荒漠草原沙漠化过程中植被和土壤退化机制

第1章 草地生态系统退化及沙漠化 1.1 草地生态系统与荒漠草原 草地生态系统是陆地上分布*广泛的生态系统类型之一，在维持自然生态格局、保护生态安全屏障和维持人类活动及发展等服务功能之间形成了点、线和面紧密联系且相互作用的逻辑关系，体现草地生态系统固有的生态、生产及生活服务功能（刘兴元和牟月亭，2012；Malmstrom et al.，2009）。草地生态系统不仅为人类提供了生活所需的肉、奶、皮、毛等产品，而且在生态系统服务和功能中扮演着至关重要的角色。草地生态系统具有调节气候、净化空气、固定CO2、维系生物基因库、防风固沙、保持水土、涵养水源、改良土壤及传承草原文化等重要服务功能（白永飞等，2014）。因此，草地生态系统功能的正常发挥对维持区域性及全球生态系统平衡有极其重要的作用（Hu et al.，2016）。全球草地面积为3.50×109～5.25×109hm2，占陆地面积26.0%～40.5%（沈海花等，2016）。草地主要分布在干旱和半干旱区，占干旱和半干旱区总面积的88%，养育了25%的世界人口。由于人类干扰和气候日趋干旱，草地环境遭受严重破坏，草地荒漠化和土地沙化现象逐步加剧，脆弱的草地生态系统严重失衡。 我国的草地资源居世界第三位（Conant and Faustian，2002），天然草地面积约4.0×108hm2，占全国陆地面积的41.7%（中华人民共和国农业部畜牧兽医司，1996）。天然草地是我国面积*大、分布*广且类型*多的陆地生态系统。天然草地主要分布在干旱和半干旱地区，从东北平原经内蒙古高原、鄂尔多斯高原、黄土高原直达青藏高原的南缘，是欧亚中高纬度草地生态系统的重要组成部分（陈佐忠和汪诗平，2000）。其中，北方草地总面积约为3×108hm2（李博，1997），主要分布在新疆、西藏、青海、甘肃、四川、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河北、辽宁、吉林、黑龙江13省（自治区），是我国草地资源的重要组成部分，也是我国北方地区免受风沙侵袭的生态保护屏障和重要经济枢纽（旭日干等，2016；李博，1997）。我国天然草地有90%左右处于不同程度的退化之中，其中严重退化草地占60%以上。长期过度放牧、草地开垦为农田、气候变化、国家投入不足和牧区政策偏差是我国草地大面积退化的主要原因（白永飞等，2016，2014；韩俊，2011）。 长期以来，我国在畜牧业生产中重视草地的生产功能，忽视其生态功能，导致生产功能过度利用，草地超载过牧、滥挖、滥垦等问题十分突出。20世纪60～80年代，大面积的优质草地被开垦为农田，这是我国草地退化、草地生态功能和草地生态系统服务功能降低的*主要原因。自然因素中，气候变暖、干旱和鼠虫害等也加速了草地的退化，制约了当地牧民的经济发展，影响了北方地区乃至整个国家的生态格局安全，不利于促进生态保护和经济社会的可持续发展，北方草地作为重要的天然保护屏障面临着日益严峻的挑战（白永飞等，2016）。近年来，我国先后实施了京津风沙源治理工程、退牧还草工程、草原生态保护奖励补助政策等生态环境保育政策，草地退化得到有效控制，部分地区已经实现沙退人进，植被得到了显著性的恢复（Chen et al.，2019；Piao et al.，2015）。然而，我国北方草地仍然处于“局部改善、总体恶化”“治理速度赶不上退化速度”的被动局面，草原人-草-畜关系的突出矛盾亟待解决，草牧业生产亟待创新发展的理念。 根据草原生态系统植物群落的生活型和生态型的差异，我国草原植被类型主要包括4个亚型：草甸草原、典型草原、荒漠草原和高寒草原（卫智军等，2013；杨阳等，2012）。其中，荒漠草原是由草原区向荒漠区过渡的地带性植被类型，是温性草原植被中旱生性*强的草原植被亚类。荒漠草原物种多样性和潜在生产力*低（沈海花等，2016;马文红和方精云，2006），被认为是草原的极限状态。荒漠草原是草原的重要组成部分，占我国草地总面积的8.1%（沈海花等，2016）。荒漠草原位于草原地带和荒漠地带之间，因此在地域和生态系统的组成、结构和功能上具有明显的过渡性和缓冲性。根据中国草地分类系统，我国荒漠草原主要分布于温性草原和高寒草原两个类型中，分别为温性荒漠草原和高寒荒漠草原（白永飞等，2014）。其中，温性荒漠草原在内蒙古中西部、宁夏中北部相对集中分布，在甘肃西部和新疆全境零星分布；高寒荒漠草原则主要分布在西藏北部、青海东部分布。荒漠草原特定的干旱和半干旱气候决定其植物群落多样性低，植被结构简单，环境资源承载能力有限，生态系统较为脆弱（余轩等，2021；宋一凡等，2017）。荒漠草原各类植物群落发育在生态环境条件较严酷的干旱气候地区，植被低矮、稀疏，结构较简单，植物高度为15～20cm，植被覆盖度为15%～25%。荒漠草原生态系统的生物量积累较低且波动性大，生产力仅为典型草原的40%～50%。荒漠草原因细沙和松土大面积裸露，是极易发生荒漠化的一个类型，也是沙源的主要部分（中华人民共和国农业部畜牧兽医司，1996）。 1.2 土地沙漠化现状及驱动因素 沙漠化（sandy desertification）是干旱、半干旱及部分半湿润地区因人地关系不协调破坏了原有的自然生态系统平衡，出现了以风沙活动为主要特征，并逐步形成风蚀、风积地貌结构景观的土地退化过程，其主要表现为固定沙丘（地）—半固定沙丘（地）—半流动沙丘（地）—流动沙丘（地）的动态演化序列（Wang，2009；王涛等，2004）。沙漠化是土地荒漠化的主要类型之一，其引起土地生产潜力降低，可利用土地资源丧失和人类生存环境恶化逐渐引起世界各国的重视。世界范围内旱区的10%～20%正在经历由土地沙漠化引起的土地退化（Bestelmeyer et al.，2015），全球大约有4.56×107hm2的土地发生不同程度的沙漠化，沙漠化引起的退化土地占陆地生态系统总面积的35%，其发生在中纬度干旱、半干旱地区超过100个国家(地区)中，并且影响了约1/4的世界人口（Zhao et al.，2014；Verón and Paruelo，2010；Zhou et al.，2008；朱震达，1994）。土地沙漠化是中国*主要的生态环境问题之一，给我国草地资源保护、牧区经济可持续发展和牧区社会长期稳定带来了严峻考验。据2015年发布的《中国荒漠化和沙化状况公报》，截至2014年，我国沙化土地总面积为1.7212×106km2，占陆地国土总面积的17.93%。其中，新疆和内蒙古的沙化土地面积较大，分别为7.471×105km2和4.079×105km2，分别占全国沙化土地总面积的43.4%和23.7%（屠志方等，2016）。虽然沙化面积与2009年相比减少了9902km2，但中度沙化和重度沙化面积仍在增加，分别增加了4.1×103km2和1.89×104km2。截至2014年，全国具有明显沙化趋势的土地面积为3.003×105km2，占陆地国土总面积的3.13%；实际有效治理的沙化土地面积为2.037×105km2，占沙化土地面积的11.8%。沙漠化土地主要分布在内蒙古、新疆、青海等12个省（自治区），其中内蒙古具有沙化趋势的土地面积*大（1.74×104km2）。尽管这部分草地目前还不是沙化土地，但将来极有可能发展成沙化土地。因此，我国沙漠化土地的治理任务依然艰巨，沙漠化土地的扩大给我国经济发展和生态环境保护带来了严重的危害（Zhang and Huisingh，2018）。 我国西北干旱区是沙区*为集中的地区，可大致分为4个沙区：西部沙区、西北部沙区、中部沙区和东部沙区（董光荣等，1995）。西部沙区包括青藏高原北部地区及昆仑山、阿尔金山以北和天山以南的沙漠，主要处于温带、暖温带极端干旱荒漠生物带，除地下水位较高地区及河流或湖泊附近存在固定、半固定沙滩或绿洲外，大部分地区均是流动沙丘占较大比例。西北部沙区包括阿尔泰山以南、天山以北的沙区，由于北冰洋极地冷气团和西风气流和影响，这些区域降水比较均匀，且在冬春季节形成积雪覆盖，虽地处温带干旱荒漠，但仍以固定、半固定沙丘为主。中部沙区包括马鬃山以东，祁连山以北，贺兰山、狼山以西的沙区。该地区流动沙丘所占比例*大，且兼有一定比例的固定、半固定沙丘。受季风气候的影响，中部沙区有两个明显的特点：①沙丘较大，且部分有少量的植被覆盖；②湖沼较多。东部沙区包括中国、蒙古国边境线经阴山山脉西端及贺兰山、乌鞘岭、青海湖、都兰一线以东沙地。受季风气候影响，温带半湿润森林草原生态系统、半干旱草原及干旱荒漠草原生态系统的沙地以固定沙地为主，且流动沙丘面积相对较小。 目前，草地沙漠化是全球面临的重要环境问题，会对牧草生产与居民生活环境产生重要影响（宗宁等，2020）。草地沙漠化是草地退化的主要形式之一，也是草地退化的极端表现形式，其危害程度、发生面积已远超出其他类型的土地退化方式（Zuo et al.，2008b；吕子君等，2005）。沙漠化使草地产草量骤降，土质粗沙化、养分含量降低，生产力减退，草地生态系统遭到严重破坏，导致原非沙漠地区的草地逐渐退化为类似沙漠景观的草地的过程（国家质量监督检验检疫总局，2004）。我国北方沙漠化草地面积达4.39×107hm2，占可利用草地总面积的41.15%（Tang et al.，2015；赵哈林等，2007b）。位于宁夏中北部的荒漠草原沙漠化*为严重，大约有96.92%的草地出现不同程度的沙漠化。其中，25.1%的草地出现轻度沙漠化，24.9%的草地出现中度退沙漠化，50%的草地出现重度沙漠化，沙漠化草地占可利用草地总面积的33%（Liu et al.，2014；赵哈林等，2007b）。随着“封育禁牧”“退耕还林还草”等生态工程的实施，该区荒漠草原生态系统总体质量逐渐得到改善，但该生态系统具有一定脆弱性且自身稳定性较低，对气候变化和人类干扰反应敏感。 草地沙漠化的主要驱动因素有三个方面：①人为因素；②自然因素；③生态系统自身的脆弱性。近年来，由于人类对资源的过度利用，草地生态系统出现不同程度的沙漠化（Tang et al.，2016；赵哈林等，2012）。联合国曾调查了45个沙漠化样点来探讨沙漠化的形成因素，结果表明，沙漠化的发生13%是由气候变干引起的，87%是由人为因素导致的。中国科学院西北生态环境资源研究院对沙漠化成因的调查研究表明，人为因素是导致我国北方干旱、半干旱区沙漠化的*主要的原因。其中，29.4%的草地荒漠化是由过度放牧导致的；23.3%的草地荒漠化是由过度农垦导致的（王礼先，2000）。而过度放牧是造成干旱、半干旱区草地生态系统退化和沙漠化的主要驱动因素（Deng et al.，2014b；Throop et al.，2004）。以低生产力为特点的荒漠草原生态系统在过度放牧情况下难以与其所承载的*大载畜量相吻合，进而导致草地生产力的下降，同时，伴随着放牧家畜的践踏，植被群落结构遭到破坏，使得土地裸露进而增加草地退化与沙漠化的风险（Deng et al.，2014b；Pei et al.，2008；Su et al.，2006）。土壤理化性质同样受到放牧的影响，放牧过程中家畜排泄物进入土壤，影响土壤与植被间营养元素的循环，导致土壤地球化学循环发生改变（吴旭东，2016）。放牧家畜的践踏使得土壤容重增大，土壤颗粒分布发生改变，导致土壤渗透能力降低，且家畜的践踏破坏了土壤表层的物理结皮，导致土壤更加容易遭到侵蚀（Deng et al.，2014b）。 许多学者在气候变化对沙漠化的影响方面做了大量的研究工作。例如，科尔沁草地沙漠化的成因研究表明，气候变干、变暖以及局地性暴雨的增强可以导致沙漠化进程的加快（白美兰等，2002）。气象资料和卫星图像的对比分析表明，在没有人为影响的条件下，古尔班通古特沙漠边缘的沙漠化对气候变化有着明显的响应，而且沙漠化对气候变化的响应过程同样反映出它的敏感性和干旱气候积累的滞后性（魏文寿，