论文部分内容阅读
土地沙化是人类所面临的重要环境挑战之一。我国是受土地沙化危害最为严重的国家之一，全国沙化土地面积173.97万平方公里，占到国土面积的18.12％，每年造成540亿元的直接经济损失，沙化土地的生态恢复是保障区域生态安全和社会经济可持续发展和民族团结的关键。建国以来国家实施了大量的生态工程建设，特别是始于上世纪的“三北”防护林建设工程有效地遏制了区域沙化面积的扩大，人工促进生态恢复取得了很大的成绩。然而，我国沙化土地分布区域广、成因复杂和发展程度各异，如何进行人工促进恢复，人工促进如何与自然恢复有机结合以及人工促进恢复后土壤-植被系统如何管理是干旱区恢复生态学研究的核心科学问题。本研究以干旱沙区生态恢复为例，选择腾格里沙漠南缘沙化生境为研究对象，应用时空替代法(Space for time substitution)选择封育恢复0年(流动沙丘)、5年(半固定沙丘)、15年(固定沙丘)和25年(固定沙丘)的样地，并以相邻的原生植被生境为参照样地(Reference site)，研究并量化了封育恢复25年来土壤-植被系统的动态变化特征，探讨了影响土壤-植被系统演变的关键因素及其驱动机制。主要结论如下：
(1)在腾格里沙漠南缘，不同封育恢复年代样地的土壤理化性质在垂直剖面均随土层深度(0-300cm的不同层次)呈现明显的变化，但是各理化性质均值随封育恢复过程呈现逐渐增加或减少的规律性变化。其中，表层0-5cm土壤的理化性质变化最为显著，土壤pH随封育恢复过程先降低后增加，土壤容重、沙粒含量随封育恢复过程逐渐降低，土壤粉粒含量、粘粒含量、孔隙度、有机质、全氮、速效磷和电导率随封育恢复过程逐渐提高；土壤颗粒分形维数随封育恢复过程逐渐增大，反映了土壤生境恢复过程中有机质和全氮累积的趋势，揭示了干旱区土壤生境在表土层发育、土壤结构改善和肥力提高等水平上的恢复特征。
恢复25年后，除粘粒含量外，其它主要理化性质恢复到参照样地(原生植被生境)的65％以上。应用最优渐进线模型估计主要理化性质达到参照样地土壤的时间约为17-204年，物理性质恢复比化学性质需要更长的时间，说明了干旱沙区土壤的形成是相对缓慢的过程，所以保护好土壤生境对管理者而言非常重要。
(2)伴随土壤生境的恢复，固沙植被群落中植物种的丰富度逐渐增加，但是物种组成相当简单，恢复25年来仅出现藜科、禾本科、菊科和豆科植物，生活型以矮高位芽植物和一年生植物为主，地面芽植物短花针茅在恢复25年固沙植被中才出现。根据优势种组成及其数量特征，自然植被恢复演变序列依次为：沙米+沙蒿→沙米+沙蒿+油蒿→油蒿→油蒿+多年生草本。
封育恢复过程中，固沙植被在总盖度、灌木盖度、植被生物量、地上生物量、地下生物量、灌木生物量以及地上/地下生物量等数量特征方面的恢复特征均表现为先增大后降低的趋势；而草本植物盖度与生物量表现为逐渐增大趋势，仅达到参照样地植被的30％，草本生物量仅达到22.8％。恢复15年时植被盖度在研究尺度内具有恒定的变异外，不同封育恢复年代及参照样地植被盖度、生物量和SHANNON(H)多样性指数的结构方差比C/(C0+C)均高于0.5，空间自相关引起的异质性占到主要部分，植被空间异质性随封育恢复过程呈现先增强后减弱的趋势，参照样地植被空间异质性最弱，植被空间分布更均一。
而且不同封育恢复年代与参照样地植被的相似性随封育恢复过程逐渐提高，恢复25年时达到50％。而且封育恢复过程的间隔时间越短，相似性越高，群落物种组成差异不断降低，反映出固沙植被恢复演变过程中物种组成与群落结构的渐变性。
另外，不同封育恢复年代样地固沙植被物种丰富度、植被总盖度、灌木盖度及其比例、草本盖度及其比例和物种多样性均具有明显季节性变化，5-10月物种丰富度、植被总盖度、灌木盖度呈现逐渐增加规律，草本盖度及其比例呈现先增加后降低规律，物种多样性、灌木盖度比例均呈现先降低后增加规律，但是不同封育恢复年代样地固沙植被季节变化程度及其变化规律明显不同，反映了不同封育恢复年代样地固沙植被对降水的依赖性和敏感性不同。
(3)伴随封育恢复的进程，土壤-植被系统的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随封育恢复过程逐渐增加，平均空气温度和太阳辐射以及地面、5cm、10cm、15cm和20cm土壤温度均随封育恢复过程逐渐降低，群落内的小环境条件有一定的改善。
此外，土壤-植被系统环境的改善还体现在：地面粗糙度增加、植被内近地面风速降低，土壤剪切力增大，输沙量减少。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。而地上植被有机碳储量随封育恢复过程先增加后减少，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，但是沙化土地碳固存能力显著提高，这也证实了干旱区沙化土地的生态恢复对全球碳循环的重要贡献。
(4)在腾格里沙漠南缘，采取适度人工干预措施后，土壤-植被系统在自然力作用下逐渐恢复，25年后初步实现了沙化土地的生态恢复。然而，土壤—植被系统的恢复受多种因素的影响。其中，固沙植被恢复是系统恢复的先决条件，而优势种更替和土壤种子库变化是固沙植被恢复的显著特点，并决定着植被恢复的起始速度。土壤演变既是植被对土壤作用的结果，又反馈于植被的演变，决定着植被演变阶段和植被类型；土壤水分浅层化与粒度、养分变化，驱动了深根系植物的衰亡和浅根性草本植物的发展，而浅根性植物发展促进了表层土壤的发育，是驱动土壤—植被系统变化的根本机制所在。人工干预(人工植被建设与封育)启动并加速了植被自然恢复与土壤的形成，是干旱区沙化土地生态恢复的必要措施，但作为外在动力并不决定土壤-植被的长期演变方向。