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中国科学家依据“仿生学”与“点格局”原理营造的“低覆盖度治沙体系”，把能够完全固定流沙的固沙林覆盖度从40%左右降到20%左右是沙漠治理历史上的重大进步。
沙漠化防治是我国长期面临的问题
中国是世界上荒漠化面积最大的国家之一，截至2009年年底，其面积达262.37万km2，占国土面积的27.33%。我国每年因荒漠化造成的直接经济损失达1200亿元，全国每年有4亿人的生活受荒漠化影响。防沙治沙是我国最重要的生态建设任务之一，国家先后启动了“三北”防护林体系建设工程、京津风沙源治理工程等多项国家重大工程，在修复半干旱区沙地、拯救退化沙化土地与植被资源中，取得了显著成效；西部大开发以来，社会经济发展对防沙治沙新技术的需求量越来越大，例如，开发干旱区的土地、能源、矿产等资源，保护交通干线、厂矿、能源基地及绿洲等需要新技术。因此，研究推广具有高防风固沙效益、低生态用水及长寿命的防风固沙技术成为沙漠学界亟待解决的关键课题，其推广应用前景巨大。
“以林为主”还是“以草为主”
50多年来的沙漠治理研究，取得了成千上万项研究成果，支撑了我国防沙治沙工程建设，其中一项重要成果：“植被覆盖度大于40%为固定沙地，10%～40%为半固定、半流动沙地，小于10%为流动沙地”，成为我国防沙治沙工程中最重要的效果指标。执行这项指标的结果是治理初期效果显著，但是，中幼龄林开始衰败或成片死亡、大量地消耗了有限水资源、建立的固沙林等植被不能自然修复等，致使多数地区必须再造林，或已固定的沙地再度活化，难以实现可持续发展的目标。
我国干旱半干旱区，在经历地质年代的漫长演变与适应后，形成了现代荒漠生境，虽然降雨稀少却能够支撑与当地气候、土壤、地貌、水文等条件相适应的天然稀疏林分，密度一般低于800株/hm2，覆盖度低于30%。这种乔、灌木疏林是经过长期自然选择而延续下来的，是符合干旱半干旱区水量平衡条件的，能够确保系统的稳定性并与当地生境相适应，这些乔、灌木植被在林学中被称为“疏林”（《国家特别规定的灌木林地》和《国家森林资源连续清查技术规定》），而且，这种疏林构成了以其自身为主要树种的植被类型，大部分能够正常生长发育；但在自然条件下，这种低覆盖度的疏林是不能够完全固定流沙的，不能够达到人类固定流沙的目标。
一方面是“高覆盖度”的固沙林能够完全固定流沙却出现中幼龄林衰败或死亡，另一方面是“低覆盖度”的固沙林不能够完全固定流沙，达不到人类固沙的目标，引发了20世纪90年代以来学术界的一场是“以林为主”还是“以草为主”治理沙地的大论战。低覆盖度治沙从其沙地修复过程的原理与林、草的贡献角度得出：“固沙林为先，修复草必要”的理论，试验证明：低覆盖度治沙的修复速度比封育的快2-5倍。
探索接近自然地带性植被的修复技术
在种群生态学中，一般把种群的空间分布格局分为3种类型：随机分布（random distribution）、均匀分布（regular distribution）和集群分布（clumped distribution），而行带式格局是一种特殊的集群分布格局。研究表明：植物种群格局决定着水分的利用效率，在水分非常少的干旱区，不同配置格局的植物固沙林，可能在水分利用方面差异显著，研究确定更加合理高效利用有限水分的格局意义重大。行带式分布的固沙林显著改变了降水截留、渗透与植物利用机理，明显的边行生长优势可依靠从边行向外侧形成的一个由低到高的含水率梯度支撑，并明显出现高土壤水分带，成为土壤水分渗漏补给带。因土壤水分渗漏补给带无树冠对降水的截留，更加有利于降水在土壤中的渗透，故含水率高；这个带有可能确保降水在多雨年份下渗补给地下水，并能够在干旱年份保证固沙林的水分供给。
近十几年来，我们首先对现有分布在干旱半干旱区的天然植被进行了广泛调查，在深入研究后，依据“仿生学”与“点格局”原理，按照“近自然林业”的概念——强调尽可能按照当地自然分布植被的特征（如固沙造林时选用乡土树种、设计的固沙林在成林后覆盖度应尽量接近自然植被盖度等），营造接近当地自然植被的固沙林。在确保营造的固沙林能够稳定正常生长的条件下，提高其防风固沙效益。探索既能够充分发挥乔、灌、草各自特性，又能形成复合的、生态作用互补的、接近自然地带性植被的修复技术，成为低覆盖度治沙的目标。
通过十多年的研究证明，这个选题和思路是正确的，研究发现低覆盖度固沙林具有多项生态优势。
1）覆盖度在15%～25%的稀疏固沙林，乔、灌木个体分布格局是影响疏林防风固沙效益的重要因素，疏林的灌（丛）间出现了类似“狭管”抬升风速的现象；覆盖度在15%～25%时，配置成合理的集群分布格局（如行带式）则能够完全固定流沙，比同覆盖度的随机分布格局的疏林防风效果提高25%～50%，实现了行带阻风低覆盖治沙。
2）把覆盖度降低到与当地自然植被覆盖度相似的水平，确保了固沙林的水量平衡，配置成为集群格局（如行带式）后，降低了林分截留消耗和地表蒸发量，提高水分利用效率10%～20%；在多雨年份，确保有降雨渗漏补给土壤深层或地下水，不但提高了水分利用效率，而且避免了因“土壤干旱”导致的“地气不通现象”，基本解决了中国防沙治沙中中幼龄林衰败死亡的问题。
3）营造低覆盖度行带式固沙林后，组合出多个林（乔、灌）草界面，巧妙地把生物物流与能流特别活跃的界面生态学（林学的边行优势）原理应用到固沙植被建设中；带间形成的生态小气候效益和景观界面（landscape interface），即生态过渡区（transition zone），又是边际效应（edge effect）产生区，这是生态系统中生物与生物之间、生物与环境之间在界面上的物质、能量及信息传递和交换的活跃带，具有良好的界面生态过程与生态效益，相比较非行带式固沙林生物生产力提高8%～30%。
4）低覆盖度行带式固沙林形成了窄的林带与宽的自然植被修复带组合，固沙林起到防风固沙作用后实现了治沙的第一目标。沙面稳定后，有利于自然侵入或人工播种的以草本为主的带间植被发育，使植被和土壤恢复速度提高3～5倍；在促进沙漠（地）土壤、植被发育、修复沙漠（地）生态环境方面具有更加重要的作用，是实现沙漠（地）环境修复的必要条件；且形成的乔、灌、草复层结构，多树种带状混交的固沙林，显著提高了固沙植被的稳定性。
5）低覆盖度固沙体系具有调节湿润年与干旱年水量补给不均衡的作用，缓解“卡脖子”干旱导致的衰败死亡现象，可以抵御20年一遇的干旱年份导致的干旱胁迫衰败死亡现象。
6）低覆盖度防风固沙体系可降低固沙造林成本30%～60%及林分生态用水量20%～30%。在干旱区，能够降低生态用水的生态修复技术尤为重要，而低覆盖度固沙林恰恰起到了既能够防风固沙又能够显著减少生态用水的功能。
由此，我们定义了“低覆盖度治沙体系”——以防风固沙、修复退化土地为目标，按照自然植被的覆盖度，选用乡土树种，从提高水分利用率、植被稳定性和加快修复速度角度出发，控制成林覆盖度在15%～25%的条件下，营造植树占地15%～25%、空留75%～85%的土地为植被自然修复带的固沙林，在确保完全固定流沙和林木健康生长的条件下，形成能够促进土壤与植被快速修复的乔、灌、草复层植被，构成防沙治沙体系。
结合我们研究的水量平衡、治沙格局等，在确保固沙林完全固定流沙和正常健康生长的条件下，按照半干旱、干旱和极端干旱3个区，分别研究得出3个区的适宜固沙林造林密度。同时，在极端干旱区，为控制过量的、不合理的生态用水，提出了固沙造林的造林密度上限。
低覆盖度防沙治沙体系属于疏林的范畴，其成林标准应该为：半干旱区乔木林郁闭度0.15，灌木林覆盖度25%，乔、灌混交林覆盖度25%；干旱区乔木林郁闭度0.1，灌木林覆盖度20%，乔、灌混交林覆盖度15%；极端干旱区乔木林郁闭度0.1，灌木林覆盖度15%，乔、灌混交林覆盖度10%。
任何植物（包括乔木、灌木）都有自己的生理寿命，作为林分中的一株植物，最终都是要“寿终正寝”。充分调查我国近50年来建植的人工生态林后发现：人工生态林（除经济林）达到过熟林（也包括死亡或衰退的中幼林）死亡后，只能人工更新，直到目前，还没有方法能够使人工固沙林到达寿命后自然修复。因此，我们认为：人工固沙林应该是一种“长寿命生物沙障”，而低覆盖度行带式固沙林是具有促进自然植被和土壤快速修复功能的、能够长久固碳和提高生物生产力的生物沙障；所以，营造行带式固沙林，充分发挥其生物沙障的作用，利用带内自然植被快速修复和土壤发育的功能，使沙地土壤、植被向地带性土壤与植被演变，直到人工固沙林“寿终正寝”后，确保自然修复的植被和土壤更加接近地带性植被和土壤，同时能够继续稳定生长发育。这样，行带式固沙林能够较好地实现人工植被向自然植被的和谐过渡，在一定程度上弥补人工林不能自然更新的缺陷，达到可持续固定流沙的最终目标，这也是低覆盖度行带式固沙林的重要生态功能之一。
自然科学是边研究边实践的科学，在近十年的时间里，我们结合京津风沙源治理工程、“三北”防护林体系建设工程等，在不同气候区推广营建了617万公顷低覆盖度防风固沙林，形成了较完整的防沙固沙体系。在推广过程中，我们在覆盖度为15%～25%的条件下，尝试了行带式、网格式等多种模式，在极端干旱区，应用滴灌技术，在交通干线、厂矿及绿洲周边等也尝试了低覆盖度防风固沙体系的营建。截至目前，低覆盖度固沙林林分稳定、生态效果非常理想；随着低覆盖度固沙林林龄的延长，在半干旱区，带间土壤与植被的修复效果越来越明显，极端干旱区减少生态用水的效果也更加突出。
从2003年到现在，我们对低覆盖度条件下防风固沙体系进行了持续的研究，从机理上、模式配置上、修复效果上等进行了深入分析，在国内外刊物上发表了上百篇论文，为确保研究资料的广泛性与可靠性，注册申请了8项发明专利，支撑我们的研究，在2012年，低覆盖度固沙专利（专利号：ZL 200919241513.0）获国家授权。
把能够完全固定流沙的固沙林覆盖度从40%左右降到20%左右是沙漠治理历史上的一大进步；特别是国家把生态建设作为“五位一体”社会建设体系后，沙漠治理不再只是一个单纯的固沙造林问题，还是一个最重要的生态建设与资源修复问题，低覆盖度防风治沙体系是开创一个源于自然生态（近自然林业），又具有人类创新的新的学术领域，也是生态建设的一个新的技术体系，是一个近十年来刚刚起步的新领域。
虽然我们研究发现了一些原理，提出了一些模式，也开展了一些试验示范，但这仅是一个开头，仅仅是一个初步的结果。我们认为：固沙林的覆盖度在15%～25%，仍然有许多诸如水分效率、界面优化、土壤植被修复等的机理问题需要探索，也有许多诸如树种选择，混交配置，乔、灌、草组合等技术问题需要研究。在低覆盖度条件下，可以通过试验示范探索出更多、更优秀的模式，我们希望把多年零散的研究结果加以系统化，把低覆盖度固沙林营建后的降风阻沙机理、水分利用与调控、界面生态机理、土壤和植被修复机理等几个不同学术领域的变化及其结成的脉络展示出来，形成一个粗浅的低覆盖度治沙原理，以对未来有志在低覆盖度防风固沙体系领域开展研究工作的研究者起到抛砖引玉的效果；同时，也为推动干旱区防沙固沙进入低覆盖度新阶段、提高生态修复效益提供科学依据，为我国大规模的生态建设工程提供科技支撑。
本文由刘四旦摘编自杨文斌、李卫、党宏忠、冯伟、卢琦、姜丽娜、杨红艳、吴雪琼等著《低覆盖度治沙：原理、模式与效果》一书“前言”部分，有修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-046039-4
《低覆盖度治沙：原理、模式与效果》是对低覆盖度行带式固沙林从理论到实践的较系统、全面的研究。共分八章，第1章回顾了我国防沙治沙工作的发展历史与重要发展阶段，介绍了低覆盖度防风固沙林概念从萌芽到逐步形成的发展历程，系统阐述了低覆盖度行带式防风固沙林的概念与内涵。第2~3章重点从基础理论方面系统阐述了低覆盖度行带式固沙林的防风固沙机理、效应以及水分利用机制。第4~5章对低覆盖度行带式固沙林促进带间土壤、植被修复的效应进行了全面阐述。第6~7章阐述了低覆盖度行带式固沙林通过界面效应形成的生长优势及对小气候的改善效应。第8章总结分析了低覆盖度行带式固沙林典型优化模式、结构及构建、抚育管理技术。
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