楊文斌，馮偉，李衛(wèi)

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

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低覆蓋度治沙的原理與模式

楊文斌1，馮偉2，李衛(wèi)1

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

摘要低覆蓋度治沙是一項荒漠化治理新理念、新技術(shù)，是從近自然林業(yè)思路出發(fā)，探索的能夠完全固定流沙、加快土壤植被修復(fù)、提高生物生產(chǎn)力、節(jié)約生態(tài)用水、實現(xiàn)固沙林可持續(xù)發(fā)展的覆蓋度在15%～25%的新型治沙模式。該模式獲多項國家專利及科技成果，開創(chuàng)了植被在低覆蓋度下實現(xiàn)防沙治沙目標(biāo)的新領(lǐng)域，在內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅等地推廣面積約200萬hm2，且在京津沙源工程中得到廣泛應(yīng)用。該模式對推動我國防沙治沙工作進(jìn)入更加科學(xué)、高效、經(jīng)濟(jì)的時代具有重要價值，必將引領(lǐng)我國防沙治沙研究向著一個嶄新的方向發(fā)展，為我國防沙治沙工程及生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞低覆蓋度；防沙治沙；原理與模式；生態(tài)優(yōu)勢；效果評價

土地荒漠化、沙化導(dǎo)致水土流失，吞噬人類生存空間，制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重威脅生態(tài)安全。我國荒漠化土地面積大、危害嚴(yán)重，20世紀(jì)60年代始，遵循“密度大，治沙效果好”的原則[1,2]，開展了大規(guī)模防沙治沙工程，但固沙林出現(xiàn)了中幼齡林成片衰敗死亡現(xiàn)象，損失巨大。為此，開始嘗試“兩行一帶”造林模式，按照覆蓋度>40%的原則，確認(rèn)只有喬木帶間距≤10 m、灌木帶間距≤8 m可以在沙源等工程中應(yīng)用，但在嚴(yán)重干旱的2010年，“兩行一帶”也出現(xiàn)了嚴(yán)重衰亡現(xiàn)象，且植被生物量和水分利用效率也并非最優(yōu)。

為了實現(xiàn)有效治沙及固沙林可持續(xù)發(fā)展，從近自然林業(yè)思路(接近當(dāng)?shù)刈匀恢脖桓采w度)出發(fā)，系統(tǒng)研究了喬木、灌木和半灌木固沙林不同分布格局的防風(fēng)固沙、水分利用、促進(jìn)土壤發(fā)育和自然植被修復(fù)的機理，進(jìn)而建立了一套低覆蓋度(15%～25%)防沙治沙體系模式，在內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅等地開展試驗示范約200萬hm2，并廣泛應(yīng)用在京津沙源工程中。實踐證明，該模式能夠完全固定流沙、加快土壤植被修復(fù)、提高生物生產(chǎn)力、節(jié)約生態(tài)用水、實現(xiàn)固沙林可持續(xù)發(fā)展[3-12]，是一項荒漠化治理新理念、新模式。

低覆蓋度治沙在防沙治沙方面取得了巨大突破，打破了固有思維，獲得多項國家專利及科技成果，并獲2013年度內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎；同時，成為《國家造林技術(shù)規(guī)程》旱區(qū)部分修訂(2015修訂版)的重要內(nèi)容[13-16]。該模式開創(chuàng)了植被在低覆蓋度下實現(xiàn)防沙治沙目標(biāo)的新領(lǐng)域，對推動我國防沙治沙工作進(jìn)入更加科學(xué)、高效、經(jīng)濟(jì)的時代具有重要價值；同時，為我國干旱、半干旱區(qū)防沙治沙工程、植被恢復(fù)等生態(tài)文明建設(shè)開拓了一條新的、行之有效的途徑，其必將引領(lǐng)我國防沙治沙研究向著一個嶄新的方向發(fā)展[17-19]，為我國防沙治沙工程及生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。

1低覆蓋度治沙體系

低覆蓋度治沙體系——以防風(fēng)固沙、修復(fù)退化土地為目標(biāo)，從提高水分利用率、植被穩(wěn)定性和加快修復(fù)速度為出發(fā)點，在控制成林覆蓋度在15%～25%的前提下，營造人工造林占地15%～25%、空留75%～85%土地為植被自然修復(fù)帶的固沙林，在確保完全固定流沙和林木健康生長的條件下，形成能夠促進(jìn)土壤與植被快速修復(fù)的喬、灌、草復(fù)層植被，構(gòu)成低覆蓋度防沙治沙體系。

低覆蓋度行帶式固沙林：行是指人工營造一行或者多行喬灌木，帶是指多行喬灌木之間的空留土地或叫植被修復(fù)帶。行帶式是由窄林帶(占地面積15%～25%)與寬自然植被修復(fù)帶(占地面積75%～85%)相間分布的一種復(fù)合固沙植被模式。

2防風(fēng)固沙效果與機理

對于覆蓋度小于40%的固沙林，分布格局成為防沙效果的重要影響因素，而低覆蓋度行帶式就是一種接近自然植被覆蓋度且防風(fēng)阻沙效果非常顯著的分布格局[3-6]。

2.1野外調(diào)查結(jié)果

半灌木：以沙蒿為例，覆蓋度20%～25%。隨機分布，沙地處于半流動狀態(tài)。基本相同覆蓋度(20%)，人工配置成行帶式(0.5～5 m)，栽植沙蒿2～3 a后，形成穩(wěn)定的凹月形沙面，5～6 a后，發(fā)育成良好的結(jié)皮，流沙被完全固定(圖1)。

隨機分布(半流動沙地)

行帶式(固定沙地)

圖1不同分布格局(覆蓋度20%～25%)油蒿固沙林

2.2野外測定結(jié)果

一個重要的發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)覆蓋度在25%左右時，無論是喬木，還是灌木、半灌木，配置成行帶式格局的固沙林后，林內(nèi)風(fēng)速均顯著低于曠野風(fēng)速；形成隨機分布格局后，觀察到了林內(nèi)風(fēng)速大于曠野風(fēng)速的現(xiàn)象，如：隨機格局的檸條固沙林內(nèi)，平均有41.3%的觀測值超過曠野風(fēng)速；隨機格局的沙蒿固沙灌叢內(nèi)，平均有38.3%的觀測值超過曠野風(fēng)速；隨機格局的榆樹固沙林內(nèi)，平均有30.0%的觀測值超過曠野風(fēng)速。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明：低覆蓋度固沙林內(nèi)有局部抬升風(fēng)速的現(xiàn)象，進(jìn)一步測試和對水平和垂直風(fēng)速流場的研究后發(fā)現(xiàn)，在隨機分布模式內(nèi)，灌叢(冠幅)與灌叢(冠幅或地面)之間形成的類似“狹管”的格局，有局部抬升風(fēng)速的作用，導(dǎo)致其低覆蓋度隨機疏林內(nèi)局部風(fēng)速大于對照風(fēng)速，也是造成低覆蓋度時出現(xiàn)局部風(fēng)蝕，形成半流動沙地的重要原因。

2.3風(fēng)洞試驗結(jié)果

以灌木為例，設(shè)計了行帶式、等株行距和隨機配置3種低覆蓋度格局，在7、10和15 ms-13種風(fēng)速條件下測試，結(jié)果表明：整個平面平均風(fēng)速均是行帶式格局最低，等株行距次之，比行帶式平均風(fēng)速高22.2%～24.7%，隨機格局最高，比行帶式平均風(fēng)速高25.2%～28.7%，而且隨著測定風(fēng)速的提高均有一定提高，說明行帶式格局防風(fēng)效果最好，而且隨著風(fēng)速的增大，行帶式格局防風(fēng)效果增強，風(fēng)速的流場結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

3水分利用機制與生態(tài)水文效應(yīng)

通過對行帶式楊樹土壤水分的研究表明，在干旱、半干旱區(qū)形成邊行優(yōu)勢的沙土水分利用特征主要為：從邊行向外側(cè)形成一個由低到高的含水量梯度，這個梯度一直延伸到土壤含水量穩(wěn)定不變的地段，明顯地出現(xiàn)了一個土壤水分主要利用帶及其外側(cè)的高含水量帶，我們稱后者為土壤水分滲漏補給帶，這個補給帶因無樹冠截留，有利于降水在土壤中的滲透，故含水率高，成為林分形成邊行優(yōu)勢重要的水分條件[7,12]。

行帶式這種水分空間格局也保證了固沙林能夠抵御20年一遇的干旱，在極端干旱年份，水分滲漏補給帶作用減弱，但是水分調(diào)節(jié)層中的水分將供給固沙林的根系吸收層，通過根系吸收作用將水分調(diào)節(jié)層的水分補給給水分主要利用層，保證固沙林正常生長對水分的需求，這也就是低覆蓋度固沙林水分利用格局和機制的核心，在常規(guī)降雨年份，水分滲漏補給帶通過對水分調(diào)節(jié)層和水分主要利用層的補給和調(diào)節(jié)，保證固沙林的水分利用和補給深層土壤水分，一旦遇到極端降雨年份，水分調(diào)節(jié)層將發(fā)揮重要的作用，這樣就保證了固沙林的長期穩(wěn)定性和可持續(xù)性(圖3)。

4土壤植被修復(fù)與優(yōu)化帶間距

研究表明[8-11]，行帶式固沙林能夠顯著增強土壤粉粒、黏粒的形成，降低土壤容重，增加土壤含水量及土壤養(yǎng)分含量。帶間距的寬窄度是影響系統(tǒng)快速逆轉(zhuǎn)的重要因素，行帶式格局是一個充分發(fā)揮界面效應(yīng)的格局，使每一株林木都處于界面生態(tài)環(huán)境中；按照生物生產(chǎn)量、帶間土壤及植被修復(fù)的速度和土壤滲透與對降水減少導(dǎo)致土壤干旱脅迫的調(diào)節(jié)能力，結(jié)合造林樹種抗旱的生理生態(tài)水分關(guān)系，過寬或過窄都不利于帶間植被恢復(fù)效果。多年的研究表明[12]，低覆蓋度行帶式固沙林優(yōu)化后的帶間距為：灌木12～28 m；闊葉喬木15～36 m；針葉喬木15～40 m；半灌木5～12 m。優(yōu)化帶間距后，避免了固沙林中幼齡林衰敗死亡現(xiàn)象，林分能夠充分發(fā)揮界面生態(tài)效益，明顯提高固沙林生產(chǎn)力和促進(jìn)帶間植被、微生物和土壤修復(fù)的作用，固沙林的生物生產(chǎn)力提高8%～30%，帶間植被和土壤的修復(fù)速度加快2～5倍。帶間植被的覆蓋度、植物種類及數(shù)量、生物量和土壤中的有機質(zhì)含量、微生物種類和數(shù)量均逐年增加，逐年接近地帶性原生植被(圖4)。

造林2～3 a

造林6～8 a

造林15～18 a(接近地帶性)

圖4低覆蓋度行帶式檸條造林后植被恢復(fù)狀況

5生態(tài)優(yōu)勢與創(chuàng)新

低覆蓋度治沙體系具有多項生態(tài)優(yōu)勢與創(chuàng)新[12,17,18]：15%～25%的低覆蓋度行帶式固沙林消除了類似“狹管”抬升風(fēng)速的現(xiàn)象，能夠完全固定流沙，實現(xiàn)行帶阻風(fēng)低覆蓋治沙；確保了固沙林水量平衡，降低了截留消耗、地表蒸發(fā)，提高水分利用效率10%～20%，在多雨年份，確保有降雨滲漏補給土壤深層或地下水；具有良好的界面生態(tài)過程與生態(tài)效益，同比生物生產(chǎn)力提高8%～20%。植被和土壤恢復(fù)速度提高3～5倍，形成的林(喬、灌)與草結(jié)合的沙漠(地)植被更加穩(wěn)定；能夠調(diào)節(jié)濕潤年與干旱年水量補給不均衡，緩解“卡脖子”干旱導(dǎo)致的衰敗死亡現(xiàn)象，可以抵御20年一遇的干旱年份導(dǎo)致的干旱脅迫衰敗死亡現(xiàn)象；可降低造林成本40%～60%及林分生態(tài)用水量20%～30%。

6典型模式

在不同生物氣候區(qū)，主要根據(jù)區(qū)域水分條件及環(huán)境立地特點，選擇不同喬灌木固沙樹種，通過調(diào)節(jié)行帶式固沙林的帶間距及設(shè)置不同的喬灌木組合，以形成適合區(qū)域環(huán)境特點的低覆蓋度防風(fēng)固沙體系，從而達(dá)到防風(fēng)固沙體系的長期、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。總體來說[12]，低覆蓋度固沙典型模式包括“單行一帶”“兩行一帶”“多行一帶”“網(wǎng)格模式”“生態(tài)林業(yè)模式”(圖5)。闊葉喬木“兩行一帶”配置是理想模式；針葉喬木更加喜歡群居，“三行一帶”更加理想，“兩行一帶”或者“四行一帶”均可以；灌木或半灌木都是根系比較發(fā)達(dá)的植物，其理想配置是“單行一帶”或“兩行一帶”。對于單風(fēng)向地區(qū)采取低覆蓋度行帶式分布格局，對于多風(fēng)向或變風(fēng)向地區(qū)采用低覆蓋度網(wǎng)格布局或環(huán)形布局等，其類似生物沙障，其中行帶式格局能夠形成良好的喬灌混交結(jié)構(gòu)和林草垂直層片結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性顯著增加，所以，低覆蓋度固沙林又是一種長壽命的生物沙障，能夠長久固碳、提高生物生產(chǎn)力，當(dāng)人工固沙林“壽終正寢”后，人工植被已向自然修復(fù)植被穩(wěn)定過渡。

單行一帶

兩行一帶

多行一帶

網(wǎng)格模式

生態(tài)林業(yè)模式

圖5低覆蓋度治沙體系典型模式

7評價

中國工程院院士尹偉倫、中國科學(xué)院院士魏江春、中國科學(xué)院院士蔣有緒、中國科協(xié)原副主席劉恕給出了極高的鑒定意見：“研究成果提出了低覆蓋度防沙治沙的原理與技術(shù)，基本解決了防沙治沙中多年來中幼齡林衰敗或死亡問題，構(gòu)建了一套沙地修復(fù)理論，對于推進(jìn)干旱、半干旱區(qū)沙漠化土地生態(tài)修復(fù)的穩(wěn)定性提升具有重大意義”[16,18]。

國家林業(yè)局局長張建龍認(rèn)為：該技術(shù)模式創(chuàng)新了治沙造林理念，以15%～25%的植被覆蓋度不僅可以固定流沙，還能明顯減緩干旱年份的水分脅迫，避免沙區(qū)植被衰退或死亡，創(chuàng)造了混交林營造的條件，加快土壤和植被的修復(fù)速度，提高生物生產(chǎn)力8%～20%，降低固沙造林成本40%～60%。其中，“兩行一帶”“單行一帶”等低覆蓋度治沙模式已得到大面積推廣，并取得明顯成效，有力地促進(jìn)了我國防沙治沙事業(yè)[12,18]。

中國防治荒漠化高級專家顧問組成員、中國科學(xué)院蘭州分院院長王濤認(rèn)為，這項研究成果的一個重大突破，就是把有效控制流沙的植被覆蓋度降低到15%～25%。按照這個覆蓋度營造的固沙林能夠穩(wěn)定正常生長，在確保固沙等生態(tài)效益的同時，生態(tài)用水量和造林成本顯著降低，促進(jìn)了土壤、植被、微生物的修復(fù)速度。這對我國相關(guān)地區(qū)的治理工程和“三北”防護(hù)林工程的建設(shè)具有重大價值[18]。

國家林業(yè)局治沙辦總工屠志方說，與傳統(tǒng)固沙造林相比，在確保固沙效果的基礎(chǔ)上，低覆蓋度治沙造林技術(shù)可使造林固沙成本大幅降低。林分混交、林草復(fù)合的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強。低覆蓋度治沙已經(jīng)成為京津風(fēng)沙源治理工程中最重要的技術(shù)[18]。

內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏及遼寧等地方林業(yè)部門表示：低覆蓋度治沙模式可有效降低造林成本，增加生物多樣性，形成較穩(wěn)定的植被，應(yīng)用前景廣闊，建議大面積推廣[18]。

8展望

低覆蓋度治沙的理念和技術(shù)可以用于我國半干旱、干旱和極端干旱區(qū)。在半干旱區(qū)，可以把治理與利用相結(jié)合，如喬灌結(jié)合，發(fā)展林間草場用于放牧或者打草以及適度的間作等。在干旱區(qū)，可以治理與保護(hù)相結(jié)合，灌木為主，成林后可以季節(jié)性放牧。極端干旱區(qū)是灌溉和潛水造林區(qū)，主要用于交通干線、廠礦企業(yè)和綠洲的防風(fēng)治沙，其核心是用最少的生態(tài)用水實現(xiàn)最大的防風(fēng)固沙效果。低覆蓋度治沙可以把生態(tài)水的利用效益達(dá)到最佳效果，該項技術(shù)在內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、遼寧等省(自治區(qū))已建有典型試驗示范區(qū)8處，推廣面積200萬hm2，實現(xiàn)了巨大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。低覆蓋度治沙已經(jīng)有力地促進(jìn)了防沙治沙事業(yè)[19]，成為國家防沙治沙重點推廣的技術(shù)體系。

生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)成為我國社會五大建設(shè)之一，京津沙源治理工程、三北防護(hù)林建設(shè)工程等正在加大干旱、半干旱區(qū)沙地治理及生態(tài)修復(fù)力度；絲綢之路戰(zhàn)略的啟動，將進(jìn)一步加大干旱、半干旱區(qū)沙地治理、生態(tài)修復(fù)的力度。低覆蓋度治沙理論的完善、治理技術(shù)的成熟將有力地支撐我國沙地治理、生態(tài)修復(fù)、絲綢戰(zhàn)略。希望不久的將來，我們可以看到更加廣泛的低覆蓋度治沙人工固沙林；較遠(yuǎn)的將來，看到健康豐碩的人工固沙林起著防風(fēng)固沙、修復(fù)土壤及植被的作用；更遠(yuǎn)的將來，看到更多的大樹固沙林，看到成熟林、過熟林，看到一片片完全治愈、修復(fù)的沙地，這也是治沙人的中國夢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高尚武．治沙造林學(xué)[M]．北京：中國林業(yè)出版社，1984

[2] 朱震達(dá)，吳正，劉恕，等．中國沙漠概論[M]．北京：科學(xué)出版社，1981

[3] 楊文斌，王晶瑩，董慧龍，等．兩行一帶式喬木固沙林帶風(fēng)速流場和防風(fēng)效果風(fēng)洞試驗[J]．林業(yè)科學(xué)，2011，47(2)：95-102

[4] 楊文斌，楊紅艷，盧琦，等．低覆蓋度灌木群叢的水平配置格局與固沙效果的風(fēng)洞試驗[J]．生態(tài)學(xué)報，2008，28(7)：2998-3007

[5] 楊文斌，趙愛國，王晶瑩，等．低覆蓋度沙蒿群叢的水平配置結(jié)構(gòu)與防風(fēng)固沙效果研究[J]．中國沙漠，2006，26(1)：108-112

[6] 楊文斌，丁國棟，王晶瑩，等．行帶式檸條固沙林防風(fēng)效果[J]．生態(tài)學(xué)報，2006，26(12)：4012-4018

[7] 楊文斌，王晶瑩．干旱、半干旱區(qū)人工林邊行水分利用特征與優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)研究[J]．林業(yè)科學(xué)，2004，40(5)：3-9

[8] 楊文斌，郭建英，胡小龍，等．低覆蓋度行帶式固沙林帶間植被恢復(fù)過程及其促進(jìn)沙地逆轉(zhuǎn)效果分析[J]．中國沙漠，2012，32(5)：1291-1295

[9] 姜麗娜，楊文斌，姚云峰，等．不同配置的行帶式楊樹固沙林與帶間植被修復(fù)的關(guān)系[J]．中國水土保持科學(xué)，2011，9(2)：88-92

[10] Jiang L N，Lu Q，Yang W B，etal．The promoting effect of vegetation recovery after establishment of Poplar fixing sand forest belts in the Horqin Sandy Land of Northeast China[J]．Journal of Food，Agriculture & Environment，2013，11(3&4)：2510-2515

[11] 郭建英，楊文斌，胡小龍，等．行帶式防風(fēng)固沙林帶間植被和土壤修復(fù)效果分析[J]．灌溉排水學(xué)報，2011，30(4)：128-131

[12] 楊文斌，李衛(wèi)，黨宏忠，等．低覆蓋度治沙原理、模式與效果[M]．北京：科學(xué)出版社，2016

[13] 楊文斌，盧琦．低覆蓋度固沙方法[P]．2009，中國專利：ZL200910241513.0

[14] 楊文斌，黨宏忠．土壤深層水量滲漏測試記錄儀[P]．2011，中國專利：ZL201110252184.7

[15] 彭科峰.尋找拯救地球“癌癥”的藥方[N]．中國科學(xué)報，2015-05-25(8)

[16] 彭科峰.低覆蓋度防沙治沙原理與技術(shù)通過鑒定[N]．中國科學(xué)報，2015-06-25(4)

[17] 低覆蓋度防沙治沙體系研究取得重要突破[EB/OL]．http://www.forestry.gov.cn/main/586/content- 745784.html

[18] 低覆蓋度治沙-重新認(rèn)識沙區(qū)植被和水分[N]．中國綠色時報，2015-11-27

[19] 低覆蓋度綠化與沙地更配[N]．中國綠色時報，2015-03-23

Principle and Mode of Combating Desertification with Low-coverage

Yang Wenbin1, Feng Wei2, Li Wei1

(1. Desertification Institute, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;2. Xilingol Vocational College, Xilinhot 026000,China)

AbstractThe combating desertification with low-coverage is a kind of new idea & technology. Explored from the near-natural forestry ideas, the combating desertification with low-coverage is a kind of new sand mode which can completely fixed the sand, speed up the soil and vegetation restoration ,increase the productivity, save ecological water, achieve sustainable development of sand-fixation forest under the coverage of 15%-25%.The model wins prize of national patents and technological achievements for several times, and creates a new field of vegetation to achieve the goal to combat desertification with low-coverage. The generalization area for the model in Inner Mongolia, the Ningxia Hui Autonomous Region, Gansu Province and other places are about 2 million hm2;the model the sand has been widely used in the sand source of project in Beijing City and Tianjin City. The model has great value for promoting China’s anti-desertification work into a scientific, efficient economical era;it will lead the study of combating desertification in China toward a new direction;it will make a significant contribution for China’s anti-desertification projects and ecological environment construction.

Key wordslow-coverage;combating desertification;principle and mode;ecological advantages;effect evaluation

中圖分類號：S775

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.04.001

作者簡介：楊文斌(1959-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治、干旱區(qū)林業(yè)等方面的研究，Email:nmlkyywb@163.com

收稿日期：2016-03-21

文章編號：1005-5215(2016)04-0001-05