沙漠化土地及其治理研究推動北方農(nóng)牧交錯區(qū)生態(tài)恢復和農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展

李玉霖 趙學勇 劉新平 李玉強 羅永清 連 杰 段育龍

中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 奈曼沙漠化研究站 蘭州 730000

沙漠化是在干旱、半干旱（包括部分半濕潤）地區(qū)，由于人類過度且不可持續(xù)的經(jīng)濟和發(fā)展活動，導致原本脆弱的生態(tài)平衡被破壞，使原有的非沙漠地區(qū)出現(xiàn)了以風沙活動為主要特征的土地退化過程。沙漠化是當今人類面臨的最大環(huán)境退化和資源過度利用問題之一。1977 年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）在肯尼亞召開了聯(lián)合國沙漠化會議，制定了《向沙漠化進行戰(zhàn)斗的行動綱領(lǐng)》，首次提出了土地沙漠化問題，并引起了中國相關(guān)學科和領(lǐng)域科技工作者的重視[1]。第五次中國荒漠化和沙化狀況公報顯示，盡管我國沙漠化土地面積呈逐年減少的趨勢，截至 2014 年，全國沙化土地總面積 172.12 萬平方公里，占國土總面積的17.93%。特別是我國北方農(nóng)牧交錯區(qū)，沙漠化問題涉及 1 175 萬人口和 447 萬公頃耕地，沙漠化面積以每年 1 560 平方公里的速度擴大[2]。沙漠化的急劇發(fā)展導致土地資源大面積喪失，草場承載力大幅度下降，自然災害頻繁發(fā)生。例如，在科爾沁沙地，遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，從 1959 年到 1987 年，沙化土地面積增加了 44.2%，可利用土地資源的年平均喪失面積超過 2 萬余公頃，天然草場承載力較 20 世紀 50 年代下降了 25% 以上[3]。鑒于當時全國土地沙漠化的嚴峻態(tài)勢，國家在“七五”計劃中明確提出“控制某些地區(qū)的沙漠化傾向”，并于 1979 年啟動了“三北”防護林體系工程，以減輕風沙危害，防止土地沙漠化。在上述背景下，為支撐國家生態(tài)治理的需求，20 世紀 80 年代一些長期從事沙漠學研究的科學家建議并經(jīng)國家主管部門決定，在我國沙漠化問題較為嚴重的科爾沁沙地建立中國科學院蘭州沙漠研究所奈曼沙漠化研究站（現(xiàn)“中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站”，以下簡稱“奈曼站”），專門開展北方農(nóng)牧交錯區(qū)土地沙漠化及其治理的定位研究。

北方農(nóng)牧交錯區(qū)是我國畜牧業(yè)和種植業(yè)的契合發(fā)展帶，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，可持續(xù)發(fā)展水平低下。長期以來，由于人類不合理的經(jīng)濟活動，造成該區(qū)域農(nóng)牧結(jié)構(gòu)失衡，水資源制約性增大，土地荒漠化問題十分突出。同時，區(qū)域內(nèi)山地、農(nóng)田、草地、林地和濕地等景觀鑲嵌分布，不同生態(tài)系統(tǒng)在氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、防風固沙、水土保持、生物多樣性保護等方面發(fā)揮著極其重要的生態(tài)服務功能，是我國北方農(nóng)牧交錯帶重要的生態(tài)安全屏障。而沙漠化是該區(qū)域土地荒漠化的重要形式。因此，自建站以來，奈曼站圍繞土地沙漠化發(fā)生機制、治理技術(shù)和科技示范的重大問題，緊密結(jié)合北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)文明建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，致力于脆弱生態(tài)系統(tǒng)退化、恢復重建和持續(xù)利用理論研究，研發(fā)沙漠化土地防治與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化模式。30多年來，在科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院以及內(nèi)蒙古自治區(qū)政府各級各部門的大力支持下，已在土地沙漠化發(fā)生機制、生態(tài)恢復原理、治理技術(shù)研發(fā)、可持續(xù)發(fā)展模式示范等方面取得了一系列成果，為“三北”防護林建設(shè)等國家重大生態(tài)工程、區(qū)域農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展、北方防沙帶生態(tài)屏障建設(shè)等提供了理論指導和技術(shù)支撐。

1 研發(fā)沙丘移動和風沙危害防控生物技術(shù)，服務北方防沙生態(tài)屏障建設(shè)

北方農(nóng)牧交錯區(qū)是繼牧區(qū)天然草原之后我國中東部地區(qū)的第二道生態(tài)安全屏障，對維護國家生態(tài)安全發(fā)揮著重要作用，也是“三北”防護林體系、退耕還林、退牧還草等國家重大生態(tài)建設(shè)工程的重點實施區(qū)域。奈曼站團隊通過分析半干旱沙區(qū)的自然環(huán)境特點，發(fā)現(xiàn)春季風沙流危害和沙地土壤保水性差是制約造林成活率低的主要原因，針對性地研發(fā)了差不嘎蒿（Artemisia halodendron）活沙障固沙法和樟子松（Pinussylvestris var. mongolica）容器造林技術(shù)，使造林成活率提高到 90% 以上[4]。在此基礎(chǔ)上，通過半干旱地帶沙丘不同部位水分狀況的深入研究，結(jié)合不同固沙植物的生物特性，提出“喬灌結(jié)合、固阻造封結(jié)合”的生物固沙體系建設(shè)思路，選擇高幾十米的沙丘進行試驗并取得巨大成功，有效地控制了沙丘移動和風沙流危害[5]。這些技術(shù)在“三北”防護林體系等重大生態(tài)建設(shè)工程和北方農(nóng)牧交錯區(qū)生態(tài)恢復中得到廣泛應用，推動了防沙治沙和植被恢復重建工程的實施（圖1）。根據(jù)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2000 年科爾沁沙地土地沙漠化發(fā)生根本性逆轉(zhuǎn)，沙漠化治理取得顯著成效[6]。

圖1 半干旱區(qū)退化土地主要生態(tài)恢復措施

近幾十年來，由于氣候變化和農(nóng)業(yè)開發(fā)的影響逐漸增大，半干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯區(qū)水資源制約性逐漸凸顯，干旱頻發(fā)、地下水位下降以及河流（湖泊）斷流干涸等成為威脅固沙植被穩(wěn)定維持的新問題[7]。針對這些問題，奈曼站團隊研發(fā)了喬木樹種深注水造林技術(shù)和膨潤土改良劑保水灌木造林技術(shù)，解決了人工造林過程中的土壤水分損失及虧缺問題，有效地提高了該地區(qū)造林的苗木成活率，實現(xiàn)了半干旱地區(qū)沙區(qū)有限水資源的高效利用。同時，確定了沙地楊樹（Popolus simonii）、樟子松的合理造林密度為 225—375 株/公頃，構(gòu)建了年降水量 250—300 mm 雨養(yǎng)植被持續(xù)穩(wěn)定恢復技術(shù)體系，突破了人工林“空中造林”和退化天然疏林林下植被難以恢復的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為半干旱風沙區(qū)植被穩(wěn)定恢復提供了堅實的技術(shù)支持，有效支撐了國家重大生態(tài)恢復工程實施和半干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯區(qū)生態(tài)環(huán)境治理。2016 年，該項工作（半干旱典型黃土區(qū)和沙地退化土地恢復技術(shù)）獲得甘肅省科技進步獎一等獎；2018 年，作為“風沙災害防治理論和關(guān)鍵技術(shù)應用”的主要內(nèi)容之一，獲得國家科技進步獎二等獎。

2 明確了土地沙漠化驅(qū)動機制及其生物學過程特征，為沙漠化土地綜合整治提供理論依據(jù)

在半干旱地帶沙區(qū)，不合理的人類活動是誘發(fā)土地沙漠化的重要因素。通過長期定位控制試驗，發(fā)現(xiàn)半干旱沙區(qū) 50.5% 的沙漠化土地是由草地過度放牧引起的。對于沙質(zhì)草地，當牧草采食率持續(xù)高于 55% 以上時，草地開始出現(xiàn)退化，當牧草采食率持續(xù)高于 70% 時，草地迅速退化和沙化（圖 2）。在此基礎(chǔ)上，確定了半干旱地區(qū)沙質(zhì)草地合理牧壓閾值范圍為 0.8—1.2 標準羊單位/公頃，為該區(qū)域天然草地放牧管理和決策提供了理論支持[8,9]。同時，研究表明沙質(zhì)草地的開墾對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的負面效應，導致土壤物理、化學環(huán)境的明顯惡化，而開墾造成表層土壤粗?；菍е掳敫珊瞪硡^(qū)土地荒漠化的關(guān)鍵過程[9-11]。

土壤風蝕是干旱、半干旱地區(qū)土壤退化的主要驅(qū)動因素?；陂L期的定位觀測，發(fā)現(xiàn)半干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯區(qū)大部分土壤中的易風蝕顆粒（0.05—0.5 mm）比例含量很高（50%—80%），土壤的物理穩(wěn)定性指數(shù)低于 5%，極易發(fā)生風蝕，這從理論上闡明了不合理利用下該區(qū)域土地沙漠化迅速發(fā)生的內(nèi)因[12,13]。而沙漠化過程中，土壤黏粉粒和極細沙等細顆粒組分被選擇性地移出系統(tǒng)，導致粗?；痆13,14]。同時，細粒物質(zhì)的損失直接導致了土壤碳和養(yǎng)分的衰減，奈曼站據(jù)此建立了半干旱地區(qū)沙區(qū)土壤有機碳和全氮因土壤黏粉粒吹蝕而衰減的定量模型，為預測沙漠化過程中沙區(qū)土壤肥力變化提供理論依據(jù)[14,15]。

沙漠化不僅造成嚴重的土壤退化，而且直接導致植被結(jié)構(gòu)和功能破壞。通過研究沙漠化過程中沙區(qū)植被在群落、種群、個體、生理等各個層面的響應，發(fā)現(xiàn)沙漠化在群落層面上主要表現(xiàn)為物種豐富度、多度以及生產(chǎn)力的下降[16]，在種群層面表現(xiàn)為群落優(yōu)勢種群的更替[17,18]，在個體層面上表現(xiàn)為植物體內(nèi)物質(zhì)和能量分配格局的改變[19-21]，在生理層面上表現(xiàn)為細胞內(nèi)物質(zhì)含量和生理代謝過程的變化[22,23]。相關(guān)研究為科學認知固沙喬灌木維持固沙植被群落穩(wěn)定的重要功能提供理論支持。沙漠化對植物最直接的影響方式是沙埋和風沙流[24,25]。沙埋程度和風沙流強度對植物的存活和生長影響較大，但是沙區(qū)鄉(xiāng)土植物可以通過提高體內(nèi)抗氧化酶活力、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及凈光合速率等來適應沙埋和風沙流[24-27]。綜合沙漠化過程中植物種群、個體、生理特征的表現(xiàn)，將植物對沙漠化的響應分為敏感型、積極忍耐型、遲鈍型 3 種類型，為風沙區(qū)重大生態(tài)工程建設(shè)的植物種類選擇提供理論依據(jù)。

圖2 牧壓梯度實驗（研究放牧壓力對半干旱草地的影響，確定合理牧壓梯度）

3 闡明了半干旱沙區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復的關(guān)鍵機理

通過長期定位研究和監(jiān)測，闡明了土壤種子庫、殘存的斑塊狀植被和灌叢在植被恢復過程中的種源作用[28-32]；半干旱沙區(qū)灌叢不僅可有效防止土壤表層的侵蝕，而且隨著土壤有機物質(zhì)在灌叢下的逐漸積累，有利于土壤持水性能等特性進一步得到改善及一年生和多年生草本植物的定居與發(fā)育，促進沙地植被的恢復與重建[13,33-36]。在此基礎(chǔ)上，通過對沙區(qū)優(yōu)勢植物功能性狀分異特征的研究，揭示了植物功能多樣性調(diào)節(jié)群落生產(chǎn)力形成的重要機制[37,38]。發(fā)現(xiàn)固沙植被恢復過程中植物功能性狀對環(huán)境變化表現(xiàn)協(xié)同響應，土壤養(yǎng)分是功能性狀趨同的主要驅(qū)動因素，群落內(nèi)部植物功能多樣性顯著調(diào)節(jié)土壤變化對群落生產(chǎn)力的作用[39]。同時，確定了沙化土地恢復過程中土壤生物群落組成和多樣性的演變規(guī)律，揭示了植被特征和土壤理化性質(zhì)調(diào)控土壤生物群落的關(guān)鍵機制[39-43]。發(fā)現(xiàn)沙化土地恢復過程中土壤微生物數(shù)量和多樣性顯著增加，嚴重沙漠化階段土壤真菌群落組成與其他生境分異明顯[44]；固沙灌叢會對土壤中大型節(jié)肢動物群落分布產(chǎn)生明顯聚集效應，即“蟲島”[41,42]。該研究為深入認識沙化土地土壤功能的恢復過程和驅(qū)動機理提供了生物學理論依據(jù)，完善了防沙治沙恢復生態(tài)學的理論體系。

土壤有機碳積累和固定是土壤功能及生態(tài)系統(tǒng)服務的重要基礎(chǔ)?；哪恋鼗謴瓦^程中土壤碳截獲能力是評價土壤恢復的重要指標。通過大范圍（12.04×104km2）的野外調(diào)查，明確了科爾沁沙地區(qū)域碳密度空間分布特征，核算了 0—100 cm 深土壤有機碳儲量[44]（圖 3）。在此基礎(chǔ)上，以保護良好的疏林草地為參比，評價了北方農(nóng)牧交錯區(qū)主要生態(tài)治理措施的土壤有機碳截存能力和機制。發(fā)現(xiàn)嚴重沙化土地經(jīng)過禁牧圍封、營造喬灌木林均能顯著固定大氣中的 CO2；其中，禁牧圍封措施的土壤固碳功能最強[34,45]，而土壤輕組有機碳和細顆粒有機碳的增加是土壤有機碳固存的主要途徑[46]。該項研究為評價區(qū)域土壤有機碳動態(tài)對未來氣候變化和人類活動的響應提供了新的參比基準，為準確評價半干旱區(qū)植被重建措施的生態(tài)效應提供了參考依據(jù)。

圖3 科爾沁沙地 0—100 cm 土壤有機碳密度的空間分布圖

4 開展治沙與治貧相結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)模式的試驗與示范

由于生態(tài)環(huán)境脆弱和工業(yè)基礎(chǔ)薄弱等原因，北方農(nóng)牧交錯區(qū)一直是貧困人口比較集中的地區(qū)之一。建站之初，奈曼站研究團隊深刻體會到治沙先治貧的必要性，選擇了研究區(qū)內(nèi)沙漠化問題最嚴重、經(jīng)濟最落后的村落——堯勒甸子建立示范村。通過植樹造林，封沙育草，興建基本農(nóng)田，引進良種，以及輸入先進生產(chǎn)技術(shù)等措施，使該村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)牧民生活都得到了極大的改善。1985—2000 年 15 年間，該村流沙面積從 1 000 公頃減少到 150 公頃以下，治理區(qū)的植被覆蓋率由 5% 以下增加到 36%。糧食年總產(chǎn)量由 30 萬斤增加到 180 萬斤，年人均收入由 174 元提高到 2 100 元。依托示范村試種成功的沙地西瓜已經(jīng)成為當?shù)刂匾闹еa(chǎn)業(yè)之一，發(fā)明的“沙地襯膜水稻種植技術(shù)”為沙漠地區(qū)治沙用沙開了先河，從而有力地推動了地方經(jīng)濟發(fā)展，得到地方政府和廣大農(nóng)牧民的高度認可。研究團隊提出的鄉(xiāng)、村、戶三級沙漠化土地綜合治理模式，通過地方有關(guān)部門的積極推廣，極大促進了區(qū)域生態(tài)恢復和社會經(jīng)濟融合發(fā)展。鑒于奈曼站團隊對地方沙化土地治理和社會經(jīng)濟發(fā)展的突出貢獻，1998年其被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和糧農(nóng)組織聯(lián)合授予“拯救干旱土地成功業(yè)績獎”。

進入新時期，奈曼站團隊繼續(xù)秉承老一輩科學家沙地治理與經(jīng)濟發(fā)展并舉的理念，積極發(fā)揮野外站的平臺服務功能。瞄準脫貧攻堅重大任務和農(nóng)牧交錯區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的科技需求，結(jié)合當?shù)乜萍夹枨蠛彤a(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，從種養(yǎng)一體化入手，開展了以飼用作物新品種引種和選育、青貯飼料加工等為主的科技示范扶貧工作，構(gòu)建了企業(yè)和農(nóng)牧戶之間托管式養(yǎng)殖和訂單式飼草種植相結(jié)合的農(nóng)-草-畜復合生態(tài)工程發(fā)展模式，解決農(nóng)牧戶分散養(yǎng)殖效益低下和養(yǎng)殖企業(yè)飼草料不足等問題，有效提升了區(qū)域種養(yǎng)結(jié)合水平，增加農(nóng)牧民經(jīng)濟收入。同時，大幅減輕了傳統(tǒng)畜牧業(yè)對自然植被的利用壓力，明顯提升了退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復速度，為農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)的精準扶貧提供了技術(shù)支撐和模式樣板。

5 結(jié)語

30 多年來，奈曼站一直致力于開展北方農(nóng)牧交錯帶典型區(qū)科爾沁沙地的土地沙漠化及其治理研究，已經(jīng)明確了研究區(qū)土地沙漠化類型、程度與成因，闡明了固沙植被恢復演替規(guī)律和時空格局特征，研發(fā)示范了一系列沙漠化土地治理技術(shù)和模式，實現(xiàn)了科爾沁沙地土地沙漠化的整體逆轉(zhuǎn)?！澳温衬恋鼐C合整治模式”及其相關(guān)理論和技術(shù)也被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）以及聯(lián)合國其他相關(guān)機構(gòu)作為其長期的基本培訓教材和科普宣傳內(nèi)容，在世界類似地區(qū)推廣應用。目前，奈曼站正在進一步加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)條件改善，大力引進和培養(yǎng)創(chuàng)新人才，加強團隊建設(shè)，積極爭取國家和地方科研項目，廣泛開展國內(nèi)外合作與交流，力爭使奈曼站的科學研究、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、試驗示范和科學普及整體水平有較大的提高。在進行基礎(chǔ)研究的同時，奈曼站緊密結(jié)合北方農(nóng)牧交錯帶綠色發(fā)展的迫切需求，研發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化模式，為北方農(nóng)牧交錯帶綠色發(fā)展提供關(guān)鍵理論、技術(shù)和模式支持。