中國西部生態修復試驗示範研究集成（簡體書）

《中國西部生態修復試驗示範研究集成》拓展了恢復生態學和試驗生態學的理論和方法，在生態恢復理論和實踐指導下，建立野外監測試驗示範平臺，構建試驗生態學研究方法和流域水生態經濟系統綜合管理的理論框架。試驗生態學從野外站點到試驗示範區尺度的跨越既是學科的前沿，又是熱點，不僅豐富和充實生態學的內涵，而且極大地推動科技與生產實際的結合。《中國西部生態修復試驗示範研究集成》是集成成果，是自然和人文學科綜合集成、理論聯繫實際的流域尺度科學著作，構建了西部資源環境監測、預測和決策支持平臺，為恢復西部地區生態環境、促進協調發展提供了技術支撐和示範樣板。《中國西部生態修復試驗示範研究集成》主要供地學、生態學、農學、流域管理學等領域科研人員、管理決策者、高等院校相關專業師生參考使用。·

程國棟主編的《中國西部生態修復試驗示范研究集成》是由中國科學院圍繞國家西部大開發的需求，結合國家西部生態環境建設重點工程項目和西部基礎設施的總體部署，依托在西部建立的野外工作站和試驗示范區遴選的黃土高原、塔里木河、黑河流域、內蒙農牧交錯區、岷江上游地區設立了生態環境建設試驗示范區，集成研究完成。

前言緒論0.1 中國西部生態建設及西部大開發背景0.2 中國科學院西部行動計劃0.3 五大試區目標和任務簡介第1章 塔里木河中下游荒漠化過程與輸水生態響應1.1 塔里木河下游生態退化過程分析1.1.1 塔里木河下游生態受損與荒漠化1.1.2 塔里木河中下游荒漠河岸林分佈、演替和退化的環境解釋1.1.3 塔里木河下游斷流河道輸水與生態響應1.2 塔里木河中下游退耕土地的轉化利用與保護技術1.2.1 土地利用現狀評價1.2.2 土地退耕適宜性評價及退耕土地空間分佈特徵1.2.3 退耕還林還草綜合效益分析1.2.4 塔里木河中下游退耕土地的轉化與保護利用技術1.3 綠洲農業可持續發展關鍵技術1.3.1 棉花高產與有害生物防治技術1.3.2 綠洲農業節水關鍵技術1.3.3 複合型生態農業建設關鍵技術1.4 綠洲生態系統管理模式1.4.1 綠洲生態經濟協調發展模式1.4.2 優勢產業發展與綠洲型城鎮體系發展模式參考文獻第2章 錫林郭勒草地生態系統恢復重建與適應性管理2.1 渾善達克沙地植被恢復重建與風沙環境治理2.1.1 自然環境特徵2.1.2 植被演化與環境變遷2.1.3 重要物種的綜合適應對策2.1.4 群落生態學研究2.1.5 生理生態學研究2.1.6 恢復生態學研究2.2 錫林郭勒草地改良與適應性生態系統管理2.2.1 研究區域自然概況2.2.2 內蒙古典型草原群落生產力形成與穩定性維持機制2.2.3 典型草原生態系統水分特徵2.2.4 典型草原氮素循環過程2.2.5 內蒙古典型草原植物營養物質貯藏特性2.2.6 典型草原對全球變化的響應2.2.7 典型草原生態系統適應性放牧管理2.2.8 羊草生殖生態學研究2.3 京北農牧交錯區生態保育原理與農牧耦合技術2.3.1 京北農牧交錯區概況2.3.2 京北農牧交錯區生態保育原理2.3.3 生態保育技術與優化生態生產範式參考文獻第3章 黑河流域生態修復技術與模式3.1 黑河流域概況3.1.1 氣候與水文狀況3.1.2 流域主要生態系統3.1.3 試驗示範區建設概要3.2 黑河流域生態水文過程與水環境變化3.2.1 黑河流域生態水文過程3.2.2 黑河流域水環境變化3.3 黑河流域生態修復技術與模式3.3.1 上游生態-經濟系統綜合管理試驗示範3.3.2 節水型綠洲農業及防護體系試驗示範3.3.3 下游生態保護與河岸林恢複模式3.3.4 基於數字流域的蒸散發和第一性生產力的遙感估算3.4 流域科學研究展望3.4.1 學科前沿與需求3.4.2 近期流域科學的主要方向參考文獻第4章 岷江上游山地退化生態系統的恢復重建4.1 岷江上游地區的生態環境及社會經濟4.1.1 岷江上游地區自然環境概況4.1.2 社會、文化及經濟特徵4.2 岷江上游山地退化生態系統研究4.2.1 高山林草交錯帶的生態退化及驅動因素4.2.2 亞高山針葉林人工恢復的生態學過程4.3 岷江上游山地退化生態系統的恢復重建技術4.3.1 高山林草交錯帶的生態恢復技術4.3.2 中山低效林改造技術試驗及其生態效應4.3.3 乾旱河谷區複合生態農業模式和技術4.3.4 山地災害綜合防治技術4.4 岷江上游山地退化生態系統的恢復重建研究展望4.4.1 現狀及存在問題4.4.2 恢復重建的途徑與展望參考文獻第5章 黃土高原水土保持與生態建設試驗示範研究5.1 研究區資源環境特徵5.1.1 自然環境概況5.1.2 土壤侵蝕概況5.1.3 土地資源特徵5.1.4 水資源與利用5.2 黃土高原植被恢復的生態學基礎及途徑5.2.1 土壤水分特徵5.2.2 自然植被的土壤養分特徵5.2.3 延安研究區的植被屬性與演替特性5.2.4 延安研究區植被恢復和植被建設的途徑5.3 生態經濟建設模式及技術研究與試驗示範5.3.1 模式建設的需求與基本條件5.3.2 生態農業模式的基本特徵5.3.3 生態農業建設模式配置與關鍵技術5.3.4 主要生態經濟模式建設的環境效應及健康評價5.4 黃土高原退耕還林(草)前景展望5.4.1 現狀與問題5.4.2 效益與前景5.4.3 措施與建議參考文獻彩圖·

緒論
0.1 中國西部生態建設及西部大開發背景
東西部地區發展差距是一個長期困擾中國經濟和社會健康發展的全局性問題。實施西部大開發戰略，是確保現代化建設第三步戰略目標勝利實現的重大部署，是促進各民族共同發展和富裕的重要舉措，是保障邊疆和鞏固國家安全的必要措施。到21世紀中葉全國基本實現現代化時，在根本上改變西部地區相對落后的面貌，努力建成一個山川秀美、經濟繁榮、社會進步、民族團結、人民富裕的新西部。
新中國成立后，我國推動三次西部大開發：第一次西部大開發高潮是20世紀50年代。第二次西部大開發是20世紀60年代的“三線”建設。20世紀末，在我國現代化建設即將全面實現第二步戰略目標并開始向第三步戰略目標邁進的時候，黨的十五屆四中全會明確提出，“國家要實施西部大開發戰略”，開始第三次西部大開發。第三次西部大開發強調進一步加快基礎設施建設、切實加強生態環境保護和建設、積極調整產業結構、大力發展科技和教育四個方面。
2007年3月，國務院正式批復西部大開發“十一五”規劃，全面貫徹十六大精神和“三個代表”重要思想，落實中央關于西部大開發的戰略部署、政策措施和總體規劃，著力解決西部地區發展中存在的突出問題，把生態環境保護和建設放在首位，不斷開創西部大開發的新局面。黨的十七大第一次明確提出，把生態文明建設作為一項重大戰略任務。
0.2 中國科學院西部行動計劃
中國科學院西部行動計劃是中國科學院參加國家西部大開發的具體行動，也是中國科學院知識創新工程的重要內容。2000年，中國科學院圍繞國家西部大開發的需求，結合國家西部生態環境建設重點工程項目和西部基礎設施的總體部署，針對代表區域的生態環境重大科學問題和關鍵技術，在西部生態環境演變規律理論研究、生態環境建設試驗示范、高新技術產業化等方面先后啟動8項院級重大項目。依托中國科學院在西部建立的野外工作站和試驗示范區，遴選塔里木河中下游、渾善達克沙地與京北農牧交錯區、黑河流域、岷江上游山地、黃土高原，設立生態環境建設試驗示范區，稱為“五大試區”。這是中國科學院西部行動計劃的主要部分。
0.3 五大試區目標和任務簡介
塔里木河中下游荒漠化防治與綠洲生態系統管理試驗示范項目（KZCX108）由中國科學院新疆生態與地理研究所主持完成。塔里木河是我國最長的內陸河。長期以來，水土資源的無序開發導致生態環境惡化，國家投資上百億元，實施“塔里木河流域近期綜合治理規劃”工程。該項目以提高水資源利用效率為核心，致力于：退耕還林還草優化模式試驗示范及其林種、草種選擇，林帶結構，需水量和可持續管理技術；節水高效復合型綠洲農業建設試驗示范、生態畜牧業試驗示范推進產業化；塔里木河下游“綠色走廊”保護恢復與沙漠化防治試驗示范；優化塔里木河中下游水資源利用，研究區域發展模式與對策，分析生態經濟模式下對水資源的需求、新產業培育的經濟技術。
渾善達克沙地與京北農牧交錯區生態環境綜合治理試驗示范研究項目（KSCX108）由中國科學院植物研究所主持完成。研究區是我國北方典型草原，由于過度利用和管理不當，不僅造成草地退化，而且影響周圍地區的環境質量。該項目旨在闡明渾善達克沙地與京北農牧交錯區生態環境綜合治理的對策、途徑和優化模式，將生態治理與農牧業經濟可持續發展有機地結合起來，展開該區域生態環境綜合治理試驗示范研究與示范區設計，開發研制出經濟有效的沙地植被恢復重建、退化草地改良和受損農業生態系統修復的集成技術，為該區域的生態環境治理提供理論指導、技術支撐和典型樣板，帶動區域生態環境建設和社會經濟的可持續發展。
黑河流域水生態經濟系統綜合管理試驗示范項目（KZCX109）由中國科學院寒區旱區環境與工程研究所主持完成。黑河流域是我國第二大內陸河，其水、生態、環境與發展的問題在國內外有較好的代表性。“十五”期間，投入25億元，實施“黑河流域近期治理規劃”國家工程。該項目以流域為單元，合理配置生態、生產、生活水量，完成流域水資源管理決策支持系統，闡明6000年以來中下游水環境時空演變過程；試驗示范山地綠洲荒漠生態系統耦合與調控的途徑，引導人工綠洲區逐步調整產業結構，流域內的農牧業單方水產值提高20%~30%；提出流域生態安全極限需水和經濟發展適用水分配原則，直接服務國家黑河工程，為干旱區內陸河流域的可持續發展提供理論依據和技術體系。
岷江上游典型退化生態系統恢復與重建試驗示范研究項目（KSCX07）由中國科學院成都生物研究所、中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所主持完成。岷江是長江上游最重要的支流之一，是國家生態治理的重點區域之一。該地區在自然景觀和文化積淀上形成舉世矚目的旅游資源，是國家“天然林資源保護工程”和“退耕還林（草）工程”等生態建設工程的重要實施區。該項目致力于：岷江上游生態屏障建設，開展自然與人工恢復的比較生態學研究，建立高山峽谷區生態恢復重建指標體系；提高植被覆蓋率，減少水土流失，構建流域生態恢復綜合配套技術體系；建立具有顯著生態防護功能的植被恢復試驗示范區，并通過與國家生態建設工程的結合進行輻射推廣。
黃土高原水土保持與生態環境建設試驗示范研究項目（KZCX106）由中國科學院水利部水土保持研究所主持完成。黃土高原是中國北方水土流失最嚴重的地區，是國家退耕還林的重要工程區。該項目以科學實施退耕還林（草）、封山綠化、加速植被建造的生態環境建設為核心，以土地利用結構調整及相關產業培育為重點，研究解決中尺度
區域退耕還林（草）的科學途徑、支撐條件，集科學研究、技術集成、試驗示范于一體，科研單位與地方政府、示范區農民相結合，院地聯合，共同建立中尺度生態環境建設及經濟可持續發展適度超前的試驗示范基地，為加速黃土高原綜合治理，為生態環境建設提供科學依據、技術支撐與示范樣板。
第1章 塔里木河中下游荒漠化過程與輸水生態響應
1.1 塔里木河下游生態退化過程分析
1.1.1 塔里木河下游生態受損與荒漠化
1.生態受損過程
生態環境脆弱的地區，某一環境要素出現波動，如變化頻繁或變幅較大，將引起整個生態系統的演變，甚至造成災害（劉祥等，2000）。植被是環境梯度的一個相當可靠的指示者，植被的動態變化可以作為環境條件變化的可見標志（曲仲湘，1982），甚至僅包含最貧乏的種類和最小的群落，也會在其數量組成的變動中指示生境的生態條件。塔里木河下游的“綠色走廊”在抑制沙漠化和保護生物多樣性等方面有著重要的生態意義（陳亞寧等，2003a），由于不同植物種類在利用環境資源方面能力的差異，環境的變化常引起植物群落在種類、蓋度及結構等方面發生變化，環境要素的較大波動最終導致河岸植被受損。也就是說，塔里木河下游“綠色走廊”的受損與物種對環境變化的適應性及干擾引起環境因子變化有密切關系，其受損過程體現在物種多樣性、植被蓋度、群落類型與結構等方面。植物群落的受損過程可通過其自身的生態特征隨環境梯度的變化反映出來。
1）物種多樣性的受損過程
物種多樣性受地下水位影響的受損過程如圖1.1所示。隨著地下水位的下降，草本與木本植物的物種豐富度都呈遞減趨勢，而且在地下水位大于4m時草本植物豐富度出現大幅度的下降。當地下水位大于8m時，除偶見駱駝刺外，群落中已無其他草本植物。木本植物則是在地下水位大于6m之后出現較大變化［圖1.1（a）］。在地下水位大于6m之后，草本植物豐富度明顯低于木本植物。從群落全部物種的豐富度變化趨勢來看，群落物種豐富度變化趨勢與草本植物豐富度變化趨勢相同。物種豐富度較高的區段是地下水位1~2m、2~4m處；隨著地下水埋深的增加，物種的豐富度減少（陳亞寧等，2005）。
物種多樣性隨地下水位的變化趨勢與物種豐富度相似［圖1.1（b）］。地下水位大于4m時，草本植物的多樣性明顯低于木本植物。地下水位6~8m時，草本植物多樣性持續下降，直至降為0。也就是說，草本植物多樣性受損是在地下水位大于4m時。當地下水位大于8m時，草本植物種類銳減，直至無草本植物。地下水位2~6m時，木本植物的多樣性呈略微增長的趨勢，其多樣性顯著受損是在地下水位大于8m時。
第1章 塔里木河中下游荒漠化過程與輸水生態響應?5?
當地下水位為2~6m時，草本植物、木本植物以及群落全部物種的均勻度都沒有較大的變化［圖1.1（c）］。當地下水位大于6m時，因為一部分物種的丟失而使現存物種的均勻度有所增加。當地下水位大于8m時，隨著植物種類的減少，物種間變得稀疏，最終導致物種均勻度下降。由此可知，在環境受到損害的情況下，物種分布的均勻程度與物種多樣性一樣會降低。木本植物的均勻度隨著草本植物的減少而有所增加，但其物種豐富度并沒有增加。當地下水位大于4m，不適宜草本植物生長時，部分根蘗性木本植物會有所發展，增加其分布的均勻性。
在物種多樣性受損的過程中，β多樣性指數可以反映出群落受損與地下水位的關系。由圖1.2（a）（Liuetal.，2005）可知，群落物種多樣性的變化與地下水位變化呈線性關系，且相關性較高，表明物種多樣性的受損與地下水位的變化有密切聯系，而木本植物多樣性的變化呈二次曲線關系，說明群落多樣性受損速率要比木本植物多樣性受損速率快，這主要是由于草本植物多樣性在地下水位梯度上變化較大引起的。
圖1.2 群落與木本植物的β多樣性
（a）群落；（b）木本植物
2）植被蓋度受損過程
植被蓋度是表征植被特征的基本數量指標。地表植被蓋度的不斷減少是生態退化的具體表現。植被蓋度于地下水埋深大于4m時開始出現明顯下降趨勢（圖1.3），當地下水位大于6m時，草本植物蓋度趨于0，此時的植被蓋度幾乎等于木本植物蓋度。可以得出，植被蓋度受損是在草本植物蓋度受損的基礎上發展的。草本植物蓋度明顯受損是
在地下水埋深大于4m時，木本植物蓋度受損是在地下水埋深大于6m時，植被蓋度在地下水埋深大于4m時已出現較強遞減趨勢。故可以說，植被總蓋度受損是在地下水埋深大于4m時。
圖1.3 地下水位梯度上的植被蓋度圖1.4 年平均地下水位低于4m時的植被蓋度
同一生活型的物種，不但體態相似，而且其適應特點也是相似的。但又因不同物種對環境變動的耐受性不同，從而存在較為復雜的相互關系和空間動態變化規律。為了對不同生活型植被蓋度進行統計分析，將喬木、灌木、草本植物蓋度值相加得到綜合植被蓋度，以年平均地下水位為橫坐標（圖1.4）。通過分析年平均地下水位大于4m時的植被蓋度特征差異，可以得出喬木、灌木與草本植物的蓋度受損變化過程。在植被蓋度受損過程中，不同生活型植物群落的相對蓋度變化也不相同。其中，喬木植物―――胡楊在地下水位下降環境退變的過程中，其相對蓋度逐漸減小，在圖1.4中表現為緩慢下降的趨勢。灌木植物相對蓋度隨著生態系統的退化呈現出略升高后逐漸降低的變化，這種變化與檉柳植物自身的生理生態學特征有關，其自身具有抗旱、耐鹽及防沙埋的特性，適應多種生態變異環境，且成年植株的檉柳植物根系較深，對環境資源利用能力較強，因此，當地下水位降至部分草本植物難以生存時，檉柳植物尚能生存與發展，因種間競爭減小，其相對蓋度有所增大，但地下水位的繼續下降最終影響其生長發育，所以在圖1.4中最終呈遞減趨勢。在草本植物中，蘆葦、甘草、羅布麻、花花柴等為優勢種，在環境退變的初期，其相對蓋度呈現出衰減趨勢，在地下水埋深下降至8m以下時，草本植物的相對蓋度呈銳減趨勢，除根系較深的草本或局部生境條件較好的地段尚有極少量草本植物能勉強維持生命外，大量草本植物死亡，在地下水位不斷下降、環境條件不斷惡化的情況下，其在塔里木河荒漠河岸林群落中最先消失，蓋度趨于0。
3）群落結構受損過程
不同植物群落的空間分布不相同，群落的種類組成（圖1.5）與群落中木本植物所占比例（圖1.6）也不相同，從而形成不同的群落外貌：垂直的和水平的結構。簡要描述如下：
（1）蘆葦群落。
此類群落主要分布在阿克墩斷面，距離大西海水庫較近，地下水位較高，群落的種類組成主要有蘆葦、檉柳、黑果枸杞、駱駝刺、甘草、豬毛菜、地膚等。其中，蘆葦是群落的優勢種，受水分與鹽分影響，蘆葦多為矮生與匍匐狀態，在樣地內的平均蓋度達
第1章 塔里木河中下游荒漠化過程與輸水生態響應?7?
到78.57%，而檉柳、黑果枸杞、駱駝刺、甘草、豬毛菜等可謂伴生種，長勢都較好。該斷面的植被類型表現為以蘆葦為優勢種的鹽生草甸，在水平結構上，不同地點種類組成又有差異。
（2）胡楊+檉柳群落。
此群落主要分布于英蘇和阿布達勒斷面的部分地段。在該群落的種類組成中，喬木主要是胡楊，灌木主要有多枝檉柳、剛毛檉柳、黑果枸杞、鈴鐺刺，草本植物有甘草、羅布麻、駱駝刺、蘆葦，另外還有數量較少的花花柴與豬毛菜。其中，胡楊與檉柳植物是該群落的優勢種，在樣地相對蓋度的平均值分別達50.53%和54.57%。從群落的垂直結構來看，可劃分為喬木層、灌木層、草本層三個結構層次，但在不同斷面，各層次在群落整體中的相對密度、相對蓋度各不相同。而從群落的水平結構來看，群落內植株間生長稀疏，草本植物分布多呈零散狀，且沿河道向下在種類、數量上有減少趨勢。
（3）單一胡楊群落。
此類群落主要分布在阿布達勒的部分斷面以及喀爾達依、依干不及麻、阿拉干斷面，群落的種類組成主要為胡楊與檉柳，還伴生有黑果枸杞、少量鈴鐺刺。由于地下水埋深較深，草本植物稀少，除偶見深根系的駱駝刺外，幾乎無其他草本植物，且植被多呈衰敗狀態，植被類型以荒漠化檉柳灌叢、檉柳灌叢、荒漠化胡楊林為主。在群落的水平結構上，整個群落呈現出復合性的分布特征，即以胡楊、胡楊+檉柳和檉柳三種類型組成形式，呈復合型分布。
（4）單一檉柳群落。
單一檉柳群落主要分布在依干不及麻以下以及考干河段，地下水位更低，植被嚴重退化，植被類型為荒漠化檉柳灌叢以及裸露的流動沙丘。考干至臺特瑪湖河段已成為湖積鹽土平原（梁匡一，劉培君，1990），地表植被無幾。為客觀地分析群落衰退動態、群落類型的變化，了解植物群落的現狀與植物群落的衰退演替起點很重要。結合歷史資料分析（孫萬忠，周興佳，1983；胡智育，1983），塔里木河在歷史上先后經歷了五次改道，第四次改道流入臺特瑪湖，第五次改道的最終歸宿是大西海水庫。