0 引言
浑善达克沙地一直受学者们关注，也产出了大量研究成果。我们将其归纳为3个主要的研究方向：土地沙漠化过程及驱动力［9-11］、土地沙漠化对生态环境的影响［12-13］、土地沙漠化防治和资源可持续利用［14-15］。对于同一科学问题，不同研究在时空尺度、研究指标和方法上存在一定差异，而目前还缺乏对相关问题的系统认知和总结，这会在一定程度上造成科研资源的浪费、限制创新性成果的产出。鉴于此，本文基于文献综述法，从文献统计和科学问题归纳两个方面出发，总结了在浑善达克沙地开展的土地沙漠化相关研究，并展望了未来的主要研究方向。目标在于明确认识浑善达克沙地现有研究的指标、方法和主要发现，为后续区域沙漠化土地可持续利用相关研究工作的开展提供参考。
1 区域概况
浑善达克沙地位于内蒙古锡林郭勒高原中部，东起大兴安岭南段西麓达里诺尔，向西一直延伸到集二线铁路沿线，东西方向跨度约400 km，南北方向跨度30~100 km。行政上归属于锡林郭勒盟和赤峰市，面积约15万km2；沙地面积2.1万~3.8万km2，随降水、风速和土壤湿度等气候变化和林业生态建设的影响而不断变化［10］。区域横跨温带季风半干旱和干旱气候区，年平均气温0~3 ℃，年降水量自东南向西北由400 mm向200 mm递减［16］。全区风力强劲，年大风日数50~70 d，主风向为西、西南、西北风，干旱、冰雹、寒流、大风及沙尘暴是主要灾害性天气。东部地带性土壤有草甸栗钙土、暗栗钙土，向西逐渐演变为淡栗钙土，到西北部过渡为棕钙土；非地带性土壤主要为风沙土、盐碱土、草甸土［17］。
浑善达克沙地自然景观类型包括流动沙丘、半流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、湿地和草原，且具有典型的超地带性榆树疏林景观［18-19］。区域从东部草甸草原向西伸展到荒漠草原，非地带性植被主要有沙地植被、低洼地形中的草甸植被和少量沼泽植被。沙丘上主要植物种类为榆树（Ulums pumila）、黄柳（Salix gordejevii）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、褐沙蒿（Artemisia intramongolica）等沙生植物。丘间低地主要植物种类有大针茅（Stipa grandis）、蒙古冰草（Agropyron monglicum）、沙生冰草（A.desertorum）、羊草（Leymus chinensis）、披碱草（Elymus dahuricus）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、冷蒿（Artemisia frigida）等。与西部干旱区相比，浑善达克沙地植被对气候变化更为敏感［20］。
2 文献检索与计量分析
在《中国学术期刊（网络版）》（
图1
图1
浑善达克沙地土地沙漠化研究论文数量变化
Fig.1
Change of papers on aeolian desertification in the Otindag Sandy Land
此外，提取了所有选定论文的题目和关键词（英文论文翻译为中文），并进行了单词云分析。 “浑善达克沙地”、“气候变化”、“植被”、“沙漠化”、“荒漠化”、“榆树”、“沙尘暴”、“全新世”等词出现频率最高（图2）。基于高频词汇，重点从土地沙漠化过程及驱动力、土地沙漠化对生态环境的影响、土地沙漠化防治和资源可持续利用等3个方面对浑善达克沙地的研究加以综述。
图2
图2
浑善达克沙地土地沙漠化研究单词云
Fig.2
Word cloud on aeolian desertification in the Otindag Sandy Land
3 土地沙漠化过程及驱动力
3.1 土地沙漠化过程
浑善达克沙地土地沙漠化过程研究主要从地质历史时间尺度和10~50 a的时间尺度上开展（表1）。其中，地质历史时间尺度上主要通过沉积学和年代学等手段，探究浑善达克沙地环境变化及沙地可能的形成过程［5，21-30］。自全新世中晚期以来，浑善达克沙地总体上呈现出干旱化趋势，并经历了6个冷干-暖湿波动过程，与全球性寒暖变化趋势一致，并且地表植被也发生相似的周期性变化［21-22］。李孝泽等［23］认为浑善达克沙地形成于上新世或晚第三纪。周亚利等［24］、孙晓巍等［25］发现距今320.4 ka左右浑善达克沙地已经形成沙丘和湖泊共存的地貌景观，在全新世早期、8.2 ka前后以及小冰期时期，气候较为干旱，沙丘活化；在“隋唐暖期”和“中世纪温暖期”，气候较湿润，沙丘固定。杨小平等［26］则认为浑善达克沙地现代沙丘景观可能形成于12 ka左右，之前西部可能存在一个大湖；在9.6～3 ka，区域比现代明显湿润，普遍发育古土壤，但风沙活动一直存在。
表1 浑善达克沙地土地沙漠化过程研究典型案例
Table 1
| 时间尺度 | 监测指标 | 常用数据 | 方法 | 代表性研究 |
|---|---|---|---|---|
地质历史 时间尺度 | 地层土样理化性质 | 地面调查数据、历史资料 | 沉积学、年代学 | 李森等[28]；Yang等[5]；杨小平等[26] |
10~50 a 尺度 | 景观面积（草地、农田、林地、固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘等） | Landsat TM/ETM+/、SPOT | 遥感影像解译、地面调查 | 董建林 [31]；王牧兰等 [32]；Wang等[33]；刘树林等[34]；Liu等[35] |
| 植被特征（植被盖度、净初级生产力等） | NDVI/NPP（MODIS, TM/ETM+/OLI）、MODIS 地表反照率（Albedo）和叶面积（LAI）指数产品（MCD43A3, MCK15A2H） | 分级法（根据植被盖度划分沙漠化程度） | 武健伟等[16] | |
| 一元线性回归分析、Mann-Kendall检验、Sen’s slope | Li等[36]；Zhou等[1]；元志辉等[4,18]；Sun等[37] | |||
沙漠化指数（DI）法 DI=1-NDVI | 朱震达等[38]； | |||
| 土壤颗粒组成和理化性质 | 地面土壤调查、BJ-1多光谱影像； | 统计模型 | 刘树林等[42]；Wu等[43] | |
| 风蚀坑形态和面积 | 高分辨率遥感影像（ALOS、 Quickbird等） | 遥感影像解译、地面调查 | 胡尔查等[44]；闫德仁[45]；胡日娜等[46] |
在10~50 a时间尺度上，浑善达克沙地土地退化过程主要表现为固定沙丘（地）的活化、流沙前移埋压草场和农田、农田的风蚀沙化和砾质化、草场植被严重退化等形式［8］。较为常用的评价指标包括景观面积、植被特征、土壤性质和风蚀坑形态面积等（表1）。20世纪70年代末期以来遥感技术的广泛应用，使得在宏观尺度上监测区域沙漠化时空格局成为可能。通过景观面积检测沙漠化过程时，一般选择目标年份遥感影像（以Landsat TM/ETM+数据为主）进行解译分类，通过对比不同时期流动沙地、半固定沙地、固定沙地、草地、林地和农田等的面积变化和转化关系来判定沙漠化的加剧或逆转。研究普遍发现，20世纪80年代末期到2000年是沙漠化的快速发展期，流动沙地和半固定沙地扩展［31-33］；2000年之后，流动沙地逐渐得到固定，沙漠化的速度减缓［34-35］。
植被是表征土地沙漠化程度的关键指标，以植被盖度或净初级生产力为指示的研究表明，20世纪80年代以来，浑善达克沙地大部分地区植被盖度呈剧烈波动状态；但2000年以来，沙地腹地正蓝旗有10%的区域植被得到恢复，而退化区域仅占0.8%［1，36-37］。也有研究借助植被特征进一步划分土地沙漠化等级，一类直接以植被盖度作为主要辅助指征划分土地沙漠化程度，例如，植被覆盖度超过60%为潜在沙漠化，30%~59%为发展中的沙漠化，10%~29%为强烈发展的沙漠化，小于10%为严重的沙漠化［16，38］；另一类基于植被盖度和叶面积指标等构建沙漠化分级指数来判断沙漠化的过程。例如，依据盖度与100%之间的差，将土地沙漠化划分为未沙漠化（<0.15）、轻度沙漠化（0.15~0.45）、中度沙漠化（0.45~0.65）、重度沙漠化（0.65~0.85）和极重度沙漠化（>0.85）［39-40］；基于叶面积指数和反照率构造沙漠化指数，基于指数在各区域的统计分布特征进行沙漠化程度分级［41］。不同指标在表征沙漠化速度上有所差异，但总体趋势基本一致。
3.2 土地沙漠化驱动力
沙漠化是气候变化和人类活动共同作用的结果（图3）。气候变化一直是学者关心的问题［47-54］。1955年以来，浑善达克沙地春季平均风速呈显著下降趋势；区域年平均气温升高幅度为0.43 ℃/10a，1980年以来尤为显著（0.55 ℃/10a），明显高于过去50 a全国和全球平均增温速率（分别为0.22和0.12 ℃/10a）；年降水量以波动为主，无显著变化趋势（图4）。温度的显著升高也导致区域潜在蒸散量以13.2 mm/10a速度显著增加［52］。历史气候与地层剖面的综合研究表明气候变化是触发浑善达克沙地沙漠化的关键因子［9，54］。该区域植被对气候变化敏感，尤其是生长季早期［20］。区域春旱发生频率高达60%，春旱会影响牧草返青，减缓牧草长势造成牧草减产，加之牲畜踩食和春季大风，进而加速沙漠化发展［50］。
图3
图3
气候变化和人类活动对土地沙漠化的影响
Fig.3
The impacts of climate change and human activities on aeolian desertification
图4
图4
浑善达克沙地1955—2015年气候因子变化
Fig.4
Changes of climate factors in the Otindag Sandy Land during 1955-2015
人类活动是加速土地沙漠化发展最活跃和最复杂的因素［8］。在浑善达克沙地，人口的增长造成对生物产品需求量的增加，导致农牧民对土地进行掠夺性开发，尤其是传统的靠天养畜、全年放牧的畜牧业生产方式造成了季节性超载过牧，破坏了沙地生态系统的平衡，诱发和加速了土地沙漠化的进程［31，55-56］。研究表明，包括过度放牧和植被建设等的人类活动是近年来浑善达克沙地土地沙漠化扩展或逆转的直接和主导因素［11，57-58］。例如，1988年以来，浑善达克沙地腹地正蓝旗的人口增加了14%，年均增长率4.5‰；随着政府对羊饲养的控制，年终羊存栏数在2000年以后明显减少，但随着沙地放牧条件的恶化，年终大牲畜（以牛为主）存栏数在2000年以后仍存在增加趋势（图5）。随着放牧强度的增强，土壤黏粒含量下降，砂粒含量增加，容重变大，孔隙度下降，表层土壤含水量下降［59］。2000年京津风沙源工程实施以来，草畜平衡、退耕还林和封育禁牧等政策的实施，也使区域植被得到了有效的恢复，在一定程度上缓解了土地沙漠化的扩展［58］。
图5
图5
浑善达克沙地腹地正蓝旗主要人类活动
Fig.5
The typical human activities in Zhenglan Banner located in the center of the Otindag Sandy Land
4 土地沙漠化对生态环境的影响
土地沙漠化是浑善达克沙地风沙运动活跃的主要原因，也是沙尘天气频发的诱因［60］。1980年以前区域沙尘暴天气呈增加趋势，之后区域西部沙尘暴天气增加趋势减缓，而东部有所减少［49］。在浑善达克沙地，当裸沙表面2 m高度平均风速超过4.6 m·s-1时，地表将发生风沙运动；植被盖度低于10%的重度沙漠化土地上的输沙率可以达到植被盖度高于25%的轻度沙漠化土地的几十甚至上百倍［12-13］。Liu等［61］发现，区域流动沙丘黏粒（粒径小于0.01 mm）含量低，对当前沙尘天气的潜在物质贡献较小；固定沙地和低湿地草甸以多年生草本为主，且盖度一般高于30%，在抑制沙尘起动上发挥重要作用，但其黏粒含量高达16%，随着气候变暖导致的湖泊和低湿地变干、植被遭受破坏、沙丘活化等，它们将成为沙尘天气的潜在物源。
土地沙漠化会降低种子库、牧草供给、养分维持、碳固持、侵蚀控制等多种生态系统服务［62-71］。随着沙漠化过程不断加剧，浑善达克沙地草原植物种类变劣，生物多样性显著降低，原生的贝加尔针茅群落相继被冷蒿、百里香取代［63］。20世纪50年代，浑善达克沙地草高50~100 cm， 盖度高于 80%，干草产量高于 3 750 kg·hm-2，到20世纪末期，草的高度仅为 20~40 cm， 盖度降为40%左右，干草产量不足1 500 kg·hm-2［31］。据评估，浑善达克沙地土壤有机碳密度约为1.22 kg·m-2，由于土地利用方式的不同而呈现出空间异质性格局［69］。随着土地沙漠化，土壤有机碳和全氮的含量会显著下降，且土壤有机碳含量存在更大的空间差异和下降幅度，致使土壤表层碳氮比值存在明显下降趋势［42］。区域土壤风蚀加剧使得土壤养分随之流失，会进一步改变植被格局、加剧植被退化和沙漠化；但2011年以后，土壤养分流失量仅为1970年代的4%，也表明2000年以来的区域生态修复发挥了重要作用［70-71］。
5 土地沙漠化防治和资源可持续利用
还有一些研究则通过揭示固沙植被的生理特征为固沙植被选种和植被建设与恢复提供理论支撑，这也是目前浑善达克沙地科研的一个主要方向。研究者们探索了多种建群乡土植物的光合速率、蒸腾速率、水分利用效率和热值等特征［78-85］。尤其是针对黄柳、榆树种群的分布格局、种群结构及动态、生物量、植物种更新和演替等方面开展了系统的研究［86-97］。榆树疏林灌丛草原是浑善达克沙地植被演替的顶级群落，当前生长季内榆树疏林植被盖度约为19%，在<10 m的小尺度上呈聚集分布，在大尺度上呈随机分布［19，98-100］。榆树生长状况与根际土壤微生物数量呈正比关系，风蚀低地和流动沙丘阴坡两种生境更有利于榆树更新，在合理的经营管理和政策支持下，榆树可以实现种群自主更新，但该过程可能需要至少30年［93-94］。固沙灌木林和天然草地植被对80 cm以下土层土壤水分含量有显著的不良影响，要进行合理抚育，以避免土壤水分严重匮缺导致固沙林衰退甚至死亡，区域植被因此应恢复为“人工疏林草原”［78，85］。
研究者也提出了多种模式或技术来实现土地沙漠化的防治和可持续利用，以解决保护和利用之间的矛盾，促进沙地永续利用。在治理理念上，提出将建立人工饲草料基地、封沙育林育草和发展稳定的生态畜牧业相结合，形成可控的人工景观生态系统［101］；而播种的草地结构和功能远不能与草地生态系统相比拟，“草+草≠草原”，所以恢复植被的自我更新能力和草原生态功能是区域可持续发展的物质基础［102］；强调“人地协调”，寓土地资源开发利用于生态环境保护治理之中［63］。在宏观规划上，刘树林等［15］针对沙漠化土地防治将浑善达克沙区划分为3个大区和5个亚区，结合各个区资源和区位等特征给出了沙漠化土地的恢复治理和社会经济可持续发展的对策。在具体技术措施方面，研究者提出在浑善达克沙地东段要因地制宜营建农防林与牧防林相结合、防护林与经济林相结合、沙漠化治理与沙产业开发相结合的综合防护体系［103］；在设置沙障时，4 m×4 m的黄柳活沙障有利于降低地面风速［104］，高速公路两侧设置1 m×1 m沙袋沙障能够提高人工植被成活率，防护效果显著［105］；在草地利用过程中，禁牧和休牧并举，严重退化草地或沙化草地要根据草原类型不同禁牧3~10 a，中度退化区可采取春季休牧［102］，放牧草地产草量50%左右为合理利用率，建设46.7%以上盖度的植被和1.5只羊·hm-2以草定畜的合理放牧有利于草地的可持续利用［11，102］。
6 展望
6.1 需聚焦国家需求，准确提炼科学问题
从研究成果的计量分析结果可以看出，浑善达克沙地的土地沙漠化问题已经得到了学者的广泛关注，但受国际同行评阅肯定、具有国际影响力的研究成果仍然较少，与之相比，国内期刊上发表的成果虽然很多，但研究问题仅局限于沙漠化过程、固沙植被生理特征等问题的初步探讨，在问题理解的全面性、深入性和创新性方面仍存在很大的研究空间。尽管近些年来，受到普遍关注的科学问题已经从21世纪初期土地沙漠化的状态和过程，向土地沙漠化的驱动机制和机理、其对生态系统功能和服务的影响等问题转变。但是，基于过去近40年的研究，很多立足于国家需求的科学问题仍无法给出明确的答案。例如，如何量化气候变化和人类活动在土地沙漠化过程中的贡献？未来持续变暖会如何影响区域沙漠化？如何评估不同程度沙漠化土地的载畜量？如何通过土地利用规划和设计来实现土地退化零增长？如何通过提升沙漠化土地的生态系统服务来改善民生福祉、消除区域贫困？这些既是浑善达克沙地科学发展需要解答的未知项，也是以其为代表的沙漠化地区实现联合国可持续发展目标需要回答的关键科学问题。
6.2 需丰富研究尺度，客观理解复杂过程
很多科学问题，尤其是对景观格局和过程的理解均表现出尺度依赖性［106］，当前研究为我们认识不同时空尺度上的沙漠化问题奠定了扎实的基础。在空间尺度上，浑善达克沙地区域尺度的研究侧重从景观类型或植被盖度/生产力等角度监测沙漠化过程；局地生态系统尺度的研究更多地从沙丘活化程度、植物多样性、土壤质地和理化性质等方面来反映沙漠化过程及其影响。在时间尺度上，地质历史时间尺度的研究关注不同历史时期的气候变化及沙地可能的形成过程；10~50 a时间尺度的研究则在已经形成的沙地上，揭示沙漠化的扩展或逆转过程，探索其驱动机制、生态环境效应和治理方法。无论在时间还是空间上，当前研究主要在一个尺度上开展，然而，单一尺度上的研究发现并不能客观全面地反映土地沙漠化这一复杂过程。在多个尺度上系统揭示沙漠化的格局、过程和影响，探索区域有效的尺度推绎途径，确定关键问题的特征尺度，是客观准确回答科学问题的重要前提。
6.3 应耦合科学方法，正确揭示客观规律
地面观测与调查、野外实验和航天遥感是区域土地沙漠化相关研究的主要数据来源，随着近年来无人机遥感的广泛应用，使得在区域-流域-地块-样方-植株尺度上获取多尺度多源数据成为可能。在数据分析方面，统计分析是广泛应用的研究手段。然而，当前应用的统计方法仍以相关或/和回归分析为主，这对于揭示复杂的沙漠化机制和影响存在很大的局限性。同时，采用单一研究方法也容易由于尺度依赖、数据依赖等问题导致研究结果存在偏差。近年来，残差分析、结构方程模型、因果检验和一些综合模型在地表过程研究方面得到了比较成功的应用［107-109］。准确把握沙漠化地区生态系统特征，尝试、改进和发展先进的研究方法，以及耦合多种科学方法是正确揭示客观规律的迫切需求，也是未来退化生态系统综合研究需要突破的一个难点。
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