李 昂,王 揚,薛建國,任婷婷,魏存爭,田秋英,白文明,白永飛,黃建輝,姜 勇,程玉臣,孫海蓮,徐柱文,趙玉金,韓興國,*

1 中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093 2 中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽 110016 3 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院,中國科學院內(nèi)蒙古草業(yè)研究中心, 呼和浩特 010031 4 內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院, 呼和浩特 010021

在內(nèi)蒙古高原及其毗鄰地區(qū),自然生態(tài)環(huán)境面臨著氣候變化和人類活動的雙重壓力。自1860年清政府墾殖北方草原以來,技術(shù)水平粗放低下的農(nóng)牧業(yè)和迅速擴張的人口,導致了該區(qū)域森林和草地迅速退化,土壤侵蝕嚴重,自東向西形成了從內(nèi)蒙古與遼寧交界的科爾沁地區(qū)經(jīng)蒙古高原南緣到陜西、陰山北麓的北方風沙區(qū)[1](圖1)。盡管政府實行了三北防護林等政策,對北方風沙區(qū)進行治理[2],但是由于農(nóng)牧業(yè)的迅速擴張和氣候的暖干化,在20世紀90年代之前,本區(qū)域的沙漠化面積仍然呈迅速擴張的態(tài)勢,在世紀之交導致沙塵暴等災(zāi)害事件頻繁發(fā)生,威脅京津城市圈的安全[3]。

圖1 北方風沙區(qū)區(qū)域圖 Fig.1 Map of the wind-blown sandland regions in the North China

為應(yīng)對嚴峻的環(huán)境危機,中央政府決定執(zhí)行以退耕還林(草)和京津風沙源治理工程為核心的生態(tài)環(huán)境保育政策。這些政策通過中央財政轉(zhuǎn)移支付,鼓勵農(nóng)民大量退耕,遏制了草地和沙地的開墾,促進了森林和草原的恢復(fù)[4],實現(xiàn)了國有林場從采伐到保育森林資源的轉(zhuǎn)變,以塞罕壩為代表的國家森林公園建立就是典型例證。在牧區(qū),大量的圍欄建設(shè),穩(wěn)定了牧民產(chǎn)權(quán),調(diào)動了牧民保護草地的積極性。在一定時間內(nèi),穩(wěn)定了草地載畜量,遏制了草地超載的加劇[5]。政府也執(zhí)行了一系列應(yīng)急性的政策,比如禁牧、春季休牧和出欄補貼等。以上政策和行政手段,使得沙塵暴發(fā)生頻次由一年幾十次減少到一年數(shù)次,沙漠化得到有效控制,部分地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)沙退人進,植被得到了顯著性的恢復(fù)[6-7]。因此,我國北方風沙帶的生態(tài)治理,已經(jīng)完成應(yīng)急性干預(yù)階段。按照習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”等生態(tài)文明建設(shè)的指導思想,我國北方風沙區(qū)的生態(tài)治理正在向著“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的目標邁進,以實現(xiàn)北方風沙區(qū)的適應(yīng)性治理,實現(xiàn)生態(tài)保育和社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展,實現(xiàn)聯(lián)合國提出的可持續(xù)發(fā)展目標2030[8]。

自2017年以來,在中國科學院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS計劃)“重點脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)集成與應(yīng)用”項目的支持下,我們協(xié)同科技部國家重點研發(fā)計劃“北方農(nóng)牧交錯帶草地退化機理及生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成示范”、“錫林郭勒-烏蘭察布高原沙化土地治理與沙產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)及示范”和中國科學院學部咨詢項目“北方草地農(nóng)牧交錯區(qū)禁牧政策適時調(diào)整研究”等相關(guān)課題,以內(nèi)蒙古中部的陰山北麓地區(qū)、渾善達克沙地、蒙遼交界的科爾沁沙地地區(qū)為重點研究區(qū)域,從植物群落構(gòu)成、水土耦合等角度解析了風沙區(qū)植被恢復(fù)的科學基礎(chǔ),試驗和示范了高效人工草地建植、天然草地恢復(fù)和管理、沙化草地治理等相關(guān)工程技術(shù),推廣了高效綠色有機產(chǎn)業(yè),實現(xiàn)了本區(qū)域草地和森林自然資源在保育和利用上的協(xié)調(diào),為促進區(qū)域生態(tài)和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展,提供了整體性的解決方案。

1 北方風沙區(qū)可持續(xù)治理的科學基礎(chǔ)

我國北方風沙區(qū)位于歐亞草原的東部,草牧業(yè)生產(chǎn)是本地區(qū)最主要的草地利用方式。在此區(qū)域,植物與草食動物通過長時間的協(xié)同進化,演化形成一系列耐牧的功能性狀。因此,草食動物的放牧行為和植被的演替以及退化之間存在復(fù)雜的因果關(guān)系[9]。內(nèi)蒙古草原地區(qū)的放牧控制實驗表明,適度放牧可促進植物的補償性生長,有利于生產(chǎn)力和多樣性的維持[10-11]。高強度的放牧會導致植物群落退化、沙漠化擴張和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的喪失[12-14]。但是,如果完全隔絕放牧,退化草地在10年后,除了草地碳儲量仍然保持緩慢增長外,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和物種多樣性等大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)支持和調(diào)節(jié)服務(wù)指標的恢復(fù)逼近邊際[15]。隨著我國生態(tài)制度的完善,沙地治理的推廣和草畜平衡政策的普及,我國草地的超載率開始逐年下降[16]。因此,在北方風沙區(qū),我們的草牧業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)管理理論,需要從退耕禁牧和沙地的應(yīng)急治理逐步轉(zhuǎn)向草地的生態(tài)保育和合理利用。

為了實現(xiàn)協(xié)同生態(tài)保護與合理利用,首先要進一步強化草地生態(tài)系統(tǒng)多重服務(wù)作為草地可持續(xù)管理理論基礎(chǔ)的理念。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產(chǎn)品(如食物、原材料)和服務(wù)(如維持生物多樣性和調(diào)節(jié)自然災(zāi)害)[17]。草地生態(tài)系統(tǒng)不但提供了牧草和肉奶產(chǎn)品等生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù),還提供了包括促進土壤形成和養(yǎng)分循環(huán)、碳固持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持、緩沖自然干擾和防止土壤侵蝕等生態(tài)系統(tǒng)支持和調(diào)節(jié)服務(wù),以及文化和旅游休憩等服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)依賴于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程,人類對生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)的過度攫取,會導致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化,造成生態(tài)系統(tǒng)支持和調(diào)節(jié)服務(wù)功能的顯著下降、衰退甚至喪失[17-18]。國家已通過立法確立了草地的多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的指導地位。2017年,全國人大委員會在分組審議草原生態(tài)環(huán)境工作報告中,明確指出“草原具有生態(tài)和生產(chǎn)兩種功能,兼具環(huán)境和資源雙重作用；草原(保護)首先是生態(tài),首先是環(huán)境”。因此,規(guī)避草地生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)和支持調(diào)節(jié)服務(wù)之間的消長,促進二者之間的協(xié)同,是下一階段草地生態(tài)系統(tǒng)管理的核心目標。在我國北方風沙區(qū),實現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)和支持調(diào)節(jié)服務(wù)之間的協(xié)同,必須基于合理的生態(tài)工程技術(shù)方法和高效的產(chǎn)業(yè)模式。合理的生態(tài)工程技術(shù),應(yīng)當著眼于優(yōu)化草地生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)、物種組成和養(yǎng)分循環(huán)等方面。

首先,在北方風沙區(qū),由于群落結(jié)構(gòu)較為簡單,禾本科的優(yōu)質(zhì)天然牧草在群落中的比例偏低,不少豆科植物甚至仍在丟失狀態(tài),處于恢復(fù)中的生態(tài)系統(tǒng)是極度脆弱的[19-20]。因此,草地生產(chǎn)力在氣候變化的背景下,仍然處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。例如,2016年,厄爾尼諾事件造成了內(nèi)蒙古草原自1953年以來遭遇的最嚴重旱情。全自治區(qū)草場發(fā)生干旱災(zāi)害面積為2225萬hm2,經(jīng)濟損失達到115.9億元人民幣。不僅烏蘭浩特、錫林郭勒、赤峰等地受災(zāi)嚴重,就連向來水草豐美的呼倫貝爾地區(qū)也出現(xiàn)了67萬t左右的越冬草缺口。因此,恢復(fù)和提升天然草地的群落多樣性,是穩(wěn)定草地生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)韌性的必要路徑[21]。以提升群落物種和功能性狀多樣性為目標,按照生活史、功能群、光合性狀和根系性狀對物種進行組合搭配,是實現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平協(xié)同和提升的重要技術(shù)手段。在此科學基礎(chǔ)上,我們在北方風沙區(qū)開展了禾本科和豆科優(yōu)質(zhì)牧草的補播技術(shù)的試驗示范。

其次,從生態(tài)化學計量學角度分析,牧草和畜產(chǎn)品的長期生產(chǎn)和外運,導致本來就匱乏的氮磷等大量營養(yǎng)元素和鐵鎂鉬鋅等與光合固氮過程密切相關(guān)的微量營養(yǎng)元素大量丟失。北方風沙區(qū)的養(yǎng)分匱乏是制約生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力提升和導致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)退化的一個重要原因。大量養(yǎng)分添加實驗表明,適當?shù)酿B(yǎng)分回補,可以促進草地生產(chǎn)力的提升[22]。盡管高劑量的養(yǎng)分(如氮)添加,會導致植物多樣性降低[23-24],但大量的證據(jù)也表明在達到最適閾值前,施氮仍然對草地物種多樣性的維持具有積極作用[22]。然而,由于化學肥料成本較高,且施肥后肥料揮發(fā)和淋溶損失嚴重,過度施肥后會導致不利的生態(tài)后果,因此實現(xiàn)兼顧經(jīng)濟可行性和生態(tài)恢復(fù)的養(yǎng)分回補方案是一個亟待解決的生態(tài)工程技術(shù)問題?；诖?我們在北方風沙區(qū)試驗和示范了冬季少量施肥、施用緩釋肥等技術(shù),獲得了較好的生態(tài)和經(jīng)濟效益。

第三,大量研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)可能存在多個穩(wěn)定狀態(tài),而且會在生態(tài)系統(tǒng)各個過程發(fā)生狀態(tài)域轉(zhuǎn)換(regime shift)[25]。一旦生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)域轉(zhuǎn)換,該狀態(tài)內(nèi)的負反饋機制將會對生態(tài)系統(tǒng)功能過程產(chǎn)生約束作用[26-27]。我國北方風沙區(qū)的土壤母質(zhì)多為第三紀和第四紀深厚的湖相沉積形成的風積物,生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱[28]。草地退化和沙化后,表土喪失,保水和保肥能力下降,植物難以定植和生長,在風蝕等因素的持續(xù)作用下,進一步加劇土壤的沙化。這就是為什么很多沙化草地區(qū)域,在圍封多年后,植被仍然不見好轉(zhuǎn)的原因。對于這些沙化草地區(qū)域,必須通過工程技術(shù)手段,固定地表的沙化土壤,打破水土養(yǎng)分的生態(tài)約束,推動生態(tài)系統(tǒng)越過妨礙其自然恢復(fù)的閾值?；谝陨仙鷳B(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)和韌性的科學基礎(chǔ),我們將草方格技術(shù)、草種補播、平茬復(fù)壯和合理刈割等技術(shù)集成推廣,打破沙化土壤對草地恢復(fù)的約束,促進生態(tài)系統(tǒng)向良性狀態(tài)的自然演進。

第四,實現(xiàn)草地的可持續(xù)管理,必須優(yōu)化放牧、刈割和人工草地等生產(chǎn)項目的配置,促進生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同提升。必須依據(jù)畜牧學、牧草學和草產(chǎn)品加工等科學理論,提高資源利用效率,發(fā)展高附加值產(chǎn)業(yè),提升產(chǎn)品利潤率,堅持“以地養(yǎng)地”的科學策略,實現(xiàn)以少數(shù)自然條件優(yōu)越區(qū)域的高效利用,換來大面積草地的恢復(fù)和保護性利用[29-30],發(fā)展適應(yīng)我國北方風沙區(qū)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系。具體來說,針對我國北方風沙區(qū)乳肉產(chǎn)品的技術(shù)問題,依據(jù)動物遺傳學和動物營養(yǎng)學原理,引進了杜泊羊、西門塔爾牛等國外優(yōu)質(zhì)良種,選育了灘羊、巴爾虎羊、烏珠穆沁羊等核心種群,實現(xiàn)了杜蒙雜交等兼顧品質(zhì)和成本的優(yōu)秀本地雜交種,進而優(yōu)化了畜群的遺傳資源,提高了肉質(zhì),降低了飼養(yǎng)成本,增強了畜產(chǎn)品的市場競爭力。通過人工草地建植技術(shù)、裹包青儲技術(shù)和草顆粒加工技術(shù),實現(xiàn)了牧草的長期保存和營養(yǎng)優(yōu)化,增加并穩(wěn)定了飼草料供給,平抑了飼草產(chǎn)量的年際波動,穩(wěn)定畜牧業(yè)生產(chǎn)成本。結(jié)合草地生態(tài)學知識和現(xiàn)代信息技術(shù),開展季節(jié)性輪牧。發(fā)展了寧夏灘羊、草原牧雞為代表的畜牧業(yè)綠色食品營銷體系,顯著提升了產(chǎn)品利潤率?；谏鲜鰧W科知識和技術(shù)的應(yīng)用與研發(fā),實現(xiàn)了“以地養(yǎng)地”的科學目標,保障了生態(tài)系統(tǒng)多重服務(wù)之間的協(xié)同和優(yōu)化。

2 北方風沙區(qū)可持續(xù)治理的工程技術(shù)實踐和恢復(fù)效果

2.1 優(yōu)質(zhì)牧草補播技術(shù)改良及其示范成效

在北方風沙區(qū)的恢復(fù)工程實踐中,發(fā)現(xiàn)圍欄封育禁牧技術(shù)盡管可以促進植被生產(chǎn)力和蓋度的自然恢復(fù),但是仍然需要人工補播等適度干預(yù),才能盡快提升和優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)。由于氣候干旱,土壤瘠薄,單純播撒豆科和禾本科牧草種子,種苗成活率低,經(jīng)濟成本高,生產(chǎn)和生態(tài)收益甚微。因此,各個示范區(qū)依照其自然環(huán)境特點,因地制宜地通過補播配合緩釋肥,圍封和雨季補播聯(lián)用,沙障和補播聯(lián)用等技術(shù),提高了天然草地牧草補播的成活率,取得了較好的示范效果。

在更為干旱的北方風沙區(qū)西段的四子王旗,通過采取圍封保護、雨季補播和補植等措施,充分利用土壤水分含量較高的時間窗口,補播補植抗逆性強的駝絨藜。在四子王旗,補播駝絨藜后的草原植被蓋度由2016年19.67%增長到2018年的35%,產(chǎn)量由2016年88.74 g/m2增長到2018年的218.95 g/m2(圖2)。駝絨藜群落內(nèi)部微氣候得到了改善,生物多樣性穩(wěn)步提升,天然的多年生優(yōu)質(zhì)牧草比例大幅增加。

圖2 “補植補播”模式對植被蓋度和地上生物量的恢復(fù)效果Fig.2 The effects of supplementary seeding on plant community cover and aboveground biomass

2.2 人工草地建植技術(shù)的優(yōu)化改良

根據(jù)生態(tài)位理論、物種間相互補償作用和植物群落演替理論,在多年實踐基礎(chǔ)上,研發(fā)了“多年生人工草地建植”技術(shù)體系,形成了包括牧草品種選擇技術(shù)、播種技術(shù)、田間管理技術(shù)和壓扁收獲技術(shù)等一系列技術(shù)方法。該技術(shù)體系中,多年生牧草的品種選擇是核心,主要包括四個組合：長壽命牧草與短壽命牧草的組合,深根系牧草與淺根系牧草的組合,豆科與禾本科牧草的組合,耐旱品種與喜濕品種的組合。

自2015年以來,在錫林郭勒盟多倫縣和烏拉蓋管理區(qū)等退耕地上,選擇不同品種的一年生與多年生、豆科與禾本科牧草,采用混播方式建設(shè)了多年生人工草地,示范區(qū)面積約150hm2。例如,在烏拉蓋退耕地上我們分別設(shè)置了3個種植方案,包括青莜麥和箭筈豌豆(方案1),青莜麥、垂穗披堿草、無芒雀麥、羊草和敖漢苜蓿(方案2),青谷子、垂穗披堿草、無芒雀麥、羊草和草原3號雜花苜蓿(方案3)。在牧草返青期和快速生長期,結(jié)合天氣情況進行雨季追肥。適時收獲,并采用割草壓扁技術(shù),使得牧草莖稈與葉片同步干燥,防止葉片脫落。

通過對3種人工草地建植方案的效果進行對比,發(fā)現(xiàn)人工草地播種第一年,方案1產(chǎn)量較高,方案2和方案3中多年生牧草播后第一年出苗晚,植物生長較慢,影響第一年產(chǎn)量。烏拉蓋管理區(qū)當年天然草地產(chǎn)量為2.7 t/hm2,3個人工草地的每公頃產(chǎn)量達5—12 t,是天然草地產(chǎn)量的1.8—4.3倍(圖3)。通過計算人工草地成本投入和產(chǎn)出,發(fā)現(xiàn)方案1、方案2和方案3的干草生產(chǎn)利潤率為85%,55%和4%。這表明多年生混播人工草地能為當?shù)靥峁┐罅康膬?yōu)質(zhì)飼草,實現(xiàn)草地的可持續(xù)利用。

圖3 內(nèi)蒙古烏拉蓋示范區(qū)的優(yōu)質(zhì)人工牧草種植示范Fig.3 Artificial pasture construction in Wulagai, Inner Mongolia

在錫林郭勒盟多倫地區(qū),集約化種植青儲玉米和燕麥是更為高效的人工草地建植方案,多品種混播能夠顯著提高人工草地產(chǎn)量。通過2個種植技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),多品種燕麥混播增產(chǎn)55.8%,每公頃干草產(chǎn)量達到12 t左右(圖4)。青貯玉米普通種植每公頃產(chǎn)鮮秸稈約75 t,高產(chǎn)種植每公頃產(chǎn)鮮秸稈約105 t,增產(chǎn)36.5%(圖5)。

2.3 人工草地和天然草地專用肥研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)

針對人工草地和天然草地長期利用下養(yǎng)分流失的問題,對氮磷鉀等大量元素和硼鉬硒等微量元素進行結(jié)合,分別設(shè)計了適用于人工草地和天然草地的大量營養(yǎng)元素專用肥料和微量營養(yǎng)元素專用肥料。結(jié)合各示范區(qū)狀況,配合劃破草皮等處理,開展了研發(fā)和應(yīng)用,取得了理想的示范效果。

在多倫示范區(qū),首先針對燕麥人工草地,開發(fā)了燕麥專用肥。研究發(fā)現(xiàn),同時施用氮肥、鉀肥和磷肥可以顯著增加燕麥產(chǎn)量,其中,N2P2K2和N3P3K3這兩組肥料配方組合,對燕麥產(chǎn)量的提升效果最為明顯；另外,從經(jīng)濟效益角度分析,施用150 kg/hm2的純氮、90 kg/hm2的純磷和45 kg/hm2的純鉀是較為合理的養(yǎng)分用量和配比(圖6)。

針對多倫地區(qū)的苜蓿人工草地,主要評估了不同微量元素肥料對人工草地產(chǎn)草量的影響。試驗發(fā)現(xiàn),施用硼肥對苜蓿產(chǎn)量沒有顯著影響,但是施用鉬肥和施用硒肥顯著增加了苜蓿的鮮草與干草產(chǎn)量。從經(jīng)濟效益角度分析,施用81 g/hm2的鉬和15 g/hm2的硒是較為合理的鉬硒肥用量(圖7)。

在位于北方風沙區(qū)東部的科爾沁沙地遼寧彰武示范區(qū),重點研發(fā)了草地復(fù)合肥集成技術(shù)并結(jié)合了劃破草皮改良措施。草地復(fù)合肥由氮磷鉀配合微量元素構(gòu)成。我們在實驗小區(qū)以18 cm的間距進行以45°角、15 cm深的人工劃破草皮處理。短期試驗結(jié)果顯示,施用緩釋肥當年即顯著提高了草地地上生產(chǎn)力,表明該方法緩解了退化草地的養(yǎng)分限制,提高了草地地上生產(chǎn)力(圖8)；短期劃破草皮有促進草地生產(chǎn)力的趨勢,由于其可以提高土壤通透性,增加土壤種子庫及地表種子的萌發(fā)機會,為新生植物的生長提供更多資源,可以預(yù)期持續(xù)幾年的劃破草皮處理將有利于促進植物的生長,提高退化草地的生產(chǎn)力。

圖4 燕麥單品種和多品種混播干草產(chǎn)量比較 Fig.4 Comparison of hay yields of monoculture and mixed oat pastures

圖5 青貯玉米高產(chǎn)種植技術(shù)與普通種植鮮草產(chǎn)量比較 Fig.5 Comparison of silage yields in conventional and high-yield maize plots

圖6 不同養(yǎng)分配比對燕麥產(chǎn)量的影響 Fig.6 Effects of different nutrient treatments on oat yield 品種1:青海444 Qinghai 444; 品種2:加燕 Jiayan; N0P0K0:對照組 Control group; N1P1K1:氮100 kg/hm2 磷60 kg/hm2 鉀30 kg/hm2 Nitrogen 100 kg/hm2 phosphorus 60 kg/hm2 potassium 30 kg/hm2; N2P2K2:氮150 kg/hm2 磷90 kg/hm2 鉀45 kg/hm2 Nitrogen 150 kg/hm2 phosphorus 90 kg/hm2 potassium 45 kg/hm2; N3P3K3:氮200 kg/hm2 磷120 kg/hm2 鉀60 kg/hm2 Nitrogen 200 kg/hm2 phosphorus 120 kg/hm2 potassium 60 kg/hm2

圖7 施用不同微量元素肥料對苜蓿產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of different micronutrients on alfalfa yieldB0:硼酸0 g/hm2 Boron acid 0 g/hm2; B1:硼酸70 g/hm2 Boron acid 70 g/hm2; B2:硼酸140 g/hm2 Boron acid 140 g/hm2; Mo0:鉬酸銨0 g/hm2 Ammonium molybdate 0 g/hm2; Mo1:鉬酸銨150 g/hm2 Ammonium molybdate 150 g/hm2; Mo2:鉬酸銨300 g/hm2 Ammonium molybdate 300 g/hm2; Se0:硒肥0 g/hm2 Selenium fertilizer 0 g/hm2; Se1:硒肥15 g/hm2 Selenium fertilizer 15 g/hm2; Se2:硒肥30 g/hm2 Selenium fertilizer 30 g/hm2

圖8 蒙遼地區(qū)施用緩釋復(fù)合肥(F),劃破草皮(S)以及緩釋肥和劃破草皮集成(SF)等技術(shù)的地上生物量和對照組(C)的比較Fig.8 Comparison of aboveground biomass with control group (C) , using slow-release compound fertilizer (F), sward ripping (S) and sward ripping and slow-release fertilizer integration (SF) in Inner Mongolia-Liaoning area

2.4 運用生態(tài)工程方法加速風沙瘠薄地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)

沙障固沙與人工植被恢復(fù)措施相結(jié)合是當前最常用的沙化草地防治和恢復(fù)措施[31]。該方法主要通過在沙化地上設(shè)置各種形式的障礙物來控制風蝕,達到防風固沙的目的；另外,通過輔以人工植被恢復(fù)技術(shù),加速沙化生態(tài)系統(tǒng)的植被重建與恢復(fù),改善植物根際的土壤環(huán)境條件,使沙化草地生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)。

通過因地制宜地利用抗逆植物和其它簡易材料,我們分別在荒漠草原地區(qū)摸索出灌草結(jié)合的“四行一帶”模式。在水分條件較好的渾善達克沙地摸索出基于不同地形條件下沙地治理的“三分模式”,即“三分之一治理,三分之二封育恢復(fù)”。

荒漠草原的“四行一帶”模式主要利用灌草結(jié)合的草地建植方法(華北駝絨藜+蒙古冰草),通過在大面積天然退化草地、撂荒地或開墾礦區(qū)間隔種植灌木和草本植物,形成灌木帶與草本植物間隔的布局,借助植株高大的灌木帶降低近地面風速和土壤風蝕量,聚雪保墑、保持水土,有效促進了群落內(nèi)草本植物生長與分蘗,快速提高干旱半干旱區(qū)的植被覆蓋度和生物量。2016年以來,基于灌草結(jié)合“四行一帶”模式,我們在北方風沙區(qū)西部的四子王旗荒漠草原區(qū)進行了大范圍草地修復(fù)示范。

在操作上,首先對退化草地進行開溝平整,溝深0.2—0.25 m,溝寬0.4—0.5 m,春季或秋季移栽華北駝絨藜根苗四行成一帶,垂直于風向間隔種植。四行成一帶的帶寬為3 m,帶間距6 m(根據(jù)免耕補播機的寬度<6 m而定),采用免耕補播機播種的方式,在帶間雨后補播種植草本植物冰草。冰草條播行距25—30 cm,免耕播深1—1.5 cm,之后重復(fù)上述兩種植物依次種植。建植第二年,行內(nèi)華北駝絨藜實生苗迅速繁殖,覆蓋地表,帶間旱作條件下補播種植的冰草保苗率達到60%,灌木移栽后隔3年進行一次平茬,平茬高度控制在6—7 cm,補播種植的草本植物為多年生植物,使其自然生長每年刈割一次即可。該技術(shù)應(yīng)用以來,治理效果十分顯著。四子王旗退沙化草地示范區(qū)的草產(chǎn)量比對照草地可提高20%—30%,植被蓋度達到30%以上。

灌草結(jié)合“四行一帶”模式一次性建植,多年受益,在粗放管理條件下,可提高天然草場植被蓋度,為后續(xù)生物多樣性的增加、飼草品質(zhì)的改善和生物量的提高構(gòu)建了良好的生態(tài)生物環(huán)境,其潛在生態(tài)效益不可估量。從經(jīng)濟成本和產(chǎn)出角度看,該模式建設(shè)投資成本主要為第一年駝絨藜及牧草種植及種苗費用,每公頃駝絨藜“四行一帶”投入成本5000元,每公頃補植補播駝絨藜生態(tài)應(yīng)用投入成本4500元,但是第三年每公頃駝絨藜生態(tài)應(yīng)用田干草產(chǎn)量可達2.25 t,按照單價1200元/t,每公頃產(chǎn)值可達2700元。因此,在第三年之后,“四行一帶”模式可以逐漸獲得經(jīng)濟效益。

渾善達克地區(qū)沙化草地修復(fù)的“三分模式”是指在基于實地調(diào)查的基礎(chǔ)上,針對渾善達克沙地地區(qū)總面積的1/3,且無植被覆蓋的流動沙丘、半固定沙丘和風蝕坑采取人為干預(yù)措施進行治理,對約占沙地總面積2/3,且仍保存一定數(shù)量植物種子庫的固定沙丘、丘間平地和丘間低地,通過圍封和休牧的方式,保護新生的植物幼苗,充分利用自然力量使植被逐漸恢復(fù)。

在工程技術(shù)上,對于固定沙丘、丘間平地和低地主要進行圍封與休牧,依靠土壤種子庫中的植物種子和現(xiàn)存植被的自我繁殖和更新能力,逐步實現(xiàn)植被的恢復(fù)；對于風蝕坑、流動沙丘和沙化草地等采用工程措施進行土地平整后,再通過播種小麥,扦插黃柳、檸條等措施建立生物或非生物網(wǎng)格,并在網(wǎng)格內(nèi)播種沙蒿、沙生冰草、扁蓿豆等固沙先鋒植物。在生物網(wǎng)格的保護下,網(wǎng)格內(nèi)先鋒植物實現(xiàn)定居后,逐步促進植被的恢復(fù)。

2015年以來,基于“三分模式”治理的技術(shù)體系,通過技術(shù)拓展,與地方政府和企業(yè)合作,在錫林郭勒盟的烏拉蓋管理區(qū),針對不同地形條件(風蝕坑、陡坡、緩坡和平地)下的沙化草地,對沙化區(qū)域采用了不同的治理措施。首先對風蝕坑沙地,采用機械進行沙地平整,之后采用物理沙障+生物沙障+人工補播草種+枯草鋪設(shè)的生態(tài)修復(fù)方法進行治理。例如,將蘆葦做成2 m×2 m的菱形網(wǎng)格鋪設(shè)于沙地中央的嚴重風蝕區(qū)域用于固定地表沙壤,利用一年生牧草建植速度快的優(yōu)勢,在沙障內(nèi)采用一年生草本牧草種子進行十字條播,進一步加速沙障內(nèi)風沙的固定。在沙障的其他區(qū)域混播一年生和多年生、豆科和禾本科牧草種子,促進植被的恢復(fù)。在陡坡區(qū)域用蘆葦簾鋪于沙地上方,用竹簽固定蘆葦簾于沙地上,再進行多種牧草的混播,在風蝕劇烈的陡坡處,可以使用尼龍網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)進一步固定蘆葦簾,減少風蝕對土壤和植被的破壞。對于緩坡區(qū)沙地采用生物沙障+人工補播草種+葦簾鋪設(shè)的方式進行修復(fù)。利用黃柳、羊柴和沙蒿等灌木和半灌木進行條播形成生物沙障,在沙障間混播人工草種,并將蘆葦簾用竹簽固定于沙地上方,起到防風作用。對于退化沙地的平坦區(qū),主要采用圍封禁牧的方式進行修復(fù)。經(jīng)過四年多的治理,至2018年,植被群落高度平均增幅130%,蓋度平均增幅160%,植株密度平均增幅225%,治理效果十分顯著[32-33](圖9)。植被群落由一年生植物(先鋒植物,狗尾草和蟲實)占優(yōu)勢(植被蓋度65%)演替為多年生的豆科植物和禾本科植物占優(yōu)勢(植被蓋度60%),群落趨于成熟(圖10)。

圖9 不同地形條件下沙化草地治理前后對比Fig.9 Fixation of mobile sand under different topographical conditions-comparison between pre-treatment in 2015 a、b、c為2015年治理前的植被,d、e、f為治理后2017年的植被

沙化草地修復(fù)的“三分模式”具有顯著的生態(tài)效益和生產(chǎn)效益。根據(jù)烏拉蓋管理區(qū)沙化草地的治理成本核算,每公頃沙地治理的材料費約為2295元,包括蘆葦、牧草種子、覆沙網(wǎng)等,人工費約為1650元/公頃,總計成本約為3945元/公頃。經(jīng)過2—3年的修復(fù),草地的生產(chǎn)力增加80—160 g/m2。如果按照牧草干重1.0—1.5元/千克計,則2—3年能實現(xiàn)投資回收。自2015年以來,本模式陸續(xù)在錫林郭勒盟烏拉蓋管理區(qū)、西烏珠穆沁旗等進行了該技術(shù)模式的大面積應(yīng)用,累計推廣面積2萬余畝,有效解決了部分地區(qū)因過度放牧、建設(shè)開采等活動帶來的草地沙化問題,為我國北方風沙區(qū)中部地區(qū)開展退化沙化草地治理提供了示范模式。

2.5 草牧產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)提升的綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)體系

在北方風沙區(qū),我們通過畜產(chǎn)品良種選育、草產(chǎn)品加工、綠色產(chǎn)品認證等技術(shù)和商業(yè)手段,提高畜產(chǎn)品的品質(zhì),降低飼養(yǎng)成本,增加本區(qū)域農(nóng)牧民的產(chǎn)品競爭力,促進盈利增收,撫平本區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保育之間的矛盾,促進了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同和平衡。例如,我們協(xié)助牧民對灘羊、烏珠穆沁羊、巴爾虎羊的核心群進行了選育復(fù)壯,引入了杜泊羊、西門塔爾牛等良種,示范了同期發(fā)情、配套移植、雜交等現(xiàn)代畜牧業(yè)管理技術(shù),實現(xiàn)了良種快速擴繁,并且提升其對本地艱苦環(huán)境的適應(yīng)能力,配合地方政府實現(xiàn)減羊增牛結(jié)構(gòu)調(diào)整,取得了較好的經(jīng)濟效益。我們還利用青儲菌劑,將玉米、甜高粱、天然牧草、檸條等飼草進行處理,優(yōu)化了畜群的飼喂配方,降低了飼養(yǎng)成本,改善了肉質(zhì)。本項目協(xié)調(diào)其它項目,協(xié)助企業(yè)和地方政府創(chuàng)立和發(fā)展了“灘羊”、“草原牧雞”等綠色食品品牌,獲得了良好的經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了少部分草地高效利用,進而保障了大面積草地的恢復(fù)。

3 在北方風沙區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的科學技術(shù)途徑

當前,在中國實施的生態(tài)文明建設(shè)和聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標高度契合,確立了實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和環(huán)境改善三位一體的可持續(xù)發(fā)展觀[8,34]?，F(xiàn)階段的北方風沙區(qū)治理經(jīng)驗,已經(jīng)為實現(xiàn)第15個目標,即“保護、恢復(fù)和促進可持續(xù)利用陸地生態(tài)系統(tǒng),可持續(xù)地管理森林,防治荒漠化,制止和扭轉(zhuǎn)土地退化,提高生物多樣性”提供了堅實的科學依據(jù)和生態(tài)工程技術(shù)基礎(chǔ)[34]。然而,為了進一步實現(xiàn)“生態(tài)-社會-經(jīng)濟”三者之間的協(xié)同增長,我們認為今后的北方風沙區(qū)治理,要拓展現(xiàn)有的科學理論認知,理解自然-社會系統(tǒng)互饋與耦合；將“水、土、氣、生”為主要研究內(nèi)容的恢復(fù)生態(tài)學理論發(fā)展和經(jīng)濟增長、人類福祉提升等經(jīng)濟社會要素結(jié)合在一起；既要考慮區(qū)域內(nèi)生態(tài)問題所面臨的地理空間和自然資源導致的復(fù)雜約束,又要把經(jīng)濟全球化和氣候變化等域外影響納入考慮范圍。在認識得到進一步拓展的基礎(chǔ)上,我們將重新審視和發(fā)展目前執(zhí)行的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)體系,引入現(xiàn)代生命科學、能源科學、材料科學、數(shù)據(jù)和計算科學及人工智能等前沿高技術(shù)理論,并與互聯(lián)網(wǎng)市場、生態(tài)補償政策和綠色金融工具、國家生態(tài)紅線政策相結(jié)合,發(fā)展出下一代的風沙區(qū)治理技術(shù)體系。我們相信,今后的北方風沙區(qū)治理可以實現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”這個可持續(xù)發(fā)展目標。