中國網/中國發展門戶網訊 黃土高原位于中國地勢的第二階梯，面積約64×104 km2，橫跨7個省（自治區）、341個縣（市），總人口約1.08億人。黃河泥沙的90%和天然徑流的40%來自黃土高原。黃土高原是黃河流域的重要生態屏障，是我國“三區四帶”生態安全戰略格局的重要組成部分，為保護黃河安瀾以及華北平原安全、保障能源基地和糧食安全等發揮重大作用。黃土高原蘊含豐富的煤炭、石油、天然氣、有色金屬礦產及豐沛的光熱資源，是我國重要的能源基地和旱作農業區（圖舞蹈場地1），在構建國土空間開發保護新格局中具有不可替代的戰略地位。
20世紀50年代以來，黃土高原經過持續的水土保持與生態修復工程，生態屏障建設取得舉世矚目的成就，有效保障黃河下游近70年沒有發生重大決口災害事件。然而，黃土高原生態屏障建設仍面臨諸多挑戰。全球氣候變暖導致種植帶持續北移，生長季提前，但變暖情景下極端旱澇交替、冷暖波動、極端天氣事件明顯增多，導致農業生產波動、自然災害加重、水土流失和土壤水分虧缺加劇，威脅黃土高原生態屏障的穩定性和可持續性。大規模生物和工程治理以及城鎮化和農業現代化進程的加快，人與自然相互作用更趨復雜。因此，如何處理好保護與發展的關系，實現生態改善、人地協調和富民增收，是黃土高原生態屏障建設需要解決的重大問題。
為應對這些挑戰和問題，黃土高原生態屏障建設應堅持綠水青山就是金山銀山的發展理念，科學推進黃土高原生態屏障建設，服務黃河流域生態保護和高質量發展。從區域地球系統科學視角，深入研究黃土高原多圈層、多尺度、多要素之間的相互作用與機制，揭示人與自然共生系統的演變規律；研發黃土高原生態環境治理的新技術和新模式，鞏固和提升黃土高原生態屏障建設的成效與功能。
黃土高原生態屏障建設的科學基礎
黃土高原生態屏障的地域功能
黃土高原生態屏障建設目標旨在遏制水土流失、改善區域生態環境、構建綠色屏障，保障黃河安瀾和促進區域經濟發展。黃土高原生態屏障應具備三大地域功能：保障黃河安瀾和華北平原生命財產安全。黃土高原劇烈的侵蝕作用導致數萬億噸的泥沙經黃河攜帶進入下游地區，致使黃河下游河道淤塞嚴重，形見證成“懸河”，洪水風險大，華北平原安全面臨威脅，但近幾十年水土保持綜合治理已經讓入黃泥沙減少了85%以上，發揮了極大的生態屏障作用。推動黃河流域生態保護和高質量發展。黃土高原約占黃河流域總面積的85%，是實施黃河流域國家戰略的核心區和關鍵區，能源資源極其豐富，戰略地位十分重要，地域功能尤其獨特。促進黃土高原自身可持續發展。隨著地表由“黃”變“綠”的系統性轉型，黃土高原自然生態環境與經濟發展條件也在發生歷史性轉變。黃土高原生態屏障建設，能有效改善自身生態環境質量，促進區域協調與可持續發展。
黃土高原區域地球系統的耦合特征
黃土是地球系統中巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈等多圈層相互作用的產物（圖2）。黃土區域地球系統研究，主要通過多圈層、多尺度、多因子相互作用的途徑，研究其整體系統的演化過程、變化規律和發展趨勢，以適應自然過程和人類活動影響下區域地球系統的深刻變化，為黃土區域人類社會可持續發展服務。其核心是研究自然過程與人類活動相互作用、物理氣候過程與生物地球化學循環對黃土區域地球系統的影響及應對。
當前，黃土高原區域地球系統呈現出兩大特征：受全球變暖影響，極端旱澇事件發生的頻率增加，近20年發生干旱36次、暴雨45次，原本“百年一遇”的極端氣候事件或成新常態，區域農業發展和生態屏障安全面臨重大挑戰；黃土高原實施的重大生態工程，顯著改變了自然環境面貌和區域人地關系，致使黃土高原的水文過程和水沙輸移在一定程度上已由自然過程主導轉變為人類活動主導。人類活動在某種程度上成為驅動現代地表環境變化和人地關系演化的主導因素，推動人類科學的蓬勃發展。
黃土高原生態屏障建設的重大科技問題
黃土高原生態屏障建設的戰略性重大科技問題是全球變化（氣候變化和大規模人類活動）影響下，如何穩定與提升黃土高原生態屏障功能，促進區域可持續發展。例如，如何從整體系統的視角開展黃土高原生態屏障建設與環境綜合治理；如何考慮黃土高原—黃河可能面臨的極端氣候災害風險并建立智能預測預警體系；如何發展新質生產力，走出一條生態與經濟協調發展、人與自然和諧共生的道路。
黃土高原生態保護的成就與面臨的挑戰
黃土高原生態保護與修復取得顯著成效，為實現區域可持續發展奠定了堅實的生態基礎。然而，受全球變化影響以及人地關系的復雜化，黃土高原生態建設也面臨系列挑戰。
黃土高原生態保護修復取得的成就
植被建設取得輝煌成就，實現了由“黃”到“綠”的歷史性轉變。1999—2020年，黃土高原林草植被覆蓋率從31.6%提高至67.0%，植被指數增長率高于全國整體水平，引領全國“變綠”。
生態系統退化趨勢得到有效遏制，入黃泥沙大幅下降。退耕還林還草工程、小流域為單元的綜合治理和淤地壩建設等的大規模開展，為控制黃土高原水土流失和減少泥沙入黃作出了巨大貢獻。
農業生產能力得到改善，鄉村增收渠道顯著拓展，生態、生產、生活“三生”空間趨于優化。黃土塬區固溝保塬取得明顯成效，黃土丘陵溝壑區農業生產逐漸由坡地向溝道和川地集中，生活居住逐漸從山坡向溝口地帶和中心城鎮集中。
黃土高原生態屏障建設面臨的挑戰
全球氣候變化與極端氣候和災害風險的挑戰。受全球變暖影響，黃土高原極端降水事件趨于增多，加之重大工程等人類活動的影響，加劇了自然和工程災害發生的風險。近70年黃河流域似乎呈整體暖干化趨勢，但隨著全球變暖，未來10年尺度季風降水是否增加有待深入研究。
生態建設與水沙平衡的挑戰。當前，黃土高原植被建設已趨近水資源可持續利用的閾值，梯田壩庫攔沙能力逐漸趨于飽和，但黃土高原生態建設的效應與黃河水沙的平衡關系存在較大的不確定性，影響生態保護政策的制定，以及黃河下游和三角洲的穩定發展。
人地協調與富民增收的挑戰。黃土高原經濟發展成效顯著，但廣大鄉村地區仍未擺脫發展滯后的境況。近年來返鄉農民增多，毀林開荒、開山放牧現象時有發生，亟須統籌兼顧生態與生活、保護與發展的關系，協同解決農業增效與農民增收問題。
黃土高原生態屏障建設的創新路徑
針對黃土高原生態屏障建設面臨的挑戰和問題，要深刻小樹屋理解人與自然和諧共生的新發展觀九宮格、山水林田湖草沙系統治理的新整體觀，探索人地系統耦合機制與創新路徑（圖3），為黃土高原生態屏障建設和高質量發展提供系統性解決方案。
全面實施黃土高原生態環境和水土保持綜合治理“26字”方略
20世紀80年代，朱顯謨院士提出的黃土高原國土整治“28字”方略，即“全部降水就地入滲攔蓄，米糧下川上塬、林果下溝上岔、草灌上坡下坬”，為指導黃土高原治理開發家教和旱作農業發展發揮了重要作用。進入新時期，針對新問題，周衛健和安芷生院士等于2018年提出了新時代黃土高原生態環境綜合治理“26字”方略，即“塬區固溝保塬，坡面退耕還林草，溝道攔蓄整地，沙區固沙還灌草”。“26字”方略堅持“工程與生物治理相結合”和“分區分類、因地制宜”的治理方針，科學布局黃土高原生態恢復和水土保持綜合治理模式，主要內涵包括：塬區固溝保塬。按照“塬面徑流調控、溝頭溝岸加固防護、坡面植被恢復、溝道水沙集蓄”四道防線進行科學布局，保障塬區人居安全和生態安全。坡面退耕還林草。對于坡度大于25°的陡坡耕地、重要水源地15°—25°坡耕地，繼續開展退耕還林草工程，優化植被建設與管理，提升植被的穩定性。溝道攔蓄整地。完善淤地壩系建設，實施溝道治理工程，鞏固提升淤地壩攔沙與防洪能力。沙區固沙還灌草。北部沙區應遵循降雨格局等自然地理規律，要以水定綠、因地制宜，生態修復要以灌草為主。
構建極端氣候和人類活動影響下的自然災害風險防控體系
近20年來，黃土高原極端天氣氣候事件誘發的氣象、水文和地質災害明顯增多；加之重大工程建設的實施，氣候變化誘發的工程災害加劇。據統計，我國每年約30%的地質災害發生在黃土高原，災害數量多、危害嚴重、機理復雜。中央和地方各級政府初步建立了應急、氣象、自然資源、水利等部門的聯動機制，形成了“省—市—縣—鄉鎮—村組”5級群測群防網絡，自然災害風險防御能力大幅提高。
當前，調查研究乃至防災減災實踐主要圍繞已發災害展開，對于未發潛在災害的預警和防御不足，每年新發和突發災害仍造成較大的人員傷亡和財產損失。其原因是對潛在風險源預測不準，導致監測點位多年不發生災害，而新發災害又不在監測點位上，防御資源錯配，災害防控能力大打折扣。因此，亟須建立以精準化風險源預測為核心的自然災害風險防御體系，包括地表變形早期識別、天—空—地一體化監測、短—中—長期預警預報等，提高災害防御能力。
研發黃土高原生態環境治理新技術，發展新質生產力
黃土高原生態治理新技術可從兩方面突破：以小流域為單元的綜合治理。采用全局觀念，從傳統的固土保水拓展到生態系統功能的整體提升，科學調配小流域水、土、光、生資源，研發治理新技術，包括挖掘空中云水資源，探索在坡面侵蝕泥沙減少1對1教學情況下淤地壩的新功能和管理方式；研發高強度黃土基淤地壩建造材料，建造安全自適應淤地壩等。固廢資源化。針對巨量煤矸石和粉煤灰堆積，研發礦山固廢全量資源化利用技術，將硅、鋁、鐵、鎵、鋰等有價元素進行分離提取，轉化為高附加值產品，不僅能有效節約土地資源，還能從源頭消除污染。
長安大學和中國科學院地球環境研究所已在固廢全量資源化新技術開發上取得了重要進展，實現了低能耗、低成本條件下對多種固廢資源主量元素和微量元素的高效分離提取，產出的產品不僅可用作工業原料，還能用于節水保水、固沙固土等生態環境治理與修復。目前，該技術正處于生產示范線籌建階段，有望率先在黃土高原轉化應用，將煤矸石、粉煤灰等固廢資源化利用，發展新質生產力，創造新的經濟增長點。
建設半干旱（包括黃土高原—黃河“幾字彎”）綠色發展帶，促進區域高質量發展
2024年，安芷生和周衛健院士等提出：介于東部濕潤區和西部干旱區之間、年降水量200—500 mm的半干旱帶，是新時期加強西部生態屏障建設的突破口，也是西部生態屏障的屏障（圖4）。該帶地處我國季風前緣區，是胡煥庸線和美麗中國中脊帶的向西延伸，也是全球變暖背景下抑制西部荒漠化發展的關鍵地帶。建議將“半干旱綠色發展帶建設”列為“十五五”國家重大發展戰略，實現半干旱帶綠色高質量發展，筑牢西部生態安全屏障。
黃土高原—黃河“幾字彎”地處半干旱綠色發展帶的核心地段，是黃河流域水沙調控和高質量發展的關鍵區域。聚焦黃土高原—黃河“幾字彎”地段，深入調查該區水資源、自然環境、能源資源和社會經濟本底，制定“四水四定”和“以水定綠”標準，明確發展目標和實現途徑；發展區域能源資源型新質生產力，建設風光氫新能源、煤炭清潔高效利用、“風光氫儲車”產業鏈，發展綠色循環經濟；大力推進生態產業化和產業生態化，打造生態產業綜合體，建立智能生態農場和優質高效畜產品加工基地，構建“光伏+產業”融合的技術體系。
創新黃土高原生態屏障建設的管理模式，提升內生發展動力
從區域地球系統、人與自然相互作用、生態與經濟協調發展的視角創新黃土高原生態屏障建設的管理模式，構建綜合、協同的科學管理體系，提升內生發展動力，促進經濟內循環；完善綜合治理體系，構建政府主導、企業主體、社會組織和公眾參與的多元治理模式，激發企業、村集體、合作社、農戶參與生態屏障建設的動力；優化生態經濟協同路徑，依托資源稟賦構建“生態修復—產業增值—收益反哺”的發展模式，完善區域性碳匯交易市場，拓展生態指標交易，探索多樣化交易模式；加強科技賦能，構建跨區域、跨部門數據共享平臺與智能化系統，打通“精準監測—智能決策—市場激勵—社區共治—利益共享”管理鏈條，實現生態屏障建設與特色生態產業、鄉村全面振興的深度融合。
建議與展望
建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計。為應對全球變化影響及西部生態屏障建設的重大科技需求，未來需要繼續加強多要素協同觀測、模擬和預測預警研究，私密空間提高黃土高原生態屏障功能的系統韌性，保障黃河長久安瀾、人民幸福安康。
加強未來氣候變化和人類活動的影響及預測研究
利用歷史文獻、生物地質記錄和現代觀測資料，研究季風氣候百年和年代際的歷史相似和變化規律；將現代和過去的觀測記錄與數值模擬結合，解析季風降水變化規律與機制，預估未來趨勢，尤其是開展旱澇極端氣候事件及其影響和預測的研究；開展重大生態、水利和地質工程的影響和風險評估，揭示人類活動與區域生態環境安全的平衡關系；開展自然災害風險源精準識別與評估，建立災害風險信息管理系統。
確定黃土高原植被建設、碳匯能力、水沙平衡的閾值與應對策略
加強水分平衡論證，解析生態系統不同類型水的流入、流出及轉換過程，精細量化水循環與植被建設的關系；揭示植被固碳與水小樹屋資源平衡的閾值及其區域分異特征，構建以水資源供給為約束的最優植被建設方案；研發水資源合理高效利用技術，確定淤地壩、梯田等水土保持工程的合理實施強度，提出水土保持調控河流水沙的情景方案與最優對策。
揭示黃土高原與黃河中下游及黃河三角洲的水沙平衡關系
研究黃土高原萬年—百年侵蝕產沙歷史，揭示黃土高原生態保護與黃河水沙平衡的關系；評估黑山峽—古賢水庫修建運行對潼關高程的調控作用，預測新水沙條件下黃河“二級懸河”的演變趨勢，提出水庫群調水調沙合理方案；闡明黃河口水沙變化規律，揭示其對三角洲造陸與海岸蝕退的調控機理。
構建黃土高原人地系統和鄉村振興創新發展模式
創建黃土高原人地系統科學模式，分析揭示“生態—生產—生活”結合、“城—鎮—村”協同、“人—地—業”耦合新格局；建立健全“地貌單元—流域系統—人類活動”多尺度協同的地理工程技術體系，夯實生態屏障空間基底；探究生態產業化與生態產品價值實現的新機制、新標準、新業態、新路徑，激發區域綠色全面轉型和鄉村全面振興的內生動力與持久動能。
建立人工智能與觀測—模擬—預警相融合的決策系統
集成衛星、無人機、地面傳感器等多源感知設備，構建空天地一體化的智能監測體系；開發基于“互聯網+”的數據采集與傳輸技術，結合數值模擬與深度學習方法，精確刻畫黃土區域地球系統多圈層動力過程；將觀測、模擬、預警與人工智能技術深度融合，形成智能、高效的綜合評估與決策預警系統。
（作者：安芷生、周衛健、金釗、王云強、拓萬全，中國科學院地球環境研究所黃土科學全國重點實驗室；劉彥隨，中國科學院地理科學與資源研究所；劉寶元，北京師范大學地表過程與水土風沙災害風險防控全國重點實驗室；劉國彬、上官周平、王飛，西北農林科技大學水土保持與荒漠化整治全國重點實驗室；呂一河，中國科學院生態環境研究中心；王文科，長安大學水利與環境學院；呂厚遠、吳海斌，中國科學院地質與地球物理研究所。《中國科學院院刊》供稿）