黄河流域土地利用安全野外科学观测研究站建设研究

张茂鑫 吴次芳 李光宇

摘 要：黄河流域土地利用安全野外科学观测研究站建设研究是强化基础研究、促进发展韧性的重要举措，可为黄河流域生态保护和高质量发展提供科技支撑。研究明确土地利用安全的内涵、总结黄河流域土地利用变化及发展面临的问题;评述黄河流域野外科学观测研究站现状;围绕黄河流域生态保护和高质量发展路径，充分论述建设黄河流域土地利用安全野外科学观测研究站的必要性、明确研究方向、建站原则等，提出土地利用安全野外科学观测研究站布设方案，并从宏观、中观、微观上构建了具体监测和评价指标。

关键词：土地利用安全;科学观测;野外科学观测研究站;黄河流域

中图分类号：X83;TV882.1   文献标志码：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，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上提出，黄河流域生态保护和高质量发展，同京津冀协同发展、长江经济带发展、粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展一样，是重大国家战略。黄河流域已从强调治水走到生态保护和高质量发展阶段，国家关注重点也从单一要素水治理发展到山水林田湖草生命共同体。土地是植物生长的养分源地和所有生物地球化学、生物物理过程的基质。联合国粮农组织（FAO）和联合国环境规划署（UNEP）组织的专家组， 对以水土流失为主的生态环境问题进行了调查分析，指出不合理的土地利用是造成环境退化的根本之因;美国环保署（EPA）的专家通过监测新泽西州一个小流域30 a的生态环境变化，指出所有的生态环境问题都是区域土地利用与土地规划问题[1-2]。

黄河流域的生态保护和高质量发展，其重要基础是维护流域土地的持续生产功能、生态服务与物质循环功能，保持可持续的生物活性、多样性和生产性，调节水土结构平衡和物质能量的良性循环，保护人类生存环境和有关历史文化遺址的性能。然而，黄河中上游地区长期以来毁林开荒、在陡坡进行不合理耕作，已成为世界上水土流失最严重的区域之一[3]。鉴于此，以土地利用安全为目标，详细观测研究山水林田湖草生命共同体的安全阈值，诊断土地利用系统的健康程度，建立土地利用动态监测和预警系统，对于保障黄河流域生态保护和高质量发展无疑是重要的基础。

1 土地利用安全的内涵

土地利用是一个动态的概念，随着人类社会的进步和对土地的需求而发生变化。近代生态文明时期，土地既是资源又是山水林田湖草生命共同体的空间载体，其环境生态、代际公平、社会保障等外在于市场的价值被重视[4]。土地利用的目标兼顾经济目标、生态系统目标和生态环境目标。土地利用安全即人类在土地资源利用过程中，对生态环境、社会经济发展和其他资源等安全性的影响[5]。土地利用安全强调三方面：一是动态性，即土地利用安全要随着人口、自然条件、人文策略等因素的变化不断满足人类需求;二是联动性，即土地利用安全和其他因素的安全性相辅相成、相互制约;三是时段性，即土地利用的安全标准随科技水平发展发生变化，先进技术可促进土地利用安全。

2 黄河流域土地利用变化及发展面临的问题

人类经济活动产生的施压强度和资源与生态环境承载能力的匹配度反映出人地关系。总体看，黄河流域人地关系自西向东逐渐趋紧，其中兰州、西安、银川、呼和浩特、太原等核心城市人地关系紧张，面临生态保护和高质量发展双重问题[6]。从1980—2015年黄河流域土地利用变化看，黄河流域总面积达79.5万km2，其中：草地面积占47.47%;耕地面积占26.46%;城乡工矿居民用地和水域面积较少，占比为2.54%、1.69%。与1980年相比，2015年黄河流域土地利用类型中耕地、沙漠及未利用地、林地、城乡工矿居民用地面积分别增长0.09%、13.8%、2.99%、50.66%，草地、水域面积分别减少2.55%、37.49%。耕地面积基本没有发生变化，随着城镇化进程加快，城乡工矿居民用地增加显著，水域面积大幅缩减，沙漠及未利用地增加明显[7]。按全国水资源二级分区，黄河流域分为8个分区，分别是：Ι区龙羊峡以上、Ⅱ区龙羊峡—兰州、Ⅲ区兰州—河口镇、Ⅳ区内流区、Ⅴ区河口镇—龙门、Ⅵ区龙门—三门峡、Ⅶ区三门峡—花园口、Ⅷ区花园口以下。学界较多按此分区，以自然流域为基础，在水资源、水资源承载力等级、土地利用、人地关系等方面，结合地域单元的完整性以及地区发展与黄河的直接关联性进行研究（见表1）[8-11]。尽管近年来国家实施山水林田湖草在生态保护修复，在生态安全战略上取得了大量科研、治理成果，但仍存在一些问题：Ⅰ、Ⅱ区为河源发端，水资源趋紧，Ⅱ区强烈水蚀，沙化、水土流失严重、生物多样性及牧草产量下降[12];Ⅲ区的河套平原和宁夏平原农灌区，随着工矿用地增加，水域面积缩减，水资源不足，在退耕还林政策下林地面积略有增加;Ⅳ区为沙地和沙漠区，水资源严重不足;Ⅴ、Ⅵ区属于黄土高原丘陵沟壑区，黄土厚度100 m以上，极强烈水蚀、水土流失严重，生态重度脆弱，为黄河主要产沙区;Ⅶ、Ⅷ区近年来土地沙化明显，水资源不足、人地关系趋紧。此外，黄河流域还存在洪水灾害、地上悬河、水沙关系不协调、水质污染，以及矿区对生态环境破坏严重，生物多样性降低等问题[13-14]。

据2018年统计年鉴，从经济发展总体上看，黄河流域涉及50余个地级市，人口占14.6%、人均生产总值5.5万元低于全国平均水平，而工业废水、二氧化硫、氮氧化物、烟（粉）尘排放量占总量的10.2%、19.8%、16.9%、17.0%。可以看出，黄河流域地广人稀、经济发展整体落后，产业发展不均衡、污染较严重[15-16]。此外，黄河流域各省（区）市场化水平偏低，除山东和河南两省，其余省（区）市场化指数明显低于全国平均水平，且区域差异显著，中上游地区低于下游地区[17]。从黄河流域经济密度看，黄河流域区域发展极不均衡，郑州、济南、西安等地级市平均GDP超过7 619万元/km2，工业企业数达11 168个，占黄河流域总数的25%。而陇南、巴彦淖尔等16个上游地级市平均GDP低于500万元/km2。东中西部之间的经济密度差异明显。东部经济密度高，且形成了以郑州、济南为中心的高级别集聚状态;中部以西安为中心形成了次一级集聚状态;西部高水平、中高水平经济密度区域及实力较强的集聚核心和扩展轴带分布在内蒙古中部、河南中部、陕西南部、山西中部，其他省（区）的集聚核心和扩展轴带较弱[18]。

3 黄河流域建设野外科学观测站的必要性

3.1 野外科学观测站现状

新中国成立以来，根据学科发展、国民经济建设和社会发展的需要，中科院和气象等部门建立的野外科学观测研究台站（简称野外科学观测站）有7 000余个。1999年开始，科技部遴选建设了105个国家野外科学观测站（后缩减至97个），旨在开展长期观测，以获取数据，推动相关领域发展，为国家粮食安全、生态文明建设和重大工程建设提供重要科技支撑。其中，黄河流域范围内涉及11个国家野外科学观测站，包括5个农田、2个森林、2个地球物理、1个草地、1个荒漠国家野外科学观测站，分属国家林草局、地震局和教育部、中科院等4個部门主管、10个依托单位。但在国家层面没有形成统一的监管体系，忽视了综合性和整体性，没有形成目标统一、监测指标体系联网的合力监山东泰山、河南南太行地区管体系[19]。野外科学观测站观测研究多以点代面，数据的时空横纵尺度具有局限性，难以系统全面掌握黄河流域自然生态环境、气候水文等变化及黄河治理工程对全域的影响，还远远不足以为黄河流域未来生态保护和高质量发展提供有力科学数据支撑。对比国际经验，美国的密西西比河曾经是美国十大濒危河流之一，经过100多a的流域综合治理，已基本恢复良好的生态系统，其重要经验是重视对土地利用和土地覆被变化的长期监测[20-21]。巴西亚马孙河流域的治理，也是从土地利用角度切入进行综合整治[22]。土地利用是自然资源、自然环境和人类活动三要素的集合体，它能将土地-食品-淡水-气候-生物多样性-人类活动联结成网络系统，在地块、地方和流域等不同尺度反映生态保护和区域发展的质量状况。因此，针对黄河流域上中下游不同地域存在的生态保护和高质量发展问题，统筹建立土地利用安全野外科学观测研究站，是实现黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的基础工程，也是评价人地关系是否协调的基点和落脚点。

3.2 生态保护和高质量发展路径

黄河流域生态保护和高质量发展实质是土地平衡保护整治修复与开发利用建设之间的协调（见图1），其核心思想就是确保土地利用安全前提下满足黄河流域人们生产生活生态需求。一方面，面对黄河流域出现的草场退化、湿地退化、荒漠化、盐碱地、水沙不协调、水污染、灾害等一系列问题，不能分而治之，而要遵循山水林田湖草生命共同体的客观规律，加强生态系统整体性、系统性治理，兼顾数量质量生态效益[23]。国家野外科学观测站需在时间、空间、目标、监测要素4个维度进行综合考虑、设计监测指标，然后进行保护整治修复，最后对生态系统质量、生态服务质量、社会经济效益进行监测评价，反馈实施效果。另一方面，高质量发展要梳理资源配置现状问题，突破资源瓶颈，以监测为基础，掌握耕地、水等资源要素质量和生态环境状况，针对发展规划等管理政策，实施开发利用建设，最终以监测评价反馈成效。可见，野外科学观测站是黄河流域保护和发展的关键基点。

3.3 野外科学观测站的研究方向

联合国新千年生态系统评估项目、《21世纪议程》和《2030年可持续发展议程》等都重视通过土地利用变化的观测研究，来系统探索生物地球化学过程，水文状况和水质变化，森林生态系统和森林景观变化，城市生态系统的改变，人口适应数量和结构，生物群落结构，个体、种群、生态系统对干扰尺度、频率、模式及类型的反应[24]。面对黄河流域生态环境问题和高质量发展要求，野外科学观测站将在土地质量、土地利用安全与农田生态、土地利用安全与城市生态系统三方面监测研究。

（1）黄河流域土地质量演化监测。针对区域典型土壤类型开展土地生态系统重要生态过程与生态要素的长期定位网络监测，构建土地质量评价的指标体系及评价模型，阐明不同时空条件下土地资源质量变化的关键过程与趋势，诊断土地资源质量变化的关键控制因子及作用强度，揭示自然沉积与人类活动交互影响下，黄河流域土地质量和环境质量的演变机理和演替规律，为流域生态修复、整治、保护提供基础数据和技术支撑。此外，再野化是近年来兴起的一种生态保护修复新方法，旨在通过减少人类干扰，提升特定区域的荒野程度，以提升生态系统韧性和维持生物多样性，使生态系统能够达到自我维持的状态[25]。黄河流域特别是上游青藏高原和下游黄河三角洲是观测研究土地再野化最重要和最典型的样本区域。监测自然资源“缓慢变量”的变化趋势，在无人类活动扰动情境下土地生态系统维持原状及自然重塑的过程、响应与效应，测度土地生态系统自我调节潜能及恢复韧性，为区域生态系统的整体恢复、农业资源科学利用和农田生态系统的优化管理提供技术支持。

（2）黄河流域土地利用安全与农田生态系统管理。以山水林田湖草生命共同体理论为指导，开展不同类型土地利用生态系统的结构、过程与功能监测，揭示土地生态系统结构与功能之间的联系及其对区域变化的响应机理，量化不同土地利用格局对土地健康、农作物产量、生态环境风险等的影响程度，明确土地资源系统安全运行的尺度效应、测度评价和演变规律;重点监测黄河流域灌区、滨海盐碱农田等生态系统的演化，开展区域土地利用对比试验，探索不同种植制度、选育新品种、灌溉节水技术，构建土地利用安全与土地健康的概念框架、耦合模型和基础理论，探讨适应性管理与可持续利用的农业资源和农田生态系统对策。

（3）黄河流域土地利用安全与城市生态系统管理。城市生态系统是指特定地域内的人口、资源、环境通过各种相生相克的关系建立起来的人类聚居地或社会、经济、自然复合体[26]。城市生态系统管理目标是恢复和维持城市生态系统健康、生物多样性等。监测主要控制区水、电、各类用地开发建设、固体废物污染等人类社会经济指标和城市自然生态系统，如生物多样性、土壤微生物等指标。研究山水林田湖草各要素与城市经济、社会、生态发展时空匹配的适宜度，综合评价城市生态系统服务的供给、调节、文化和支持能力[27]。

4 黄河流域野外科学观测站布设建议

4.1 基本原则

黄河流域是一个极其复杂的社会生态系统，布设野外科学观测站，必须坚持以下基本原则。

（1）整体性-系统性原则。黄河流域土地利用安全野外科学观测研究要加强顶层设计规划，形成统一的目标认识、规划研究方向和观测指标类型、标准，以及网格化的监测网和数据指标体系，以便开展土地利用的整体性-系统性效果评价与监管。整体性强调状态，从微观关注要素如水质、生物多样性等健康状态，以局域为切入点构建点-线-网-面的微观-局域-整体流域监测格局。系统性聚焦联系，基于系统论的关联性、复杂性、等级结构性视角[28]，既要建立单一要素监测体系，又要构建多要素相互关联的系统性监测体系，如水和土耦合联系、社会和生态体系指标耦合联系等。

（2）区域代表性原则。黄河流域的地势西高东低，西部河源地区海拔在4 000 m以上，由一系列高山组成，常年积雪，冰川地貌发育;中部地区海拔在1 000～2 000 m之间，为黄土地貌，水土流失严重;东部主要由黄河冲积平原组成。流域整体生态环境脆弱，各类水利工程及开发利用均对流域局部与整体生态保护产生影响，因此应在自然地理特異区、灾害频发区、生态脆弱区、人为干预工程区、重点开发区等选取区域代表性观测站点。

（3）科学问题导向原则。黄河流域土地利用安全野外科学观测研究站旨在通过土地利用重大科学问题的探索，以科学观测数据支撑黄河流域生态保护与高质量发展。要特别重视观测研究不同类型和不同区域土地利用系统的脆弱点、恢复力、限制、边界、退化风险、可持续性轨迹、长期趋势和演变规律，观测研究经济社会发展和人类需求与土地利用之间的相互作用过程、时滞、惯性和动力机制，观测研究土地利用对土地质量、物种多样和分布、群落组成和生态系统功能的变化等，以期为黄河流域的可持续发展提供科学数据支撑。

（4）基础条件良好原则。野外科学观测站必须具有一定的基础条件，如观测场地、基础设施、仪器设备、依托单位和管理部门保障人财物等支撑条件。为避免重起炉灶并节省资源，应根据土地利用安全观测研究的目标和需要，在现有气象监测站、水文监测站、水土保持监测站、土地利用监测站、国家野外科学观测站等基础上整合观测研究资源，进行科学合理布设。

4.2 野外科学观测站布设

根据野外科学观测站建站原则和研究方向，未来将形成网状全覆盖、整体性、系统性观测研究体系。黄河流域现有11个野外科学观测站，分别侧重农田、森林、地球物理、环境材料、草原、沙漠等典型区域问题开展监测研究，均纳入土地利用观测研究体系（见图2）。根据黄河流域上下游存在的生态、经济发展问题以及黄河上中游地区退耕还林（草）[29]、南水北调工程、水利水电工程[30]、引黄灌溉工程[31]、山水林田湖草生态保护修复试点/生态安全战略等生态修复保护布局[32]，结合现有野外科学观测站区位，建议在Ι、Ⅱ区河源发端区加强荒漠化、水源补给、退耕还林等效果监测，增设达日、玛曲、玛沁3个观测站;在Ⅲ区的灌区及Ⅳ、Ⅴ区交界处定西、鄂尔多斯、临河、呼和浩特新增4个观测站，着重节水灌溉、品质选育、退耕还林、沙化等土地利用变化安全监测;Ⅴ区增设1个榆林站点，加强近年工矿用地对生态环境的影响;Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ区近年沙化严重，中下游人地关系不协调，其中西安人地关系紧张，加强郑州、济南较发达地区经济发展对生态的影响研究，增设西安、滨州2个站点，加强湿地、盐碱地治理基础观测研究。

4.3 野外科學观测研究指标构建

指标构建是黄河流域土地利用安全野外科学观测研究的关键环节。在图1黄河流域生态保护与高质量发展实现路径中已明确，观测指标应综合考虑目标、时间、空间、观测要素4个维度，在监测评价上考虑要反映生态系统质量、生态服务质量、社会经济效益三方面。按照宏观控制系统、中观过程系统、微观响应系统三级联动的模式进行综合设置。既要考虑科学性，也要考虑简明性和可操作性，更要考虑对流域生态保护和高质量发展表征的敏感性。按照这些思路和原则，具体观测研究指标设置如下：

（1）宏观控制系统。土地利用结构、土地生产能力、生物丰度指数、流域侵蚀模数、万元GDP耗地量、万元GDP用水量、人均水资源用量。

（2）中观过程系统。土地开发强度、土地胁迫指数、自然景观破坏度、景观联通指数、生物多样性指数、水土资源污染指数、农田生态系统服务能力、自然灾害受灾面积、城市生态系统服务功能等。

（3）微观响应系统。土壤肥力、土壤微生物量氮、土壤微生物量碳、土壤微生物多样性、农田微生物群落、农田蛋白酶活性。

5 结 语

基础是关系到系统生存和发展的根本，历史经验表明不重视基础就很难有发展的韧性。从黄河流域历史变迁的角度看，土地作为山水林田湖草这个生命共同体的承载者，同时也是流域能量平衡和水循环的决定者之一，影响甚至决定了地表水和地下水的储存和流动，其利用安全是实现黄河流域生态保护和高质量发展的重要基础。未来需要加强顶层设计，从应急目标到系统方案，以整体性的框架建设黄河流域土地利用安全野外科学观测研究站，探索流域土地质量和环境质量的演变规律，构建土地利用健康和安全的智能化感知系统，并进一步规范野外科学观测研究的标准化建设，制定一系列统一的技术规范或指南，才能打破管理体系条块壁垒造成的单一要素重复观测、科技数据支撑不足等问题，从而锻造黄河流域生态保护和高质量发展的强韧性。

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【责任编辑 赵宏伟】