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        黃河流域不同區段生態保護與治理的關鍵問題

        發表日期:2021-03-02來源:中國科學報放大 縮小

        山東墾利黃河入???張行勇攝

        陜西延川縣黃河乾坤灣

        黃河源區鄂陵湖 張行勇攝  

          黃河是中華民族的母親河。黃河流域是中華文明的重要發祥地,也是我國重要的生態屏障區域。黃河流域生態環境保護與高質量發展已上升為國家戰略, 但黃河上中下游地理地貌、氣候、生態環境差異較大,黃河流域不同區段生態保護與治理的關鍵問題也迥然不同。因此,梳理黃河源區、上中下游以及河口濕地亟待保護與治理的關鍵問題,對于科學保護黃河流域生態環境、推動流域經濟社會高質量發展具有極其重要的意義。結合科學研究文獻和多次調研,我們提出了不同區域亟待保護與治理的生態環境關鍵問題,旨在為黃河流域生態環境保護與高質量發展提供政策決策的參考。

          黃河源區重在保護濕地生態系統,

          要在治理草原退化

          黃河源區是指唐乃亥水文站以上的黃河流域,涉及青海、四川和甘肅三省的6個州、19個縣,是全流域重要的產水區和水源涵養區,對黃河流域水資源多寡具有極其重要影響。源區的面積約13萬平方公里,約占黃河流域總面積的17%,年均徑流量約為198億立方米(1956—2017 年)。隨著黃河源區社會經濟的不斷發展、人類活動導致黃河源區湖泊濕地逐漸萎縮,植被覆蓋度逐漸減少,冰川凍土逐漸退化,進而導致源區水源涵養能力逐漸下降。

          濕地是陸地與水域之間的過渡帶,是地球之腎,具有蓄水調洪、調節氣候、凈化水質、控制土壤侵蝕、保護生物多樣性等功能。黃河源區濕地以高寒沼澤濕地為主,其面積約為113萬公頃,約占源區總濕地面積的78%;以湖泊濕地和河流濕地為輔。黃河源區大小湖泊約有5300多個,如自然湖泊格執錯、鄂陵湖、扎陵湖、星宿海、崗納格瑪錯、阿木措等;人工庫塘龍羊峽、李家峽、公伯峽、積石峽、蘇志水庫、黑泉水庫、雪龍灘水庫等。湖泊濕地面積約為20萬公頃,約占黃河源區濕地面積的14%。這些濕地是李白筆下的“黃河天上之水”。

          上世紀90年代以來,青藏高原溫度呈現上升趨勢,如若爾蓋草原濕地溫度約升高2℃,氣溫升高必然會導致蒸發量增大。研究表明溫度每升高1℃,黃河源區的蒸發量約提高5%~10%,從而導致徑流量減少。同時,氣溫升高也會引起凍土消融,從而導致土壤下滲能力增強,進一步減少徑流量。在氣溫不斷升高的大背景下,黃河源區降水量并無顯著增加,長此以往必然會造成源區濕地面積萎縮退化。例如,若爾蓋草甸濕地、牛軛湖星羅棋布,沼澤濕地面積約為30萬公頃,是黃河上游重要的水源涵養地。若爾蓋草原動植物種類繁多,擁有國家濕地保護區、黑頸鶴保護區、梅花鹿保護區等,棲息著草原狼、黑頸鶴、白天鵝、藏鴛鴦、白鸛、梅花鹿、小熊貓等大量野生動物,也是我國生物多樣性保護重要區域。然而,近幾十年來,若爾蓋草原濕地溫度約升高了2℃,蒸發量增加從而導致徑流量減少。另外,鼠害和人類活動干擾不斷加?。ㄈ绶拍粱顒樱?,從而導致若爾蓋草原濕地景觀趨向破碎化,草原濕地生態系統整體呈現退化趨勢。

          濕地退化是生態系統退化的“前奏曲”。氣溫升高導致蒸發量增加,從而造成干旱現象,進而導致草地產生裸露斑塊,嚙齒類動物活動增加,造成草地剝蝕、濕地草甸縮小,裸露斑塊進一步增大。裸露斑地合并成較大裸露斑塊,濕地草甸消失,高寒草原產生。最終,以藏嵩草等為主的濕地草甸景觀消失,形成了一個以高山嵩草、針茅等為主要建群種的高寒草原景觀,水源涵養能力下降。

          青藏高原經濟發展相對滯后、民生條件相對艱苦,生態環境極為脆弱、高寒濕地生態系統抗干擾能力相對較弱,國家已經從政策、資金方面給予大力支持。從黃河流域生態保護與高質量發展戰略來考慮,系統制定《黃河源區生態保護中長期規劃》,持續為黃河源區生態文明建設提供資金與政策支持是十分必要的?!笆奈濉逼陂g應該綜合考慮,全面部署草原嚙齒類動物(鼠兔和鼢鼠)防控關鍵技術研發,為精準防治高原鼠害提供科技支撐。同時,加強牧草與載畜量之間的當量關系的理論研究,為科學管理草原提供政策支持。

          上游重在保護河湖濕地水資源,

          要在治理土地鹽堿化

          除源區之外,黃河上游從青海唐乃亥至內蒙古托克托縣的河口鎮距離約為1909公里。由于黃河上游河道較長,擺動劇烈,形成了眾多的灘地和沼澤濕地。除水源涵養區之外,上游濕地面積約為85萬公頃,占流域濕地面積的34%。從結構上看,河流濕地和湖沼濕地是上游的主要類型,分別占該區濕地面積的42%,主要分布在寧夏平原和內蒙古河套平原。

          寧夏平原湖泊星羅棋布,上世紀60年代寧夏平原有“七十二連湖”之美譽。第一次濕地調查(1995—2003年)結果顯示寧夏濕地總面積約為25萬公頃。與第一次濕地調查結果相比,第二次濕地調查(1999—2013年)顯示寧夏自然濕地面積減少了8.3萬公頃。在自然濕地持續萎縮的同時,城市景觀濕地面積在不斷增大,寧夏人工濕地面積從第一次濕地調查的0.32萬公頃增加至第二次調查的3.8萬公頃,約增加了10倍。城市濕地面積不斷增大必然導致耗水量逐步增加。另外,近20年來劇烈的人類活動不但導致自然濕地面積逐漸萎縮,而且使得這些干旱半干旱區濕地被嚴重污染。據報道,寧夏境內河湖濕地沉積物中每公斤底泥重金屬砷含量約5.34~13.73毫克、鎘含量約0.12~0.3 毫克、鉻含量約46~67毫克、汞含量0.01~0.05 毫克、鉛含量約15.85~25.48 毫克、鋅含量約38.31~77.45 毫克。這些重金屬具有極強生態風險,如果不及時控制污染,長此以往勢必對濕地生態系統造成極大威脅。

          黃河流域內蒙古段濕地面積約60萬公頃,主要位于黃河“幾”字灣北岸,是我國中溫帶候鳥遷徙繁衍的重要場所、北方重要的防沙生態屏障。河套濕地的典型代表為烏梁素海,是黃河改道形成的河跡湖,總面積約300平方公里,素有“塞外都江堰”之美稱。2008年和2010年,烏梁素海曾兩次被黃藻大面積污染,湖區野生鳥類和魚類曾受到嚴重威脅。烏梁素海污染的主要原因是河套灌區約90%的農田排水匯入其中。伴隨補水的同時,大量氮磷等營養元素進入烏梁素海,水體受到氮磷等元素的污染。另外,地處干旱半干旱區域的烏梁素海,年蒸發量約2000毫升。水分蒸發后,水中所含有的礦物質、農藥和化肥等殘留物不斷地濃縮,加速了烏梁素海的污染。

          由此可見,農業面源污染是烏梁素海水體污染物的主要貢獻者,因此在河套平原實施精準灌溉是減少烏梁素海污染的關鍵途徑。專家曾呼吁,“如果對烏梁素海不加以治理和保護,烏梁素海將在40年內變成沼澤地,將喪失調節氣候的功能,給河套平原乃至京津地區帶來災害性天氣?!睘榇?,2017年,內蒙古自治區全面實施水污染防治,對烏梁素海、呼倫湖、岱海等湖泊進行綜合治理。2018年,內蒙古自治區又持續推進“一湖兩?!本C合治理工程,取得了良好的效果。烏梁素海流域修復工程被列入國家第三批山水林田湖草生態保護修復試點項目,呼倫湖面積得到擴大,岱海水位下降趨勢得到緩解。2019年,內蒙古自治區嚴格落實河湖長制,持續加強生態環境綜合治理,烏梁素海、呼倫湖、岱海等水質得到明顯提升。

          內蒙古河套平原和寧夏平原是我國重要產糧區之一。內蒙古河套平原早在秦漢時代即屯兵移民,引黃河水灌溉農田。唐代曾經在河套平原開挖大型渠道;清中葉以后,灌溉發展較快,先后建成永濟渠、長濟渠、黃濟渠、楊家渠、塔布渠等,至清朝末黃河兩岸已有八大干渠,灌溉面積約達20萬公頃。中華人民共和國成立以后,河套平原灌溉面積迅速擴大,在黃河干流上建成了三盛公水利樞紐工程,南北兩岸修建干渠500多公里,灌溉面積由中華人民共和國成立初期不足20萬公頃,發展到改革開放初期47.60萬公頃。截至2016年,灌溉面積增加至71.53萬公頃。但是,耕地鹽堿化面積也隨之增加。中華人民共和國成立初期約為3萬公頃,改革開放初期約為23.87萬公頃,至2016年已增至32.27萬公頃,因此治理鹽堿化刻不容緩。

          世界約有1/3的土壤發生鹽漬化,而我國鹽漬化土地面積達250萬公頃,嚴重影響了土地資源的高效利用,威脅著我國的糧食安全。黃河上游的寧夏平原和內蒙古河套灌區是我國土地資源鹽堿化較為嚴重的區域之一。寧夏平原鹽堿化耕地總面積約18.33萬公頃, 約占引黃灌區面積的33%。內蒙古河套灌區鹽堿化耕地面積達32.3萬公頃,約占引黃灌區面積的45%。除了氣候、地形地貌、土壤母質、耕作方式之外,大水漫灌是引發寧夏平原與內蒙古河套平原引黃灌區鹽漬化的主要原因。一方面,長期大水漫灌,水中鹽分進入土壤,水分蒸發后鹽分留在土壤耕層;另一方面,在強烈的蒸騰作用下,土壤毛細管作用使耕層以下土壤鹽分上升到耕作表層,水分蒸發后鹽分留在土壤表層,導致土壤鹽漬化暴發性發生。精準灌溉不但節約水資源,而且可以減少耕地鹽堿化。

          因此,建議寧夏平原和內蒙古河套平原盡快實施精準灌溉,避免土壤鹽堿化繼續發生。

          中游重在鞏固退耕還林草成果,

          要在治理水土流失和環境污染

          黃河流經晉陜大峽谷,將黃土高原劈成兩半。由于黃土高原土質疏松,易于侵蝕,且降雨多集中在7~9月份,因此,黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的區域之一。中華人民共和國成立后,黨和國家十分重視黃土高原水土流失治理,先后實施坡面治理、溝坡聯合治理、小流域綜合治理和退耕還林草工程,其中退耕還林草工程治理效果顯著。黃土高原植被蓋度由1999年的31.6% 提高到2017年的65%,入黃泥沙減少至2億噸左右。

          植被演化是自然與人為雙重影響的結果。進入人類歷史時期以后,人類活動曾對黃土高原地區生態環境產生巨大的負面影響,黃土高原植被歷經多次滄桑巨變。夏朝至秦朝開始時期(2070-221 B.C),黃土高原東南部的平原、山地、丘陵、塬地上的森林和草原生長比較繁茂,森林植被覆蓋率高達53%。從秦漢開始(221B.C-202A.D),人類活動不斷向黃土高原北部和西部推進,天然植被遭到大規模的破壞, 植被蓋度下降至45%。從漢朝末年至南北朝的大約360年期間,中國歷史上朝代更迭十分頻繁,人類活動對黃土高原干擾更加嚴重,黃土高原的森林覆蓋率下降至40%左右。至隋唐時期(581-907A.D)的約327年之間,黃土高原的森林覆蓋率下降至35%左右。自唐滅亡以后,中國歷史進入約50年的戰亂時期,從此開始直至中華人民共和國成立初期的1000多年(AD907-1950),黃土高原生態環境每況愈下,森林覆蓋率從35%下降至6%左右。由此可見,黃土高原植被蓋度既受氣候影響,也受人類活動影響。近期研究發現,黃土高原局部高密度植被出現退化現象,這是一個植被飽和的重要信號。因此,科學管理黃土高原植被建設、鞏固退耕還林草成果是今后一項重要任務。

          “中游要抓好水土保持與污染治理?!秉S河流域覆蓋我國一次性能源主要生產與供給基地,從河口鎮至花園口分布有六條一級支流,分別為窟野河、無定河、汾河、渭河、伊洛河和沁河,中游幾乎占黃河流域一級支流的一半。

          近30年來,排入黃河的廢污水總量呈逐年遞增趨勢。從上世紀80年代初期的21.7億噸,增加至90年代初期的42億噸,2016年約為43.37億噸,2017年約為44.94億噸。廢污水大量排放是黃河水污染的主要原因。源潔則流清,黃河污染表象在干流,根子在支流。分析發現,總氮含量在窟野河、無定河、汾河、渭河、伊洛河和沁河中全部超出國家標準,尤其是汾河,總氮含量約超標14倍??咭昂?、無定河、汾河、渭河、伊洛河和沁河硝態氮均超出國家標準,尤其是窟野河和汾河較為嚴重。固體懸浮物渭河每升水的含量高達652.33 ± 16.22毫克。另外,6條一級支流水中大腸桿菌也均超出國標,渭河超標約三倍,汾河和伊洛河超標約2.4倍,無定河和沁河也分別超標約1.1倍和0.46倍。此外,重金屬砷、鎘、鉻等元素及持久性有機污染物(POPs)也有不同程度生態風險。

          未來黃河中游生態治理應遵循落實左右岸、上下游與干支流一體化治理,統籌山水林田湖草綜合治理、系統治理、源頭治理,不斷提升水質安全。

          下游重在維護黃河長久安瀾,

          要在平衡水沙關系

          從鄭州花園口至東營入??跒辄S河下游,全長786公里,落差僅94米,流域面積約2.3萬平方公里,僅占全流域面積的3%。黃河下游河道橫貫華北平原,河道寬闊平坦,絕大部分河段僅靠堤防約束,成為海河流域與淮河流域的分水嶺。

          由于歷史上黃河中游黃土高原水土流失嚴重,泥沙在下游寬闊平坦的河道不斷淤積,導致下游河道逐年抬高。目前,下游河床平均高出地面4~6米,尤其是新鄉市,河段已高于地面約20米,成為世界著名的“地上懸河”。

          由于“地上懸河”存在勢能差,黃河泛濫決口常對下游人民生命財產與安全造成巨大威脅。因此,民間諺語有 “三年一決口,十年一改道”的說法。據史念海先生考證,黃河從商周至秦漢、東漢至唐朝,長期安瀾近2000年。自唐朝后期,黃河決溢頻次明顯增加。公元前2000年至公元907年,泛濫次數為1.8~13.6次/百年,黃河基本安瀾;自唐朝后期,黃河決溢頻次明顯增加,尤其是宋朝以后,黃河泛濫次數上升至52.8~56.4次/百年;從明朝至中華人民共和國成立初期,黃河泛濫次數快速增加至118.2~137.3次/百年,其原因與黃河泥沙日益增多密切相關,泥沙歸根到底是由于植被破壞造成。當前,黃河下游發生大洪水的風險依然存在,例如,黃河下游孟津至高村的299公里游蕩性河段尚未完全控制,對大堤安全威脅極大。

          退耕還林草工程對入黃泥沙調控起到了關鍵作用,三門峽水庫與小浪底水庫對黃土高原泥沙攔截效果極為顯著。三門峽水庫和小浪底水庫運行以后,進入下游河道的沙量大幅度減少,導致黃河下游河床發生強烈沖刷。1987—2020年,黃河花園口至柳園口段河道變遷頻繁,河道每年平均變幅約為0.75。

          據報道,近20年來花園口至柳園口段河道變遷累計導致約32平方公里耕地被侵蝕,越冬作物被損的現象時有發生,對河灘區農業經濟社會發展產生巨大影響。黃河灘區面積約3818平方公里,既是黃河行洪、滯洪、沉沙的重要區域,也是百萬群眾賴以生存的場所。2019年,黃河下游的河南和山東經濟總量占黃河流域省份的51%,是黃河流域相對發達的區域。因此,黃河長期安瀾對黃河流域經濟社會發展至關重要。減輕河道擺蕩、杜絕決口、維護黃河下游長久安瀾是黃河下游高質量發展的前提,是黃河下游生態環境保護的主要任務。

          黃河流域水少沙多、水沙關系不協調是影響下游黃河安瀾的主要原因。

          因此,下游要在平衡水沙關系。一是要盡快研究清楚“侵蝕—淤積平衡的泥沙當量閾值”,也就是搬運至入??诘哪嗌沉颗c被海水侵蝕的泥沙量之間的平衡量,為防治海水倒灌、維持黃河三角洲生態安全提供科學依據。二是遵循生態平衡的自然法則,科學規劃退耕還林草面積,將泥沙流失控制在合理閾值范圍,要優化三門峽水庫、小浪底水庫等水庫的調水調沙方案,構造合理的水沙關系,維持下游河道與河口沖—淤平衡。三是按照因灘施策、分區治理的原則,實施下游河道寬河固堤、河灘區人口搬遷,統籌構建“河水安瀾—灘區生態保護—社會高質量發展—人民生活幸?!钡纳鷳B保護和高質量發展模式,“讓黃河成為造福人民的幸福河”。

          黃河三角洲重在保護河口濕地生態系統,

          要在治理海水倒灌

          歷史上由于黃河攜帶大量泥沙進入黃河下游入??诓⒉粩嘤俜e、不斷造陸,在東營形成了豐富的濱海濕地資源。黃河三角洲河口海岸帶濕地生態系統是我國暖溫帶最完整、最廣闊、最年輕的濕地生態系統,是東北亞內陸、環西太平洋鳥類中轉、繁殖、越冬的核心棲息場所。

          2016—2017年黃河三角洲濕地總面積約為27.24萬公頃。但是,隨著黃河三角洲區域經濟的快速發展、城鎮化的快速推進以及養殖業的蓬勃發展,海水養殖面積迅速擴大,大量灘涂地和沼澤地被改造為魚塘蝦池。與1987年相比,2017年三角洲魚塘蝦池面積約增加了6.6倍,居民工礦用地面積增長了約3倍。人類活動擠占了過多的自然濕地,造成自然濕地面積迅速減少。遙感影像分析顯示,同期自然濕地面積減少了約70%。

          黃河三角洲濕地面積萎縮的同時,濕地生態系統的功能也在退化。一是黃河三角洲海水養殖業迅速發展,石油生產、采礦、海上垂釣、港口建設等人類活動導致大量微塑料、重金屬進入沿海海灘,造成三角洲濕地被污染。研究發現黃河三角洲黑嘴鷗繁殖濕地表層土壤中重金屬鎘、鉻、鎳、錳、鉛、銅含量均超出山東省土壤元素背景值和全國土壤元素基準值,尤其是重金屬鎘元素,其超標率最高。二是近年來入黃泥沙銳減導致入黃泥沙填海速率與海水侵蝕速率之間的平衡被打破,海水倒灌導致濕地萎縮的同時,也導致土壤鹽漬化加劇。鹽堿化進一步造成濕地土壤肥力下降,碳氮等營養元素含量逐漸減少,土壤微生物種類和數量銳減,土壤易于板結,保水能力下降。三是濕地鹽漬化導致土壤鹽度增加,土壤有機質降低,植被由原本的香蒲、蘆葦群落逆向演替為檉柳、堿蓬和互花米草群落,濕地生物多樣性降低。

          研究表明,目前黃河三角洲植被群落成分以堿蓬、野大豆、刺兒菜、苣荬菜、檉柳、假葦拂子茅、香蒲、節節草、羅布麻、蘆葦、長刺酸模、水蓼、白茅、旱柳、互花米草等為主。從現行黃河三角洲群落結構來看,海水倒灌造成鹽堿化程度正在加劇,植被正在逆向演替中。至2018年,灘涂底棲動物密度降低了60%,鳥類覓食、棲息生境嚴重退化。未來,恢復黃河三角洲濕地生態功能、重建健康生態系統的關鍵是防治海水倒灌,遏制濕地土壤鹽堿化。而防治海水倒灌的關鍵是維持泥沙淤積—沖刷平衡,因此設定合理的泥沙閾值是當前科學界亟待解決的問題。

          為此,建議加強黃土高原土壤流失的合理閾值、三門峽和小浪底水庫合理調沙閾值、黃河三角洲淤積—沖刷平衡的合理泥沙閾值的基礎科學研究,為黃河流域生態環境保護與高質量發展提供科學支撐。

          黃河流域源頭、上中下游和黃河三角洲生態環境保護的主要問題各有不同,因此未來黃河流域生態環境保護必須遵循因地制宜、分類施策,宜林則林、宜草則草、宜農則農、宜牧則牧的原則,尊重科學規律,循序漸進改善黃河流域生態環境,實現黃河流域經濟社會的高質量發展。(陳怡平 傅伯杰)

          (本文受國家自然科學基金委員會黃河重大專項項目資助〈42041005〉;作者分別為中國科學院地球環境研究所研究員、中國科學院院士)

          《中國科學報》 (2021-03-02 第7版 專題)

        來源:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/3/361008.shtm

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