希拉穆仁草原退化評價及地表風蝕顆粒表征

黃 昕,蒙仲舉,汪 季,丁延龍,馬浩翔,王 琴,黨曉宏,吳 昊

(1.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院,呼和浩特 010018; 2.內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗水保工作站,內蒙古 鄂爾多斯014300)

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希拉穆仁草原退化評價及地表風蝕顆粒表征

黃 昕1,蒙仲舉1,汪 季1,丁延龍1,馬浩翔2,王 琴1,黨曉宏1,吳 昊1

(1.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院,呼和浩特 010018; 2.內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗水保工作站,內蒙古 鄂爾多斯014300)

經過對希拉穆仁草原圍封、自由放牧草地及旅游區(qū)進行實地調查，結合內蒙古自治區(qū)第5次荒漠化和沙化監(jiān)測實施細則，根據(jù)植被蓋度和生物量等指標對草原進行了退化診斷與評價，并在此基礎上研究了不同退化程度的地表粗粒組成。結果表明：希拉穆仁草原圍封草地以輕度退化為主，自由放牧區(qū)以中度退化為主，但在坡頂出現(xiàn)重度退化，旅游區(qū)退化程度最為嚴重，均為重度退化區(qū)；可以以土壤顆粒>0.84 mm的百分比含量作為草原退化的判別標準，當其含量在82.22%～89.04%范圍內為重度退化，含量在74.01%～79.53%為中度退化，含量在56.05%～66.11%為輕度退化。該指標能夠直觀、實時地反映草原的退化狀況，且具有簡便、快速診斷的生產應用性。

荒漠草原; 退化程度; 土壤粒度組成; 判別標準

受全球氣候變化影響，加之開墾、超載過牧等人為活動，草地退化現(xiàn)象嚴重[1]。近幾年伴隨草原旅游業(yè)的興起，導致草原景觀呈現(xiàn)破碎化[2]。國內外已有研究結果表明，在草原退化的諸多評價指標中，土壤粒度特征具有很好的指示作用，草地退化往往伴隨著土壤粗粒化過程[3]，土壤粗化是我國北方草原沙化、退化的主要表現(xiàn)形式之一[4]。尤其位于農牧交錯地帶的風力侵蝕地區(qū)，土壤顆粒組成對地表抗風蝕能力起很大決定作用，是影響土壤侵蝕發(fā)生及發(fā)展的關鍵因素。史培軍[5]研究表明，決定土壤抗蝕性的重要因素是土壤顆粒組成，粒徑在0.08～0.25 mm范圍的土壤顆粒最易風蝕；朱震達等[6]認為土壤風蝕強度會被土壤性質的差異影響，反過來風蝕作用也會改變土壤粒度的組成。閆玉春等[7]研究表明過度放牧草地土壤表現(xiàn)出明顯的風蝕特征，表層土壤粗粒化明顯，表層土壤平均粒徑比圍封草地增加約1倍。高君亮等[8]研究表明從草地到沙丘的演化是一個地表主要以極細沙+粉沙質量分數(shù)減少的風蝕荒漠化過程，土壤顆粒及分形維數(shù)可表征土地風蝕荒漠化的程度。本文利用數(shù)字圖像處理方法獲取風蝕地表顆粒[9-12]，以“內蒙古自治區(qū)第5次荒漠化和沙化監(jiān)測實施細則”進行不同類型草地退化分級[13]，旨在實現(xiàn)基于土壤粒度特征的草原荒漠化評價，豐富和完善荒漠化監(jiān)測技術體系，為當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護提供一定的理論支撐。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地位于希拉穆仁草原水利部牧區(qū)水利科學研究所水土保持生態(tài)監(jiān)測中心，地理坐標為41°18′—41°23′N，111°07′—111°14′E，地處溫帶半干旱區(qū)，屬典型大陸性季風氣候，年均降水量284 mm，蒸發(fā)量為2 305 mm，年際、月際變幅懸殊，降雨主要集中在7月、8月、9月份；年均氣溫2.5℃；風大且多，年均風速4.9 m/s，年大風日數(shù)為63 d，冬春以北風和西北風為主；土壤侵蝕主要以風力侵蝕為主；土壤類型主要有栗鈣土和草甸土，質地粗糙，土層平均厚度30—50 cm。植被建群植物種為克氏針茅(Stipa krylovii Roshev.)、冷蒿(Artemisia frigida Willd.)、糙隱子草[Cleistogenes squarrosa (Trin.)Keng]、冰草[Agropyron cristatum (L.)Gaertn.]、羊草[Leymus chinensis (Trin.)Tzvel.]、芨芨草[Achnatherum splendens (Trin.)Nevski]等[14]。

1.2研究方法

1.2.1樣地布設研究區(qū)呈低緩渾圓丘陵狀，平均坡度3.8°，根據(jù)實際情況，以坡頂為中心，分別向東(E)、西(W)、南(S)、北(N)、東北(NE)、西北(NW)、西南(SW)以及東南(SE)8個方向呈輻射狀布設樣線，坡頂以西、西南方向為封育區(qū)，坡長150 m，該區(qū)2002年開始禁牧，以自然恢復為主。坡頂正南、東南方向為旅游開發(fā)區(qū)，坡長120 m，開發(fā)10 a以上，旅游活動主要集中在7月、8月兩個月份，年接待游客750人次/a；其他為自由放牧區(qū)。由于坡面不對稱，因此各個方向樣線長度不同，共設樣點27個。

1.2.2測定指標和方法

(1)植被指標。分別于2013年、2014年8月下旬采用1 m×1 m樣方測定植被生長指標，植被總蓋度采用估算法，植物種、植物株數(shù)采用計數(shù)法，用5 m卷尺測定平均高度和最高高度；地上生物量刈割法收集，同時收集立枯生物量，帶回實驗室65℃烘干至恒重獲取生物量。

(2)地表顆粒采集。采用數(shù)字圖像采集[9-11]在拍攝區(qū)域上平放標尺框，使用鑷子小心清除框內地表上的雜物，使地表完全露出，此過程應保證地表不被擾動。考慮到太陽高度角的影響，用自制黑色遮光布遮擋使拍攝樣方全部位于陰影中，保證整個樣方內光照均勻；將定制好的矩形標尺框置于樣點，框尺控制范圍30 cm×20 cm，采用Canon Eos 5 D-MarkⅡ數(shù)碼相機架設三腳架進行拍攝，相機鏡頭垂直地表74 cm，此時鏡頭視野剛好與框尺重合，每樣地連續(xù)重復拍攝5張并編號備用。后期利用Erdas Imagine 9.0軟件，對圖像進行分類、矢量化，獲取顆粒對應的面積信息數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)處理

所測得的土壤質地和植被等指標結合“內蒙古自治區(qū)第5次荒漠化和沙化監(jiān)測實施細則”[13]進行各個樣方的退化分級，運用SAS 9.0聚類分析各樣方退化程度。

對于地表顆粒采集后的圖像，在室內利用Erdas Imagine 9.0軟件經過圖像格式轉換、分類、矢量化等過程獲取每個顆粒的面積信息數(shù)據(jù)，用等效直徑來代表土壤顆粒粒徑。

等效直徑可通過公式(1)進行計算得出[9]：

D=2(S/π)1/2

(1)

式中：D為圖像中單個土壤顆粒的等效直徑；S為圖像中單個土壤顆粒的面積。

數(shù)字采集技術對提取較大顆粒精度較高，同時結合單顆粒大于0.84 mm為不可蝕因子[15]。本文依此標準進行粒度劃分。結合公式(2)和表1計算出不同粒徑的土壤顆粒百分比含量。

不同粒徑的土壤顆粒其百分含量計算采用以下公式：

D(x)=∑d(x)占像元總數(shù)/圖像像元總數(shù)×100%

(2)

式中：D(x)為某種粒徑土壤顆粒在圖像中的像元總數(shù)。

2　結果與分析

2.1植被空間分布特征

研究區(qū)為半干旱荒漠草原，主要植被類型是草本植物，以菊科、禾本科植物為主。由表2可以看出，封育區(qū)植被各項指標均高于其他兩個樣地，尤以植被蓋度和地上生物量最為明顯，封育區(qū)植被蓋度為63.26%，自由放牧區(qū)為45.89%，旅游區(qū)蓋度僅為16.29%，經多重均值檢驗，植被蓋度在ɑ=0.05顯著性水平下，圍封、放牧及旅游區(qū)差異顯著，ɑ=0.01圍封和旅游區(qū)差異極顯著；生物量在ɑ=0.05顯著性水平下差異顯著，但在ɑ=0.01時，圍封與放牧、旅游區(qū)差異極顯著，但放牧與旅游區(qū)無極顯著差異，同時，在植被的平均高度和種數(shù)上，圍封區(qū)與自由放牧區(qū)、旅游區(qū)均表現(xiàn)出差異，這表明封育有效促進了植被恢復，而旅游人為活動對植被踐踏、破壞作用凸顯，在實地調查中也發(fā)現(xiàn)旅游區(qū)有裸露斑塊地分布；值得一提的是，自由放牧區(qū)、旅游區(qū)分別出現(xiàn)了指示退化的植物種冷蒿和狼毒，可見該區(qū)出現(xiàn)不同程度退化。

表1　土壤顆粒轉換比例

表2　試驗區(qū)植被基本情況

注：同列相同字母表示差異不顯著,不同字母表示差異顯著；小寫字母顯著水平(p<0.05)，大寫字母顯著水平(p<0.01)。

為了進一步分析植被的空間分布特征，對研究區(qū)植被蓋度及生物量值的偏度、峰度進行測定(表3)，并采用K-S法進行非參數(shù)檢驗，由表4可知，各個區(qū)域植被蓋度、生物量均符合正態(tài)分布(5%水平)。

表3　植被蓋度、生物量的描述性統(tǒng)計

表4　植被蓋度的半方差函數(shù)理論模型參數(shù)

本文利用GS+9.0軟件對不同區(qū)域植被蓋度和生物量的空間變異性進行分析，用球狀、指數(shù)和高斯模型進行模型擬合，得到模型相關參數(shù)值，結果見表5。可以看出，植被蓋度的理論模型均是高斯模型，而生物量模型分別是高斯模型、球狀模型和指數(shù)模型，表中塊金值與基臺值的比表示隨機部分的空間異質性占系統(tǒng)總變異的比例，反映空間自相關的程度。圍封、自由放牧及旅游區(qū)植被蓋度的塊金值與基臺值的比均小于25%，表現(xiàn)強空間相關性，說明植被蓋度空間變異是由自然因素影響而產生，生物量也表現(xiàn)一樣的趨勢，具有強空間相關性；從變程A來看，表中所有變程的變化范圍為50.84～211.31 m，均超過實際樣點間隔50 m，說明取樣合理，能反映空間自相關關系；模型R2接近1，RSS值越小，就說明模型可以越準確地反映圍封、放牧及旅游區(qū)的植被蓋度、生物量的空間分布狀況[16-17]。

表5　植被生物量的半方差函數(shù)理論模型參數(shù)

為了更直觀地反映研究區(qū)植被蓋度、生物量分布的空間分布特征，結合變異函數(shù)模型及趨勢效應參數(shù)，利用Furfer 9.0軟件進行空間插值分析，Kriging插值會使高值降低，低值增高，從而達到將曲線平滑化的效果[16]。

插值后分別繪制空間分布格局圖(圖1—2)，圖中顏色越淺，表示對應位置相應蓋度、生物量值越高，反之，若顏色越深，表示其值越低。

圖1　植被蓋度在圍封區(qū)、自由放牧區(qū)、旅游區(qū)空間分布

圖2　植被生物量在圍封區(qū)、自由放牧區(qū)、旅游區(qū)空間分布

由圖1可以看出，圍封區(qū)、自由放牧區(qū)和旅游區(qū)植被蓋度呈現(xiàn)明顯的空間變異性，自由放牧區(qū)和圍封區(qū)植被蓋度空間分布具有一定的相似性，但圍封區(qū)植被平均蓋度為77.14%，大于自由放牧區(qū)的45.89%，旅游區(qū)平均蓋度為16.29%，說明減少人類過度的活動、牲畜過度的啃食、踩踏，植被的生長得到明顯的恢復；在3種不同草地利用方式下，均表現(xiàn)為坡頂位置蓋度最低，東北方向蓋度最大；其次3種不同草地利用方式下植物蓋度的空間分布又各有不同，自由放牧區(qū)可以明顯看出植被蓋度由東北向西南、南逐漸減小，圍封區(qū)也表現(xiàn)出這一漸變過，但不如放牧區(qū)顯著，原因是草地在圍封之后，植被生長的情況得到明顯恢復，尤其在西、南這些水分相對缺少的區(qū)域，其物種長勢明顯區(qū)別于放牧區(qū)，圍封區(qū)植被平均高度為7 cm，而自由放牧區(qū)<3 cm；所以植被蓋度在西、南方自由放牧區(qū)<圍封區(qū)；但在旅游區(qū)這種現(xiàn)象并不明顯，東、南、西和北方向蓋度差別不大，平均蓋度為11.21%，表明其蓋度降低不隨方向的改變而變化，原因是由于人類活動旅游對草原造成過度的踩踏、植被破壞，且這種破壞具有隨意性，所以在此區(qū)域植被蓋度各個方向均不高，差異不大。

由圖2可以看出，植被生物量隨著不同強度的人為干擾變化很大，在圍封、自由放牧和旅游區(qū)空間分布上呈現(xiàn)各自不同的變化規(guī)律，首先植被類型差異很大，建群種及組成植物種均不相同，圍封區(qū)主要是以羊草+克氏針茅為主要植被，自由放牧區(qū)則是以冷蒿+克氏針茅為建群種，而在旅游區(qū)，以上植被均很少見到，取而代之的是一些退化指示植物，如狼毒、亞洲百里香等。從空間分布上看，圍封區(qū)內在西南、南方向生物量最大，但在西、西北及東方向出現(xiàn)最低值，這是由于自然條件下主害風方向為西、西北，長期的風蝕帶走了土壤的水分及養(yǎng)分，從而抑制植被的生長；同樣，調查發(fā)現(xiàn)在南、西南方向出現(xiàn)具有指示退化的狼毒、狹葉錦雞兒等，但是這些植物單株的生物量較大；在自由放牧區(qū)生物量空間差異普遍不大，只是西南、南方向生物量出現(xiàn)最低值；在旅游區(qū)內，西北和南方向出現(xiàn)最低值，原因是在人為破壞加上自然因素共同導致植物的繁茂深受制約。

綜合上述內容，植被蓋度的空間分布均表現(xiàn)出一定的條帶狀與斑塊狀分布格局。在不同草原管理方式下坡頂均形成蓋度較小的小塊斑狀，從坡頂向下，植被蓋度逐漸增加，生物量隨著不同的管理方式則不同。此外，從等值線分布的密集或稀疏可以辨別植被蓋度、生物量的變化速率，如圖2A的中間部分即坡頂部位閉合等值線分布較稀疏，西南坡面的下方，等值線變得較為密集，說明坡頂、西北及東面生物量隨位置移動變化較緩，而南坡面下方顆粒組成變化較為緩慢。

2.2荒漠草原退化程度診斷及評價

在草原荒漠化研究過程中，由于研究的地區(qū)不同、引起荒漠化環(huán)境的原因不同以及所考慮的因素不同，因此所選取的評價指標亦不一樣，必須因地制宜地選取評價指標[18]。本文參考“內蒙古自治區(qū)第5次荒漠化和沙化監(jiān)測實施細則”[13]中草原退化標準進行評價。

在地面調查評價因子、土地利用類型等基礎上，對多個評價指標進行定量值或定性值分析，據(jù)此確定各指標的評分值；用各指標的評分值之和確定荒漠化程度(輕度、中度、重度、極重度)和非荒漠化土地。基于各個樣方植被的地面調查與評分體系，結合SAS 9.0軟件進行分析，采用最短距離法對27個樣方的各項指標進行聚類分析(圖3)，評價結果如下：

注：A為旅游區(qū)，B為自由放牧區(qū)，C表示完全禁牧，數(shù)字為各個樣方編號。

圖3希拉穆仁草原生物特征27個樣方聚類圖

一類：包括A1，A3，A9，A7，A6，A5，A4，A2，A8，B1，B4，這11個樣方單獨聚為一類，即旅游地坡頂及其周圍8個方向和自由放牧坡頂及南向，其植被蓋度、地上生物量等指標為最低，結合土壤質地、礫石含量、覆沙厚度和地表形態(tài)得分將這幾個樣方定為重度退化。

二類：包括B3，B7，B5，B2，B6，B9，B8聚為一類，即自由放牧的東、東南等7個方向，這7個樣方各個生物指標均較低，土壤質地、礫石含量、覆沙厚度和地表形態(tài)得分相對較小，既將這幾項定為中度退化。

三類：包括C1，C9，C2，C5，C3，C7，C6，C4，C8，即圍封區(qū)域包括坡頂在內的各個方向，各個指標均為最高且顯著區(qū)別于其他樣方，可以將此9項定位輕度退化。

2.3不同退化程度下土壤顆粒含量

根據(jù)以上歸類判別，對應各個不同退化程度樣方的圖像資料，帶回實驗室對各個樣方土壤顆粒含量進行分析，結果見圖4。草原退化的演變即地表土壤的粗粒化和單粒化過程[19]；伴隨土壤的粗粒化過程，加劇了土體的分散以及結構的破壞，從而使得土壤的容重增加、持水性能下降、孔隙度降低等一系列土壤物理性狀的惡化。重度退化表現(xiàn)在區(qū)域范圍內坡頂粗粒化最為嚴重，自由放牧坡頂和旅游地坡頂>0.84 mm的含量為84.84%和87.01%，自由放牧南向>0.84 mm的含量為80.01%，旅游地各個方向>0.84 mm的含量平均值為81.25%，各個土壤粒級>0.84 mm的含量均超過80%，而粒徑在0.84～0.42 mm和<0.42 mm的含量都不超20%，粒級含量分化明顯。

圖4　不同退化程度樣方粒級含量

中度退化程度的各樣方土壤粒級>0.84 mm平均含量為76.96%，各樣方值均小于80%，0.84～0.42 mm平均含量為17.16%，較重度退化增加接近20%，最大值達到20.55%，而<0.42 mm的平均含量在5.81%，最大值出現(xiàn)在東南方向，含量為6.77%。

輕度退化土壤粒級>0.84 mm平均含量為62.5%，較中度退化含量降低了23.14%，最小值為55.13%和55.16%，在北、東南出現(xiàn)最低；最高值出現(xiàn)在西方，為67.25%。粒徑在0.84～0.42 mm和<0.42 mm的含量均有了大幅度提高，百分比均占總體的30%，10%左右。總體來說，地表粗粒化程度明顯下降，半可蝕、可蝕性顆粒含量大幅增加，而不可蝕顆粒含量減小。

在95%的可靠性下，對不同退化程度的土壤顆粒進行描述性統(tǒng)計，輕度退化土壤顆粒<0.42 mm含量為3.98%，0.84～0.42 mm為10.39%，>0.84 mm為85.63%；中度退化土壤顆粒<0.42 mm含量為6.20%，0.84～0.42 mm為17.03%，>0.84 mm為76.77%；重度退化土壤顆粒<0.42 mm含量為11.05%，0.84～0.42 mm為21.87%，>0.84 mm為61.08%。隨著退化程度的減弱，不可蝕顆粒(>0.84 mm)的含量逐漸降低，而半可蝕顆粒(0.84～0.42 mm)及高度可蝕顆粒(<0.42 mm)均逐漸增加。

中度退化區(qū)較重度退化區(qū)不可蝕顆粒平均含量減少了8.86%，而半可蝕顆粒和可蝕顆粒增加了6.64%和2.22%；在輕度退化區(qū)，不可蝕顆粒較重度退化區(qū)減少了28.67%，半可蝕及可蝕增加1.68倍和1.77倍。

從各徑級顆粒含量的變動系數(shù)來看，>0.84 mm的不可蝕顆粒含量變動系數(shù)都較小，分別為4.47%，4.06%和9.25%，均小于10%,屬于弱等變動；而<0.42 mm的可蝕顆粒變動系數(shù)不論退化程度如何，值均為10%～30%，在3個粒級內最大，所以顆粒>0.84 mm的不可蝕顆粒在單位均值上的離散程度低。絕對誤差反映測量值偏離真值的大小，在不同測量結果時估算其可靠程度。由表6可知，相同退化程度下不同徑級估算的相對誤差有很大差異，如重度退化下>0.84，0.84～0.42，<0.42 mm的相對誤差限為4.00%，25.48%，26.73%，即不可蝕顆粒<半可蝕顆粒<可蝕顆粒，即不可蝕顆粒(>0.84 mm)的百分含量更接近真值，且估計精度為96.00%。在輕度退化、中度退化也存在相似規(guī)律，>0.84 mm的不可蝕顆粒估計精度為96.04%和91.77%，明顯的高于半可蝕及可蝕顆粒的精度，即>0.84 mm的不可蝕顆粒粒級較其他粒徑更能代表其所屬退化程度。通過統(tǒng)計計算，重度退化>0.84 mm的不可蝕顆粒的百分比含量為82.22%～89.04%，中度退化不可蝕顆粒為82.22%～89.04%，而輕度退化不可蝕顆粒含量為56.05%～66.11%。

表6　不同土壤粒徑含量的描述性特征統(tǒng)計

3　結 論

(1)圍封草地以輕度退化為主，自由放牧區(qū)以中度退化為主,但在坡頂出現(xiàn)重度退化，旅游區(qū)退化程度最為嚴重，均為重度退化區(qū)；

(2)基于數(shù)字圖像處理技術及簡單隨機抽樣的估算方法對各個退化程度總體進行分析，隨著退化程度的加強，不可蝕顆粒(>0.84 mm)的百分比含量呈增加趨勢；半可蝕顆粒(0.84～0.42 mm)及可蝕顆粒(<0.42 mm)含量逐漸減少；

(3)經過統(tǒng)計分析，>0.84 mm的不可蝕顆粒的百分比含量總體變動系數(shù)小于10%，絕對誤差最小，更接近真值,更能代表其退化程度；

(4)以>0.84 mm的顆粒含量做為草原退化劃分依據(jù)：重度退化含量為82.22%～89.04%,中度退化含量為74.01%～79.53%，輕度退化含量為56.05%～66.11%，較重度含量分別降低了16.81%，37.05%。

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Degradation Evaluation and Characterization of Surface Wind Erosion Particles in Xilamuren Grassland

HUANG Xin1,MENG Zhongju1,WANG Ji1,DING Yanlong1, MA Haoxiang2,WANG Qin1,DANG Xiaohong1,WU Hao1

(1.College of Ecological Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018, China; 2.Soil and Water Conservation Work Situation of Dalate,Erdos,Inner Mongolia 014300,China)

Fenced grassland,open grazing grassland and tourism areas in Xilamuren Grassland were surveyed combining with the Fifth Desertification and Desertification Monitoring Implementation Details of Inner Mongolia Autonomous Region,grassland degradation was diagnosed and evaluated according to indicators such as vegetation cover and biomass.Based on this,characterization of surface coarse particles of different degrees of degradation was studied.The results showed that the fenced grassland was mainly mild degraded; open grazing grasslands were mainly moderately degraded,but the top of the hill was severely degraded.Degradation degree at tourism areas was the most serious degraded.Volume percentage of non-erodible particles(>0.84 mm)could be used as an appropriate discrimination standard to evaluate the grassland degradation degree,it is severe degradation when its content is 82.22%～89.04%,moderately degraded with its content of 74.01%～79.53%,mild degraded with its content of 56.05%～66.11%.The index may intuitively and real-time reflect the degradation situations of grassland,and it is also a simple,rapid diagnostic application to the practice.

desert grassland; degradation degree; soil granulometric composition; discrimination standard

2015-07-29

2015-09-28

教育部新教師基金“退化草原風蝕地表粗粒化過程及數(shù)字影像判讀”(20131515120017);內蒙古教育廳重點項目“基于數(shù)字圖像處理技術的荒漠草原地表風蝕研究”(2013MS0613);中科院西部之光“內蒙古中西部荒漠草原地表粗粒化過程研究”

黃昕(1990—),女,安徽利辛縣人,碩士研究生,研究方向為荒漠化防治。E-mail:2438509835@qq.com

汪季(1957—),男,山東濟南人,博士,教授,博士生導師,主要從事荒漠化防治研究。E-mail:wangji1957@163.com

S157.1; S812.2

A

1005-3409(2016)05-0141-06