河西走廊人工固沙植被自组织过程及其生态水文机理

Water limited ecosystems are frequently characterized by self-organized patterns in vegetation. Structural features of self-organization can be readily discerned from the sand-fixing vegetations in Hexi Corridor of NW China after 40 years since they were first planted in 1970s. Recognizing the self-organizing processes and knowing their driving mechanisms are not only important to understand how the pattern arises, but could also be key to determining what kind of practices is most appropriate for future conservation. The proposed project investigates the self-organizing processes of the artificially planted vegetation in the desert-oasis ecotones of Hexi Corridor at different spatio-temporal scales. By doing this, we ultimately aim to explore the eochydrological mechanisms behind the organized structures. Mechanical model will be developed to test the three hypothesis listed below: 1) the very limited rainfall inputs cannot support any landscapes with homogeneous and continuous vegetation cover, while the widely accepted 'infiltration feedback' cannot be used to explain why the artificially planted vegetation evolved toward self-organization. 2) Sand-blown sediments force the 'root-augmentation feedback', which in turn drives the self-organized vegetation patterning processes. 3) Ecological designs based on the self-organization theory are promising in promoting the pattern formation of sand-fixing vegetation, and thus leading to an increase of system stability.

空间自组织的植被格局是干旱环境生态系统的重要特征，河西走廊人工固沙植被经过近40年的持续演化,空间自组织特征极为明显。理解人工固沙植被的自组织过程及驱动机理不仅可以深化对干旱区植被格局形成的认识，而且对维持固沙植被的稳定性具有指导意义。本项目以绿洲边缘人工固沙植被为研究对象，在不同时空尺度上开展人工植被自组织过程的研究，阐明自组织格局形成的生态-水文过程相互作用机理，并通过构建人工固沙植被自组织格局形成的机制模型，检验以下科学假设：1) 荒漠区有限的降水资源决定了固沙植被不能以均匀连续的形式存在，但普遍接受的入渗互馈机制并非河西走廊人工固沙植被向自组织方向发展的主要原因；2) 风沙活动通过掩埋作用驱动植物根茎互馈机制，并主导了河西走廊固沙植被自组织格局的形成；3) 基于自组织原理的生态学设计能显著促进人工固沙植被的形成和稳定。

人工固沙植被的建立是保护河西走廊绿洲安全的关键屏障，研究人工固沙植被的演变过程、空间自组织特征及其生态水文机制对于提高固沙植被稳定性及维持其可持续发展有重要意义。本项目以绿洲边缘人工固沙植被为研究对象，在不同时空尺度上开展人工植被自组织过程的研究，通过构建人工固沙植被自组织格局形成的机制模型，阐明自组织格局形成的生态-水文过程相互作用机理。主要研究内容包括：1）人工固沙植被格局及其自组织过程观测与分析；2）风沙活动对植被格局和自组织进程的驱动机理；3）水文过程对植被格局和自组织过程的驱动机理；4）人工固沙植被自组织格局机制模型及自组织临界性评价。取得主要进展如下：1）阐明了荒漠绿洲过渡带典型人工固沙植被的演变过程及自组织格局：对典型固沙植被梭梭、泡泡刺和红砂的演变过程研究发现，固沙植被存在典型的自组织现象，在固沙植被演变过程中其种群特征及结构组成都会发生明显变化。2）分析了风沙活动和水文过程对典型人工固沙植被自组织过程的驱动机理：对风沙活动对典型固沙植被沙拐枣演变过程的影响研究发现风沙活动是控制沙拐枣群落演变和自组织过程的重要驱动因素。风沙活动会影响固沙植被繁殖、幼苗的存活和生长以及群落的分布，进而影响固沙植被群落结构和种群特征，并最终影响固沙植被自组织过程。水文要素例如地下水埋深和土壤含水量等也会对固沙植被种群结构和群落动态有显著影响，最终影响固沙植被自组织过程。3）探讨了荒漠植物间相互作用对固沙植被演变过程的驱动机理：固沙植被种间竞争和种内竞争会影响群落内土壤及养分等资源的有效性，进而影响固沙植被群落结构和组成特征，最终影响固沙植被的演变过程及自组织格局。项目实施以来，共发表研究论文9篇，其中SCI收录论文5篇。培养研究生2人，青年学术骨干1人。基本完成了预期研究目标。