我国北方沙漠化生态系统修复案例

　　20世纪90年代，美国、德国等国家提出通过生态系统自组织和自我调节能力来修复环境污染的概念，即通过选择特殊植物和微生物，人工辅助建造生态系统来降解污染物，这一技术被称为环境生态修复技术，这也是生态修复的原始思想。生态恢复是指在人为控制下，利用生态系统演替和自我恢复能力，使被扰动和损害的生态系统(土壤、植物和野生动物等)恢复到接近于受干扰前的自然状态，即重建该生态系统干扰前的结构、功能及其有关的物理、化学和生物特性。水土保持管理者认为生态修复是指为了加速已被破坏生态系统的恢复，辅以人工措施以便为生态系统健康运转服务，加快恢复进程的实践。尽管在科学与实践之间认识上尚存在差异，但关于生态修复的目标和核心问题的认识是一致的。生态修复必须在恢复生态学理论指导下，遵循自然规律，才能取得较好的效果。

　　我国北方大部分地区生态环境脆弱，包括水土流失在内的土地荒漠化问题已经成为重要的环境问题。新中国成立以来，国家已投入上百亿元资金、群众付出了大量劳动，累计治理了水土流失面积80多万km²，取得了显著的成绩。但据1999年遥感普查结果，全国亟待治理的水土流失面积仍有210万km²，大江大河上游地区、风沙区水土流失严重，生态恶化的趋势尚未得到有效控制。按现在的治理速度和治理方法，需要近半个世纪才能得到初步治理，而且需要数千亿元资金。因此，转变观念，依靠生态修复防治水土流失已成为中国水土保持实践的迫切需要。

　　我们选择了河北坝上(代表草地轻度沙漠化类型)、科尔沁沙地(代表草地严重沙漠化类型)、阿拉善地区(代表荒漠草原类型)和额济纳地区(代表荒漠河岸林类型)4个典型区来解析生态修复的过程。由于受资料的限制，仅分析围封状态下(解除放牧干扰、打草等人为干扰后)的生态修复过程。旨在通过4个典型区的例证研究来探讨中国北方沙漠化生态系统修复的条件、目标、所需时间，为我国水土流失的治理提供参考。

　　一、河北坝上沙漠化生态系统修复过程

　　河北坝上地区位于中国北方农牧交错带中部，虽然从沙漠化发生的程度来讲，为沙漠化轻度地区。但从沙漠化发展速率来看，却是我国土地沙漠化发展最迅速的地区。

　　坝上地区在明清时代原本是天宽地阔、水草丰茂的优良天然牧场。自清朝末期开始放垦后，农民逐渐定居草原，致使草地退化、风蚀沙化，水土流失逐渐加剧和扩大。至20世纪80年代中期，沙漠化面积年增速高达4.5%。

　　1．封育对植被的影响

　　草地封育对植被及其生产力恢复的效果是明显的。从河北坝上丰宁大滩地区草地封育的结果来看，在各类型草地中，收效最快的是低湿地草甸，其次为山地、丘陵的草地，而沙质草地围封效果相对较差。

　　2．植物种的恢复过程

　　在河北坝上草地开垦是加速农田沙漠化的重要原因。有些草地开垦后，由于产量低被迫弃耕。弃耕后的土地在轻度放牧的条件下，植被也可以得到恢复。植被恢复的过程是：弃耕后，一些一年生和两年生植物种类，像猪毛蒿、虫实、猪毛菜等和小灌木褐沙蒿等很快占据了弃耕地。在弃耕

了1～6年的初始阶段，植物种类数量从16种增加到31种。一年生和两年生非禾本科牧草是优势种。在弃耕6年的样地，单子叶植物和杂草显著增加，但是一年生和二年生种类仍然存在。弃耕6年以后，那些原有的一年生植物种像大籽蒿、虫实从群落中消失。植物种数量从第6年的31种降到第14年的26种，随后，物种数量基本保持不变。弃耕14年后的物种成分与天然草地相似，多年生植物成为优势种。与天然草地相比，弃耕6年的群落相似系数为0.6，而弃耕14年的相似系数值为0.9(图1)。 　　对于一个严重退化的生态系统，其生态恢复依赖于两个方面：物种多样性增加和土壤肥力复原。试验表明，随着弃耕时间的增加，群落的物种结构复杂性增加。
	图1　弃耕地与天然草地群落之间的Sorensen相似系数

　　3．土壤恢复过程

　　相对于植被，土壤的恢复过程比较缓慢。研究表明，在弃耕1到50年的土地演替过程中，土壤有机C、全N和全户的积累量有增加的趋势。在弃耕1年和50年的样区0～15cm深的土壤中，有机C含量分别为6.27g/kg和15.23g/kg，全N含量分别为0.582g/kg和0.865g/kg，全户含量分别为0.34g/kg和0.51g/kg。与天然草地相比，弃耕1年的样区中这些参数含量分别降低了70%、53%和73%；而在弃耕了50年的样区，有机C的含量为其相应量的72%，全N含量为70%，全户含量为40%。

　　在弃耕了1～14年之间的样区中有机C、全N和全P的积累量明显增加，但增加速率随着时间的增加而很快下降。有机C的积累率在0.11和0.59g/kg·a之间，最小值出现在弃耕后14～50年期间，而最大值处于弃耕后1～6年期间。全N的积累率在0.003～0.018g/kg·a之间，其中最小值出现在弃耕后的14～50年期间，最大值在弃耕后1～6年之间。全P的积累率在0～0.018g/kg·a之间。随着弃耕时间的增加，有机C、全N和全P的积累趋势呈曲线增长，表明弃耕后1～14年间的有机C、全N和全P积累速度比以后阶段的积累速度相对较快。

　　二、科尔沁沙地生态系统修复过程

　　科尔沁沙地位于我国东北平原西部，北方农牧交错带东端。历史上曾水草丰美，植被茂盛，经过一百多年的开垦，尤其是近半个世纪以来农业经济迅速发展，已演变为典型的半农半牧地区。由于脆弱的自然环境和人类强度开发利用土地，使固定沙丘减少，流沙蔓延，草原退化，土地荒漠化强烈发展。目前是我国北方农牧交错带土地荒漠化较为严重的地区之一。从20世纪70年代开始，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(原兰州沙漠研究所)在科尔沁沙地奈曼旗建立了定位研究站，开展了沙漠化土地综合整治研究，1990年开始退化沙漠草地围封自然修复试验。

　　1．围封后植被恢复

　　处于半干旱区的沙质干草甸草地，封育使草地植被盖度明显增加，封育当年草地植被盖度就较未封育区增加了57%，继续封育植被盖度有增加趋势，但从第3年开始增加幅度相对有所下降。封育禁牧使草层高度明显增加，封育当年，草层高度增加2.4倍。但和植被盖度一样，继续封育，其草层高度增加趋势随降水而波动。

　　封育对草地种群密度的增加并不明显有利，在6年的试验期间，只有3年封育区的种群密度高于未封育区，而6年平均封育区种群密度比未封育区低。其原因是草地封育后植株生长高大，个体占据空间大，相互间竞争激烈，因而限制了种群数量的增加。实际上，在封育区单位面积内，高大植株数量并不多，较大数量的群体都是雨后在高大草层下新繁衍的幼小实生苗，这些幼小新生苗因竞争不过上层高大植株而很快死亡。而在未封育区，因家畜啃食使植株变得小而低矮，占据空间小，种间竞争小，所以有利于种群密度的增加。

　　封育对牧草产量的影响最为明显。封育当年，牧草产量较未封育区提高2.3倍，多雨年份(1994)提高3.1倍，在极端干旱年份(1997)提高9.4倍。从封育区牧草年际变化看，封育当年即有明显效果，封育3年时草地产量最高，之后有下降趋势。结合植被盖度和草层高度的变化可以看出，在半干旱区退化草场封育2～3年后草地主要植被特性即可恢复，长期封育并未表现出对草地生产力十分有利。

　　封育对牧草根系的影响和对地表上部一样明显。封育当年，其根系量较未封育区提高1倍。其后几年其根量本身波动幅度较大，和未封育区相比，封育对根系的作用仍有增强趋势。

　　从试验结果看，封育对草地植物种组成影响不明显。一些年份，封育区的植物种数甚至低于未封育区。其原因一是封育区植被生长迅速，不利于外来种的侵入；二是封育区面积较小，蓄种保种作用不强。当然这与草地严重沙化后原生物种种源缺乏也有很大关系。

　　对于退化严重的草地来说，封育也能有效地促进草地植被的恢复。例如，遭到极度破坏的赤峰市乌兰敖都地区草地，封育15年之后，草地盖度由25%增加到80%，生物量由450kg/hm²增加为1875kg/hm²。其植被恢复过程可分为三个阶段：狗尾草和马唐等一年生植物消失阶段，白草和羊草等根茎性禾草占优势阶段，糙隐子草和洽草等丛生性禾草占优势阶段。因过度放牧而退化的沙化草地，经20年封育，成为以半灌木差巴嘎蒿为优势种并混有多种植物的草地，其株高由30cm增加为65cm，盖度由5%增加为65%，生物量由210kg/hm²增加为1125kg/hm²，增加了4.3倍。围封能显著提高多年生禾本科和多年生豆科牧草的产量，降低杂草(主要是一年生杂草)在草群中的比例，对恢复草地中优良牧草作用很大。

　　沙丘不同部位，围封效果不同。一般来说，植被盖度达25%以上的半流动沙丘，若能在一定时期内禁止放牧(封育)就可以使植被得到恢复。

　　从表1可以看出，沙丘上、中、下部植被盖度均得到增加，生物量可达到围封前的3倍。在乌兰敖都试验站禁止放牧的实验地，沙丘顶部植被覆盖度达25%，丘间低地植被覆盖度达60%。奈曼旗沙漠化草地封育后整个草地植被向良性发展，盖度和生物量都增加，固定后的沙丘结皮层和枯枝落叶层逐渐增加，围封8年左右，地表趋于固定(表2)。

　　2．封育对土壤的影响

　　(1)对土壤容重的影响
　　持续放牧对沙质草地最明显最直接的影响是家畜啃食、践踏后草层高度和地表盖度的降低、裸地率的增加。围封后，随着枯落物的积累，裸地率降低，围封恢复5年和10年，裸地率较持续放牧草地分别下降了43.4%和70.6%。地表覆盖随封育时间的增加，使风蚀作用降低，对土壤及其周围环境产生明显的保护作用。

　　封育显著影响着表层土壤的容重。尽管由于均一的砂质结构，土壤容重值的变化在一个相对较窄的范围(1.39～1.58g/cm³)，但其之间有着显著的差异。封育条件下，土壤容重显著下降。土壤容重的下降是退化草地生态系统恢复的早期指标，因为容重的变化会进一步导致土壤水分保持、孔隙分布等影响植物生长的其他土壤性状的改变。封育条件下，土壤凋落物的输入，土壤的抗风蚀能力增强，沙漠化程度减弱，地下生物量增加，这些都是容重减少的主要原因。

　　(2)对土壤有机体碳储量的影响
　　表层土壤(0～15cm)有机碳的含量随封育时间而增加，10年封育区和放牧区有显著的差异，但5年封育区和放牧区之间以及5年封育区和10年封育区之间并无显著的统计学差异。5年封育区和放牧区土壤有机碳含量有较高的空间变异性，O～15cm深度土壤有机碳的储量与其含量有相同的变化趋势，只是由于容重的变化而缩小了各段之间的差异。10年封育区土壤有机碳储量比5年封育区和持续放牧区增加了11.5%和18.5%。

　　3．封育对风沙活动的控制

　　据研究，在科尔沁沙地风沙活动期的输沙量Q与同期的植被盖度Vc间的最佳非线性回归关系式为：

　　Q=3.93+93.66e-O.60Vc

　　表明风沙流的固体流量随着植被盖度的增大指数减小。可以看出，在风沙季节，当植被盖度大于10%时，输沙量就非常小。对于大部分退化草地而言，围封1年植被盖度即可达到10%。

　　三、阿拉善荒漠草地生态修复过程

　　1．植被特征的变化

　　荒漠草地在自由放牧条件下，1998年到2000年群落的生物量、草丛高度基本保持稳定，生物量在282～290kg/hm²之间，草丛高度在10.8～11.4cm之间，草地盖度1998年9月最大达7.96%，其余年份都在6%左右。1998年草地的盖度和产量都稍好于往年，主要是由于1998年植物生长季的降水量多于其他3年，而2001年受生长季降水减少的影响，地上生物量比前3年下降30%左右。

　　草地在封育恢复过程中，植被盖度、草丛高度和生物量都随着封育时间的延长而不断增加。例如，草地的盖度从封育前的6.4%增加到了2000年的最大值40.8%，2001年虽因5～7月的连续干旱影响，但也达到23.9%。地上生物量，封育当年比自由放牧提高了19.4%，封育第2年比第1年增加了103.9%，第3年比第2年增加了37.65%， 而比自由放牧增加了244.85%。第4年受生长季降水减少的影响，比第3年下降了34.2%，比自由放牧增加了295.7%。

　　2．土壤湿度和容重的变化

　　2001年9月测定结果表明，封育4年草地较自由放牧地土壤水分显著增加，0～20cm和20～40cm土层土壤水分分别增加了22.59%和11.67%。容重降低了3.7%和4.32%，但未达到显著水平。

　　四、额济纳荒漠河岸林生态修复过程

　　采用围栏保护后，再人工引水浇灌，荒漠河岸林幼苗得到明显恢复。封育年限1、2、3年，每公顷幼苗株分别为1185、1395和1710；幼树长势1年为0.9m，2年为1.2m，3年达1.6m；平均地径3年可达2.8m。表明围封后胡杨林幼苗密度增加，长势改善。

　　五、中国北方沙漠化生态系统修复目标、指标、时间和对策

　　1．生态修复目标

　　生态修复的目标取决于生态系统所处的生物气候条件，有什么样的水文条件就对应什么样的植被类型。植被与其所处的生物气候带高度耦合。植被的大小、盖度和多样性与降水水文过程高度相关。在连续的干湿梯度上，从半荒漠区(降水量300～400mm)到荒漠区(降水量不足120mm)，再到极端荒漠区(降水量不足70mm)，植被类型明显不同。当降水量不足400mm时，乔木就不能生长，120mm的等雨量线是草原和荒漠植被的界线，70mm的等雨量线是盖度不足10%的稀疏矮小灌木散生植被(Diffuse)和低洼集水地段生长的集聚植被(Contract)的分界线。干旱区的气候、土壤和植物群落具有特殊性。如少而且变异很大的降水量决定了水文和生态条件的高度变化，因而植被也存在明显的斑块格局，这种格局与降水量(户)和潜在蒸发量(卸)的比值高度吻合。从P/Ep>1到P/Ep<0.3的地区，植被由连续覆盖的森林和草原向不连续的斑块状格局过渡。植被与气候耦合的生物地带性规律是干旱区植被建设必须遵从的生态规律。

　　在科尔沁沙地和河北坝上这类地区，降水量在350～450mm之间，生态修复的目标是恢复疏林草地和连续覆盖的草地植被。像阿拉善地区降水量120mm左右，修复的目标是不连续的稀疏草地植被；像额济纳这类极端干旱区，恢复的目标是10%的稀疏矮小灌木散生植被和低洼集水地段生长的集聚植被。

　　2．生态修复的指标及修复时间

　　生态修复的指标及修复时间应根据植被、土壤、生态系统具体分析。在降水量50mm的荒漠河岸林，维系植被生长的水源来自地表水和地下水，消除对河岸林的干扰后再保证一定的水资源补给，3年左右河岸林幼苗明显增加，主要表现在幼苗的数量和生长。对于雨养生态系统来说，随着降水量的增加，围封后植被盖度的恢复时间缩短，例如科尔沁沙质草地围封3年左右植被盖度和生物量恢复接近最高。但植物种的恢复时间比植被盖度和生物量长，在科尔沁沙地需20年左右，在典型草原区的河北坝上，农田弃耕后即使在轻度放牧的条件下，15年左右植物种90%左右得到恢复。土壤条件恢复相对比较缓慢，降水量较多的河北坝上地区，50年左右土壤N、P、C尚不能恢复到天然草地的水平。

　　生态修复所需的时间不仅取决于降水，土壤条件也很重要。即使在相同的水热条件下，土壤条件不同，所需的修复时间也不同。例如，在河北坝上，低湿草地修复时间明显比山坡、沙质草地短。

　　3．修复生态系统的管理对策

　　建立“种子岛”。土壤种子库及其邻近是否具有种源是确定修复时间和能否达到修复目标的关键。因此，对那些土地转换完全，天然生态系统保留较少的地区，建立斑块人工植被(植物种为天然生态系统优势种)为生态系统恢复提供种源是十分必要的。

　　轻度干扰的生态系统是自然界比较稳定的生态系统。无论哪种生态系统修复到一定程度，必须加以管理利用。适度放牧和刈割，有利于草地生态系统的稳定和恢复。例如，在科尔沁沙地轻度放牧草地的种子库大于连续禁牧的草地。但是多长时间才能施加轻度干扰，干扰周期和强度如何，应该是生态修复中亟待研究总结的问题。

　　减少围封，强化封禁管理。本文是在围封禁牧的基础上论述的，围封的实质是消除放牧和刈割等人为活动对生态系统的影响，已在过去的草地管理和实践中广泛应用，也是以往实施生态工程常用的方法。相对围封草地的比例来讲，草地是广阔的，完全围封是不现实的，围封也不是消除人为干扰的最好办法。生态修复中应该改变观念，比如取消围封，加强禁牧管理等。　■



参考文献：

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(作者单位：中科院寒区早区环境与工程研究所)
责任编辑 王晓平