转载【应用生态学报, 2023；DOI: 10.13287/j.1001-9332.202306.000】

旱区植被建设与生境旱化的生态学因果关系

杨新国^{1, 2, 3}  宋乃平^{1, 2, 3}   陈  林^{1, 2, 3}  王  磊^{1, 2, 3 *}

（¹ 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川750021；² 宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川750021；³宁夏大学生态环境学院，银川750021）

摘  要  旱区科学绿化的核心是“以水定绿”，其前提依据之一就是植被建设与生境旱化间潜在的因果关系。但在生态学上，特别是对复杂生态系统而言，因果关系往往难以准确界定并描述。科学实践“以水定绿”，必须搞清旱区植被建设与水文循环的关系，明确生境旱化发生的依据和条件。为此，本文从“以水定绿”生态学因果关系的理论内涵、应用模式入手，以科学绿化试点示范省建设（宁夏）为例，分别从区域尺度、景观尺度和生态系统尺度，分析植被建设与生境旱化之间的因果关系，指出相关认识和实践中存在的矛盾与问题，提出“以水定绿”科学绿化实践的原则和建议。

关键词  科学绿化；植被建设；生境旱化；生态学因果关系；荒漠草原

Ecological causality between vegetation construction and habitat drought in arid areas. YANG Xinguo ^{1, 2, 3}, SONG Naiping ^{1, 2, 3}, CHEN Lin^{1, 2, 3}, WANG Lei^{1, 2, 3*} (¹ Ministry of Education Key Laboratory of Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystems in Northwest China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; ²Cultivation Base of the State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; ³College of Ecology and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract: The core of scientific greening in arid areas is "greening based on water". One of its preconditions is the potential causal relationship between vegetation construction and habitat drought. However, the causal relationship between factors or processes in ecology is often difficult to accurately define and describe, especially for complex ecosystems. In order to scientifically practice "greening based on water", it is necessary to clarify the relationship between vegetation construction and hydrological cycle in arid areas, and clarify the basis and conditions for habitat drought. For this reason, taking the construction of scientific greening pilot demonstration province (Ningxia) as an example, this paper starts with the theoretical connotation and application model of ecological causality of "greening based on water", and empirically analyzes the causal relationship between vegetation construction and habitat drought at the regional, landscape and ecosystem scale, respectively. The contradictions and problems in relevant understanding and practice are pointed out, and the principles and suggestions of scientific greening practice of "greening based on water" are put forward.

Key words: scientific greening; vegetation construction; habitat drought; ecological causality; desert steppe.

面向全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年），以“山水林田湖草沙”一体化保护和修复为指引，2021年国家林草局启动了科学绿化试点示范省先期建设工作，宁夏是西北旱区唯一入选省份。旱区科学绿化的核心是“以水定绿”，其前提依据之一就是基于人工植被建设可能带来的以生境旱化为代表的生态功能次生退化风险，在植被建设中充分遵循自然的生态水文规律，构建适宜的植被-水文关系，发挥绿化的生态作用同时，维持健康的水文循环功能。但是在生态学上，特别是对于复杂生态系统而言，因子或过程间的因果关系往往难以准确界定并描述^[1]。旱区植被建设与生境旱化可能表现出较为复杂的因果关系逻辑，从而限制科学绿化中“以水定绿”的贯彻实践。

生态系统的特点之一是存在非线性的相互作用，由此造成变量间存在大量的局部相关性和伪相关关系；同时相关性只是检验了变量间发生的关系是否显著，难以满足变量间因果关系存在的必要条件^[2]。如何准确判定变量间是否存在显著的生态学因果关系及其类型，一直是方法学上的一个难点。2012年发表在《Science》上的一篇经典论文提出的收敛交叉映射算法，对于复杂生态系统中的因果推断起到了较好的效果^[1]。但是在实际应用中，生态学因果关系的判定依然受到诸多因素的限制。例如，三北防护林工程中较为典型的“小老树”现象，到底是植被引起的干旱反馈作用于植被退化，还是干旱本来就限制了人工引入植被的生长？蒙古高原湖泊萎缩、退化乃至消失，除了农业和工业活动对地下水的干扰外^[3]，植被建设在其中的直接贡献如何？黄土高原植被建设与地表径流退化可能存在较为直接的因果关系^[4]，但是也要准确区分水保工程和生物措施的相对贡献。在旱区，植被建设对水分的消耗是必然的，但是增加的这部分水分在总体消耗中的占比是否足以支撑两者因果关系的成立，依然是一个需要科学认识的基础问题。一般情况下，越是干旱的地区，蒸散发量在降水中的占比越高，同时土壤蒸发在蒸散发中的占比要远远高于植物蒸腾^[5]。另外，从局域上植被对土壤水的干扰，到景观乃至流域尺度上的地表径流、地下水循环等，植被的直接贡献如何界定，也是一个十分复杂的问题^[6]。

生态学因果关系一般包括双向因果、单向因果、共同因果3种类型^[1]。以水定绿，从逻辑上只是一种单向因果关系。但是实际中，植被与水文间可以互为因果，也可能以土壤为介质发生共同因果关系。“以水定绿”是旱区科学绿化的基本原则，所针对的就是在过去实践中出现的人工植被建设不当所引发的生境旱化现象及其所带来的次生生态环境问题，以及更广泛层面的“山水林田湖草沙”一体化保护和修复中“水”的地位问题^[7]。科学贯彻“以水定绿”，首先要搞清楚植被-水文间的系统关联，特别是植被建设与生境旱化之间是否存在确定的因果联系，以及这种联系成立的生态与地理学条件如何，等等。在这些问题没有确定性答案之前， “植被建设-生境旱化”因果前提假设并不能简单泛化。历史上植被建设作为我国生态建设的一贯主体，问题主要是出现在项目实施中“目标”和“手段”的混淆上，特别是唯覆盖度所带来的问题^[8]。另外，需要特别重视的一个问题是，“以水定绿”所倡导的是一种适度而安全的植被-水文关系，而不是提倡对水资源的充分利用。水在旱区除了维持生态功能型植被生长之外，还起着其他更为重要的服务功能，特别是地下水在流域性生态-生产-生活中的关键作用^[9]。

宁夏作为十四五时期第一批全国科学绿化试点示范省之一，主体处于200～400 mm的干旱半干旱区，肩负着旱区科学绿化先行先试的重任。宁夏同时也是早期以人工植被建设为主的全国防沙治沙与水土流失治理先进区域，植被建设与生境旱化的潜在因果关系也较为集中和典型^[10-11]。为此，基于我们在宁夏长期的研究实践，本文从以水定绿的理论内涵和应用模式的总结归纳入手，结合典型研究案例，分别从区域尺度、景观尺度和生态系统尺度，分析了本研究区植被建设与生境旱化之间的生态学因果关系，指出了相关认识和实践中存在的矛盾与问题，提出了本区域“以水定绿”科学绿化实践的相关原则和建议。

1 “以水定绿”的生态学理论内涵

如图1所示，简单从“水”和“绿”的生态学内涵构成入手，可以解构出丰富的水-绿关系组合。这些关系组合的因果逻辑涉及了不同层次的生态学原理。从植被地带性^[12]、生态权衡^[13]、生态自组织^[14]到地球关键带^[15]，映射了早期生态建设对生产力/植被盖度的数量追求和当前对生物多样性/生态系统质量、生态自组织/生态系统稳定性的质量要求，以及未来从更宏观层面维护水文循环功能、平衡多生态系统服务的流域性一体化保护与修复等不同阶段和更高层次上“以水定绿”因果关系的生态学理论内涵。

图1 “以水定绿”的概念层次、指标因子、因果逻辑

Fig. 1 Conceptual level, index factors and causal logic of ‘greening based on water’

1.1植被地带性原理

受植被地带性原理约束，旱区自然植被以草原和荒漠植被为主，森林植被则遵循垂直地带性规律，在一些高大山地多有分布^[12]。400和200 mm多年平均降水量分别被视为森林与草原植被，草原与荒漠植被的分界线。在植被地带性范畴内，以水定绿的依据之一就是降水和生产力的单向因果关系，而生产力在植被类型上的映射可以简单归纳为乔、灌、草及其组合。

宁夏的降水量南北跨度为200～600 mm，植被建设具有受地带性规律约束的潜在多样性。其中，森林植被集中在南部山区和中北部的六盘山、罗山与贺兰山，但是经历长期的生态建设后，传统造林空间已经不多。从植被地带性考虑，森林建设主体应当集中在400 mm以上的黄土丘陵区和六盘山区，但是该区域森林覆盖率的上限在哪里，目前还没有一个科学的认识。利用西北地区暖湿化的气候变化窗口期，加大400 mm等降水量线以北植被建设力度，是宁夏当地提出20%森林覆盖率目标的依据和措施之一。但是，从实际气候变化规律看，极端气候事件频发，造林风险和成本也随之加大。综合来看，未来宁夏森林植被建设的有效空间主要集中在400 mm等降水量线以南六盘山山地阳坡和黄土丘陵区侵蚀沟道，需在政策和技术上提前布局。200～300 mm降水的荒漠草原地带已建成柠条（Caragana intermedia）灌木林25万公顷以上，白芨滩和哈巴湖自然保护区乔灌植被覆盖近乎饱和，进一步增加林地覆盖率的空间不大。相较而言，如何维持这些存量林的稳定性更为紧迫。另外长期受制于草地放牧压力，保护区外部草原飞播封育效果并不理想，这也是现实中更多采取草原造林的无奈之举。草地的保护与恢复，实际中要更多地从草地保护与利用的平衡，以及灌草植被的多样性和稳定性来考虑。

1.2生态权衡原理

在旱区，水资源更为紧缺，容易发生围绕水分的权衡，诱发植被建设与生境旱化的因果关系^[13]。对生产力的追求如此，生物多样性与水分之间（简称，水-生关系）也存在权衡。研究表明，在荒漠草原区半干旱草地20～60 cm土层土壤含水量与生物多样性指数之间存在显著的相关性，并以6%～8%含水量为阈值，水-生关系从相关向协同或权衡转变^[16]。通过对水分分布及其有效性的改变，土壤质地的变化促成了植被与水分间的共同因果关系^[17]。

以宁夏中部荒漠草原区为例，在有限的降水范围内（200～300 mm），“以水定绿”在实践中并不容易找到一个工程上的降水等级参照，以进一步细化区域植被建设。20～60 cm土层土壤含水量以其明确的生态水文学含义，为这个区域的植被建设提供了依据^[16]：宁夏西北部土壤沙化严重，水-生权衡关系占优，植被建设应以人工灌木为主，受土质和降水的共同限制，不宜过分追求更高的多样性；东南部降水量更高，与黄土丘陵区接壤，水-生协同关系为主，可以充分利用更为有效的降水，加大草原补播和封育保护力度，进一步提高物种多样性水平；中部沙化草地水-生关系以相关关系为主，应围绕20～60 cm土层，通过土壤干预（如浅耕翻措施）保证降水更好地入渗蓄存，在此基础上尝试地上植被结构的正向干预。相对于数量的追求，森林和草地植被质量面临的问题，如生物多样性、稳定性及其生态服务功能等在新时期科学绿化实践中更为棘手和紧迫，本区域土壤水分与生物多样性之间所体现出的权衡关系转换规律，为林草植被质量管理指明了方向，也找到了工程的抓手。

1.3生态自组织原理

植被的不连续性是旱区植被分布的自然规律，与空间依赖的植被-土壤水反馈作用直接相关，是一种典型的生态自组织过程^[14]。其所内涵的植被-水文关系可归纳为双向因果关系。为追求防风固沙效果，草地上建植的高密度条带式人工灌木林，形式上遵循了局部植被非连续分布的规律，但是却忽视了更大尺度上空间异质性的限制。宁夏科学绿化不可回避的一个对象就是几百万亩规模草原人工灌木林的适应性管理问题，目前还是从营林层面采取平茬复壮等单一抚育措施。在区域性防沙治沙压力已然大幅降低的情况下，按照生态自组织和空间异质性的原理，通过去弱留强，而不是复壮弱小，促成缀块式林分布局的形成，从管理的角度，更为自然和经济。当地野生酸枣（Ziziphus jujuba）林^[18]就是以缀块形式自然散布在草原上，也是科学绿化中重点保护的对象。如此，把近自然林业的目标树理念引入退化草原管理中，结合生态自组织原理和空间异质性原理，创新草原人工灌木林管理实践。甘草（Glycyrrhiza uralensis）草原的恢复，在初期也可以遵循上述模式，采取插花式补播封育，自然扩散繁殖。

1.4地球关键带原理

地球关键带提供了植物生长的物质基础，是碳/氮存储、运移和转化的载体，起着储存/输送土壤水和地下水的作用，控制和影响着生态系统所需的水资源数量和质量^[15]。在地球关键带框架下，植被建设与水文循环往往表现出多过程、多要素参与的复杂因果关系网络格局。在旱区，沙地往往具有突出的水文服务功能，是山水林田湖草沙一体化保护与系统修复中极其重要的一环^[19]。宁夏中部哈巴湖自然保护区是一个重要的沙地水源富集区，同时也是人工固沙植被集中建设区，根据保护区多年监测资料，固沙植被大规模建设前后，植被综合盖度从不足20%提升到70%以上，核心区地下水位则从 0～0.2 m下降到0.8～1.1 m，至今部分湿地天然湖面已然消失，且多年未见恢复（图2）。从地球关键带原理出发，哈巴湖自然保护区在“科学绿化”实践中应以浅层地下水循环修复为目标，推动保护区植被建设从防沙治沙向荒漠湿地整体性保护转变，重建其在流域性山水林田湖草沙一体化保护与修复中的枢纽性作用；在保护区内部，则应跳出单纯绿化的思维限制，以潜流集水区为治理单元，立足空间源-汇关系过程，重构土壤-植被-水文的系统关系，最大程度上控制植被建设对潜水过程的过度扰动。

图2 哈巴湖自然保护区固沙植被建设与湿地退化的先后发生关系和潜在因果联系. Ⅰ: 浅层地下水位线; Ⅱ: 覆沙厚度基准线; Ⅲ: 沙丘; Ⅳ: 乔木/灌木; Ⅴ: 草本; Ⅵ: 湖泊.

Fig.2 Successive relationship and potential causal relationship between sand-fixing vegetation construction and wetland degradation in Habahu Nature Reserve. Ⅰ: Shallow groundwater level; Ⅱ: Base line of sand cover thickness; Ⅲ: Sand dune; Ⅳ: Tree or shrub; Ⅴ: Grass; Ⅵ: Lake.

2 旱区“以水定绿”的生态工程模式

事实上，在早期退耕还林草等绿化工程实施之际，学术界围绕“以水定绿”的工程应用模式已经开展了大量试验性的研究工作，并在部分区域做了不同规模的示范推广。例如旱区植被水分聚集适应模式^[20]、毛乌素沙地“三圈”模式^[21-22]、黄土丘陵小流域综合治理模式^[23]、低密度固沙造林模式^[24]等。

2.1旱区植被水分聚集适应模式

植被水分聚集适应模式^[20]可以看做以水定绿的一般模型，强调了从个体到流域，从局域到区域的植被-水文关系体系的近自然构建模式，即冠层集雨、斑块汇水、坡面集水、小流域汇流等层次的水分自然富集过程对旱区植被建设方式的潜在支配作用。植被水分聚集适应模式最大程度上还原了旱区植被-水文关系的过程与格局，是植被建设和管理的重要依据，工程规划中需要跳出固有的固沙林或水保林营造思路，系统性考虑物种选择、营造方式、空间位置。例如，旱生灌木一般具有较好的冠层集雨功能，可沿坡面采取缀块式种植，同时在沟道内部和小流域下游采取乔灌木复合配置，从而突破旱区植被地带性的一般约束，提高植被的多样性和稳定性。

2.2三圈模式

三圈模式^[21-22]最初是针对毛乌素沙地农牧业活动与生态保护的空间统筹，强调了具有紧密水文循环联系的异质性景观系统中不同性质植被活动对水文条件的自适应及其空间安排，从而最大程度上实现生产与生态的协同。近年来提出的生态草牧业模式，也是把生产力最高的农业活动集中在最少的土地面积上，利用局部的水资源优势，发展草牧业的同时，更好地保护天然草地^[25]。对科学绿化而言，三圈模式的最大借鉴价值就是跳出局域均质系统的水量平衡限制，在异质性景观中依托水文过程的开放循环，合理安排不同类型和性质的植被建设活动，从而经济而安全地遵循“以水定绿”。以宁夏中部荒漠-草原过渡带为例，可以构建以梁地分水岭、沙化草地和沙滩地为组成的“三圈”景观，以浅层地下水循环为纽带，以湿地（沙滩地）为核心，合理分区安排植被建设活动，及其与生态系统服务功能的协同（图3）。

图3 荒漠-草原过渡带“梁地-滩地”组合景观断面：基于浅层地下水循环的科学绿化“三圈”模式

Fig.3 Typical "beam-beach" combined landscape section in the desert-grassland transition zone: "three circles" model based on shallow groundwater circulation in scientific greening.

2.3小流域综合治理模式

小流域综合治理^[23]可以视作山水林田湖草沙一体保护与系统修复的早期雏形，强调了在一个独立集水区空间范围内，合理安排植被建设与生产活动，达到水土保持和生计维持的目的。旱区科学绿化的小流域实践，例如荒漠与草原的过渡地带，关键在于如何在一个相对封闭的水文循环空间范围内实现各类生态系统的共存与互动，从中找到植被建设的合理定位与布局。例如，宁夏南部400～500 mm降水量区域是否可以推广“草上坡，林下沟”的模式，避免黄土丘陵区植被建设所引发的土壤深层干旱和地表径流断流问题。在更干旱的降水量300 mm以下的宁夏中部荒漠-草原交错分布区，沙盖台地为下垫面的小流域浅层地下水过程较为发达，存在一个从外围向中心的潜流汇集过程，在这个过程中水的可利用性逐步提高。旱区小流域往往起着“面积换资源”的作用，植被的景观配置也要随之变化和适应。

2.4低密度固沙造林模式

低密度固沙造林模式^[24]是对早先单纯追求固沙的造林模式的改良，强调了从单一服务功能强化向多服务功能兼顾的植被-水文关系外溢效应管控。就宁夏而言，传统治沙空间已经大幅压缩，面临无沙可治的局面。科学绿化与新时期防沙治沙的结合，不是单纯从植被密度高低着手，而是充分把握模式背后对多生态系统服务功能的追求。以水定绿，对草原营造林而言，关键是从局域到景观尺度存量林密度和布局的协同调整，特别是要善于利用局部地形和水文条件的变化，配合“去弱留强”存量林反向抚育措施，推动其向近自然的缀块式灌草格局转变。这也是一种演替式修复的模式。

2.5归纳：旱区“以水定绿”工程应用的广义架构

旱区水资源总量不足，分布不均，水文过程及其服务功能实现较为复杂，空间异质性、“面积换资源”这些基础模式都决定了旱区科学绿化更需要在一个广义植被-水文因果关系架构下实施，在过程和格局中发掘“以水定绿”的空间潜力和服务内涵。所谓广义架构，就是相对局域（均质）、静态和平衡的狭义生态水文理论限制，在景观（异质）、动态和开放的水文循环框架下，实现植被-水文关系的有机组合与安排。其模式的一般内涵是，在充分尊重旱区水文过程的异质性和多样性的基础上，优化设计植被建设的规模、方式和途径，在景观层面把握植被建设与水文循环的系统关联，并作为具体工程实施的准则。

在宁夏中部荒漠与草原交错过渡区，广义植被-水文因果关系架构主要涉及从集水坡面到小流域两个尺度，以浅层地下水循环为“以水定绿”的基础水文过程，沙地作为水文调节的关键系统。以哈巴湖国家级自然保护区为例，需要跳出传统防沙治沙造林绿化的固有模式，统筹小流域内部草地（上游）、沙地（中游）和湿地（下游）的景观联系与水文功能，创新沙地固沙植被更新抚育模式，逐步修复并维持浅层地下水循环的畅通，推动下游湿地的稳定恢复，从根本上解决保护区内日益凸显的林-湿矛盾。

3 植被建设与生境旱化的生态学因果关系——以宁夏中部为例

历史上宁夏中部由于土地沙化问题严重，广泛开展了以人工固沙植被为主的生态建设活动。例如，从20世纪70年代至今，人工柠条林从无到有，面积已经扩大到25万公顷以上^[11]。如此大规模的人工植被建设对这个区域的水文循环影响如何，与生境旱化之间是否存在明确的因果关系，是一个值得深入探讨的问题。

3.1区域层次——以环罗山区域为例

环罗山区域是宁夏中部2001—2020年间植被活动最为剧烈的地区，特别是扬黄灌区和大面积柠条林的建设。景观上，以罗山为中心，由内及外形成了一个明显的圈层化植被覆盖格局^[26]，主要包括森林、草地、柠条林和农田等。2001—2020年间环罗山区域植被指数（NDVI）与蒸散发（ET）变化趋势明显，总体向高NDVI与高ET方向移动^[26]。以扬黄灌区开发前后为界，2010年前农田NDVI和ET值分别处于中低值和低值区，2010年后则全部进入高值区。20年间森林一直处于NDVI与ET的中高值区，变化趋势不明显。草地的变化主要表现为植被指数的单向增加（NDVI重心由0.2移至0.35左右），但是ET主体始终处于低值区。柠条的变化与草地相似，ET稳定在100 mm左右。

综合来看，近20年内区域蒸散发的显著变化基本由灌溉农田活动贡献，人工柠条林贡献度较低，且与草地无明显的区别。由此，单纯从蒸散发的角度，人工柠条的引入不可能成为导致区域性水文环境变化的直接因素。

3.2景观层次——以哈巴湖自然保护区为例

旱区沙地造林的水文后果更多体现在更大空间尺度范围内的地下水循环上，并以湿地数量和质量变化为水文响应的指示^[27]。在景观尺度上，植被建设与生境旱化的关系也会更多地受到决定地下水循环过程的水文地质构造基础^[28]的影响。对哈巴湖自然保护区两种不同水文地质构造湿地^[29]的比较研究表明，植被建设对哈巴湖湿地（浅盆型，图4）和南海子湿地（阶地式，图5）的潜在影响截然不同。

图4 1977—2018年哈巴湖湿地景观演变历程

Fig.4 Landscape evolution of Habahu wetland during 1977—2018.

如图4所示，按照植被建设和湿地变化的关系，1977—2018年哈巴湖湿地的演变大体可分为3个阶段：第一阶段（1980年哈巴湖机械林场设立之前），处于天然沙地水文活动主导的自然状态，靠外围流沙潜水汇流维持中心自然水面，环湖湿地沼泽植被自然发育；第二阶段（1980—2005年，林场成立），固沙植被开始引入，但是受限于规模、强度和技术限制，主要集中在容易造林的环湖湿地沼泽植被带外围，更大面积的外围流沙区没有明显的植被建设，集水区汇水结构和功能没有明显改变，但是中心地下水位已经开始下降；第三阶段（2005年保护区成立至今），植被建设大幅扩展到全集水区范围，植被对浅层地下水循环的显著影响显现，地下水位明显降低，植被-水文关系也随之出现恶化，只能靠人工补水维持湖泊水面大小。

哈巴湖湿地集水区是一个典型的浅盆型地质构造区，沙地呈四面包围态势，自然状态下中心保持一定面积的湖面和稳定沼泽植被覆盖状态。对于植被建设对湿地的影响，从湿地演变过程看，早期临湖丘间地营林拉沙，一是进一步扩大了核心区的面积，使得源-汇的空间比例关系失衡；二是沙丘拉平后，其单位面积降水转化潜流的效率大幅降低，反而加剧了土壤水分的蒸发损失；三是随着外围流动沙丘向固定沙丘转变，降水入渗能力降低、植被蒸腾耗水增强等，都进一步削弱了沙地对于湿地的水源功能。最后，伴随杨树等深根性乔木和大量灌木的进入和不断生长，其对从沙区到滩区的潜流过程的影响也日益显著，为此地下水位显著下降，潜流过程中断。

图5 1977—2018年南海子湿地景观演变历程

Fig.5 Landscape evolution of Nanhaizi wetland during 1977—2018.

与哈巴湖湿地不同，南海子湿地属于典型的多级阶地式构造，从分水岭到湖面的海拔坡降明显（图5）。集水区南北地质构造迥异，北部为硬梁地构造，南部为软梁地构造，汇水过程因此一分为二：硬梁地以地表径流为主，软梁地以浅层地下水活动为主。与哈巴湖湿地由内而外的植被扩张不同，除临湖小面积平滩地上营造的乔木林外，南海子湿地更大面积的植被建设采取了类似沟道径流造林的方式。在水文响应上，时至今日，在核心区地下水位依然没有明显的变化；自然湖面受季节性降水所形成的地表径流影响，发生着季节性和年际间的规律性变化，湿地核心区面积基本稳定。相对而言，阶地式覆沙构造决定了地下潜流更易汇集和流动，不易被植被截留消耗，南海子湿地植被建设的水文响应在景观尺度上并不明显。

在景观尺度上，植被建设与生境旱化因果关系的成立与否已经脱离了局域的水量平衡限制，反而是地质构造和降水因素的耦合作用，决定了植被建设与生境旱化因果关系成立的前提条件。相对而言，浅盆型地质构造下，植被活动可能更容易直接作用于浅层地下水循环，从而诱发湿地退化过程。

3.3生态系统层次——以人工柠条林为例

在旱区沙化草原地带广泛种植固沙林一直是生态学界关注的焦点。与黄土高原大规模植树造林引发的深层土壤干旱、地表径流量下降等水文响应过程^[4]相比较，旱区草地营造林是否存在同样的因果逻辑，受气候、降水、土壤、地貌、树种的差异限制，依然需要全面和独立的分析。

以荒漠草原人工柠条林^[11]为例，周年水分平衡研究表明，草地和林地周年土壤水分变化节律一致，0～200 cm土层土壤含水量无显著差异，深层120cm以下土层土壤含水量普遍稳定而低下；无论林地还是草地，土壤水分周年闭合差均出现了亏缺^[30]。丹杨等^[31]研究发现，相对于天然草地，草地上建植的柠条林叶面积指数年最大值从0.2提高到0.67，但是蒸腾强度只提高到1.35倍，蒸发强度几乎没有变化，年平均增加的蒸散发量（29.69 mm）只占到当地多年平均降水量的10.6%。在荒漠草原地球关键带水文循环层面，这个区域降水分布和下垫面条件决定了土壤深层渗漏过程并不发达，大降水容易转化为地表径流而脱离局域水量平衡过程，而中小降水的循环具有很强的局域性^[32]。无论林地还是草地，蒸散发与剔除地表径流和深层渗漏的局域有效输入水量基本持平，因此土壤干旱本就是一个自然的存在。在此限制下，相对于天然草地，柠条的引入有效提高生态系统水分利用效率的同时，其利用的也主要是天然草地不能利用同时也不能参与更大范围水文循环的那部分水分。

从更大区域范围来看，在轻度沙化草地引入柠条后，“小老树”现象是一个较为普遍的存在；相反，在中度到重度沙化草地，特别是积沙滩地，正常建植的柠条等人工灌木生长状态一直良好。总体而言，柠条引入荒漠草原直接导致土壤干旱的单向因果，以及反馈植被退化的双向因果，有别于降水量更低的荒漠区和降水量更高的黄土丘陵区。个别案例也多有中间变量的参与，如长期封育条件下生物土壤结皮的发生，通过诱导强化水文过程浅层化，进而表现出植被建设与生境旱化的共同因果关系^[33]。但是，部分区域为追求森林覆盖率指标所营造的高密度柠条林，其带来的水文后果是严重的，因果关系也是清楚的^[11]。

综合宁夏中部荒漠草原区多个尺度研究的结果，以柠条为代表的人工植被建设与生境旱化间并不存在普遍的直接因果关系；受土壤、地质、地形等因素的影响，可能存在较为显著的共同因果关系。在科学绿化背景下，就本区域柠条等存量灌木林管理而言，至少存在三类不同模式：第一，受土壤干旱自然条件限制的非适宜生境存量林，应以自然演替为主；第二，带来严重生境旱化问题的高密度林，可以近自然化的演替修复为主；第三，沙地等适宜生境营造的灌木林，则以更新抚育为主。

4 总结与建议

“以水定绿”是一个多尺度、多过程、多要素的生态学因果体系。旱区植被建设与生境旱化因果关系的成立是有前提条件的，并不存在泛化的因果关系。在更广泛的意义上，生境旱化的生态学外延就是指旱区自然水文循环过程被扰动后，其所承担的生态系统服务功能的削弱；土壤干旱只是其中的一个环节，其生态学效应更多表现在局域尺度植被-水文关系的失衡。目前，旱区科学绿化存在的主要矛盾与问题突出表现为实践中对不同类型/层次因果关系的认知和界定上，由此导致“以水定绿”原则在实践中容易出现不同区域/尺度植被-水文关系模式的机械式套用或简单化执行。尽管已有诸多应用模式早期践行了旱区科学绿化的基本原则，但是并未成为生态建设的主流；在广义植被-水文关系架构下，“以水定绿”需要更多从水文循环过程及其多生态系统服务着眼，跳出单纯的绿化范畴，与山水林田湖草沙一体保护和系统修复有机衔接整合。综合来看，旱区科学绿化实践需重点解决的关键问题，一是要清晰界定“水”和“绿”的因果关系，在工程实践中统一“植被措施”和“生态目标”；二是要灵活运用生态学因果关系，在“山水林田湖草沙”系统化设计中推进科学绿化实践。

针对宁夏科学绿化试点示范省建设，我们建议：

1）科学认知：突破局域（均质）、静态和平衡的狭义生态水文理论限制，向景观（异质）、动态和开放的广义植被-水文关系架构转变。重点从小流域层面系统认识荒漠草原区植被建设与生境旱化的因果联系，为干旱与半干旱过渡区、草原到荒漠的一类生态地理过渡区“科学绿化”实践、“山水林田湖草沙”一体保护与系统修复提供依据，指明方向。

2）管理实践：自上而下，首先从监管指标入手，组织部门要放弃单一的绿化思维，从山水林田湖草沙一体考虑，在项目管理指标中平衡好“水”和“绿”的关系；其次，从空间规划入手，设计部门要放弃单一的工程思维，多留白少扰动，认识到“绿”和“不绿”的关系，充分发挥自然恢复力的作用；第三，在工程实施中，处理好“存量”和“增量”的关系，目前看重点是存量绿色资源的管理；增量需更关注“质量”和综合效益，现阶段不宜追求规模，先从典型问题入手，做好试验示范工作。

3）工程应用：首要，要强化生态系统和水文过程的监测体系及其产品形成机制，奠定绿化的“数据”基础；其次，高度重视在景观和流域层次上，恢复生态学和遥感科学在工程实践中的交叉创新融合，奠定绿化的“技术”基础；第三，在具体技术研发中，要遵循旱区水文循环的规律，突出近自然化技术的研发与系统集成，奠定绿化的“生态”基础。

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