“三北”工程防风固沙林研究进展

Research Progress on Windbreak and Sand-fixing Forests in the Great Green Wall Project

摘要

防风固沙林在“三北”工程中发挥着重要作用，是现阶段中国防沙治沙工作的重点研究对象。本文采用文献综述的方法，对防风固沙林的树种筛选与适宜性评价、空间配置及模式优化、效益监测与评估、退化成因及修复措施等4个方面进行了归纳总结，简要论述了其主要成就及存在的问题，并提出了未来防风固沙林研究应多基于新仪器、新技术、新方法的支撑，针对“三北”不同生物气候带精准布局适宜防风固沙树种，依据以水定绿原则进行防风固沙林配置模式优化，建立多部门协同的防风固沙林效益长期监测与评估机制，并提出退化林“分区—分类—分级”的差异化修复方案。研究结果可为提升防风固沙林功能及推动“三北”工程高质量发展提供借鉴和指导。

Abstract

Windbreak and sand-fixation forests play a crucial role in the Great Green Wall Project， and are important research objects in current China's efforts to combat desertification. This paper employed a literature review approach to summarize four aspects of windbreak and sand-fixation forests， i.e.， species selection and suitability evaluation， spatial configuration and pattern optimization， benefit monitoring and assessment， and degradation causes and restoration measures. It briefly discussed the main achievements and existing issues， and proposed future research directions. These include leveraging new instruments， technologies， and methods to precisely arrange suitable tree species for different bio-climatic zones in the Three-North regions， optimizing the configuration patterns of windbreak and sand-fixation forests based on the principle of water-based greening， establishing a long-term multi-departmental collaborative mechanism for monitoring and evaluating the benefits of these forests， and proposing differentiated restoration strategies for degraded forests through zoning-classification-grading. The research findings would provide insights and guidance for enhancing the functionality of windbreak and sand-fixation forests and promoting the high-quality development of the Great Green Wall Project.

Graphical abstract

关键词

防风固沙林 / 树种 / 配置 / 防护效益 / 健康评价 / 抚育更新

Key words

Windbreak sand‑fixing forests / Species / Configuration / Protective benefits / Health assessment / Reproduction by tending treatments

为防止流沙入侵农田、村庄等区域，保障“三北”地区人民群众的财产安全，我国于1978年启动“三北”防护林体系工程，目前已经启动第六期工程建设^［1］，取得了显著成效^［2-3］，并对全球植被覆盖度的增加做出了重要贡献^［4］。在干旱、半干旱地区营造防风固沙林是固定流沙、防止风沙灾害的有效措施^［5］，防风固沙林作为“三北”防护林的重要组成部分^［6］，发挥着重要的生态服务功能。但现阶段我国防沙治沙工作形势依然严峻，经评估，“三北”工程对于荒漠化防治的贡献仅为10.3%^［7］，远低于预期，同时缺乏对防沙治沙重大科技成果的凝练总结^［8］。新时代“三北”工程的生态治理理念正在逐渐发生转变^［9］，不同阶段生态治理理念的转变过程详见图1。有必要梳理“三北”工程防风固沙林领域近40年来的研究进展，总结该领域较为突出的现实问题，从而更有效地打赢“三北”工程攻坚战。

以往国内外防护林学的研究多集中在树种选择^［10］、防护林经营和效益评价^［11］等方面，但缺乏与“三北”工程不同发展阶段配套的系统性归纳总结。近年来防沙治沙领域综述文献多借助Citespace、Vosviewer等可视化方法^［12］，虽然这类可视化软件能提供直观的关键词聚类图和时间线图，但由于部分软件本身对于输入数据形式的要求不同，可能会筛除掉一部分学位论文文献和1993年以前发表的文献，从而造成可视化结果的不完整，在一定程度上不能完全涵盖某一研究领域的整体研究趋势，这对于进展及热点预测会产生不利影响。本文基于中国知网（CNKI）、Web of Science（WOS）国内外权威性较高的两大数据库，查阅了近40多年来发表的与防风固沙林主题相关的文献，总结归纳了防风固沙林的研究进展及存在问题，并提出了未来的研究热点与发展趋势，研究框架如图2所示，以体现防风固沙林领域研究的逻辑结构，具体内容包括：①树种筛选与适宜性评价；②空间配置及模式优化；③效益监测与评估；④退化成因及修复措施。研究结果可为“三北”工程防风固沙林保护、修复与建设提供参考。

1 树种筛选与适宜性评价

筛选适宜的树种是防风固沙林建设过程中的关键一步，水热、土壤条件以及地下水位等因素均会在一定程度上对树种的分布、生长产生制约^［13］。早期“三北”工程建设树种选择，大多按照适地适树、针阔并举、乔灌结合等原则，但由于所选树种较为单一^［14］，引发了病虫害，大多数地区普遍存在造林树种少的问题^［15］。后来演变成在规划中逐渐降低杨树造林面积比重，优先选用乡土树种^［16］，适当引进外来品种，实行多树种配置和乔灌草结合的造林方式。多年来的造林生产实践得出，树种选择应符合适地、适树、适种源的原则，同时依据树种生物学和生态学特性、立地类型和防护对象需求进行造林^［17］，不仅要以防护效益为主，还应兼顾经济、社会、景观等效益^［18］。

常用的树种适宜性评价方法有自然淘汰法^［19］、层次分析法^［20］等，而地理信息系统^［21］也在防风固沙林的适宜性评价方面起到了重要作用。通过对林地历史影像数据的分析，可以明确不同树种在不同时间尺度上的生长状况。近年来，研究多结合MaxEnt模型^［22］，能依据现有分布样点预测出气候变化下指定树种的潜在分布区，可为造林规划与管理提供数据支持。在指标选取方面，早期对于树种的适宜性评价大多关注成活率这一指标^［23］，但近年来受人为干扰和全球气候变化的影响，只关注树种成活率、保存率已经不能满足新时代树种选择的要求，人们开始关注树种自身的稳定性^［24］与林下的植被多样性^［25］。

在下一步的研究中有必要结合具体的区域，定期对不同区域栽植的防风固沙林树种进行实效性分析。鉴于“三北”地区覆盖了湿润、半湿润、半干旱和干旱等多种气候类型，进行树种选择时仍应该按照选树适地、选地适树、改树适地、改地适树等原则，重点进行引种、嫁接以及良种选育等研究工作。不同区域的树种在进行筛选时仍以乡土树种为主，同时注意考虑所选区域的地带性植被类型，西部区宜以“疏灌”荒漠为主，东部区宜以“疏林”草原为主。在适宜性评价时结合多种方法，尽量考虑能反映树种成活率、稳定性、植被多样性等多方面的指标，使得评价结果更具科学性。

2 空间配置及模式优化

自“三北”防护林工程启动实施以来，其建设重点^［26］、战略目标^［27］等不断发生变化。体系构建初期的建设重点是营造以防风固沙林、水土保持林为主体的防护林，目标侧重于遏制风沙危害和水土流失，依托大规模防护林带固沙滞尘、保持水土。随着对区域水资源承载力及其与植被关系研究的深入^［28］，建设重点转变为建设以农田防护林为主的区域性防护林体系、开展新农村建设试点、农田防护林更新改造和高标准防护林建设以及进行以防风固沙和水土流失治理为主要任务的生态修复，强调乔灌草结合，进行针对性治理。进入系统攻坚期，重点围绕山水林田湖草沙一体化保护与系统治理^［29］这一重要举措，战略目标由单一的防护林建设演进为生态系统整体修复、结构优化与功能提升，倡导“以水定绿”^［30］科学绿化和“人与自然和谐共生”新格局^［31］。

在这样的背景下，如何针对不同地域设计出最优的防风固沙林模式就显得尤为重要。为此，科研人员和广大林业科技工作者进行了长达40余年探索，提出了不同的优化模式，其中不乏适应干旱的壕沟法配置、分区造林法配置、花坛丛林法配置、沙湾造林配置^［32］和适应流沙活动性的线性密植配置、簇式栽植配置、前挡后拉、密集式造林、块状密植等^［33］。此外，低覆盖度行带式^［34］、两行一带配置^［35］、带状配置^［36］等也是干旱、半干旱区常用的模式。与早期提出的配置模式相比，“三北”工程后期配置的株距、行距、带间距等参数均有所扩大，使得原有的配置模式大大降低了造林密度，这与“三北”防护林工程启动实施以来建设重点、战略目标在不同时期的变化是相符的，也再次印证了以水定绿原则在不断深入。但仅从造林密度或配置方式单一维度考虑，难以筛选出最优的防风固沙林体系^［37］。考虑到沙区水资源较为有限^［38］，且研究表明行带式分布格局逐带降低的叠加效益不明显^［39］，建议对纯林模式、混交林模式分门别类进行优化，例如：纯林是否考虑逐级拉大带间距的非均匀配置，混交林的优化从不同树种根系的分布深浅特征及乔灌比例等多个角度入手，以加强不同配置模式优劣对比。未来防风固沙林配置模式与优化应基于以水定绿、因害设防原则，借助野外、风洞模拟与数值模拟相结合的手段，结合不同区域降水条件，筛选掉防护效益较低的林带，以最大程度降低造林密度进而优化防风固沙林的配置模式。

3 效益监测与评估

早期的生态效益监测与评估多采用单一因子对“三北”工程区或局部地区进行生态工程效益评价，系统评价生态系统恢复状况的研究相对较少。研究人员尝试采用通径分析的方法区别防风固沙林控制“三北”地区沙漠化的作用^［40］，表明防风固沙林在一定范围内缓解了沙漠化的严重程度。以往效益评价主要依据《全国林草生态综合监测技术规程（试行）》^［41］、GB/T 35377—2017《森林生态系统长期定位观测指标体系》^［42］、LY/T 2006—2012《荒漠生态系统服务评估规范》^［43］、TD/T 1055—2019《第三次全国国土调查技术规程》^［44］等，但现有的防风固沙林防护效应评价体系在跨林分、区域尺度研究方面不是很常见。此外，遥感模拟结果缺乏长时间序列的野外实测数据作为验证，导致难以实现精确的跨尺度防护效益研究。加之地面树种林分不同、缺少长时间序列防护效应定位监测等因素的影响，在进行林分尺度效应到区域尺度效应推演时造成数据的不连续，影响区域尺度防护效应的连续性与精准性，影响了防风固沙林长时间序列效应的整体评估。此外，防风固沙林防护效应评价工作中还存在评价标准体系不统一^［45］、跨尺度转换方法缺失、尚未建立有效长期监测机制等问题，这些都会导致对“三北”工程效应的认知不够系统^［46］。

以往林分尺度上防护效益监测时多基于野外监测的手段，对单行到多行防护林防护效应进行比较，但随着林带数增大到一定规模时，单靠有效防护距离^［47］这一指标对不同配置林带之间防护效应的优劣进行比较就变得困难；而有效防护面积适用于比较多行防护林防护效益^［48］，评估效果较好，但通常对于模拟要求较高，所测数据越精确精度越高，模拟结果就越能反映整个林分配置的防护效益。早期的区域尺度生态效益评价大多针对某一小区域建立植被指标与气候指标相结合的评价指标体系^［49］，通过制定综合的区域生态效益指数来评估区域防风固沙林的效益。后期随着手段的不断更新，研究人员采用分区域的思路，尝试按照干旱区、半干旱区等不同典型区分别对以辽宁西北部、内蒙古中东部、宁夏东部为代表的风沙区和以内蒙古西部、宁夏西部、青海柴达木盆地、共和盆地为代表的西北荒漠区建立不同的评价指标体系^［50］。但在评价过程中，由于“三北”工程区并非单纯的森林生态系统或者农田生态系统，而是诸多生态系统组成的综合生态系统，因此很难用单一模型模拟，存在难以实现以工程实施前的区域生态状态作为评价参照的问题，研究人员尝试构建CellularAutomata+Neural Network模型模拟“三北”防护林“替代方案”，以此作为“三北”工程第一阶段的评价参照^［51］。下一步评价工作中应该借鉴此类方法，明确“三北”工程不同阶段的评价参照，使得评估结果更具科学性。

随着遥感新技术手段的发展，在评价指标选取上可以获取更多的生态因子，提高生态效益评价的成效，更准确地获得生态效益的时空分布状况。建议在下一步的防风固沙林防护效应评价工作中，及时调整不同尺度的评价指标并构建防风固沙林多尺度防护效应评价体系。系统采集林分尺度的土壤改良、防风固沙、水土保持、小气候调节等实测数据，与区域遥感植被覆盖度等数据进行协同分析与相互验证。采用多模型融合技术，将点状实测数据科学推演至区域尺度，同步计算区域生态系统防护效应。通过点面数据的迭代比较与模型校正，不断提升评价结果的准确性和可靠性。

4 退化成因及修复措施

随着防风固沙林的老化退化这一问题逐渐凸显，如何对其健康状况作出评价和构建合理的指标体系已成为生态学领域和环境科学研究的热点之一^［52］。国内外关于防风固沙林的退化成因的分析大多数集中在环境胁迫与生态响应机制^［53］、人为干扰与管理对策^［54］以及退化林生态修复技术研究^［55］三个方面。早期的调查研究表明，造林过密是造成“三北”地区某些人工林衰退、死亡的主要原因^［56］。后期随着手段的更新，研究人员为了探求这种退化现象背后的驱动机制，多采用水同位素、树干液流观测技术^［57］和遥感技术^［58］等分析其退化成因，得出了以下结论：人为成因涉及植被选种、种植模式、管理维护等多方面因素^［59］，气候因素包括极端干旱^［60］、森林火灾^［61］等，其他因素包括水资源匮乏^［62］、病虫害^［63］等。总之，造成防风固沙林退化的成因复杂多样，以往研究中多为定性分析，退化机制定量识别研究尚未有效开展，对生产实践的指导意义较为薄弱，对各个退化因子定量分析是未来的发展趋势。

退化林修复技术研究主要集中在修复方式选择、乡土树种选育和土壤微生物利用^［64］等方面。常见的修复措施有补植补种^［65］、平茬复壮^［66］、抚育间伐^［67］等技术，可以提高退化林分质量和功能^［68］。朱教君等^［69］提出应按照衰退程度，对衰退樟子松人工林进行疏伐、卫生伐等措施，以提高水分利用效率。对于退化灌木，修复思路同样可以采取差异化的修复措施^［70］。对于轻度退化的森林，通过修剪树冠来优化水分分布；对于中度退化的森林，移除次要的死枝以减少无效的水分消耗；对于严重退化的森林，则通过砍伐树干并设置沙障来阻止风沙流动。未来防风固沙林退化成因与修复措施的研究还需进一步深入，应积极推进退化成因研究由定性向定量转变，同时应基于近自然经营理念研发密度调控、结构调整、平茬复壮等近自然修复营建技术配套进行退化防风固沙林的抚育更新。开展连续防护效应监测工作，发挥以林草部门监测为主、多级部门协同监测为辅的站点功能监测作用，以期提出退化林“分区—分类—分级”的差异化修复方案”，提升其健康精准抚育效果与功能。

5 思考与展望

纵观国内外“三北”工程防风固沙林近40年研究进展，在树种筛选与适宜性评价、空间配置及模式优化、效益监测与评估、退化成因及修复措施等方面的研究还存在诸多问题亟须解决，根据上述防风固沙林几个主要方面的研究进展分析，提出以下思考与展望：

①针对“三北”工程区不同生物气候带精准布局适宜防风固沙树种：对于“三北”工程区不同生物气候带，需要布设不同适宜性的树种，并严格按照适地适树的原则，因地制宜，优先选用乡土树种，慎用外来树种。

②依据以水定绿原则进行防风固沙林配置模式优化：对于不同配置类型，在优化配置时应依据以水定绿原则，基于区域水资源承载力，严格控制密度，构建以“疏灌”为主的防风固沙林，按照单位面积内防护阈值合理选用“行带式”“廊道式”等配置类型。

③建立多部门协同的防风固沙林效益长期监测与评估机制：建设覆盖“三北”主要典型区的多部门协同长期定位观测网络，定期对不同林分类型的防风固沙林进行长时间序列的连续观测，建立防风固沙林防护效应动态数据库，为跨尺度推演和效应评估提供支撑。

④针对不同树种构建退化林差异化修复方案：应坚持“宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草、乔灌草结合”的修复策略，对于不同退化程度的防风固沙林研发配套的防风固沙林精准抚育技术，并构建“分区—分类—分级”的差异化修复方案，逐步形成“三北”工程防风固沙林防护效应评价标准体系。

⑤防风固沙林人工智能决策系统研究：应尝试开发以不同沙害程度、水分状况等前提条件为核心的防风固沙林“树种选择—配置模式—效益监测—抚育更新”一体化的人工智能决策系统。

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基金资助

内蒙古自治区“揭榜挂帅”项目——腾格里沙漠边缘防风固沙林优化配置技术项目(2024JBGS0003-2)

内蒙古自治区研究生科研创新项目(KC2025032B)

库布齐沙漠示范工程多维度效益评估与提质增效成果评价项目(2024JBGS00190403)

沙漠沙地生态保护与治理技术创新团队项目(NMGIRT2408)

荒漠化防治与沙区资源保护利用创新团队项目(BR241301)