京津冀風沙源區沙化土地治理關鍵技術研究與示范

賈曉紅,吳 波,*,余新曉,蔣德明,白永飛,哈 斯,李曉松,龐營軍

1 中國林業科學研究院, 荒漠化研究所,北京 100091 2 北京林業大學, 水土保持學院,北京 100083 3 中國科學院沈陽應用生態研究所,沈陽 110016 4 中國科學院植物研究所,北京 100093 5 北京師范大學, 資源學院,北京 100875 6 中國科學院遙感與數字地球研究所,北京 100094

京津冀風沙源區沙化土地治理關鍵技術研究與示范

賈曉紅1,吳 波1,*,余新曉2,蔣德明3,白永飛4,哈 斯5,李曉松6,龐營軍1

1 中國林業科學研究院, 荒漠化研究所,北京 100091 2 北京林業大學, 水土保持學院,北京 100083 3 中國科學院沈陽應用生態研究所,沈陽 110016 4 中國科學院植物研究所,北京 100093 5 北京師范大學, 資源學院,北京 100875 6 中國科學院遙感與數字地球研究所,北京 100094

京津冀風沙源區是我國北方生態屏障的重要組成部分。面向我國北方風沙區沙化土地綜合治理、典型脆弱生態修復與保護等重大科技需求,京津冀風沙源區沙化土地治理關鍵技術研究與示范項目將綜合運用長期定位觀測、控制實驗、多源遙感數據融合、技術示范等方法,重點研究京津冀風沙源區土地沙化形成機制與生態修復機理,研發一批沙化土地治理與產業化關鍵技術,并在各治理區開展試驗示范,集成京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系,構建沙化土地綜合整治空間決策支持系統,為京津風沙源治理工程建設、保障京津冀地區生態安全及滿足 2022 年北京冬奧會生態需求提供科技支撐。

京津冀；沙化土地治理；生態修復；沙產業；決策支持系統

目前在國際上,恢復生態學是最受關注的前沿學科領域之一,生態恢復與保護一直是各國環境領域關注的重點。由于不同國家所面臨的生態問題不同,生態保護與恢復技術關注的重點有較大差異。發達國家由于其工業經濟發展歷史比較悠久,人口壓力相對較小,在生態治理方面采取以保護為先、自然恢復為主的原則,盡量減少人為干擾；在理論研究上,從生態系統的整體性出發,開展長期定位研究,著重生態系統演變規律、生態系統穩定性維持等機理和理論的探討,師法自然,為生態恢復和保護提供理論依據。

荒漠化是全球廣泛關注的重大生態環境問題之一,各個國家都在積極研究荒漠化防治的對策和措施,并形成了不同的模式,積累了許多成功經驗。國際上以色列、美國、澳大利亞等國在荒漠化防治方面具有代表性。以色列以節水和提高水資源利用效益為核心,積極發展高科技、高效益的技術密集型現代化高效農業[1,2]。美國通過對干旱區土地、光熱、風能資源的高效開發利用以及對草場的合理輪牧與改良,實現了干旱區生態保護和資源利用的高效性,并且特別重視對天然植被的保護和封育以及破壞后的土地復墾與管理[3,4]。澳大利亞對干旱區土地退化采取了以保護為主的一整套土地管理技術措施,將大面積生態脆弱的荒漠化土地劃作保留地,禁止過度開發[5]。

我國自 20 世紀 50 年代以來,先后在干旱、半干旱地區建立起一批荒漠和草地生態系統定位研究站,積累了大量基礎數據和資料。 50 多年來,我國荒漠化防治重點圍繞牧業、農業和交通等重大生態安全問題開展科研和治沙工程建設,探索出一批適于當地自然條件和社會經濟狀況的荒漠化防治模式。近些年來,在國家科技計劃支持下,我國在沙漠形成演化、土地沙化過程、生態水文過程、土壤風蝕沙化過程等[6-11]方面取得重要進展,在沙化土地監測、防沙治沙植物種選擇與快速繁育、飛播與封育促進沙區植被恢復技術、鐵路與公路防沙技術等[12-25]方面取得突破,為“三北”防護林工程、京津風沙源治理工程和國家基礎設施建設等提供了重要科技支撐。京津冀風沙源區屬于典型的脆弱生態區[7],人口壓力大,經濟落后,貧困與發展相互交織。 2000 年以來,京津風沙源治理工程的實施取得了一定成效,使工程區沙化土地得到一定程度的治理與修復,對保護和改善京津地區生態環境發揮了巨大作用[26-29]。但目前工程區生態環境仍然十分脆弱,人工固沙植被大面積退化,局部地區生態繼續惡化的趨勢沒有從根本上扭轉；生態恢復主要是人工恢復為主,其特點是恢復速度快,可在短期內顯現一定成效,但構建的人工植物群落結構較為單一,穩定性較差,生態系統的發展和維持不具可持續性,因此導致的生態問題較多。在科學研究方面,京津冀風沙源區土地沙化形成機制還沒有從根本上闡明,沙化土地形成機制和演變趨勢的理論基礎還需要進一步完善；目前雖然研發了大量治沙技術,但是尚未形成系統、實用的沙化土地治理與產業化技術體系。

京津冀風沙源區作為我國北方生態屏障的重要組成部分。京津風沙源治理工程是構建我國北方生態屏障的重要組成部分,其主要目標是進一步減輕京津冀地區風沙危害,改善生態環境。2015年,國務院發布《京津冀協同發展規劃綱要》,指出推動京津冀協同發展是重大國家戰略,并將京津冀整體定位為“生態修復環境改善示范區”。針對京津冀風沙源區風沙危害嚴重、大面積人工固沙植被退化等問題和急需建立京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系的迫切需求,中國林業科學研究院牽頭組織中國科學院、北京林業大學、北京師范大學以及各地方林業科研院所和企業聯合申報了“京津冀風沙源區沙化土地治理關鍵技術研究與示范” (2016YFC0500800)項目,并獲得科技部批準立項,以期為京津風沙源治理工程建設、保障京津冀地區生態安全及滿足 2022 年北京冬奧會生態需求提供科技支撐。

1 項目研究內容與技術路線

本項目以京津風沙源治理工程二期的工程范圍為研究區。京津風沙源治理工程二期(2013—2022)總面積71.05萬平方公里,工程區覆蓋北京、天津、河北、山西、內蒙古和陜西6個省(區、市)的138個縣(旗、市、區),其中沙化土地面積22.69萬平方公里,占區域總面積的31.9%[26]。

1.1 主要研究內容

項目設置6個課題。課題1針對京津冀風沙源區面積最大、最易發生沙化的三種景觀類型—沙地、草地、榆樹疏林,研究其植被退化過程與沙化形成機制。另外,針對京津冀風沙源區近年來人工固沙植被發生嚴重退化問題,如楊樹、樟子松人工固沙林大面積退化、老飛播區飛播植被衰退等,重點研究固沙植被穩定性維持與生態修復機理。課題2至課題5分區域開展沙化土地治理與沙產業技術研發及示范。依據京津冀風沙源區自然地理特征、土地沙化發生和治理措施的特點,將京津風沙源治理工程區劃分為4個沙化土地治理區,即壩上高原及華北北部山地、科爾沁-渾善達克沙地、錫林郭勒-烏蘭察布高原、鄂爾多斯高原,針對各治理區特點和亟待解決的關鍵問題開展沙化土地治理與沙產業關鍵技術研發及示范。課題6包含兩項核心內容：1)基于多源遙感數據,研究近40年來京津冀風沙源區沙化土地演變趨勢及其驅動機制,評估京津風沙源治理工程實施對區域生態系統服務的提升；2)在課題1至課題5研究基礎上,對沙化土地治理與產業化技術進行系統的整理與集成。各課題研究內容如下：

課題1 京津冀風沙源區土地沙化形成機制與生態修復機理：沙生植被退化過程與固定沙丘活化機制；沙化草地灌叢化過程與土壤風蝕發生機制；疏林草地退化過程與沙化形成機制；生物土壤結皮對沙地植被穩定性的影響機制；固沙植被穩定性維持與生態修復機理。

課題2 壩上高原及華北北部山地沙化土地治理與沙產業技術研發及示范：接壩區坡地風水復合侵蝕和農田土壤風蝕控制技術；壩上沙化土地典型退化人工林恢復與定向重建技術；華北北部山地沙化土地防護林體系結構調控技術；沙化土地特色經濟植物產業化技術研究與示范。

課題3 科爾沁-渾善達克沙地沙化土地治理與沙產業技術研發及示范：流動沙丘快速固定與植被重建技術；沙化草地改良與生產力提升技術；沙地退化植被人工促進恢復技術；沙化土地高效利用及產業化技術研究與示范。

課題4 錫林郭勒-烏蘭察布高原沙化土地治理與沙產業技術研發及示范：沙化草地精準放牧與生產力提升技術；灌叢化草地植被恢復與風蝕控制技術；沙化草地生產功能與生態功能合理配置技術；生態草牧業技術集成與產業化示范。

課題5 鄂爾多斯高原沙化土地治理與沙產業技術研發及示范：流動沙丘沙障促進植被恢復技術；飛播區退化人工植被更新復壯技術；覆沙黃土區土壤風蝕控制技術；特色沙生植物資源培育與林草產業化技術研究及示范。

課題6 京津冀風沙源區沙化土地綜合整治空間決策支持： 基于多源遙感數據的沙化土地識別及其演變趨勢分析；京津風沙源治理工程區生態系統服務的動態評估；人工固沙植物生態適宜性評價與區劃；沙化土地治理與產業化技術體系及其模式知識庫構建；沙化土地綜合整治空間決策支持系統。

1.2 關鍵科學問題與關鍵技術

關鍵科學問題：(1) 基于水分平衡與風蝕控制的人工固沙植被穩定性維持機制；(2) 草地灌叢化對土地沙化驅動機制；(3)人工固沙植物生態適宜性評價的科學基礎；(4) 土地沙化正逆過程中生態系統服務響應機制。

關鍵技術：(1) 接壩區風水復合侵蝕控制技術；(2) 流動沙丘植被快速恢復技術；(3)沙化草地生產力恢復與畜牧業產業化技術；(4) 退化人工植被恢復與更新技術；(5) 京津冀風沙源區生態系統服務評估技術；(6) 京津冀風沙源區沙化土地綜合整治空間決策支持系統。

1.3 學術思路與技術路線

面向我國北方風沙區沙化土地綜合治理、典型脆弱生態修復與保護等重大科技需求,針對京津冀風沙源區沙化土地治理面臨的關鍵科學問題和關鍵技術,依托在該區域建立的長期生態定位與試驗示范基地,綜合運用長期定位觀測、控制實驗、多源遙感數據融合、技術示范等方法,產學研緊密結合,揭示京津冀風沙源區土地沙化形成機制與生態修復機理,研發沙化土地治理與產業化關鍵技術,并在各治理區開展試驗示范,集成京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系,構建沙化土地綜合整治空間決策支持系統,從共性基礎研究、技術研發、產業化示范、技術集成與決策支持4個層面開展工作,實現項目目標(圖1)。

圖1 項目總體思路與技術路線示意圖Fig.1 The general idea and technical route of the project

2 項目總體目標與預期成果

2.1 總體目標

項目針對京津冀風沙源區風沙危害嚴重、大面積人工固沙植被退化等問題和急需建立京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系的迫切需求,重點研究解決草地灌叢化對土地沙化驅動機制、基于水分平衡與風蝕控制的人工固沙植被穩定性維持機制、人工固沙植物生態適宜性評價和土地沙化正逆過程中生態系統服務響應機制等科學問題,完善京津冀風沙源區土地沙化形成機制與演變趨勢的理論基礎,揭示固沙植被穩定性維持機制和生態修復機理；突破接壩區風水復合侵蝕控制技術、流動沙丘植被快速恢復技術、沙化草地生產力恢復與畜牧業產業化技術以及退化人工植被恢復與更新技術等關鍵技術,建立京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系,開展沙化土地治理與產業化技術示范,構建京津冀風沙源區沙化土地綜合整治空間決策支持系統,為京津風沙源治理工程建設、保障京津冀地區生態安全及滿足 2022 年北京冬奧會生態需求提供科技支撐。

2.2 預期成果

本項目預期將進一步完善北方沙化土地形成機制與演變趨勢的理論基礎,發表論文120—160篇(SCI 30—40),出版專著4—6部；研發沙化土地治理技術12—16項,沙產業技術8—12項,申報專利12—16項,制定技術標準8—12項,申請軟件著作權3—5項；培養博士和碩士研究生40—56人。依托京津風沙源治理工程,項目將在河北、內蒙古、山西和陜西建立8萬畝沙化土地治理與產業化示范區,使植被覆蓋度提高15—20%,單位面積產值提高20—30%。本項目的實施將為京津風沙源治理工程、沙區產業開發和精準扶貧提供科技支撐,具有廣泛的生態效益、經濟效益和社會效益。

3 結語

經過5年攻關研究,項目將在多個層面取得進展與突破：共性基礎研究方面,將進一步完善京津冀風沙源區土地沙化形成機制與演變趨勢理論基礎,揭示固沙植被穩定性維持機制和生態修復機理；應用研究方面,將建立京津冀風沙源區沙化土地治理與產業化技術體系,研發一批針對性強的沙化土地治理與產業化實用技術,支撐京津風沙源治理工程建設；產業化方面,將在龍頭企業的示范帶動下,逐步推廣環境治理與區域可持續發展相結合、以發展生產帶動環境治理的治沙模式,幫助廣大沙區農牧民脫貧致富,提高其生態意識,調動其參與生態治理、環境保護的積極性,使沙區生態環境治理與產業發展步入可持續發展軌道。

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Research and demonstration of pivotal technology on desertified land restoration in beijing-tianjing-hebei sandstorm source zone

JIA Xiaohong1, WU Bo1,*, YU Xinxiao2, JIANG Deming3, BAI Yongfei4, HA Si5, LI Xiaosong6, PANG Yingjun1

1InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China3InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China4Instituteofbotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China5CollegeofResources,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China6InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China

The project on research and demonstration of pivotal technology on desertified land control in Beijing-Tianjing-Hebei Sandstorm Source Zone aims at national important demand on key science and technology such as desertified land control in north sandy region, ecological restoration and conservation in typical fragile environmental region. Based on the long-term ecological observation and demonstration combined with controlled experiment and data of multiple remote sensing, the mechanism about formation of desertified land and ecological restoration will be ascertained, and the science and technology system of desertified land control coupled with deserticulture is established. The decision support system, which is constructed by integrating achievements from observation, controlled experiment, demonstration etc., it will provide technology support for environment control project, ecological security of Beijing-Tianjing-Hebei Sandstorm Source Zone, and meeting ecological requirement in Beijing Olympic Winter Games in 2022.

Beijing-Tianjing-Hebei sandstorm source zone; desertified land control; ecological restoration; deserticulture; decision support system

國家重點研發計劃項目(2016YFC0500800)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172101

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wubo@caf.ac.cn

賈曉紅,吳波,余新曉,蔣德明,白永飛,哈斯,李曉松,龐營軍.京津冀風沙源區沙化土地治理關鍵技術研究與示范.生態學報,2016,36(22):7040- 7044.

Jia X H, Wu B, Yu X X, Jiang D M, Bai Y F, Ha S, Li X S, Pang Y J.Research and demonstration of pivotal technology on desertified land restoration in beijing-tianjing-hebei sandstorm source zone.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7040- 7044.