科学推进陕北黄土高原地区退耕还林还草

　　退耕还林还草工程实施以来，以陕北为核心的黄土高原成为全国连片增绿幅度最大的地区，我省绿色版图向北延伸了400多公里，陕北黄土高原生态环境发生了巨大变化。同时，也面临一些新的情况和问题。

　　黄土高原退耕还林自然现状

　　从黄土高原总体情况看，目前黄河流域林地、草地分别达到1263.54万公顷、234.3万公顷，封禁治理面积达418.35万公顷。植被建设、修建梯田和淤地坝等是黄土高原水土流失治理的主要措施，极大地改变了黄土高原的下垫面条件，从而影响其水分循环与水文过程。大规模植被建设，特别是1999年起实施的退耕还林工程，使黄土高原的植被覆盖率已达65%，预计至2030年黄土高原建设和保护林草植被将达21.63万平方公里。

　　大面积植被建设必然引起区域蒸散耗水量增加，土壤干燥化加剧，入黄径流减少等问题。据黄河水利委员会水文部门研究，水土保持治理后，严重水土流失区产流量减少50%左右, 其减流量对下游水资源的影响不可忽视。与此同时，在全球气候变化背景下， 黄土高原过去68年气温上升1.39℃，极端气温变得更加频繁和严重，区域平均降水量减少10毫米，短历时暴雨事件增加，总体呈现暖干化趋势。气候变化及其引发的极端事件增多加剧了黄土高原生态系统的不稳定性，增加了生态环境建设的风险。 

　　黄土高原明显的气候变化和剧烈的土地覆被变化综合作用显著改变了水文过程，使得黄土高原主要流域近60年来径流输沙均表现出显著的下降趋势，且呈现出一定的空间分异特征。根据潼关站 1919-2018年水沙实测资料，黄河年平均径流量和输沙量分别从 1919-1959年的426. 4亿立方米/年和 16. 0亿吨/年 减少到 2000-2018年的236. 4 亿立方米/年和2. 5亿吨/年，分别减少约45%和85%。

　　就陕北黄土高原而言，上述特征也很明显。相较于气候变化来说，植被变化改变了下垫面粗糙度、地表反照率和冠层截流等，已成为影响黄土高原实际蒸散发变化的主导因子。黄土高原退耕还林还草在减少土壤侵蚀同时，归一化植被指数（反映农作物长势和营养信息的参数）迅速增长，增速每10年达到0.07，促进了具有较高的叶面积指数和较深根系的多层植被结构的形成，从而增加了蒸散量和冠层截留量。退耕区植被过快的生长加剧了黄土高原蒸散发，其中以年降水量在400-600 毫米区域内蒸散的变化趋势最大。退耕的人工植被水资源的过度使用，使得土壤蓄水库出现了大幅度下降，最终形成干燥土层。黄土高原几乎所有种植人工乔灌林植被、苹果园及多年生苜蓿地都观测到土壤干层现象。干层的大范围存在和加重警示人工植被耗水量超过了当地降水，同时也直接影响区域地下水的补给。

　　依托西北农林科技大学设立在陕西省榆林市神木市六道沟流域的陕西神木侵蚀与环境国家野外科学观测研究站（简称神木站）20余年的定位试验表明，在水平梯田上种植柠条和紫花苜蓿（干旱地区广泛种植的耐旱植物），土壤剖面1－5米水分含量降低至0.1立方米/立方米左右，已经接近凋萎湿度，这些植被的耗水量基本等于当年降水量。坡耕地退耕种植紫花苜蓿后，水土流失现象基本得到控制，但同样出现了土壤干燥化现象。

　　这些试验还表明，人工种植的高耗水植被在起到控制水土流失作用的同时，也大量消耗水资源，土壤剖面的干燥化现象出现后，降水很难通过土壤入渗补给浅层地下水。同时，因坡面径流显著减少，通过坡面汇流的方式补给流域浅层地下水的量也显著降低。六道沟小流域浅层地下水位长期监测也印证了以上结论，2010年至2020年间，浅层地下水位下降了1米左右。有专家用同位素示踪、水化学等方法，评估了黄土高原降水补给地下水的数量和过程，认为活塞流和优先流均可能是地下水补给途径。例如，在黄土厚度100米左右的塬区，每年有107 毫米的降水补充给地下水，占降水量的20%左右，但是土壤干燥化后，两个补充路径几乎均被切断。入渗的降水没有产生径流和土壤侵蚀，但是也没有“蓄”到土壤里面，而是被恢复的植被全部消耗，没有了横向的水文过程，河川、坝库及厚层土壤失去水资源的调蓄功能，势必影响该区的水文过程。

　　陕北退耕还林中存在的问题

　　结合已开展的科学研究，主要有以下几方面：

　　（一）高耗水植被比例高，水资源消耗严重，正向反馈作用尚不清晰。植被通过光合作用不断地固定大气中二氧化碳，也在不断消耗土壤水分。如果继续扩大退耕还林草面积，加之已经退耕还林的植被不断生长，对土壤水分需求量越来越大，导致黄土高原土壤水分亏缺越来越严重，甚至导致群落衰败和生态系统退化，使退耕还林草成果大打折扣。水土保持效果同时也显现到产流量的显著减少方面，这势必引起黄河下游水量减少，影响中下游的工农业生产活动。

　　大规模植被建设显著增加了区域蒸散发，使得近地表大气更加湿润，可能增强土壤水分—植被—降水间的正反馈作用，使得植被建设对黄土高原降水量增加具有积极作用，但是这方面的效果与机制尚不明确，有待研究时段的增长和研究的深入去证实。

　　（二）重建植被结构、功能单一，植被系统质量不高。结构与功能单一的人工植被非常脆弱，主要表现在：一是容易大面积暴发病虫害。单一植物大规模种植，因为其生产规律一定，物候期一定，容易给喜欢本种植物的病虫提供有规律的环境，使病虫基数不断增加，造成大面积病虫害。二是单一植物不能够形成空间上中下植物立体结构，不利于多种动物（包括微生物）生长，因为不同的动物对食用的植物要求不同，所以也不利于多种动物生存。只有形成植物群落，才有利于形成良好的自然环境，形成完整的生物链和食物链，多种动物、植物之间既是竞争关系，也是相互依存关系，这样才能形成良性循环。

　　对陕北黄土高原科学开展退耕还林工作的建议

　　西北农林科技大学水土保持研究所的科研人员依据陕北神木站长期监测研究，对陕北黄土高原退耕还林提出建议。

　　（一）植被建设中需要考虑水资源消耗问题。为防止高耗水植被的栽植导致土壤干燥化、河川径流干枯、浅层地下水得不到补充等结果，应当通过乔灌草的比例及物种选择来调控。陕北地区一些水库的水位持续降低，普遍认为是周边矿产资源开采导致的地表水渗漏，但是水库汇流流域大量人工植被建造后，流域产水量显著减少，也是重要原因。因此，该区域生态保护应该坚持尊重自然、顺应自然、保护自然，坚持节约优先、保护优先、自然恢复演替为主的原则，人工植被建设应该以低耗水植被为主，乔灌草配置时，应优先考虑种草。

　　（二）植被管理应聚焦于有限水资源植被承载力的管理。过于密集的植被应梳理管护，高耗水的外来物种应逐步被低耗水物种替代。对黄土高原广泛分布的油松、樟子松、杨树、柳树、刺槐、沙柳、柠条、苜蓿和沙打旺等物种的耗水特性应开展进一步深入研究。

　　（三）小流域综合治理要注重两项措施。一是通过工程措施增加小流域梯田的面积；二是在流域内增加草地面积，减少乔、灌等高耗水植被的面积，通过这些措施可以实现水土保持的同时节约水资源，也实现涵养水源的目标。

　　目前这些思路措施已经在神木站所在区域实施。神木站在持续监测治理后流域的生态变化，为未来该区的水土流失治理与生态恢复提供理论支撑与示范样板。

　　（作者系西北农林科技大学水土保持研究所研究员）