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中国沙漠, 2025, 45(4): 75-84 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00076

科尔沁沙地生态恢复研究进展与思考

罗永清,1,2,3, 白浩江2,3, 贾豪2,3, 李刚4, 丁杰萍5, 周静5, 王立龙1,2, 陈伊迪4, 李玉强1,2,3

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学，北京 100049

4.奈曼旗大柳树国有治沙林场，内蒙古 奈曼旗 028300

5.甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730020

Review and reflections on research progress of ecological restoration in Horqin Sandy Land

Luo Yongqing,1,2,3, Bai Haojiang2,3, Jia Hao2,3, Li Gang4, Ding Jieping5, Zhou Jing5, Wang Lilong1,2, Chen Yidi4, Li Yuqiang1,2,3

1.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Naiman Desertification Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

4.Daliushu State-owned Sand Control Forest Farm in Naiman Banner，Naiman Banner 028300，Inner Mongolia，China

5.Gansu Academy of Eco-Environmental Sciences，Lanzhou 730020，China

收稿日期: 2025-05-15   修回日期: 2025-06-17  

基金资助: 内蒙古自治区科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目子课题.  2024JBGS000701
甘肃省自然科学基金项目.  23JRRA663
甘肃省重点研发计划项目.  25YFFA021

Received: 2025-05-15   Revised: 2025-06-17  

作者简介 About authors

罗永清（1984—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生导师，副研究员，主要从事恢复生态学研究E-mail：luoyongqing@nieer.ac.cn , E-mail：luoyongqing@nieer.ac.cn

摘要

科尔沁沙地是中国北方四大沙地之一，拥有相对良好的水热资源与独特的文明演化特性，呈现游牧文明与农耕文明交错发展的历史进程。近代以来，由社会变革与人口激增衍生的农牧业生产活动剧烈发展，导致科尔沁沙地持续退化，形成植被覆盖度低、风沙活动增强等现象，一方面限制着区域农牧业经济发展与农牧民生活水平提高，另一方面导致环境质量恶化，与高质量生活需求产生矛盾。在此背景下，国家与地方出台实施了一系列与科尔沁沙地生态恢复有关的政策法规与重大工程，同时相关机构开展了科尔沁沙地土壤沙漠化过程、生态恢复等方面的机理研究与技术研发示范。近30年来，在科学理论、政策法规及重大工程的共同推动下，科尔沁地区沙漠化土地实现了有效逆转与持续性恢复。基于已有研究基础及国家生态文明建设重大需求，结合区域发展现状与趋势，对近年来科尔沁沙地生态恢复有关研究进展进行系统梳理和初步展望，为科尔沁沙地有效治理及区域高质量发展提供信息支撑。

关键词： 沙漠化 ; 生态恢复 ; 生态文明 ; 科尔沁沙地

Abstract

Horqin Sandy Land is one of the four great sandy lands in northern China. Due to the relatively high level of precipitation and temperature conditions and the unique characteristics of civilization evolution， nomadic and farming civilization alternate development of history. In modern times， the rapid development of agricultural and husbandry production activities derived from the social change and population surge led to the continuous land degradation of Horqin Sandy Land in the past hundred years. The resulting phenomena such as low vegetation coverage and increased wind and sand activities， on the one hand， limit the development of regional agricultural and husbandry economy and the improvement of the living standards of farmers and herdsmen， on the other hand， lead to the deterioration of environmental quality， thus contradicting the demand for high-quality life. Under this background， the state and local governments have implemented a series of major projects， policies and regulations related to ecological restoration in Horqin Sandy land， and relevant institutions have carried out a series of fundamental studies and technology research and development demonstrations related to soil desertification process and ecological restoration in Horqin Sandy Land. In the past 3 decades， the desertified land in Horqin area has achieved effective reversal and sustainable recovery under the joint promotion of scientific theories， policies， regulations and major projects. This paper systematically reviews the research progress related to ecological restoration in Horqin Sandy Land in recent years， and makes a preliminary outlook based on the existing research basis and the major needs of national ecological civilization construction， combined with the current situation and trend of regional development， aiming to provide information support for the effective management and high-quality regional development of Horqin Sandy Land.

Keywords： desertification ; ecological restoration ; ecological civilization ; Horqin Sandy Land

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本文引用格式

罗永清, 白浩江, 贾豪, 李刚, 丁杰萍, 周静, 王立龙, 陈伊迪, 李玉强. 科尔沁沙地生态恢复研究进展与思考. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 75-84 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00076

Luo Yongqing, Bai Haojiang, Jia Hao, Li Gang, Ding Jieping, Zhou Jing, Wang Lilong, Chen Yidi, Li Yuqiang. Review and reflections on research progress of ecological restoration in Horqin Sandy Land. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 75-84 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00076

0 引言

恢复生态学是通过人为干预和自然调节，使退化、受损或破坏的生态系统恢复到接近原始状态或具有更有利于人类生产、生活和生态功能的科学和实践［1］。在中国北方，由人类活动和气候变化引起的土地荒漠化是生态系统退化的主要内容［2］。土地荒漠化导致土壤质量下降、植被生产力减少、土地生产潜力降低等社会经济问题；同时荒漠化引起的空气与水体质量下降可能对人类健康构成危害；此外，由荒漠化引起的生物多样性丧失、土壤退化、水资源短缺等直接对生态系统稳定性及服务功能构成威胁。因此，荒漠化地区的恢复生态学研究是中国北方生态文明建设的关键。

沙漠化是荒漠化的主要类型，是干旱半干旱及部分半湿润区因人类不合理的经济活动和脆弱环境相互作用而造成土地生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似沙漠景观的土地退化过程［3］。中国北方土地沙漠化在2000年以前呈发展趋势，主要由自然与人为双重因素造成。中国北方沙漠化土地自20世纪50年代后期到2000年一直处于加速发展趋势，沙漠化土地发展速率由2 100 km2·a-1（1976—1988年）发展到3 600 km2·a-1（1988—2000年）［4］。2000年以后虽然气候暖干化趋势不减，但土地沙漠化总体得到遏制，原因主要为“三北”防护林工程、“退耕还林（草）”工程等生态恢复措施取得了一定的成效［5-7］。

然而，中国沙漠化土地幅员辽阔，从经纬度以及水热资源分配上均呈现出一定的地理格局差异，大范围的重大生态工程和生态恢复政策实施对环境质量改善有积极作用，但具体政策实施方案仍需不断优化［8］，根据不同地区土地沙漠化具体驱动因素，针对性地制定恢复措施是十分必要的［9］。基于此，本文以位于中国东北部水热条件较好、人口密度较高、土地沙漠化及其逆转现象典型的科尔沁沙地为对象，系统梳理其土地沙漠化发生过程及其生态恢复的研究进展，并结合当前社会发展需求与趋势，对该区域沙漠化土地治理进行展望，以期为区域生态文明建设提供思路。

1 土地沙漠化及其逆转过程的机理研究

1.1　采用时空替代模式，开展区域尺度调查

时空替代即采用空间代替时间，其主旨思想是沙漠化土地恢复过程中出现具有鲜明特色的阶段性景观，根据不同景观特征，对沙漠化发生或逆转程度进行表征，在同一时段内选择不同景观进行调查，以此对沙漠化或逆转的生态过程进行准确评估［3，10］。在缺少准确样地演化或管理过程记录的情况下，该方式是研究长时间序列的土地沙漠化过程的主要手段［11］。自20世纪80年代以来，通过该模式在科尔沁沙地开展了大量植被演替过程、土壤碳截存等研究。

在科尔沁沙地，流动沙丘是土地沙漠化的终点，植被异质性较小。在其恢复过程中，由于物种从丘底向丘顶逐渐入侵和定居，植被异质性有所增加，随着植被恢复程度提升，植被大量占据沙丘，种群不断扩张和繁殖，聚集强度减弱，植被空间异质性减弱［12-14］。沙丘植被恢复过程中优势种群更替明显，先锋植物沙蓬（Agriophyllum squarrosum）随着沙丘的固定逐渐衰退消失；灌木差不嘎蒿（Artemisia halodendron）种群先增加后逐渐退出；虫实（Corispermum macrocarpum）种群优势逐渐增加；多年生白草（Pennisetum centrasiaticum）只出现于沙丘固定和植被恢复后期，且随着植被恢复，优势度有所减小［13-15］。克隆植物物种丰富度随恢复时间延长而增加，在固定沙地阶段达到最高，之后并不随恢复时间的延长而增加［12］。科尔沁沙地植被恢复前期，物种种子库的种源作用非常明显，流动和半流动沙丘阶段，土壤种子库为地被植物的发育提供了大量的种源；在恢复中后期，土壤种子库种源效应减弱，土壤种子库、幼苗库和定植库群落间相似性有所下降［16］。碳氮储量分析发现，沙漠化过程中，生物量碳氮储量在沙漠化后期衰减快于初期，而土壤有机碳与氮储量在沙漠化初期衰减快于后期；在沙漠化初期生物量氮储量的衰减快于生物量碳储量的衰减，而在沙漠化后期生物量碳储量的衰减快于生物量氮储量的衰减；在整个沙漠化过程中土壤有机碳储量衰减快于土壤全氮储量衰减［17-18］。

硝态氮是科尔沁沙地土壤无机氮库的主要存在形式，占比高达68%，随着退化植被恢复，土壤硝态氮含量和净矿化速率逐渐增加，铵态氮含量下降；土壤无机氮库与净氮转化速率存在明显的季节和年际分异规律，整个植物生长季土壤氮净转化速率与铵态氮含量、硝态氮含量、植被盖度、植物高度和空气温度密切相关［19-20］。土壤呼吸研究发现，随着沙漠化发展，沙地生态系统的碳平衡表现为从大气CO2的汇向源转变，潜在沙漠化阶段（丘间低地生长季）处于碳平衡状态或净固存（121.9 g·m-2），严重沙漠化阶段（流动沙地生长季）向大气净碳释放量为47.4~80.5 g·m-2 ［21-22］。土壤微生物方面研究发现，科尔沁沙地沙漠化逆转过程中土壤微生物碳利用效率表现为递增趋势，而土壤微生物氮和磷利用效率表现为递减趋势；沙地植被恢复过程中，最初阶段的流动沙地表层土壤微生物代谢主要受碳限制，从半流动沙地恢复至半固定沙地出现了从氮限制向磷限制的转变［23］。

1.2　基于样地记录，开展土地沙漠化及其恢复过程机理调查

近40年来，由于社会生产力整体发展与环境质量需求提高，自20世纪80年代以来，国家和地方对沙漠化土地开展了一系列禁牧围封、植树造林等恢复措施［24］。在此背景下，主要恢复区域的人工管理记录较为明确，为上述恢复措施的生态学过程研究奠定了基础。

在禁牧围封方面，流动沙丘封育7、12、25年后，植被-土壤系统有机碳储量分别增加了341、822、1 786 g·m-2，而相应的氮储量分别增加了30、65、139 g·m-2 ［25］。连续放牧的草地封育8、13、26年，植被盖度由3.0%分别增加为20.8%、45.8%、63.8%，地上总生物量（活体植物、立枯物和地表凋落物综合）由20.9 g·m-2分别增加至79.3、225.0、273.0 g·m-2 ［26］。

在植树造林方面，小叶杨（Populus simonii）和樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）是科尔沁沙地人工乔木林的主要物种，其中樟子松由于耗水量基本与降水量保持平衡，所以林木成活率以及对土壤质量提升较为明显，28年和38年林龄樟子松人工林生态系统生物量碳储量分别是流动沙丘区的72倍和160倍；相应生态系统生物量氮储量是流动沙丘的48倍和105倍，土壤总碳（有机+无机）储量是流动沙丘的1.8倍和2.3倍，土壤总氮储量是流动沙丘的1.4倍和1.5倍；38年植物-土壤系统碳和氮积累速率分别为678、23 kg·hm-2·a-1。造林对土壤碳氮显著影响主要在土壤表层20 cm［27］。与流动沙丘相比，25年和35年林龄樟子松人工林轻组碳储量分别为流动沙丘的20.9倍和15.8倍，轻组氮储量分别为流动沙丘的36.1倍和25.0倍；尽管轻组分干物质占土壤总质量的比例较低，却是土壤总有机碳和全氮的重要贡献；15 cm以上土壤剖面在该地区吸收大量碳，有可能抵消科尔沁沙地在过去一个世纪中因荒漠化而损失的部分碳［28］。Guo等［29］的研究表明，土壤有机碳储量在造林初期随林龄增加而增大，52年后保持在1.27~1.29 kg·m-2，此外，随着林龄增加，氨基糖和微生物残留也有一致的增加，随着林龄从16年增加到62年，土壤pH从6.84降低到5.71，氨基糖总量从178.53 mg·kg-1增加到509.99 mg·kg-1。王凯等［30］通过对不同林龄（12、22、31、42、52、59年）樟子松非结构性碳水化合物（NSC）分布特征的研究发现，NSC组分在不同生长阶段表现为适应性调节，当根储存淀粉开始消耗，NSC在不同器官中分配失衡，可能导致樟子松生长衰退。而小叶杨由于较高的耗水量，生存状态劣于樟子松，在很多区域出现“小老头树”，同时在地下水位快速下降区域，出现了大面积死亡。此外，基于小叶杨和樟子松在科尔沁沙地造林的对比研究表明，从养分有效性、水分利用效率、林木特性（稳定性和可持续性）方面考虑，樟子松较小叶杨更具优势［31］。

在科尔沁沙地，乡土灌木差不嘎蒿、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、黄柳（Salix gordejevii）等具有较高的适应性和生态恢复效益［32］。灌木林建设被认为是沙漠化土地恢复的有效措施。从土壤碳截存角度调查表明，与流动沙丘相比较，小叶锦鸡儿灌木林营造后9、15、31年，0~100 cm土壤有机碳储量分别增加了88%、74%、145%，总氮储量分别增加了68%、61%、195%，土壤轻组有机碳储量分别增加了109%、199%、202%，氮储量分别增加了203%、337%和342%［33］。灌木林对土壤温湿度、光照等微环境的改善促进了大型动物聚集，从而改变了土壤和植被性质［34］。

1.3　基于固定样地与控制试验开展观测研究

科尔沁沙地沙漠化及其恢复过程的另一个重要研究模式是基于固定样地的观测或试验。其主要根据沙漠化土地恢复不同程度，选择典型代表性样地，开展序列性或特定阶段的观测或试验。相对于野外调查，该模式由于样地固定及较好管理，能更系统地解析土地沙漠化及其恢复的重要过程。

固定样地序列性研究主要包括野外观测与野外试验，野外观测又包括一次性调查与重复性观测。一次性调查即在选定沙地恢复序列后，在短期内开展的一次性调查，根据调查结果解析科尔沁沙地恢复的生态过程。如流动、半固定、固定沙丘和封育草地植被与土壤碳氮调查发现，在退化沙质草地恢复过程中，植物根系与土壤碳氮的关系较地上部分更为紧密，根系活动可能是影响土壤碳氮积累的重要因素［35-36］。重复性观测除考虑恢复梯度差异外，同时考虑环境因子（降水量、温度）与生态过程（群落结构功能等）的年际差异。如流动、固定沙丘和沙质草地的连续监测数据分析表明，2005—2019年科尔沁沙地植物群落物种丰富度大体呈现为固定沙丘>沙质草地>流动沙丘，流动沙丘群落盖度呈现显著增加趋势，固定沙丘和沙质草地群落盖度变化趋势不显著，但其年际波动较大；15年间群落地上生物量均呈现沙质草地>固定沙丘>流动沙丘，其中流动沙丘植被地上生物量年际波动较小；植被群落Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson生态优势度指数在3种沙地均无显著变化趋势，但其年际间波动较为剧烈［37］。凋落物监测分析显示2005—2016年流动、半固定沙丘和封育草地凋落物及其组分均呈显著的年际与年内差异，降水波动所驱动的植被差异是导致凋落物年际和年内差异的主要因素［38-39］。同时，根据该监测数据，分析发现生长季末期（10月）风力活动是凋落物再分配的驱动因素（该期7~8 m·s-1风活动频率与封育草地凋落物产率呈显著的正线性回归），由此形成凋落物源汇关系，因此，生长季末期的风力活动对凋落物的干扰可能是土壤碳空间变异的重要因素，防风措施是促进低盖度植被区（如流动沙丘）土壤恢复潜在的有效方式［40］。

模拟风沙环境控制实验是研究科尔沁沙地沙漠化过程的重要方式。在科尔沁沙地，沙埋与风沙流是影响植被状态的主要风沙活动形式，也是干旱半干旱区主要自然灾害。其中风沙流吹袭主要通过风蚀沙埋、物理刺激（割、打、磨）、形成地表高温、限制土壤水分供给等方面影响沙地植物的生长甚至导致其死亡［41］。风沙流吹袭下，植物通过气孔导度降低、蒸腾速率下降、净光合速率下降等生理适应调节，该调节受吹袭时间和强度的影响［42-44］，长期频繁的风沙吹袭可显著抑制植物叶片光合与蒸腾，减少营养物质积累，阻碍植物的碳同化［43-44］，从而影响植物生存状态。沙埋主要通过改变土壤温度、湿度、硬度、养分含量、透光率等指标，影响植物生理生态过程［41］。近年来，通过不同物种沙埋处理对比研究，发现耐沙埋物种可通过提高体内抗氧化酶活力与渗透调节物质［45］、提高净光合速率、减少蒸腾以增强水分利用效率［46］等形式来适应沙埋胁迫，并由此明确了沙蓬［45-47］、差不嘎蒿［48-50］、小叶锦鸡儿［48，51］、樟子松［52］等在科尔沁沙地的适应机理，为该区植被重建提供理论支撑。

土地沙漠化导致植被群落结构与功能退化［15］，也导致了土壤质量及服务功能全面退化［17］，这种植被-土壤系统性衰退速率与沙漠化程度紧密相关［10，21］。由于较好的水热资源，该区生态恢复也有较大潜力［5］。然而，人类活动是影响该区生态恢复的关键要素［2-4］。在恢复模式方面，人工林营建和禁牧围封是最常用的方式。人工林建设主要通过其防风固沙效应，形成对风沙环境改善，以及种子截获，为植被恢复提供种源，同时通过凋落物、粉尘等截获以及遮阴等效应改善微环境，直接或间接促进植被与土壤恢复［10，27］。而禁牧围封则连续或阶段性排除了放牧干扰对草地的直接影响，促进植被群落多样性及生产力等快速提升［25-26］。同时，由于植被快速恢复，地表覆盖度增加也通过凋落物捕获、植物直接输入等形式［36，39-40］，形成了土壤碳氮等快速增加。

2 聚焦气候变化的植被-土壤-微生物系统性研究

2.1　水资源有效性

在科尔沁沙地乃至中国北方干旱区，水资源有效性是生态系统服务功能维持与提升的关键要素。降水格局改变与地下水位下降是科尔沁沙地水资源有效性的主要方面。已有分析表明，近30年来，一方面科尔沁沙地年降水量呈现波动式变化，降水量常年维持在360 mm；另一方面，近年来出现极端干旱和极端降水事件增加、有效降水频次下降等现象［53-55］。降水格局改变对科尔沁沙地植被-土壤系统有重要影响。降水减少使半干旱沙质草地植物群落组成和物种优势度发生变化，同时降低植物群落盖度和地上生物量，但对植物物种多样性无显著影响［56］，降水量下降60%将造成草本群落向单一结构发展［57］。一年生草本植物主要通过生物量分配调控来适应降水量增减［58］，而对于多年生物种，如糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）和达乌里胡枝子（Lespedeza davurica），主要通过叶面积、比根长和比表面积降低，叶厚度、叶干物质含量、细根平均直径和根系组织密度增加等功能性状改变来适应降水减少［59-60］。降水量增加显著提高总幼苗出现数量和阔叶杂草幼苗密度。禾本科植物幼苗对降水变化更为敏感，特别是在践踏条件下。轻度和中度践踏以及增加30%降水量促进了禾本科植物幼苗出现，而无践踏以及增加30%的降水量改善了阔叶杂草幼苗出现［61］。另外，降水格局改变对土壤过程也有一定影响。降水减少可通过对土壤胞外酶影响降低土壤呼吸［62］，降水变化可改变土壤中无机氮赋存状态以及矿化过程，从而改变土壤质量影响其养分供应［20，63］。另外，除降水量增减以外，降水频次也是影响科尔沁沙地生态过程的重要因素，如相同量但不同频次的降水模拟显著改变了一年生草本凋落物的分解速率［55］。春季萌发试验表明，相对于多频次降水，单次8 mm降水量能显著促进萌发幼苗数量，但成苗后高频次降水有利于干物质积累［64］。极端降水（单次降水16、32 mm）显著提高了科尔沁沙地一年生植被多样性以及地上干物质积累［53］。

地下水是影响科尔沁沙地生态恢复的另一个重要因素，降水是地下水的重要补给。在科尔沁沙地长期观测与调查表明，由于较高的水力传导与渗透特性，降水深层渗漏以及地下水补给受降水格局影响，降水模式改变与植被覆盖类型相互作用影响深层渗漏甚至地下水补给，不同植被覆盖类型下的深层渗漏过程主要受降水量和持续时间影响［65］。在低植被覆盖的流动沙丘，降雨量大于13.4 mm时，可重新分配60 cm深度的土壤水分，而降雨量大于39.8 mm时，入渗深度可超过120 cm［66］，在小叶锦鸡儿灌木种植区，深层渗漏（土壤水在植物根区下方的向下移动）系数（小叶锦鸡儿灌丛下土壤深度200 cm层渗漏量与降水量比值）与年平均灌木盖度、冠幅以及高度呈显著负相关，小叶锦鸡儿生长可能导致潜在地下水补给量减少，土壤含水量随灌木龄级增加而降低［67］。不同类型植被恢复观测表明，科尔沁沙地流动、半流动、半固定、固定沙地深层渗漏量年平均系数分别为53.3%、9.9%、7.3%和4.7%，深层渗漏量与固沙植物物种丰富度和高度呈弱负相关，与植被盖度和地上总生物量呈强负相关，固沙植被恢复年限、盖度和地上生物量增加显著减少了深层渗漏乃至地下水补给量［65］。

在科尔沁沙地，尽管降水是影响植被状况最主要的水分要素，地下水位也可能对该区植被和土壤过程产生影响。地下水位模拟实验表明，对于当地优势灌木小叶锦鸡儿，过浅地下水位（40 cm）不利于生长，株高、生物量、冠幅等均低于仅依赖自然降水的对照处理，120 cm地下水埋深处理下，小叶锦鸡儿株高、冠幅、根生物量等达到最大，180 cm的地下水埋深处理下根长和根长密度达到最大［68］。与之对应较浅地下水位（40~120 cm）显著促进了芦苇（Phragmites communis）的生长，叶面积、株高、生物量、根系长度等指标均高于对照［69-70］。地下水位变化主要通过土壤水分的改变驱动土壤微生物［71］、养分可利用性等变化［72］，一方面从光合-蒸腾权衡，另一方面通过根系深度、细根生物量的变化影响科尔沁沙地植被生存状态［73］。

2.2　氮沉降

氮沉降作为全球变化的重要内容，其生态效应是当前生态学研究热点。普遍认为，氮沉降源于近百年来工业发展过程中产生的含氮沉积物缓慢积累到土壤环境中，通过对土壤酸碱度以及土壤养分含量的改变，影响陆地生态系统结构与功能。氮沉降一方面通过对土壤酸碱度改变直接影响微生物，以及通过土壤矿物质及养分活性改变，间接作用于植物过程［74-75］；另一方面，在养分限制区，尤其是氮限制区，氮沉降与积累可直接改变土壤氮供应与化学计量［76-77］，从而直接或间接影响生态系统过程。自然状态下氮沉降包括干沉降和湿沉降2个过程。氮沉降模拟通常通过氮添加来进行。在科尔沁沙地，氮添加对植被-土壤系统均有着重要影响。在土壤方面，氮添加直接影响土壤氮硝化与矿化过程［20，65］，引起土壤酸化，由此降低土壤微生物α和β多样性［78］，以及细菌丰富度和多样性［79］。同时，氮添加改变土壤养分供应［76-78］，促进生物量与凋落物积累［80-81］，直接或间接导致了土壤胞外酶以及土壤呼吸变化［81-82］。然而，目前有关氮沉降对土壤呼吸的研究结果存在一定争议性。赵欣鑫等［82］的结果表明，氮添加（10 g·m2·a-1，以纯氮计，材料为含氮 46.46%的尿素）使根呼吸显著提高42%，但对微生物呼吸无显著影响，土壤总呼吸显著增加17%；而相同处理下也有研究表明，氮添加使根呼吸降低了17.7%，而微生物呼吸速率降低3.9%；氮添加提高了土壤呼吸和微生物呼吸温度敏感性Q10值［83］。

氮素添加可改变科尔沁沙地植物群落物种组成和优势种，植被高度、盖度及生物量增加，物种丰富度减小，物种多样性降低［84］。氮添加显著增加了植物群落盖度、高度、地上生物量和叶面积，显著降低了叶干物质含量，密度、凋落物量和比叶面积无显著变化。这种效应往往与其他因子有明显的耦合效应，如降水调控研究发现，增雨（W+60%与W+100%）处理下，氮添加显著增加了植物群落盖度、植物密度、地上生物量、凋落物量、叶面积和比叶面积。在增雨60%和氮添加交互处理下达到最大值，减雨60%处理下氮添加显著降低了叶干物质含量［85］。徐锰瑶等［86］在科尔沁沙地的研究表明，重度退化草地物种多样性和功能多样性对短期氮添加的响应敏感度高于水添加，围封后水氮添加对物种多样性和功能多样性多为负面影响，尤其是高氮添加使物种多样性和功能多样性显著下降。有研究表明单纯添加氮素或水分对当地4种优势植物（尖头叶藜Chenopodium acuminatum、白草、糙隐子草和狗尾草Setaria viridi）平均地上总生物量、各构件平均生物量及繁殖体和茎平均生物量分配无显著影响。夏季增雨×氮素添加使4种植物平均地上总生物量及各构件平均生物量显著增加，冬季增雪×氮素添加使叶生物量显著增加，说明夏季增雨×氮素添加能够解除氮素对水分的限制作用，使植物将所获得的有限资源用于叶片生物量的积累和分配，但氮素添加与水分影响的生物量分配变化程度因物种而异，对尖头叶藜、白草、糙隐子草影响不明显，对狗尾草影响显著［87］。放牧和氮添加增加糙隐子草的重要值，氮添加显著降低围封草地中糙隐子草叶干物质含量，增加围封和放牧草地中糙隐子草叶氮含量［88］。

2.3　温度

温度是生物过程最重要的环境要素，温度的微小变化可能引起生态系统强烈的反馈。温度增加是近年来关注的热点，模拟增温是研究生态系统过程响应温度增加的有效手段，野外常用的增温模式包括红外辐射、开顶箱室（Open Top Chambers，OTC）、增温棒（主要用于土壤剖面增温）等［89-90］。OTC由于低成本、易运输维护等特性，在科尔沁沙地广泛应用。增温可促进科尔沁沙地土壤呼吸速率显著提升［91］。同时，增温效应存在季节差异，增温显著增加生长季中期和整个生长季土壤呼吸，对生长季前期和末期的土壤呼吸影响不显著［62］。土壤氮矿化方面研究显示，增温使科尔沁沙地土壤氮矿化速率发生显著变化，这种效应与田间持水量存在一定关联：在相对适宜的田间持水量条件下，OTC增温使科尔沁沙地土壤氮矿化/硝化速率显著提高，但当田间持水量相对较低或者过高时，土壤净氮净矿化/硝化速率对温度增加响应不明显［92］。在植物群落水平上，增温使猪毛蒿（Artemisia scoparia）和糙隐子草比重均显著增加，使狗尾草比重显著降低，植物群落组成发生改变；增温显著降低沙质草地植物物种丰富度、Shannon-Wiener指数，且使植物群落、一年生和多年生草本的地上生物量显著降低；增温改变沙质草地关键类群和主要植物种间关系，使主要科植物间相互作用减弱、连通性增加，导致植物群落结构稳定性下降［93］。温度增加显著降低了流动、半固定沙丘和封育草地的地下生物量、总生物量、物种丰富性和植物总密度［94］。增温与降水控制耦合试验表明，增温和降水减少均显著降低了植物群落盖度和地上生物量、Margalef丰富度指数、Simpson指数、Shannon指数和Pielou指数，同时植物群落组成和物种优势度发生变化，优势物种猪毛蒿和达乌里胡枝子的重要值均明显降低［95］。物种水平上，增温的季节非对称性和持续时间，可通过调整半干旱沙区固沙灌木小叶锦鸡儿繁殖物候模式和种子繁殖性状改变种子繁殖策略，较暖的冬季和春季降低了种子繁殖力［96］。增温显著降低了胡枝子净光合速率和蒸腾速率、猪毛蒿水分利用效率以及糙隐子草净光合速率，也显著降低了猪毛蒿和胡枝子PSII最大光化学效率和PSII潜在活性［97］。增温显著影响糙隐子草种子丙二醛和脯氨酸含量［59-60］。

3 展望

3.1　研究展望

机理研究是进一步加强生态恢复的基础，如造林固沙方面，科尔沁沙地存在樟子松自然更新困难、小叶锦鸡儿自然成苗率低等问题。另外，作为科尔沁沙地的乡土物种，差不嘎蒿较强的化感抑制效应［98-99］及偏低的适口性等生物学属性，在固沙林营造过程中出现了群落结构单一、放牧潜力偏低，以及季节性蒿属花粉过敏等生态、生产或环境问题。此外，土地沙漠化发生及其恢复机理研究存在不同的研究模式与方法，各种模式虽开展了大量系列性研究，但不同方法或模式的研究结果尚未形成统一定论，开展不同方法或模式的交叉补充与验证，有望进一步厘清土地沙漠化过程机制。因此，更深入的基础研究是科尔沁沙地生态治理以及生态文明建设的基础支撑。

另外，气候变化是陆地生态系统面临的重要问题。在半干旱区，由气候变化引起的降水格局改变、极端降水、干旱事件增加、气温增减等变化，以及由此衍生的地下水位下降、河湖断流枯竭等直接影响植被-土壤-微生物系统结构与功能，限制生态恢复进展与成效。目前，科尔沁沙地生态过程对气候变化的响应研究主要聚焦于单一生态因子，如植被群落结构动态［53，56-57，61，64，73，80，93］、优势物种适应机制［59-60，68-70，96］、土壤养分变化［20，63，92］、土壤呼吸［62，82-83，91］、土壤微生物群落结构［71，78-79，81］等。而气候变化背景下沙漠化过程中的植被-土壤微生物的权衡机制等系统性研究相对不足。应聚焦气候变化，开展植被-土壤-微生物-动物等多层次综合性观测与研究，进一步明确土地沙漠化发生机制，为制定未来气候情境下沙漠化土地管理方案提供重要支撑。

3.2　决策建议

首先，生态意识提高是生态文明建设的群众基础。生态恢复或发展技术模式示范推广及政府措施与群众生活方式与生活质量密不可分，群众认同是各项技术模式和政策法令有效实施的决定要素。因此，在科学合理的基础研究、合理高效的技术模式基础上，多层次、多角度的科普教育是提高群众认同、促进生态恢复的基础保障。

另外，基于山水林田湖草沙生命共同体的思想，科尔沁沙地治理过程中需要加强多学科、多部融合［9］。例如，水资源有效性不仅是该区生态恢复的关键，更是当地农牧业发展的基础。在当前和未来气候变化情景下，基于水资源承载力的农牧业发展规模与强度、林草沙不同景观的配置模式等关乎当地生态文明与社会福祉的问题，不仅需要生态学、水文学、农学、地理学等多学科有效融合，更需要生态、环境、水利、国土等多部门高效协同。

同时，在考虑气候格局未来情景情况下，社会发展格局未来情景不可忽视。一方面，老龄化及低生育率导致科尔沁沙地人口结构改变与密度下降；另一方面，物质文明追求在生态环境需求、饮食结构改善等方面有更高的要求或者转变，现有的农牧业发展模式以及生态保护强度可能需要前瞻性审视。

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水、氮施用量对科尔沁沙地植被特征和叶性状的影响

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徐锰瑶，李雪华，刘思洋，等.

围封和水氮添加对重度退化草地植物多样性的影响

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陈静，李玉霖，崔夺，等.

氮素及水分添加对科尔沁沙地4种优势植物地上生物量分配的影响

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孙一梅，田青，郭爱霞，等.

放牧和氮添加对半干旱沙质草地优势种糙隐子草及群落功能性状的影响

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秦文宽，张秋芳，敖古凯麟，等.

土壤有机碳动态对增温的响应及机制研究进展

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韩丹，李玉霖，杨红玲，等.

模拟增温和改变降雨频率对干旱半干旱区土壤呼吸的影响

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陈静，李玉霖，冯静，等.

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包天玲，刘继亮，李寅龙，等.

科尔沁沙质草地群落特征对增温的响应

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朱远忠，黄文达，于海伦，等.

科尔沁沙质草地不同水热梯度植物群落叶功能性状特征研究

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Hu H J， Liu X P， He Y H，et al.

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Luo Y Q， Zhao X Y， Li Y Q，et al.

Effects of foliage litter of a pioneer shrub （Artemisia halodendron） on germination from the soil seedbank in a semi-arid sandy grassland in China

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Luo Y Q， Du Z， Yan Z Q，et al.

Artemisia halodendron litters have strong negative allelopathic effects on earlier successional plants in a semi-arid sandy dune region in China

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