我國(guó)固沙林密度與水分的關(guān)系研究進(jìn)展

馮偉，楊文斌

(1．內(nèi)蒙古錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2．中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091)

水分是沙地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的限制因子[1]，而沙土中水分的量及動(dòng)態(tài)變化對(duì)土地沙漠化的發(fā)生或者逆轉(zhuǎn)過(guò)程具有非常顯著的作用，是土地沙漠化的主要調(diào)控者[2]。沙區(qū)水資源缺乏，降水是該區(qū)土壤水分主要補(bǔ)給來(lái)源，合理有效利用有限水資源成為固沙植被長(zhǎng)期穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)[3]。選擇適當(dāng)?shù)呐渲酶窬?，調(diào)節(jié)造林密度，實(shí)現(xiàn)植被的持續(xù)穩(wěn)定生長(zhǎng)，獲得防風(fēng)固沙等生態(tài)效益的綜合效果，是固沙林建設(shè)的關(guān)鍵所在[4-5]。在營(yíng)造固沙林時(shí)不能只考慮防風(fēng)固沙效益，還應(yīng)考慮與當(dāng)?shù)刈匀粭l件相適宜，在自然條件較差、特別是水分條件較差的地區(qū)，必須考慮水量平衡這個(gè)關(guān)鍵因素[6]。在干旱、半干旱區(qū)，密度是影響雨養(yǎng)條件下固沙林能否正常生長(zhǎng)和林分穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[7]。

我國(guó)沙區(qū)植被建設(shè)取得了舉世矚目的成就，有效遏制了沙漠化的發(fā)展，促進(jìn)了局地生態(tài)恢復(fù)[8]。然而，大規(guī)模的固沙造林均以完全固定流沙為第一目的，大都遵循覆蓋度大于40%這一標(biāo)準(zhǔn)[9]，結(jié)果出現(xiàn)密度大、水分失衡等問(wèn)題造成大面積固沙林衰退或死亡現(xiàn)象[10]，影響了沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)及防風(fēng)固沙效益的可持續(xù)性。我國(guó)沙區(qū)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的自然演替過(guò)程逐步發(fā)育形成稀疏植被類型，能夠可持續(xù)生長(zhǎng)，覆蓋度一般在10%～30%，但這種疏林不能夠完全固定流沙[7]。通過(guò)研究與探索，提出的低覆蓋度治沙技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了低覆蓋度15%～25%下實(shí)現(xiàn)防沙治沙目標(biāo)的新領(lǐng)域[11]，成為三北防護(hù)林、京津風(fēng)沙源等生態(tài)工程固沙林建設(shè)的重要技術(shù)[12]。其中，低覆蓋度行帶式固沙林存在滲漏補(bǔ)給帶和水分利用帶[13]，具備生態(tài)用水優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊，在指導(dǎo)固沙林建設(shè)及低效林改造上具有重大參考價(jià)值。

1 主要固沙林密度與土壤水分研究現(xiàn)狀

1.1 干旱區(qū)固沙林

梭梭(Haloxylonammodendron)廣泛應(yīng)用于干旱區(qū)固沙造林中，具有顯著的生態(tài)效益和社會(huì)效益。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于梭梭林大量蒸騰消耗沙土中蓄存的水量，導(dǎo)致沙土含水率顯著降低，出現(xiàn)人工梭梭林大面積衰退，導(dǎo)致成片死亡現(xiàn)象。

新疆莫索灣不同密度梭梭固沙林的土壤水減少量的變化是天然荒漠林與2.5 m×3 m最為相近，1.5 m×1.5 m的林地土壤水分減少量最大，其次是2 m×4 m[14]，表明低覆蓋度的天然梭梭固沙林水分狀況要優(yōu)于覆蓋度高的人工固沙林。臨澤、民勤、磴口和吉蘭泰等地區(qū)，正常生長(zhǎng)的梭梭林下0～40 cm沙層的含水率與流動(dòng)沙丘相似，生長(zhǎng)衰退的梭梭林下0～40 cm沙層的含水率小于1.5%，40～200 cm沙層的含水率在1.0%～2.0%，當(dāng)林下沙土含水率繼續(xù)下降到1.0%左右時(shí)，梭梭整株枯黃，死亡植株相繼出現(xiàn)[15]。甘肅河西走廊對(duì)梭梭林間伐至合理密度是延長(zhǎng)林分壽命的有效方法之一。研究表明，人工梭梭林保持正常生長(zhǎng)發(fā)育和沙丘內(nèi)水分狀態(tài)平衡的造林密度為4 m×4 m或5 m×4 m；認(rèn)為低密度梭梭人工林對(duì)土壤含水量的影響較少，保證了林下植被的演替[16]。在民勤沙區(qū)，栽植密度過(guò)大是加速梭梭衰亡的重要因素，土壤鹽漬化對(duì)梭梭生長(zhǎng)并非致害因素[17]，營(yíng)造梭梭防風(fēng)固沙林密度以1 095株·hm-2為宜。阿拉善梭梭固沙林的退化主要是由于持續(xù)的干旱導(dǎo)致梭梭體內(nèi)水分不足，接種肉蓯蓉也會(huì)引起梭梭生長(zhǎng)衰退[18]。甘肅和內(nèi)蒙古不同區(qū)域和生境中梭梭退化主要是因?yàn)榱謪^(qū)土壤水分受造林時(shí)間和造林密度的影響而耗盡；土壤結(jié)皮和黏土層等因素影響梭梭對(duì)降水的利用效率，導(dǎo)致綠洲邊緣的梭梭固沙林退化[19]。古爾班通古特沙漠西部梭梭退化，主要是鹽分高限制了林分對(duì)降水的利用[20]。

1.2 半干旱區(qū)固沙林

油蒿(Artemisiaordosica):毛烏素沙地適宜植被覆蓋度為30%～40%；與流動(dòng)沙丘相比，覆蓋度為10%～15%、30%～40%、>60%的油蒿固沙林土壤水分虧缺的低含水期(1%～2%)分布深度分別為100 cm、120 cm、>180 cm[21]。固定、半固定沙地油蒿植株主要利用0～40 cm范圍內(nèi)的土壤水分，而流動(dòng)沙地油蒿能夠更多地利用40 cm以下土壤水分[22]。覆蓋度在26.57%的油蒿片狀固沙林，2 685株·hm-2，油蒿林生長(zhǎng)季水分消耗為120.15 mm，人工林是穩(wěn)定的[23]。毛烏素沙地固沙植被覆蓋度的增加，不但增加了土壤水分的消耗，而且還明顯降低了土壤深層水分的補(bǔ)給，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)將造成地下水位下降，嚴(yán)重影響固沙群落穩(wěn)定性[7]。

沙柳(Salixpsammophila):毛烏素沙地沙柳固沙林適宜覆蓋度為25%～45%[24]；根據(jù)生長(zhǎng)季土壤水分動(dòng)態(tài)和水分平衡特征，適宜密度為0.6株·m-2[25]。鹽池沙地覆蓋度70%和35%的沙柳林在2006、2007年土壤水分均呈不同程度的盈虧狀態(tài)；2006年降水稀少，70%覆蓋度的沙柳林虧缺為57 mm，35%的盈余45.64 mm[26]。庫(kù)布齊沙漠東北緣流動(dòng)沙地在40 cm土層以下有穩(wěn)定而較高的含水層，整體剖面的水分狀況明顯好于8年生沙柳人工林(造林密度1 m×2 m)[27]。內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗境內(nèi)密度為1 995株·hm-2沙柳人工林建植初期，其水分關(guān)系緊張系數(shù)均較大，整個(gè)生長(zhǎng)季沙柳人工林生長(zhǎng)正常[15]。

檸條(Caraganakorshinskii):檸條適宜的土壤水分范圍為10.3%～15.2%，土壤水合補(bǔ)償點(diǎn)(接近于凋萎系數(shù))為4.0%[28]；風(fēng)沙土上生長(zhǎng)的檸條土壤含水量“經(jīng)濟(jì)水閾”大約在4.5%，“生命水閾”大約在3.5%[15]。毛烏素沙地兩行一帶覆蓋度為38.9%(2 820株·hm-2)的檸條人工林生長(zhǎng)季水分損失總量大于生長(zhǎng)季降雨總量，降雨不能夠滿足檸條生長(zhǎng)季水分消耗[7]。寧夏河?xùn)|沙地檸條林0～100 cm土壤物理性質(zhì)、水分參數(shù)、土壤水分入滲特征都表現(xiàn)出低密度林分好于高密度；營(yíng)造2 490株或1 665株·hm-2密度的檸條林能充分利用天然降水，獲得較高的生物產(chǎn)量[29]。騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)正常降水年份，75株·100m-2的檸條人工林蒸散水量大于降水量，占同期降雨的131.1%，檸條蒸騰量占蒸散量的43.4%[4]。

1.3 亞濕潤(rùn)干旱區(qū)固沙林

小葉錦雞兒(Caraganamicrophylia):科爾沁沙地蓋度60%(17 a)、40%(9 a)、15%(5 a)的小葉錦雞兒土壤水分研究表明：小葉錦雞兒人工林灌叢土壤含水量明顯低于流動(dòng)沙丘，隨著小葉錦雞兒的生長(zhǎng)，土壤水分明顯下降，年齡較大覆蓋度較大的灌叢土壤含水量最低[30,31]；小葉錦雞兒人工林丘間地(3 800株·hm-2)土壤水分條件最好，丘中(3 000株·hm-2)次之，丘上(2 700株·hm-2)最低[32]。密度為1 m×1 m的11年生、22年生小葉錦雞兒土壤含水量較低，垂直分布上呈下降趨勢(shì)，絕大多數(shù)土層含水量低于1.5%，土壤水分狀況較差[33]。1 m×2 m密度群落、1 m×0.5 m密度群落土壤水分狀況較差，整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)土壤含水量低于小葉錦雞兒凋萎濕度，植物生長(zhǎng)處于缺水狀態(tài)，嚴(yán)重影響植被群落的穩(wěn)定性[30]。在半干旱地區(qū)的鹽池沙地，小葉錦雞兒維持葉片水分利用效率最高時(shí)的土壤含水量為11.0%，適宜生長(zhǎng)的土壤水分范圍是6.2%～11.0%[34]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica):章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工固沙林提早衰退，與營(yíng)林技術(shù)不合理有很大關(guān)系；不同林齡土壤含水量有明顯區(qū)別，0～20年生林分土壤含水量較高，至27年生林分土壤含水量為最低，27 a以后林分土壤含水量有所回升，600～800株·hm-2是章古臺(tái)樟子松固沙林適宜的林分密度[35]；在豐水年3種密度(400、600和800株·hm-2)樟子松固沙林土壤水分時(shí)空變化基本一致，0～200 cm土壤體積含水量大小為400株·hm-2>600株·hm-2>800株·hm-2，且差異顯著(P<0.05)，0～30 cm為水分劇烈變化層，60 cm以下受>40 mm降雨影響[36]?？茽柷呱车卣磷铀沙跏济芏葢?yīng)控制在2 800株·hm-2以下，并應(yīng)根據(jù)生長(zhǎng)情況在進(jìn)入生長(zhǎng)高峰期后對(duì)林木進(jìn)行適時(shí)間伐，20 a林分其密度應(yīng)保持在2 100株·hm-2為宜[37]；密度為1 m×1.5 m的13年生樟子松人工林300 cm深層的土壤水分已基本耗竭[38]。降雨、蒸散、地形及土壤質(zhì)地等因素對(duì)沙地土壤水分影響顯著，0～200 cm土壤貯水量以沙丘下部樟子松(35 a，密度2 100株·hm-2)林地最高，流動(dòng)沙地次之，丘頂(33 a，密度2 020株·hm-2)林地最低[39]。

2 固沙林的水文過(guò)程研究現(xiàn)狀

降水是沙區(qū)土壤水分的主要來(lái)源之一，對(duì)維持固沙植被穩(wěn)定性具有重要作用，調(diào)節(jié)著土壤-植被-大氣界面的傳輸過(guò)程[40，41]，同時(shí)生物土壤結(jié)皮改變了降水再分配過(guò)程，對(duì)沙區(qū)水循環(huán)及生態(tài)-水文過(guò)程也產(chǎn)生了顯著的影響，改變了原有的水量平衡關(guān)系，驅(qū)動(dòng)了水文過(guò)程[8,42]。冠層截留是植被與土壤水文過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，冠層截留量要受固沙植被冠層特征等多方面因素的影響，長(zhǎng)期研究得出固沙植被冠層截留能力在0.7～1.1 mm，累積截留量與降雨量(降雨強(qiáng)度)呈指數(shù)關(guān)系，且當(dāng)降雨量>40 mm·d-1時(shí)，截留量基本為常數(shù)[43，44]。另外，冠層截留的一部分可通過(guò)樹(shù)干徑流再次補(bǔ)充到土壤中，緩解根部水分，例如2.2 mm降雨就可使檸條灌叢產(chǎn)生樹(shù)干徑流[45]。固沙植被建立后改變了原有水量平衡，對(duì)于降水<200 mm的沙區(qū)，應(yīng)當(dāng)建立灌木(蓋度10%)-草本(蓋度35%)-隱花植物(生物結(jié)皮<60%)為主的固沙植被群落[46]。固沙林水量平衡研究為確定固沙林適宜密度提供依據(jù)，固沙植被水量平衡包括植被蒸騰、土壤蒸發(fā)、冠層截留、地表徑流、樹(shù)干徑流、土壤蓄存、土壤滲漏等主要要素。同時(shí)，也要考慮到土壤水植被承載能力及凝結(jié)水在干旱沙區(qū)涵養(yǎng)水源方面重要的生態(tài)-水文作用，以適宜的密度營(yíng)建固沙林，維持水量平衡。

3 新型低覆蓋度固沙林

3.1 近自然植被覆蓋度

沙區(qū)固沙林建設(shè)，應(yīng)降低固沙林密度，以維護(hù)其持續(xù)穩(wěn)定性。適宜密度的林分即可充分利用水分資源，又不會(huì)造成土壤干旱脅迫現(xiàn)象。近些年，按照近自然林業(yè)的思路，提出了低覆蓋度治沙理論，即按照自然植被的覆蓋度，通過(guò)改變植被的分布格局達(dá)到固定流沙的目的，最為典型的代表即是低覆蓋度行帶式固沙林，寬的自然植被恢復(fù)帶保證了帶間植被的恢復(fù)。同時(shí)，低覆蓋度固沙林的覆蓋度是與當(dāng)?shù)刈匀恢脖桓采w度相同，保證了在雨養(yǎng)條件下植被的穩(wěn)定性，達(dá)到了即能夠固定流沙又能夠維持水量平衡的目的。低覆蓋度固沙打破了固有思維，開(kāi)拓了低覆蓋度下完全固定流沙的新領(lǐng)域[13]。

3.2 生態(tài)用水優(yōu)勢(shì)

低覆蓋度固沙林具有生態(tài)用水優(yōu)勢(shì)，有深層滲漏水補(bǔ)給地下水，能夠有效利用有限的水資源。其中，低覆蓋度行帶式固沙林的水分利用機(jī)制是：從邊行向外側(cè)形成一個(gè)由低向高的含水量梯度，能夠形成一個(gè)土壤水分主要利用帶及其外側(cè)的高含水率土壤水分滲漏補(bǔ)給帶；其中土壤水分主要利用帶是林分形成邊行優(yōu)勢(shì)的重要水分條件，土壤水分滲漏補(bǔ)給帶有降水滲漏補(bǔ)給深層或者地下水，在極端干旱年份，水分滲漏補(bǔ)給帶通過(guò)側(cè)向補(bǔ)給水分主要利用帶，確保固沙林渡過(guò)極端干旱年份，這也是低覆蓋度治沙的水文學(xué)理論[7,12,13]。例如，低覆蓋度行帶式赤峰楊固沙林，存在著距林帶0～8 m、16～25 m的兩個(gè)土壤水分主要利用帶及帶間8～16 m的滲漏補(bǔ)給帶，且滲漏補(bǔ)給帶對(duì)降雨的敏感程度高、水分損失量小，補(bǔ)給帶與滲漏帶之間存在水量交換過(guò)程，這也是行帶式格局對(duì)水分調(diào)控的具體表現(xiàn)[47]。

3.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

低覆蓋度治沙理論提出的密度控制原則，成為2015年國(guó)家造林技術(shù)規(guī)程(旱區(qū)部分)重要的修訂內(nèi)容。低覆蓋度固沙林在“三北”防護(hù)林、京津風(fēng)沙源治理工程中推廣營(yíng)建上百萬(wàn)公頃，在內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、遼寧等地建立示范區(qū)8處，取得了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益，在防沙治沙方面取得了巨大突破[12]。

4 展望

固沙林密度與水分的關(guān)系一直是沙區(qū)植被建設(shè)研究的熱點(diǎn)，是沙區(qū)植被生態(tài)水文過(guò)程研究的基礎(chǔ)及沙區(qū)植被建設(shè)的重要理論依據(jù)，對(duì)維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全意義重大。目前，關(guān)于固沙林密度與水分的研究取得的大量研究成果，支撐了我國(guó)沙區(qū)生態(tài)建設(shè)，取得了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但近些年，出現(xiàn)了大面積衰退死亡的林分，低覆蓋度治沙的提出打破了固有思維，開(kāi)創(chuàng)了防沙治沙研究的新領(lǐng)域，將成為衰敗林分更新、低效林改造的重要技術(shù)。按照“尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然”的理念，低覆蓋度固沙必將引領(lǐng)我國(guó)固沙林建設(shè)進(jìn)入低覆蓋度時(shí)代，成為指導(dǎo)荒漠化治理的新理念、新技術(shù)。

低覆蓋度固沙是重大的理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，將是指導(dǎo)我國(guó)固沙林建設(shè)的重要理論，也將成為京津風(fēng)沙源等重大林業(yè)工程廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。2015年11月27日，中國(guó)綠色時(shí)報(bào)“低覆蓋度治沙-重新認(rèn)識(shí)沙區(qū)植被與水分”一文中尹偉倫院士、國(guó)家林業(yè)局張建龍局長(zhǎng)及眾多荒漠化治理研究的專家給出了高度的評(píng)價(jià)[48]，同時(shí)，該技術(shù)得到地方林業(yè)部門(mén)、當(dāng)?shù)乩习傩盏臍g迎，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。2018年8月14日科技日?qǐng)?bào)“低覆蓋度治沙理論-一種被委以重任的新時(shí)代治沙理念創(chuàng)新”一文中指出，低覆蓋度造林是向大自然學(xué)習(xí)植被修復(fù)，是尊重自然、順應(yīng)自然、敬畏自然的[49]。低覆蓋度治沙理論實(shí)現(xiàn)了林分密度與自然植被的相統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了林分可持續(xù)發(fā)展與水分利用的相統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了低覆蓋度固定流沙與自然植被恢復(fù)的相統(tǒng)一。