本文摘要:本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第8期中国科学院野外台站《恒久生态学研究支撑新疆南疆生态建设和科技扶贫》曾凡江 李向义 李磊 刘波 薛杰 桂东伟 雷增强中国科学院新疆生态与地理研究所 策勒沙漠研究站新疆南部的和田地域是我国 14 个集中连片贫困区之一,自古以来就深受风沙危害,生态情况极为懦弱。

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本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第8期中国科学院野外台站《恒久生态学研究支撑新疆南疆生态建设和科技扶贫》曾凡江 李向义 李磊 刘波 薛杰 桂东伟 雷增强中国科学院新疆生态与地理研究所 策勒沙漠研究站新疆南部的和田地域是我国 14 个集中连片贫困区之一,自古以来就深受风沙危害,生态情况极为懦弱。汉唐以来,和田绿洲被迫向昆仑山南移 100—150 km,皮山、墨玉、策勒县城曾 3 次搬迁,古丝绸之路沿线有 20 余座古城被沙海淹没。

20 世纪 50 年月以来,由于人类运动加剧,尤其是绿洲外围灌丛的过分砍伐、大规模毁林毁草拓荒造田,破坏了绿洲的天然屏障,导致沙漠的扩大和伸张。20 世纪 80 年月初,流沙再次迫近到距离策勒县城 1.5 km 处,策勒绿洲再次紧急。为相识决“沙临城下”的严重问题,1983年,中国科学院新疆生态与地理研究所(原“中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所”)建立中国科学院策勒沙漠研究站(以下简称“策勒站”),开展沙漠化防治研究事情。

面临严峻的生态情况问题和自然情况状况,依据生态学理论和方法,策勒站提出了“草、灌、乔”设置,“网、片、带、线”,“林、田、水、路”并举的综合治理技术模式,形成了以生物措施为主,工程措施为辅,生态效益、经济效益、社会效益兼顾的绿洲外围综合生态防护屏障构建和优化治理的技术体系。同时,策勒站在新垦沙荒地棉花高产稳产种植模式、退化荒原生态系统有效保育和合理使用途径、经济型生态防护体系建设等技术的研发和建立方面,开展了恒久系统的观察研究和试验示范,取得了一批适用性技术结果,为新疆南部干旱风沙区退化植被修复和农牧民脱贫增收提供了重要的理论指导和技术支撑,获得了各级政府的高度评价和海内外组织的广泛赞誉。

1 构建流沙治理模式,提出柽柳恢复技术体系塔克拉玛干沙漠南缘的策勒绿洲,年均降水量 <50 mm,年均潜在蒸发量 >2500 mm;年均沙尘暴 20 天左右、扬沙 90 余天、浮沉 100 余天,风沙频繁肆虐。策勒站开展了恒久监测、研究与科学治沙试验示范,经由多年的艰辛努力,使伸张扩大的流沙退却 5 km,构建了流沙治理的“策勒模式”,为我国和世界的荒原化防治提供了新的规范。

构建了绿洲外围综合防护体系联合策勒绿洲特殊的生态情况条件,策勒站提出了风沙灾害防治的综合防护体系模式。将生物措施和工程措施相联合,以生物措施为主体,建设 3 道控沙生物屏障。

改春季造林为秋季造林,充实使用夏季富足的洪水修复自然植被;使用洪水冲刷形成的拦沙河等工程措施,使其配设在体系的最外缘。一系枚举措有效停止了沙漠向绿洲伸张,切断沙漠与绿洲的联接,截断沙源,淘汰了风沙流中的含沙量。

第一道生物屏障为天然草灌带。使用洪水期浇灌,促进自然植被的恢复与形成,适当补播,增加种源和改善物种组成。

针对流沙主要在近地表层输运的特点,使用草本和半灌木的高度和生长麋集的优势,大规模增加地表粗拙度,减低风速,阻滞流沙,防止就地起沙,削减风沙流中的含沙量。第二道生物屏障为人工固沙灌木林带。使用灌木林的高度,进一步拦截通过草灌带中的沙物质,促使空气中悬浮的沙粒沉降。

第三道生物屏障为毗邻绿洲窄带多带式防沙林网。由高峻乔木组成,提高了屏障对大风的抵御能力。

当气流遇到前沿林带阻挡后,流场结构发生变化,大部门气流被迫抬升,从林带上空越过,林带背风面动能显着降低;林带多条理的一连阻挡,以及大量枝叶摆动和撞击,极大地消耗了风沙动能,降低了风速,促使进入体系内部的剩余沙量继续沉降,进一步淘汰大风和流沙对绿洲的危害。从纵断面看,拦沙河、天然草灌带、人工灌木林带、窄带多带式防沙林网的单个宽度划分为 50—100 m、300 m、500 m、1000 m,组成了总宽度 4.55 km 的综合防护屏障;其中,天然草灌带片合计占 77%。实践证明,这种防护体系的综合防护功效良好,生态效益显著。

在策勒沙漠-绿洲过渡带上漫衍有大片的天然植被。这些植被集中在绿洲外围及河流两岸,组成了绿色屏障,掩护了绿洲免受风沙危害。由于恒久不合理的樵采、放牧,绿洲外围及河流两岸的天然植被笼罩度降至 3%—5%,成为危害绿洲的重要沙源地。

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从 1983 年夏季开始,策勒站在 200 hm2 以上裸露的流沙地上引洪拉沙、引洪浇灌。引洪当年,一年生草本植物(如猪毛菜、五星蒿、沙米、虫实等)大量生长,盖度达 30% 以上,起到了固沙作用;多年生草本骆驼刺开始萌生,逐渐扩大,并形成建群种群落。第二年形成一年生草本与多年生草本骆驼刺的混生群落,第三年形成灌木(柽柳)、多年生草本(骆驼刺)、一年生草本的混生群落,并逐渐形成以柽柳和骆驼刺为建群种的稳定群落。至 1988 年在风沙前沿形发展、宽各 10 km 的绿色植被带,总面积达 10000 hm2以上,从而有效地停止了沙漠的扩大和伸张。

阐明晰塔里木沙漠公路生态防护体系主要植物的响应机制植物能否适应干旱、盐胁迫情况,是生态防护体系能否正常维持的关键。柽柳、梭梭、沙拐枣是组成塔里木沙漠公路生态防护体系的主要物种。研究发现,在地下 0—100 cm 土壤层内植物根系漫衍最多,其中地下 20—80 cm 土壤层的根系生物量到达总根系的 87%。

沙拐枣吸收根的生物量显著高于梭梭和柽柳(p<0.05)。大部门根系(47%)主要漫衍在地下 40—60 cm 土壤层,而在土壤盐分含量最高的表层(地下 0—10 cm)没有吸收根的漫衍,这可能是因为该层的土壤含盐量限制了根系的漫衍。植物根系在地下 0—50 cm 土层的漫衍与土壤含水量密切相关。

地下 0—50 cm 土壤水分与梭梭、柽柳、沙拐枣根系的相关系数划分为 0.816、0.866、0.754。地下 0—50 cm 土壤层的电导率与梭梭、柽柳、沙拐枣根系生物量呈负相关,划分为 0.894、0.595、0.773。上述效果讲明,在极端干旱的塔里木盆地要地,咸水浇灌没有对沙漠公路生态防护体系组成植物的生存和生长发生显着影响,植物能够合理使用区域的咸水资源。

该结论为极端干旱条件下使用高矿化度水浇灌育苗、流动沙漠腹和苗木培育基地建设提供了科技支撑。2 提出了绿洲外围新垦沙荒地种植模式和技术体系新垦沙荒地棉花高产稳产种植模式,为新疆棉花生长提供了技术支撑新疆是我国长绒棉的重要生产基地,棉花种植面积逐年扩大。20 世纪 90 年月后期,棉区已占到新疆耕地的 60% 左右,棉田轮作、倒茬泛起问题,存在病虫害暴发的潜伏风险,难以开展农业结构调整;同时,因棉花种植成本快速上升,导致经济效益大幅下滑。凭据棉花无限生长性、蕾铃脱落性、可塑性、喜光喜温性、适应多种土壤类型等特点,联合新疆南疆降雨量少、无霜期短、秋季降温快的气候现状,依据“密、矮、早、膜”的栽培模式下棉花的生育纪律,提出以增株增铃实现新疆棉花大幅增产技术,实现了干旱区棉花种植技术的新突破。

与成熟农田相比,沙荒地土壤贫瘠,有机质含量低,加上相对落伍的耕作技术,沙荒地种植效益不高。针对该问题,策勒站开展了沙荒地棉花高产种植技术研发。

1997 年开展了沙荒地棉花丰产栽培试验,新复垦的 70 亩沙荒地实现亩产皮棉 120 kg,部门实验品种亩产凌驾 180 kg,获得和田地域棉花产量评比第一名,发生了显著的社会效益。1998—2000 年,建立“双层双株”棉花高产栽培模式。

凭据新垦沙荒地病虫害少、通风透光条件好的特点,将以增铃增产为主的技术措施改为以增株增铃增产的技术措施,优化了棉花高密度种植模式,突破了亩产皮棉 250 kg 大关。在新垦沙荒地上,一连 3 年缔造了棉花单产的世界记载。

该栽培模式被正式列入新疆“十五”计划纲要,并在新疆举行了大规模推广应用。现在,该技术已推广 3 000 万亩,亩产提高 50% 以上。

策勒站因此获得 1999 年香港求是科技基金会发表的“良好科技成就团体奖”;2001 年“在新垦沙荒地上一连 3 年缔造了棉花单产世界记载”入选“中国十大科技希望”。荒原肉苁蓉高产稳产种植技术,促进区域生态工业协调生长和农牧民增收生长荒原肉苁蓉工业,增加农牧民收入,构建了生态经济型村镇农牧民增收的技术途径和连续增收的优化模式与长效机制,取得了良好的社会和经济效益。

肉苁蓉是多年生寄生性草本植物,具有极高的药用价值。已往,我国肉苁蓉基原来自野生资源;由于过渡采挖,野生肉苁蓉资源濒临枯竭。策勒站在 20 世纪 80 年月开展了肉苁蓉的人工接种、种植试验。

经由接种方式、接种深度、接种时间、灌水措施的技术研发,乐成将柽柳和管花肉苁蓉推广应用到新疆和田地域(该区已成为我国管花肉苁蓉的主产区)。之后,策勒站又乐成将梭梭和荒原肉苁蓉引种推广到新疆南疆地域,动员了地方经济生长;梭梭和荒原肉苁蓉已成为促进区域农牧民增收的重要工业之一。然而由于种植技术、治理方式和病虫害危害等方面的制约和影响,肉苁蓉种植普遍存在产量不稳、品质欠好、价钱不高的状况。针对以上问题,策勒站又开展了肉苁蓉高产稳产技术、优化治理模式的研发。

经由多年的努力,突破了肉苁蓉接种率低、产量不稳定的技术瓶颈,乐成研发出亩产 500 kg(鲜重)以上的立体化高产接种新技术。同时,阐明晰荒原肉苁蓉与寄主之间的互馈关系,发现了寄主两侧轮流复种肉苁蓉稳产种植治理新模式和肉苁蓉种植袋技术,构建了沙漠地域荒原肉苁蓉规模化种植和治理的技术体系。研发形成的流动沙漠地域荒原肉苁蓉种子生产的技术方法、立体化接种高产新技术和机械化种植技术(处于海内领先水平),实现了肉苁蓉的大面积规模化种植。

该结果在新疆南疆地域(和田地域、喀什地域、巴音郭勒蒙古自治州)已经乐成推广应用 7 万多亩,取得了庞大的经济效益、生态效益和社会效益。荒原肉苁蓉高产稳产和规模化种植技术体系的建设,为新疆南部农牧民脱贫致富提供了一条新路径。

同时,为风沙区可谋划型生态防护屏障的构建和优化治理,提供了理论依据和技术支撑。在我国干旱区生态文明建设和沙工业生长中,肉苁蓉工业具有辽阔的应用前景。3 极端干旱区主要优势植物的逆境响应机制和适应计谋研究研究植物对极端情况胁迫的响应机制和适应途径,可以为植被的恢复重建和可连续治理提供科学依据。

策勒站依托天然荒原综合观察试验场和恒久生态学实验研究样地,针对多年生优势植物幼苗定居历程的逆境适应特征、植物维持历程的光合水分生理特征和养分使用机制、植物种群繁殖的水分调控计谋和群落稳定漫衍的生态学基础等科学问题,开展了恒久、系统的观察实验研究,取得了一批原创性的理论结果,并从经济学和生态学角度提出了多年生优势植被可连续治理的技术措施和理论方法。阐明晰极端干旱区植物的漫衍特点和优势植物逆境适应机制漫衍在塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带的自然植被,地带性身分缺乏,呈显着的隐域性漫衍特征。

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研究该区域植被漫衍演替纪律及其与生境因子的关系、植物对干旱胁迫情况(如干旱、高温、辐射、风沙等)的抵御能力和植物的水分泉源,是荒原化防治、绿洲外围植被修复和生态防护体系稳定建设的重要前提。研究讲明,过渡带植被群落的漫衍特征主要受地下水埋深变化的影响,偶发的季节性洪水和降雨对植物的水分生理状况影响不大。可是,群落的组成身分和生物多样性受地貌特征和地下水埋深的双重影响。

地下水埋深的变化和植物的生长、植物的水分生理、水分使用效率、生物量增长密切相关。而且,地下水埋深影响着植物的养分吸收和化学计量特征的变化。

由于主要依靠地下水的供应,极端干旱区的隐域性优势植物没有显着的水分胁迫现象,水分生理特征更靠近中生植物的特点。蓬勃的根系是植物保证水分获取、适应极端干旱情况的基本特征。同时,过渡带优势植物的生产力高,年际生物量的累积靠近年降水量 1000 mm 地域的植物。

凭据植物的生理生态适应特征,将过渡带植物划分为 5 种主要的生理适应类型:低光合低蒸腾型、高光合高蒸腾型、高光合低蒸腾型、高水势延迟脱水类型和低水势忍耐脱水类型。因此,保持区域地下水位稳定,是维护绿洲生态宁静的重要前提。展现了极端干旱区主要物种的克隆繁殖纪律漫衍于沙漠-绿洲过渡带的主要优势植物群落的生长发育与其地下水埋深的变化密切相关。

策勒站多年监测数据显示,骆驼刺克隆分株的分枝角度集中在 90° 左右,这说明骆驼刺分株不需要通过增大分枝角度来扩大根系伸展空间。骆驼刺根系分株深度趋于浅层化,均漫衍在地下 0—40 cm 之间,分株之间的距离物长度是决议地上部门生长格式的重要参数。

随着土壤水分有效性的降低,骆驼刺幼苗分株生长格式逐步由“麋集型”向“游击型”过渡,最大限度地减小分株之间的竞争,最大效率地吸收情况资源。骆驼刺母株和子株间存在水分整合,母株会通过根系向子株传输水分。使用 AFLP 标志方法对 3 种多年生荒原植物种克隆尺度的研究效果讲明,胡杨和骆驼刺的最大克隆规模划分是 121 hm2 和 6.1 hm2,而柽柳克隆分株的规模仅为 38 m2。

随着克隆尺寸和潜水埋深的增加,胡杨和骆驼刺的克隆多样性下降,可是遗传多样性不受影响,其克隆能力较强;而柽柳的克隆能力相对较弱。4 阐明晰绿洲生态需水量变化特征,提出了地表水-地下水优化设置方案在塔克拉玛干沙漠南缘,水资源量严格限制了绿洲的规模,也是决议沙漠-绿洲稳定维持的关键要素。水资源的变化特征与生态、生产用水的平衡关系是该区域生态建设和经济社会生长的关键。绿洲生态需水量分析与决议系统水资源短缺一直是制约绿洲稳定维持和康健生长的首要因素。

策勒站基于绿洲农田恒久生态学试验观察场的定位观察研究和区域观察数据,量化了策勒绿洲的生态需水量。研究讲明,策勒绿洲的生态需水量占河流流量的 50% 左右,其中恢复地下水需水量占较高比例。

由于绿洲扩张和土地开发对水资源的过分使用,近 20 年来,策勒绿洲地下水位下降了 2.5—5.0 m,地下水溢出带向盆地内迁移了 2—3 km,泉水流量淘汰了 15%—35%,绿洲的生态功效处于不稳定状态。绿洲地下水出现负平衡,沙漠-绿洲过渡带天然植被退化加剧,沙漠化泛起扩张趋势,从而加剧了绿洲生态系统和荒原生态系统之间的用水冲突。协和谐缓解两大系统用水已成为策勒绿洲康健生长亟待解决的重要问题。

为此,策勒站使用贝叶斯模型建设了绿洲生态需水量决议系统,通过对监测数据的分析来确定最适绿洲生态需水量。凭据决议系统分析发现,策勒绿洲最适生态需水量在丰水年、平水年和干旱年划分为策勒河流量的 50.24%、49.71% 和 48.73%。地表水-地下水团结使用优化设置使用遥感数据解译与判读,查清了策勒绿洲灌区农作物种植结构及面积,通太过析各种作物的需水量及其占比,明确了绿洲农业用水的合理结构。

这为优化策勒绿洲用水合理设置和可连续生长提供了科学依据。1策勒绿洲的红枣是绿洲灌区的主要种植作物,其次为核桃和石榴(图 1)。

红枣种植面积占整个绿洲农田面积的 59.4%,浇灌水量占总用水量的 68%;核桃种植面积占比 23%,用水量占比 17.7%;石榴种植面积占比 5.7%,用水量占比 5.8%。图1 策勒绿洲农作物漫衍2基于遥感数据将绿洲灌区的渠系划分为 17 个浇灌区域(图 2)。

测定了各区域红枣、核桃和石榴的种植面积等及相关数据,进一步获得了红枣、核桃和石榴在生长旺季(每年 6—8 月)的耗水量与浇灌量,并划分在仅使用地表水、分组轮灌、支渠分区引水、经济作物种生长旺季等差别情景和条件下举行配等到对比试验,发现地表水仅能满足农田 70% 的浇灌需水量;只有通过地表水和地下水团结使用、轮灌分组科学配比,才气完全满足浇灌需水量。图 2 策勒绿洲灌区引水示意图3凭据试验和监测数据及科学设置方式,划分对地表水和地下水团结使用、科学轮灌分组、缩短引水时长等方式举行了总结,形成了具有实时智能浇灌调理决议的地表水-地下水耦合优化设置模式。

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应用该模式举行水资源设置与治理,在一定水平上淘汰人力物力,节约了水资源。该模式已获得更为广泛的推广应用。5 结语策勒站围绕新疆南部懦弱生态修复和农牧民增收中急需解决的焦点科技问题,在国家、中国科学院和地方重大科研项目支持下,开展了恒久的应用基础研究、技术研发、试验示范与辐射推广事情,为区域生态情况建设和经济社会可连续生长作出了重要孝敬。针对塔克拉玛干沙漠南缘的生态情况问题,策勒站研发的流沙治理和植被修复技术,在国际上发生了重要影响,并于 1995 年荣获团结国情况计划署(UNEP)发表的“全球土地退化与荒原化防治乐成业绩奖”。

建立了新垦沙荒地棉花高产稳产种植的技术模式,提升了区域棉花种植的技术水平,增加了农牧民收入,为新疆南疆地域农牧民增收技术研发和长效机制建设提供了科技支撑。兼顾生态效益、经济效益和社会效益,构建了沙漠-绿洲过渡带特色荒原生态工业协调生长的技术体系,研发形成的荒原肉苁蓉高产稳产种植的技术模式,为过渡带经济型生态防护屏障的构建提供了理论依据和技术支撑。同时,策勒站在沙漠-绿洲稳定维持和可连续治理、绿洲水资源团结使用和优化设置等方面作出了孝敬。

围绕干旱区生态建设和区域经济社会可连续生长,策勒站的系列研发结果为新疆南疆地域生态建设和科技扶贫事情提供了重要的科技支撑。中国科学院新疆分院“访惠聚”驻村事情队对策勒站提出了“精准扶贫”“科技扶贫”“生态扶贫”等科技需求,策勒站将在中国科学院“率先行动”计划和特色研究所建设框架下,深入开展生态系统生态历程机理研究、绿洲荒原水肥高效使用技术研发及试验示范和用推广事情,提升科学研究水平和科技服务能力,建成干旱区重要的科技支撑平台和示范推广基地,服务于区域生态情况建设和经济社会生长。

曾凡江 中国科学院新疆生态与地理研究所研究员、博士生导师,新疆策勒荒原草地生态系统国家野外科学观察研究站站长。专业偏向是干旱区植物生态学。《生态学杂志》《干旱区研究》编委。曾主持包罗国家科技支撑计划项目课题、国家重点基础研究生长计划项目(“973”课题)、中国科学院科技服务网络项目(STS 项目)等科研项目20余项。

现主持国家自然科学基金委-新疆团结基金重点支持项目、中国科学院科技扶贫项目、中国科学院战略性先导科技专项(A类)子课题。获得新疆维吾尔自治区科技进步奖一等奖 2 项、二等奖 2 项;揭晓研究论文 150 余篇(SCI 收录 80 余篇);获得国家授权发现专利 10 余项;出书专著 2 部。文章源自:曾凡江,李向义,李磊,刘波,薛杰,桂东伟,雷增强.恒久生态学研究支撑新疆南疆生态建设和科技扶贫.中国科学院院刊,2020,35(8):1066-1073.。

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