低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00012

低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述

杨文斌^,¹^,², 王涛^,¹^,³, 熊伟², 邹慧⁴, 冯伟⁵, 程一本⁶, 廉泓林⁷

1.内蒙古低覆盖治沙科技开发有限公司，内蒙古呼和浩特 010010

2.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091

3.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000

4.中国治沙暨沙业学会，北京 100714

5.锡林郭勒职业学院，内蒙古锡林浩特 026000

6.北京林业大学水土保持学院，北京 100083

7.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019

Overview of hydrological principle of low vegetation coverage sand control

Yang Wenbing^,¹^,², Wang Tao^,¹^,³, Xiong Wei², Zou Hui⁴, Feng Wei⁵, Cheng Yiben⁶, Lian Honglin⁷

1.Inner Mongolia Low Coverage Sand Control Technology Development Co. ，Ltd. ，Hohhot 010010，China

2.Institute of Desertification Studies，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China

3.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

4.China National Sand Control and Desert Industry Society，Beijing 100714，China

5.Xilingol Vocational College，Xilinhot 026000，Inner Mongolia，China

6.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China

7.Desert Science and Engineering College，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China

通讯作者: 王涛（E-mail: wangtao@lzb.ac.cn)）

收稿日期: 2020-12-16 修回日期: 2021-01-25 网络出版日期: 2021-05-26

基金资助:

内蒙古自治区科技重大专项. 2019ZD003
国家重点研发计划项目. 2018YFC0507100

Received: 2020-12-16 Revised: 2021-01-25 Online: 2021-05-26

作者简介 About authors

杨文斌（1959—），男，内蒙古毕克齐人，研究员，主要从事生态学与沙漠化防治研究E-mail:nmlkyywb@163.com , E-mail：nmlkyywb@163.com

摘要

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，基本上没有降水能够渗漏到2 m以下土层，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雨量的1%—13%，半干旱地区的深层渗漏水量占年降雨量的11%—23%，半湿润干旱区的深层渗漏水量占年降雨量的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，为中国防沙治沙事业开拓了新领域、新方向和新思路，对推动中国今后的防沙治沙工作有着重要意义。

关键词： 防沙治沙 ; 低覆盖度治沙 ; 水文原理 ; 深层渗漏 ; 补给地下水

Abstract

Deep soil water infiltration is one of the three most important processes （runoff， infiltration and evapotranspiration） of terrestrial ecology and hydrology. Maintaining water balance and supporting vegetation in arid sandy areas depends on how much rainwater can penetrate into deep soil layer or recharge groundwater. Review of our past research shows：（1） Natural vegetation in desert usually covers less than 30% of the landscape. Precipitation can infiltrate into deep soil layer and recharge groundwater. （2） In sand-fixing forest land， if the plant coverage exceeds 40%， soil moisture gradually decrease， rainwater can not penetrate into the deep soil layer and recharge groundwater， and the vegetation eventually degrades or dies. （3） Low-coverage shelterbelts designed allow more rainwater penetrateing into the soil between forest belts， which can be beneficial for soil and vegetation recovery between belts， and promote sustainable afforestation. （4） In extreme arid areas where the precipitation cannot penetrate more than 2 m depth， irrigated afforestation is the only way to sustain vegetation. If deep soil water infiltration reaches 1%-13% of annual rainfall in arid areas， and 11%-23% in semi-arid areas， and 15%-45% in sub-humid arid regions，under these circumstances，the regional water distribution reaches a equilibrium and rain-feed vegetation can be sustained. These are the basic ecological hydrology principles of combating desertification with low vegetation coverage， which is of great significance to promote further desertification control and the construction of sand-fixing forests in northern China in the future.

Keywords： sand prevention and control ; low vegetation coverage sand control ; hydrological principle ; deep soil water infiltration ; recharge groundwater

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本文引用格式

杨文斌, 王涛, 熊伟, 邹慧, 冯伟, 程一本, 廉泓林. 低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述. 中国沙漠[J], 2021, 41(3): 75-80 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00012

Yang Wenbing, Wang Tao, Xiong Wei, Zou Hui, Feng Wei, Cheng Yiben, Lian Honglin. Overview of hydrological principle of low vegetation coverage sand control. Journal of Desert Research[J], 2021, 41(3): 75-80 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00012

0 引言

近年来，地下水位持续下降，河道断流、湖泊面积缩小等，已经成为制约干旱、半干旱区生态良性发展的主要因素。保持近自然的水文动态过程，确保降水能够渗漏到土壤深层或者补给地下水，已经成为防沙治沙等生态修复的最重要的核心问题^［1-3］。21世纪以来，地球新增的植被叶面积相当于一个亚马孙雨林，中国新增植被叶面积至少占地球植被新增面积的25%^［4］。“三北”工程启动以来，中国按照覆盖度大、治沙效果好的原则，营造了大面积的固沙林，沙区植被建设取得了举世瞩目的成就，有效遏制了沙漠化的发展，促进了局地生态恢复^［5］。但是也因为种植密度过大，打破了自然的近地层水文循环过程，大面积的固沙林衰退或死亡^［6］。干旱半干旱区（不含极端干旱区）是疏林、稀疏灌丛天然分布区，面积约占国土的24.5%，而地表水和地下水分别仅占全国的3.5%和5.5%，水资源短缺是生态环境建设面临的最重要问题^［7］。在天然分布的疏林、稀疏灌丛植被区，降水能够渗漏到土壤深层或者补给地下水^［8］，降水、土壤水和地下水处于一种动态转化的相对稳定状态^［9］。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度15%—25%能够固定流沙的格局演变与防风固沙机理后^［10］，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，初步提出了低覆盖度治沙理论^［11］。低覆盖度治沙理论的提出，支撑中国修订了《国家造林技术规程》（GB/T15776-2016），该标准已于2017年1月1日执行。截至2019年，在内蒙古、宁夏、甘肃等地的京津风沙源治理、“三北”防护林等工程中，推广低覆盖度治沙林约450万hm²。低覆盖度治沙理论支撑了中国防沙治沙走向多树种带状混交、乔灌草复层结构、人工治理与自然修复耦合、植被稳定性提高的新阶段^［12］。

1 传统治沙理论的水文原理

1.1　传统固沙造林阻断了降水补给深层土壤水分

中国沙区植被建设有效遏制了沙漠化的发展，促进了局地生态恢复^［13］。然而大规模的固沙造林均以完全固定流沙为第一目的，遵循覆盖度大于40%这一标准，结果出现密度大、过度利用土壤水分等问题，导致大面积固沙林衰退或死亡现象，直接影响沙区近地层水文过程，造成土壤干旱、水文恶化^［14］。例如1975年以来，敦煌地下水位持续下降，36年间累积下降了10.8 m，造成大面积天然湿地消失、植被萎缩。敦煌天然湿地面积已由1950年30.9万hm²，减少到19.7万hm²，下降了36.2%^［15］。与流动沙丘相比，甘肃临泽、民勤及内蒙古磴口等地营造梭梭林1年后，干沙层增厚近25 cm，40—70 cm沙层土壤水分降低了约50%；6—7年后，200 cm沙层的土壤含水率降低50%以上。库布齐东缘沙母花作业区柠条固沙林，在干旱年份40 cm以下土层含水率为3.6%—4.2%，柠条林基本停滞生长，土壤水分含量已下降到不能维持柠条正常生长^［16］。毛乌素沙地油蒿固沙群丛低含水量（1%—2%）的沙层分布范围随覆盖度增加也随之加深；覆盖度为10%—15%、30%—40%、>60%的油蒿固沙灌丛土壤含水率在1%—2%的土层分布深度分别为100 cm以上、150 cm以上、200 cm以上或者250 cm以上；土壤深层渗漏水量占降雨量的比例从55.7%（流动）、27%—33%（半固定）到基本没有渗漏。没有深层渗漏后的油蒿在极端的干旱年份出现成片的衰败死亡现象^［17］。

众多研究表明营造固沙林后土壤水分随林分密度和造林后林木生长年限而降低，且密度越大造林年限越长，土壤水分消耗越大^［18］。高覆盖度固沙植被的增加，不但增加了土壤水分的消耗，而且明显降低降水对土壤深层水分或者地下水的补给，严重影响固沙群落稳定性^［19］。主要原因就在于固沙林密度过大，天然降水无法满足固沙植被生长对水分的需求，降水不能渗漏到土壤深层或者补给地下水，造成土壤蓄水量急剧下降、土壤进一步干旱，使得近地层水文恶化。密度过大的人工植被不但造成了土壤蓄水量急剧下降、土壤进一步干旱、固沙植被衰退或死亡，还打破了降水-土壤水-地下水之间的动态平衡^［20］。特别是干旱半干旱地区大量抽取地下水，栽培人工植被打破降水-土壤水-地下水之间的动态平衡，出现了地下水位下降、河流断流和湖泊退缩以及植被退化的问题，已经成为中国最重要的生态问题。

1.2　天然分布疏林或者稀疏灌丛降雨能够渗漏到土壤深层或者补给地下水

在干旱半干旱区，天然分布有疏林和稀疏灌丛。这些疏林（小于30%）植被降水都能够渗漏到土壤深层或者补给地下水，这是疏林景观能够稳定存活并固定流沙的关键^［21］。人工营造的接近天然植被覆盖度的稀疏固沙林也有水分渗漏到土壤深层或者补给地下水，而营造了高密度的固沙林后，固沙林大量消耗土壤中的水分，以至阻断了降水渗漏到土壤深层或者补给地下水^［22］，相关实验结果见表1。

表1 不同类型沙丘降雨与土壤深层渗漏补给的关系

Table 1 Relationship between rainfall and deep soil water infiltration of different dune types

沙丘类型	监测点	土壤深度 /cm	植被覆盖度 /%	树种	监测时间	降雨量或年降雨量/mm	各土壤深度以下深层渗漏占同期降雨/%
流动	正镶白旗	200	0—5	无乔灌木	2013年6—11月	226.8	21.4
	乌审旗	150			2010—2014年	432.0	55.7
	伊金霍洛旗	200			2013—2014年	441.0	33.3
	磴口	150			2010—2013年	160.0	12.6
	阜康	200			2013年6—11月	80.0	1.3
	乌审旗	180			1991—1992年	360.8	33—44
半固定	乌审旗	180	10—15	油蒿	1991—1992年	360.8	27—33
	敖汉旗	160	20	赤峰杨	2012—2013年	410.0	15
	正镶白旗	200	20	锦鸡儿	2017年	280.0	7
固定	乌审旗	180	>60	油蒿	1991—1992年	360.8	基本为零
	章古台	200	>90	樟子松	2013年6—12月	473.8
	伊金霍洛旗旗	200	45—50	沙柳	2013—2014年	441.0
	伊金霍洛旗旗	200	70—75	油蒿	2013—2014年	441.0
	达拉特旗	200	45—50	沙柳	2013年6—12月	167.2

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观测表明，干旱半干旱区天然分布的疏林或者稀疏灌丛或人工营造的接近天然植被覆盖度的低覆盖度固沙林能够正常生长，且降水均能渗漏到土壤深层或者补给地下水^［23］。这说明依照天然分布的植被覆盖度重建人工固沙植被，降水能够满足植被生长需求，且有降水渗漏到土壤深层或者补给地下水，实现了降水-土壤水和地下水的连续转化，维持着植被的稳定生长以及地下水位和河流、湖泊的稳定^［21］。而在极端干旱区没有降水渗漏到土壤深层或者补给地下水，该区的固沙林业建设需要辅助灌溉措施才能保证林分的正常生长，因此，这个区域是灌溉林业或者潜水（地下灌溉）林业区。

2 低覆盖度治沙的水文原理

2.1　低覆盖度治沙实现了降水的深层渗漏—地下水的连续性

按照疏林或者稀疏灌丛重建的低覆盖度固沙林系统实现了降水渗漏到土壤深层或者补给地下水的近自然特征。低覆盖度治沙理论首先从格局演变的风沙物理学角度，探索出了覆盖度在15%—25%能够固定流沙的乔灌木分布格局，同时找到了保证有降水渗漏到土壤深层或者补给地下水的近地层低覆盖度固沙林土壤水分利用格局（或者结构）这一自然规律（图1、2），低覆盖度行带式固沙林从林带边缘向外侧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，明显地存在一个边行林木土壤水分主要利用带和一个高含水率的土壤水分渗漏补给带^［24-25］。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。而土壤水分渗漏补给带，其一，在带的中央，降雨基本没有树冠截留，确保降雨全部可以到达土壤表层；其二，因其土壤含水量高，按照达西定律（土壤含水率高，渗漏速度快），有利于降水在土壤中的渗透，确保有降水渗漏补给深层或者地下水，使得降水、土壤水和地下水处于一个连续相互转化的动态过程^［26］。

图1

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图1 低覆盖度行带式固沙林水分利用特征

Fig.1 Water utilization characteristics of line-belt pattern sand-fixing forest with low coverage

图2

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图2 低覆盖度行带式固沙林带间土壤水分空间分布

Fig.2 The spatial distribution of soil moisture between forest belts in line-belt pattern sand-fixing forest with low coverage

在科尔沁沙地敖汉旗试验地低覆盖度行带式杨树固沙林（3 m×5 m×25 m），距离林带0—10 m范围是土壤水分利用带，带间中央10—15 m是土壤水分渗漏补给带，整个生长期土壤水分主要利用带的土壤平均含水量8%—12%，比土壤水分渗漏补给带土壤平均含水率低37%（图2）。在科尔沁沙地敖汉旗覆盖度20%左右的低覆盖度杨树固沙林，2016—2019年测算的渗漏到200 cm土层以下的水量占降水量的11%—45%。在毛乌素沙地的伊金霍洛旗覆盖度20%—25%的油蒿行带式固沙灌丛，2016—2018年降水量分别为539.0、297.8、389.0 mm，渗漏到200 cm以下土层的水量分别占降水量的68.4%、18.4%、12.0%。在库布齐沙漠达拉特旗覆盖度10%—15%的沙柳固沙灌丛，2016—2017年平均降雨量为270.9 mm，渗漏到200 cm以下土层的水量占降水量的32.4%^［20］。

2.2　低覆盖度治沙实现了雨养防风固沙林的可持续生长

低覆盖度治沙是按照自然疏林或者稀疏灌丛植被，有降水能够渗漏到土壤深层或者补给地下水这一自然规律提出的一种近自然修复生态模式，与2005年修订的《国家造林技术规程》（GB/T15776-2005）相比，生态用水量减少60%—70%。根据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%，确保有一定量的降雨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%，确保有一定量的降雨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%，达到降低生态用水的目的^［27］。

低覆盖度固沙林具有良好的生态功能，实现了降水渗漏到土壤深层或者补给地下水和降低生态用水等目标。一是确保固沙林的稳定持续生长，把林业周期长的优势发挥出来，让带间修复的土壤、植被和微生物更加成熟；二是确保一定量的降水渗漏到土壤深层或者补给地下水，能够有效促进区域地下水位和湖泊萎缩的恢复。低覆盖度治沙理论的提出对推动中国防沙治沙工作进入更加科学、高效、经济的时代具有重要价值；需要指出的是，低覆盖度治沙理论仍然处于初级阶段，需要国家相关部门的大力支持，需要科学界学者们的进一步完善提升，进而引领中国防沙治沙研究向着一个崭新的方向发展，为中国防沙治沙工程及生态建设做出更大贡献。

3 讨论与展望

干旱、半干旱区降水少、蒸发强，植被密度过大，不仅会增加土壤中水分的消耗，引起土壤干层，最终导致固沙植被衰退死亡，还会对区域水文过程和水量平衡造成负面影响^［28］。当人工营造的固沙林的林分覆盖度大于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^［29］，而天然分布的稳定沙生植被，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^［30］。

根据低覆盖度治沙理论修订的《国家造林技术规程》（GB/T15776-2016）提出了能够确保沙区的水平衡和雨养植被的稳定持续发育的深层渗漏水量标准：在极端干旱区，基本上没有降水能够渗漏到2 m以下土层，需要灌溉造林才能确保林分的稳定持续；在干旱区，深层渗漏水量占年降雨量的1%—13%；在半干旱区，深层渗漏水量占年降雨量的11%—23%；在半湿润干旱区，深层渗漏水量占年降雨量的15%—45%。

在干旱、半干旱沙地营建植被必须对树种选择、配置方式、种植密度进行合理规划，在维持水量平衡基础上形成高防护功能的固沙植被，达到固沙植被结构稳定、可持续发展的目的^［31］。低覆盖度治沙设计了干旱、半干旱区人工林合理配置结构，我们也称为行列式配置结构，能以15%—25%的乔灌木覆盖度固定流沙。行带式造林形成的植被带，加速了风沙土的固定，表层及浅层（0—30 cm）土粒细化，或出现不同厚度的生物与物理结皮，从而改变了风沙土水分的运行特征。观测得知，流动风沙土上按行带式配置格局栽植固沙灌木大致10年左右，带间形成“凹月”形稳定沙面并能在沙面形成厚度3 cm左右的结皮和粉沙层，理论上会削弱降水入渗的能力，但实际上由于沙地本身较强的渗透性、地面平坦及沙地本身降水少，因此，结皮对行带式系统水分循环整体的影响并不大，但结皮的固沙效应非常显著。调查还发现在行带的背风侧与迎风侧分别会形成4.0 m和0.5 m宽的风速显著降低区，成为发挥防风固沙效果的核心区域，加之遮荫的效果，从而也会显著降低土壤水分的无效蒸发^［32-33］。

这种结构系统内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，以保证植被的稳定持续发育。这种结构改变了降水分配规律，使得土壤水分出现高水分区（带间）和低水分区（带内），这个高水分区带不受树冠截留的影响，土壤含水量较高，有利于降水的入渗，能够在正常年份或多雨年份有一定的降水渗透到土壤水分调节层或补给地下水。这部分水在干旱年份通过侧渗或向上渗透补给水分供林木利用，避免干旱年份土壤水分亏缺对林木的严重胁迫。土壤水分主要利用带和渗漏补给带的宽度在不同气候区可能不同，一般干旱区的宽度大于半干旱区、大于亚湿润区，在同一气候区，乔木树种的宽度大于灌木树种^［11］。

低覆盖度治沙理论按照干旱、半干旱区自然水分的动态规律，构建的一套能够防风固沙与土壤、植被和微生物修复的技术体系，用少量的生态水确保生态安全，把尽可能多的水分保留在土壤库中或者补给地下水，对于解决目前的水问题具有重要的意义。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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林而达，吴建国，居辉，等.

气候变化国家评估报告（Ⅱ）：气候变化的影响与适应

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