我国固沙林密度与水分的关系研究进展

冯伟，杨文斌

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

水分是沙地生态系统中最重要的限制因子[1]，而沙土中水分的量及动态变化对土地沙漠化的发生或者逆转过程具有非常显著的作用，是土地沙漠化的主要调控者[2]。沙区水资源缺乏，降水是该区土壤水分主要补给来源，合理有效利用有限水资源成为固沙植被长期稳定和可持续发展的前提基础[3]。选择适当的配置格局，调节造林密度，实现植被的持续稳定生长，获得防风固沙等生态效益的综合效果，是固沙林建设的关键所在[4-5]。在营造固沙林时不能只考虑防风固沙效益，还应考虑与当地自然条件相适宜，在自然条件较差、特别是水分条件较差的地区，必须考虑水量平衡这个关键因素[6]。在干旱、半干旱区，密度是影响雨养条件下固沙林能否正常生长和林分稳定的关键因素[7]。

我国沙区植被建设取得了举世瞩目的成就，有效遏制了沙漠化的发展，促进了局地生态恢复[8]。然而，大规模的固沙造林均以完全固定流沙为第一目的，大都遵循覆盖度大于40%这一标准[9]，结果出现密度大、水分失衡等问题造成大面积固沙林衰退或死亡现象[10]，影响了沙区生态恢复及防风固沙效益的可持续性。我国沙区经过漫长的自然演替过程逐步发育形成稀疏植被类型，能够可持续生长，覆盖度一般在10%～30%，但这种疏林不能够完全固定流沙[7]。通过研究与探索，提出的低覆盖度治沙技术，开创了低覆盖度15%～25%下实现防沙治沙目标的新领域[11]，成为三北防护林、京津风沙源等生态工程固沙林建设的重要技术[12]。其中，低覆盖度行带式固沙林存在渗漏补给带和水分利用带[13]，具备生态用水优势，应用前景广阔，在指导固沙林建设及低效林改造上具有重大参考价值。

1 主要固沙林密度与土壤水分研究现状

1.1 干旱区固沙林

梭梭(Haloxylonammodendron)广泛应用于干旱区固沙造林中，具有显著的生态效益和社会效益。自20世纪80年代以来，由于梭梭林大量蒸腾消耗沙土中蓄存的水量，导致沙土含水率显著降低，出现人工梭梭林大面积衰退，导致成片死亡现象。

新疆莫索湾不同密度梭梭固沙林的土壤水减少量的变化是天然荒漠林与2.5 m×3 m最为相近，1.5 m×1.5 m的林地土壤水分减少量最大，其次是2 m×4 m[14]，表明低覆盖度的天然梭梭固沙林水分状况要优于覆盖度高的人工固沙林。临泽、民勤、磴口和吉兰泰等地区，正常生长的梭梭林下0～40 cm沙层的含水率与流动沙丘相似，生长衰退的梭梭林下0～40 cm沙层的含水率小于1.5%，40～200 cm沙层的含水率在1.0%～2.0%，当林下沙土含水率继续下降到1.0%左右时，梭梭整株枯黄，死亡植株相继出现[15]。甘肃河西走廊对梭梭林间伐至合理密度是延长林分寿命的有效方法之一。研究表明，人工梭梭林保持正常生长发育和沙丘内水分状态平衡的造林密度为4 m×4 m或5 m×4 m；认为低密度梭梭人工林对土壤含水量的影响较少，保证了林下植被的演替[16]。在民勤沙区，栽植密度过大是加速梭梭衰亡的重要因素，土壤盐渍化对梭梭生长并非致害因素[17]，营造梭梭防风固沙林密度以1 095株·hm-2为宜。阿拉善梭梭固沙林的退化主要是由于持续的干旱导致梭梭体内水分不足，接种肉苁蓉也会引起梭梭生长衰退[18]。甘肃和内蒙古不同区域和生境中梭梭退化主要是因为林区土壤水分受造林时间和造林密度的影响而耗尽；土壤结皮和黏土层等因素影响梭梭对降水的利用效率，导致绿洲边缘的梭梭固沙林退化[19]。古尔班通古特沙漠西部梭梭退化，主要是盐分高限制了林分对降水的利用[20]。

1.2 半干旱区固沙林

油蒿(Artemisiaordosica):毛乌素沙地适宜植被覆盖度为30%～40%；与流动沙丘相比，覆盖度为10%～15%、30%～40%、>60%的油蒿固沙林土壤水分亏缺的低含水期(1%～2%)分布深度分别为100 cm、120 cm、>180 cm[21]。固定、半固定沙地油蒿植株主要利用0～40 cm范围内的土壤水分，而流动沙地油蒿能够更多地利用40 cm以下土壤水分[22]。覆盖度在26.57%的油蒿片状固沙林，2 685株·hm-2，油蒿林生长季水分消耗为120.15 mm，人工林是稳定的[23]。毛乌素沙地固沙植被覆盖度的增加，不但增加了土壤水分的消耗，而且还明显降低了土壤深层水分的补给，随着时间的延长将造成地下水位下降，严重影响固沙群落稳定性[7]。

沙柳(Salixpsammophila):毛乌素沙地沙柳固沙林适宜覆盖度为25%～45%[24]；根据生长季土壤水分动态和水分平衡特征，适宜密度为0.6株·m-2[25]。盐池沙地覆盖度70%和35%的沙柳林在2006、2007年土壤水分均呈不同程度的盈亏状态；2006年降水稀少，70%覆盖度的沙柳林亏缺为57 mm，35%的盈余45.64 mm[26]。库布齐沙漠东北缘流动沙地在40 cm土层以下有稳定而较高的含水层，整体剖面的水分状况明显好于8年生沙柳人工林(造林密度1 m×2 m)[27]。内蒙古达拉特旗境内密度为1 995株·hm-2沙柳人工林建植初期，其水分关系紧张系数均较大，整个生长季沙柳人工林生长正常[15]。

柠条(Caraganakorshinskii):柠条适宜的土壤水分范围为10.3%～15.2%，土壤水合补偿点(接近于凋萎系数)为4.0%[28]；风沙土上生长的柠条土壤含水量“经济水阈”大约在4.5%，“生命水阈”大约在3.5%[15]。毛乌素沙地两行一带覆盖度为38.9%(2 820株·hm-2)的柠条人工林生长季水分损失总量大于生长季降雨总量，降雨不能够满足柠条生长季水分消耗[7]。宁夏河东沙地柠条林0～100 cm土壤物理性质、水分参数、土壤水分入渗特征都表现出低密度林分好于高密度；营造2 490株或1 665株·hm-2密度的柠条林能充分利用天然降水，获得较高的生物产量[29]。腾格里沙漠沙坡头地区正常降水年份，75株·100m-2的柠条人工林蒸散水量大于降水量，占同期降雨的131.1%，柠条蒸腾量占蒸散量的43.4%[4]。

1.3 亚湿润干旱区固沙林

小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylia):科尔沁沙地盖度60%(17 a)、40%(9 a)、15%(5 a)的小叶锦鸡儿土壤水分研究表明：小叶锦鸡儿人工林灌丛土壤含水量明显低于流动沙丘，随着小叶锦鸡儿的生长，土壤水分明显下降，年龄较大覆盖度较大的灌丛土壤含水量最低[30,31]；小叶锦鸡儿人工林丘间地(3 800株·hm-2)土壤水分条件最好，丘中(3 000株·hm-2)次之，丘上(2 700株·hm-2)最低[32]。密度为1 m×1 m的11年生、22年生小叶锦鸡儿土壤含水量较低，垂直分布上呈下降趋势，绝大多数土层含水量低于1.5%，土壤水分状况较差[33]。1 m×2 m密度群落、1 m×0.5 m密度群落土壤水分状况较差，整个生长季节土壤含水量低于小叶锦鸡儿凋萎湿度，植物生长处于缺水状态，严重影响植被群落的稳定性[30]。在半干旱地区的盐池沙地，小叶锦鸡儿维持叶片水分利用效率最高时的土壤含水量为11.0%，适宜生长的土壤水分范围是6.2%～11.0%[34]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica):章古台地区樟子松人工固沙林提早衰退，与营林技术不合理有很大关系；不同林龄土壤含水量有明显区别，0～20年生林分土壤含水量较高，至27年生林分土壤含水量为最低，27 a以后林分土壤含水量有所回升，600～800株·hm-2是章古台樟子松固沙林适宜的林分密度[35]；在丰水年3种密度(400、600和800株·hm-2)樟子松固沙林土壤水分时空变化基本一致，0～200 cm土壤体积含水量大小为400株·hm-2>600株·hm-2>800株·hm-2，且差异显著(P<0.05)，0～30 cm为水分剧烈变化层，60 cm以下受>40 mm降雨影响[36]。科尔沁沙地樟子松初始密度应控制在2 800株·hm-2以下，并应根据生长情况在进入生长高峰期后对林木进行适时间伐，20 a林分其密度应保持在2 100株·hm-2为宜[37]；密度为1 m×1.5 m的13年生樟子松人工林300 cm深层的土壤水分已基本耗竭[38]。降雨、蒸散、地形及土壤质地等因素对沙地土壤水分影响显著，0～200 cm土壤贮水量以沙丘下部樟子松(35 a，密度2 100株·hm-2)林地最高，流动沙地次之，丘顶(33 a，密度2 020株·hm-2)林地最低[39]。

2 固沙林的水文过程研究现状

降水是沙区土壤水分的主要来源之一，对维持固沙植被稳定性具有重要作用，调节着土壤-植被-大气界面的传输过程[40，41]，同时生物土壤结皮改变了降水再分配过程，对沙区水循环及生态-水文过程也产生了显著的影响，改变了原有的水量平衡关系，驱动了水文过程[8,42]。冠层截留是植被与土壤水文过程的关键环节之一，冠层截留量要受固沙植被冠层特征等多方面因素的影响，长期研究得出固沙植被冠层截留能力在0.7～1.1 mm，累积截留量与降雨量(降雨强度)呈指数关系，且当降雨量>40 mm·d-1时，截留量基本为常数[43，44]。另外，冠层截留的一部分可通过树干径流再次补充到土壤中，缓解根部水分，例如2.2 mm降雨就可使柠条灌丛产生树干径流[45]。固沙植被建立后改变了原有水量平衡，对于降水<200 mm的沙区，应当建立灌木(盖度10%)-草本(盖度35%)-隐花植物(生物结皮<60%)为主的固沙植被群落[46]。固沙林水量平衡研究为确定固沙林适宜密度提供依据，固沙植被水量平衡包括植被蒸腾、土壤蒸发、冠层截留、地表径流、树干径流、土壤蓄存、土壤渗漏等主要要素。同时，也要考虑到土壤水植被承载能力及凝结水在干旱沙区涵养水源方面重要的生态-水文作用，以适宜的密度营建固沙林，维持水量平衡。

3 新型低覆盖度固沙林

3.1 近自然植被覆盖度

沙区固沙林建设，应降低固沙林密度，以维护其持续稳定性。适宜密度的林分即可充分利用水分资源，又不会造成土壤干旱胁迫现象。近些年，按照近自然林业的思路，提出了低覆盖度治沙理论，即按照自然植被的覆盖度，通过改变植被的分布格局达到固定流沙的目的，最为典型的代表即是低覆盖度行带式固沙林，宽的自然植被恢复带保证了带间植被的恢复。同时，低覆盖度固沙林的覆盖度是与当地自然植被覆盖度相同，保证了在雨养条件下植被的稳定性，达到了即能够固定流沙又能够维持水量平衡的目的。低覆盖度固沙打破了固有思维，开拓了低覆盖度下完全固定流沙的新领域[13]。

3.2 生态用水优势

低覆盖度固沙林具有生态用水优势，有深层渗漏水补给地下水，能够有效利用有限的水资源。其中，低覆盖度行带式固沙林的水分利用机制是：从边行向外侧形成一个由低向高的含水量梯度，能够形成一个土壤水分主要利用带及其外侧的高含水率土壤水分渗漏补给带；其中土壤水分主要利用带是林分形成边行优势的重要水分条件，土壤水分渗漏补给带有降水渗漏补给深层或者地下水，在极端干旱年份，水分渗漏补给带通过侧向补给水分主要利用带，确保固沙林渡过极端干旱年份，这也是低覆盖度治沙的水文学理论[7,12,13]。例如，低覆盖度行带式赤峰杨固沙林，存在着距林带0～8 m、16～25 m的两个土壤水分主要利用带及带间8～16 m的渗漏补给带，且渗漏补给带对降雨的敏感程度高、水分损失量小，补给带与渗漏带之间存在水量交换过程，这也是行带式格局对水分调控的具体表现[47]。

3.3 应用现状

低覆盖度治沙理论提出的密度控制原则，成为2015年国家造林技术规程(旱区部分)重要的修订内容。低覆盖度固沙林在“三北”防护林、京津风沙源治理工程中推广营建上百万公顷，在内蒙古、甘肃、宁夏、辽宁等地建立示范区8处，取得了巨大的生态、经济效益，在防沙治沙方面取得了巨大突破[12]。

4 展望

固沙林密度与水分的关系一直是沙区植被建设研究的热点，是沙区植被生态水文过程研究的基础及沙区植被建设的重要理论依据，对维护国家生态安全意义重大。目前，关于固沙林密度与水分的研究取得的大量研究成果，支撑了我国沙区生态建设，取得了巨大的生态、经济和社会效益。但近些年，出现了大面积衰退死亡的林分，低覆盖度治沙的提出打破了固有思维，开创了防沙治沙研究的新领域，将成为衰败林分更新、低效林改造的重要技术。按照“尊重自然、顺应自然、保护自然”的理念，低覆盖度固沙必将引领我国固沙林建设进入低覆盖度时代，成为指导荒漠化治理的新理念、新技术。

低覆盖度固沙是重大的理论创新、技术创新，将是指导我国固沙林建设的重要理论，也将成为京津风沙源等重大林业工程广泛应用的新技术。2015年11月27日，中国绿色时报“低覆盖度治沙-重新认识沙区植被与水分”一文中尹伟伦院士、国家林业局张建龙局长及众多荒漠化治理研究的专家给出了高度的评价[48]，同时，该技术得到地方林业部门、当地老百姓的欢迎，具有广阔的推广应用前景。2018年8月14日科技日报“低覆盖度治沙理论-一种被委以重任的新时代治沙理念创新”一文中指出，低覆盖度造林是向大自然学习植被修复，是尊重自然、顺应自然、敬畏自然的[49]。低覆盖度治沙理论实现了林分密度与自然植被的相统一，实现了林分可持续发展与水分利用的相统一，实现了低覆盖度固定流沙与自然植被恢复的相统一。