低覆盖度治沙模式

一、模式背景

低覆盖度治沙是指以防风固沙、修复退化土地为目标，从提高水分利用率、植被稳定性和加快修复速度出发，选用适宜的旱生树种，营造固沙林占地15％~25％、空留75%~85%的土地为自然植被修复带的固沙林，在确保固定流沙和降水渗漏补给量的条件下，建成多树种水平带状混交，乔灌带垂直复层结构的沙漠（地）疏林与自然修复植被组合的，促进土壤、植被与微生物快速修复的植被体系。该模式开创了植被在低覆盖度下实现防沙治沙目标的新领域，基本解决了目前固沙造林中，因密度过大、水分亏缺造成的固沙林衰退或大面积死亡问题。《国家造林技术规程》（GB/T15776—2016）在内蒙古、宁夏、甘肃等地的京津风沙源、“三北”防护林工程中得到广泛应用。

长期以来，我国按照覆盖度大、治沙效果好的原则，营造了大面积固沙林，但因密度过大，打破了自然的近地层水文过程，使得大面积的固沙林衰退或死亡；同时，出现了地下水位下降、河流断流和湖泊萎缩以及植被退化的问题，已经成为我国最重要的生态问题之一。干旱半干旱区（不含极端干旱区）是疏林、稀疏灌丛分布区，其降水、土壤水和地下水是处于一种动态转化的过程，也就是说，天然分布的疏林、稀疏灌丛植被区，降水是能够渗漏到土壤深层或者补给地下水的。为此，近20年来开始从近自然林业思路出发，对天然植被开展了广泛调查与研究，依据“仿生学”与“点格局”原理，营造了接近当地自然植被覆盖度的固沙林，通过改变其分布格局来提高防风固沙效益，探索出了既能够充分发挥乔、灌、草各自的特性，又能形成复合的、生态作用互补的、接近自然地带性植被的低覆盖度治沙模式。该模式按照天然分布的乔灌木疏林的覆盖度（15%~25%），从确保降水能够渗漏到土壤深层或者补给地下水这一自然规律出发，在研究找到了乔灌木覆盖15%~25%能够固定流沙的格局演变与防风固沙机理后，探索出了能够确保降水渗漏到土壤深层或者补给地下水的近地层土壤水文机理后，提出了低覆盖度治沙理论[1]。

二、模式要点

（一）低覆盖度治沙的原理

低覆盖度治沙理论包含了风沙物理学、水文学、生态学、可持续发展等内容，是一种创新型复合技术理论，打破了固有思维，在防沙治沙理论与技术研究方面取得了巨大突破[2-4]。

1.植被格局理论

由于水分制约，在干旱半干旱地区，只能营造接近自然分布密度的稀疏固沙林，其合理的水分利用结构为行带式水平配置结构，行带式配置结构的防风固沙林的防风固沙效果优于等株行距、均匀分布和随机不均匀分布的防风固沙林。低覆盖度行带式配置结构的防风固沙林的防风固沙效果明显，充分发挥了其生物沙障的作用，促进带内自然植被快速修复和土壤发育，直到人工固沙林“寿终正寝”，确保自然修复的植被接近地带性植被，同时能够继续稳定生长发育。这样，行带式人工生态林或者灌丛能够较好地实现人工植被向自然植被的和谐过渡，达到可持续防风固沙的最终目标。这是低覆盖度治沙的理论内涵。

2. 格局演变的风沙物理学理论

低覆盖度行带式固沙林具有显著的阻碍和改变风速与流场结构的作用，形成相对规整、波浪状的风场结构，其基本规律是在带后林高2-3倍处、林高2倍处出现一个风速显著降低区，而在两个带间的中央地带出现一个风速微弱降低区，出现“凹月”形沙面，对于带间距较宽的模式带间能够出现多个风速显著降低区和风速微弱降低区，进而形成随林带而波浪变化的流场特征，连续的行带式分布对风速的阻碍和降低表现出明显的累加作用。行带式配置模式中，沙子先在林带前发生风蚀，随着风沙流场的延伸，在林带处或林带后发生堆积，即沙子越过林带而后移的过程；同时，行带式配置固沙林内的平均地表粗糙度和摩阻速度较高，风蚀规律稳定，有较好的抑制风蚀的作用。这是低覆盖度治沙理论的外延之一。

3. 格局演变的核心水文学理论

低覆盖度治沙理论高度归纳了水量平衡的研究成果，发明了土壤深层渗漏水量记录仪后，从植物利用水分的空间和土壤的渗漏规律出发，提出了“水分主要利用带”和“水分渗漏补给带”等概念与内涵。研究表明：在半干旱区沙地固沙林生长季中，低覆盖度样地平均深层（160cm）渗漏量为107.0~149.6mm，占同期降水量的36.5%~42.4%，稍高于对照样地；然而，低覆盖度样地的渗漏量表现出更高的空间异质性，具体来说，在林带中央地带的渗漏量高达195.3~237.5mm，占降水量的66.6%~69.7%；相比之下，树冠下的渗漏量为18.7~65.0mm，仅占降水量的6.4%~18.4%。低覆盖度行带式固沙林从林行向着林带中央，形成一个由低向高的含水量梯度，这个梯度一直延伸到土壤含水量稳定不变的地段，明显地出现了一个林行土壤水分主要利用带及其带间的高含水率土壤水分渗漏补给带。其中，土壤水分主要利用带成为林分形成边行优势的重要水分条件，而后者因无树冠截留，使得降水中较多的水量进入土壤，确保有降水渗漏补给深层或者地下水，地下水处于动态平衡状态。如遇极端干旱年份，水分渗漏补给带保存的较多土壤水分，通过侧渗或林木根系的水平扩展供给固沙林的根系吸收利用，保证固沙林在极端干旱年份对水分的需求，利用土壤“水库”的渗、贮、供等特征，较好地调节了多雨年“贮”与少雨年“供”的关系，避免了极端干旱年份水分对林木的严重胁迫。这是在低覆盖度格局理论下形成的外延核心水文学理论。

图1  低覆盖度固沙林土壤水分利用特征示意图

土壤水分的渗漏过程是陆地生态水文的3个最核心过程之一，降水向土壤深层渗漏或者补给地下水，关系到干旱沙区水平衡维持和植被稳定持续发育。多年的治沙实践和研究结果表明：①天然分布稳定的沙生植被，覆盖度一般低于30%，降水均能够渗漏到土壤深层或者补给地下水；②人工营造的固沙林，当林分的覆盖度大于40%后，林下土壤含水率逐步降低，降水不能够渗漏到土壤深层或者补给地下水，林木出现衰败或者死亡；③低覆盖度固沙林设计出了带间的土壤渗漏补给带，确保了降水能够渗漏到深层或者补给地下水，固沙林及其带间植被能够稳定持续发育；④在极端干旱区，基本没有降水能够渗漏到深层土层，灌溉才能确保林分的稳定持续；在干旱区，深层渗漏水量占年降水量的1%~13%，半干旱地区的深层渗漏水量占年降水量的11%~23%，亚湿润干旱区的深层渗漏水量占年降水量的15%~45%，能够确保沙区的水平衡和雨养植被的稳定持续发育。这也是低覆盖度治沙理论最基本的生态水文原理。

4. 人工治沙与自然修复力有机结合的荒漠生态原理

低覆盖行带式固沙林配置模式实际上是形成了在占地仅有15%~25%的林带保护下，促进占地75%~85%的以地带性植被自然恢复的复合性固沙植被。宽带间距固沙林起到沙障的作用，同时也确保了自然植被的定居，从而促进了带间自然植被快速修复和土壤的形成，而植被的生长又为林带提供了养分和水分补给，达到林草复合植被优势互补，相互衔接持续发育，具有重要的促进生态系统恢复功能。适宜的带宽和配置格局将使固沙林充分发挥长效沙障作用、边行优势和界面效益，加快植物与土壤的反馈作用，为带间植被的自然恢复提供稳定而持续的原动力与适宜生境，提高种群竞争能力，在固沙林达到生理寿命之前，带间植被自然恢复成稳定群落，形成稳定持续的原始植被。这就是在低覆盖度格局理论下，外延出最重要的复合理论，即林学边行优势与生态学界面效益组合，形成的人工修复与自然修复有机结合的荒漠生态修复理论。

（二）低覆盖度治沙的应用原则

在不同生物气候区，主要根据区域水分条件及环境立地特点，选择乔灌木不同的固沙树种，通过调节行带式固沙林的带间距及设置不同的乔灌组合，以形成适合区域环境特点的低覆盖度防风固沙体系，从而达到防风固沙体系的长期、稳定和可持续发展。总体来说，低覆盖度治沙典型模式包括“单行一带”“两行一带”“多行一带”“网格模式”“生态林业模式”。阔叶乔木“两行一带”配置是理想模式；针叶乔木更加喜欢群居，“三行一带”更加理想，“两行一带”或者“四行一带”均可以；灌木或半灌木都是根系比较发达的植物，其理想组合是“单行一带”或“两行一带”。对于单风向地区采取低覆盖度行带式分布格局，对于多风向或变风向地区采用低覆盖度网格布局或环形布局等，其类似生物沙障，其中行带式格局能够形成良好的乔灌混交结构和林草垂直层片结构，稳定性显著增加，所以，低覆盖度固沙林又是一种长寿命的生物沙障，能够长久固碳、提高生物生产力，当人工固沙林“寿终正寝”时，人工植被已向自然修复植被稳定过渡[5]。

根据土壤物理、化学及生物因子，植物物种多样性因子，林草界面效应等的综合评价得出，低覆盖度固沙林优化的带间距为半灌木5~10m、灌木12~28m、阔叶乔木15~36m、针叶乔木15~40m，在实际工作中，我们要根据不同气候区及树种，选择适宜的带间距，这样才能实现低覆盖度治沙的最优效益[5]。

按照低覆盖度治沙理论修订的《国家造林技术规程》（GB/T15776—2016），明确规定：在半干旱区，以乔、灌为主营造雨养固沙林，成林的覆盖度控制在15%~25%，确保有一定量的降水渗漏到土壤深层或者补给地下水；在干旱区，以灌木、半灌木为主营造雨养固沙林，成林的覆盖度控制在15%~25%，确保有一定量的降水渗漏到土壤深层或者补给地下水；在极端干旱区，因为基本没有降水能够渗漏到土壤深层或者补给地下水，设定为灌溉造林或者潜水补给造林区，同样，成林的覆盖度控制在15%~25%，从而达到降低生态用水的目的。

（三）低覆盖度治沙的主要模式

1. 半干旱区

半干旱区是疏林草原区，低覆盖度治沙应该是以乔木为主、乔灌结合的混交林模式；形成乔灌草复层结构，多树种带状混交的模式，最后恢复成草原或者稀树草原植被[5]。

半干旱区降水条件优于干旱区、极端干旱区，低覆盖度治沙体系设计，根据不同固沙植被的水分利用特征，设置不同的固沙林带带宽，天然降水能够满足植物的生长需求，基本不用采用任何灌溉措施。在半干旱区流动沙丘、半流动沙丘等多种立地类型下，可根据区域特点选择合适的固沙乔灌木树种，进行造林；在较平缓的流沙区也可选择低覆盖度乔灌混交配置模式，一带乔木、一带灌木的混交配置或是多带乔木、多带灌木的配置，要特别注意乔灌木搭配设置；在水土条件相对较好的区域，也可选择农林复合配置模式，农林兼作，在固沙林带间间作农作物或经济作物，实现农林有机结合，达到生态、经济、社会效益三统一[5]。

2.干旱区

干旱区是稀疏灌丛分布区，自然分布的植被以灌木为主，灌木及半灌木组合的植被区；低覆盖度治沙应该以灌木为主，灌木与半灌木结合，形成灌草复层结构，灌木半灌木带状混交的模式。最后恢复为稀疏灌丛植被或者各种微生物结皮。干旱区营建低覆盖度治沙体系重点是考虑植物的适宜性，也要考虑到造林成本。低覆盖度治沙体系从整体上节省了造林成本，例如：在干旱区流动沙丘上，首先可以考虑“单行一带”式造林模式，在设置固沙林前需铺设沙障，根据实际情况设置1m×1m、2m×2m、3m×3m方格机械沙障或4m的行带式沙障固定流沙；其次在沙障方格内营建固沙林（灌木/半灌木）[5]。

3.极端干旱区

极端干旱区是灌溉林业区（包括地下潜水灌溉与地面灌溉），有水就有林；该区是局部治理大面积保护区。只针对绿洲、公路、铁路、厂矿企业开展治理；该区又是水分资源最匮乏的、最宝贵的区域；低覆盖度治沙用最少的水实现治沙，起到生态保护作用是核心；乔灌均可，可以启用经济树种，在用最少的水达到治沙的目的后，用经济树种或者高附加值的树种提高治沙的经济效益[5]。

极端干旱区营建低覆盖度治沙体系的重点是灌溉，必须考虑到造林成本、灌溉成本及灌溉可行性。低覆盖度治沙体系从整体上节省了造林成本及灌溉成本。例如：在流动沙丘上，造林树种选择灌木或半灌木，在设置固沙林前铺设沙障，另外，在沙障方格内营建固沙林，不同的树种选择不同的带间距。通常采用滴灌或沟灌方式，如图2所示，在灌溉水量及灌溉设备材料方面，低覆盖度行带式具有更加明显的优势[5]。

图2  低覆盖度行带式造林与常规造林灌溉示意图

三、模式效果及推广

生态文明建设已经被列为建设中国特色社会主义的“五位一体”的总布局之一，“三北”防护林建设工程等正在加大干旱、半干旱区沙地治理及生态修复力度；“丝绸之路”战略的启动，将进一步加大干旱、半干旱区沙地治理、生态修复的力度。低覆盖度治沙在防沙治沙方面取得了巨大突破，打破了固有思维，获得多项国家专利及科技成果，《国家造林技术规程》（GB/T15776—2016）规定，以15%~25%的植被覆盖度不仅可以固定流沙，还能够明显减缓干旱年份的水分胁迫，避免沙区植被衰退或死亡，创造了混交林营造的条件，加快土壤和植被修复速度，提高生物生产力8%~20%，降低固沙造林成本40%~60%；在内蒙古、甘肃、宁夏、辽宁等省（自治区）已建有典型试验示范区8处，实现了巨大的生态和经济效益。

该模式开创了植被在低覆盖度下实现防沙治沙目标的新领域，对推动我国防沙治沙工作进入更加科学、高效、经济的新时代具有重要价值；同时，为我国干旱、半干旱区防沙治沙工程、植被恢复等生态文明建设开拓了一条新的、行之有效的途径，为我国防沙治沙工程及生态环境建设作出巨大贡献。