宁夏沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站
新闻公告
守望大漠--中国科学院沙坡头站为沙区生态屏障护航
作者: 沙坡头站 更新时间: 2021-06-07

 中国科学院沙坡头沙漠研究试验站建站于1955 年,是我国最早建立的沙漠综合治理研究站,其65 年的长期生态学研究为我国沙化土地治理、沙区生态重建与恢复提供了重要理论和技术支撑。研发了举世闻名的“草方格沙障”和“以固为主、固阻结合”的沙害防治技术与模式提出“水量平衡、以水定植”的固沙植被建设理论体系,以及土壤生境恢复为目标,实现生态系统整体恢复的沙区生态重建和恢复的理论,研发和开拓了新的沙化土地治理模式和方向,引领了干旱区生态水文学和恢复生态学研究,为中国北方沙区生态屏障建设和防沙治沙做出了贡献。

确保包兰铁路畅通

从1955 年开始,沙坡头站就着手腾格里沙漠铁路交通干线的防沙治沙研究,为包兰铁路畅通无阻保驾护航。经过反复实践和实验模拟研究,创造性地研发了闻名全球的“1 米×1 米草方格沙障”,从分布于中亚和中国沙区100 余种旱生植物中遴选出适宜流动沙丘生长,耐高温耐辐射、耐风蚀耐沙埋,高抗旱的5 种旱生灌木。通过在流动沙丘群迎风面扎设防沙、输沙的阻沙栏,在沙面扎设草方格沙障,沙障中按一定比例种植“先锋种─优势种─稳定种”组成的稀疏人工植被,形成了“以固为主、固阻结合”的沙害治理模式,在国内外得到广泛应用,并在防沙治沙中仍然发挥着不可替代的作用。曾获国家科技进步特等奖,联合国环境规划署“全球环境500 佳”、联合国开发计划署“最佳实践奖”等荣誉。

以水定植”的固沙原理

探明了主要固沙植物水分利用的来源,提出了不同气候带沙区土壤水的最大植被承载力,为沙区植物种选择与植被建设规模提供理论依据。根据对天然植被区土壤含水量的长期监测,明确了不同沙区可供人工植被利用的土壤储水量:在干旱区占降水的10~30%,在半干旱区占40~60%,在半湿润区占60~70%。结合茎干液流观测、稳定同位素技术与模型解析探明了我国主要固沙植物的水分利用来源。在极端干旱区其水分利用来源主要是深层土壤水和地下水,如梭梭、柽柳、白刺、沙拐枣等;在干旱沙区油蒿、柠条、沙冬青和沙木蓼等主要利用60cm~100厘米的土壤水分,占全部水源的76%~87%;在半干旱沙区樟子松和小叶锦鸡儿70% 以上水分来自20~80 厘米土层,而杨树则主要利用深层土壤水和地下水。

明确了典型固沙植被的水量平衡关系,为确定不同沙区人工植被的类型和空间配置提供了理论支撑。针对不同气候区固沙植被─土壤系统水分传输的关键过程、固沙植被─土壤系统水分平衡关系的尺度效应两个关键科学问题,在个体、群落、景观尺度上解析了固沙植物吸水─输水─耗水关键过程及其调控机制,探究了不同尺度固沙植被水分平衡关系。
厘清了我国主要固沙植物适宜生态气候分布区,基于遥感、气象、植被和土壤数据,模拟了固沙植被区的蒸散发量、土壤水分动态、地下水埋深及对土壤水的补给,并预测未来的变化趋势。首次确定了人工固沙植被稳定性维持的生态─水文阈值,为不同气候带沙区人工植被建设和管理提供科学的依据。为现有植被的生态─水文调控和对未来植被建设提出合理的建议,该成果获2009 年国家科技进步二等奖。

土壤生境恢复是生态恢复的主要依据

长期监测表明,随着固沙植被区深层土壤的干旱化,灌木种在群落中的优势地位和主导作用也逐渐减弱,并有从植被组成中退出的趋势。此过程因灌木“沃岛效应”的削弱而相应地使土壤资源分布的空间异质性程度减弱。在固定沙面大量的非维管植物( 藻类、藓类和地衣) 的繁衍形成生物土壤结皮,一年生植物和多年生草本的定居,人工植被朝着以草本为优势,并与邻近草原化荒漠和荒漠化草原类似的原生植被类型演变和恢复。土壤资源分布的异质性程度在植被格局和过程中起着重要的作用,也是驱动干旱区植被退化或恢复的关键因素之一,而土壤生境的恢复则决定着生态恢复效果的可持续性。当土壤资源异质性程度高时,系统发生退化,当异质性降低时系统开始恢复。生物土壤结皮在植被中处在演替后期阶段,指示沙区生境得到良好恢复,处在初期演替阶段,则指示地表沙化仍没有得到有效遏制。相关成果获宁夏自治区科技进步一等奖2 项(2007 和2017 年)。

革新沙化土地治理模式

长期生态学监测研究发现,固沙植被建立后蓝藻结皮在沙面的形成且盖度达到80% 以上需10~15 年,地衣和藓类结皮盖度达到80% 以上需要40 年以上。蓝藻结皮容易破碎,抵抗风蚀较差,生物土壤结皮只有发展到地衣或藓类结皮阶段时才能完全控制地表风蚀。针对生物土壤结皮在沙面形成和发展速度慢、难度大,且受风蚀、高温、养分和土壤质地等非生物因素的限制,利用微生物技术可实现土壤生境改善与恢复提速增效的目的。

利用微生物制剂和产品促进生物土壤结皮发育,提速固沙时效。微生物固沙作为一种新型固沙技术,具有环保优良、适应性强、成本低、见效快、易操作和产业化生产等优势,被公认为是最有发展潜力的一种固沙措施。例如,我们从腾格里沙漠人工植被区的生物土壤结皮中分离出一种新的特基拉芽孢杆菌株,具有很高的胞外多糖生产能力,将含有该菌株的液体喷洒于目标固沙区域的表面能够迅速固定沙粒,其与人工培养的蓝藻共同使用,效果更佳。此外,流动沙丘沙砾多为细小石英颗粒,缺肥少水,流动性大,如何提升其肥力,有利于蓝藻拓殖也是提速生物土壤结皮发育的重要途径之一。与土壤施肥、种植苗木和物理重构技术相比,微生物土壤改良法作为一种新型土壤改良技术,具有污染性小、价格低廉、耗时短暂、适应性强、工程量小等优点,是从根本上修复土壤生态系统最有发展潜力的一种措施。
在传统固沙技术上,利用人工生物土壤结皮提速沙化土地治理。通过对藻类结皮中优良藻种的分离、纯化与选育,种藻的规模培养,工厂化/ 规模化生产和野外接种等几个步骤,可在野外沙障固沙区快速形成蓝藻结皮。人工培育的藻种与微生物技术的联合使用,可提速人工生物土壤结皮形成和发展。可以在1年时间内完成生物土壤结皮10 余年的自然形成过程。

生物土壤结皮在地表的覆盖控制了地表风蚀,促进了沙面土壤快速形成和利于草本植物的定居,进而替代了高密度种植的防护效果,植被建设中减少了苗木的用量和土壤水分的消耗,一次性地完成沙化土地治理和生态恢复的任务,实现了提速增效,并节约了大量的人力、物力和财力。相关成果分别获宁夏自治区科技进步一等奖2 项、甘肃省科技进步一等奖1 项(2017 年) 和甘肃省自然科学一等奖1 项(2008年)。
注:文章发表于《人与生物圈》2021年第一期 作者:李新荣 中国科学院沙坡头沙漠研究试验站站长、研究员

原文链接:

http://www.mab.cas.cn/cbkw/mabzz/202105/P020210511456818978854.pdf



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