北方土石山区生态修复与水源涵养研究进展与展望*

曹建生, 张万军, 阳 辉, 郝小华, 刘秀萍, 王贺辉



北方土石山区生态修复与水源涵养研究进展与展望*

曹建生, 张万军, 阳 辉, 郝小华, 刘秀萍, 王贺辉

(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022)

生态文明建设与生态环境保护是人与自然和谐相处与和谐共生的必然要求, 是实现经济社会可持续发展和人民群众对美好生态环境的现实需要、建设美丽中国的实际需要。针对太行山区生态系统严重退化、环境容量与承载力低下、基础设施薄弱、自然条件与资源禀赋较差、贫困程度较深等问题, 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心从20世纪80年代开始在太行山中段东坡的低山丘陵区进行生态修复与可持续发展的研究, 通过30年的研究实践, 提出并建立了较为完整的北方土石山区生态修复治理体系, 为山区生态文明建设和生态环境保护, 以及扶贫攻坚和社会经济可持续发展提供了经验与示范。本文通过30年研究历程回顾、研究与展望, 总结了土石山区生态修复与水源涵养的进展与展望。太行山林业生态工程建设主要经历了3个阶段:一是研究初始阶段(1986—1996年), 确定了退化山地生态系统恢复的途径与技术理论, 建立了以水土富集为中心的林业生态工程。二是提升发展阶段(1997—2007年), 这一阶段主要是研究了影响退化山地生态系统恢复与重建的关键因子与影响机制, 并提出了有效的技术措施与解决方案。具体说来, 在径流林业研究方面, 研制出了太行山水土富集工程带间距计算公式; 在降水资源转化与水分运移规律研究方面, 明晰了岩土二元结构体的降水-土壤水-裂隙水的基本补给路径, 揭示了岩土界面“优先流”与裂隙网络“优先流”的运行转化规律, 阐明了浅层风化裂隙岩体渗流的动态变化特征及对植被耗水过程的响应关系; 在降水资源调控利用研究方面, 研制出了生物集雨新材料、营养调理剂和生物集雨面建造施工工艺。三是全面创新阶段(2008年—), 重点探讨了山区生态产业开发与区域可持续发展问题, 研发了经济林土壤扩蓄增容技术、石质山地困难立地造林技术、经济林生态隔离带调控技术、京津风沙源治理工程区沙产业开发技术, 以及林下经济、循环经济、生态旅游等生态产业化技术体系。下一步将在目前研究的基础上, 向人口密度较大、人类活动频繁的雄安新区上游山区扩展, 重点开展以国土绿化、景观建设、水源涵养、水土流失治理、污染防治为主要内容的山水林田湖草一体化生态环境与气候变化监测, 研究现代干扰条件下山地灌丛生态系统向森林生态系统的演替过程及主要驱动因素, 山地水旱灾害形成机制、降水资源调控与水源涵养, 以及以产业生态化和生态产业化为主体的山地生态经济体系, 为构建结构稳定、功能完善的京津冀生态环境支撑体系与水源涵养功能体系提供科学依据和技术支撑, 为山地生态系统经营管理, 实现其生产、生态功能和系统稳定性提供科学参考。

太行山区; 生态修复; 水源涵养; 山地生态系统; 可持续发展

1 研究内容及研究区概况

自20世纪50年代初起, 我国有关学者专家开始深入研究由于人类不合理的干扰大自然以及不合理利用自然资源所引起生态退化、环境恶化的问题[1-3]。此外, 国外也有许多学者开展了生态修复工作, 从不同角度丰富和拓展生态修复理论, 得到多种生态修复模式, 包括林业、农业、自然复垦等[4-5]。其中, 我国北方土石山区因土层薄、水土流失危害大而受到长期关注。有我国3大核心经济区之一的京津冀经济区和华北粮仓黄淮海平原, 水土流失是本区当前的主要生态环境问题, 该区水土流失综合治理不仅有利于提高当地土地生产力, 改善山区群众的生活状况, 而且对于提高下游地区的生态安全, 缓解区域水资源短缺, 减轻流域洪涝灾害威胁都具有极其重要的意义[6]。

水蚀是北方土石山区主要侵蚀类型, 其中海河流域约占77%。太行山区位于海河流域的上游, 作为华北地区的重要山脉, 既是华北平原的天然生态屏障, 又是重要水源地, 地理位置十分重要; 同时属于人类活动频繁、生态环境退化严重的脆弱生态系统, 是研究人类严重干扰下的严重退化山地生态系统演变规律的理想之地; 此区域同时属于典型的农林交错区域, 具有农林复合生态系统的典型性,是我国东西水分梯度和南北热量梯度相交汇的中心区域, 也是开展山地农林复合生态系统定位研究的理想之地。然而, 水土保持措施保持了水土, 却在水资源严重短缺的海河流域引发了一个新的矛盾, 那就是中上游水土保持与下游水资源匮乏之间的矛盾[6]。由于水是一重要的载体, 水源涵养在各项生态系统中处于中心地位, 对于生态系统生产力、养分循环等其他功能都会产生影响[7]。

近年来, 全国范围内陆续开展了一系列的生态保护与恢复工程, 包括天然林保护、退耕还林还草、京津风沙源治理等。这些研究工作的开展和工程的实施影响着我国生态系统水源涵养功能状况, 进而影响生态环境的可持续发展。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心依托位于北方土石山区典型区域的中国科学院太行山山地生态试验站(以下简称“太行山试验站”), 从20世纪80年代起进行了林业生态工程、山地生态系统修复等一系列研究, 本文从生态修复与水源涵养的角度, 系统地总结我们在北方土石山区生态修复与水源涵养研究的进展, 提出了当前研究所面临的问题, 客观认识生态系统结构与山区林地水源涵养功能, 并对未来的研究方向和发展趋势进行了论述, 以期加强北方土石山区山地生态系统研究的针对性, 强调研究重点, 为缓解日趋严重的水资源问题, 山地生态环境治理及生态恢复提供科学依据与理论参考。

太行山试验站位于河北省太行山中段东坡的低山丘陵区, 属于典型的山地-平原过渡区域, 太行山90%的耕地、80%的经济林分布在该区域; 同时属于典型的农林交错区域, 具有农林复合生态系统的典型性。太行山试验站地理坐标为114°15′50″E, 37°52′44″N, 海拔为350 m。本地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 年平均气温13 ℃, 年平均降雨量560 mm, 年蒸发量高达1 100 mm。地质结构为前寒武系滹沱群变质岩组, 出露的岩石主要为花岗片麻岩, 在其表层覆盖有0.5~10 m厚的风化层。土壤主要为褐土, 土层薄, 角砾石含量大, 易侵蚀, 具有较高的渗透性能。生态类型为华北地区晋冀山地落叶阔叶林及松柏林区, 植被主要为经济林、人工落叶阔叶林、针叶林、落叶灌丛和草丛, 属暖温带半干旱生态类型区。

2 研究历程

太行山试验站是在林业部攻关项目的基础上, 于1986年10月建立的, 属于中国科学院山地生态系统长期定位站。建站的主要任务是研究“生态环境严重破坏的山地生态系统恢复与提高环境承载力的科学技术问题”。30年来, 太行山试验站围绕太行山林业生态工程建设, 主要从基础理论、技术模式、区域发展等方面进行了深入研究。

在理念上, 经历了造林绿化、经济化、景观美化、生态文化等不同阶段, 由单一功能向多功能转变, 由数量向质量转变。在手段上, 经历了人工、畜力、机械化、规模化、规范化等不同阶段, 由分散向规模转变, 由徒手向设施转变。在途径上, 经历了工程建设、技术研发、科学研究等不同阶段, 由点对点的解决问题向突破共性关键核心技术转变, 由设施完善向功能聚集转变, 由凭借经验向依靠科技进步转变。在生态保护与经济发展的关系上, 经历了对立、孤立、相互融合、和谐相处、和谐共生等不同阶段, 由单一部门单打独斗向全社会共同参与转变。

2.1 林业生态工程的建立

20世纪80年代, 正值改革开放初期, 百废待兴, 太行山区也一样, 到处是荒山秃岭, 水土流失非常严重, 太行山造林绿化“要把黄龙变绿龙”是当时国家科技攻关的首要目标。为此, 我们开始了“太行山低山丘陵立体林业工程研究”, 主要从顺应自然和乔灌草立体配置的角度, 进行太行山低山丘陵区的植被恢复与重建。先后研发了小流域防护林立体配置技术、坡面等高生物带种植技术、农田地埂生物坝建设技术, 建立了林灌、林草、林农等多种立体配置模式, 构建了以水土富集为中心的林业生态工程示范体系, 经受了1996年8月特大暴雨的考验, 被国际生态工程协会认定为“国际生态工程建设示范基地”。“太行山低山丘陵立体林业工程研究”成果荣获国家科技进步三等奖。

20世纪90年代初, 随着改革开放的深入, 集体荒山开始拍卖, 单纯的造林绿化已很难得到推广应用, 考虑到农民对经济利益的追求和造林绿化的可持续发展, 我们又开启了“太行山生态林业工程经济林研究”, 从生态与经济双效协同的角度, 建立了林农复合、林药复合、林果复合、果药复合、果草复合等22个立体配置模式, 构建了兼顾生态与经济效益的生态系统修复与保护技术体系, 解决了生态与经济协调发展的问题。其中水平带状种植的干旱阳坡石榴获得了每公顷30 000多元的经济效益, 据1996年8月特大暴雨后的调查结果, 这种结构完全可以作到“生态环境优化与经济效益提高同步”, 被著名地理学家黄秉维院士称之为“北方的生物活篱笆”, 并题词“星星之火可以燎原, 北方坡地的持续利用大有可为”。

林业生态工程建设研究初始阶段(1986—1996年), 通过10年退化山地生态系统恢复途径研究, 建立起了以“生态工程”为主体的治山理论体系, 最早提出了生态工程建设的概念, 并出版了《林业生态工程研究文集》[8]、《太行山低山丘陵区立体林业工程研究》[9]、《生态工程》[10]、《农村庭院生态工程》[11]等理论专著。提出了水土富集工程、径流林业、生物活篱笆工程等一批治山技术成果, 引领了我国生态工程学科的发展。并建立了“太行山山地生态试验站”, 开启了太行山山地生态系统的长期定位监测, 逐步成为国家林业生态工程建设的典型样板。

2.2 林业生态工程影响机制的研究

林业生态工程建立之后, 水资源短缺成为影响退化山地生态系统恢复与重建的关键因子。研究解决水资源短缺问题, 是该阶段林业生态工程建设研究的任务重点。太行山区作为华北平原和京津地区的重要水源地, 为解决华北平原的水资源短缺问题, 于1997年开始, 到2007年, 以太行山试验站为核心, 逐步建立起了山地水生态、水环境试验监测系统, 监测山地生态系统的水文循环过程, 生态系统蒸散变化特征、水资源转化消耗规律和山区对平原的补水过程, 开展了退化山地生态系统恢复与重建的关键影响因子与影响机制研究, 阐明了降水资源不足与季节分配不均、水源涵养能力低与季节性干旱是影响植被修复的主要影响因子, 并提出了集雨、增容、控耗等有效的技术措施与解决方案。并在太行山试验站成功召开了国际山地水环境研究方法学术讨论会, 引起了国际同行的高度重视, 被第七届国际雨水利用学术研讨会指定为会议考察点。现已成为中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室、中国科学院农业水资源重点实验室的野外定点观测站。

在径流林业研究方面, 通过水量转化与平衡试验, 研究分析了坡面与梯田的降雨径流入渗关系及再分配特征, 发现坡面主要以地表径流与壤中流为主, 而梯田主要以垂直入渗为主。揭示了坡改梯条件下水循环演变规律, 提出了30%的面积比为径流林业生产的适宜面积, 并提出了太行山植被恢复以疏林结构为主, 带间距以6~8 m为宜, 解决了水土富集工程的问题。研制出了太行山水土富集工程带间距计算公式:=[(´-)/´+1], 式中:为带间距,为带宽(m), M为需水量(mm),为降雨量(mm),为径流系数,为经验系数。为干旱坡地植被建造的合理密度与配置丰富了新的理论与技术。

在降水资源转化与水分运移规律研究方面, 通过不同界面的雨水转化试验, 探明了花岗片麻岩山地“岩土二元结构”坡地的水文地质特征及其降水转化规律, 明晰了岩土二元结构体的降水-土壤水-裂隙水的基本补给路径为上部土壤孔隙-岩土界面-下部岩体部分裂隙-整个裂隙网络, 发现岩土界面“优先流”与裂隙网络“优先流”的运行转化规律为: 坡地降雨再分配以入渗为主, 当水分入渗到岩土交界面时, 由于岩土质地与结构的不同, 会形成暂时饱和区, 当水分继续入渗进入下部岩体层后, 水分主要在裂隙网络中储存和运动, 但并非完全充满整个裂隙网络, 而是随着降雨入渗过程的不断持续, 逐渐充满整个裂隙网络, 同时在强风化岩体中, 岩块与裂隙网络之间还存在较为强烈的水交换过程。阐明了浅层风化裂隙岩体渗流的动态变化特征及对植被耗水过程的响应关系主要表现为变幅不一的季节变化特征与季相差异的日变化特征, 丰富和发展了我国山地生态水文学科, 并为我国北方石质山地雨水利用提供了重要依据。

在降水资源调控利用研究方面, 研制出了生物集雨新材料, 建立的生物结皮集雨面的集雨效率达60%; 并配套研制了生物集雨材料营养调理剂和生物集雨面建造施工工艺, 解决了应用物理方法和化学方法造价高、不持久、有污染的问题, 创新了生物、环保、持续集蓄雨水的理念, 探索了生物集蓄雨水技术的新领域, 得到了国际雨水利用协会主席的高度重视, 并参与编写了《中国雨水利用》[12]专著。

北方造林树种短缺也是影响林业生态工程建设的重要因素, 研究解决植物材料短缺问题, 则成为提升林业生态工程建设质量和推进生态林业发展重点内容。为解决生态工程建设的植物材料短缺问题, 我们开展了“生态林业工程植物材料选育研究”, 先后引进植物材料300余种, 选育出适宜太行山林业生态工程建设的植物材料28种, 并建立了太行山试验站种质资源基地, 被石家庄市旅游规划局确定为“中科院植物园”。

2.3 林业生态工程可持续发展研究

从2006年起, 进入中国科学院知识创新工程以后, 重点进行了林业生态工程建设的全过程研究。以中国科学院的“三个面向”为目标, 针对山区生态与经济的两难问题, 从系统性、整体性的角度, 重点探讨了山区生态产业开发与区域可持续发展问题。研发了经济林土壤扩蓄增容技术、石质山地困难立地造林技术、经济林生态隔离带调控技术、京津风沙源治理工程区沙产业开发技术, 以及林下经济、循环经济、生态旅游等生态产业化技术体系。提出了山区经济开发的生态稳定机制及可持续发展的管理措施。现已列入《河北省山区“十二五”科技发展规划》、《河北太行山星火产业带建设规划》以及《河北张家口坝上退化林分改造规划方案》, 为京津冀山区的可持续发展提供了重要的技术支撑。

山区经济开发的生态稳定机制研究, 依据雨水资源的承载能力, 确定了太行山适宜森林覆盖率(28.6%)的区域稳定性控制指标, 并提出了生态林与经济林相互置换的生态稳定性调控方法, 解决了山区经济开发的生态安全问题。太行山低山丘陵区植被演替过程研究, 明确了太行山封山育林下生态系统从多年生草本到多年生灌木, 从低级到高级的演替过程, 并揭示了影响生态系统演变的主要驱动因素为1986年, 全钾是影响太行山低山丘陵区物种组成、物种多样性和植被地上生物量变化的最重要因素之一。经过30年的植被演替过程, 全磷成为影响植被分布的最主要因素之一。植被演替过程中, 土壤性质是影响太行山低山丘陵区植被分布和多样性变化的主要因素。为半干旱山地生态系统的科学有效管理奠定了基础[13-17]。京津风沙源治理工程的固碳效应研究, 明确了山地植被碳汇过程的动态变化, 揭示了工程固碳的区域特征与林分差异, 探讨了土壤的固碳机理, 结果表明2000—2010年工程平均固碳速率为5.57 Tg(C)∙a-1, 提出了水源涵养区以针叶林、针阔混交林为主, 农牧交错区以灌木林为主的固碳增汇技术与管理措施, 增强了我国温室气体管理的科学技术能力, 为我国碳汇林业、碳汇农业和碳汇草业的发展探索了可行途径[18-35]。太行山困难立地造林技术研究,开展了干旱贫瘠石质山地造林技术集成与示范,重点研究建立了雨水渗流集蓄技术、土壤扩蓄增容技术、生物集雨技术, 以及雨水高效利用技术, 探讨了多相土石复合介质的水理特性与界面水分转化机制, 揭示了造林对山区水文水资源的影响, 造林初期主要通过人为岩土结构的改变影响降雨再分配过程, 而在造林后期主要通过植被耗水影响降雨径流关系, 因此造林过程中不能对自然岩土结构进行大面积的改变, 同时要选择耐旱性强、耗水量低的植被, 探索了提高土石复合介质持水能力的有效途径, 明确了“土-砂二元结构”是影响山地造林难的关键因子, 提出了通过客土打破土-砂二元结构、扩展根系吸水通道、提高大苗移栽造林成活率的方法, 该研究提高了困难立地造林的成活率与存活率, 为中国北方土石山区生态修复提供了科技支撑与示范样板[36-45]。

总之, 20世纪80年代以来通过山地生态系统的长期定位监测, 研究建立了一系列山地生态工程建设与生态修复产业化模式与基地, 解决了生态与经济协调发展的问题, 促进了山区经济技术开发[46-53]。通过防沙治沙技术研究, 建立了丰宁“草-牛-奶-气”循环经济绿化模式, 促进了我国沙产业的开发[54-58]; 通过特色生态产业开发技术研究, 建立了赞皇大枣、元氏石榴、井陉药材等生态产业示范基地, 以及西柏坡观光农业示范基地和井陉润岭岗乐活养生苑生态旅游示范基地等, 对山区综合开发和地方脱贫致富, 发挥了巨大的示范与带动作用, 为地方经济社会发展做出了重要贡献[53,59-61]。为此, 2008年河北省山区经济技术开发办公室与中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心共同签署合作协议, 将太行山试验站纳入联合共建体系, 命名为“河北太行山山地生态试验站”, 以更好地发挥示范带动作用。

太行山试验站通过与美国、日本、印度等国家, 在生态工程、山地水环境、雨水利用等领域的合作, 以及举办山地生态工程建设、中国生物村建设、太行山水文及水资源、中国东部坡地过程及其利用等方面的学术交流, 已成为国际上有一定影响的野外研究基地。因此, 2013年被国家林业局纳入到“国家陆地生态系统定位观测研究站网”, 命名为“河北太行山东坡森林生态系统国家定位观测研究站”。

3 目前面临的问题与挑战

从1986年起, 经过30年的实践研究, 太行山试验站先后研究建立了可进行生产推广的山地生态修复治理的各项技术体系。然而, 随着社会经济的不断发展, 特别是在京津冀协同发展的雄安新区规划与建设, 华北地区河川径流明显减少和地下水资源过量开采的大背景下, 山区河流受自然、经济、社会条件的限制, 加之本身的生态系统就存在受地形地貌等自然因子影响大, 生产结构、消费结构简单, 生态环境脆弱, 生态系统稳定性差等长期问题, 使得山区水循环演变机理、影响因素及其驱动机制复杂, 并存在很大时空差异性。因此, 如何在气候变化以及人类活动对生态环境带来的新的双重干扰影响下, 基于已有的研究成果和基础, 通过生态修复与保护, 解决海河流域山区河流面临着的全年大部分时间“有河皆干”的危险局面, 恢复海河流域山区的水生态与水环境系统是目前的主要问题与挑战。

4 研究展望

针对新时期的需求、问题与挑战, 依托太行山试验站, 瞄准山地生态学的国际科技前沿和国家生态安全、水资源安全的战略需求, 立足华北地区晋冀山地、燕山山地及坝上高原等生态功能区与生态脆弱区, 将以人口密度较大、人类活动频繁的区域为研究重点, 围绕生态严重退化与水旱灾害并存的问题, 以我国华北(暖温带)典型山地生态系统(经济林、人工林、次生林)为对象, 从个体、种群、群落、生态系统到景观尺度, 开展山地(森林)生态系统的长期野外定位观测与试验; 结合室内模拟试验、景观模型等技术手段, 采用多种方法印证、多过程融合和模型模拟等技术途径, 重点开展以下研究。

4.1 山地生态系统结构、功能与调控

主要采用长期定位观测的方法, 明确山地生态系统结构的量化方法, 确定结构与主要功能的关系, 阐明树种共存机制(组成结构)、自然演替过程及驱动机制(空间结构), 以及结构调控对更新演替的作用机制; 探究山地生态系统生产功能与调节功能的结构调控原理与技术, 明确促进正向演替的结构调控途径, 为山地生态系统经营管理、实现其生产、生态功能和系统稳定性提供科学参考。

4.2 干扰条件下山地生态系统过程、退化机理与修复途径

主要采取长期定位观测与遥感相结合的方法, 通过与太行山次生林生态系统(近似顶级)相比较, 明确自然干扰与人为干扰(促进正向演替干扰、导致逆向演替干扰)对山地生态系统能量转化与物质循环过程、生物多样性变化过程、种群或群落更新演替过程的影响规律, 揭示山地生态系统生产/生态服务功能退化的内在机制, 阐明人工林地力衰退的土壤养分与微生物机制, 提出人工林生态系统修复的结构调控对策与措施, 为指导人工模拟自然干扰调控山地生态系统提供理论依据及技术方案, 为科学营造人工林生态系统提供理论基础与恢复途径。

4.3 山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术

采用长期定位观测的方法, 开展山地生态系统坡地与流域的降雨径流关系研究, 明确森林生态系统对水的时空分配、传输转换以及水文循环的影响机制; 同时, 通过对比分析人工林与次生林, 阐明森林生态系统变化对坡面与流域尺度径流形成影响的机理, 提出流域尺度提升人工林生态系统水土保持、水源涵养的技术途径, 为减少山地水旱灾害、提高水资源可利用量提供理论依据与技术支撑。

4.4 山地生态系统可持续管理与生态服务功能提升

采用长期定位观测的方法, 开展人工林生态系统管理与生产力关系研究, 阐明人工林生态系统生产力形成机制, 探索人为调控提高生产力的途径; 分析影响人工林生态系统管理对生态功能(水源涵养、水土保持、固碳释氧)影响的生物学机制, 提出流域尺度提升人工林生态系统生态功能的技术途径。

4.5 山地生态系统对气候变化的响应与适应能力及其空间分异规律

采用长期定位观测与控制试验相结合的方法, 开展山地生态系统在物候、生产力、水循环等方面对气候变化的响应过程研究, 阐明山地生态系统对气候变化的响应机制, 探索山地生态系统应对气候变化的适应性管理途径, 探讨山地生态系统对气候变化的响应与适应的空间分异规律, 提升山地生态系统应对气候变化的适应能力。

4.6 以产业生态化和生态产业化为主体的山地生态经济体系

采用政产学研联动与协调的方法, 开展山地资源消耗上限、环境质量底线、生态保护红线设定标准、生态产品和生态服务标准研究, 阐明产业生态化对资源与环境的响应机制, 探讨生态产业化对资源与环境的影响机制, 探索产业生态化与生态产业化融合发展的有效途径、模式, 破解开发与保护的矛盾, 为生态修复、精准扶贫、乡村振兴、推进美丽中国建设提供科技支撑。

5 结语

本文以太行山为例, 阐述了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究团队在北方土石山区生态修复与水源涵养研究最新进展, 论述了新时代北方土石山区山地生态系统的研究方向和发展趋势。然而, 在人与自然和谐发展的大背景下, 生态文明建设与生态环境保护将是一个社会长期高度关注的话题。土石山区不仅洪涝灾害与土壤侵蚀严重, 而且是季节性干旱等自然灾害高发区, 旱涝灾害交替频发这一点对于当地生态文明建设和社会经济可持续发展十分不利。虽然历经了30年的研究实践, 建立了较为完善的石质山地生态修复治理技术体系, 并在生产中得到了推广应用, 但是, 人类新的干扰也相伴而生, 比如矿业迹地的生态修复问题、经济林开发(退耕还林)的生态化问题、生态旅游开发的环境保护问题等。并且, 随着社会的发展与进步, 对生态文明建设也提出了新的要求。因此, 研究太行山生态退化机制、修复措施与水源涵养功能的影响因素、影响机制, 对于深入认识和理解山地生态系统的结构、功能与演替具有重要的社会意义和科学意义。同时, 也为京津冀生态环境支撑区、水源涵养功能区、集中连片深度贫困区的建设与发展等提供科技支撑。

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Practice and prospect of ecological restoration and water conservation for the rocky mountain areas in North China*

CAO Jiansheng, ZHANG Wanjun, YANG Hui, HAO Xiaohua, LIU Xiuping, WANG Hehui

(Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China)

The construction of ecological civilization and the protection of ecological environment are inevitable requirements of harmonious coexistence between man and nature. It is the basis of the realistic needs for realizing sustainable development of the economy and society for better ecological environment and beautification of China. In view of the severe degradation of the ecosystem, low environmental bearing capacity, weak infrastructure, poor natural conditions and resources, and poverty issues in the Taihang Mountain region, the Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences began (in the 1980s) a series of study on ecological restoration and sustainable development in low and hilly regions on the central region of the eastern slope of Taihang Mountain. Through 30 years of research, a relatively complete ecological restoration and management system for the rocky mountain areas in northern China has been established. This has provided experiences and demonstration for the construction of ecological civilization and protection of ecological environment in the mountain area. It has also helped the poor by fostering sustainable socioeconomic development. From the review and prospect of researches in the past 30 years, the paper summarized and discussed the practice and prospect of ecological restoration and water conservation in rocky mountain areas. The construction of forestry eco-engineering in the Taihang Mountain has mainly experienced three stages in the past 30 years. The initial stage was the determination of approaches and technical theories of ecosystem restoration in degraded mountain areas during the period from 1986 to 1996. There was also forestry eco-engineering that focused mainly on soil and water enrichment. The second stage was the study of key factors affecting the restoration and reconstruction of degraded mountain ecosystems and effective techniques and measurements of problem solutions during the period from 1997 to 2007. Specifically, in the runoff forestry research, a formula for calculating the distance between two soil and water enrichment projects in the Taihang Mountain was established. In terms of precipitation transformation and water transfer, the characteristics of seepage flow in shallow weathered and fractured rock masses and its response to the process of vegetation water consumption were determined. And the basic recharge path of precipitation-soil water-crack water in the binary structure of rock-soil, and the transfer regulations of preferential flows in interface of rock and soil and in crack nets were clarified. For regulating and utilizing precipitation resource, a new material for biological rainwater collection and the corresponding method for its’ utilization were developed. The third stage was the exploration and development of mountain ecological industry and regional sustainable development since 2008. The technology for water-storage capacity of economic forest soil, afforestation techniques for difficult sites in rocky mountain areas, controlling techniques of ecological belts in economic forests, sound industrial development techniques for engineering zone in Beijing-Tianjin Aeolian Source, and undergrowth and circular economy, eco-tourism and other ecological industrialization technology systems had also been developed. Based on current researches, the future researches will be expanded to mountain regions in the upper reaches of Xiong’an New District, where has a high population density with frequent anthropological activities. The researches will mainly focus on the followings: a) integration of ecological environment and climate change monitoring in mountain, water, forest, lake and grass regions, including land greening, landscape construction, water conservation, soil erosion control and pollution prevention; b) investigation on succession processes and main driving factors from mountain shrub ecosystem to forest ecosystem under modern disturbance conditions; c) exploring the formation mechanism of flood and drought disaster in mountain regions, the regulation of precipitation resources and conservation of water resources; d) establishment of mountain ecological economic system by using industrial ecology with the ecological industrialization as the main focus. The findings will provide the scientific basis and technical support for building stable structures, well-functioning ecological environment support systems for Beijing-Tianjin-Hebei Area. It also provides scientific references for water conservation and management of production, ecological functions of mountain ecosystems.

Taihang Mountain; Ecological restoration; Water conservation; Mountain ecosystem; Sustainable development

Supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0406501-02) and the Science and Technology Support Project of Hebei Province (16236002D, 17236801D)

, CAO Jiansheng, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

Jul. 12, 2018;

Jul. 23, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180663

S284; F205; P339

A

1671-3990(2018)10-1546-09

2018-07-12

2018-07-23

*国家重点研发计划项目(2018YFC0406501-02)和河北省科技支撑计划项目(16236002D, 17236801D)资助

曹建生, 主要从事生态系统修复及生态水文研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

曹建生, 张万军, 阳辉, 郝小华, 刘秀萍, 王贺辉. 北方土石山区生态修复与水源涵养研究进展与展望[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(10): 1546-1554

CAO J S, ZHANG W J, YANG H, HAO X H, LIU X P, WANG H H. Practice and prospect of ecological restoration and water conservation for the rocky mountain areas in North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1546-1554