會經濟效益三方面。按照宏觀控制系統、中觀過程系統、微觀響應系統三級聯動的模式進行綜合設置。既要考慮科學性，也要考慮簡明性和可操作性，更要考慮對流域生態保護和高質量發展表征的敏感性。按照這些思路和原則，具體觀測研究指標設置如下：

（1）宏觀控制系統。土地利用結構、土地生產能力、生物豐度指數、流域侵蝕模數、萬元GDP耗地量、萬元GDP用水量、人均水資源用量。

（2）中觀過程系統。土地開發強度、土地脅迫指數、自然景觀破壞度、景觀聯通指數、生物多樣性指數、水土資源污染指數、農田生態系統服務能力、自然災害受災面積、城市生態系統服務功能等。

（3）微觀響應系統。土壤肥力、土壤微生物量氮、土壤微生物量碳、土壤微生物多樣性、農田微生物群落、農田蛋白酶活性。

5 結 語

基礎是關系到系統生存和發展的根本，歷史經驗表明不重視基礎就很難有發展的韌性。從黃河流域歷史變遷的角度看，土地作為山水林田湖草這個生命共同體的承載者，同時也是流域能量平衡和水循環的決定者之一，影響甚至決定了地表水和地下水的儲存和流動，其利用安全是實現黃河流域生態保護和高質量發展的重要基礎。未來需要加強頂層設計，從應急目標到系統方案，以整體性的框架建設黃河流域土地利用安全野外科學觀測研究站，探索流域土地質量和環境質量的演變規律，構建土地利用健康和安全的智能化感知系統，并進一步規范野外科學觀測研究的標準化建設，制定一系列統一的技術規范或指南，才能打破管理體系條塊壁壘造成的單一要素重復觀測、科技數據支撐不足等問題，從而鍛造黃河流域生態保護和高質量發展的強韌性。

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【責任編輯 趙宏偉】