土地荒漠化,是當(dāng)今世界最嚴重的生態(tài)環(huán)境危機之一。我國是世界上現(xiàn)存荒漠化土地面積最大、危害程度最突出的國家之一。全國受土地荒漠化威脅的面積約為262.2萬km2,占國土面積的27.3%,在北方干旱、半干旱區(qū)分布有“八大沙漠”和“四大沙地”。
科爾沁沙地是我國荒漠化防治的重點區(qū)域。它位于西遼河平原向蒙古高原的過渡地帶,溫帶季風(fēng)氣候的邊緣區(qū)域,多年平均降水量為280 mm,年均潛在蒸發(fā)量超過2300 mm。在歷史上,這里曾是水草豐美、湖泊眾多的優(yōu)良牧場,但自近代以來,經(jīng)過一個多世紀的荒地開墾和過度放牧,加之氣候暖干化的影響,目前科爾沁地區(qū)荒漠化土地面積達到6.36萬km2,是我國面積最大的沙地,其中流動沙丘面積占總面積的30%以上,也是京津冀地區(qū)主要的風(fēng)沙源之一。
通過栽種人工固沙灌木或恢復(fù)天然植被,可以使部分流動沙丘恢復(fù)為固定沙丘,有效控制荒漠化土地擴張。
中國科學(xué)院林業(yè)土壤研究所(現(xiàn)中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)自1950年代起,就從事土地荒漠化治理研究與試驗示范工作,1975年在科爾沁沙地西部建立了烏蘭敖都荒漠化研究試驗站,協(xié)助赤峰市翁牛特旗開展固沙灌木植被營建和退化草場恢復(fù)工程的實施,為當(dāng)?shù)鼗哪卫砗蜕鷳B(tài)環(huán)境改善做出了貢獻。
科爾沁沙地翁牛特旗的人工固沙灌木林建設(shè)工程
灌木與土壤相互反饋,推動著沙丘植被恢復(fù)
水分,是沙地環(huán)境中植物生存的最主要限制因素。人工固沙灌木植被恢復(fù)成功與否,主要取決于兩個方面:一是沙丘本身土壤水分狀況,二是準(zhǔn)確地選擇能夠適應(yīng)相應(yīng)水分條件的固沙灌木。
在沙丘植被恢復(fù)演替過程中,植被和土壤之間存在強烈交互作用。比如,在科爾沁沙地流動沙丘植被恢復(fù)工程中,山竹巖黃耆(Hedysarum fruticosum Pall.)和小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam.)就是一對固沙“老搭檔”。
在早期階段,山竹巖黃耆生長快速,可作為固沙先鋒灌木起到迅速限制沙丘流動的作用。但隨著沙丘逐漸固定和土壤水分的下降,該灌木的生長和存活逐漸受到限制,其優(yōu)勢地位被更為耐旱的小葉錦雞兒所取代。
這種灌木與土壤之間的互饋作用,構(gòu)成了沙丘植被恢復(fù)過程中群落演替的重要基礎(chǔ)。

沙丘植被恢復(fù)不同階段兩種常用人工固沙灌木的生長表現(xiàn)
嚴重干旱脅迫下,組織脫水將會誘導(dǎo)固沙灌木木質(zhì)部發(fā)生氣穴化栓塞,水分傳輸功能下降甚至喪失。灌木能否在干旱條件下存活,與其避免栓塞導(dǎo)致水力傳輸失敗的能力密切相關(guān)。這種能力一方面與木質(zhì)部氣穴化抵抗力有關(guān),同時還取決于其調(diào)控葉片蒸騰和避免干燥脫水的能力。
沙丘的水分條件在時間和空間上具有很強的異質(zhì)性,明確固沙灌木的水分生理差異,對于固沙工程中灌木的篩選具有重要意義。
干旱脅迫下巨大的水柱張力誘導(dǎo)氣穴化栓塞發(fā)生的過程
固沙灌木:早期“索取”,后期“保守”
近期,沈陽生態(tài)所植物生理生態(tài)組、荒漠化防治組和阿根廷國家科學(xué)與技術(shù)研究理事會的科研人員開展了合作研究,依托沈陽生態(tài)所烏蘭敖都荒漠化試驗站,研究了科爾沁沙地常用鄉(xiāng)土固沙灌木的水力結(jié)構(gòu)特征和水分利用策略,以明確不同灌木環(huán)境適應(yīng)性差異及其生理機制。
固沙灌木水分生理合作研究團隊
科研人員發(fā)現(xiàn),在土壤水分條件相對較好的植被恢復(fù)早期階段,固沙先鋒灌木采取“索取型”的水分利用策略,具有較高的水分傳導(dǎo)效率和光合碳同化能力,從而能夠?qū)崿F(xiàn)較快速生長,迅速占領(lǐng)生境并起到限制沙丘流動的作用,而較快的生長速率也是其應(yīng)對沙埋風(fēng)險的重要機制。
而在土壤水分條件較差的恢復(fù)后期階段,固定沙丘上占據(jù)優(yōu)勢的灌木種采取“保守型”的水分利用策略,具有較低的水分傳輸效率但更高的木質(zhì)部氣穴化抵抗力,因此得以在固定沙丘上長期穩(wěn)定存活。
沙丘植被恢復(fù)不同階段幾種典型固沙灌木水分傳導(dǎo)(左)和水分利用(右)特征差異
研究成果近期分別發(fā)表在Land Degradation and Development和Forest Ecology and Management上。相關(guān)結(jié)果可為沙地植被恢復(fù)過程中更好地遵循“適地適種”原則,以及為防風(fēng)固沙灌木林的可持續(xù)經(jīng)營管理提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。
作者:龔雪偉、郭晶晶、郝廣友 (首發(fā)于中科院之聲微信公眾號 2020年1月16日)




