沙地生态系统研究与实践的核心科学问题

王恩利，于相洋，张日升

（1.辽宁省固沙造林研究所，辽宁 阜新 123000；2.辽宁林业职业技术学院，辽宁 沈阳 110101）

在全球性的生态危机中，沙漠化引起的生态系统崩溃和生态系统功能严重退化是生态领域的主要问题。相对于沙漠，沙地生态系统具备较高的生产力、可观的生物量、复杂的生物多样性，具有重要的生态、经济与社会效益，但同时沙地生态系统十分脆弱，很容易沙漠化。中国目前有科尔沁、毛乌素、浑善达克和呼伦贝尔等四大沙地，总面积15万km2，多位于我国北方农牧交错带，土壤基质不稳定，风力强劲，易发生沙漠化［1］。

1 沙地生态系统的特点及问题

与沙漠相比，沙地的自然条件良好，地下水资源丰富。生态环境较差的毛乌素沙地年平均降水量为360mm，浑善达克沙地年降水量在350mm左右，生态环境较好的科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地年降水量一般在310～500mm。我国的四大沙地年降水量相对较多，但沙地日照强烈，多风，年蒸发量是降水量的6～9倍。同时，四大沙地的地下水资源比较丰富，以毛乌素沙地为例，地下水资源丰富，分布普遍但不均衡，地下水位在多水年份可达滩地地表，低洼处则有季节性积水，干旱年份的滩地地下水埋深0.5～1.5m，人畜饮用水及农作物灌溉都取自浅层地下水［2］。所以，随着沙地生态系统的科学研究工作的不断深入，人类有能力在防止沙地进一步沙漠化的同时充分发挥出沙地最佳的生态、经济和社会效益。

沙地的形成主要是气候的变化和人为因素对生态系统破坏所造成的。特别是20世纪人类对草原的开发，使原有的草原退化，沙地活化而形成了沙地［3］。自20世纪初至今，沙地生态系统的研究一直属于国际生态学界关注的热点和前沿领域，研究发现，国内现有四大沙地生态系统存在三大共性问题。

1.1 原生植物系统被破坏，生物量下降

植被在沙地生态系统中起着核心作用，其退化或消失必然引起沙漠化的发展与环境恶化。在没有人类干扰的沙地顶级植被是疏林，未被沙丘覆盖的平地则为禾本科草本为主的草甸草原。由于人类的干扰使沙地的乔木、灌木和草本减少，取而代之的是大片的农田、撂荒地、退化的草场人工林网和片林。草场产草量减少，农田产量下降，生态稳定性差，植物种类单一且稀少；沙地中鼠类多，其他种类的动物相对少，都处于小种群的状态。生物量急剧下降，使沙生态系统能量循环发生障碍［4］。

1.2 农牧比重大，系统结构单一

在沙地生态经济系统中，农牧业占有较大的比例。沙地农业以种植业为主导，种植业又以大田作物占绝对优势，现在耕地化肥施用量大，而有机肥的投入少，这种单一、粗放的以种植业为主的农业，在人口速增与自然灾害的压力下，常陷入愈穷愈垦、愈垦愈穷的恶性循环之中。沙地的草地资源是畜牧业生产与发展的物质基础。长期以来，粗放经营的“头数畜牧业”与主要因超载而严重退化草地之间的恶性循环，最终造成畜牧业与草业生产两败俱伤的“双输”局面，带给沙地生态系统后果是草场退化，生物量减少，出现沙漠化［5］。

1.3 人类对沙地的索取大于供给，沙地与外界物质和能量交换失调

引起沙地生态系统退化的直接原因是土壤与矿物质的变化，如2000年，浑善达克农牧交错区的肉产量为91 574t，羊毛产量为8 938.5t。按肉类平均含氮量2.64%、毛类平均含氮量18%计算，每年仅此两项从草地生态系统中流失的氮素就达4 026.4t。按磷与氮之比为1.8∶16的比例来推算，每年系统中磷的产出损失为452.9t。而该地区在生产上没有施肥的习惯，因此，这部分损失可以认为是净损失，这对于土壤系统的破坏是致命的［6］。人口增加无疑是最主要原因，随着人口的增加和人们对物质生活的追求，各大沙地的牲畜数量更是急剧增加，使草地压力急剧增大，过牧和区域性超载现象普遍存在［7］。同时，樵采和挖中草药也严重影响了沙地生态系统的物质平衡。

综上，沙地生态系统结构中占主导地位的林草植被受破坏最严重，能量流动和物质循环失衡，致使生态系统自我调节和修复能力较弱。因此，在沙地生态系统建设中必须尊重沙地生态系统循环的自然规律，坚持林草植被建设为沙地生态系统建设主体的原则，从沙地水量平衡、抗旱高产植物的筛选和优化沙地建设模式三方面入手，组装配套现有技术，解决好实际生产中的突出问题。

2 沙地生态系统研究的核心科学问题

2.1 沙地水量平衡

很多专家认为沙地植被的格局与景观过程是土壤水循环长期演变的景观表征和烙印，沙地生态系统中水因子是所有生态过程的直接驱动力。对这一问题的研究可以追溯到20世纪初的苏联，最早的研究是针对水分动态及沙地表面凝结水所进行的。1958年库利克提出了根据水分资源确定早情的论述。与此同时，我国学者在腾格里沙漠东南缘沙坡头地区建立了水分平衡观测场，开始对人工固沙植被的水分利用与沙地水量平衡进行长期定位研究，并建立了水量平衡方程。随着大量的先进仪器、大型设备等测试手段的提高和水文模型的应用，为水循环与水分传输研究提供了条件，通过长期定位监测和生态建模，使水循环研究从植物个体与环境到种群、群落与环境的尺度转化成为可能。沙地生态系统植被建设必须从水量平衡的角度出发，大面积的植树造林、大规模的抽取地下水会影响到地下水系统，从而影响到整个沙地生态系统的平衡；植树造林面积小，无法改善沙地生态系统的环境。可见，合理确定沙地乔灌草等不同生态景观的比例非常关键，是沙地水量平衡的外在表现。在沙区资源的合理开发利用过程中，为能充分发挥沙地水量平衡理论的指导作用，坚持开展沙地生态系统长期定位监测就必然成为基础性核心科研工作之一［8］。

2.2 抗旱高产植物的筛选

为了更好的选择适宜在沙地生长的植物，以水分、养分为主要限制因子的植物胁迫生理生态学研究是沙地生态系统研究中的另一个侧重点。目前研究水平已不再停留在光合速率、蒸腾速率、水势等某一生理指标的数量变化上，而是深入到分子生理学和遗传学的水平上解释其变化机理，并已获得与抗性有关的基因，为植物抗逆性的生物工程提供了可靠的理论依据和实验基础。如对与植物抗逆有关的ABA信号传导问题的研究、与植物抗逆有关的光合C3、C4、CAM途径转变及基因的研究。选择抗旱高产植物就是要充分利用沙地生态系统中的水资源和光资源。通过抗旱高产植物的筛选提高沙地单位面积生物量，减轻对沙地生态系统植被的破坏［9］。抗旱高产植物的筛选可作为沙地生态系统恢复研究工作中的核心内容之一。

2.3 优化沙地建设模式研究

干旱半干旱的沙地生态系统是一个巨大的、开放的区域生态经济系统，他与外界发生着广泛的物质、能量、经济、信息的联系，其功能是持续不断地从环境中吸取有益资源（光、热、水、养、气等）持续不断地从系统外输入科技、文化、资金、物质等资源，通过系统内、外部结构的调控，为社会输出有用的、高效的生态、经济、社会效益，使整个系统步入健康、稳定、协调的良性发展轨道，促进区域经济快速发展。沙地生态经济系统包含着农业、林业、草业、畜牧业、工副业、文教卫生、多种商贸等经济社会子系统，他们之间及其与环境之间是相互联系、相互影响的。所以对沙地要树立起一个整体的、系统的、综合的生态经济观点既要充分利用气候资源、土地资源、水资源、植物资源、动物资源，又要通过人类的经营活动所构成的人力资源和经济资源，将多种资源有机结合成一个具有特定功能的、多层次、多水平的、合理的结构和布局。如奈曼荒漠化试验站提出了“小生物圈模式”，以牧户为单元，分3个层次：由外圈的乔灌林、中圈的牧草和内圈的作物组成。中心区位于围封条件好的坨甸低地（作物），保护区位于中圈的草库仑（牧草），缓冲区位于保护区外围的固沙区（乔灌林）。李进等研究了人工固沙植被建设模式，即人工植被在宏观上表现为疏林草原景观，以灌木和半灌木为主、乔木为辅，在地下水位不低于4～5m的丘间低地中栽植樟子松，在地下水位低于4～5m的丘间低地可选择小叶锦鸡儿（Caraganamicrophylia）等，在沙丘背风坡坡脚栽植黄柳（Salixgordejevii），在沙丘迎风坡可选择差巴嘎蒿（Artemisiahalodendron）和小叶锦鸡儿等，植被建立顺序是先在沙丘迎风坡栽种差巴嘎蒿，在背风坡脚栽植黄柳，其后建立小叶锦鸡儿和樟子松植被。乌兰敖都荒漠化试验站提出了“四位一体”庭院经济模式、丘间低地生态经济圈模式。“四位一体”庭院生态经济模式，以太阳能为能源，形成温室大棚（蔬菜）－沼气池（能源）－生态养殖（养猪）－厕所（有机肥）可持续经营的沙地良性生态循环系统。丘间低地生态经济圈模式，以丘间低地为单元，其结构组成为从丘间低地底部至顶部分别为水田圈－果树经济林圈－防护林保护圈－草方格生物固沙带（简称“三圈一带”），意在形成“水稻坐底、果树镶边、杨柳缠腰、沙障封顶”的生态与经济双赢模式［10］。沙产业合理开发与可持续发展是沙地生态系统研究和实践的核心内容之一。

3 结论与讨论

目前，随着我国社会、经济的高速发展和人们对物质生活水平需求的提高，促使人们对沙地的开发与利用会越来越快。这就警醒我们：在开发利用沙地时应特别尊重沙地生态系统循环的自然规律和特点，既要组装配套好现有技术，又要不断加强对水量平衡、抗旱高产植物的筛选和优化建设模式等沙地生态系统核心问题的研究与实践，以此来解决实际生产中的突出问题，科学利用沙地生态系统的生产力，并与我国当下快速发展的经济相适应，实现为人民造福的目标。而如何维护好沙地生态系统良性发展和可持续的生态安全等人文、政策方面的研究还有待进一步探讨。

［1］蒋德明，刘志民，寇振武，等.科尔沁沙地生态环境及其可持续管理［J］.生态学杂志，2004，23（5）：179－185

［2］李新荣，王涛.沙地生态系统研究［M］／／李文华生态学回顾与展望，北京：气象出版社，2004

［3］蒋德明，刘志民，寇振武.科尔沁沙地荒漠化及生态恢复研究展望［J］.应用生态学报，2002，13（12）：1695－1698

［4］姚建成，陈文庆，杨文斌.毛乌素沙地综合治理试验示范区综合治沙技术的研究与推广［J］.内蒙古林业科技，2002（4）：27－29

［5］李生宝，蒋齐.盐池沙地综合治理优化模式的建立及其结构调整［J］.农业系统科学与综合研究，1999，15（2）：143－148

［6］白音达来，包额尔顿嘎，赛音巴雅尔.浑善达克沙地生态系统现状分析及生态恢复对策［J］.内蒙古农业科技，2008（5）：1－73

［7］刘美珍，蒋高明，李永庚，等.浑善达克退化草地生态恢复试验研究［J］.生态学报，2003（23）：2719－2722

［8］曹新孙.内蒙古东部地区风沙干旱综合治理研究［M］.呼和浩特：内蒙古人民出版社，1991

［9］马桂英.浑善达克.农牧复合区生态劣化的原因及对策探析［J］.理论研究，2003（6）：46－48

［10］李军，郭永盛.内蒙古农牧交错带土地资源特征与生态建设［J］.内蒙古林业科技，2006（1）：33－36