中國網/中國發展門戶網訊新疆南部的和田地區是我國 14 個集中連片特困區之一,自古以來就深受風沙危害,生態環境極為脆弱。漢唐以來,和田綠洲被迫向崑崙山南移 100—150 km,皮山、墨玉、策勒縣城曾 3 次搬遷,古絲綢之路沿線有 20 余座古城被沙海淹沒。20 世紀 50 年代以來,由於人類活動加劇,尤其是綠洲週邊灌叢的過度砍伐、大規模毀林毀草開荒造田,破壞了綠洲的天然屏障,導致沙漠的擴大和蔓延。20 世紀 80 年代初,流沙再次逼近到距離策勒縣城 1.5 km 處,策勒綠洲再次告急。
為了解決“沙臨城下”的嚴重問題,1983年,中國科學院新疆生態與地理研究所(原“中國科學院新疆生物土壤沙漠研究所”)成立中國科學院策勒沙漠研究站(以下簡稱“策勒站”),開展沙漠化防治研究工作。面對嚴峻的生態環境問題和自然環境狀況,依據生態學理論和方法,策勒站提出了“草、灌、喬”配置,“網、片、帶、線”“林、田、水、路”並舉的綜合治理技術模式,形成了以生物措施為主,工程措施為輔,生態效益、經濟效益、社會效益兼顧的綠洲週邊綜合生態防護屏障構建和優化管理的技術體系。同時,策勒站在新墾沙荒地棉花高産穩産種植模式、退化荒漠生態系統有效保育和合理利用途徑、經濟型生態防護體系建設等技術的研發和創建方面,開展了長期系統的觀測研究和試驗示範,取得了一批適用性技術成果,為新疆南部乾旱風沙區退化植被修復和農牧民脫貧增收提供了重要的理論指導和技術支撐,得到了各級政府的高度評價和國內外組織的廣泛讚譽。
構建流沙治理模式,提出檉柳恢復技術體系
塔克拉瑪幹沙漠南緣的策勒綠洲,年均降水量 <50>2 500 mm;年均沙塵暴 20 天左右、揚沙 90 余天、浮沉 100 余天,風沙頻繁肆虐。策勒站開展了長期監測、研究與科學治沙試驗示範,經過多年的艱苦努力,使蔓延擴大的流沙後退 5 km,構建了流沙治理的“策勒模式”,為我國和世界的荒漠化防治提供了新的範例。
構建了綠洲週邊綜合防護體系
結合策勒綠洲特殊的生態環境條件,策勒站提出了風沙災害防治的綜合防護體系模式。將生物措施和工程措施相結合,以生物措施為主體,建立 3 道控沙生物屏障。改春季造林為秋季造林,充分利用夏季充足的洪水修復自然植被;利用洪水沖刷形成的攔沙河等工程措施,使其配設在體系的最外緣。一系列舉措有效遏制了沙漠向綠洲蔓延,切斷沙漠與綠洲的聯接,截斷沙源,減少了風沙流中的含沙量。
第一道生物屏障為天然草灌帶。利用洪水期灌溉,促進自然植被的恢復與形成,適當補播,增加種源和改善物種組成。針對流沙主要在近地表層輸運的特點,利用草本和半灌木的高度和生長密集的優勢,大範圍增加地表粗糙度,減低風速,阻滯流沙,防止就地起沙,削減風沙流中的含沙量。
第二道生物屏障為人工固沙灌木林帶。利用灌木林的高度,進一步攔截通過草灌帶中的沙物質,促使空氣中懸浮的沙粒沉降。
第三道生物屏障為鄰接綠洲窄帶多帶式防沙林網。由高大喬木組成,提高了屏障對大風的抵禦能力。當氣流遇到前沿林帶阻擋後,流場結構發生變化,大部分氣流被迫抬升,從林帶上空越過,林帶背風面動能明顯降低;林帶多層次的連續阻擋,以及大量枝葉擺動和撞擊,極大地消耗了風沙動能,降低了風速,促使進入體系內部的剩餘沙量繼續沉降,進一步減少大風和流沙對綠洲的危害。從縱斷面看,攔沙河、天然草灌帶、人工灌木林帶、窄帶多帶式防沙林網的單個寬度分別為 50—100 m、300 m、500 m、1000 m,構成了總寬度 4.55 km 的綜合防護屏障;其中,天然草灌帶片合計佔 77%。實踐證明,這種防護體系的綜合防護功能良好,生態效益顯著。
在策勒沙漠-綠洲過渡帶上分佈有大片的天然植被。這些植被集中在綠洲週邊及河流兩岸,構成了綠色屏障,保護了綠洲免受風沙危害。由於長期不合理的樵採、放牧,綠洲週邊及河流兩岸的天然植被覆蓋度降至 3%—5%,成為危害綠洲的重要沙源地。從 1983 年夏季開始,策勒站在 200 hm2 以上裸露的流沙地上引洪拉沙、引洪灌溉。引洪當年,一年生草本植物(如豬毛菜、五星蒿、沙米、蟲實等)大量生長,蓋度達 30% 以上,起到了固沙作用;多年生草本駱駝刺開始萌生,逐漸擴大,並形成建群種群落。第二年形成一年生草本與多年生草本駱駝刺的混生群落,第三年形成灌木(檉柳)、多年生草本(駱駝刺)、一年生草本的混生群落,並逐漸形成以檉柳和駱駝刺為建群種的穩定群落。至 1988 年在風沙前沿形成長、寬各 10 km 的綠色植被帶,總面積達 10 000 hm2以上,從而有效地遏制了沙漠的擴大和蔓延。
闡明瞭塔裏木沙漠公路生態防護體系主要植物的響應機制
植物能否適應乾旱、鹽脅迫環境,是生態防護體系能否正常維持的關鍵。檉柳、梭梭、沙拐棗是組成塔裏木沙漠公路生態防護體系的主要物種。研究發現,在地下 0—100 cm 土壤層內植物根系分佈最多,其中地下 20—80 cm 土壤層的根系生物量達到總根系的 87%。沙拐棗吸收根的生物量顯著高於梭梭和檉柳(p<0.05)。大部分根系(47%)主要分佈在地下 40—60 cm 土壤層,而在土壤鹽分含量最高的表層(地下 0—10 cm)沒有吸收根的分佈,這可能是因為該層的土壤含鹽量限制了根系的分佈。植物根系在地下 0—50 cm 土層的分佈與土壤含水量密切相關。地下 0—50 cm 土壤水分與梭梭、檉柳、沙拐棗根系的相關係數分別為 0.816、0.866、0.754。地下 0—50 cm 土壤層的電導率與梭梭、檉柳、沙拐棗根系生物量呈負相關,分別為 0.894、0.595、0.773。上述結果表明,在極端乾旱的塔裏木盆地腹地,鹹水灌溉沒有對沙漠公路生態防護體系組成植物的生存和生長産生明顯影響,植物能夠合理利用區域的鹹水資源。該結論為極端乾旱條件下利用高礦化度水灌溉育苗、流動沙漠腹和苗木培育基地建設提供了科技支撐。
提出了綠洲週邊新墾沙荒地種植模式和技術體系
新墾沙荒地棉花高産穩産種植模式,為新疆棉花發展提供了技術支撐
新疆是我國長絨棉的重要生産基地,棉花種植面積逐年擴大。20 世紀 90 年代後期,棉區已佔到新疆耕地的 60% 左右,棉田輪作、倒茬出現問題,存在病蟲害暴發的潛伏風險,難以開展農業結構調整;同時,因棉花種植成本快速上升,導致經濟效益大幅下滑。根據棉花無限生長性、蕾鈴脫落性、可塑性、喜光喜溫性、適應多種土壤類型等特點,結合新疆南疆降雨量少、無霜期短、秋季降溫快的氣候現狀,依據“密、矮、早、膜”的栽培模式下棉花的生育規律,提出以增株增鈴實現新疆棉花大幅增産技術,實現了乾旱區棉花種植技術的新突破。
與成熟農田相比,沙荒地土壤貧瘠,有機質含量低,加上相對落後的耕作技術,沙荒地種植效益不高。針對該問題,策勒站開展了沙荒地棉花高産種植技術研發。1997 年開展了沙荒地棉花豐産栽培試驗,新復墾的 70 畝沙荒地實現畝産皮棉 120 kg,部分實驗品種畝産超過 180 kg,獲得和田地區棉花産量評比第一名,産生了顯著的社會效益。1998—2000 年,創建“雙層雙株”棉花高産栽培模式。根據新墾沙荒地病蟲害少、通風透光條件好的特點,將以增鈴增産為主的技術措施改為以增株增鈴增産的技術措施,優化了棉花高密度種植模式,突破了畝産皮棉 250 kg 大關。在新墾沙荒地上,連續 3 年創造了棉花單産的世界記錄。該栽培模式被正式列入新疆“十五”規劃綱要,並在新疆進行了大規模推廣應用。目前,該技術已推廣 3 000 萬畝,畝産提高 50% 以上。策勒站因此獲得 1999 年香港求是科技基金會頒發的“傑出科技成就集體獎”;2001 年“在新墾沙荒地上連續 3 年創造了棉花單産世界記錄”入選“中國十大科技進展”。
荒漠肉蓯蓉高産穩産種植技術,促進區域生態産業協調發展和農牧民增收
發展荒漠肉蓯蓉産業,增加農牧民收入,構建了生態經濟型村鎮農牧民增收的技術途徑和持續增收的優化模式與長效機制,取得了良好的社會和經濟效益。肉蓯蓉是多年生寄生性草本植物,具有極高的藥用價值。過去,我國肉蓯蓉基本來自野生資源;由於過渡採挖,野生肉蓯蓉資源瀕臨枯竭。策勒站在 20 世紀 80 年代開展了肉蓯蓉的人工接種、種植試驗。經過接種方式、接種深度、接種時間、灌水措施的技術研發,成功將檉柳和管花肉蓯蓉推廣應用到新疆和田地區(該區已成為我國管花肉蓯蓉的主産區)。之後,策勒站又成功將梭梭和荒漠肉蓯蓉引種推廣到新疆南疆地區,帶動了地方經濟發展;梭梭和荒漠肉蓯蓉已成為促進區域農牧民增收的重要産業之一。
然而由於種植技術、管理方式和病蟲害危害等方面的制約和影響,肉蓯蓉種植普遍存在産量不穩、品質不好、價格不高的狀況。針對以上問題,策勒站又開展了肉蓯蓉高産穩産技術、優化管理模式的研發。經過多年的努力,突破了肉蓯蓉接種率低、産量不穩定的技術瓶頸,成功研發出畝産 500 kg(鮮重)以上的立體化高産接種新技術。同時,闡明瞭荒漠肉蓯蓉與寄主之間的互饋關係,發明瞭寄主兩側輪流復種肉蓯蓉穩産種植管理新模式和肉蓯蓉種植袋技術,構建了沙漠地區荒漠肉蓯蓉規模化種植和管理的技術體系。研發形成的流動沙漠地區荒漠肉蓯蓉種子生産的技術方法、立體化接種高産新技術和機械化種植技術(處於國內領先水準),實現了肉蓯蓉的大面積規模化種植。該成果在新疆南疆地區(和田地區、喀什地區、巴音郭勒蒙古自治州)已經成功推廣應用 7 萬多畝,取得了巨大的經濟效益、生態效益和社會效益。
荒漠肉蓯蓉高産穩産和規模化種植技術體系的建立,為新疆南部農牧民脫貧致富提供了一條新路徑。同時,為風沙區可經營型生態防護屏障的構建和優化管理,提供了理論依據和技術支撐。在我國乾旱區生態文明建設和沙産業發展中,肉蓯蓉産業具有廣闊的應用前景。
極端乾旱區主要優勢植物的逆境響應機制和適應策略研究
研究植物對極端環境脅迫的響應機制和適應途徑,可以為植被的恢復重建和可持續管理提供科學依據。策勒站依託天然荒漠綜合觀測試驗場和長期生態學實驗研究樣地,針對多年生優勢植物幼苗定居過程的逆境適應特徵、植物維持過程的光合水分生理特徵和養分利用機制、植物種群繁殖的水分調控策略和群落穩定分佈的生態學基礎等科學問題,開展了長期、系統的觀測實驗研究,取得了一批原創性的理論成果,並從經濟學和生態學角度提出了多年生優勢植被可持續管理的技術措施和理論方法。
闡明瞭極端乾旱區植物的分佈特點和優勢植物逆境適應機制
分佈在塔克拉瑪幹沙漠南緣沙漠-綠洲過渡帶的自然植被,地帶性成分缺乏,呈明顯的隱域性分佈特徵。研究該區域植被分佈演替規律及其與生境因子的關係、植物對乾旱脅迫環境(如乾旱、高溫、輻射、風沙等)的抵禦能力和植物的水分來源,是荒漠化防治、綠洲週邊植被修復和生態防護體系穩定建設的重要前提。
研究表明,過渡帶植被群落的分佈特徵主要受地下水埋深變化的影響,偶發的季節性洪水和降雨對植物的水分生理狀況影響不大。但是,群落的組成成分和生物多樣性受地貌特徵和地下水埋深的雙重影響。地下水埋深的變化和植物的生長、植物的水分生理、水分利用效率、生物量增長密切相關。並且,地下水埋深影響著植物的養分吸收和化學計量特徵的變化。由於主要依靠地下水的供給,極端乾旱區的隱域性優勢植物沒有明顯的水分脅迫現象,水分生理特徵更接近中生植物的特點。發達的根系是植物保證水分獲取、適應極端乾旱環境的基本特徵。同時,過渡帶優勢植物的生産力高,年際生物量的累積接近年降水量 1 000 mm 地區的植物。根據植物的生理生態適應特徵,將過渡帶植物劃分為 5 種主要的生理適應類型:低光合低蒸騰型、高光合高蒸騰型、高光合低蒸騰型、高水勢延遲脫水類型和低水勢忍耐脫水類型。因此,保持區域地下水位穩定,是維護綠洲生態安全的重要前提。
揭示了極端乾旱區主要物種的克隆繁殖規律
分佈于沙漠-綠洲過渡帶的主要優勢植物群落的生長髮育與其地下水埋深的變化密切相關。策勒站多年監測數據顯示,駱駝刺克隆分株的分枝角度集中在 90° 左右,這説明駱駝刺分株不需要通過增大分枝角度來擴大根系伸展空間。駱駝刺根系分株深度趨於淺層化,均分佈在地下 0—40 cm 之間,分株之間的間隔物長度是決定地上部分生長格局的重要參數。隨著土壤水分有效性的降低,駱駝刺幼苗分株生長格局逐步由“密集型”向“遊擊型”過渡,最大限度地減小分株之間的競爭,最大效率地吸收環境資源。駱駝刺母株和子株間存在水分整合,母株會通過根系向子株傳輸水分。利用 AFLP 標記方法對 3 種多年生荒漠植物種克隆尺度的研究結果表明,胡楊和駱駝刺的最大克隆範圍分別是 121 hm2 和 6.1 hm2,而檉柳克隆分株的範圍僅為 38 m2。隨著克隆尺寸和潛水埋深的增加,胡楊和駱駝刺的克隆多樣性下降,但是遺傳多樣性不受影響,其克隆能力較強;而檉柳的克隆能力相對較弱。
闡明瞭綠洲生態需水量變化特徵,提出了地表水-地下水優化配置方案
在塔克拉瑪幹沙漠南緣,水資源量嚴格限制了綠洲的規模,也是決定沙漠-綠洲穩定維持的關鍵要素。水資源的變化特徵與生態、生産用水的平衡關係是該區域生態建設和經濟社會發展的關鍵。
綠洲生態需水量分析與決策系統
水資源短缺一直是制約綠洲穩定維持和健康發展的首要因素。策勒站基於綠洲農田長期生態學試驗觀測場的定位觀測研究和區域調查數據,量化了策勒綠洲的生態需水量。研究表明,策勒綠洲的生態需水量佔河流流量的 50% 左右,其中恢復地下水需水量佔較高比例。由於綠洲擴張和土地開發對水資源的過度利用,近 20 年來,策勒綠洲地下水位下降了 2.5—5.0 m,地下水溢出帶向盆地內遷移了 2—3 km,泉水流量減少了 15%—35%,綠洲的生態功能處於不穩定狀態。綠洲地下水呈現負均衡,沙漠-綠洲過渡帶天然植被退化加劇,沙漠化出現擴張趨勢,從而加劇了綠洲生態系統和荒漠生態系統之間的用水沖突。協調和緩解兩大系統用水已成為策勒綠洲健康發展亟待解決的重要問題。為此,策勒站利用貝葉斯模型建立了綠洲生態需水量決策系統,通過對監測數據的分析來確定最適綠洲生態需水量。根據決策系統分析發現,策勒綠洲最適生態需水量在豐水年、平水年和乾旱年分別為策勒河流量的 50.24%、49.71% 和 48.73%。
地表水-地下水聯合利用優化配置
利用遙感數據解譯與判讀,查清了策勒綠洲灌區農作物種植結構及面積,通過分析各類作物的需水量及其佔比,明確了綠洲農業用水的合理結構。這為優化策勒綠洲用水合理配置和可持續發展提供了科學依據。策勒綠洲的紅棗是綠洲灌區的主要種植作物,其次為核桃和石榴(圖 1)。紅棗種植面積佔整個綠洲農田面積的 59.4%,灌溉水量佔總用水量的 68%;核桃種植面積佔比 23%,用水量佔比 17.7%;石榴種植面積佔比 5.7%,用水量佔比 5.8%。基於遙感數據將綠洲灌區的渠係劃分為 17 個灌溉區域(圖 2)。測定了各區域紅棗、核桃和石榴的種植面積等及相關數據,進一步獲得了紅棗、核桃和石榴在生長旺季(每年 6—8 月)的耗水量與灌溉量,並分別在僅利用地表水、分組輪灌、支渠分區引水、經濟作物種生長旺季等不同情景和條件下進行配比及對比試驗,發現地表水僅能滿足農田 70% 的灌溉需水量;只有通過地表水和地下水聯合利用、輪灌分組科學配比,才能完全滿足灌溉需水量。根據試驗和監測數據及科學配置方式,分別對地表水和地下水聯合利用、科學輪灌分組、縮短引水時長等方式進行了總結,形成了具有實時智慧灌溉調度決策的地表水-地下水耦合優化配置模式。應用該模式進行水資源配置與管理,在一定程度上減少人力物力,節省了水資源。該模式已得到更為廣泛的推廣應用。
策勒站圍繞新疆南部脆弱生態修復和農牧民增收中急需解決的核心科技問題,在國家、中國科學院和地方重大科研項目支援下,開展了長期的應用基礎研究、技術研發、試驗示範與輻射推廣工作,為區域生態環境建設和經濟社會可持續發展作出了重要貢獻。針對塔克拉瑪幹沙漠南緣的生態環境問題,策勒站研發的流沙治理和植被修復技術,在國際上産生了重要影響,並於 1995 年榮獲聯合國環境規劃署(UNEP)頒發的“全球土地退化與荒漠化防治成功業績獎”。創建了新墾沙荒地棉花高産穩産種植的技術模式,提升了區域棉花種植的技術水準,增加了農牧民收入,為新疆南疆地區農牧民增收技術研發和長效機制建立提供了科技支撐。兼顧生態效益、經濟效益和社會效益,構建了沙漠-綠洲過渡帶特色荒漠生態産業協調發展的技術體系,研發形成的荒漠肉蓯蓉高産穩産種植的技術模式,為過渡帶經濟型生態防護屏障的構建提供了理論依據和技術支撐。同時,策勒站在沙漠-綠洲穩定維持和可持續管理、綠洲水資源聯合利用和優化配置等方面作出了貢獻。
圍繞乾旱區生態建設和區域經濟社會可持續發展,策勒站的系列研發成果為新疆南疆地區生態建設和科技扶貧工作提供了重要的科技支撐。中國科學院新疆分院“訪惠聚”駐村工作隊對策勒站提出了“精準扶貧”“科技扶貧”“生態扶貧”等科技需求,策勒站將在中國科學院“率先行動”計劃和特色研究所建設框架下,深入開展生態系統生態過程機理研究、綠洲荒漠水肥高效利用技術研發及試驗示範和用推廣工作,提升科學研究水準和科技服務能力,建成乾旱區重要的科技支撐平臺和示範推廣基地,服務於區域生態環境建設和經濟社會發展。(作者:曾凡江、李向義、李磊、劉波、薛傑、桂東偉、雷加強,中國科學院新疆生態與地理研究所策勒沙漠研究站。《中國科學院院刊》供稿)