低覆蓋度治沙的原理與模式

楊文斌，馮偉，李衛

(1. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.錫林郭勒職業學院，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1

(1. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.錫林郭勒職業學院，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，是從近自然林業思路出發，探索的能夠完全固定流沙、加快土壤植被修復、提高生物生產力、節約生態用水、實現固沙林可持續發展的覆蓋度在15%～25%的新型治沙模式。該模式獲多項國家專利及科技成果，開創了植被在低覆蓋度下實現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展，為我國防沙治沙工程及生態環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；生態優勢；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，制約經濟可持續發展，嚴重威脅生態安全。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]，開展了大規模防沙治沙工程，但固沙林出現了中幼齡林成片衰敗死亡現象，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”也出現了嚴重衰亡現象，且植被生物量和水分利用效率也并非最優。

為了實現有效治沙及固沙林可持續發展，從近自然林業思路(接近當地自然植被覆蓋度)出發，系統研究了喬木、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、提高生物生產力、節約生態用水、實現固沙林可持續發展[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年度內蒙古自治區科學技術進步一等獎；同時，成為《國家造林技術規程》旱區部分修訂(2015修訂版)的重要內容[13-16]。該模式開創了植被在低覆蓋度下實現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、經濟的時代具有重要價值；同時，為我國干旱、半干旱區防沙治沙工程、植被恢復等生態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展[17-19]，為我國防沙治沙工程及生態環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、植被穩定性和加快修復速度為出發點，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。基本相同覆蓋度(20%)，人工配置成行帶式(0.5～5 m)，栽植沙蒿2～3 a后，形成穩定的凹月形沙面，5～6 a后，發育成良好的結皮，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

一個重要的發現是：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。這一現象的發現表明：低覆蓋度固沙林內有局部抬升風速的現象，進一步測試和對水平和垂直風速流場的研究后發現，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。

3水分利用機制與生態水文效應

通過對行帶式楊樹土壤水分的研究表明，在干旱、半干旱區形成邊行優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定不變的地段，明顯地出現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，在常規降雨年份，水分滲漏補給帶通過對水分調節層和水分主要利用層的補給和調節，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，水分調節層將發揮重要的作用，這樣就保證了固沙林的長期穩定性和可持續性(圖3)。

4土壤植被修復與優化帶間距

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分含量。帶間距的寬窄度是影響系統快速逆轉的重要因素，行帶式格局是一個充分發揮界面效應的格局，使每一株林木都處于界面生態環境中；按照生物生產量、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能力，結合造林樹種抗旱的生理生態水分關系，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。優化帶間距后，避免了固沙林中幼齡林衰敗死亡現象，林分能夠充分發揮界面生態效益，明顯提高固沙林生產力和促進帶間植被、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、植物種類及數量、生物量和土壤中的有機質含量、微生物種類和數量均逐年增加，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生態優勢與創新

低覆蓋度治沙體系具有多項生態優勢與創新[12,17,18]：15%～25%的低覆蓋度行帶式固沙林消除了類似“狹管”抬升風速的現象，能夠完全固定流沙，實現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，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過程與生態效益，同比生物生產力提高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)植被更加穩定；能夠調節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象；可降低造林成本40%～60%及林分生態用水量20%～30%。

6典型模式

在不同生物氣候區，主要根據區域水分條件及環境立地特點，選擇不同喬灌木固沙樹種，通過調節行帶式固沙林的帶間距及設置不同的喬灌木組合，以形成適合區域環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、穩定和可持續發展。總體來說[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”“網格模式”“生態林業模式”(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”。對于單風向地區采取低覆蓋度行帶式分布格局，對于多風向或變風向地區采用低覆蓋度網格布局或環形布局等，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定過渡。

單行一帶

兩行一帶

多行一帶

網格模式

生態林業模式

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、半干旱區沙漠化土地生態修復的穩定性提升具有重大意義”[16,18]。

國家林業局局長張建龍認為：該技術模式創新了治沙造林理念，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，避免沙區植被衰退或死亡，創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[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定正常生長，在確保固沙等生態效益的同時，生態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]。

國家林業局治沙辦總工屠志方說，與傳統固沙造林相比，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、林草復合的結構穩定性增強。低覆蓋度治沙已經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。在半干旱區，可以把治理與利用相結合，如喬灌結合，發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，可以治理與保護相結合，灌木為主，成林后可以季節性放牧。極端干旱區是灌溉和潛水造林區，主要用于交通干線、廠礦企業和綠洲的防風治沙，其核心是用最少的生態用水實現最大的防風固沙效果。低覆蓋度治沙可以把生態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)已建有典型試驗示范區8處，推廣面積200萬hm2，實現了巨大的生態和經濟效益。低覆蓋度治沙已經有力地促進了防沙治沙事業[19]，成為國家防沙治沙重點推廣的技術體系。

生態文明建設已經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、半干旱區沙地治理及生態修復力度；絲綢之路戰略的啟動，將進一步加大干旱、半干旱區沙地治理、生態修復的力度。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、生態修復、絲綢戰略。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、干旱區林業等方面的研究，Email:nmlkyywb@163.com

收稿日期：2016-03-21

文章編號：1005-5215(2016)04-0001-05