“山水林田湖草沙”的形成、功能及保护＊

石岳，赵霞，朱江玲，方精云†

①中国科学院植物研究所 植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093；②北京大学 城市与环境学院生态学系，北京大学生态研究中心，北京 100871

“山水林田湖草沙”是一个生命共同体[1]。这是从生态文明建设的宏观视角提出的重要理念，科学地界定了人与自然的内在联系和内生关系，蕴含着重要的生态哲学思想。它们共同构成相互依存、有机联系的整体，为人类文明得以延续提供了物质基础和必要条件。这一理念提出后，受到社会各界的广泛关注。对“山水林田湖草沙”的一体化治理、保护和修复，已成为推动生态文明建设的重要抓手。

那么，我国“山水林田湖草沙”是怎样的情况？它们各自发挥了何种功能？彼此之间存在怎样的关系？在生态文明建设中，应当如何科学地实现对它们的保护、治理和利用？本文从生态学的视角，对这些问题进行阐述。

1 我国“山水林田湖草沙”的本底情况

从生态学上讲，“山水林田湖草沙”是对不同生态系统类型(或植被覆盖类型)的通俗表达。具体而言，它们分别可以对应于以下几种生态系统。

山：涵盖了山地生态系统、高原生态系统等具有典型海拔梯度的生态系统类型，反映和浓缩了水平自然带的自然地理和生态学特征。

水、湖：“水”包括了河流、湖泊、湿地、海洋等诸多以水为主要环境的生态系统类型，其中“湖”具体涵盖湖泊和湿地等具有独特水文特征的生态系统。

林、草、沙：涵盖了森林、灌丛、草地、荒漠等陆地自然生态系统的主要植被类型。

田：指在人类干预下形成的农田植被，属于陆地人工生态系统。

可以看出，“山水湖”与“林田草沙”划分的视角不同，前者强调地形地貌特征，而后者主要是从植被(或生态系统)类型的角度进行划分。但总的来说，“山水林田湖草沙”概括了我国绝大多数生态系统类型，准确、形象地反映了我国生态系统多样性的特征。

1.1 我国的地形与山地

我国是一个山地大国，山地资源及其可持续利用对我国的国民经济建设至关重要[2]。根据全球1 km分辨率的数字地形图 (https://earthexplorer.usgs.gov/)，按国内定义“海拔高于500 m的地区为山地”这一标准测算，我国山地的面积为695万km2，占国土面积的72.4%；而平原丘陵的面积为265万km2，只占国土面积的27.6% (图1(a))。若按联合国环境规划署世界保护监测中心(UNEP-WCMC)的分类标准[3]，我国的山地面积则为445万km2，占国土面积的46.3%，约是世界平均值的2倍。

我国地势西高东低，呈现3个明显的倾斜阶梯，构成我国地貌的基本骨架，并形成了生物地理、气候、农林业生产上的重要界线。根据山体整体性原则的分区测算表明，地势第一级阶梯是青藏高原，总面积为261.6万km2(占国土面积的27.3%)，平均海拔4 383 m；二级阶梯的中部山区总面积为400.3万km2(占41.7%)，平均海拔1 318 m；三级阶梯的东部平原丘陵地区总面积为298.1万km2(占国土面积31.0%），平均海拔288 m (图1(a))。

图1 我国“山水林田湖草沙”的本底情况。(a)我国高程分级渲染和三级阶梯的分布(依据全球1 km分辨率数字地形图改绘)；(b)我国河流流域及面积大于1 km2的湖泊分布(依据国家基础地理中心及文献[8]改绘)；(c)我国潜在植被分布(依据柯本气候分类法[12]及我国植被现状[13]评估绘制)；(d)我国现实植被分布(依据吴炳方等的2010年全国土地覆盖图[14]改绘)。审图号：GS(2021)8023号

坡度和坡向是两个基本的地形要素。对我国地形的坡度分析表明，坡度小于5°的地区所占面积为719.6万km2，占国土面积的75.0%。另一方面，我国山地以北坡和东北坡所占的面积为最大，西坡和东南坡面积最小。我国是一个雨水偏少、热量丰富的国家，北坡和东北坡一般较为阴凉，土壤水分较好，因而有利于植被生长。相比较而言，西坡和东南坡一般较为干燥，植被稀疏、生产力较低。

1.2 我国的河流

河流是沿着槽状凹地持续流动的地表水体[4]。我国河流众多，水量丰富。由于受到地形、气候的影响，我国河流区域分布不均匀，呈现南多北少、东多西少的格局，多数河流分布在气候湿润、多雨的东部季风区(图1(b))。

根据河道的自然规模及其对社会经济发展、生态环境影响的重要程度等因素，国内通常将河流划分为一至五级[5]。依据国家基础地理中心(http://www.ngcc.cn/)提供的数据测算显示，我国一至五级河流长度分别约为2.35万km、1.39万km、2.02万km、5.59万km和17.54万km，总计约29万km。

按照流域完整性原则，根据资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)数据，全国可划分为10个一级流域，分别为松花江流域、辽河流域、海滦河流域、黄河流域、淮河流域、长江流域、东南诸河流域、珠江流域、西南诸河流域和西北诸河流域(图1b)。各流域中，长江流域河流总长度最长，超过8万km；东南诸河流域总长度最短 ，仅有8 513 km (表1)。

表1 我国十大流域的河流长度 km

1.3 我国的湖泊分布和变化

湖泊是由地表洼地(即湖盆)蓄水而成的，水面比较开阔、水流交换缓慢且不与海洋直接连通的水体，在为人类和其他生物提供水资源和生态系统服务方面发挥了关键作用[6-7]。我国境内湖泊众多，但其空间分布存在明显的区域差异(图1(b))。基于遥感资料的统计表明，在20世纪80年代中期，我国面积1 km2以上的湖泊共有2 799个，水面总面积7.5万km2(不含跨国界湖泊境外面积)，其中青藏高原区的湖泊数量占全国总量的51%[8-9]。

由于气候变化和经济的快速发展，我国湖泊的分布和面积发生了很大变化。研究发现，自20世纪80年代中期至2015年，青藏高原区湖泊面积增加8 235 km2，占该地区湖泊总面积的21%，东部平原以及蒙新高原区的湖泊面积则减少2 151 km2；青藏高原、云贵高原和东北平原的湖泊变化主要与气候有关，蒙新高原和东部平原的湖泊变化则主要与工业生产、围湖造田等人类活动有关[8-9]。

1.4 我国的潜在植被分布

潜在植被是指在没有人类干扰的前提下，当前气候条件所能形成的稳定的植被类型，也称地带性植被[10-11]。因此，潜在植被就是一个地区在自然条件下理论上最终应当形成的植被，或者说是没有人类的自然界应该呈现的植被样貌。在空间上，潜在植被显示了气候条件对植被类型分布的影响。因此根据植被-气候关系，人们可大致重建潜在植被的情况。目前国际上使用最为广泛的植被-气候分类系统是柯本气候分类法[12]。基于该分类标准，参考我国植被分布现状[13]，可以对我国潜在植被进行评估。

我国幅员辽阔，各地气候差异极大，因此潜在植被的类型也十分多样(图1(c))。评估结果显示，我国东部地区的潜在植被主要为各类森林，其分布很好地体现了沿纬度、经度和海拔的三向地带性规律，从北向南依次为寒温带针叶林、温带针阔叶混交林、暖温带落叶阔叶林、暖温带落叶常绿阔叶混交林、亚热带常绿阔叶林和热带雨林/季雨林。各类森林植被总面积约498万km2，约占国土面积的1/2。其中亚热带常绿阔叶林面积最大，热带雨林的面积最小。草地植被包括了北方温带草地植被和青藏高原高寒草地植被，总面积达到264万km2，占国土面积的近1/3。荒漠主要分布在我国西北内陆干旱区，面积约为198万km2。

1.5 我国植被的现实分布

受气候和长期人类活动的综合影响，尤其是大面积农田的开发，我国植被分布现状与潜在植被有明显差异。基于遥感的2010年全国1 km分辨率土地覆盖评估显示[14]：我国草地、荒漠植被分布现状与其潜在分布范围差别不大，主要分布于西北干旱区和青藏高原区；东部地区森林植被较其潜在分布范围明显缩小，主要集中于水热条件充足且人为干扰较小的山区、丘陵等地带；东部平原区和四川盆地等人口稠密地区的地带性植被基本被破坏，代之以大面积分布的农田(图1(d))。

土地覆盖结果表明[14]，目前我国各类植被中，林地(包括森林和灌丛)的面积为258万km2，占国土面积的27%；草地283万km2，占29%；农田(含田间设施) 172万km2，占18%；湿地(含水体表面)34万km2，占4%；其他植被类型，主要包括荒漠以及无植被地区，共计185万km2，占国土面积的19%。

2 “山水林田湖草沙”的形成

“山水林田湖草沙”在外观和结构上存在明显差异，但又按照一定的规律在时间、空间上排布组合，并通过能量流动和物质循环相互联系、相互影响，形成了相对独立又彼此依存的复杂关系。这是地球系统历经漫长演化的结果，是自然界和人类社会诸多过程共同作用的产物[15-16]。这些过程大致可以分为以下4类。

地质地貌过程：与地球物质、结构及地表形态有关的各种过程，例如板块漂移、造山运动、河流沉积、岩石风化等。这些过程塑造了地球表面复杂多变的地理环境，创造了“山水林田湖草沙”的无机环境。

生物进化过程：包括生命有机体的起源、发展、演变、分化乃至灭绝等一系列过程，产生了丰富多样的生物类群，形成了“山水林田湖草沙”的有机组分。

植被演变过程：随着时间推移，在内外因素的共同驱动下，植被的组成、结构和功能发生各种变化，最终导致植被变化。其中，演替是最典型的植被演变过程。各类生态系统的分布格局，主要就是长期植被演变的结果。

人文过程：人类对自然界开发、利用、改造，不仅深刻影响自然生态系统的分布、结构和功能，还创造了农田、城市等新的生态系统类型，极大地改变了生命共同体的构成。

在这些过程中，地质地貌过程、生物进化过程和植被演变过程主要由自然界所主导，彼此之间紧密相关，可视为自然过程。人文过程则是人类社会发展的结果。不过，随着人类对自然界的影响不断加深，人类活动对自然过程的干预也变得越来越剧烈。

2.1 森林、灌丛、草地、荒漠形成的自然条件

森林、灌丛、草地、荒漠是陆地生态系统中最为主要的4种类型，其形成、维持和长期存续都对自然条件有着一定的要求。从区域尺度上看，影响我国森林、灌丛、草地、荒漠形成和分布的最重要的因素就是气候条件[13,17-18]。

森林：分布于湿润、半湿润的地区，水热条件通常较好，能支持以乔木为优势种的生物群落。我国森林潜在分布面积498万km2(占国土面积的52%)，现实面积191万km2(占国土面积的20%)。主要的森林类型有热带雨林/季雨林、亚热带常绿阔叶林、暖温带落叶阔叶林、温带针阔混交林、寒温带针叶林等。影响森林分布最重要的因素是气温和降水，不同类型森林所需的气温和降水条件都有所不同[19]。根据以往研究，我国各类森林理论上所需的气温、降水条件大致如表2所示[13,17,20]。

表2 我国主要森林和草地类型形成的气候条件[13,18,21,23]

灌丛：灌木较乔木适应性更强，故在一些难以发育为森林的环境条件下，能够形成以灌木为优势种的生物群落。我国灌丛的现实分布面积约67万km2，占国土面积的7%。

灌丛的形成原因多样，其中一些是在特定自然环境下形成的原生性灌丛。气候条件主导下形成的原生性灌丛主要分布于水热状况介于森林和草地之间的地带，在我国以亚高山阔叶灌丛为代表，其生境的年平均气温-2～4°C或更冷一些，年降水量400～800 mm[21]。土壤、地形等因素也会导致形成原生性灌丛，例如分布于河漫滩、石灰岩等生境上的原生性灌丛，其水热条件通常与附近的森林植被相似，但因土壤基质等原因而未发育成森林[22]。

我国目前原生性灌丛较为少见。绝大部分灌丛都是在原生的森林植被遭到人为破坏后，由于所处生境条件较差，或受人为干扰严重，短时间内难以恢复为森林，进而形成的相对稳定的次生植被[21]。

草地：分布于半湿润-干旱地区，水热条件通常较差，因此形成以中生、旱生的草本植物为优势种的生物群落。我国草地潜在分布面积264万km2(占国土面积的28%)，现实面积283万km2(占国土面积的29%)。主要类型有温带草甸草原、温带典型草原、温带荒漠草原、高寒草原、高寒草甸等，其在理论上的气温、降水条件如表2所示[21,23]。

暖温带、亚热带和热带地区广泛分布的草山、草坡，在植被类型上称为“草丛”。它们多处于湿润-半湿润气候条件下，是原生的地带性森林植被遭到人类活动破坏后，由于干扰频繁、土壤贫瘠化而形成的次生植被，在消除干扰影响后可以逐渐恢复为森林[21,24]。

荒漠：形成于干旱地区，水分条件极差，植被非常稀疏，且以极端耐旱的种类占优势。缺乏植被覆盖的裸露沙漠、裸露戈壁等，在广义上也可归于荒漠一类。我国荒漠的潜在分布面积198万km2(占国土面积的21%)，现实分布面积185万km2(占国土面积的19%)。自然条件下形成的荒漠是第三纪以来气候逐渐旱化的结果，理论上年降水量小于250 mm，潜在蒸散是降水的4倍以上[22]。

2.2 农田的形成

农田是人类实施农业活动、开展作物种植的产物。在距今约1万年前，作物种植在世界多地几乎同时出现，我国就是其中之一[25]。考古发掘显示，我国北方地区在大约8 000年前就已出现成规模的粟、黍栽培，而南方地区的水稻栽培可能在约9 000～10 000年前就已开始[26-27]。

目前，考古工作者已在湖南澧县、江苏吴县等地发现了距今6 000～7 000年、带有简易排灌设施遗存的稻田遗址[28-29]；在北方地区则发现了距今约8 000年、贮藏量达5万t的粟谷贮藏窖，也证明了大规模农业耕作的存在[27]。还有研究基于考古资料，通过模型方法重建了新石器时代晚期(约5 000～7 000年前)华北地区的耕地情况，认为当时河北、山东、河南三省的耕地面积至少达到了102万hm2[30]。这些结果表明，至迟在5 000年前，农田在我国已经广泛分布。

2.3 山地的形成

山地形成的最主要的动力是由地球内营力导致的地质构造运动，主要可分为几种情况[31-33]：一是在水平力的作用下，地表岩层发生剧烈扭曲、褶皱，导致部分区域显著隆起，形成由褶皱岩层构成的山体，称为褶皱山，例如喜马拉雅山、昆仑山等。二是地表岩层发生断裂后，两部分岩体会在垂直力的作用下，沿着断裂面发生错动，并由相对抬升的一方构成山体，称为断块山，例如庐山、泰山、贺兰山等。三是在前两类情况共同作用下形成的山体，称为褶皱-断块山，例如天山、大兴安岭等。褶皱山、断块山和褶皱-断块山也通称为构造山。

另一方面，各种外营力也无时无刻不在影响着山地的形成。在流水、冰川、风等因素的作用下，地表隆起区域(例如高原、山地)会被进一步侵蚀、切割、破碎，形成新的高低起伏的山地地貌，称为侵蚀山[32]。广东的丹霞山就是典型的侵蚀山。此外，还有由某些物质堆积而成的山体，称为堆积山[34]，例如火山就是由地壳内的各种物质喷出地表，堆积成山。

2.4 河流的形成

与山地不同，河流的形成主要是外营力作用，大致可分为如下阶段[35-36]。

到达地表的大气降水、冰雪融水等在重力作用下，沿坡面流动，不断侵蚀地表，形成沟谷；地表水在沟谷中汇集，形成暂时性的水流，其持续时间与降水、融雪等过程密切联系。

在侵蚀作用下，沟谷不断加深和延长，最终达到地下水位；得到地下水补充后，暂时性水流变得相对稳定，成为不依赖于降水、融雪等过程的经常性水流，河流初步形成；沟谷则相应地发育为河谷。

在流水自身运动规律所导致的侵蚀、沉积等作用下，河流不断发育，形成了复杂的河流地貌[37-38]。其中，河流上游主要向下侵蚀，形成了陡峭的河谷；中下游则主要是向河岸的侧向侵蚀和沉积作用，河谷不断变宽，并最终形成宽广的冲积平原[39]。

此外，河流形成和发育也受到地质构造的影响[35,39]。在局域尺度上，河流通常发育在抗蚀能力弱的地质构造薄弱带，如断裂带、软弱岩层带等[40]。在更大的空间尺度上，由构造运动所决定的地势特征控制了河流总体格局[36,39]。例如我国江河多自西向东流动，就是因为板块运动造就了我国西高东低的整体地势。

2.5 湖泊的形成

相比于山地和河流，湖泊成因更为复杂多样，地球内营力、外营力都可能在其中发挥重要作用。美国湖沼学家G. E. Hutchinson[41]依据其主导因素不同，将湖泊划分为11类。其中以下几类在我国较为普遍[42]。

构造湖：由构造运动形成的盆地积水而成，如滇池、青海湖、喀纳斯湖等。

河成湖：因河流发育、河道变迁或者泥沙壅塞河流而成，如鄱阳湖、洞庭湖、巢湖、乌梁素海等。

冰川湖：由冰川挖蚀或冰碛物堵塞槽谷形成洼地并积水而成，如天山天池、喀纳斯湖、多庆错等。

潟湖：因堤岛、沙嘴等的分割，局部海水水域与外海隔开封闭后演变而成，如西湖、品清湖等。

火山湖：由火山休眠后火山口积水而成，如长白山天池。

堰塞湖：由滑坡、地震、火山等因素导致大量土石壅塞河谷、截断水流并积水而成，如五大连池、镜泊湖等。

喀斯特湖：喀斯特作用下形成的岩溶洼地、岩溶漏斗等堵塞后积水而成，如草海等。

湖泊形成后，湖盆形态、湖水性质、湖中生物等会在内外因素的作用下不断发生变化。由于相对封闭性，进入湖泊的泥沙、养分等物质会积存于湖泊中，导致湖盆日渐变浅、水域不断缩小、水质逐渐营养化，使湖泊最终走向消亡[43-44]。一般而言，连通大海的外流湖会出现水生植物的生长和蔓延，逐渐沼泽化，并最终演变为陆地[43]；内陆湖则往往在强烈的蒸发作用下变成盐湖或干盐湖[42]。

3 “山水林田湖草沙”的主要功能

由于控制因素和形成过程各不相同，“山水林田湖草沙”具有不同的结构，在生命共同体中处于不同的地位，发挥着不同的功能。另一方面，它们作为生物圈的重要组分，在功能上又相互联系、相互补充，彼此间不可替代，维持了地球表层系统的正常运行。

“生态系统功能”一词，在生态学中有着多种不同含义[45]，但主要是指支持生态系统自我维持、自我更新，保证生态系统整体性的一系列过程和机制[46-47]。对于人类社会而言，生态系统的功能主要体现在人类从中直接或间接获得的利益[48]，因此也可称之为“生态系统服务”。从这一角度来看，生态系统的功能大致可以分为3个方面[49]。

生产功能：指生态系统为人类提供食物、医药、木材及工农业生产的原材料产品的功能。

生态功能：指生态系统固定二氧化碳、保持水土、调节气候、净化环境、减轻自然灾害、保护生物多样性等生态调节与生态支持功能。

文化与景观功能：指生态系统在保护文化、传承知识以及提供教育、审美和休闲等方面的功能。

当然，由于生态系统的复杂性及人类认知的局限性，这种划分可能略显武断[50]，但总体上能较好地从人类需求的角度概括生态系统的各项功能[49]。

3.1 森林与灌丛的功能

森林和灌丛是我国陆地生态系统的主体，具有很高的生产力。从生产功能上讲，森林和灌丛是巨大的原材料供应者，提供了大量木材和其他林产品，同时还生产果品、药材、皮毛、橡胶等具有很大经济价值的各类副产品[51]。森林和灌丛还蕴含有极其丰富的物种资源，是人类社会重要的资源库[52]。此外，森林和灌丛还是重要的能源来源，除了直接用作能源的木材之外，煤炭等化石能源也大多是地质时期森林所固定、积聚能量的产物[31,53]。

在生态功能上，森林和灌丛是陆地碳循环的主要碳库，具有重要的碳汇功能，在维持全球碳平衡、降低大气中CО2浓度、减缓全球气候变暖等方面发挥重要作用。研究表明，在2001—2010年期间，我国森林和灌丛生态系统年均固碳量(以C计量)达180.7 Tg(1 Tg=109kg)，抵消了同期我国化石燃料碳排放的12.4%[54]。森林和灌丛还具有保育水土、涵养水源、调节径流、防风固沙、净化空气和水源、调节小气候等作用[55]。由于森林和灌丛具有较为复杂的结构，能够形成多样化的生境，它们还在保育生物多样性、维持野生物种存续方面具有重要作用[52,55]。

此外，森林和灌丛还是历代文人墨客吟咏描绘的对象，能够给人们提供游览观光、休闲娱乐、净化心灵、感悟自然等精神享受，具有很高的人文价值、美学价值。

3.2 草地与荒漠的功能

草地最重要的生产功能是支撑草食畜牧业，为人类社会提供了大量的畜产品、草产品[56]。同时，在长期的自然演化过程中，草地蕴藏了丰富的野生动植物资源，是许多药用植物、芳香植物、观赏植物的野生产地[56-57]。荒漠的生产功能相对次要，主要体现在为人类提供特殊生物资源等方面[58-59]。

在生态功能方面，由于草地植被的生态学特性，它在防风固沙、涵养水源、保持水土等方面具有其他植被类型无法替代的作用[60]，是我国北方地区重要的生态屏障[61]。同时，草地在维持全球碳平衡的过程中也扮演重要角色。据估计，我国草地生态系统碳储量(以C计量)约25.40 Pg(1 Pg=1012kg)，占全国陆地生态系统的近1/3[62]。此外，草地还为许多珍稀濒危物种提供了必要的栖息地[56,63]。

荒漠的生态功能同样也很重要。荒漠降水稀少，潜在蒸散强，又具有独特的水文特征，例如干沙层保水、地表结皮阻碍下渗等[64-65]，因此在维持区域水分平衡方面扮演重要角色。荒漠同样也是许多动植物的栖息地，在维持生物多样性方面具有作用[59]。此外，荒漠地区形成的扬尘对于其他生态系统具有“施肥”作用，在地球系统的物质循环中扮演重要角色[66]。

在文化和景观功能上，我国草地孕育了历史悠久的游牧文化，是蒙古族、藏族、哈萨克族等许多少数民族的发源地；荒漠地区则分布有楼兰古城、敦煌莫高窟等众多历史遗迹，文化价值也不可小觑。同时，草地的秀美风光、荒漠的独特景观，也具有极高的美学价值，为人们提供了精神享受。

3.3 农田的功能

与自然生态系统不同，农田作为满足人类社会需求而出现的人工生态系统，其核心功能就是生产功能。农田提供丰富的农产品，包括粮食、水果、蔬菜、药物、饲料、棉花等，为我国人民的衣食住行奠定了基本的物质资源。

同时，农田也发挥了一定的生态功能。研究发现，我国农田生态系统碳储量(以C计量)约为16.32 Pg[62]，贡献了2001—2010年间我国陆地生态系统固碳量的12%[54]。农田还具有保持水土、维护生物多样性、净化水质等作用[67]。

此外，农田承载了我国悠久的农业文明，在传承传统知识、保护文化多样性以及提供教育、审美和休闲等方面也发挥着重要作用[68]。

3.4 山地的功能

由于地形起伏造成的海拔梯度，山地在垂直方向上产生显著的环境差异，并形成由森林、灌丛、草地等一系列不同植被排列而成的山地垂直带[33,69]。所以，山地生态系统是一种由多个生态系统类型镶嵌而成的生态复合系统[69-71]。因森林、灌丛等生态系统的功能在前文已简要叙述，在此不再重复。但山地生态系统具有独特的生境、结构和过程，因此也有着独特的功能。

由于特殊的地貌环境，山地蕴含了大量的非耗竭性资源，如水能、风能、太阳能等，可提供丰富的能源，具有很大的开发潜力[33,72]。如能合理地利用，对于人类社会能源结构的改善有着重要意义。

在生态功能上，由于山地对水汽的阻挡效应，容易形成降雨，具有较高的降水量；同时，山地的地貌、植被特征使得它具有较强的储水保水能力，在高海拔地区还能以冰雪形式储水。因此山地能为周边的低地提供丰沛的水量，是重要的“水塔”[73]。我国的大江大河和众多中小河流均起源于山地。另一方面，山地拥有高度浓缩的环境梯度，且受第四纪冰期-间冰期变化以及人类活动的影响较小，保有良好的自然生境和植被，成为许多物种分布的避难所，具有重要的生物多样性功能[69,74]。我国许多珍稀濒危生物都以山地作为其赖以生存、繁衍的栖息地[75-76]。

除生产功能、生态功能外，山地在人文和景观功能上也具有不可估量的价值。我国名山众多，不仅风景秀丽，也分布了许多名胜古迹，自然风光与人文景致紧密结合，能给人带来极高的精神享受。

3.5 河流和湖泊的功能

一方面，作为陆地的两种主要水体，河流和湖泊是人类社会的重要水源，为人类的农业生产、工业生产以及日常生活提供必不可缺的淡水资源。河流和湖泊是发展水产养殖业的重要基础，为人类社会提供了大量蛋白质来源。据统计，我国45.9%的水产品都来源于淡水养殖[77]。此外，河流和湖泊还能够发展内陆航运，服务国民经济发展。

另一方面，作为地球表层系统各圈层相互作用的联结点，河流与湖泊是陆地水圈的重要组成部分，与生物圈、大气圈、岩石圈等关系密切[7]。河流是生态系统间进行物质输送、能量交换的重要渠道。研究表明，长江每年向我国海洋输送的碳通量(以C计量)就达到20～30 Tg[78]，相当于我国农田生态系统的年均固碳量。湖泊也具有吸收CО2的功能，是重要的水体碳汇[79]。同时，河流和湖泊不仅是水生生物的栖息地[80]，其与陆地过渡带的湿地环境也为许多陆生生物提供了繁殖、迁徙、越冬的场所[81]，是生物多样性保护的重点之一[82]。河流和湖泊还具有调节区域气候、调节河川径流、净化水质等功能[7]。

孔子云：“智者乐水，仁者乐山”。我国分布有众多的名川大湖，环境优美，风景宜人，是非常重要的旅游资源。长江、黄河更是中华民族的摇篮，孕育了我国五千年的文明，其人文价值更难以衡量。

4 “山水林田湖草沙”的保护、治理和利用

4.1 从生态文明的视角看待“山水林田湖草沙”

纵观历史，人类社会的存在与发展，同地球生物圈系统的支持密不可分。“山水林田湖草沙”生命共同体是人类文明得以不断延续的物质基础和必要条件。因此，如何正确地对“山水林田湖草沙”进行保护、治理和利用，是摆在当前人类社会面前的一项重要课题。

生态文明是人与地球生态系统和谐共存、共同发展的文明形态，是人类社会发展和历史选择的必然结果[83-84]。生态文明的基本理念，就是要尊重客观的生态学规律，在深刻理解地球生物圈系统运行的特征、过程和机制的基础上应对环境变化，在保护地球系统完整性的同时，对其科学地利用和改造[85]。生态文明理念打破了工业革命以来人与自然界主客体的二元对立，将人类社会与地球生物圈有机统一[86]，为“山水林田湖草沙”的科学保护、治理和利用提供了总体方向。

正如前文所述，“山水林田湖草沙”彼此相互联系，相互补充，不可替代，共同构成了生物圈系统的完整性。因此，在面对涉及“山水林田湖草沙”的各种事务时，就应当充分意识到它们作为生命共同体的整体性，决不能偏重一点、不及其余。从另一个角度来说，就是要遵循各种生态系统自身的生态学规律，清晰地把握它们在整个生物圈中所处的地位和功能，在此基础上充分发挥人的主观能动性，从而达到人与生物圈和谐发展的目的。

因此，对于“山水林田湖草沙”的保护、治理、利用，必须从各地区、各生态系统自身的条件出发，做到“宜林则林、宜草则草、宜田则田、宜沙则沙”，既不能简单地屈从于生态系统的各种变化，更不能仅仅按照人类的主观意志对其进行强行干预。违背生态学规律的举措，不仅会劳民伤财，甚至可能会引发严重的生态学灾难。

4.2 违背生态学规律改造利用自然的国内外典型案例

工业革命以来，随着科学技术的快速进步，人类改造自然的能力迅速提升，地球生物圈系统在人类影响下发生了深刻改变。然而，由于缺乏对生态规律的正确认识，许多“征服自然”的“壮举”最后都变成了惨痛的悲剧。正如恩格斯所说：“每一次这样对自然界的征服，自然界都将对我们进行反抗。这种反抗是无声的，却是十分有力的，是人类不可承受的。”在此，我们列举国内外若干违背生态学规律、改造利用自然的典型事例。

(1) 阿斯旺大坝(Aswan High Dam)造成高昂环境代价。

大型水坝是人类抬高河流水位、调节径流的主要设施，并能在防洪、灌溉、发电等方面发挥重要作用。但大型水坝也可能对环境造成严重的负面影响，这其中以埃及阿斯旺大坝最为典型。

阿斯旺大坝位于尼罗河上，坝高111 m，长近4 000 m，将尼罗河拦腰截断，形成蓄水量最大可达1 620亿m3的人工湖[87]。大坝最初修建的主要目的是防洪、灌溉、发电，于1960年动工，1967年大坝主体完成，1971年正式竣工[88-89]。大坝建成后，在防洪、灌溉、发电等方面发挥了一定功效，但因其设计、修建时并未考虑尼罗河独特的水文、生态特性，引发了非常严重的环境问题。

尼罗河的径流量存在明显季节变化，会定期泛滥、淹没农田，带走农田土壤中残留的盐分，并留下肥沃的沉积物，提高农田肥力[88]。但大坝建成后，因河水不再泛滥，下游农田盐分逐渐积累，肥力不断降低。农民为保证粮食生产，又大量施用化肥，不仅加剧土壤盐碱化，还造成水体富营养化[90-91]。

尼罗河原本入海时携带大量泥沙，为尼罗河三角洲提供物质基础[87]，但大坝建成后，尼罗河径流量和入海泥沙明显减少，导致严重的海水内侵和海岸侵蚀[87-88,90]。例如三角洲约西塔海角的后退速度达到120～240 m/a，至少是大坝竣工前的2倍，直至20世纪末修建了海堤才得以控制(图2)[92-93]。

图2 尼罗河三角洲约西塔海角的后退情况。改绘自文献[93](卫星影像来源: Google Earth 2016-02-16)

此外，大坝带来的水文、生态变化，还引起藻类和水草蔓延[88]、东地中海鱼虾减少[94-95]、寄生虫病传播[96-97]等一系列问题。因此，阿斯旺大坝虽然在一定程度上满足了人类社会的需求，但是它对尼罗河生态系统乃至周边环境的消极影响也非常显著，其综合利弊难以评价[95,98]。

在以美国为代表的一些发达国家，“拆坝”已成为消除水坝负面生态影响的一个重要手段。据统计，在2006—2014年间，美国共拆除水坝548座，甚至超过了1915—2005年间拆坝数量的总和，其中不少是因为对河流生态系统功能的消极影响而被拆除[99]。例如在2011—2014年间，美国先后拆除了位于华盛顿州艾尔瓦河上的两座大坝，就是由于它们隔断了几种濒危鱼种在艾尔瓦河上游源头的产卵场等生态原因[100]。

(2) 盲目开垦导致东欧和北美黑土区严重退化。

广义上的黑土是指肥力优渥、腐殖质丰富、颜色深暗的土壤，包括典型黑土、黑钙土、草甸土等多个种类[101-102]。世界上集中连片的黑土区有4块，分别位于东欧大平原、北美地区、阿根廷和乌拉圭地区，以及我国的东北地区[102-103]。其中，东欧和北美的黑土区开发利用得很早，在19世纪已大规模利用，但由于盲目追求经济利益，忽视了黑土区的气候和生态特征，引发了严重的生态灾难。

从形成过程上看，黑土主要是在典型草原、草甸草原和以草原植被为主的疏林草原下形成的土壤，其植被以多年生草本植物占据优势[102-104]。但开垦为耕地后，植被就变成了以粮食作物为主的人工植被。在作物种植期外，黑土地表裸露，很容易在外力侵蚀作用下遭到破坏。东欧大平原与北美地区都属于典型的大陆性气候，缺乏植被保护的地表土壤往往会被大风刮起，形成破坏性极强的“黑风暴”(图3)[105]。在20世纪20—30年代，这两个地区相继遭受“黑风暴”的严重影响。例如1928年，“黑风暴”几乎席卷了整个乌克兰，平均土层毁坏达12 cm，估计约有1 500万t的土壤被移走[106]。再如1934年美国的一场“黑风暴”，带走了大平原地区超过3亿t的土壤。受此影响，当年小麦产量相对于20世纪20年代的平均水平下降36%，减产超过800万t[107-108]。由于巨大的破坏力，“黑风暴”被列入了20世纪的重大环境危机之一[109]。

图3 1935年美国堪萨斯州的“黑风暴”(图片来源：Historic Adobe Museum)

尽管美国、乌克兰政府相继采取了一些措施，例如种植防护林、开展保护性耕作等，以遏制“黑风暴”的破坏[110]。但目前，这两片黑土区仍大范围地面临着土壤侵蚀、水分丧失、荒漠化、生产力下降、多样性降低等问题，生态系统功能已经远不如前[111-114]。

(3) 环境破坏是’98长江洪灾的重要原因。

1998年，我国长江流域发生了百年不遇的特大洪涝灾害，造成中下游5省1 500余人死亡，8 400余万人受灾，直接经济损失1 300多亿元[115]。’98洪灾的形成确有气候因素的作用，但人类无序开发对流域造成的环境破坏也是十分重要的原因，更值得人们重视[116-117]。

第一，长江中上游森林的乱砍滥伐，造成了植被涵养水源能力的迅速下降。调查显示，由于无节制地砍伐，长江中上游森林面积持续缩小[117-118]。20世纪80年代初期，重庆各县森林覆盖率较50年代减少了50%以上[119]；四川省在20世纪90年代时有50多个县森林覆盖率只有3%～5%[116]。与此同时，林分质量也发生显著劣化，涵养水源、保持水土能力较强的成熟林、天然林大部分被破坏，留存的多是生态功能较差的次生林、人工幼林[119-120]。由于缺乏森林涵养水源、截留雨水的作用，降水直接形成地表径流，汇入长江，加大了河流的行洪压力[118]。

第二，因为植被的破坏和不合理的垦殖，长江上游大量地表裸露，造成了严重的水土流失。据报道，在1998年洪水发生前，长江流域水土流失面积达56万km2，年土壤侵蚀量达22.4亿t[121]。水土流失导致河道、湖泊淤积，抬高河床，导致行洪不畅[117]。

第三，长江中下游地区湖泊的不合理开发利用，大幅度降低了湖泊蓄水调洪的能力。据不完全统计，20世纪50—90年代，长江中下游有1/3的湖泊被围垦，超过1 000个湖泊因此消亡[116]；原有的22处通江湖泊，总面积减少了近7 000 km2，损失容积600亿m3，相当于淮河年径流量的1.3倍[120]；仅洞庭湖就损失面积约1 500 km2、容积约100亿m3(图4)[122-123]。水文资料显示，1949年长江洪水分流至洞庭湖的流量占宜昌站流量50%，但’98洪水时洞庭湖不仅无法分洪，反而还以3.5万m3/s的流量流入长江[119]。这无疑更加大了河流的行洪压力。

图4 (a～e) 20世纪30年代至1998年的洞庭湖水面情况；(f) 洞庭湖水面变化情况(改绘自文献[123])

1998年长江洪水给我们带来巨大教训。此后，我国政府采取了一系列重大生态工程举措，包括退耕还林还草还湖、天然林保护工程等。这正是对以前非科学改造利用自然的一种反思和纠正。

(4) 农牧交错带过度垦殖造成地下水位下降。

我国北方农牧交错带位于东部季风环境和西北干旱环境的交界带上，年降水量平均在250～450 mm，大致沿400 mm等降水量线两侧分布，包括了内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃和宁夏共9个省份106个旗(县)[124-125]。由于这一地区的年降水量变动较大，一般为20%～50%[126]，因此历史上该地区种植业基本上是“靠天吃饭”的雨养农业[125]。

新中国成立后，随着技术的发展，抽取地下水进行灌溉成为当地发展种植业的普遍行为。以内蒙古通辽市科尔沁区为例，在1963—2006年间，该区灌溉机井数从123眼增加至近1.7万眼；灌溉用水量从1987年的10亿m3增长至2006年的50亿m3[127]。大量抽取地下水进行灌溉，造成了农牧交错带地下水位的严重下降(图5(a))。仍以通辽市科尔沁区为例，与1978年相比，2006年该地区地下水超采区面积增加了8.5倍，地下水漏斗中心水位埋深增加了7.7 m[127]。

这种地下水位的变化直接影响了整个区域的水循环。基于遥感对蒙古高原湖泊的研究显示，自1987—2010年间，内蒙古自治区大于1 km2的湖泊数量减少34%，面积减少30.3%；而气候条件相似的蒙古国，同期湖泊数量仅减少了17.6%，面积减少2.4% (图5(b))。进一步分析表明，内蒙古农牧交错带地区湖泊80%的面积变化来源于灌溉耗水[128]。显然，抽取地下水灌溉已经对当地环境造成了巨大的负面影响。

图5 (a) 内蒙古通辽市平原地区的平均地下水埋深；(b) 蒙古高原湖泊分布及相对面积变化[128]

(5) 三北防护林栽种树种不当造成生态问题。

三北防护林是我国政府大力推动的一项生态工程，规划时间为1978—2050年。评估显示，截至2017年，三北工程累计完成造林保存面积约3 010万hm²，在控制水土流失、遏制沙化等方面取得了一定成效[129]。但由于缺乏对生态学规律的充分认识，防护林工程实施过程中也造成了一些负面影响。

三北防护林的不少区段属于干旱/半干旱气候条件，年降水量在400 mm以下，其自然植被应为草地、灌丛或者荒漠[129]。人工大面积栽种乔木，实际上并不能形成长期自我维持的森林植被。有研究显示，在该地区的632个县中，有60个县的水资源条件不适宜造林，且这些县大多地域广阔，占整个三北地区总面积超过1/3[130]。21世纪初一些调查就发现，由于水分条件不足，部分地区人工造林成片枯萎死亡，出现“年年植树不见树”的情况；而即使树木勉强存活，也往往生长不良，长成“小老头树”[131-132]。

另一方面，森林生长需水量远高于草地、灌丛，在降水不足的情况下，必然要大量吸取地下水，造成地下水位降低；当地下水位下降至无法利用时，就会导致森林退化乃至大面积死亡[133]。例如内蒙古通辽市奈曼旗的中等密度的杨树林生长季正常需水量约380 mm，但当地降水量不足300 mm，2011年当地杨树林大面积死亡，而地下水位也已从-6～-7 m下降至-18 m[134]。此外，媒体记者还报道过新疆、宁夏、甘肃等地靠抽取地下水灌溉来维持造林成果[135]，这显然更不可持续。

此外，由于部分地区造林树种单一，生物多样性程度低，很容易发生严重的病虫害。例如20世纪末期宁夏地区发生大面积天牛灾害，导致造林成果毁于一旦[135]。再如21世纪初北方地区杨树象甲虫大爆发，造成杨树林大面积死亡[125]。

(6) 治沙经验片面推广易引发水资源耗竭。

近年来，我国的一些沙地进行大规模的造林治沙活动，并取得了一定成效。但如果不考虑当地具体的自然环境特征，盲目推广相关经验，不仅无法达到治沙的目的，反而引起负面效应。

以腾格里沙漠为例。腾格里沙漠为群山环绕，位于黄河故道附近，又紧邻当前黄河河道[136-137]。在当地大气降水、沙丘凝结水、山区降水、地表水交换等过程的作用下，形成了当地丰富的地下水资源，在部分区域甚至还会露出形成湖泊，能够生长灌木乃至乔木[138-140]。但研究发现，腾格里沙漠沙层水分存在明显空间差异，表现为沙漠边缘沙层含水量较腹地为高，洼地沙层含水量较沙丘、高地为高[141-142]。这表明“能够生长灌木乃至乔木”仅仅是腾格里沙漠部分地区的情况，并不能推广至整个沙漠。此外，在沙坡头地区的定位监测发现，随着人工植被固沙时间的延长，整个沙地水分条件逐渐恶化，导致植物衰败乃至死亡[143]。因此，根据部分地区的短期经验，盲目扩大治沙面积，势必会破坏当地的水文生态平衡，甚至引起水资源的耗竭。

4.3 生态文明建设的生态学途径

以往的事例告诉我们，对自然界的不合理保护、治理和利用，一个根本原因就是没有从生态学规律出发，忽视“山水林田湖草沙”之间相互联系、相互依存的复杂关系，用片面的、主观的经验来指导实践。生态文明建设要求人们充分认识生态学规律、充分利用生态学规律。因此，建设好生态学科对丰富和发展自然科学的相关基础理论、实现国民经济的可持续发展、构建生态文明社会具有不可或缺的作用。之前，本文作者团队曾阐述过在生态学的视角下建设生态文明所需要加强工作的若干方面[85]。在此将主要观点简要阐述如下。

(1) 加强生态学教育，建立一批学科基地，提高公众的生态学意识。

与其他学科相比，我国生态学科起步晚、发展慢，在整个学科体系中处于较为弱势的地位。我国地域辽阔、环境多样、物种丰富，同时又经历着快速的城镇化发展阶段，为生态学理论的探索和创造提供了不可多得的天然实验室。若能加大对生态学研究与教育的投入，加强对相应研究和教育机构的建设，必会在生态学理论和应用研究方面取得一系列重大创新成果。

同时，我国民众的生态学意识普遍薄弱，因此有必要向全社会广泛宣传生态文明基本理念，加强生态学公众教育和科普的投入，逐步推动全民生态学素质的提升。

(2) 国家的重大战略决策和重大工程要体现生态学知识和研究成果。

改革开放以来，我国经济快速发展，但付出的资源、生态与环境代价过大。在近年来的生态文明建设中，已经发现了以往部分决策、部分重大工程所引发的生态问题。因此国家在今后制定重大计划和工程的时候，应当充分进行生态学论证，避免因决策不当而造成的负面生态效应。同时，在国家各项重大工程的执行过程中，也有必要强化生态学的指导作用，杜绝单纯追求经济效益的行为，以免造成不可预见的损失。

(3) 政府和相关企业的管理队伍要配备生态学专业人才。

随着我国生态文明建设的快速推进，各行各业都需要一批具有生态学专业知识的从业人员。特别是推进生态文明建设，不仅要求政策决策者要有生态意识，决策的执行者、相关部门和行业的工作人员也需要具备生态学知识。但目前多数政府部门、企事业单位鲜少招收生态学人才，导致很多部门缺乏受过生态学教育和训练的人员，生态学专业队伍建设薄弱。因此，相关部门有必要配备生态学专业人才，确保生态文明建设从具体工程、具体事情抓起。

(4) 加强国家的生态战略研究。

我国的生态安全问题，在国内和国际两方面均有体现。从国内看，尽管我国近年来的生态文明建设取得了突出成效，总体环境呈现不断好转的势头，但历史遗留的许多生态环境问题尚未根本解决，水资源短缺、水土流失、草地退化、大气与土壤污染等问题依然严重。从国际上看，以美国为代表的部分发达国家，仍在以我国历史上积累的环境问题作为制约我国发展的借口。此外，气候变化导致的生态脆弱性因国而异，我国属于较高风险国家。当前，生态安全越来越引起重视，已被纳入国家安全体系，这要求我们在未来要进一步加强国家的生态战略研究。

(5) 加强生态风险评价与生态预报。

生态风险评价和生态预报是应用生态学的新兴研究领域，可以在人类社会和生态系统之间构架桥梁。我国幅员辽阔、生态系统多样化，并存在巨大的人口压力，因此各类生态灾害会对我国自然环境、社会经济都造成极大的损失。而对气候变化、台风危害、物种分布，尤其是极端自然事件等，进行较为准确的生态风险评价或生态预报，能够为政策制定和执行提供重要参考和前瞻性指导，服务于我国社会经济的可持续发展。

5 结语

“山水林田湖草沙”概括了我国多样化的生态系统类型，是我国生态环境的通俗表达。作为自然界和人类社会诸多过程共同的产物，它们形成原因各不相同，但又彼此联系、相互影响，构成了复杂的生命共同体。“山水林田湖草沙”的功能各不相同又相互补充，彼此间不可替代，共同维持了地球生物圈系统的正常运行。然而，长期以来由于人类对生态学规律的认识不够充分，在对“山水林田湖草沙”的保护、管理和利用中存在着很多盲目的不科学行为，不仅引发许多生态环境问题，也为人类社会带来惨痛的损失。

生态文明理念告诉我们，在处理人与自然界的关系时，必须尊重自然、顺应自然、保护自然。只有在生态文明理念的指引下，我们才能科学、正确地对“山水林田湖草沙”进行保护、管理和利用，实现人类社会和自然界的协调发展。

当前，我国正处于生态文明建设的关键时期，“美丽中国”画卷正在徐徐展开。因此，我们更要清晰地认识“山水林田湖草沙”生命共同体的整体性，更加准确地把握各类生态系统彼此协调发展的重要性，才能更好地推进生态文明建设，真正实现我国社会经济和自然环境的和谐发展。

致谢 本文的数据获取和图片绘制得到中国科学院植物研究所工程师耿晓庆、博士研究生吴波，以及北京大学生态研究中心博士研究生冯禹昊的协助，特此致谢。

(2021年9月22日收稿)■