沙地生態系統研究與實踐的核心科學問題

王恩利，于相洋，張日升

（1.遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000；2.遼寧林業職業技術學院，遼寧 沈陽 110101）

在全球性的生態危機中，沙漠化引起的生態系統崩潰和生態系統功能嚴重退化是生態領域的主要問題。相對于沙漠，沙地生態系統具備較高的生產力、可觀的生物量、復雜的生物多樣性，具有重要的生態、經濟與社會效益，但同時沙地生態系統十分脆弱，很容易沙漠化。中國目前有科爾沁、毛烏素、渾善達克和呼倫貝爾等四大沙地，總面積15萬km2，多位于我國北方農牧交錯帶，土壤基質不穩定，風力強勁，易發生沙漠化［1］。

1 沙地生態系統的特點及問題

與沙漠相比，沙地的自然條件良好，地下水資源豐富。生態環境較差的毛烏素沙地年平均降水量為360mm，渾善達克沙地年降水量在350mm左右，生態環境較好的科爾沁沙地和呼倫貝爾沙地年降水量一般在310～500mm。我國的四大沙地年降水量相對較多，但沙地日照強烈，多風，年蒸發量是降水量的6～9倍。同時，四大沙地的地下水資源比較豐富，以毛烏素沙地為例，地下水資源豐富，分布普遍但不均衡，地下水位在多水年份可達灘地地表，低洼處則有季節性積水，干旱年份的灘地地下水埋深0.5～1.5m，人畜飲用水及農作物灌溉都取自淺層地下水［2］。所以，隨著沙地生態系統的科學研究工作的不斷深入，人類有能力在防止沙地進一步沙漠化的同時充分發揮出沙地最佳的生態、經濟和社會效益。

沙地的形成主要是氣候的變化和人為因素對生態系統破壞所造成的。特別是20世紀人類對草原的開發，使原有的草原退化，沙地活化而形成了沙地［3］。自20世紀初至今，沙地生態系統的研究一直屬于國際生態學界關注的熱點和前沿領域，研究發現，國內現有四大沙地生態系統存在三大共性問題。

1.1 原生植物系統被破壞，生物量下降

植被在沙地生態系統中起著核心作用，其退化或消失必然引起沙漠化的發展與環境惡化。在沒有人類干擾的沙地頂級植被是疏林，未被沙丘覆蓋的平地則為禾本科草本為主的草甸草原。由于人類的干擾使沙地的喬木、灌木和草本減少，取而代之的是大片的農田、撂荒地、退化的草場人工林網和片林。草場產草量減少，農田產量下降，生態穩定性差，植物種類單一且稀少；沙地中鼠類多，其他種類的動物相對少，都處于小種群的狀態。生物量急劇下降，使沙生態系統能量循環發生障礙［4］。

1.2 農牧比重大，系統結構單一

在沙地生態經濟系統中，農牧業占有較大的比例。沙地農業以種植業為主導，種植業又以大田作物占絕對優勢，現在耕地化肥施用量大，而有機肥的投入少，這種單一、粗放的以種植業為主的農業，在人口速增與自然災害的壓力下，常陷入愈窮愈墾、愈墾愈窮的惡性循環之中。沙地的草地資源是畜牧業生產與發展的物質基礎。長期以來，粗放經營的“頭數畜牧業”與主要因超載而嚴重退化草地之間的惡性循環，最終造成畜牧業與草業生產兩敗俱傷的“雙輸”局面，帶給沙地生態系統后果是草場退化，生物量減少，出現沙漠化［5］。

1.3 人類對沙地的索取大于供給，沙地與外界物質和能量交換失調

引起沙地生態系統退化的直接原因是土壤與礦物質的變化，如2000年，渾善達克農牧交錯區的肉產量為91 574t，羊毛產量為8 938.5t。按肉類平均含氮量2.64%、毛類平均含氮量18%計算，每年僅此兩項從草地生態系統中流失的氮素就達4 026.4t。按磷與氮之比為1.8∶16的比例來推算，每年系統中磷的產出損失為452.9t。而該地區在生產上沒有施肥的習慣，因此，這部分損失可以認為是凈損失，這對于土壤系統的破壞是致命的［6］。人口增加無疑是最主要原因，隨著人口的增加和人們對物質生活的追求，各大沙地的牲畜數量更是急劇增加，使草地壓力急劇增大，過牧和區域性超載現象普遍存在［7］。同時，樵采和挖中草藥也嚴重影響了沙地生態系統的物質平衡。

綜上，沙地生態系統結構中占主導地位的林草植被受破壞最嚴重，能量流動和物質循環失衡，致使生態系統自我調節和修復能力較弱。因此，在沙地生態系統建設中必須尊重沙地生態系統循環的自然規律，堅持林草植被建設為沙地生態系統建設主體的原則，從沙地水量平衡、抗旱高產植物的篩選和優化沙地建設模式三方面入手，組裝配套現有技術，解決好實際生產中的突出問題。

2 沙地生態系統研究的核心科學問題

2.1 沙地水量平衡

很多專家認為沙地植被的格局與景觀過程是土壤水循環長期演變的景觀表征和烙印，沙地生態系統中水因子是所有生態過程的直接驅動力。對這一問題的研究可以追溯到20世紀初的蘇聯，最早的研究是針對水分動態及沙地表面凝結水所進行的。1958年庫利克提出了根據水分資源確定早情的論述。與此同時，我國學者在騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區建立了水分平衡觀測場，開始對人工固沙植被的水分利用與沙地水量平衡進行長期定位研究，并建立了水量平衡方程。隨著大量的先進儀器、大型設備等測試手段的提高和水文模型的應用，為水循環與水分傳輸研究提供了條件，通過長期定位監測和生態建模，使水循環研究從植物個體與環境到種群、群落與環境的尺度轉化成為可能。沙地生態系統植被建設必須從水量平衡的角度出發，大面積的植樹造林、大規模的抽取地下水會影響到地下水系統，從而影響到整個沙地生態系統的平衡；植樹造林面積小，無法改善沙地生態系統的環境。可見，合理確定沙地喬灌草等不同生態景觀的比例非常關鍵，是沙地水量平衡的外在表現。在沙區資源的合理開發利用過程中，為能充分發揮沙地水量平衡理論的指導作用，堅持開展沙地生態系統長期定位監測就必然成為基礎性核心科研工作之一［8］。

2.2 抗旱高產植物的篩選

為了更好的選擇適宜在沙地生長的植物，以水分、養分為主要限制因子的植物脅迫生理生態學研究是沙地生態系統研究中的另一個側重點。目前研究水平已不再停留在光合速率、蒸騰速率、水勢等某一生理指標的數量變化上，而是深入到分子生理學和遺傳學的水平上解釋其變化機理，并已獲得與抗性有關的基因，為植物抗逆性的生物工程提供了可靠的理論依據和實驗基礎。如對與植物抗逆有關的ABA信號傳導問題的研究、與植物抗逆有關的光合C3、C4、CAM途徑轉變及基因的研究。選擇抗旱高產植物就是要充分利用沙地生態系統中的水資源和光資源。通過抗旱高產植物的篩選提高沙地單位面積生物量，減輕對沙地生態系統植被的破壞［9］。抗旱高產植物的篩選可作為沙地生態系統恢復研究工作中的核心內容之一。

2.3 優化沙地建設模式研究

干旱半干旱的沙地生態系統是一個巨大的、開放的區域生態經濟系統，他與外界發生著廣泛的物質、能量、經濟、信息的聯系，其功能是持續不斷地從環境中吸取有益資源（光、熱、水、養、氣等）持續不斷地從系統外輸入科技、文化、資金、物質等資源，通過系統內、外部結構的調控，為社會輸出有用的、高效的生態、經濟、社會效益，使整個系統步入健康、穩定、協調的良性發展軌道，促進區域經濟快速發展。沙地生態經濟系統包含著農業、林業、草業、畜牧業、工副業、文教衛生、多種商貿等經濟社會子系統，他們之間及其與環境之間是相互聯系、相互影響的。所以對沙地要樹立起一個整體的、系統的、綜合的生態經濟觀點既要充分利用氣候資源、土地資源、水資源、植物資源、動物資源，又要通過人類的經營活動所構成的人力資源和經濟資源，將多種資源有機結合成一個具有特定功能的、多層次、多水平的、合理的結構和布局。如奈曼荒漠化試驗站提出了“小生物圈模式”，以牧戶為單元，分3個層次：由外圈的喬灌林、中圈的牧草和內圈的作物組成。中心區位于圍封條件好的坨甸低地（作物），保護區位于中圈的草庫侖（牧草），緩沖區位于保護區外圍的固沙區（喬灌林）。李進等研究了人工固沙植被建設模式，即人工植被在宏觀上表現為疏林草原景觀，以灌木和半灌木為主、喬木為輔，在地下水位不低于4～5m的丘間低地中栽植樟子松，在地下水位低于4～5m的丘間低地可選擇小葉錦雞兒（Caraganamicrophylia）等，在沙丘背風坡坡腳栽植黃柳（Salixgordejevii），在沙丘迎風坡可選擇差巴嘎蒿（Artemisiahalodendron）和小葉錦雞兒等，植被建立順序是先在沙丘迎風坡栽種差巴嘎蒿，在背風坡腳栽植黃柳，其后建立小葉錦雞兒和樟子松植被。烏蘭敖都荒漠化試驗站提出了“四位一體”庭院經濟模式、丘間低地生態經濟圈模式。“四位一體”庭院生態經濟模式，以太陽能為能源，形成溫室大棚（蔬菜）－沼氣池（能源）－生態養殖（養豬）－廁所（有機肥）可持續經營的沙地良性生態循環系統。丘間低地生態經濟圈模式，以丘間低地為單元，其結構組成為從丘間低地底部至頂部分別為水田圈－果樹經濟林圈－防護林保護圈－草方格生物固沙帶（簡稱“三圈一帶”），意在形成“水稻坐底、果樹鑲邊、楊柳纏腰、沙障封頂”的生態與經濟雙贏模式［10］。沙產業合理開發與可持續發展是沙地生態系統研究和實踐的核心內容之一。

3 結論與討論

目前，隨著我國社會、經濟的高速發展和人們對物質生活水平需求的提高，促使人們對沙地的開發與利用會越來越快。這就警醒我們：在開發利用沙地時應特別尊重沙地生態系統循環的自然規律和特點，既要組裝配套好現有技術，又要不斷加強對水量平衡、抗旱高產植物的篩選和優化建設模式等沙地生態系統核心問題的研究與實踐，以此來解決實際生產中的突出問題，科學利用沙地生態系統的生產力，并與我國當下快速發展的經濟相適應，實現為人民造福的目標。而如何維護好沙地生態系統良性發展和可持續的生態安全等人文、政策方面的研究還有待進一步探討。

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