中國典型沙漠區主要優勢植被穩定修復途徑與可持續經營技術

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我國典型沙漠區主要優勢植被亟待修護

位於新疆南疆的塔裡木盆地是我國沙漠化最嚴重的地區之一。該區氣候乾旱,降水稀少,蒸發強烈,植被稀疏。這裡的植物區系組成貧乏——各類草甸、灌叢和荒漠河岸林生長在低洼地和河流兩岸。它們是一類典型的荒漠河岸植被,其生存主要依賴於地下水,構成了隱域性植被。這些多年生植被不僅是保護綠洲的生態屏障,而且是當地重要的放牧場所,對當地畜牧業發展有著重要的貢獻。20 世紀下半葉,由於人口的快速增加和過度開墾,荒漠-綠洲過渡帶的多年生植物遭到了大面積的破壞,繼而導致了風沙災害,使得大面積耕地被流沙吞沒,並產生了飼料短缺等嚴重問題。因此,研究區域優勢植物的生理生態學特性,揭示植物與水分的關係及穩定修復機制 ,對退化荒漠生態系統的可持續經營具有重要意義。

位於新疆北疆的準噶爾盆地被公認為是對全球變化最敏感的地區之一。該地區降雨量和蒸發量反差巨大,年均降水量僅為 60—250 mm,年蒸發量則在 2 000 mm 以上;由於冬季有穩定的積雪覆蓋,最大積雪厚度多在 20 cm 以上,早春融雪為荒漠植物的生長發育提供了有利的條件。降水格局的變化會導致土壤水分時空分布的動態變化 ,影響到土壤種子庫的萌發,進而補充和更新幼苗 。這些變化也必將影響植物的生長和生理生態特性,進而有可能影響到旱地生態系統的結構和功能屬性。因此,水分影響著荒漠生態系統的各個環節,以及荒漠區的植被恢復與重建。梭梭(Haloxylon ammodendron C. A. Mey.)是我國西北荒漠半荒漠地區的珍貴植物資源。梭梭集中分布區在準噶爾盆地,約佔我國梭梭總面積的 68.2%。梭梭植被是農耕綠洲的天然屏障,具有不可估量的生態、經濟和社會效益。在氣候變化和人類活動的影響下,準噶爾盆地天然梭梭林分布面積減小,蓋度下降。保護乾旱區生態環境,防止沙漠擴展,拯救、保護梭梭已迫在眉睫。

分布於內蒙古科爾沁沙地和渾善達克沙地的疏林草原植被,不僅是防風固沙、保護沙區生態環境和周邊土地資源的一種重要的植被,也是耐旱沙生植物的重要物種基因庫和草原野生動物的重要避難所和棲息地。天然疏林草原中榆樹(Ulmus pumila L.)具有強抗旱性特徵及較大遺傳多樣性變異潛力。然而,近年來榆樹群落正處於嚴重的退化狀態,主要表現為天然更新嚴重不足。這與過度放牧下牲畜啃食幼苗幼樹、人類經濟活動的過度幹擾等造成榆樹種子失去了萌發所需要的位置穩定性有關,當然也與氣候變化導致生境惡化存在一定的聯繫。

我國不同典型區主要優勢植被的穩定修復途徑

新疆塔裡木盆地

塔裡木盆地南緣區域降水極少,荒漠優勢植物通過根系直接或間接與地下水相連通或從地下水毛細上升區獲得持續穩定的水分來源,基於水勢差調節、滲透調節、形態調整等多種調節方式來應對乾旱脅迫,從而實現植物的穩定維持和有效修復。因此,維持區域地下水穩定是保障優勢植物可持續經營的重要前提。

在塔裡木盆地南緣荒漠-綠洲過渡帶分布有 5 種優勢植被類型(圖 1):疏葉駱駝刺(Alhagi sparsifoliaShap.)、胡楊(Populus euphratica Oliv.)、多枝檉柳(Tamarix ramosissima Ledeb)、頭狀沙拐棗(Calligonum caput-medusae Schrenk)和蘆葦(Phragmites australis Trin.。這些植物的分布特徵和群落構成與地下水埋深密切相關。研究表明,在地下潛水埋深 15.7 m 地段,疏葉駱駝刺在群落中佔有絕對優勢,並且呈均勻分布狀態;在地下水埋深 8.8 m 地段,植被由多枝檉柳形成的單一植物群落組成,但多枝檉柳的頻度、相對多度和蓋度值都非常低,群落中有大片空白地;在地下潛水埋深 6.3 m 地段,同樣是以多枝檉柳為主的群落,但群落蓋度有較大程度的增加、生物多樣性升高。從群落的數量指標分析,多枝檉柳在群落中佔有絕對優勢的地位,但分布上並不均勻。在地下水埋深 6.0—4.7 m 地段,是胡楊優勢群落。在地下水埋深 4.5 m 地段,群落的蓋度和組成成分增加,多枝檉柳的密度甚至超過胡楊,但胡楊仍佔絕對優勢(圖 2)。在地下水埋深 3.3 m 地段,多枝檉柳雖然在群落中佔據明顯優勢,但密度下降,而蘆葦的重要性明顯上升。當地下水埋深升高到 2.1 m,蘆葦成為群落的主要成份。儘管群落中仍有多枝檉柳和疏葉駱駝刺出現,但重要性明顯下降。

新疆準噶爾盆地

新疆準噶爾盆地優勢植物梭梭的維持水源具有多途徑特點,地下水、融雪、降雨形成的淺層土壤水是其主要水源。處於不同林齡和不同生長時段的梭梭對不同水源利用形式的轉換是維持其正常生存和生長的重要途徑。研究表明,幼齡梭梭在每年 4 月主要利用淺層土壤水,利用比例為 62%—95%;幼齡梭梭在每年 5 月主要利用 0—50 cm 土層的土壤水,利用比例達 67.5%;成株梭梭在每年 7 月主要利用 250—400 cm 土層的土壤水,利用比例達 94.2%。在每年 5—9 月梭梭主要利用地下水,利用比例為 68%—100%(圖 3)。由冬季融雪和春季降水補給的淺層土壤水和地下水是梭梭種群可利用的 2 類重要水源,而梭梭對不同時期發生的 2 場相似量級的降水具有不同程度的響應。梭梭的水分利用動態反映了其對乾旱環境的適應。

內蒙古科爾沁沙地和渾善達克沙地

實行季節性倒場放牧和草原承包製背景下的保護性利用,可有效恢復草地植被,實現草地的可持續經營利用。研究表明,近年來內蒙古西遼河流域科爾沁沙地和渾善達克沙地東部的榆樹群落正處於嚴重的退化狀態,主要表現為天然更新嚴重不足(圖 4a)。封育保護對榆樹自然落種更新十分有利,其存活曲線趨向於 Deevey I 型(圖 4b)。林下草地植被既是疏林草原的重要組成部分,也直接影響著榆樹疏林的自然恢復。

此外,沙地半灌木蒿類植被是沙地植被中最有代表性的主體組成部分,它與生物氣候條件的變化相適應並表現出明顯的區域性特徵,從半乾旱到乾旱區依次分布有科爾沁沙地的差巴嘎蒿(Artemisia halodendron Turcz.et Bess.)、渾善達克沙地的褐沙蒿(Artemisia intramongolica H.C.Fu)和毛烏素沙地向西深入到騰格里沙漠西緣的油蒿(Artemisia ordosica Krasch)等植被,在區域生態環境保護和農牧業生產方面發揮著極其重要的作用,維持其穩定具有十分重要的意義。半灌木蒿類植被具有基本相同的生態習性和繁殖特點,種子表面的沙蒿膠,遇到水形成粘液可防止種子發生位移;半灌木蒿類幼苗和成年個體在沙埋和乾旱脅迫下形成多種抗旱適應機制;這些植被也都是有性繁殖和無性繁殖的兼性克隆植物。這些適應性使得蒿類植被具有在乾旱、多風沙環境下快速自我修復的能力。只要通過封育為退化半灌木蒿類植被提供穩定的環境條件,就可以有效地促進其恢復;適度放牧利用也是保持其群落穩定的關鍵;而對於退化嚴重的群落,還可採取平茬方式進行復壯更新 。

不同典型區主要優勢植被的可持續管理技術

合理處理沙漠前沿植被與洪水和地下水的關係

合理處理洪水和沙漠前沿植被的關係。塔裡木盆地南緣是降水極端稀少的區域,而且程度已經達到 1 000 年以來的最低點。植物繁殖需要良好的土壤水分條件,這不僅是種子萌發的需要,而且是保證幼苗根系達到地下水的需要。由於水分緩慢地滲過土壤淤積層,短時間(幾天內)的洪水不會引起深層土壤水分的充分飽和。所研究的植物都沒有出現遠離現代河床、形成大面積分布範圍的現象,甚至在土壤表面到毛細管水邊緣距離超過 20 m 的立地也沒有出現.

穩定維持地下水和前沿植被的關係。在塔裡木盆地沙漠周緣的沙丘中,從沙丘頂端到地下水之間的距離主要是通過植物的根系來連接的,還可以通過(植物)的主幹和粗枝來連接的。植物的生產力、木質部水勢和 δ13C 值隨著植物離地下水距離的增加而降低,這表明(植物體內)水分傳輸的阻力和水分在木質部中的傳輸距離有關。沙漠前沿的多年生植物不僅能夠而且需要和地下水相聯繫,因此前沿植被的存在依賴於持久的地下水供給.

對沙漠前沿植被的收穫量不應超過植被的增長量。植被的死亡和更新要達到平衡。在確定植被年生長量的基礎上,可以計算植被的允許利用強度。為了避免浪費灌溉水,在植被更新措施中,應運用能促進植物根系儘快生長而達到地下水的灌溉方法。當植物根系達到地下水以後,灌溉即可停止。為了在植被更新中確保灌溉水的節約利用,即使在土壤表面離地下水距離很遠的立地,也需要調查選擇合適的灌溉方法和研究植物根系對土壤水分的依賴程度,為實現植被的「近自然」恢復重建奠定技術基礎。

充分利用積雪融水培育幼苗和免灌造林

利用雪墒播種幼苗培育關鍵技術。準噶爾盆地邊緣冬季多年平均積雪厚度為 20—30 mm,可以利用好的雪墒飛播或者人工輔助恢復梭梭。人工種植技術關鍵為:一次供水量為 20 mm,沙埋厚度為 1.0 cm。

梭梭免灌造林技術。在準噶爾盆地,種植幼苗要利用好早春的積雪融水,造林應在每年 3 月底前完成。由於乾旱區降水量低,通過改造微地形,形成積雪溝和積水坑的方法,讓降水再分配,形成梭梭集水造林免灌植被造林方法。梭梭林合理種植密度為 2.5 m×3 m,即 1 333 株/hm2 作為初植密度和成林密度是較為合適的。其能夠達到水分供需平衡,在不灌溉情況下,僅靠降水不會出現固沙林衰亡的結果。

封育保護是促進優勢植被穩定修復的先決條件

封育保護對於防止人畜對沙漠(沙地)自然植被的破壞,以及提供穩定的環境條件具有十分重要的作用,也是促進自然植被穩定修復的先決條件。沙漠(沙地)自然植被的生理生態、生長繁殖與演替規律是其穩定修復與可持續經營的理論基礎。系統性地開展自然植被方面相關的基礎理論研究,對於制定自然植被保護、修復、經營和利用的技術措施和相關政策等,都具有十分重要的意義,因此應給予足夠的重視和長期的支持。

統籌兼顧生態用水、扶持區域經濟發展,也將為沙漠前沿主要自然植被的有效保育和合理利用創造重要條件

在 21 世紀水資源需求總量不斷增加的大背景下,應把生態用水擺在落實可持續發展的高度,與生產生活用水一視同仁,通盤考慮,合理分配上、中、下遊用水,綠洲建設與荒漠治理用水。同時,通過節水滿足農業規模擴大的需要,為保護和改造荒漠植被提供合理的生態灌溉水源。

(作者曾凡江、張道遠、李向義、劉國軍、張希,中國科學院新疆生態與地理研究所;張文軍、張 雷、袁立敏,內蒙古自治區林業科學研究院 。《中國科學院院刊》供稿 )