如何拯救一片荒漠？我们在古尔班通古特做了一次实验 - 葱头胖友圈

本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），刊载于2020年第72卷第6期《科学》杂志，作者：徐海量、苑塏烨、徐俏，原文标题：《干旱区生态修复的实践——以古尔班通古特沙漠为例》，头图来自：视觉中国

生态修复是相对生态破坏而言的。生态破坏可理解为生态系统结构发生变化、功能退化或者丧失。生态修复是恢复受损生态系统到接近它受干扰前的自然状况的操作与管理过程，也就是重建该生态系统在被干扰前的结构与功能，以及相关的化学、物理和生物学特征 ^[1]，其本质目的是恢复生态系统的必要功能，并达到生态系统可维持自身健康运行的状态。

近年来，伴随着GDP的快速增长，环境失衡、资源枯竭、生态系统退化等问题不断产生。国家已深切意识到，良好的生态环境对于中华民族伟大复兴和可持续发展的重要性，高度重视环境保护和生态修复工作，但当前情况是历史欠账多、问题积累多、现实矛盾多。一些地区的环境承载力已达上限，生态修复任务十分艰巨。

此外，以往的生态修复工程的建设目标、建设内容和治理措施相对单一，一些建设项目还存在拼盘、拼凑的问题，忽视水资源、土壤、光热、原生物种等自然条件，导致工程实施后修复效果不理想，区域生态系统服务功能整体提升的成效不明显，浪费了大量人力、物力和财力。因此，亟需从整体角度考虑对退化生态系统的修复方法，提升区域生态系统功能，保障国家战略生物资源供给。

通常将年降水量小于200毫米的地区划为干旱区。我国是世界上主要的干旱国家之一，干旱区面积占陆地面积的30%，约280万平方公里，主要分布在西北地区。

古尔班通古特沙漠修复前的状况

古尔班通古特沙漠位于新疆准噶尔盆地中央，地处亚洲内部，远离海洋，为我国最大的固定与半固定沙漠，属于温带干旱荒漠气候。它是我国干旱区和土地荒漠化的代表区域，兼具生态环境极其脆弱，以及人类扰动大、生态退化明显的双重属性。近20年来，伴随着大规模、高强度的工程建设，该区植物群落和物种减少，生物多样性下降，土壤化学性状恶化，生态环境面临严峻挑战。

对遭受损害甚至彻底破坏的区域（即受损区），科学的认识是修复的前提，合理的规划是修复成功的保证。古尔班通古特沙漠生态修复主要面临如下3个难点。

首先，该区干旱少雨，蒸发强烈。该区年降水量100~150毫米，年蒸发量2000毫米，为典型内陆干旱气候。因此，植物经常因体内缺水而受损。

其次，该区属于荒漠生态系统，对来自外界的影响非常敏感。沙漠中的公路修建、引水灌溉、石油开采等工程占用了大量土地资源，扰动了地表，造成许多地点的土壤结构被彻底颠覆，植物难以维持正常生理活动，土壤种子库逐渐消失，大片土地荒芜。在多种强烈的人为活动干扰下，生态系统依靠自身的力量难以恢复。

再次，该区不同植物种子成熟时间分散、体积小，给种子收集增加了难度。如果没有先进的土壤种子野外收集技术，就难以快速实现生态修复目的。

生态修复最核心的两个问题是修复的效果和成本，效果决定了相关措施是否可行，成本决定相关措施能否推广。古尔班通古特沙漠不仅有较多历史欠账，而且人为破坏类型多样，受损区分布零散，导致修复工作量大、周期长、成本高。鉴于这种情况，修复工程设计和材料必须结合当地实际情况，就地取材，用最小的成本获得最大的效果。

干旱区生态修复的理论探索

生态系统应该是多层次、关系复杂且有序的整体，包含水、土壤、空气、生物等要素，并具有一定的自我调节功能。因此，生态修复应该具备系统性和整体性观念，努力使生态系统各要素相互促进，以提高整个区域的总体生产力及其稳定性；坚持“师法自然”理念，尊重自然规律，充分发挥大自然自身的恢复能力，只在必要的地点进行人工干预。

基于这样的认识和对古尔班通古特沙漠的实地监测，我们从地形、土壤、水分、生物四个方面进行理论分析，针对不同立地条件（影响植被形成与植物生长发育的各种自然环境因子）和破坏程度，努力探索可行性高、操作简便、适宜推广的生态修复模式。

生物结皮在植被修复中的作用

古尔班通古特沙漠中常见的生物结皮是由土壤颗粒与蓝藻（即蓝细菌）、藻类、细菌、真菌、地衣以及苔藓等生物，以不同比例结合形成有机复合体的表层土壤 ^[2]。根据优势种的比例，一般将其分为藻结皮、地衣结皮、苔藓结皮等。

生物结皮中的许多生物通过光合作用固定碳元素，有利于提高土壤肥力；蓝藻和真菌产生多糖，使土壤颗粒相互粘连，从而固定沙砾，具有较强的抗风蚀功能和重要的生态效应 ^[2-4]。随着结皮的发育，结皮和下层土壤中的电导率显著增加；当土壤酸碱度升高（pH>7）时，所有微生物都会增加其阳离子的交换能力，此时大量K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等离子和多种无机物，以多聚糖形式聚集在结皮周围，且大部分金属离子分布在胞外叶鞘上或其内部，为维管植物生长提供更多可利用的营养物质。

土壤表层在结皮后性状发生了改变，有明显凹凸的壳状覆盖，能增强其对种子的捕获能力。对照研究表明，该区的生物结皮大幅增加了土壤中种子的密度，例如在3月时，地衣结皮、苔藓结皮、藻结皮中的土壤种子密度，约为裸露沙地中的土壤种子密度的15倍、3倍、2倍 ^[5]。

此外，结皮中较高的含水量、相对稳定的温度和某些生物活性，非常有利于种子萌发和植物生长 ^[6-7]。研究发现，虽然植物种子在不同结皮上的萌发有不同的温度需求，在苔藓结皮上萌发以较高温度为宜，在藻结皮上萌发则以较低温度更佳，但相对稳定的温度总体上能减轻外界温度变化对种子萌发的影响。

对于受损的荒漠生态系统，可以利用人工培养的蓝藻形成藻结皮；对于草原生态系统，可以通过藻类和苔藓的混合培养物形成藻—藓混生结皮。在人工操作的生态演替过程中，通过生物结皮与优势植物的相互作用，能形成稳定的生态系统。

土壤种子库的修复潜力

土壤种子库通常是指土壤表层凋落物和土壤中存活的种子的总和，也有人把它定义为一定面积土壤中有生活力或发芽力的种子的集合 ^[8-9]。古尔班通古特沙漠的植物一般采取r对策（寿命短，个体小，一般竞争力弱，但出生率高、扩散能力较强的生存策略）来维系种群繁衍和稳定，在自然状态下只有大约1%的种子能正常生长和参与群落更新，其余99%的种子中多数因受不利因素干扰而死亡，少数种子进入土壤休眠，但如果缺乏萌发条件，最终也是死亡。所有在土壤中未萌发但尚有活性的种子组成了当地的土壤种子库。

对于生态修复来说，土壤种子库是宝贵的资源。土壤种子库具有以下优点。

首先，种类丰富，包含短命植物（某些能在一个短暂的湿润季节内完成其生活周期的一年生植物）、灌木、草本等类群，有利于提高物种多样性和生态稳定性。

其次，主要是当地物种，这从进化角度来说更适应当地的气候、土壤、水文等，因而更容易存活，抗逆性强。

尤为重要的是，土壤种子库中含有一些生态演替中的先锋种，它们首先在受损区出现并定居，对于恶劣的生境具有特别高的忍耐力和适应力，且有较高的传播力。

土壤种子库是潜在的植物种群或群落，库中种子的数量、特征和分布格局，揭示了种群和群落动态，也决定了种子库在植被恢复过程中的潜力大小，对生态系统的修复和未来植被的结构至关重要。土壤种子库中的种子能直接参与植被的更新，其种类、数量以及多样性指数，隐含着群落演替趋势的信息，可以用于指导植被的重建 ^[10]。

研究显示，在被干扰的区域，如果土壤种子库受损，自然恢复会非常缓慢 ^[11]。根据相关实践，在植被退化区利用土壤种子库进行生态修复具有较高的可行性。

微地形的水分控制作用

干旱区在生态修复过程中，水资源短缺是瓶颈。研究表明，种子萌发存在一个最小水分阈值，达不到阈值便难以萌发。如果缺水严重，萌发一年后的种苗成活率不到10%。因此，如何利用有限的水资源成为干旱区修复的核心问题。

另一方面，微地形能够控制崩塌、搬运、堆积等一系列地貌过程和地表起伏的形态变换，改变光、热、水分、土壤等生态因子在空间上的分配，从而决定种子的萌发、种苗出土及存活。如果能通过微地形改造增加地表粗糙度，对有限的降水（尤其是降雪）进行重新分配，让径流携带土壤水分、养分在沟谷处汇集，就能调节水分入渗和补给，实现节水免灌修复植被。因此，根据当地的地质条件，通过微地形处理来实现局部地点的水分富集，应该是一种简便易行的思路。

水平沟降水富集示意图如果水平沟的长度与工作区长度一致，则需挖掘的沟深 b=2×x×h/a。

古尔班通古特沙漠自然植被的盖度一般仅5%~15%。若要区域内废弃的矿区都被植被覆盖，修复成本很高；如果缺乏后期人工维护，修复后的植被还会退化。虽然该区自然降水较少，但在冬季有明显降雪，而且风多，若是通过开挖水平沟（集水区）的方式，让强风把降雪集中吹到其中20%或30%的区域上，就能使局部区域的雪量达到自然降雪量的3~5倍。积雪在第二年四五月融化，可以满足多数植物对水分的需要，例如该区一些著名的短命植物就是依靠这种融雪后的水完成物候周期。

生态修复的技术实践

基于古尔班通古特沙漠的立地条件、破坏情况及限制因素，我们从生态系统整体性和生态系统服务功能角度出发，依据区域突出生态问题、主要生态功能定位、保护管理需求等因素，筛选出以下三项关键修复技术。

利用人工生物结皮进行修复

随着放牧、旅游、道路施工、石油开采等人为活动，以及鼠害的发生，古尔班通古特沙漠的生物结皮遭到不同程度的破坏。通过人工生物结皮技术，草原退化的裸地可以快速形成结皮，维持地表稳定性，改善土壤结构，为后续修复创造有利条件，这成为一种适应当地的有效、重要的固沙措施。

人工生物结皮主要是对生物结皮中的优势物种蓝藻和苔藓，进行纯化和人工扩繁，然后转接到退化的地点，并结合围封禁牧措施，使退化的生态系统迅速恢复。目前已从沙漠土壤中分离了具鞘微鞘藻（Microcoleus）、席藻（Phormidium）、颤藻（Oscillatoria）、拟色球藻（Chroococcidiopsis）、地木耳（Nostoc）、伪枝藻（Scytonema）等蓝藻。研究结果显示，接种这些蓝藻明显加速了生物结皮的发育和植物群落的演替，提高了土壤肥力。在野外，将人工结皮与增粘剂、保水剂等固土化学品进行联合施用，可在12个月内快速形成蓝藻结皮。

苔藓是人工生物结皮修复中另一个常用生物类群，一般通过碎片扩繁方式，获取接种材料。苔藓在降水相对集中或容易获取水源的地点繁殖速度快，容易形成结皮。人工苔藓结皮修复实践，已在古尔班通古特沙漠、毛乌素沙地、黄土区等地得到验证。

在古尔班通古特沙漠南缘丘间低地，于2011年开展了人工生物结皮与无结皮沙地的荒漠草本群落结构对比试验。结果显示，人工生物结皮样地内的植物密度、地上生物量和盖度分别是无结皮沙地样地的2.66倍、3.82倍和2.34倍，群落结构上主要表现为尖喙牻牛儿苗（Erodium oxyrrhynchum）、条叶庭荠（Alyssum linifolium）、琉苞菊（Hyalea pulchella）等短命植物增多。

人工构建的生物结皮只需在前期施加少量水，待其成活后便无需在后期进行管理和浇水，成本很低。据测算，人工生物结皮修复成本平均为3035元/公顷，分别约为国外和国内传统同类修复模式成本的1/24和1/5。如果生物结皮技术能利用积雪，修复成本会更低。

利用土壤种子快速收集与野外激活技术提高生物多样性

古尔班通古特沙漠作为新疆北部畜牧业发展重要的冬牧场，放牧压力大，土壤经常遭受踩踏，并伴随着腹地石油开采、周边过度垦荒等人类干扰，土壤种子库受损严重，甚至随着土壤彻底破坏而消失。有效补充并激活在土壤中“沉睡”的种源是生态修复的关键之一。对于这类表层土壤和植被破坏严重，而且面积大、周边植物种子难以飘落或因环境恶劣难以存活的受损区，在传统的生态修复过程中，种子收集和补充一般是手工操作，效率低、发芽少，资源浪费严重，而且效果不理想。

经过长期探索，我们开发出土壤种子快速收集与野外激活技术，为干旱区植被修复和生物多样性保护提供指导。这一技术以促进土壤种子库中种子萌发、提高生长能力为目的，由天然种子收集、着生基质与种子调配、撒播、种子萌发促进，以及幼苗保护等系列操作构成。

其中一个关键步骤是，在种子成熟期进行收集，播撒在受损区，用于补充其土壤种子库。考虑到水分是古尔班通古特沙漠中种子萌发的主要限制因素，我们在种子收集、激活和下种过程中，创造出局部水分、种子、土壤养分富集的条件。通过科学方法保存种子活力、异地下种撒播、刺激萌发等过程，完成土壤种子从原生环境到受损区之间的顺利搬迁和传播，实现高效生态修复。

土壤种子快速收集与野外激活技术具有如下优点。

首先，充分利用当地丰富的土壤种子资源，快速适应受损区的立地条件，物种的适应能力强，使植被的更新和演替得到有效保证，从而实现近自然修复，确保物种的遗传多样性。

其次，可满足大规模种源收集、播撒和激活的需要，结合精准、合理的水、肥、土、种配比，发挥了科技在生态修复工程中的支撑作用，明显提高受损区修复的效率和水平。

再次，由于该技术的核心是补充当地原有物种，后期基本不需要管护，成本低。据测算，这样的修复成本约在18000元/公顷，为国外传统同类修复方式成本的1/4。

以古尔班通古特沙漠北缘的阿尔泰山两河源自然保护区修复为例，该保护区曾因采矿活动占用了大量土地并扰动地表，造成表层土壤剥离、深层土壤流失和土壤肥力降低，土壤结构被彻底颠覆，引起沟壑和陡坡区域分散或成片塌落，导致植物无法维持正常生长，大片土地变得荒宪。

2010年开启生态修复工程，除进行必要的地质环境修复，主要采用土壤种子快速收集与野外激活技术。实施一年后，修复区的群落结构逐渐趋向平衡，生态系统进入良性、高效循环，自我调节功能被激活。同时，地质灾害发生频率明显降低，沙尘天气减少，提升了周边人居环境，有助于城镇经济的可持续发展。

其中，修复区的植被修复效果显著，多年生草本植物大面积定居，主要有异燕麦（Helictorichon schellianum）、野火球（Trifolium lupinaster）、早熟禾（Poa annua）等。比起修复前，2018年时修复区植被的盖度提高了10~60倍，群落相似性为20%~60%，物种数增加了40~80倍，物种多样性指数提高了30~60倍。

土壤种子快速收集与野外激活技术实施前后的效果对比：

利用微地形改造实现节水免灌

古尔班通古特沙漠气候干旱，降雨量小，蒸发量大，而且水资源时空分配不均，难以满足植物生长的要求，植物生产力低。此外，许多受损区的地形地貌和土壤结构被破坏，保水保肥能力差，植物长势较差，植被盖度低。

经过多年实践，一系列通过微地形改造干旱区、实现局部水分富集的技术已经开发出来，较常见的有鱼鳞坑集水技术和水平沟集水技术 ^[10]。其中，水平沟集水技术措施一经推出，就在准噶尔盆地周边（含阿尔泰山）得到大规模应用，显示了极好的修复效果。

微地形改造是在地质修复的基础上，人为创造植物生长的有利条件，也就是通过人为措施增加降雨、融雪径流，进而收集和利用水的过程。

此类技术有两个核心目标：一是控制径流的非目的性输出，二是高效利用汇聚的水资源。

其技术路线是：通过增加受损区地表粗糙度，优化径流区域，缩短径流长度，减缓流速，增加水分在地表的滞留时间，促进水分垂直下渗，达到蓄水保湿、优化植物生长环境和增加生产力的目的。微地形改造项目包含土方工程和生态修复工程两部分，成本合计约30000元/公顷，仅为国外传统同类修复成本的1/2左右。

新疆卡拉麦里山有蹄类野生动物自然保护区（简称卡山保护区，位于古尔班通古特沙漠东北缘）是微地形改造技术应用于生态修复的典型案例。该保护区虽降水极少，却是野生动植物的天然基因库，具有重要的干旱区生物基因保护价值、生态价值和科研价值。

然而，十多年来，大规模的开矿、盗矿使得保护区遭受的生态破坏日趋严重，野生动物适宜生境大幅减少。中国科学院新疆生态与地理研究所在2018年通过调查发现，该保护区内有各种矿点200多个，受损区总面积超过5000亩（约333.33公顷）。

矿山开采的主要危害是：大面积剥离表土，破坏了山体和地表植被，导致水土流失，减少了野生动植物的生境，严重降低了生物多样性；开挖坡脚、切削边坡，造成山体失衡和地质灾害频发；大量固体废弃物在山坡上堆积或随意填埋，阻碍了野生动物迁徙通道，同时具有潜在的环境毒性；消耗了宝贵的水源，使得植物生长和动物饮水困难。

在该保护区受损区进行生态修复，最大的困难是严重缺水。如果进行人工补水，成本过高，水源也是问题。采用水平沟集水技术后，在风的作用下，降雪和地表的种子被吹进沟里，不仅起到保湿的作用，使沟边的土壤水分含量增加了5~7倍，还实现种子的富集，有利于自然植被的恢复。

例如，该保护区某处受损区以前是废弃矿区，修复前几乎寸草不生。利用微地形改造进行修复后，该区出现了十几种植物，包括梭梭（Haloxylon ammodendron）、针茅（Stipa capillata）、沙葱（Allium mongolicum）等。与周边未受破坏、面积相近的区域相比，受损区修复后的植被盖度和植物多样性指数都有明显提高。

生态修复的原则与效益

对于生态修复，国内外已有一些先进理念和成熟技术，但往往需要适合特定地点的气候、地形、生态系统等自然条件，或用于修复的社会资源相对充分。而新疆干旱区的生态修复难以照搬：一是气候、水土、植被差异明显；二是受损区面积大，大面积照搬的修复成本高昂。

古尔班通古特沙漠生态修复的技术模式是，遵循“自然恢复为主，人工促进为辅”原则，在充分借鉴和吸收国内外相关理论和经验的基础上，通过大量的实地调查，研发因地制宜、易操作、效益显著、成本低廉、能大面积实施的修复技术。因此，修复方案的设计及修复材料的获取，都结合了当地实际情况，尽可能就地取材，用最小的成本获得最大的修复效果。

以生物结皮技术、土壤种子快速收集与野外激活技术、微地形改造技术为主的生态修复模式，已经在新疆多地的干旱区进行广泛应用，受损区实现了生态系统的动态平衡和良性、高效循环，恢复了大自然的自我调节功能，取得显著的生态效益。同时，相关探索改变了干旱区生态修复理论缺乏、技术滞后的状况，对于促进经济—社会—生态协调发展具有重要示范作用，将会产生良好的社会效益和经济效益。

（致谢：感谢中国科学院新疆生态与地理研究所张元明团队提供部分研究成果，以及对本文相关研究提供指导和支持。除有署名外，文中图片均为苑塏烨拍摄。）