中國網/中國發(fā)展門戶網訊新疆南部的和田地區(qū)是我國?14?個集中連片特困區(qū)之一,自古以來就深受風沙危害,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。漢唐以來,和田綠洲被迫向昆侖山南移?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,由于人類活動加劇,尤其是綠洲外圍灌叢的過度砍伐、大規(guī)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(tài)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(tài)環(huán)境問題和自然環(huán)境狀況,依據(jù)生態(tài)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”并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(tài)效益、經濟效益、社會效益兼顧的綠洲外圍綜合生態(tài)防護屏障構建和優(yōu)化管理的技術體系。同時,策勒站在新墾沙荒地棉花高產穩(wěn)產種植模式、退化荒漠生態(tài)系統(tǒng)有效保育和合理利用途徑、經濟型生態(tài)防護體系建設等技術的研發(fā)和創(chuàng)建方面,開展了長期系統(tǒng)的觀測研究和試驗示范,取得了一批適用性技術成果,為新疆南部干旱風沙區(qū)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贊譽。
構建流沙治理模式,提出檉柳恢復技術體系
塔克拉瑪干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(jiān)測、研究與科學治沙試驗示范,經過多年的艱苦努力,使蔓延擴大的流沙后退?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范例。
構建了綠洲外圍綜合防護體系
結合策勒綠洲特殊的生態(tài)環(huán)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(lián)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(yōu)勢,大范圍增加地表粗糙度,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御能力。當氣流遇到前沿林帶阻擋后,流場結構發(fā)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(xù)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余沙量繼續(xù)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,天然草灌帶片合計占?77%。實踐證明,這種防護體系的綜合防護功能良好,生態(tài)效益顯著。
在策勒沙漠-綠洲過渡帶上分布有大片的天然植被。這些植被集中在綠洲外圍及河流兩岸,構成了綠色屏障,保護了綠洲免受風沙危害。由于長期不合理的樵采、放牧,綠洲外圍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,并形成建群種群落。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,并逐漸形成以檉柳和駱駝刺為建群種的穩(wěn)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。
闡明了塔里木沙漠公路生態(tài)防護體系主要植物的響應機制
植物能否適應干旱、鹽脅迫環(huán)境,是生態(tài)防護體系能否正常維持的關鍵。檉柳、梭梭、沙拐棗是組成塔里木沙漠公路生態(tài)防護體系的主要物種。研究發(fā)現(xiàn),在地下?0—100?cm?土壤層內植物根系分布最多,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于梭梭和檉柳(p<0.05)。大部分根系(47%)主要分布在地下?40—60?cm?土壤層,而在土壤鹽分含量最高的表層(地下?0—10?cm)沒有吸收根的分布,這可能是因為該層的土壤含鹽量限制了根系的分布。植物根系在地下?0—50?cm?土層的分布與土壤含水量密切相關。地下?0—50?cm?土壤水分與梭梭、檉柳、沙拐棗根系的相關系數(shù)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,在極端干旱的塔里木盆地腹地,咸水灌溉沒有對沙漠公路生態(tài)防護體系組成植物的生存和生長產生明顯影響,植物能夠合理利用區(qū)域的咸水資源。該結論為極端干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。
提出了綠洲外圍新墾沙荒地種植模式和技術體系
新墾沙荒地棉花高產穩(wěn)產種植模式,為新疆棉花發(fā)展提供了技術支撐
新疆是我國長絨棉的重要生產基地,棉花種植面積逐年擴大。20?世紀?90?年代后期,棉區(qū)已占到新疆耕地的?60%?左右,棉田輪作、倒茬出現(xiàn)問題,存在病蟲害暴發(fā)的潛伏風險,難以開展農業(yè)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(jù)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(xiàn)狀,依據(jù)“密、矮、早、膜”的栽培模式下棉花的生育規(guī)律,提出以增株增鈴實現(xiàn)新疆棉花大幅增產技術,實現(xiàn)了干旱區(qū)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,加上相對落后的耕作技術,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產種植技術研發(fā)。1997?年開展了沙荒地棉花豐產栽培試驗,新復墾的?70?畝沙荒地實現(xiàn)畝產皮棉?120?kg,部分實驗品種畝產超過?180?kg,獲得和田地區(qū)棉花產量評比第一名,產生了顯著的社會效益。1998—2000?年,創(chuàng)建“雙層雙株”棉花高產栽培模式。根據(jù)新墾沙荒地病蟲害少、通風透光條件好的特點,將以增鈴增產為主的技術措施改為以增株增鈴增產的技術措施,優(yōu)化了棉花高密度種植模式,突破了畝產皮棉?250?kg?大關。在新墾沙荒地上,連續(xù)?3?年創(chuàng)造了棉花單產的世界記錄。該栽培模式被正式列入新疆“十五”規(guī)劃綱要,并在新疆進行了大規(guī)模推廣應用。目前,該技術已推廣?3?000?萬畝,畝產提高?50%?以上。策勒站因此獲得?1999?年香港求是科技基金會頒發(fā)的“杰出科技成就集體獎”;2001?年“在新墾沙荒地上連續(xù)?3?年創(chuàng)造了棉花單產世界記錄”入選“中國十大科技進展”。
荒漠肉蓯蓉高產穩(wěn)產種植技術,促進區(qū)域生態(tài)產業(yè)協(xié)調發(fā)展和農牧民增收
發(fā)展荒漠肉蓯蓉產業(yè),增加農牧民收入,構建了生態(tài)經濟型村鎮(zhèn)農牧民增收的技術途徑和持續(xù)增收的優(yōu)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;由于過渡采挖,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(fā),成功將檉柳和管花肉蓯蓉推廣應用到新疆和田地區(qū)(該區(qū)已成為我國管花肉蓯蓉的主產區(qū))。之后,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(qū),帶動了地方經濟發(fā)展;梭梭和荒漠肉蓯蓉已成為促進區(qū)域農牧民增收的重要產業(yè)之一。
然而由于種植技術、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產量不穩(wěn)、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產穩(wěn)產技術、優(yōu)化管理模式的研發(fā)。經過多年的努力,突破了肉蓯蓉接種率低、產量不穩(wěn)定的技術瓶頸,成功研發(fā)出畝產?500?kg(鮮重)以上的立體化高產接種新技術。同時,闡明了荒漠肉蓯蓉與寄主之間的互饋關系,發(fā)明了寄主兩側輪流復種肉蓯蓉穩(wěn)產種植管理新模式和肉蓯蓉種植袋技術,構建了沙漠地區(qū)荒漠肉蓯蓉規(guī)模化種植和管理的技術體系。研發(fā)形成的流動沙漠地區(qū)荒漠肉蓯蓉種子生產的技術方法、立體化接種高產新技術和機械化種植技術(處于國內領先水平),實現(xiàn)了肉蓯蓉的大面積規(guī)模化種植。該成果在新疆南疆地區(qū)(和田地區(qū)、喀什地區(qū)、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(tài)效益和社會效益。
荒漠肉蓯蓉高產穩(wěn)產和規(guī)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(qū)可經營型生態(tài)防護屏障的構建和優(yōu)化管理,提供了理論依據(jù)和技術支撐。在我國干旱區(qū)生態(tài)文明建設和沙產業(yè)發(fā)展中,肉蓯蓉產業(yè)具有廣闊的應用前景。
極端干旱區(qū)主要優(yōu)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(huán)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(xù)管理提供科學依據(jù)。策勒站依托天然荒漠綜合觀測試驗場和長期生態(tài)學實驗研究樣地,針對多年生優(yōu)勢植物幼苗定居過程的逆境適應特征、植物維持過程的光合水分生理特征和養(yǎng)分利用機制、植物種群繁殖的水分調控策略和群落穩(wěn)定分布的生態(tài)學基礎等科學問題,開展了長期、系統(tǒng)的觀測實驗研究,取得了一批原創(chuàng)性的理論成果,并從經濟學和生態(tài)學角度提出了多年生優(yōu)勢植被可持續(xù)管理的技術措施和理論方法。
闡明了極端干旱區(qū)植物的分布特點和優(yōu)勢植物逆境適應機制
分布在塔克拉瑪干沙漠南緣沙漠-綠洲過渡帶的自然植被,地帶性成分缺乏,呈明顯的隱域性分布特征。研究該區(qū)域植被分布演替規(guī)律及其與生境因子的關系、植物對干旱脅迫環(huán)境(如干旱、高溫、輻射、風沙等)的抵御能力和植物的水分來源,是荒漠化防治、綠洲外圍植被修復和生態(tài)防護體系穩(wěn)定建設的重要前提。
研究表明,過渡帶植被群落的分布特征主要受地下水埋深變化的影響,偶發(fā)的季節(jié)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征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。并且,地下水埋深影響著植物的養(yǎng)分吸收和化學計量特征的變化。由于主要依靠地下水的供給,極端干旱區(qū)的隱域性優(yōu)勢植物沒有明顯的水分脅迫現(xiàn)象,水分生理特征更接近中生植物的特點。發(fā)達的根系是植物保證水分獲取、適應極端干旱環(huán)境的基本特征。同時,過渡帶優(yōu)勢植物的生產力高,年際生物量的累積接近年降水量?1?000?mm?地區(qū)的植物。根據(jù)植物的生理生態(tài)適應特征,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(qū)域地下水位穩(wěn)定,是維護綠洲生態(tài)安全的重要前提。
揭示了極端干旱區(qū)主要物種的克隆繁殖規(guī)律
分布于沙漠-綠洲過渡帶的主要優(yōu)勢植物群落的生長發(fā)育與其地下水埋深的變化密切相關。策勒站多年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,駱駝刺克隆分株的分枝角度集中在?90°?左右,這說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于淺層化,均分布在地下?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(shù)。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“游擊型”過渡,最大限度地減小分株之間的競爭,最大效率地吸收環(huán)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范圍分別是?121?hm2?和?6.1?hm2,而檉柳克隆分株的范圍僅為?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。
闡明了綠洲生態(tài)需水量變化特征,提出了地表水-地下水優(yōu)化配置方案
在塔克拉瑪干沙漠南緣,水資源量嚴格限制了綠洲的規(guī)模,也是決定沙漠-綠洲穩(wěn)定維持的關鍵要素。水資源的變化特征與生態(tài)、生產用水的平衡關系是該區(qū)域生態(tài)建設和經濟社會發(fā)展的關鍵。
綠洲生態(tài)需水量分析與決策系統(tǒng)
水資源短缺一直是制約綠洲穩(wěn)定維持和健康發(fā)展的首要因素。策勒站基于綠洲農田長期生態(tài)學試驗觀測場的定位觀測研究和區(qū)域調查數(shù)據(jù),量化了策勒綠洲的生態(tài)需水量。研究表明,策勒綠洲的生態(tài)需水量占河流流量的?50%?左右,其中恢復地下水需水量占較高比例。由于綠洲擴張和土地開發(fā)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(tài)功能處于不穩(wěn)定狀態(tài)。綠洲地下水呈現(xiàn)負均衡,沙漠-綠洲過渡帶天然植被退化加劇,沙漠化出現(xiàn)擴張趨勢,從而加劇了綠洲生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)之間的用水沖突。協(xié)調和緩解兩大系統(tǒng)用水已成為策勒綠洲健康發(fā)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(tài)需水量決策系統(tǒng),通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析來確定最適綠洲生態(tài)需水量。根據(jù)決策系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),策勒綠洲最適生態(tài)需水量在豐水年、平水年和干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(lián)合利用優(yōu)化配置
利用遙感數(shù)據(jù)解譯與判讀,查清了策勒綠洲灌區(qū)農作物種植結構及面積,通過分析各類作物的需水量及其占比,明確了綠洲農業(yè)用水的合理結構。這為優(yōu)化策勒綠洲用水合理配置和可持續(xù)發(fā)展提供了科學依據(jù)。策勒綠洲的紅棗是綠洲灌區(qū)的主要種植作物,其次為核桃和石榴(圖?1)。紅棗種植面積占整個綠洲農田面積的?59.4%,灌溉水量占總用水量的?68%;核桃種植面積占比?23%,用水量占比?17.7%;石榴種植面積占比?5.7%,用水量占比?5.8%。基于遙感數(shù)據(jù)將綠洲灌區(qū)的渠系劃分為?17?個灌溉區(qū)域(圖?2)。測定了各區(qū)域紅棗、核桃和石榴的種植面積等及相關數(shù)據(jù),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,并分別在僅利用地表水、分組輪灌、支渠分區(qū)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(fā)現(xiàn)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(lián)合利用、輪灌分組科學配比,才能完全滿足灌溉需水量。根據(jù)試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)及科學配置方式,分別對地表水和地下水聯(lián)合利用、科學輪灌分組、縮短引水時長等方式進行了總結,形成了具有實時智能灌溉調度決策的地表水-地下水耦合優(yōu)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(jié)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(tài)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持下,開展了長期的應用基礎研究、技術研發(fā)、試驗示范與輻射推廣工作,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設和經濟社會可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻。針對塔克拉瑪干沙漠南緣的生態(tài)環(huán)境問題,策勒站研發(fā)的流沙治理和植被修復技術,在國際上產生了重要影響,并于?1995?年榮獲聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)頒發(fā)的“全球土地退化與荒漠化防治成功業(yè)績獎”。創(chuàng)建了新墾沙荒地棉花高產穩(wěn)產種植的技術模式,提升了區(qū)域棉花種植的技術水平,增加了農牧民收入,為新疆南疆地區(qū)農牧民增收技術研發(fā)和長效機制建立提供了科技支撐。兼顧生態(tài)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(tài)產業(yè)協(xié)調發(fā)展的技術體系,研發(fā)形成的荒漠肉蓯蓉高產穩(wěn)產種植的技術模式,為過渡帶經濟型生態(tài)防護屏障的構建提供了理論依據(jù)和技術支撐。同時,策勒站在沙漠-綠洲穩(wěn)定維持和可持續(xù)管理、綠洲水資源聯(lián)合利用和優(yōu)化配置等方面作出了貢獻。
圍繞干旱區(qū)生態(tài)建設和區(qū)域經濟社會可持續(xù)發(fā)展,策勒站的系列研發(fā)成果為新疆南疆地區(qū)生態(tài)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(tài)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(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程機理研究、綠洲荒漠水肥高效利用技術研發(fā)及試驗示范和用推廣工作,提升科學研究水平和科技服務能力,建成干旱區(qū)重要的科技支撐平臺和示范推廣基地,服務于區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設和經濟社會發(fā)展。(作者:曾凡江、李向義、李磊、劉波、薛杰、桂東偉、雷加強,中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所策勒沙漠研究站。《中國科學院院刊》供稿)