楊文斌，馮偉，李衛(wèi)

(1. 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.錫林郭勒職業(yè)學院，內蒙古 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)科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.錫林郭勒職業(yè)學院，內蒙古 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，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、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)防沙治沙目標的新領域，在內蒙古、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用。該模式對推動我國防沙治沙工作進入更加科學、高效、經(jīng)濟的時代具有重要價值，必將引領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)境建設做出巨大貢獻。

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

土地荒漠化、沙化導致水土流失，吞噬人類生存空間，制約經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，嚴重威脅生態(tài)安全。我國荒漠化土地面積大、危害嚴重，20世紀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用，但在嚴重干旱的2010年，“兩行一帶”也出現(xiàn)了嚴重衰亡現(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?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固沙、水分利用、促進土壤發(fā)育和自然植被修復的機理，進而建立了一套低覆蓋度(15%～25%)防沙治沙體系模式，在內蒙古、寧夏、甘肅等地開展試驗示范約200萬hm2，并廣泛應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、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年度內蒙古自治區(qū)科學技術進步一等獎；同時，成為《國家造林技術規(guī)程》旱區(qū)部分修訂(2015修訂版)的重要內容[13-16]。該模式開創(chuàng)了植被在低覆蓋度下實現(xiàn)防沙治沙目標的新領域，對推動我國防沙治沙工作進入更加科學、高效、經(jīng)濟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、植被恢復等生態(tài)文明建設開拓了一條新的、行之有效的途徑，其必將引領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)境建設做出巨大貢獻。

1低覆蓋度治沙體系

低覆蓋度治沙體系——以防風固沙、修復退化土地為目標，從提高水分利用率、植被穩(wěn)定性和加快修復速度為出發(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，形成能夠促進土壤與植被快速修復的喬、灌、草復層植被，構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帶。行帶式是由窄林帶(占地面積15%～25%)與寬自然植被修復帶(占地面積75%～85%)相間分布的一種復合固沙植被模式。

2防風固沙效果與機理

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阻沙效果非常顯著的分布格局[3-6]。

2.1野外調查結果

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)?；鞠嗤采w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野外測定結果

一個重要的發(fā)現(xiàn)是：當覆蓋度在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，林內風速均顯著低于曠野風速；形成隨機分布格局后，觀察到了林內風速大于曠野風速的現(xiàn)象，如：隨機格局的檸條固沙林內，平均有41.3%的觀測值超過曠野風速；隨機格局的沙蒿固沙灌叢內，平均有38.3%的觀測值超過曠野風速；隨機格局的榆樹固沙林內，平均有30.0%的觀測值超過曠野風速。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明：低覆蓋度固沙林內有局部抬升風速的現(xiàn)象，進一步測試和對水平和垂直風速流場的研究后發(fā)現(xiàn)，在隨機分布模式內，灌叢(冠幅)與灌叢(冠幅或地面)之間形成的類似“狹管”的格局，有局部抬升風速的作用，導致其低覆蓋度隨機疏林內局部風速大于對照風速，也是造成低覆蓋度時出現(xiàn)局部風蝕，形成半流動沙地的重要原因。

2.3風洞試驗結果

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

3水分利用機制與生態(tài)水文效應

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節(jié)層和水分主要利用層的補給和調節(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)快速逆轉的重要因素，行帶式格局是一個充分發(fā)揮界面效應的格局，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的速度和土壤滲透與對降水減少導致土壤干旱脅迫的調節(jié)能力，結合造林樹種抗旱的生理生態(tài)水分關系，過寬或過窄都不利于帶間植被恢復效果。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)力和促進帶間植被、微生物和土壤修復的作用，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”抬升風速的現(xiàn)象，能夠完全固定流沙，實現(xiàn)行帶阻風低覆蓋治沙；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%。植被和土壤恢復速度提高3～5倍，形成的林(喬、灌)與草結合的沙漠(地)植被更加穩(wěn)定；能夠調節(jié)濕潤年與干旱年水量補給不均衡，緩解“卡脖子”干旱導致的衰敗死亡現(xiàn)象，可以抵御20年一遇的干旱年份導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，通過調節(jié)行帶式固沙林的帶間距及設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固沙體系，從而達到防風固沙體系的長期、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展?？傮w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)達的植物，其理想配置是“單行一帶”或“兩行一帶”。對于單風向地區(qū)采取低覆蓋度行帶式分布格局，對于多風向或變風向地區(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構和林草垂直層片結構，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，當人工固沙林“壽終正寢”后，人工植被已向自然修復植被穩(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、中國科學院院士魏江春、中國科學院院士蔣有緒、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，基本解決了防沙治沙中多年來中幼齡林衰敗或死亡問題，構建了一套沙地修復理論，對于推進干旱、半干旱區(qū)沙漠化土地生態(tài)修復的穩(wěn)定性提升具有重大意義”[16,18]。

國家林業(yè)局局長張建龍認為：該技術模式創(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、中國科學院蘭州分院院長王濤認為，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，促進了土壤、植被、微生物的修復速度。這對我國相關地區(qū)的治理工程和“三北”防護林工程的建設具有重大價值[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上，低覆蓋度治沙造林技術可使造林固沙成本大幅降低。林分混交、林草復合的結構穩(wěn)定性增強。低覆蓋度治沙已經(jīng)成為京津風沙源治理工程中最重要的技術[18]。

內蒙古、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合，如喬灌結合，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)，可以治理與保護相結合，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)和綠洲的防風治沙，其核心是用最少的生態(tài)用水實現(xiàn)最大的防風固沙效果。低覆蓋度治沙可以把生態(tài)水的利用效益達到最佳效果，該項技術在內蒙古、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)濟效益。低覆蓋度治沙已經(jīng)有力地促進了防沙治沙事業(yè)[19]，成為國家防沙治沙重點推廣的技術體系。

生態(tài)文明建設已經(jīng)成為我國社會五大建設之一，京津沙源治理工程、三北防護林建設工程等正在加大干旱、半干旱區(qū)沙地治理及生態(tài)修復力度；絲綢之路戰(zhàn)略的啟動，將進一步加大干旱、半干旱區(qū)沙地治理、生態(tài)修復的力度。低覆蓋度治沙理論的完善、治理技術的成熟將有力地支撐我國沙地治理、生態(tài)修復、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；較遠的將來，看到健康豐碩的人工固沙林起著防風固沙、修復土壤及植被的作用；更遠的將來，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、修復的沙地，這也是治沙人的中國夢。

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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

文獻標識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.04.001

作者簡介：楊文斌(1959-)，男，內蒙古呼和浩特人，研究員，博士生導師，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