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西北农林科大程积民:40年坚守,黄土地披绿装

    时间:2017-09-01 13:45:23     点击次数:0

上世纪70年代退化草地

草地自然恢复景观

 

退化草地自然调控恢复试验区

 

2009年中美草地火烧试验研究

 

土壤样品保存库

 

考察甘青针茅群落

指导企业和农户养殖


大风起兮沙飞扬,电影《黄土地》中的场景让人印象深刻,而人们也理所当然地认为黄土高原就是这样的。但经过科学家40年的“雕饰”,如今的黄土高原披上了绿装。

从上世纪70年代末,他及其团队历经40年连续定位试验与阶段性专题系统研究,形成具有鲜明特色的退化草地恢复利用两大理论与三大关键技术体系。

值得一提的是,他用40年的坚守回答了国家退耕还林还草与封山禁牧工程实施以来出现的黄土高原林草地建设如何分区、退化草地如何恢复、恢复草地如何利用等关键理论与技术难题。

截至目前,相关研究成果在宁夏、陕西、甘肃、山西和内蒙古等省(区)示范推广面积达150万公顷,规模化放牧与舍饲结合养殖技术应用推广已达到23万户,新增经济效益50.6亿元。

这位科学家就是西北农林科技大学水土保持研究所教授程积民。在他看来,黄土高原的发展充分体现了习近平总书记提出的“我们既要绿水青山,也要金山银山。宁要绿水青山,不要金山银山,而且绿水青山就是金山银山”的生态保护与经济发展理念。


提出植被调控建设区域方案


当前,植被退化已经是全球性问题,世界上43%的陆地生态系统已发生植被退化。我国拥有各类草地约60亿亩,占国土面积42%,退化和功能失调问题日益突出,尤其是干旱缺水和水土流失等环境问题是制约植被恢复与可持续发展的主要因素。


众所周知,黄土高原是中华民族重要发祥地,但经人类长期的掠夺式利用,已成为我国生态环境最为脆弱、经济发展滞后的主要区域之一。


程积民表示,鉴于黄土高原独特的地貌类型和气候多变形成的脆弱生态环境,植被恢复既不能照搬他地经验,更不能违背自然规律,使草地恢复建设一直未有突破性进展。


为此,程积民团队以退化草地如何恢复、恢复草地如何利用为目标,综合考虑气候环境与植被分布地带性规律,基于植被自然恢复及少量人工干预的恢复途径,从植物个体—种群—群落—生态系统—区域景观不同层次,将草地保护和恢复与坡面水分调控及生产力稳定提高,草地资源合理利用与生境保护融为一体进行综合、系统、创新性研究。


首先要研究确定黄土高原植被调控建设的区域方案。在20世纪70年代末黄土高原7省区230余县64万公顷大规模植被资源综合考察的基础上,程积民等专家最先提出黄土高原植被分区建设调控方案。


具体方案分为黄土高原中南部、中部和稍偏北部以及北部。如在黄土高原中南部,降水量500毫米以上的森林草原地带,占总面积的11.5%,以发展人工乔木林为主,建立类似于天然植被的林草混交类型、乔灌草复层混交林结构模式,形成沟谷以乔灌混交为主,梁峁坡以灌草立体配置为主的结构模式。


而在黄土高原中部和稍偏北部降水量300~500毫米的大面积典型草原地带,占总面积的59.5%,是该区治理的重点区域,退化草地以自然恢复为主,形成灌草配置结构模式,在沟谷和台、塬、川道水分条件较好的微地域适度发展经济林果,配置稀疏乔灌草结构模式。


此外,在黄土高原北部降水量300毫米以下的荒漠草原地带,占总面积的29.0%,建造以耐旱沙生植物为主的灌草结构模式和防风固沙林体系。提出的黄土高原6个一级区、19个二级区的植被调控建设方案,在7省区110个县的生态环境建设与农牧业规划中得到广泛应用。


“经陕西、宁夏、甘肃和内蒙古等地30多年的生产实践验证,获得了较大生态、经济和社会效益。”程积民告诉《中国科学报》记者。


在区域规划明确重点的基础上,20世纪80年代初,程积民等专家率先在黄土高原宁夏固原云雾山建立了以本氏针茅为优势群落的典型草原自然保护区,就是如今的云雾山国家级草原自然保护区。


植被原覆盖度30%的上与下


接下来,就是根据黄土高原半干旱地区退化草地不同覆盖度创建植被恢复和重建理论原理,程积民以草地植被原覆盖度30%为指标进行研究。


“对草地植被原覆盖度30%以上采用自然修复技术,严格控制以放牧为主的一切人为的地面活动,让原有地面天然植被自然休养生息、繁殖更新、自我调控。”程积民说。


程积民团队研究发现,草地自然修复时序演替过程分为五个阶段,当自然修复达到26年以上,本氏针茅生长与繁殖更新受草地枯草层的抑制,数量急剧下降,大针茅种群数量巨增,占群落总数的35.5%,具有替代本氏针茅的趋势。


与此同时,封禁草地随着水分条件的改善,物种组成以禾本科和菊科为主,陆续出现大量灌木种群及灭绝多年的野生动物和鸟类。


在程积民看来,草地自然修复可显著提高土壤细菌群落多样性和丰富度,土壤细菌多样性随封禁时间呈驼峰型曲线,最高峰出现在封禁的第15年,而长期封禁恢复草地对土壤真核生物多样性和丰富度有不利影响。


由此,程积民在国内首次提出封禁恢复草地适宜管理的“三位一体时间阈值法”,即根据“植物—土壤—微生物”恢复质量,综合确定草地最适管理利用时间,改变以往仅注重植被恢复而忽视土壤恢复的理念。


而对于草地植被原覆盖度30%以下的干旱阳坡地面裸露严重、生态环境极度脆弱区,程积民认为采用灌草稀疏配置恢复建造技术体系。又通过反复试验与实践,他提出天然植被以自然修复为主、人工植被以“先封后建、先草后灌”的干旱阳坡灌草稀疏配置技术模式。


程积民进一步解释到,对原植被结合封禁措施,根据不同坡度采用水平阶、水平沟或鱼鳞坑等工程整地方法,集蓄地表径流,适度培植灌木,灌(柠条)草(天然草地)配置以3∶7为宜。据悉,相关成果在宁夏、陕西、甘肃等地推广应用面积150万亩以上。


研究表明,柠条灌木林土壤细菌群落多样性最高,其他依次为封禁草地、人工苜蓿地、放牧草地。“在人工灌木林建设中,柠条灌木是最佳的选择物种。”程积民总结道。


此外,基于细菌群落多样性和区系组成,程积民团队提出了封禁措施是提高半干旱地区退化草地和弃耕地土壤细菌多样性最有效的方法。


构建刈割与放牧管理技术体系


事实上,长期封山禁牧,枯草层增厚直接抑制草地自然更新,减少草地物种多样性,降低牧草质量,程积民认为合理放牧和适度刈割可保持草地稳定生产力及遗传多样性。


程积民团队在揭示恢复草地合理刈割与放牧利用的演替规律的基础上,结合区域畜牧业发展与恢复草地利用矛盾突出的问题,进一步规范化管理恢复草地,提出了恢复草地适度利用的时间阈值和全面管理的调控技术。


程积民介绍,在典型草原地带轻度退化草地封禁5~8年、重度退化草地封禁10~15年后,均可合理刈割或放牧利用,适宜刈割频度为每两年一次,刈割时间为9月份。


当草地植被覆盖度在70%以上时可进行放牧,放牧强度和频度为3只羊单位/公顷,每年夏秋季节放牧,通过合理利用调节了草地与牧草生长发育及草地生态系统服务功能之间的后补效应,实现了生态与生产双赢。


此外,结合生态文明建设和农村土地结构调整,大面积边远及退耕坡地和盐碱滩地,不宜农作物种植,但具有发展人工草地的优势。该团队开展了以苜蓿、冬牧70、燕麦和玉米为主的人工草地和饲料基地建设,推行“政府+科技+企业+农户”的运作模式。


在人工草地建设上,程积民介绍,在国内率先实施两大关键技术,即改春播为秋播、改条播为撒播,同时提出五种粮草轮作种植模式,并首次提出退耕地苜蓿刈割后茬保膘型放牧利用关键技术。


目前,程积民团队已在宁夏南部、陕西黄河盐碱滩地等开展了以苜蓿为主集中连片大面积生产种植。从品种选择、整地种植、田间管理、刈割晾晒、打捆运输、储存销售等环节已经全面实现机械化作业,并形成了一整套人工草地优质高产栽培技术体系,“可为宁夏、陕西乃至我国西部大面积退耕坡地和盐碱地的全面治理提供成熟的技术体系。”程积民告诉记者。


通过多年天然草地恢复和人工草地建设利用定位试验研究,程积民还率先提出半干旱区畜牧业发展应走“放牧与舍饲”相结合的道路,在合理利用封禁恢复草地和人工草地、充分开发作物秸秆及农副产品剩余物的基础上,实施5:2:2:1的饲草科学配置养殖模式。


在舍饲养殖中,程积民首次饲用从优质牧草菊苣中研发出的绿色添加剂,改变了过去饲养管理粗放,经营方式落后的小规模及封闭式经营的养殖业,使养殖出栏的胴体羊饲养周期短、饲料消耗少、市场竞争力强。


据介绍,在50个乡村23万户示范推广,户均养殖规模20只羊、5头牛,每年出栏率维持在10~15只羊单位,户均养殖收入占总收入的48%以上。


“从理论和实践上系统解决了国家及地方封山禁牧后舍饲养殖中存在的羊只疾病多、肉质差和出栏率低以及长期封禁不利于草地自然更新和持续发展等关键技术问题。”程积民表示,从而突出了区域草畜特色,促进了优质畜产品基地建设和农村经济发展。


据悉,程积民团队相关研究成果获省部级科技进步奖一、二等奖5项,出版专著20多部,发表论文219篇,其中SCI 收录56篇,获专利7项;成果建议被有关政府决策管理部门采纳,并为国家退耕还林草工程持续实施提供了科学依据。




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