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石羊河下游退化植被的恢复与重建技术研究
获奖名称:
科技进步奖
获奖区域:
甘肃省
获奖等级:
二等奖
主要完成人:
马全林; 王继和; 刘虎俊; 杨自辉; 詹科杰; 方峨天; 纪永福; 魏怀东; 丁峰; 张晓琴
关键词:
恢复; 恢复与重建; 技术; 植被; 石羊河; 研究; 技术研究; 重建; 石羊; 退化; 石羊河下游; ;
第一完成单位:
甘肃省治沙研究所
获奖时间:
2006
项目名称:
联系人:
王继和
联系电话:
0935-6113503
电子邮件:
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):
摘要:
“石羊河下游退化植被的恢复与重建技术研究”是甘肃省治沙研究所执行的国家“十五”科技攻关专题,经过4年(2002年~2005年)的实地调查与试验研究,现已全面并超额完成了项目合同文本中规定的各项任务及指标,达到了预期的目标。 项目通过对石羊河流域的水土资源、生态环境以及流域下游防风固沙植被现状的实地调查,掌握了石羊河流域水土资源的利用现状,生态环境问题,防风固沙植被的退化现状、分布以及古浪北部荒漠化土地逆转过程;摸清了引发生态环境问题的原因;提出了流域上、中、下游各斑块和林业、荒漠化防治以及农业各行业发展的思路与对策;同时,研究了降水、地下水位、土壤含水率和土壤结皮对梭梭、柽柳等植被生长、退化的影响机制。以此为基础,提出了以保护绿洲安全为核心,将维持林地水分平衡下实现正常生长作为退化固沙植被恢复的基本目标,将实现防风固沙功能作为退化植被恢复的最高目标,引进了塑料方格沙障,研究提出了退化人工梭梭林滴灌、机械沙障、渠灌和改造结皮等4项恢复技术,白刺流动沙丘造林和喷灌恢复、重建技术,民勤绿洲边缘防风固沙体系建设模式以及内陆河下游地区植被恢复、重建的技术体系。 4年来,项目组开展的主要试验研究工作内容如下: 1、石羊河流域的生态环境特征、问题及其生态建设对策 调查研究发现,由于石羊河流域缺乏统一管理,没有建立完善的政策体系,加上对流域水资源的过度开发利用,导致石羊河流域大系统的稳定性和平衡性受到不断增强的干扰,造成系统能量和物质输入、输出的失调,最终超出了流域系统具有的自我调节与修复能力,引起系统的结构和功能破坏,使得该系统向新的系统演变过程中出现森林面积减少、地下水位下降、水质恶化、植被退化以及荒漠化蔓延等一系列生态环境问题。为实现流域生态大系统及其子系统的稳定、健康、持续发展的目标,应以生态学的基本理论为指导,以林草植被的恢复重建、水资源的科学管理和高效利用为突破口,上、中、下游统筹规划,生态效益与经济效益兼顾且以生态效益优先,充分调动全社会的力量,运用法律、行政、经济、科技、宣传教育手段,进行综合治理。在流域大系统,要切实加强流域水资源统一管理;完善政策体系。在流域南部祁连山区,要加强林区管理,理顺体制;加强山区植被保护和建设,提高水源涵养能力,减少水土流失。在中部绿洲,以“缩(农、粮)稳(林、经)扩(牧、饲)”的基本思路调整农业产业结构;加强农田防护林体系建设;加大节水力度,实施外流域调水工程。在北部荒漠区,以“防治结合,预防为主,面上系统化综合防治”的基本思路,恢复、重建退化固沙植被;退耕还草(还荒),严禁新的土地开垦;适度发展沙产业。 2、石羊河下游退化植被的现状和分布 对石羊河下游退化植被的现状和分布进行了实地调查,调查发现植被退化在整个绿洲普遍发生,同时在各类植物群落中普遍存在。目前,民勤沙枣林中有6.4×10^3 hm^2成片死亡,5.8×10^3 hm^2枯梢;白刺灌丛已有3.64×10^4 hm^2发生退化;天然“柽柳柴湾”有3.6×10^3hm^2死亡或接近死亡,在坝区农田边缘残存宽度只有30~75m,在泉山区残存宽度仍保持200~1000m,但是生长正常的柽柳宽度已不超过100m;在湖区柽柳生长良好,林带宽度200~1000m。人工梭梭林保存面积达3.5×10^4hm^2,占到人工林总面积的45.6%,在绿洲边缘构建了宽2~5km的梭梭防风固沙带,对保护绿洲内工农业生产和居民生活起到关键性作用。但是,目前85%以上的人工梭梭林发生退化。根据退化程度,可划分为轻度退化区(红崖山水库和环河周围)、中度退化区(湖区和泉山区)、重度退化区(坝区)三部分;或轻度退化型(砾石戈壁梭梭林)、中度退化型(流动、半固定沙丘梭梭林)、重度退化型(固定沙丘和丘间低地梭梭林)三个类型。 3、石羊河下游固沙植被退化过程中物种多样性变化 对石羊河下游不同区域植被退化过程中的物种多样性研究发现,湖区、坝区物种多样性指数无论是SP(Simpson多样性指数)还是SW(Shannon-Wiener多样性指数),从固定沙丘到半固定沙丘依次减少。就Shannon-Wiener多样性指数而言,在固定沙丘中,湖区为5.3059、泉山区为1.6872、坝区为2.4573,植物群落在湖区、泉山区、坝区不同区域中依次处于不同程度的退化趋势;半固定沙丘和各区整个群落中,湖区、泉山区、坝区的SP、SW依次降低,物种多样性从湖区到坝区由大变小,说明从湖区、泉山区到坝区植物群落在地域分布中退化状态依次增强。同一地域,随着地下水位的下降,固定沙丘、半固定沙丘植物种群衰退状态不同,尽管丘间低地植物种群变化比较复杂,但种群仍处于退化过程中。 4、石羊河下游退化固沙植被恢复的基准 石羊河下游地处内陆干旱地区,植被退化及其恢复有其特殊性。首先,固沙植被的退化并不是人为的直接破坏引起;第二,受环境条件影响,退化植被的恢复较其他地区需要时间更长、恢复难度更大;第三,作为主要防风固沙植被的人工梭梭林属于人工植被,发展历史很短(不到40年),恢复目标以何年代或何阶段为基准没有理论依据。经过大量调查和研究,提出以绿洲为核心,将维持林地水分平衡下实现正常生长作为防风固沙植被恢复的基本目标,将实现防风固沙功能作为退化梭梭林、退化白刺等植被恢复的最终评价目标。以民勤的起沙风速5.0 m/s为临界风速,以近30年的最大风速为防护标准,要求固沙植被降低78.3%的风速;而以多年最大风速的平均值,冬季、春季最大风速平均值或全年最大风速的平均值为防护标准,则分别需要降低71.3%、60.8%和58.6%的风速,目前的退化防风固沙林已经达不到防护标准,所以无法实现期望的防护效果。根据实际观测,防风固沙林带的合理带宽为200~300m。 5、退化人工梭梭林的种群及其群落特征 退化人工梭梭林种群及其群落特征有四个方面: 首先,梭梭种群在生理上表现为光合速率降低,生长速度减缓。充分供水梭梭林日平均净光合速率达到10.99umol/m^2·s,日变化曲线为单峰曲线,而中度退化、退化严重梭梭林日平均净光合速率分别为7.37 umol/m^2?s、3.17 umol/m2·s,日变化曲线均为双峰曲线,均具有光合午休现象。 其次,防风固沙能力显著降低,但仍具有一定的阻风固沙作用,林内近地面层风速平均降低了54%。 第三,表现出梭梭种群及其群落的盖度降低,梭梭种群在群落中的优势度进一步增大的特点。 第四,表现出林地土壤含水率下降的特点,定位观测研究发现,沙井子地区的沙丘梭梭林地土壤含水率同林龄存在密切的关系,3年生梭梭林地土壤含水率为2.25%,之后持续下降,到15年生已经降至最低,已经低于梭梭的土壤调萎系数,之后又开始缓慢恢复,到30年生林地上升到1.30%。 6、主要生态因子对植被生长及其退化的影响 从民勤绿洲降水特征和降水对植被生长的影响看,年均110mm的降水量对灌木群落的生长促进作用不大,但对草本植物有一定的影响,只有连续两年降水年均在140mm以上的特高降水年份才对白刺、柽柳盖度的变化产生较大影响。地下水位下降是造成民勤荒漠绿洲边缘植被退化的诱发因素,曾是引起民勤植被退化的关键因素,而目前影响民勤植被退化的主导因素是土壤干旱。土壤结皮也是影响植被生长的重要因素,一方面其能提高林内起沙风速,保护植物免遭风蚀;另一方面,土壤结皮,特别是物理结皮改变了降水的时空分配,使得土壤水分浅层化,从而加速了梭梭、花棒和沙拐枣等深根型植物的衰败过程。同时,也限制了一年生植物的生长。 7、退化人工梭梭林的恢复技术 研究提出滴灌恢复技术、机械沙障恢复技术、渠灌恢复技术和结皮改造恢复技术。 滴灌恢复技术:滴灌补水后,滴灌I(90 m^3/ha)、II(150 m^3/ha)恢复区梭梭林地土壤含水率由对照的0.74%增加到1.86%、2.82%;日平均净光合速率由对照的 5.08umol/m^2.s提高到6.48umol/m^2.s、9.34umol/m^2.s;群落物种数由7种增加到11种;盖度由28.7%增加到36.4%、42%;梭梭林内 2m高度风速较对照降低了23.35%和27.62%,50cm高度风速较对照风速降低了41.54%和49.69%。 机械沙障恢复技术:布设塑料沙障、麦草沙障和粘土沙障后,粗糙度较对照梭梭林增大70倍、84倍和24倍,而较对照流沙增大1687倍、2040倍和590倍。在对照区2m高度处的平均风速为6.28m/s时,塑料沙障区、麦草沙障区、粘土沙障区输沙量为对照区的2.73%、0.11%、19.3%。 渠灌恢复技术:春季灌水3年后,梭梭群落物种组成由对照的4种增加到14种;优势种个体横向生长和高生长是对照区的2~3倍;林下植被总盖度更是对照区的2倍。在2m高度的风速为10m/s时,渠灌补水梭梭林内的输沙量只为对照的3.6%。 结皮改造恢复技术:结皮改造模式中雨水集流模式改造一年后梭梭植株根部的土壤含水率提高到1.77%,二年后提高到2.01%;雨水下渗模式改造一年后,行式沙障梭梭植株根部的土壤含水率由对照的0.65%提高到0.77%,两年后提高到1.04%;方格沙障梭梭林有对照的1.0%提高到1.41%和1.60%。 8、退化白刺灌丛的恢复重建技术 研究提出流动沙丘白刺造林技术和退化白刺喷灌恢复技术。流动沙丘白刺造林技术:在流动沙丘植苗造林试验,其成活率、保存率分别达到97%和95.4%,接近大田造林;植株的冠幅、地径大于大田和草沙障沙丘造林;流动沙丘扦插造林成活率和保存率低于大田,但远高于草沙障沙丘。试验发现插条长度和生根粉对唐古特白刺扦插的成活率和保存率有极显著影响,用250ppm浓度生根粉的泥浆蘸根,60cm长度插条扦插成活率和保存率分别达到72.5%和45.4%。 白刺喷灌恢复技术:喷灌恢复是白刺灌丛恢复的一种十分有效恢复途径。采取破坏结皮、基部挖沟、增加喷灌次数等措施,可增加水分的入渗量。对退化白刺喷灌两年后,群落组成物种由对照的5种增加到7种,盖度由25%增加到56%,白刺灌丛的生长高度、新梢生长量、叶片大小均高于对照白刺1.5~2倍。 9、石羊河下游柽柳荒漠林的时空变化及其保护 对石羊河下游柽柳荒漠林的调查研究发现,近40年来民勤沙井子地区柽柳荒漠林带宽由1km减少到100m之内,柽柳覆盖度由60~70%降低到10%左右,平均株高2.0m降低到 1.5m以下。整体表现出柽柳+盐爪爪(或胖姑娘)→柽柳+红砂→柽柳+白刺→白刺的逆向演替过程。 从民勤绿洲边缘西南到东北,柽柳荒漠林呈现不同的群落结构特征,其中坝区绿洲边缘的柽柳荒漠林带宽最窄,退化最为严重;湖区柽柳荒漠林带宽最宽,没有出现灌丛枯死现象;泉山区的灌退化程度介于坝区和湖区之间。在沙井子农田边缘,与农田的距离越远,柽柳灌丛的高度越矮,枯枝越多,灌丛覆盖度越低,生物量越少。根据民勤柽柳林的时空变化特征及其驱动因素分析,认为坝区薛百乡沙井子的柽柳现状将是绿洲边缘柽柳林发展的最终状态。在目前民勤生态环境趋于更旱化的条件下,采取一些常规措施进行抚育恢复,效果不明显。今后要对残余柽柳林带重点保护,并将其纳入防风固沙体系,而在已经破坏的区域,通过人工造林进行重建。也可采取滴灌或渗灌供水,对退化的柽柳林进行恢复重建,扩大绿洲边缘柽柳林带的宽度。 10、内陆河下游退化植被恢复、重建技术体系 将内陆河下游划分成降水量>160mm、110<降水量<160mm和降水量<110mm三种类型区。降水量>160mm的地区,采用“一把草一颗苗”的技术方法,在上风向进行人工造林,林带宽100~150米,造林密度450~750株/hm^2,下风向实施全面封育。110mm<降水量<160mm的地区,采取免灌、灌溉两种模式并以免灌恢复为主;免灌条件下,在退化梭梭、白刺林地布设机械沙障,带宽200~300m;灌溉条件下,固沙阻沙林带带宽200~300m,密度维持825~1650株/hm^2。在降水量<110mm的地区,在绿洲边缘采用滴灌措施建立防风固沙林带;同时上游地区每年要为下游地区分配固定比例的生态用水,以维持或恢复下游地区的生态环境,其对下游环境的改善作用是其他人工措施所无法比拟的。 将内陆河下游划分成降水量>160mm、110mm<降水量<160mm和降水量<110mm三种类型区。降水量>160mm的地区,采用“一把草一颗苗”的技术方法,在上风向进行人工造林,林带宽100~150米,造林密度450~750株/hm^2,下风向实施全面封育。110mm<降水量<160mm的地区,采取免灌、灌溉两种模式并以免灌恢复为主;免灌条件下,在退化梭梭、白刺林地布设机械沙障,带宽200-300m;灌溉条件下,固沙阻沙林带带宽200-300m,密度维持825-1650株/hm2。在降水量<110mm的地区,在绿洲边缘采用滴灌措施建立防风固沙林带;同时上游地区每年要为下游地区分配固定比例的生态用水,以维持或恢复下游地区的生态环境,其对下游环境的改善作用是其他人工措施所无法比拟的。 11、石羊河下游防风固沙体系建设的模式 针对目前的生态环境条件,在原有防风固沙体系的基础之上,提出了石羊河下游防风固沙体系建设的新模式,包括免灌和灌溉两种模式。免灌防风固沙体系由防风阻沙带、机械沙障+灌木固沙阻沙带、固沙阻沙灌草带、外围封沙育林育草带组成。本体系同原有体系的不同在于增加了柽柳灌木防风阻沙带和机械沙障+灌木固沙阻沙带。灌溉防风固沙体系由防风阻沙带、灌溉固沙阻沙带、固沙阻沙灌草带和外围封沙育林育草带组成。该体系中增加了灌溉固沙阻沙带,带宽为200~300m,采用滴灌方式供水。 12、干旱区沙漠化土地逆转植被的时空格局及其机制 对干旱区沙漠化土地逆转过程研究后发现,流动沙丘植被的演替过程包括初始阶段(封育后3年内)、先锋阶段(3~10年)、发展阶段(10~20年)和相对稳定阶段(20年以上),植被的演替经历草本→草本+花棒→草本+花棒+油蒿→油蒿+草本的演替过程。山前洪积扇沙地封育后植被演替过程也包括初始阶段、过渡阶段、发展阶段和相对稳定阶段,植被的演替经历白刺+草本→白刺+草本+油蒿→油蒿+草本+零星白刺→紫婉木+针茅+油蒿的一个演替过程。研究认为干预是现代沙漠化发生、发展的主导因素,同时也可以是沙漠化土地实现逆转的关键所在。在降水量160mm以上地区的流动沙丘、沙地,上风向设置沙障或栽植合理密度的花棒灌木,形成封育+人工花棒的模式,是实现植被物种种类和数量增加,加速流动沙丘固定的有效手段。在山前洪积扇沙地,由于白刺具丛生、多枝的生物学特性,为油蒿创造了实现自我繁殖、扩展的良好条件。 13、河西走廊荒漠区植被自然生态演替及其机制。
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