我国北方沙区固沙植被生态水文模型构建及阈值研究

The regions of wind-blown sand hazard events in the northern China are the most serious areas in global desertification and ecosystem degradation. Maintaining the stability of sand-binding vegetation in these regions is a long-term challenge that we faced in sustainable sand control. As the bases of sand-binding vegetation management, identifying the eco-hydrological thresholds has important significances in theory and practice. Currently, researchers have devoted great efforts to the research on eco-hydrological processes of sand-binding vegetation in these areas. However, 1) the ecological processes, hydrological processes and their mutual feedback mechanisms remain barely understood; 2) the research on eco-hydrological models in sand-binding vegetation areas of northern China is not conducted; and 3) the eco-hydrological threshold in different bio-climatic zones cannot be quantified. The project will build a system dynamics model coupling the ecological and hydrological processes of sand-binding vegetation and combing the results of literature review, field survey and experiment in-situ. The goal is to clarify the eco-hydrological mechanisms of maintaining the stability of sand-bind vegetation and determine the eco-hydrology threshold of sand-bind vegetation in northern China The result will provide scientific and technological support for the ecosystem management of sand-binding vegetation and for vegetation construction in wind-blown sand hazard areas of northern China in the future.

中国北方风沙危害区是全球沙漠化发展和生态退化最为严重的地区之一，固沙植被稳定性维持是该地区可持续风沙治理长期面临的挑战。作为固沙植被管理的依据，对生态水文阈值的界定具有重要的理论和实践意义。尽管国内学者围绕该地区固沙植被的生态水文过程进行了大量研究，但是对于沙区生态过程、水文过程及二者的互馈机理不甚清晰，还没有开展针对我国北方固沙植被区生态水文模型的研究工作，导致无法确定不同生物气候带固沙植被区的生态水文阈值。本项目将通过构建耦合固沙植被生态过程和水文过程的系统动力学模型，结合文献研究、野外综合调查和定位试验观测结果，阐明固沙植被稳定性维持的生态水文学机理，确定我国北方沙区固沙植被的生态水文阈值。项目研究成果将对我国北方固沙植被生态系统管理和未来植被建设提供科技支撑。

中国北方风沙危害区是沙漠化发展和生态退化最为严重的地区之一，也是进行人工植被生态重建和防沙治沙，以及国家北方生态屏障建设的关键区域。针对该区域植物固沙中存在的人工植被大面积衰退，甚至死亡，土壤含水量下降，固沙效益得不到持续巩固等问题，利用不同气候带沙区长期野外定位观测数据、综合野外观测和模型模拟等手段，构建了耦合大气降水过程、土壤水分动态和植被演替的生态水文模型，探明了土壤水分的最大植被承载力，量化了降水格局对土壤水分动态和植被的演替的影响，确定了不同气候带固沙植被的生态水文阈值。.结果表明，在腾格里沙漠沙坡头地区，当土壤水分稳定维持在2.5% 左右时，灌木和生物土壤结皮的盖度分别可以维持在10% 和55% ；在荒漠绿洲边缘临泽地区，当土壤水分稳定维持在2.3% 左右时，灌木盖度可维持在12% 左右；在科尔沁沙地奈曼地区，当土壤水分稳定维持在2.8% 左右时，灌木盖度可以维持在60% 左右。在不同的降水格局下，固沙灌木的盖度和土壤水分均可维持其稳定状态。灌木盖度随着年降水量的增加呈现幂函数的增长趋势；土壤水分随着年降水量的增加呈现指数型的增长趋势；草本植物的盖度随着年降水量的增加表现为先增加后减少的抛物型变化趋势。在年降水量一定时，灌木盖度（或土壤水分）与降水强度和降水间隔均呈正相关关系。灌木盖度与降水强度或降水间隔之间的正关系会随着降水强度和降水间隔的增加而减缓，而土壤水分与降水强度和降水间隔之间的正关系会随着降水强度和降水间隔的增加而增强。在国际上率先提出维持固沙植被稳定性的“生态水文阈值”的概念。将生态水文阈值定义为干旱半干旱生态系统中不同降水梯度和格局下所能稳定维持的植被盖度和土壤水分的合理区间或者区域。实现了对固沙植被的生态系统管理，即生态—水文控制从“理论”走向“实践”，有据可依。.项目积累了研究区大量的长期定位研究数据。目前已发表论文13篇，其中SCI 6篇，资助培养博士3名，硕士研究生6名。