沙地生態(tài)系統(tǒng)研究與實(shí)踐的核心科學(xué)問(wèn)題

王恩利，于相洋，張日升

（1.遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000；2.遼寧林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110101）

在全球性的生態(tài)危機(jī)中，沙漠化引起的生態(tài)系統(tǒng)崩潰和生態(tài)系統(tǒng)功能?chē)?yán)重退化是生態(tài)領(lǐng)域的主要問(wèn)題。相對(duì)于沙漠，沙地生態(tài)系統(tǒng)具備較高的生產(chǎn)力、可觀的生物量、復(fù)雜的生物多樣性，具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，但同時(shí)沙地生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，很容易沙漠化。中國(guó)目前有科爾沁、毛烏素、渾善達(dá)克和呼倫貝爾等四大沙地，總面積15萬(wàn)km2，多位于我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，土壤基質(zhì)不穩(wěn)定，風(fēng)力強(qiáng)勁，易發(fā)生沙漠化［1］。

1 沙地生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)及問(wèn)題

與沙漠相比，沙地的自然條件良好，地下水資源豐富。生態(tài)環(huán)境較差的毛烏素沙地年平均降水量為360mm，渾善達(dá)克沙地年降水量在350mm左右，生態(tài)環(huán)境較好的科爾沁沙地和呼倫貝爾沙地年降水量一般在310～500mm。我國(guó)的四大沙地年降水量相對(duì)較多，但沙地日照強(qiáng)烈，多風(fēng)，年蒸發(fā)量是降水量的6～9倍。同時(shí)，四大沙地的地下水資源比較豐富，以毛烏素沙地為例，地下水資源豐富，分布普遍但不均衡，地下水位在多水年份可達(dá)灘地地表，低洼處則有季節(jié)性積水，干旱年份的灘地地下水埋深0.5～1.5m，人畜飲用水及農(nóng)作物灌溉都取自淺層地下水［2］。所以，隨著沙地生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)研究工作的不斷深入，人類(lèi)有能力在防止沙地進(jìn)一步沙漠化的同時(shí)充分發(fā)揮出沙地最佳的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

沙地的形成主要是氣候的變化和人為因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)破壞所造成的。特別是20世紀(jì)人類(lèi)對(duì)草原的開(kāi)發(fā)，使原有的草原退化，沙地活化而形成了沙地［3］。自20世紀(jì)初至今，沙地生態(tài)系統(tǒng)的研究一直屬于國(guó)際生態(tài)學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有四大沙地生態(tài)系統(tǒng)存在三大共性問(wèn)題。

1.1 原生植物系統(tǒng)被破壞，生物量下降

植被在沙地生態(tài)系統(tǒng)中起著核心作用，其退化或消失必然引起沙漠化的發(fā)展與環(huán)境惡化。在沒(méi)有人類(lèi)干擾的沙地頂級(jí)植被是疏林，未被沙丘覆蓋的平地則為禾本科草本為主的草甸草原。由于人類(lèi)的干擾使沙地的喬木、灌木和草本減少，取而代之的是大片的農(nóng)田、撂荒地、退化的草場(chǎng)人工林網(wǎng)和片林。草場(chǎng)產(chǎn)草量減少，農(nóng)田產(chǎn)量下降，生態(tài)穩(wěn)定性差，植物種類(lèi)單一且稀少；沙地中鼠類(lèi)多，其他種類(lèi)的動(dòng)物相對(duì)少，都處于小種群的狀態(tài)。生物量急劇下降，使沙生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)發(fā)生障礙［4］。

1.2 農(nóng)牧比重大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一

在沙地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，農(nóng)牧業(yè)占有較大的比例。沙地農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主導(dǎo)，種植業(yè)又以大田作物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在耕地化肥施用量大，而有機(jī)肥的投入少，這種單一、粗放的以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)，在人口速增與自然災(zāi)害的壓力下，常陷入愈窮愈墾、愈墾愈窮的惡性循環(huán)之中。沙地的草地資源是畜牧業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，粗放經(jīng)營(yíng)的“頭數(shù)畜牧業(yè)”與主要因超載而嚴(yán)重退化草地之間的惡性循環(huán)，最終造成畜牧業(yè)與草業(yè)生產(chǎn)兩敗俱傷的“雙輸”局面，帶給沙地生態(tài)系統(tǒng)后果是草場(chǎng)退化，生物量減少，出現(xiàn)沙漠化［5］。

1.3 人類(lèi)對(duì)沙地的索取大于供給，沙地與外界物質(zhì)和能量交換失調(diào)

引起沙地生態(tài)系統(tǒng)退化的直接原因是土壤與礦物質(zhì)的變化，如2000年，渾善達(dá)克農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的肉產(chǎn)量為91 574t，羊毛產(chǎn)量為8 938.5t。按肉類(lèi)平均含氮量2.64%、毛類(lèi)平均含氮量18%計(jì)算，每年僅此兩項(xiàng)從草地生態(tài)系統(tǒng)中流失的氮素就達(dá)4 026.4t。按磷與氮之比為1.8∶16的比例來(lái)推算，每年系統(tǒng)中磷的產(chǎn)出損失為452.9t。而該地區(qū)在生產(chǎn)上沒(méi)有施肥的習(xí)慣，因此，這部分損失可以認(rèn)為是凈損失，這對(duì)于土壤系統(tǒng)的破壞是致命的［6］。人口增加無(wú)疑是最主要原因，隨著人口的增加和人們對(duì)物質(zhì)生活的追求，各大沙地的牲畜數(shù)量更是急劇增加，使草地壓力急劇增大，過(guò)牧和區(qū)域性超載現(xiàn)象普遍存在［7］。同時(shí)，樵采和挖中草藥也嚴(yán)重影響了沙地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡。

綜上，沙地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的林草植被受破壞最嚴(yán)重，能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)失衡，致使生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和修復(fù)能力較弱。因此，在沙地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)中必須尊重沙地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的自然規(guī)律，堅(jiān)持林草植被建設(shè)為沙地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)主體的原則，從沙地水量平衡、抗旱高產(chǎn)植物的篩選和優(yōu)化沙地建設(shè)模式三方面入手，組裝配套現(xiàn)有技術(shù)，解決好實(shí)際生產(chǎn)中的突出問(wèn)題。

2 沙地生態(tài)系統(tǒng)研究的核心科學(xué)問(wèn)題

2.1 沙地水量平衡

很多專(zhuān)家認(rèn)為沙地植被的格局與景觀過(guò)程是土壤水循環(huán)長(zhǎng)期演變的景觀表征和烙印，沙地生態(tài)系統(tǒng)中水因子是所有生態(tài)過(guò)程的直接驅(qū)動(dòng)力。對(duì)這一問(wèn)題的研究可以追溯到20世紀(jì)初的蘇聯(lián)，最早的研究是針對(duì)水分動(dòng)態(tài)及沙地表面凝結(jié)水所進(jìn)行的。1958年庫(kù)利克提出了根據(jù)水分資源確定早情的論述。與此同時(shí)，我國(guó)學(xué)者在騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)建立了水分平衡觀測(cè)場(chǎng)，開(kāi)始對(duì)人工固沙植被的水分利用與沙地水量平衡進(jìn)行長(zhǎng)期定位研究，并建立了水量平衡方程。隨著大量的先進(jìn)儀器、大型設(shè)備等測(cè)試手段的提高和水文模型的應(yīng)用，為水循環(huán)與水分傳輸研究提供了條件，通過(guò)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)和生態(tài)建模，使水循環(huán)研究從植物個(gè)體與環(huán)境到種群、群落與環(huán)境的尺度轉(zhuǎn)化成為可能。沙地生態(tài)系統(tǒng)植被建設(shè)必須從水量平衡的角度出發(fā)，大面積的植樹(shù)造林、大規(guī)模的抽取地下水會(huì)影響到地下水系統(tǒng)，從而影響到整個(gè)沙地生態(tài)系統(tǒng)的平衡；植樹(shù)造林面積小，無(wú)法改善沙地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境?？梢?jiàn)，合理確定沙地喬灌草等不同生態(tài)景觀的比例非常關(guān)鍵，是沙地水量平衡的外在表現(xiàn)。在沙區(qū)資源的合理開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，為能充分發(fā)揮沙地水量平衡理論的指導(dǎo)作用，堅(jiān)持開(kāi)展沙地生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)就必然成為基礎(chǔ)性核心科研工作之一［8］。

2.2 抗旱高產(chǎn)植物的篩選

為了更好的選擇適宜在沙地生長(zhǎng)的植物，以水分、養(yǎng)分為主要限制因子的植物脅迫生理生態(tài)學(xué)研究是沙地生態(tài)系統(tǒng)研究中的另一個(gè)側(cè)重點(diǎn)。目前研究水平已不再停留在光合速率、蒸騰速率、水勢(shì)等某一生理指標(biāo)的數(shù)量變化上，而是深入到分子生理學(xué)和遺傳學(xué)的水平上解釋其變化機(jī)理，并已獲得與抗性有關(guān)的基因，為植物抗逆性的生物工程提供了可靠的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。如對(duì)與植物抗逆有關(guān)的ABA信號(hào)傳導(dǎo)問(wèn)題的研究、與植物抗逆有關(guān)的光合C3、C4、CAM途徑轉(zhuǎn)變及基因的研究。選擇抗旱高產(chǎn)植物就是要充分利用沙地生態(tài)系統(tǒng)中的水資源和光資源。通過(guò)抗旱高產(chǎn)植物的篩選提高沙地單位面積生物量，減輕對(duì)沙地生態(tài)系統(tǒng)植被的破壞［9］?？购蹈弋a(chǎn)植物的篩選可作為沙地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究工作中的核心內(nèi)容之一。

2.3 優(yōu)化沙地建設(shè)模式研究

干旱半干旱的沙地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的、開(kāi)放的區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，他與外界發(fā)生著廣泛的物質(zhì)、能量、經(jīng)濟(jì)、信息的聯(lián)系，其功能是持續(xù)不斷地從環(huán)境中吸取有益資源（光、熱、水、養(yǎng)、氣等）持續(xù)不斷地從系統(tǒng)外輸入科技、文化、資金、物質(zhì)等資源，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)的調(diào)控，為社會(huì)輸出有用的、高效的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，使整個(gè)系統(tǒng)步入健康、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的良性發(fā)展軌道，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。沙地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包含著農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草業(yè)、畜牧業(yè)、工副業(yè)、文教衛(wèi)生、多種商貿(mào)等經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)，他們之間及其與環(huán)境之間是相互聯(lián)系、相互影響的。所以對(duì)沙地要樹(shù)立起一個(gè)整體的、系統(tǒng)的、綜合的生態(tài)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)既要充分利用氣候資源、土地資源、水資源、植物資源、動(dòng)物資源，又要通過(guò)人類(lèi)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)所構(gòu)成的人力資源和經(jīng)濟(jì)資源，將多種資源有機(jī)結(jié)合成一個(gè)具有特定功能的、多層次、多水平的、合理的結(jié)構(gòu)和布局。如奈曼荒漠化試驗(yàn)站提出了“小生物圈模式”，以牧戶(hù)為單元，分3個(gè)層次：由外圈的喬灌林、中圈的牧草和內(nèi)圈的作物組成。中心區(qū)位于圍封條件好的坨甸低地（作物），保護(hù)區(qū)位于中圈的草庫(kù)侖（牧草），緩沖區(qū)位于保護(hù)區(qū)外圍的固沙區(qū)（喬灌林）。李進(jìn)等研究了人工固沙植被建設(shè)模式，即人工植被在宏觀上表現(xiàn)為疏林草原景觀，以灌木和半灌木為主、喬木為輔，在地下水位不低于4～5m的丘間低地中栽植樟子松，在地下水位低于4～5m的丘間低地可選擇小葉錦雞兒（Caraganamicrophylia）等，在沙丘背風(fēng)坡坡腳栽植黃柳（Salixgordejevii），在沙丘迎風(fēng)坡可選擇差巴嘎蒿（Artemisiahalodendron）和小葉錦雞兒等，植被建立順序是先在沙丘迎風(fēng)坡栽種差巴嘎蒿，在背風(fēng)坡腳栽植黃柳，其后建立小葉錦雞兒和樟子松植被。烏蘭敖都荒漠化試驗(yàn)站提出了“四位一體”庭院經(jīng)濟(jì)模式、丘間低地生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈模式?！八奈灰惑w”庭院生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式，以太陽(yáng)能為能源，形成溫室大棚（蔬菜）－沼氣池（能源）－生態(tài)養(yǎng)殖（養(yǎng)豬）－廁所（有機(jī)肥）可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的沙地良性生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。丘間低地生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈模式，以丘間低地為單元，其結(jié)構(gòu)組成為從丘間低地底部至頂部分別為水田圈－果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林圈－防護(hù)林保護(hù)圈－草方格生物固沙帶（簡(jiǎn)稱(chēng)“三圈一帶”），意在形成“水稻坐底、果樹(shù)鑲邊、楊柳纏腰、沙障封頂”的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)雙贏模式［10］。沙產(chǎn)業(yè)合理開(kāi)發(fā)與可持續(xù)發(fā)展是沙地生態(tài)系統(tǒng)研究和實(shí)踐的核心內(nèi)容之一。

3 結(jié)論與討論

目前，隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們對(duì)物質(zhì)生活水平需求的提高，促使人們對(duì)沙地的開(kāi)發(fā)與利用會(huì)越來(lái)越快。這就警醒我們：在開(kāi)發(fā)利用沙地時(shí)應(yīng)特別尊重沙地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的自然規(guī)律和特點(diǎn)，既要組裝配套好現(xiàn)有技術(shù)，又要不斷加強(qiáng)對(duì)水量平衡、抗旱高產(chǎn)植物的篩選和優(yōu)化建設(shè)模式等沙地生態(tài)系統(tǒng)核心問(wèn)題的研究與實(shí)踐，以此來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)中的突出問(wèn)題，科學(xué)利用沙地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，并與我國(guó)當(dāng)下快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)為人民造福的目標(biāo)。而如何維護(hù)好沙地生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展和可持續(xù)的生態(tài)安全等人文、政策方面的研究還有待進(jìn)一步探討。

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