低覆盖度治沙的原理与模式

杨文斌，冯伟，李卫

(1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000)



低覆盖度治沙的原理与模式

杨文斌1，冯伟2，李卫1

(1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000)

摘要低覆盖度治沙是一项荒漠化治理新理念、新技术，是从近自然林业思路出发，探索的能够完全固定流沙、加快土壤植被修复、提高生物生产力、节约生态用水、实现固沙林可持续发展的覆盖度在15%～25%的新型治沙模式。该模式获多项国家专利及科技成果，开创了植被在低覆盖度下实现防沙治沙目标的新领域，在内蒙古、宁夏、甘肃等地推广面积约200万hm2，且在京津沙源工程中得到广泛应用。该模式对推动我国防沙治沙工作进入更加科学、高效、经济的时代具有重要价值，必将引领我国防沙治沙研究向着一个崭新的方向发展，为我国防沙治沙工程及生态环境建设做出巨大贡献。

关键词低覆盖度；防沙治沙；原理与模式；生态优势；效果评价

土地荒漠化、沙化导致水土流失，吞噬人类生存空间，制约经济可持续发展，严重威胁生态安全。我国荒漠化土地面积大、危害严重，20世纪60年代始，遵循“密度大，治沙效果好”的原则[1,2]，开展了大规模防沙治沙工程，但固沙林出现了中幼龄林成片衰败死亡现象，损失巨大。为此，开始尝试“两行一带”造林模式，按照覆盖度>40%的原则，确认只有乔木带间距≤10 m、灌木带间距≤8 m可以在沙源等工程中应用，但在严重干旱的2010年，“两行一带”也出现了严重衰亡现象，且植被生物量和水分利用效率也并非最优。

为了实现有效治沙及固沙林可持续发展，从近自然林业思路(接近当地自然植被覆盖度)出发，系统研究了乔木、灌木和半灌木固沙林不同分布格局的防风固沙、水分利用、促进土壤发育和自然植被修复的机理，进而建立了一套低覆盖度(15%～25%)防沙治沙体系模式，在内蒙古、宁夏、甘肃等地开展试验示范约200万hm2，并广泛应用在京津沙源工程中。实践证明，该模式能够完全固定流沙、加快土壤植被修复、提高生物生产力、节约生态用水、实现固沙林可持续发展[3-12]，是一项荒漠化治理新理念、新模式。

低覆盖度治沙在防沙治沙方面取得了巨大突破，打破了固有思维，获得多项国家专利及科技成果，并获2013年度内蒙古自治区科学技术进步一等奖；同时，成为《国家造林技术规程》旱区部分修订(2015修订版)的重要内容[13-16]。该模式开创了植被在低覆盖度下实现防沙治沙目标的新领域，对推动我国防沙治沙工作进入更加科学、高效、经济的时代具有重要价值；同时，为我国干旱、半干旱区防沙治沙工程、植被恢复等生态文明建设开拓了一条新的、行之有效的途径，其必将引领我国防沙治沙研究向着一个崭新的方向发展[17-19]，为我国防沙治沙工程及生态环境建设做出巨大贡献。

1低覆盖度治沙体系

低覆盖度治沙体系——以防风固沙、修复退化土地为目标，从提高水分利用率、植被稳定性和加快修复速度为出发点，在控制成林覆盖度在15%～25%的前提下，营造人工造林占地15%～25%、空留75%～85%土地为植被自然修复带的固沙林，在确保完全固定流沙和林木健康生长的条件下，形成能够促进土壤与植被快速修复的乔、灌、草复层植被，构成低覆盖度防沙治沙体系。

低覆盖度行带式固沙林：行是指人工营造一行或者多行乔灌木，带是指多行乔灌木之间的空留土地或叫植被修复带。行带式是由窄林带(占地面积15%～25%)与宽自然植被修复带(占地面积75%～85%)相间分布的一种复合固沙植被模式。

2防风固沙效果与机理

对于覆盖度小于40%的固沙林，分布格局成为防沙效果的重要影响因素，而低覆盖度行带式就是一种接近自然植被覆盖度且防风阻沙效果非常显著的分布格局[3-6]。

2.1野外调查结果

半灌木：以沙蒿为例，覆盖度20%～25%。随机分布，沙地处于半流动状态。基本相同覆盖度(20%)，人工配置成行带式(0.5～5 m)，栽植沙蒿2～3 a后，形成稳定的凹月形沙面，5～6 a后，发育成良好的结皮，流沙被完全固定(图1)。

随机分布(半流动沙地)

行带式(固定沙地)

图1不同分布格局(覆盖度20%～25%)油蒿固沙林

2.2野外测定结果

一个重要的发现是：当覆盖度在25%左右时，无论是乔木，还是灌木、半灌木，配置成行带式格局的固沙林后，林内风速均显著低于旷野风速；形成随机分布格局后，观察到了林内风速大于旷野风速的现象，如：随机格局的柠条固沙林内，平均有41.3%的观测值超过旷野风速；随机格局的沙蒿固沙灌丛内，平均有38.3%的观测值超过旷野风速；随机格局的榆树固沙林内，平均有30.0%的观测值超过旷野风速。这一现象的发现表明：低覆盖度固沙林内有局部抬升风速的现象，进一步测试和对水平和垂直风速流场的研究后发现，在随机分布模式内，灌丛(冠幅)与灌丛(冠幅或地面)之间形成的类似“狭管”的格局，有局部抬升风速的作用，导致其低覆盖度随机疏林内局部风速大于对照风速，也是造成低覆盖度时出现局部风蚀，形成半流动沙地的重要原因。

2.3风洞试验结果

以灌木为例，设计了行带式、等株行距和随机配置3种低覆盖度格局，在7、10和15 ms-13种风速条件下测试，结果表明：整个平面平均风速均是行带式格局最低，等株行距次之，比行带式平均风速高22.2%～24.7%，随机格局最高，比行带式平均风速高25.2%～28.7%，而且随着测定风速的提高均有一定提高，说明行带式格局防风效果最好，而且随着风速的增大，行带式格局防风效果增强，风速的流场结构平稳。

3水分利用机制与生态水文效应

通过对行带式杨树土壤水分的研究表明，在干旱、半干旱区形成边行优势的沙土水分利用特征主要为：从边行向外侧形成一个由低到高的含水量梯度，这个梯度一直延伸到土壤含水量稳定不变的地段，明显地出现了一个土壤水分主要利用带及其外侧的高含水量带，我们称后者为土壤水分渗漏补给带，这个补给带因无树冠截留，有利于降水在土壤中的渗透，故含水率高，成为林分形成边行优势重要的水分条件[7,12]。

行带式这种水分空间格局也保证了固沙林能够抵御20年一遇的干旱，在极端干旱年份，水分渗漏补给带作用减弱，但是水分调节层中的水分将供给固沙林的根系吸收层，通过根系吸收作用将水分调节层的水分补给给水分主要利用层，保证固沙林正常生长对水分的需求，这也就是低覆盖度固沙林水分利用格局和机制的核心，在常规降雨年份，水分渗漏补给带通过对水分调节层和水分主要利用层的补给和调节，保证固沙林的水分利用和补给深层土壤水分，一旦遇到极端降雨年份，水分调节层将发挥重要的作用，这样就保证了固沙林的长期稳定性和可持续性(图3)。

4土壤植被修复与优化带间距

研究表明[8-11]，行带式固沙林能够显著增强土壤粉粒、黏粒的形成，降低土壤容重，增加土壤含水量及土壤养分含量。带间距的宽窄度是影响系统快速逆转的重要因素，行带式格局是一个充分发挥界面效应的格局，使每一株林木都处于界面生态环境中；按照生物生产量、带间土壤及植被修复的速度和土壤渗透与对降水减少导致土壤干旱胁迫的调节能力，结合造林树种抗旱的生理生态水分关系，过宽或过窄都不利于带间植被恢复效果。多年的研究表明[12]，低覆盖度行带式固沙林优化后的带间距为：灌木12～28 m；阔叶乔木15～36 m；针叶乔木15～40 m；半灌木5～12 m。优化带间距后，避免了固沙林中幼龄林衰败死亡现象，林分能够充分发挥界面生态效益，明显提高固沙林生产力和促进带间植被、微生物和土壤修复的作用，固沙林的生物生产力提高8%～30%，带间植被和土壤的修复速度加快2～5倍。带间植被的覆盖度、植物种类及数量、生物量和土壤中的有机质含量、微生物种类和数量均逐年增加，逐年接近地带性原生植被(图4)。

造林2～3 a

造林6～8 a

造林15～18 a(接近地带性)

图4低覆盖度行带式柠条造林后植被恢复状况

5生态优势与创新

低覆盖度治沙体系具有多项生态优势与创新[12,17,18]：15%～25%的低覆盖度行带式固沙林消除了类似“狭管”抬升风速的现象，能够完全固定流沙，实现行带阻风低覆盖治沙；确保了固沙林水量平衡，降低了截留消耗、地表蒸发，提高水分利用效率10%～20%，在多雨年份，确保有降雨渗漏补给土壤深层或地下水；具有良好的界面生态过程与生态效益，同比生物生产力提高8%～20%。植被和土壤恢复速度提高3～5倍，形成的林(乔、灌)与草结合的沙漠(地)植被更加稳定；能够调节湿润年与干旱年水量补给不均衡，缓解“卡脖子”干旱导致的衰败死亡现象，可以抵御20年一遇的干旱年份导致的干旱胁迫衰败死亡现象；可降低造林成本40%～60%及林分生态用水量20%～30%。

6典型模式

在不同生物气候区，主要根据区域水分条件及环境立地特点，选择不同乔灌木固沙树种，通过调节行带式固沙林的带间距及设置不同的乔灌木组合，以形成适合区域环境特点的低覆盖度防风固沙体系，从而达到防风固沙体系的长期、稳定和可持续发展。总体来说[12]，低覆盖度固沙典型模式包括“单行一带”“两行一带”“多行一带”“网格模式”“生态林业模式”(图5)。阔叶乔木“两行一带”配置是理想模式；针叶乔木更加喜欢群居，“三行一带”更加理想，“两行一带”或者“四行一带”均可以；灌木或半灌木都是根系比较发达的植物，其理想配置是“单行一带”或“两行一带”。对于单风向地区采取低覆盖度行带式分布格局，对于多风向或变风向地区采用低覆盖度网格布局或环形布局等，其类似生物沙障，其中行带式格局能够形成良好的乔灌混交结构和林草垂直层片结构，稳定性显著增加，所以，低覆盖度固沙林又是一种长寿命的生物沙障，能够长久固碳、提高生物生产力，当人工固沙林“寿终正寝”后，人工植被已向自然修复植被稳定过渡。

单行一带

两行一带

多行一带

网格模式

生态林业模式

图5低覆盖度治沙体系典型模式

7评价

中国工程院院士尹伟伦、中国科学院院士魏江春、中国科学院院士蒋有绪、中国科协原副主席刘恕给出了极高的鉴定意见：“研究成果提出了低覆盖度防沙治沙的原理与技术，基本解决了防沙治沙中多年来中幼龄林衰败或死亡问题，构建了一套沙地修复理论，对于推进干旱、半干旱区沙漠化土地生态修复的稳定性提升具有重大意义”[16,18]。

国家林业局局长张建龙认为：该技术模式创新了治沙造林理念，以15%～25%的植被覆盖度不仅可以固定流沙，还能明显减缓干旱年份的水分胁迫，避免沙区植被衰退或死亡，创造了混交林营造的条件，加快土壤和植被的修复速度，提高生物生产力8%～20%，降低固沙造林成本40%～60%。其中，“两行一带”“单行一带”等低覆盖度治沙模式已得到大面积推广，并取得明显成效，有力地促进了我国防沙治沙事业[12,18]。

中国防治荒漠化高级专家顾问组成员、中国科学院兰州分院院长王涛认为，这项研究成果的一个重大突破，就是把有效控制流沙的植被覆盖度降低到15%～25%。按照这个覆盖度营造的固沙林能够稳定正常生长，在确保固沙等生态效益的同时，生态用水量和造林成本显著降低，促进了土壤、植被、微生物的修复速度。这对我国相关地区的治理工程和“三北”防护林工程的建设具有重大价值[18]。

国家林业局治沙办总工屠志方说，与传统固沙造林相比，在确保固沙效果的基础上，低覆盖度治沙造林技术可使造林固沙成本大幅降低。林分混交、林草复合的结构稳定性增强。低覆盖度治沙已经成为京津风沙源治理工程中最重要的技术[18]。

内蒙古、甘肃、宁夏及辽宁等地方林业部门表示：低覆盖度治沙模式可有效降低造林成本，增加生物多样性，形成较稳定的植被，应用前景广阔，建议大面积推广[18]。

8展望

低覆盖度治沙的理念和技术可以用于我国半干旱、干旱和极端干旱区。在半干旱区，可以把治理与利用相结合，如乔灌结合，发展林间草场用于放牧或者打草以及适度的间作等。在干旱区，可以治理与保护相结合，灌木为主，成林后可以季节性放牧。极端干旱区是灌溉和潜水造林区，主要用于交通干线、厂矿企业和绿洲的防风治沙，其核心是用最少的生态用水实现最大的防风固沙效果。低覆盖度治沙可以把生态水的利用效益达到最佳效果，该项技术在内蒙古、甘肃、宁夏、辽宁等省(自治区)已建有典型试验示范区8处，推广面积200万hm2，实现了巨大的生态和经济效益。低覆盖度治沙已经有力地促进了防沙治沙事业[19]，成为国家防沙治沙重点推广的技术体系。

生态文明建设已经成为我国社会五大建设之一，京津沙源治理工程、三北防护林建设工程等正在加大干旱、半干旱区沙地治理及生态修复力度；丝绸之路战略的启动，将进一步加大干旱、半干旱区沙地治理、生态修复的力度。低覆盖度治沙理论的完善、治理技术的成熟将有力地支撑我国沙地治理、生态修复、丝绸战略。希望不久的将来，我们可以看到更加广泛的低覆盖度治沙人工固沙林；较远的将来，看到健康丰硕的人工固沙林起着防风固沙、修复土壤及植被的作用；更远的将来，看到更多的大树固沙林，看到成熟林、过熟林，看到一片片完全治愈、修复的沙地，这也是治沙人的中国梦。

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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

中图分类号：S775

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.04.001

作者简介：杨文斌(1959-)，男，内蒙古呼和浩特人，研究员，博士生导师，主要从事荒漠化防治、干旱区林业等方面的研究，Email:nmlkyywb@163.com

收稿日期：2016-03-21

文章编号：1005-5215(2016)04-0001-05