西北干旱荒漠区生态系统可持续管理理念与模式

陈亚宁,陈亚鹏,朱成刚,李卫红

1 中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011 2 中国科学院大学, 北京 100049

生态系统的可持续管理(sustainable management of ecosystem)是以可持续性为总体目标的生态系统管理,是一个面向目标的管理,与传统的面向问题的管理方法不同[1- 2]。生态系统管理的可持续性既是一个经济和社会发展的目标,也是一个自然资源管理和生态系统管理目标,而生态系统本身的复杂多变性、动态性以及外来干扰的不确定性,使得对于生态系统的管理也要有较大的适应和变化能力,而不是静止的和一成不变的。

我国西北干旱区地处中纬度地带的欧亚大陆腹地,是我国最为典型的脆弱生态区之一[3],同时是全球气候变化下的敏感地区[4- 5]。从国家生态安全格局来看,西北干旱区防治沙漠化威胁具有全局性战略意义[6]。中国西北干旱区以荒漠为主体,中国西部未来的发展是寄望于荒漠区的保育与开发。中国西北干旱荒漠区光热条件好,发展潜力巨大。然而,干旱荒漠区脆弱的生态系统决定了其对干扰抵抗和恢复能力低、自维持和自调控功能弱的特点,生态系统管理面临着诸多难点,形势严峻。我国西北干旱荒漠区生态系统的保育、恢复与可持续管理一方面要基于干旱荒漠区自身的环境特点,有别于我国东部地区。同时,还要结合不同类型区生态条件、社会经济发展状况来综合考虑和制定对策。

1 生态系统管理面临的问题与难点

干旱荒漠区自然资源的相对丰富和生态环境的极端脆弱交织在一起,严峻的荒漠化现实使得资源开发,经济发展对生态安全的需求极为迫切,生态系统可持续管理面临的形势严峻,生态系统保育与恢复的难点突出。

1.1 资源开发中的生态与经济矛盾突出

西北干旱区以荒漠为主体(图1),荒漠区面积占全国荒漠区总面积的63.7%,沙源丰富,是一个资源性缺水大区,水资源开发中的生态与经济矛盾十分突出。不仅如此,农业用水占比过高,达93.6%,强烈挤占了生态用水,绿洲面积扩大、绿洲经济发展的同时,下游河道断流、湖泊干涸、荒漠化加剧、荒漠-绿洲过渡带萎缩,生态系统结构受损和功能紊乱,生态系统的服务功能下降。脆弱的生态系统、低下的生态功能是我国西北干旱区生态系统可持续管理的难点。

图1 西北干旱区示意图Fig.1 Sketch map of northwest arid region in China

1.2 气候变暖加剧干旱区沙漠化过程

全球变暖的大背景对干旱荒漠区生态系统可能产生多方面影响。不少研究者认为,全球变暖,特别是中纬度地区气候变暖可能加剧干旱区的旱化,加大蒸散发潜力,导致草场灌丛化[7-8]；还有学者提出,中国风沙灾害加剧是在气候趋于干燥化的背景下,人类大面积发展沙区生产造成的,并认为未来中国风沙灾害的发展主要取决于气候增温背景下的降水时空分布、沙区风力变化与土地利用格局调整[9-10]。

1.3 生态水权与长效保障机制缺失

西北干旱区以内陆河为主体,而内陆河流域是一个相对独立的水环境生态系统。系统内的水因子与生态环境因子相互联系、相互制约,共同构成了河流生态系统的主体。西北干旱区生态系统退化与水资源分配不合理且浪费严重有密切关系,主要表现为：生产与生态、开发与保护等问题未能正确处理,资源开发与生态保护之间的关系尚未理顺,生态长效保障机制不完善。同时,流域生态水权管理体制缺失,生态用水难以得到保障,水资源开发和利用存在多元主体。尽管在过去一段时间里,生态系统可持续管理的相关思路、方法与技术等在学术界已经达成共识,但是还远未纳入各级政府和职能部门的决策过程。

2 生态系统可持续管理理念

西北干旱区是国家丝路经济带生态文明建设的核心区。针对西北干旱区不同类型生态区资源开发利用与生态环境建设需求,研究确立了荒漠生态系统保育恢复的生态阈值,提出了荒漠植被恢复重建过程中生态融合和绿洲生态系统保育的生态梯度理念,为西北干旱区人与自然和谐发展提供宏观战略指导。

2.1 荒漠生态系统保育恢复的生态阈值

生态阈值是生态系统中发生一种状态向另一种状态转变的某个点或一段区间。生态阈值的确立对维系西北干旱区极端干旱环境下的荒漠植物生存、指导生态输水具有重要意义。通过对不同地下水位埋深环境下荒漠河岸林植物的生理生化指标(叶绿素、可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶和过氧化物酶)的测试分析,推断出胡杨的胁迫地下水位和临界地下水位分别为4 m和10 m,柽柳分别为5 m和9 m,芦苇生存的适宜地下水位为2.5—3 m,胁迫地下水位为3.5 m[11]。对荒漠河岸林植物生态位宽度和生态位重叠特征的分析发现,包括乔木、灌木和部分草本植物等大部分物种,在地下水位4—6 m处,生态位宽度最大,对有限水资源的利用能力最强,生态位分化明显,不同物种占据各自不同的资源利用位置,相互间没有明显的重叠,种间竞争不激烈,能够相互适应；当地下水位大于10 m后,植被则衰退为单一的柽柳群落,生态位重叠明显,草本植物以及草、灌、乔之间存在显著的竞争排斥关系,由于资源严重不足,仅有柽柳属植物能够生存[12-13]。

从物种多样性角度来看,当地下水位2—4 m时,物种多样性最高,其次为4—6 m,再次为0—2 m。Hill多样性指数还表明,以地下水位6 m和10 m为界,多样性变化明显区分3个不同的变化阶段,其中地下水位在6 m以下时,多样性锐减,且曲线最终趋于平直,即塔里木河下游物种多样性显著变小的临界地下水埋深可能为6 m；而维持较高物种多样性的适宜地地下埋深则可能为2—4 m[14-15]。

2.2 绿洲生态系统安全的生态防护梯度

绿洲生态系统由天然绿洲生态系统和人工绿洲生态系统两大系统所构成[16]。天然绿洲生态系统分布在人工绿洲的外部,以自然水过程或天然降水为基础而生存,其生物物种、群落结构、生态系统的外部形态都是由自然过程所规定,在南疆等地亦被称为荒漠-绿洲过渡带。该系统的生态功能表现为维系干早荒漠区的生物多样性,并以规模性生物系统有效排解或化解风沙、干热风等对人工绿洲的侵扰。

在西北干旱荒漠区,绿洲和荒漠-绿洲过渡带必须保持一定的比例,才能和谐共存。荒漠-绿洲过渡带的存在对人工绿洲的生态安全起到了重要屏障作用,对维系人工绿洲可持续发展有着重要的意义。为此,我们提出在干旱区构建以生态梯度为核心的防护模式,形成稳定且具有强大生态服务功能的绿洲生态安全保障体系,即在绿洲外围的荒漠-绿洲过渡带实施封育保护,形成宽阔的草、灌结合的固沙沉沙带；在绿洲边缘建设乔、灌结合的人工骨干防护林带；在绿洲内部建设高标准农田林网。其中,绿洲外围区的荒漠乔灌木林是绿洲人工防护林体系的延伸,是联系绿洲与荒漠的过渡带,对荒漠化向绿洲的侵入起着吸纳和缓冲的作用,具有重要的生态功能。人工防护林是人工绿洲的骨骼,起着降低风速和改善绿洲生态环境的作用。这样,以荒漠乔灌木林为主体的绿洲边缘荒漠生态系统和以人工林为骨骼的绿洲内部防护林体系有机统一,相得益彰,既顺应了荒漠-绿洲的自然环境特点,也从地域空间上进行了绿洲边缘荒漠林与人工防护林体系的生态整合。

3 生态系统保育修复技术与模式

通过理论研究和试验示范,结合西北干旱区生态条件,我们研发集成了退化群落改造与生态多样性构建技术模式、植物群落结构优化配置、组装与生态融合技术模式、干旱荒漠区生态系统恢复水分利用与生态自维持技术模式、荒漠河岸林胡杨萌蘖更新技术等生态保育修复技术和模式,这些技术与模式的研发对于促进干旱荒漠区受损生态系统恢复与重建,脆弱生态系统的保育具有重要作用。

图2 生境改善、种源补充现场照Fig.2 Field photos of habitat improvement and seed supplement

3.1 退化群落改造与生态多样性构建技术组合与模式

退化群落改造与生态多样性构建技术组合包括种源补充生境改善技术、荒漠植物群落自然发生人工激发技术、荒漠植被自然恢复人工促进技术等,人工加速植被恢复,实现对退化群落的人工改造。

该技术模式适用于我国西北退化荒漠河岸林区,气候为干旱荒漠气候,年均降水量少于200 mm。但该技术模式要求实施区有灌溉水源、一般是在河道附近实施。

(1)种源补充生境改善技术

技术思想——生态退化导致生物群落物种丢失和种源短缺,并且受非生物因素控制,缺乏繁育条件,群落难以自然发生,在进行人工种源补充的同时,通过一定的人工措施改善繁育生境,促进和加速其生态恢复(图2)。

主要技术措施——① 种子采集和处理。根据退化植物群落物种构成和参考生态系统物种构成,在种子成熟时采集退化植物群落丢失物种的种子,检测种子活力,并进行低温保存。② 生境改善。在4—5月份利用地下水或9—10月的河水对荒漠植被进行不定期漫灌补水。利用灌水前开垦的犁沟,因势利导,引导水流尽可能地均匀灌溉。对荒漠植被进行灌溉,不仅可以激活土壤种子库中的种子,促进种子萌发和幼苗生长,而且还能改善退化群落丢失物种的繁育生境。③ 种源补充。灌溉补水时,在通过水流撒播退化群落丢失物种种子,模拟丢失物种—种群的自然生繁过程。

(2)荒漠植物群落自然发生人工激发技术

技术思想——在有种源保障的条件下,利用地表水过程,在恰当的时空范围内,通过改变退化生态系统土壤水分条件,有效激活退化荒漠生态系统的土壤种子库,促进和加速退化生态系统的生态恢复。

主要技术措施——在土壤种子库0—5 cm种子密度大于200 粒/m2的生态退化区,在4—5月份利用地下水或9—10月的河水对退化荒漠植被进行不定期漫灌补水。利用灌水前开垦的犁沟,因势利导,引导水流尽可能地均匀灌溉。对退化荒漠生态系统进行灌溉,可以激活土壤种子库中的种子,促进种子萌发和幼苗生长。

(3)荒漠植被自然恢复人工促进技术

技术思想——根据生境状况,选择性改变种植地条件,依靠天然传播种子机制,促进退化荒漠植被的恢复。具体技术途径是将种源补充生境改善技术与荒漠植物群落自然发生人工激发技术联合应用。

主要技术措施——① 种子采集和处理。在6月至10月柽柳、胡杨种子成熟时采集种子。当蒴果由绿变黄,少数蒴果开裂时,即应抓紧采收。采种时,应选择生长旺盛,花枝繁茂的植株。采集的硕果如果当时不撒播,应摊开或晒干；② 生境改善。在8—9月份利用河流洪水对退化荒漠生态系统进行灌溉。利用灌水前开垦的犁沟,因势利导,引导水流尽可能地均匀灌溉。对荒漠植被进行灌溉,不仅可以激活土壤种子库中的种子,促进种子萌发和幼苗生长,而且还能改善退化群落丢失物种的繁育生境；③ 种子撒播。灌溉补水时,在弃水的入水口撒播柽柳、胡杨种子,模拟柽柳(胡杨)种群的自然生繁过程。第二年再补水两次,并引导其根系向深层伸展,两年生的柽柳即可免灌而自维持。

(4)人工加速植被恢复与退化群落的人工改造技术

技术思想——因人为干扰影响和严重缺水,荒漠植被群落结构遭到破坏,植被盖度下降。在离水源较近的地段,利用土壤种子库、种子流进行群落改造。这是因为植被严重退化地段,结种母树较少,土壤含水率低,植被的天然更新受阻。利用土壤种子库或人工撒种,促进严重退化地段植物种群的发生和植被的恢复。

主要技术措施——① 种子采集和处理。柽柳种类较多,种子成熟期也不一致,新疆从6月起到10月都有柽柳种子成熟,种子易飞散。当蒴果由绿变黄,少数蒴果开裂时,即应抓紧采收。采种时,应选择生长旺盛,花枝繁茂的植株。采集的硕果如果当时不撒播,应摊开或晒干；② 开沟。在有柽柳种源的植被退化区进行开沟,沟的深、宽为40—50 cm,沟间距离为2—4 m。可采用人工或机械开沟,在8—9月向沟内蓄水。沟内蓄水后,土壤盐分受到灌水淋洗淡化,有利于种子的发芽和出苗。若种源不足,可在蓄水后向水面人工撒播柽柳(胡杨)种子；③ 灌水。在8—9月利用弃水对荒漠植被进行不定期漫灌补水。利用灌水前开垦的犁沟,因势利导,引导弃水尽可能地均匀灌溉。对荒漠植被进行灌溉,可以激活土壤种子库中的种子,促进种子萌发和幼苗生长；④ 种子撒播。灌溉补水时,在弃水的入水口撒播柽柳种子(也可撒播胡杨种子),模拟柽柳(胡杨)种群的自然生繁过程。第二年再补水两次,并引导其根系向深层伸展,两年生的柽柳即可免灌而自维持。

该技术模式先后在塔里木河下游大范围推广应用,恢复一年后,示范区植被盖度由原来的10%左右提升到50%,多年后增加到85.9%,Simpson多样性指数由0.68增加到0.83。

3.2 植物群落结构优化配置、组装与生态融合技术组合与模式

植物群落结构优化配置、组装与生态融合技术组合包括植物群落结构优化配置与组装技术、荒漠植物群落物种筛选与装配技术、人工补植与荒漠植被生态整合技术等。

该技术模式适用于我国退化荒漠河岸林区,在生态系统结构与功能受损,尚存植物群落斑块的区域应用。该技术模式需在实施区利用河水灌溉,恢复效果受河水水量影响较大。

(1)植物群落结构优化配置与组装技术

技术思想——结合物种框架法和生物多样性法,选取适宜的物种作为先锋种或建群种人工植入次生裸地或植被退化严重的区域,通过群落自然演替或一定的人工干扰措施让先锋中或建群种逐步入侵并定居。

主要技术措施——选取乡土优势建群种胡杨和柽柳,以及成功引入种沙拐枣作为预先植入的建群种；选取对土壤有一定改良作用的本地多年生豆科草本甘草和骆驼刺作为先锋物种,通过人工直播的方式种植。

(2)荒漠植物群落物种筛选与装配技术

技术思想——根据荒漠植物的生态适应性,筛选能够在极端环境下生存的物种,并根据参考生态系统植物群落发育的历史生态轨迹和物种构成模版进行物种装配。

主要技术措施——① 物种选择。能够在恢复区域稳定地定居生长；具有较宽的生态幅,能够适应环境变化；繁殖系数高,营造技术成熟；② 种间搭配。根据健康群落物种构成和自然演替物种定居序列进行物种配置和组装。

(3)人工补植与荒漠植被生态整合技术

技术思想——在不破坏原有天然植被的前提下,向退化荒漠植被中适度引入人工植被,并向人工植被有控制供水,在保证人工植被成活的同时,产生一定的空间生态效应,使使融合区和响应区的原有荒漠植被得到保育和恢复(图3)。

主要技术措施——① 引入树种。树种主要选择生长稳定、长寿、抗旱性强的乡土树种,如：胡杨、灰杨、柽柳、梭梭、沙拐枣等；② 栽种技术。树木栽种方法采用带状配置方式和穴状局部整地方式,以常规造林方法栽植,株行距为2 m×2 m,树坑大小为40 cm×40 cm×50 cm。同时,铺设输水管线,确保人工栽种树木的灌溉。融合区配置为4条人工植被带+3条原生天然植被带,其中人工植被带的宽度为20—30 m,保留原生天然植被带宽度为30—40 m。

该技术模式在塔里木河下游进行了示范,一年后,植被盖度由原来的不足5%提高到30%—40%左右,多年后,示范区植被覆盖率提高了67%左右,达到了72%,Simpson多样性指数由0.68增加到0.89。

图3 生态融合示范区Fig.3 Demonstration area of ecological integration

图4 胡杨断根萌蘖Fig.4 Sprout tillers by broken roots of Populus euphratica

3.3 荒漠河岸林胡杨萌蘖更新技术

本技术适用于胡杨所在立地缺乏大面积地表漫溢条件,地下水位埋深较大(>4 m)且上层土壤(0—1 m)含水量较低(平均<3%),降水量小于100 mm,胡杨种群自然更新乏力的区段。该技术需对胡杨根系断根,人工断根效率低,而机械断根可能会对周边植被造成一定的破坏,因此需根据实施地的植被和地形情况,将两种方式结合进行断根。

萌蘖更新的范围——塔里木河下游大地形平坦,坡降1：4500—7900,但胡杨分布区微地形差异很大,落差高达2—5 m以上,地表面淀积40 cm厚细粒沙壤土,林内运输不便,大部分胡杨分布区主河道下切较深。实施更新给水条件很困难,采用人工和调用机械挖掘也存在许多问题。现阶段胡杨的大面积更新恢复受给水条件等限制,采用人工辅助引水实现胡杨群落更新首先应在河道附近0—150 m的范围局部实施较宜。

主要技术——采用机械断根和人工采挖断根都可实现胡杨萌蘖更新,考虑到萌蘖以粗根为主,采用小型挖掘机或人工挖窄沟较宜,可减少大量裸露剖面土壤失水(图4)。但人工断根促进萌蘖过程中需要达到一定的土壤深度并有适当的给水。距河岸0—50 m内挖80—100 cm深断根沟,距母树5—10 m沟长5 m,断根后再于断根处灌水5 m3。

通过塔里木河下游胡杨萌蘖更新示范地的调查发现,每条断根沟可以萌发3—10株幼苗不等,具体依据母株水平根分布特征及密度而定。断根萌蘖实施半个月后开始萌芽,萌蘖的幼株当年可以长到1—1.5 m。

3.4 干旱荒漠区生态系统恢复水分利用与生态自维持技术组合与模式

图5 深沟侧渗水分补给Fig.5 Water supply by deep ditch side seepage

(1)生态系统恢复水分利用技术

物种选择——以优势建群种胡杨、柽柳、以及成功引入种沙拐枣作为预先植入的建群种。

技术思想——利用胡杨、柽柳、沙拐枣等部分根系通过对干旱的感应而形成的反馈调节机制, 通过水分诱导幼苗根系更多、更快地向土壤深层发展,增强植株水分吸收能力,并减少水分丧失。

主要技术要点——沿植树浅沟旁50—80 cm处另开一个深及根部的深沟进行灌溉(图5),并随着植入物种的发育,定期加深灌水沟,以诱导根系向深部生长,灌溉量采取总量控制,在整个植被生长季节分2次或3次灌溉。

(2)生态可持续水分高效利用技术

技术思想——根据荒漠植物的水分利用特点和水分利用效率进行物种装配,提高荒漠植物群落整体水分利用效率。

主要技术措施——① 物种选择。选择生态适应性强、水分利效率高的胡杨、柽柳、黑果枸杞、疏叶骆驼刺、罗布麻、花花柴、河西苣、胀果甘草作为物种装配材料；② 群落构建。根据健康群落物种构成和自然演替物种定居序列进行物种配置和组装。

(3)干旱荒漠区生态自维持技术

技术思想——通过具有固氮酶活性、溶磷性和分泌生长素的特殊内生菌的浸染,提高植物群落生态自维持能力。

主要技术措施——在对塔里木河下游荒漠植物植物根际土壤微生物特性研究的基础上,进行了植物内生菌的筛选。从多枝柽柳和黑果构杞中分离具有固氮酶活性、溶磷性和分泌生长素的特殊内生菌,通过人工扩繁浸染胡杨、柽柳、黑果枸杞、疏叶骆驼刺、罗布麻、花花柴、河西苣、胀果甘草等植物种子/苗木,应用于生态恢复,提高植物群落生态自维持能力。

(4)人工促进种群发生与生态自维持技术

技术思想——利用胡杨、柽柳种子成熟后即可在适宜的环境条件下萌发、定居和建群的特性,人工创造适宜胡杨、柽柳种子萌发、定居的环境条件促进种群发生,并通过侵染具有固氮酶活性、溶磷性和分泌生长素的内生固氮菌提高建植种群生态自维持能力。

主要技术措施——① 种子采集和处理。在7—9月胡杨、柽柳等植物种子成熟期采集种子。采集的硕果或种子如果当时不撒播,摊开或晒干。② 开沟。沟的深、宽为40—50 cm,沟间距离为2—4 m。③ 灌水。在8—9月利用洪水对植被恢复区进行不定期漫灌补水。对荒漠植被进行灌溉,可以激活土壤种子库中的种子,促进种子萌发和幼苗生长。④ 植物种子内生固氮菌接种。用具有较强固氮、溶磷、分泌植物生长激素能力和较强抗逆性能的EB20—THQ菌液浸泡胡杨、柽柳等植物种子5—10 h。⑤ 种子撒播。9—10月在洪水的入水口撒播有菌液浸泡胡杨、柽柳等植物种子,促进柽柳、胡杨等植物种群的发生,并提高其生态自维持能力。

通过对塔里木河下游示范区的调查发现：深沟侧渗使土壤下层含水量增加明显,尤其是30—170 cm的土壤含水率,深沟侧渗下要比普通灌溉方式高出73.2%。深沟侧渗方式下,有机质含量均值在3.78—5.19 g/kg范围内波动,较普通灌溉方式下提高了10%—30%。接种内生固氮菌植株在正常供水及轻度干旱胁迫下的生物量(鲜重)分别较未接种植株增加19.6%、13.3%；生物量(干重)较对照分别增加了32%、27%。

4 结语

生态系统管理是在探索人类与自然和谐发展过程中逐渐形成和发展的一种新的管理思想,它基于对生态系统组成、结构和功能的理解,将人类的经济活动和文化多样性看作重要的生态过程,融合到一定时空尺度的生态系统经营中,以恢复或维持生态系统的完整性和可持续性。中国西部干旱区生态环境极为脆弱,资源开发过程中的生态与经济矛盾十分突出,严重影响着区域社会稳定与经济发展。干旱荒漠区生态系统可持续管理涉及到众多科学问题,如天然植被合理生态水位、胁迫水位、临界水位、生态需水量、绿洲与荒漠的地下水、土壤、植被相互耦合关系,生态系统恢复过程中的植被群落演替规律与重建模式等。尽管,就这些方面的研究已陆续开展,并取得了一定的研究成果,但在今后一段时期内,干旱荒漠区生态系统的可持续管理研究仍然是生态学关注的热点和难点。