河西走廊东端荒漠植被的快速恢复研究

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获奖名称：

科学技术进步奖

获奖区域：

甘肃省

获奖等级：

二等奖

主要完成人：

马全林; 张德魁; 陈芳; 刘有军; 靳虎甲; 樊宝丽; 徐丽恒; 王继和; 郑庆钟; 杨会奎; 鱼泳

关键词：

恢复;  河西走廊;  荒漠植被;  荒漠;  植被;  快速;  研究;  河西; 

第一完成单位：

甘肃省治沙研究所

获奖时间：

2012

项目名称：

河西走廊东端荒漠植被的快速恢复研究

联系人：

马全林

联系电话：

0931-7606109

电子邮件：

mql925@126.com

邮编：

地址：

甘肃省兰州市北滨河西路390号

合作完成单位：

单位电话：

0931-7686822

传真：

0931-7686822

网址：

推荐单位(专家)：

甘肃省科学技术厅

摘要：

　　1.任务来源 “河西走廊东端荒漠植被的快速恢复研究”是中国科学院与甘肃省科技厅共同资助的西部之光项目，由甘肃省治沙研究所和甘肃省荒漠化防治重点实验室承担实施。项目起止时间为：2006年10月-2010年12月。 　　2.应用领域和技术原理 本项研究适用于荒漠化防治、区域环境保护和区域生态建设学科领域。针对河西走廊东端严重的土地沙漠化问题，本项目选择河西走廊东端沙化土地为主要研究对象，采用土壤生态学、恢复生态学、数量生态学和实验生态学的基本理论与方法为指导，将野外观测调查与室内模拟试验相结合，开展荒漠植被的快速恢复研究。大尺度上，选用1987、2003与2008年遥感影像资料，研究1987-2008年河西走廊东端项目区土地沙化情况，包括流动沙地、半流动沙地、固定沙地、绿洲变化以及固沙植被的变化等，从而掌握研究区荒漠景观变化与沙漠化的现状。小尺度上，以大尺度研究结果为基础，应用时空替代法选择封育恢复0年（流动沙丘，MS）、5年（半固定沙丘，5 a）、15年（固定沙丘，15 a）、和25年（固定沙丘，25 a）沙化土地样地，代表沙化土地生态恢复的不同阶段，并以相邻的原生植被生境（草原化荒漠，NV）为参照样地，开展不同封育恢复阶段样地土壤理化性质、土壤抗剪切力与持水力、土壤有机碳库、植被组成与结构及其季节变化、土壤种子库、植被防风固沙作用和优势植物及其生物生态学特征等调查、测定，使用地统计学、多元统计分析与经验模型分析干旱沙区土壤―植被系统恢复过程、演变规律及其驱动机制，提出荒漠植被恢复技术与对策。 　　3.性能指标 合同要求的主要性能指标有： 　　（1）掌握河西走廊东端荒漠植被演替变化与沙漠化过程及其耦合关系，为荒漠植被恢复提供环境和植被背景值； 　　（2）掌握荒漠植被恢复过程与机理，提出荒漠植被恢复的标准和时间尺度，合理评价荒漠植被恢复对全球碳循环的贡献作用； 　　（3）提交干旱区荒漠植被快速恢复技术与对策； 　　（4）量化评价固沙植物构件特征，筛选优良人工林树种2～3种； 　　（5）摸清干旱区沙漠化逆转过程中的土壤种子库特征，模拟自然种子库特征进行人工种子库建设试验，提交种子库人工促进对策； 　　（6）项目结束时撰写研究论文10～15篇，在核心期刊发表论文5～6篇； 　　（7）培养硕士1名，博士1名。 项目完成后各项性能指标均完成并达到了合同要求的性能指标，并且超额完成了第（6）和第（7）指标任务，提交研究论文24篇，培养硕士2名。 　　4.与国内外同类技术比较 经甘肃省科学技术情报研究所、甘肃省科技查新检索咨询中心科技查新（报告编号：20106200984），本项目的相关研究内容和研究取得的技术成果中，从植被演替、土壤理化性质变化研究沙漠化逆转过程及土壤、植被的恢复演变规律，采用封育措施对荒漠植被快速恢复在国内有相关的文献报道。 从植被演替、土壤理化性质变化与生态功能等方面系统揭示了石羊河流域沙漠化逆转过程和土壤－植被系统的恢复演变规律；从优势种替代、土壤种子库、土壤生态水文条件、土壤－植被互馈作用和人工干预等方面系统阐述沙化土地土壤－植被系统变化的驱动机制；固沙灌木晚春与高位平茬、土壤种子库建设、低密度造林封育恢复的荒漠植被快速恢复技术等，在国内未见相同文献报道。 　　5.成果的创造性、先进性 项目研究揭示了干旱区沙化土地植被－土壤系统及其功能的恢复演变过程与规律，预测了固沙植被、土壤的恢复年限，并从优势种更替、土壤种子库恢复、土壤与植被互馈作用以及人工干预等方面阐明了植被－土壤系统恢复的驱动机制，丰富了干旱区恢复生态学理论。该项目还筛选出固沙植物材料沙蒿与油蒿，并模拟自然植被生境，兼顾人工干预促进和自然力恢复两个方面，提出了固沙植物平茬复壮技术、人工种子库建设技术和低密度造林+封育快速恢复技术，为石羊河综合治理提供了理论依据和对策。 　　6.作用意义 项目区位于河西走廊东端，腾格里沙漠南缘，是甘肃省风沙危害最严重的区域。该项目开展荒漠植被恢复研究，属于生态公益性应用基础研究项目，主要产生社会与生态效益。 社会效益：土地沙化是人类所面临的重要环境挑战之一，而植被恢复被证明是沙化土地治理的最有效措施。项目区所在的石羊河流域是干旱区土地沙化的典型代表，引起党和国家政府的高度关注，已启动实施了石羊河流域综合治理工程，迫切需要理论、技术的支撑。在项目区以往的沙化土地治理中，过于强调人工干预措施，注重灌木固沙造林而忽视了自然恢复力的作用。本项目开展人工适度干预的荒漠植被恢复研究，揭示稳定自然植被恢复的过程及其驱动机制，一方面为生态建设工程提供理论支撑，另一方面也提高了项目群众治沙的积极性与水平。 生态效益：在河西走廊东端，采取人工辅助措施加封育后，促进了植被与土壤系统的恢复，植被覆盖度增大，土壤抗风蚀能力与防风固沙阻沙作用增强，碳库存逐渐增加，微气象环境明显改善，产生了明显的生态效益。采取辅助措施后，5～6年沙面基本固定，10年沙面形成0.5～1mm的土壤结皮，20年形成以油蒿为主的沙地植被覆层，植被盖度稳定在40%左右，土壤结皮厚达到5～6mm。与流动沙丘相比，恢复25年后粗糙度提高了5000多倍，土壤剪切力提高了30.1倍，20cm高度风速降低了83.68%。土壤－植被系统恢复不仅减弱了风蚀，也改变了近地面风沙流的结构。同时，固沙植被地上植被有机碳储量随系统恢复先增加后减少，恢复15年达到最大0.1kg/m2，分别是流动沙丘、恢复25年和参照样地的13.7倍、1.5倍和2.5倍。地下植被有机碳储量、0～100cm与表层0～5cm土壤有机碳储量以及总有机碳储量随封育恢复过程逐渐增加，恢复25年固定沙丘仅达到参照样地的26.4%、73.4%、89.0%和70.1%，但较流动沙丘增加了3038.4%、166.4%、268%、183.9%。尽管与参照样地间存在明显差距，但沙化土地碳固存能力显著提高，这也证实了干旱沙区的生态恢复对全球碳循环的重要贡献。另外，微气象效益有了明显的变化趋势。其中，白天近地面平均空气相对湿度逐渐增加，平均空气温度和太阳有效辐射以及地面、5cm、10cm、15cm和20cm土壤温度均随封育恢复过程逐渐降低。与流动沙丘相比，恢复25年后空气湿度提高36.5%；太阳辐射降低24.5%；地面温度降低26.8%，5cm土壤温度降低22.4%，10cm土壤温度降低21.3%；15cm土壤温度降低20.7%；20cm土壤温度降低18.4%；空气温度仅降低2.5%，群落内的小环境条件有一定的改善。 　　经济效益：该项目通过植被恢复与土壤风蚀控制，有效缓解风沙对农田、铁路、公路以及引黄渠道的危害，提高农田产量，减轻维护成本，从而产生间接的经济效益。 　　7.推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见 项目研发的“仿真固沙植物”，适应于干旱区各种生态条件下的防沙治沙工程，特别是水资源短缺严重地区推广应用，项目执行过程中已在民勤建立了试验示范区150亩，固沙与防风效果十分显著，并与民勤县林业局等单位达成初步协议，在公路沿线与风沙口进行推广。平茬复壮、人工土壤种子库建设和低密度造林+封育快速恢复研究成果已在三北防护林建设中推广应用，推广面积已超过万亩，该项成果可在甘肃河西地区及类似气候条件下，荒漠植被退化严重的干旱荒漠地区推广，推广应用前景广阔。项目成果技术要求高，推广应用的资金需求大，从而影响了研究成果，特别是仿真固沙植物的推广。下阶段进一步熟化研究成果，优化技术指标，降低恢复技术与仿真固沙植物的成本，以更大面积推广应用。 　　成果应用前景： 研究发明的“仿真固沙植物”生产出两种规格产品，已在建立试验示范区150亩，固沙与防风效果十分显著，并与民勤县林业局等单位达成初步协议，在公路沿线与风沙口进行推广。 另外，与古浪县林业局合作，将平茬复壮、人工土壤种子库建设和低密度造林+封育快速恢复研究成果在三北防护林建设中推广应用，推广面积已超过万亩。