那一抹最亮的绿色 中国科学院奈曼沙漠化研究站侧记

正在我国沙漠化扩张态势逐渐逆转的伟大实践中,科尔沁沙地一定是沙漠中最亮的那一抹绿色,在中国四大沙地中率先实现了整体治理速度大于退化速度的良性逆转。期间,作为防沙治沙研究国家队成员之一的中国科学院奈曼沙漠化研究站(简称"奈曼站")发挥了重要的作用。     

基于RS和GIS的玛曲高原土地沙漠化时空演变研究

基于RS和GIS空间分析技术,以玛曲高原多期Landsat遥感数据为主要信息源,监测分析了1977—2014年玛曲高原沙漠化土地的时空演变规律。结果表明:近40年来玛曲高原的土地沙漠化经历了迅速发展—缓慢发展—急速逆转—缓慢逆转—快速逆转的变化过程。1977—1995年玛曲高原沙漠化处于快速扩张阶段,年均扩张速率为3.01%;1995—2014年沙漠化扩张趋势出现逆转,年均逆转速率为4.14%。沙漠化土地的发展和逆转区域主要分布在东北部欧拉秀玛乡和尼玛乡黄河沿岸、东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区、西南部齐哈玛乡和中部阿万仓乡黄河支流两岸。玛曲高原沙漠化土地的发展和逆转过程并非逐级递增或递减,而是在15—20年内交替出现,不同等级沙漠化土地之间的转移也存在明显的跃变。从整体来看,玛曲高原土地沙漠化呈现逆转趋势,区域生态环境得到明显改善。     

基于社会-生态系统的沙漠化逆转过程脆弱性评价指标体系

土地沙漠化是当今世界最为严峻的生态环境问题之一。沙漠化逆转作为其反向转化过程,存在一定的脆弱性和不稳定性,即沙漠化逆转趋势减弱或反向发展的倾向。社会-生态系统理念是当今世界生态系统分析的新思路,从该视角界定沙漠化逆转过程的脆弱性概念,选取Driving-Pressure-Status-Impact-Response(DPSIR)分析框架,以农牧交错带典型沙漠化逆转区宁夏盐池县为案例,针对沙漠化逆转的因果联系和过程特点,构建一套涵盖气候湿润指数、生态治理指数、沙地所占比例在内的4层、5要素、41指标的评价体系,进而探讨驱动力、压力、状态、影响、响应5项要素间的逻辑因果关系及其脆弱性定量化计算方法,以期科学评估沙漠化逆转过程的脆弱性,为该类型区沙漠化问题的进一步治理和调控提供科学依据。     

农户生计资本与沙漠化逆转趋势的关系——以宁夏盐池县为例

探索禁牧政策背景下农户生计资本与生计结果关系,对提升农户生计和沙漠化逆转的可持续水平具有重要意义。以农牧交错带上典型的沙漠化逆转区宁夏盐池县为例,基于SLA可持续生计框架和实地调研数据,定量评估了农户生计资本与沙漠化逆转趋势,运用灰色关联法和二元Logistic模型探讨了两者间的关系和影响。结果表明:(1)盐池县农户的生计资本存量仅处于维持基本生活需求阶段,金融资本和社会资本储量较低,存在明显的属性差异,各乡镇间差异较小;(2)农户对沙漠化逆转的响应主要表现在生态政策、适应行为、环保意识、环保行为和环境感知5个方面,存在显著的属性差异和空间差异,63.76%的受访户倾向于沙漠化逆转可持续;(3)农户生计资本与沙漠化逆转趋势之间存在较强的关联关系,人力资本和金融资本对沙漠化逆转可持续起负向作用,而物质资本、自然资本和社会资本则呈正向影响;(4)金融资本、社会资本和人力资本是影响沙漠化逆转可持续的关键因素,是今后该县农户生计资本更新与发展、可持续生计能力形成的关键点和突破点。     

石羊河中游沙漠化逆转过程土壤种子库的动态变化

在石羊河中游,应用空间代替时间的方法,选择流动沙丘以及封育恢复5a、15a和25a的沙漠化逆转过程序列,研究了沙漠化逆转过程土壤种子库的变化特征。结果表明:石羊河中游沙漠化土地土壤种子库由4科12种植物组成,种子库主要分布于表层0-5cm。在沙漠化逆转过程中,土壤种子库物种数趋于增加,物种组成以1年生草本植物占优势逐渐向多年生草本植物和半灌木植物转变;种子库密度、表层土壤种子比例、物种多样性指数、与地上植被的相似性呈现先增大后降低趋势;沙漠化土地生态恢复间隔的时间越长,土壤种子库间的相似性程度越低;沙漠化土地与地带性植被区种子库的相似性逐渐增大,但是恢复25a沙漠化土地也仅达到0.36。研究认为,沙漠化逆转过程也是沙漠化土地土壤种子库向地带性植被土壤种子库演变的过程,而且是一个十分缓慢的过程,该研究有助于丰富干旱区土壤种子库的理论和指导干旱内陆河流域沙漠化土地的生态恢复实践。     

科尔沁沙地沙漠化土地恢复面临的挑战

对科尔沁沙地近50年来沙漠化土地面积、水资源可利用性、土地利用与草地植物生产力的变化进行了分析.结果发现：科尔沁沙地的土地沙漠化在经历了20世纪50—80年代中期的快速发展之后,80年代后期发生了逆转.在过去的50年中,西辽河径流量持续减小,1999年在西辽河中游的内蒙古自治区通辽市段断流;近20年来,位于科尔沁沙地腹地的西湖水位下降近10 m, 2001年干涸.科尔沁沙地草场的地上生物量由1937年的520 g·m^-2下降到2005年的197 g·m^-2.产生这种结果的主要原因是土地利用方式的变化,即基于灌溉的沙漠化治理规模的扩大和灌溉农田面积的增加,导致用水量增加.这也是科尔沁沙地实现土地沙漠化持续逆转面临的严峻挑战.     

基于多时相遥感影像的浑善达克沙地沙漠化监测

沙漠化是浑善达克沙地面临的主要环境问题.为了揭示该地区沙漠化过程,特别是其最新状态,利用1987年和2000年的Landsat TM/ETM 及2006年的中巴资源卫星CCD数据,在地面考察资料及地理信息系统(GIS)的支持下,提取了固定沙地、半固定沙地、流动沙地、丘间草原及湿地5种地表覆被类型,建立了浑善达克沙地沙漠化数据库.结果表明浑善达克沙地在过去20a里发生了沙漠化,但是可分为两个阶段.第一阶段从1987年到2000年,为沙漠化快速发展期,固定沙地面积显著减少,而半固定沙地和流动沙地则明显增加;第二阶段从2000年到2006年,为沙漠化缓减期.尽管发生了沙漠化,但固定沙地仍然是浑善达克沙地面积最大的类型.针对流动沙地的空间变化检测表明在过去20a里沙地恶化的面积远远大于逆转的面积,并且已经形成了几条流动沙带,这意味着浑善达克沙地沙漠化的遏制是一个长期的过程.     

社会-生态系统视角下沙漠化逆转定量评价——以宁夏盐池县为例

对沙漠化逆转区进行有效管理是沙漠化治理至关重要的环节,研究沙漠化逆转区社会-生态系统的干扰状况可以为沙漠化逆转区的管理提供理论支持。基于MODIS NDVI产品数据,用移动窗口法则计算了不同空间尺度上盐池县社会-生态系统的干扰强度和干扰连通度,并分析了2000—2015年间不同时间段内宁夏盐池县社会-生态系统干扰的空间分布。结果表明:(1)盐池县不同时间段内社会-生态系统干扰的空间分布具有较大差异,2000—2004年强干扰主要集中于盐池县的南部;2004—2008年强干扰在北部、中部均有表现;2008—2012年强干扰分别位于东、中、西3个小区域,并没有集中于一个区域,且北部强干扰区域进一步增强;2012—2015年强干扰的区域主要集中于县域的北部、中西部和西北部。(2)不同空间尺度上社会-生态系统干扰强度和连通度有很大差异,随着移动窗口的增大,不同集群的干扰类型也发生了变化,主要表现为低干扰离散型向低干扰集聚型转变,高干扰集聚型向低干扰离散型转变。(3)总体上看,除了个别区域社会-生态系统干扰强度和连通度较大以外,盐池县大部分地区社会-生态系统受干扰的强度和连通度并不大,沙漠化逆转程度较低,还有待进一步加强沙漠化治理力度。     

沙漠化逆转过程中土壤性状演变综述

沙漠化日益严重,沙漠化土地的恢复与重建具有重大的生态效益、经济效益和社会效益。目前沙漠化的主要沙源是流沙,在流动沙丘上造林固沙防止流沙扩散,进而使得沙漠化逆转,对保护农田、草场和交通都很重要。本文从土壤物理特性(持水能力、颗粒特征)、化学特性(碳、氮、磷等)和土壤生物学活性(微生物生物量、土壤呼吸、土壤酶活性等)方面综述了土壤特性对沙漠化逆转过程的响应,为阐明沙地生态恢复过程中的土壤特性响应机理提供理论依据;并提出今后该领域的研究建议:采用微生物群落组成来表征土壤质量变化,也可采用分子生物学技术确定土壤演变的功能微生物的变化,改变目前仅限于土壤酶活性、微生物生物量以及传统培养法用于沙地土壤生物学活性的研究,以便更好地探索荒漠区流动沙丘固定后土壤质量演变过程中微生物活性动态变化及其与植被关系,揭示人工恢复沙地导致土壤质量演变的关键微生物特征。     

应急输水工程对塔里木河下游地区植被覆盖度的影响

基于塔里木河下游地区1999年TM、2002年ETM和2004年ASTER遥感影像及其基础背景数据,对应急输水工程前后研究区植被覆盖度和土地沙漠化的动态变化进行了研究.结果表明：随着应急输水工程的实施,塔河下游地区中、高植被覆盖度的面积逐年增加,分别由1999年的7447.16、17146.80hm^2增加至2004年的9129.16、26236.61hm^2,低、劣植被覆盖度面积分别减少了9989.10和782.71hm2;1999—2004年间,研究区沙漠化总面积由506258.06hm^2减少至498043.93hm^2,呈逐年缩小趋势.研究期间,部分沙漠化地区出现了较为明显的逆转,生态环境趋于好转,应急输水工程对塔河下游生态环境的改善起到了重要作用.     

科尔沁沙地沙漠化过程中的物种多样性

对内蒙古科尔沁地区沙漠化过程中物种多样性的变化特征进行了分析 ,依据植物种在各类型沙漠化土地的出现频率和不同沙漠化阶段各生活型植物种的组成 ,探讨了沙漠化过程中植物种绝灭和定居特点 .物种多样性指数分析表明 ,沙漠化过程是一个物种多样性衰减的过程 ,沙漠化首先导致特有种的绝灭 ,其次为稀有种和普通种 .从植物的生活型来看 ,多年生草本和灌木类植物受沙漠化影响最大 ,而 1年生草本和半灌木类植物可存活于沙漠化过程各个阶段 .在沙漠化过程中植物种的绝灭速率大于定居速率 .     

应急输水工程对塔里木河下游地区植被覆盖度的影响

基于塔里木河下游地区1999年TM、2002年ETM和2004年ASTER遥感影像及其基础背景数据,对应急输水工程前后研究区植被覆盖度和土地沙漠化的动态变化进行了研究.结果表明：随着应急输水工程的实施,塔河下游地区中、高植被覆盖度的面积逐年增加,分别由1999年的 7 447.16、17 146.80 hm²增加至2004年的9 129.16、26 236.61 hm²,低、劣植被覆盖度面积分别减少了9 989.10和782.71 hm²;1999—2004年间,研究区沙漠化总面积由506 258.06 hm²减少至498 043.93 hm²,呈逐年缩小趋势.研究期间,部分沙漠化地区出现了较为明显的逆转,生态环境趋于好转,应急输水工程对塔河下游生态环境的改善起到了重要作用.     

沙漠化过程中四个共有种的生长和抗氧化系统酶类变化

探讨了自然条件下沙质草原沙漠化过程中4个共有植物种群的形态、生长和抗氧化系统酶类变化规律.结果表明,沙漠化过程中共有种种群株高、密度、密度百分比总体上呈降低趋势,其中扁蓿豆中度沙漠化阶段前生长渐趋旺盛,中度沙漠化阶段后生长受到限制,未达到显著水平(P＞0.05).羊草受损最重,中度沙漠化阶段株高下降至原生植被阶段的57.19%,密度和密度百分比仅为原生植被阶段的2.50%和6.22%.糙隐子草和冷蒿在潜在沙漠化、轻度沙漠化或中度沙漠化阶段株高的增加与种群所处的阶段性优势地位及其抗逆性增强有关.共有种群SOD、POD活性普遍在潜在沙漠化、中度沙漠化阶段增加,轻度沙漠化、重度沙漠化阶段降低.羊草过氧化氢酶(CAT)活性较高,对沙漠化的响应不显著(P＞0.05);扁蓿豆CAT活性在潜在沙漠化、重度沙漠化阶段明显升高(P≤0.01).在重度沙漠化阶段,共有种3种酶活性普遍下降,只有扁蓿豆CAT活性上升.共有种群丙二醛含量从原生植被到中度沙漠化阶段均呈"先升后降再升"的变化,不同阶段之间差异显著(P≤0.05).综合分析表明,4个共有种中,羊草对沙漠化较敏感,扁蓿豆则生命力最强.     

草地沙化过程地上植被与土壤种子库变化特征

研究了草地沙漠化过程地上植被与土壤种子库的变化特征。获如下结论：(1)草地沙漠化过程地上植被与土壤种子库物种多样性的衰减模式不同,土壤种子库植物种数从潜在沙漠化阶段(固定沙地)到中度沙漠化阶段(半流动沙地)变化很小,而从中度沙漠化到严重沙漠化阶段(流动沙地)衰减速度明显加快;地上植被种数随着沙漠化程度增加而下降,其中从中度沙漠化到严重沙漠化发展阶段衰减幅度最大。(2)地上植被与土壤种子库密度随着沙漠化程度增加而下降,但下降速率因沙漠化发展阶段不同而异,从固定到半固定沙地是地上植被与土壤种子库密度下降最快的时期。(3)地上植被与土壤种子库共有种数随着沙漠化程度的增加而减少,从而导致了地上与土壤种子库群落组成的相异性增大。(4)4种退化沙地土壤种子库组成的相似性要高于地上植被,表明在沙漠化过程中土壤种子库群落组成的稳定性要高于地上植被。(5)地上植被密度与土壤种子库密度存在显著相关性,其关系可用二次曲线来描述。     

陕北农牧交错带土地沙漠化景观格局动态变化

利用1986、1993及2003年3期LandsatTM遥感影像,借助地理信息系统技术,分析了陕北农牧交错带1986—2003年土地沙漠化景观格局的演变.结果显示,该区近17年来沙漠化面积减少了206655.2hm2,景观结构上斑块数量减少,破碎化程度减轻.沙漠化程度明显下降,沙漠化主导类型已由严重沙漠化转变为中度和轻度沙漠化.1986—2003年沙漠化景观整体上向西南和东北方向扩展,严重威胁着西南和东北部黄土丘陵区的生态安全.     

内蒙古多伦县土地沙漠化景观格局变化特征

利用景观分析软件Fragstats 3.3和内蒙古多伦县1960、1975、1987、1995、2000、2005年6期遥感影像解译结果,分析了1960—2005年间土地沙漠化景观格局变化.结果表明:1960—1995年间研究区土地沙漠化面积呈先增后减趋势,总沙漠化面积增加212.70km2,沙漠化斑块数先增多后减少,景观多样性和均匀性上升,轻度、中度、重度沙漠化斑块形状趋向简单;1995—2005年间研究区沙漠化斑块数大幅增加,景观多样性和均匀性下降,轻度、中度、重度沙漠化斑块形状趋向复杂;严重沙漠化斑块形状在1960年以后一直趋向复杂化.整个景观在研究期间表现为完整-破碎-完整-破碎的趋势,由轻度到严重沙漠化,其景观类型的破碎化程度逐渐降低.     

科尔沁沙地景观结构特征对沙漠化过程的生态影响

采用方差分析(ANOVA)、相关分析和回归分析,从时间和空间2个尺度对科尔沁沙地景观结构特征对沙漠化的生态影响进行了研究.结果表明,任何单一景观结构对沙漠化的影响都不明显.多因子PCA分析表明,景观结构对沙漠化有明显作用,它是景观承载了自然和人为作用后的景观要素组合对沙漠化的二次作用,是自然与人为作用的结果反馈.在时间尺度上,第一和第二分量占总信息量的90.26%,说明在过去40年中景观结构对沙漠化的影响相对简单,只有一个峰值.在空间尺度上,第一和第二分量占总信息量的80.20%,景观结构对沙漠化的驱动作用相对复杂,有2个峰值.这表明景观结构特征对沙漠化的影响在空间尺度上要比时间尺度上更为复杂.     

放牧后自然恢复沙质草地土壤节肢动物群落结构与多样性

以中国科学院奈曼沙漠化研究站为依托,对不同放牧强度后自然恢复沙质草地土壤节肢动物群落进行了调查,分析了土壤节肢动物群落结构及其多样性变化,探讨了植被和土壤环境对土壤节肢动物群落的影响.结果表明: 无牧草地土壤动物种类丰富,个体数量较多,多样性最高;中牧后恢复草地土壤动物个体数量少,但主要类群较多,分布较均匀,多样性较高;重牧后恢复草地土壤动物主要类群少,但个体数量多,多样性较高;而轻牧后恢复草地土壤动物分布均匀性最差,多样性最低.植物个体数、高度及盖度和土壤酸碱度是影响不同放牧强度后恢复草地土壤动物种类和个体数量分布的主要因素.说明沙质草地经过12年的围封可以一定程度上恢复土壤动物群落,而放牧干扰对土壤动物群落的负面影响是长期的.     

科尔沁沙地沙漠化过程中土壤有机碳和全氮含量变化

通过地面调查,研究了沙漠化对科尔沁沙地农田和草地土壤有机碳和全氮含量的影响.结果表明,随着沙漠化的发展,科尔沁沙地土壤碳、氮含量明显下降.和非沙漠化农田相比,轻度、中度、重度和严重沙漠化农田土壤有机碳和全氮含量分别下降12.3%和15.3%、22.2%和24.7%、39.5%和44.7%、64.4%和63.5%;和非沙漠化草地相比,轻度、中度、重度和严重沙漠化草地土壤有机碳和全氮含量分别下降了56.3%和48.7%、78.4%和74.4%、88.9%和84.6%、91.6%和84.6%.截至2000年,科尔沁沙漠化总面积已经达到50197.5 km2,由于沙漠化而导致的土壤有机碳和全氮损失总量分别为36.39 Mt和7.89 Mt,其中草地分别占91.12%和86.06%,农田分别占8.88%和13.94%.相关分析结果表明,土壤有机碳和全氮的损失主要源于风蚀所引起的土壤粘粉粒的减少.因此,在科尔沁沙地,防治土壤风蚀对于减少农田和草地土壤碳、氮损失极为重要.     

科尔沁沙地景观斑块结构对沙漠化过程影响分析

采用 RS和 GIS技术对科尔沁沙地景观斑块结构对沙漠化的影响进行了研究。通过选择固定沙丘斑块、农田斑块和景观中总斑块的数量、平均面积和平均斑块形状等九个因子 ,分别采用单因子关联分析和多因子 PCA分析 ,揭示了科尔沁沙地斑块结构对沙漠化过程的影响。单因子的分析表明 ,固定沙地斑块数 (SN )和平均斑块面积 (SA)、农田斑块数 (CN)和总斑块数 (TN)与沙漠化程度 (DG)的关联程度极为显著 (在 0 .0 1水平上 ) ,关联系数 >0 .92 1。各因子与沙漠化程度之间存在回归关系 ,其中上述 4个因子与沙漠化程度的关系比较密切 ,呈线性回归关系 ,相关系数变化在 0 .90 2～ 0 .991之间 ,相互之间有较高的置信度。PCA的分析表明 ,不同类型斑块数量对沙漠化景观的影响最大 ,其所代表的影响方向 (PC1轴 )占所有分析因子贡献率的5 3.3% ;不同类型斑块形状对沙漠化景观的影响次之 ,其所代表的影响方向 (PC2轴 )占所有分析因子贡献率的 2 7.5 %。从不同斑块类型对沙漠化的影响特点来看 ,固定沙丘斑块对沙漠化的发生、发展起正向的影响作用 ,斑块的各种指数 (SN、SA和 SF)与沙漠化的关系都为正关联。农田斑块对沙漠化的影响作用则较复杂 ,其中斑块数量 (CN )与沙漠化的关系为正关联 ,而平均斑块面积 (CA)和平均形状指数