《綠洲防風固沙體系研究——塔克拉瑪干沙漠邊緣固阻結合流沙治理》詳細介紹了極端干旱區植物材料選育、植被優化配置、水資源合理利用、防護體系結構模式等內容，重點闡述了抗旱和耐鹽堿固沙植物材料選育、水資源高效率利用與植被優化配置、活化沙地植被重建、固阻結合流沙固定、綠洲多層次整體防護體系配置中的關鍵技術點。《綠洲防風固沙體系研究——塔克拉瑪干沙漠邊緣固阻結合流沙治理》提供了干旱區綠洲邊緣生態保護和合理開發的模式，為遏制區域生態環境退化、構建生態屏障、確保生態安全提供科學依據和技術支撐。同時，《綠洲防風固沙體系研究——塔克拉瑪干沙漠邊緣固阻結合流沙治理》對促進干旱沙區農牧民致富和區域絲綢之路經濟帶發展具有重要意義。
目錄
第一章緒論1
第一節國內外研究現狀1
一、荒漠化土地治理及活化沙丘固定研究1
二、鹽堿地造林及微咸水高效利用研究3
三、抗逆性植物材料篩選及運用技術研究4
四、綠洲防護林景觀格局及防護效應研究5
五、防護林構建理論與模式研究7
六、防護林體系生態安全評價及信息管理研究8
第二節背景和意義10
一、研究背景10
二、科學意義11
第三節研究區概況12
一、地理位置12
二、地質地貌13
三、氣象特征13
四、水文特征16
五、植被、土壤特征18
六、區域環境形成和變化背景19
參考文獻20
第二章優良沙生植物材料篩選22
引言22
第一節主要固沙樹種對干旱脅迫的生理生態響應22
一、水分生理特征22
二、光合生理特性24
三、穩定碳同位素31
四、葉綠素含量33
五、抗旱能力綜合評價33
第二節主要固沙植物對鹽脅迫的生理生態響應34
一、盆栽控制條件下不同幼樹對鹽脅迫的響應35
二、水培控制條件下幾種檉柳插穗的耐鹽性比較46
三、滴灌控制條件下幾種楊樹幼苗的耐鹽性比較47
四、天然混合群落中兩種植物耐鹽性比較56
小結59
參考文獻61
第三章植被優化配置及水資源合理利用研究62
引言62
第一節微咸水灌溉土壤水鹽運移規律62
一、微咸水滴灌條件下土壤水鹽運移規律63
二、人工模擬降雨條件下土壤水鹽運移規律67
第二節主要造林樹種對微咸水灌溉的光合生理響應69
一、凈光合速率（Pn）-有效光輻射（PAR）響應特征69
二、蒸騰速率（Tr）-有效光輻射（PAR）響應特征72
三、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）對有效光輻射（PAR）的響應特征74
四、水分利用效率（WUE）-有效光輻射（PAR）響應特征75
第三節主要造林樹種的微咸水灌溉制度76
一、不同咸水灌溉量下試驗植物主要形態指標月變化規律76
二、不同咸水灌溉量下試驗植物主要形態指標年變化規律79
第四節主要造林樹種的節水灌溉制度82
一、土壤水分條件對主要造林樹種光合作用的影響82
二、主要造林樹種適宜土壤水分條件85
小結86
參考文獻87
第四章流沙固定綜合治理技術88
引言88
第一節生物治沙技術88
一、牧草對鹽漬土的適應性和改良效果88
二、灌木在沙丘治理中的生長適應性特征91
三、典型治沙樹種的綜合種植技術92
第二節生物新材料運用技術100
一、保水劑對主要生態樹種造林效果的影響100
二、保水劑對不同土壤理化性質的影響102
第三節工程治沙技術105
一、不同類型固沙方格的固沙效果比較研究105
二、點陣式帶狀蘆葦沙障研制105
三、工程措施對土壤特性的影響105
第四節綠洲邊緣天然植被恢復技術108
一、綠洲邊緣及荒漠過渡帶植被群落結構、分布特征108
二、綠洲邊緣及荒漠過渡帶天然植被分布與地下水的關系110
三、荒漠過渡帶潛在植被發育特征111
四、綠洲邊緣表土含水量與地下水埋深關系分析112
小結113
參考文獻114
第五章綠洲生態系統景觀格局動態115
引言115
第一節和田綠洲生態系統景觀格局變化趨勢115
一、和田綠洲1990~2009年景觀格局變化特征115
二、和田綠洲1998~2009年景觀格局變化特征116
第二節墨玉綠洲生態系統景觀格局變化趨勢117
一、墨玉綠洲遙感影像分類117
二、墨玉綠洲景觀指數特征117
第三節人工防護林研究區景觀格局變化趨勢118
一、1990~2000年景觀格局變化特征119
二、2010~2011年景觀格局變化特征122
小結124
參考文獻125
第六章綠洲多層次整體防護林結構與功能研究126
引言126
第一節多層次防護林空間結構研究126
一、防護林不同樹種的立體配置模式126
二、不同配置模式防護林林分結構特征分析128
三、不同配置模式樹種存活情況分析129
四、不同配置樹種生長特性分析130
五、不同配置模式防護林土壤特性差異比較132
六、主要結論138
第二節多層次防護林水土要素時空變化特征138
一、水分要素時空變化特征139
二、土壤理化性質時空變化特征139
三、土壤養分時空變化特征141
四、土壤鹽分時空分布特征142
五、土壤微生物空間分布特征143
六、土壤碳儲量時空分布特征143
七、主要結論144
第三節多層次防護林的生態效應評價145
一、防風固沙效應145
二、水熱效應146
三、土壤效應147
四、生物多樣性效應149
五、碳儲效應149
六、社會經濟效益150
七、能值分析150
八、生態功能服務價值152
九、主要結論156
參考文獻157
第七章綠洲防護林體系生態安全評價與信息管理158
引言158
第一節防護林體系生態安全評價原則和方法158
一、生態安全評價指標體系的構建158
二、防護林體系生態安全評價方法162
三、防護林生態安全評價指標的特征與分析164
四、統計結果處理與評價標準制定171
五、評價結果分析172
第二節防護林生態安全信息管理系統174
一、生態安全評價信息管理系統的設計174
二、系統開發語言工具與數據庫175
三、程序界面設計176
四、系統界面模塊與功能實現176
小結180
參考文獻180
附錄182
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第一章緒論
第一節國內外研究現狀
一、荒漠化土地治理及活化沙丘固定研究
荒漠化問題的提出可追溯于20世紀30年代美國大平原地區的“黑風暴”事件，而再一次引起全球關注的是20世紀60年代非洲撒哈拉地區的“大饑荒”事件。針對土地荒漠化及其防治，國際組織和各國政府出臺了相關的公約及政策，科技人員為此也開展了大量的試驗研究。特別是1992年世界環境與發展大會以后，聯合國環境規劃署（UNEP）、聯合國開發計劃署（UNDP）等國際環境組織都把干旱區水文資源與荒漠化等環境問題列入國際合作的重點研究對象，并相繼出臺了一系列重大國際行動計劃，這些計劃注重從整體性、系統性、大尺度的研究思路進行多學科有機結合，并且顯示出了對環境問題從資料觀察積累、系統化、定量化分析到利用現代高科技手段進行研究和整治的強勁態勢。
世界范圍內生態環境保護和荒漠化的防治在基礎理論和工程技術方面，各國有所不同。美國和澳大利亞以法律的形式保護天然林植被不被破壞。前蘇聯、印度和埃及等國，先后在陸地和沿海地區建立沙漠、沙地綜合試驗站，多專業、全方位開展荒漠化整治的綜合研究。以色列的荒漠農業是人類探索極端環境條件下融生態保護與經濟發展為一體的一個成功范例，早在30年前，以色列第一任總理就提出內蓋夫（Negev）沙漠是以色列最具發展潛力的地區，政府通過制定積極的土地及財政金融政策，資助開展高效利用荒漠生態資源的相關研究與產業化示范，在節水灌溉技術與設備、咸水灌溉技術、管道施肥與無土栽培技術、抗旱耐鹽種質資源的創新、高效利用光能和風能資源的技術與設備、荒漠藥用資源的開發利用、微藻的人工養殖，以及荒漠區設施農業、畜牧業、林果業技術開發與產業化等方面都取得重大突破促生了一大批獨具特色的荒漠生態產業基地。
近年來，國外在荒漠化方面的研究主要集中在形成原因、影響范圍、發展趨勢、風險評價、防治對策等。荒漠化防治基本思路是“模式—保護—恢復—管理”�？傮w上，國外的防沙治沙技術仍以傳統的方法為主。其中，阿爾及利亞采用就地利用地下水的有利條件栽種棗椰并結合建立沙障形成的防護體系有效地保護了被流沙包圍的綠洲；土庫曼斯坦不僅建立了植物固沙、機械固沙和化學固沙相結合的工程防護體系，并對固沙植物穩定性進行了系統研究；伊朗除了采用沙障和生物固沙之外，還結合國情采用了石油產品覆蓋固沙技術治理沙漠，不僅使地表免遭風蝕，而且保持了土壤水分，有利于受精卵著床、種子萌發、植物生長；日本在海岸沙丘治理和利用方面極為重視，并分步實施了機械沙障固沙、植物固沙和沙地利用等；以色列創造了節水灌溉技術和高效荒漠農業開發技術，在沙漠改造利用方面成效顯著。自1969年美國農業部北部研究中心（NRRC）首先研制出保水劑以來，日本、法國、韓國也相繼開發出不同類型的保水劑材料，保水材料對荒漠化防治具有重要的促進作用；近年，美國、墨西哥、埃及等國科學家對荒漠地區植物抗逆性等方面的研究有助于防沙治沙植物材料篩選。可檢索到的國際相關專利有9項，絕大部分為化學固沙方法和固沙材料。
我國在干旱區生態建設和荒漠化防治方面取得卓越成效，擁有一大批成功經驗和實用技術，在國際上處于領先地位。早在20世紀50~60年代，我國就組織開展有關沙漠地區綜合考察，建立了多個沙漠治理站點，并通過長期試驗研究，形成了適合當地自然條件的沙害防治模式和技術體系。1978年，我國組織實施“三北”防護林體系工程建設，目前“三北”防護林體系工程建設進入第四階段，被譽為“世界生態工程之最”，經過多年的科技研究，獲得了一大批實用技術與模式，并在北方8個省份建成各具特色的試驗示范區18個，完成試驗示范任務2.12萬多公頃，推廣面積46.7萬多公頃；獲得新產品20項，新技術、新工藝112項，新材料54種，研制成功設備1套，獲國家專利26項。在工程實施過程中，科技人員圍繞防風固沙植物種選育、防護林體系結構、造林技術、灌溉技術、土壤改良技術等方面開展長期的試驗研究。
新疆針對綠洲邊緣沙害防治和沙漠地區工程沙害防治開展了大量試驗研究工作。結合國家攻關項目“荒漠化形成機制研究和荒漠化土地恢復與開發利用研究”、“脆弱生態環境的恢復與重建技術研究”、“策勒縣流沙治理試驗研究”、“和田地區土地荒漠化治理研究與示范”、“荒漠梭梭林更新復壯技術”、“南疆荒漠老綠洲生態經濟型防護林體系建設模式的研究”、“重鹽堿地和風蝕地大面積恢復檉柳試驗推廣”等的研究與示范，對沙區造林與水分平衡的關系、固沙植物種類的選擇與配置、生態經濟型防護林建設及防沙治沙新技術新材料等方面進行了深入探討，總結提出了一系列綜合防治土地荒漠化的技術與理論，初步探索出了適合中國國情的荒漠環境綜合治理新思路，積累了大量的第一手試驗研究資料，科研成果獲得“全球土地退化荒漠化控制成功業績獎”，受到國內外廣泛關注。
目前國內外在防沙治沙和生態建設的技術發展趨勢主要表現在以下幾個方面：一是傳統技術的推廣應用。結合本國國情和當地自然條件，總結和開發出了一系列操作便利、造價低廉、效果顯著的防沙治沙和生態環境建設技術，如綜合防護體系建設技術、引洪灌溉恢復植被技術、防風固沙林營造技術、引洪沖沙淤地技術、切斷沙源環丘造林技術、秋灌造林技術、集水造林技術、利用濕沙層固沙造林技術、封沙育林育草技術、物理（阻、固、輸、導）防沙治沙技術等。二是高新技術的開發與應用。大量先進的保水節水材料陸續上市，荒漠植物基因克隆和轉化的生物工程技術研究也有所突破，以這些高新技術為支撐，通過改土、節水、育種相結合的方法從而改善干旱區生態環境，這是未來防沙治沙和生態建設技術發展的主要方向。三是生態產業發展技術開發。沙漠地區特有資源豐富，開發潛力大，具有良好的產業發展前景，因此結合防沙治沙和生態環境建設，開發和推廣應用發展生態產業技術既可提高經濟效益又可兼顧生態效益，是干旱區生態建設的持續途徑，如生態果園、景觀生態林建設，以及沙漠地區特有生物資源開發技術和經濟型防護林體系建設技術等。
二、鹽堿地造林及微咸水高效利用研究
國外早在20世紀初就開展了鹽堿土地的分布、形成過程、類型及發生規律等方面的研究，初期主要集中在成因和鹽分積累過程，后期主要關注土壤中水鹽運移規律及植物與鹽分的相互影響和適應，以及對鹽堿土地的改良、防治和對生態環境的影響等。
灌溉水資源的短缺已成為干旱半干旱地區農業持續發展的一個重要限制因素，開發各種水資源特別是劣質水用于灌溉越來越受到重視。國內外利用（微）咸水灌溉已有100多年的歷史，就（微）咸水水質、適宜灌溉土質和作物管理、田間管理等方面進行了大量的實踐。以色列學者圍繞沙地咸水灌溉條件下的作物和果樹產量與質量等方面開展了較多的試驗，其中利用咸水滴灌在內蓋夫沙漠種植土豆、香瓜、葡萄等取得了較好的效果，同時對比分析了不同處理方法和礦化度水灌溉的效率，完善了相關模型，主要是通過稀釋方法，將礦化度為1.2~5.6g？L–1的地下水用于農田灌溉，采用的灌溉方式主要是噴灌和滴灌；美國在加利福尼亞州開展了不同礦化度咸水灌溉條件下的豇豆適應性試驗，灌溉水的礦化度為2.5~4.8g？L–1，鹽分脅迫主要表現在豇豆種植的早期。另外，還開展了利用微過濾膜淡化農業廢棄咸水的研究，經處理的水達到了生活飲用標準，但其方法成本明顯高于常規處理方法。伊朗也在干旱區開展了利用淺層咸水種植植物試驗，并對植物根系分布與地下水埋深、蒸發潛力之間的關系進行了分析。日本學者在西澳大利亞開展了干旱區和沙漠地區利用太陽能進行土壤脫鹽造林試驗。印度、黎巴嫩等也開展了干旱區咸水利用相關試驗研究。此外，國外學者在咸水滴灌條件下的水鹽運移和水鹽脅迫環境下的植物抗逆性方面做了較多的研究，建立了滴灌點源溶質的等效半球模型，確定了滴灌點源附近、飽和區域附近，以及不考慮根系吸附情況下的溶質分布，提出了滲透調節作用可能是使植物能夠忍耐脫水的最重要的生理機制之一等結論。
20世紀70年代前后，我國進行了利用咸水灌溉的研究與實踐，寧夏、甘肅、內蒙古、陜西、河南、河北、山東、新疆和遼寧等省區都有利用微咸水和咸水灌溉的試驗和生產實踐。各地的咸水灌溉試驗證明了咸水可以用來進行農田灌溉，并且只要合理利用咸水灌溉均可達到比旱作增產的目的，但采用什么樣的灌溉方式、灌溉制度才能獲得更理想的效果仍然需要結合地區的土壤、氣候及作物的種類和種植結構等因素進行研究。近年來，國內許多專家學者也對咸淡混灌、咸淡輪灌及污水灌溉和海水灌溉等方面進行了研究，但主要集中在農業灌溉，對荒漠咸水灌溉研究較少，隨著20世紀90年代塔里木沙漠公路的修建，荒漠咸水灌溉研究逐漸增多，并取得了一些成果。何興東等的試驗表明塔里木沙漠公路沿線丘間地的高礦化度地下水埋深太淺（0.8~1.0m）是導致固沙植物死亡的主要原因，在塔克拉瑪干沙漠北緣進行的咸水灌溉造林試驗發現梭梭、頭狀沙拐棗、鹽穗木和沙棗的成活率均隨灌溉水礦化度增加而下降，并且流動風沙土中植物的成活率和生長量總體高于荒漠林土，而根系生長在不同樣地間則遵循限制因子定律，認為在沙丘和平沙地上應選用沙拐棗和梭梭，如種植檉柳則需采取適當的土壤保水措施等。
三、抗逆性植物材料篩選及運用技術研究
研究植物抗旱性的方法主要有兩大類：第一，從植物形態結構的角度出發，研究其與植物形態構造和抗旱性之間的關系，包括對葉片的解剖結構的研究和對生物量的觀測，主要又以葉片解剖結構的研究為主。第二，以植物的生理生化指標為切入點，闡明其對植物抗旱性的指示作用，這些指標主要包括：水分生理指標、光合特性、酶活性及原生質特性、滲透調節、內源激素等，近幾年國內外有許多學者利用穩定碳同位素方法測量植物的長期水分利用效率，比較植物的抗旱性。
植物抗旱性研究發展趨勢是研究植物的抗旱生理機制、葉片結構參數和生理生化指標的變化，對于找出簡易的抗旱性鑒定指標，培育和篩選抗旱強的樹種意義重大。到目前為止，研究者從群體、個體、器官等角度出發，分別對植物的生態學、解剖學、形態學、生理學的抗旱表現進行了深入的研究，提出了各種抗旱性鑒定指標，為認識植物抗旱性進行了有益的探討。不同植物適應干旱的方式是多種多樣的，一些植物具有幾種機制共同起作用的抗旱性。目前來講，測定植物的光合作用在試驗中應用較為廣泛，然而由于光合儀測得的水分利用效率只代表某一特定時間內植物部分葉片的行為，而且它隨時間、生長季節和外界環境條件的變化而改變，因此如何采用一個較簡單可行的指標來評估植物生長過程中的長期水分利用效率是我們當前面臨的一個關鍵技術問題。近年來已普遍將葉片δ13C作為植物長期水分利用效率的可靠指標。它的一個優勢就是可以通過分析長期積累于葉片中的碳代謝產物來評估葉片或植株生長過程中總的水分利用效率特性，并且此種測定不受時間和季節的限制。樣品采集烘干后，可以于空閑的時間進行測定。毫無疑問，今后工作的重點應從多層次上更加系統地闡明植物抗旱性的物質基礎及其生理功能，應把δ13C作為植物反映長期水分利用效率的可靠指標應用到植物學的許多方面。
鹽脅迫對于植物生理的影響極為廣泛，幾乎涉及所有的代謝途徑。例如，光合作用、呼吸作用、蛋白質合成和分解、物質和能量及油脂代謝等，目前普遍認為主要表現在滲透脅迫、離子脅迫及氧化脅迫方面，而植物也已對鹽脅迫形成了各種適應方式。植物的抗鹽性狀是一個由多種基因控制的數量性狀，這也決定了抗鹽機制的復雜性。過去，雖然已經在很多方面研究得相當深入，但還是不能解釋植物耐鹽的實質，目前沒有一個統一的機制能夠解釋所有植物對鹽的適應性，所以仍然需要從事基礎研究，只有徹底探明鹽脅迫機制，以及植物的抗鹽機制才能找到避免鹽害的有效措施，才能提高植物的抗鹽性，培育出耐鹽植物。
目前國內對植物耐鹽性評價指標的研究主要集中在形態、生理和生態3個方面，形態指標上植物遭受土壤鹽脅迫首先表現在根的生長受抑制，耐鹽性低的植物表現為新根的數量明顯減少，此后才表現在新梢和葉的生長上；指示植物耐鹽性的生理指標有多個，目前研究主要集中在Na+、K+、K+/Na+、游離脯氨酸含量、SOD活性等，生態指標主要是δ13C值，普遍
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