半干旱区农牧交错带既是我国一条典型的生态脆弱带,也是重要的生态屏障,其生态环境的好坏不仅是区域经济发展的基础和保障,更是关系着黄河、海河流域、京津冀生态安全的屏障。半干旱区水文循环的自然属性决定了生态系统的基本格局,其自然生态是受地下水支撑的草原植被,生态系统的空间格局和景观变化反映了地下水空间分布的格局演变。草原生态代表着半干旱区生态系统的自然属性,是支撑这个区域的生态基础,草原生态安全不仅仅关系到牧区本身,也极大影响整个区域的生态质量和安全稳定。由于在沙半干旱区地草原进行灌溉农业开发,形成了独有的农牧交错带,西辽河平原属于草原农牧业此消彼长的典型地区。随地下水开采强度增大、灌溉面积扩大,西辽河平原在最近的十年间耕地面积已超过了草原。这种生态格局的逆转,导致区域生态系统自然属性大幅下降,水土资源面临枯竭、可再生能力下降,对整个区域的经济社会与生态安全留下重大隐患。首先,西辽河平原草地面积不断被压缩,目前草原面积已不足西辽河平原面积的33%,直接导致许多适应小生境的植被消亡,草原植被物种多样性下降。其次,大规模井灌导致地下水位整体下降,灌区周边的草原也受到影响,出现草原植被演替。这显然不符合生态文明建设的国策,需要研究能够保障生态安全的农牧区新型生态格局,提出耕地草地合理比例,这是影响深远的重大生态安全问题。在《农业部关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》中,明确提出农业结构调整的必要性,在《内蒙古自治区生态环境保护“十三五”规划》中也明确提出了要“针对目前人为活动影响较小、生态良好的重点生态功能区,加大自然植被保护力度,科学开展生态退化区恢复与治理”。因此亟待建立一套以保证生态系统的自然属性为目标的半干旱区农牧交错带区域生态结构评价方法,并以西辽河平原为例分析农牧区生态格局结构比例。针对半干旱区水生态文明建设面临的水文水资源—生态—经济社会发展面临的结构性矛盾,以保护草原生态系统自然属性为目标的半干旱区草原农牧交错带合理生态格局研究,对科尔沁草原现状的研究是重中之重。首先,科尔沁草原的保护与重建取决于对现有草原植被的深刻认识;其次,作为科尔沁草原的植被标志,必须对现有草原植被群落进行全面深入研究;第三,作为驱动因子,必须认清地下水位调控管理对草原植被群落格局的决定性影响;最后,以现有草原为基础,提出以调整农牧业结构和地下水调控为依据的西辽河平原草原重建与保护方案建议。主要研究成果如下:(1)对西辽河平原草原植被群落演替历史进行了系统深入研究为了研究西辽河平原的自然属性,对截止到1980年代的西辽河平原区植被物种组成情况各类调查考证资料进行了系统梳理,作为自然生态的本底基础。1980年代初,西辽河平原区有各类植物917种,分属于108科,412属。通过对西辽河平原区的植被分布进行GIS上图处理,对群落分布范围、面积、斑块个数、土壤类型、物种组成进行分析。植被面积48930.07km~2,物种密度约19种/千km~2,形成25个主流群落。西辽河平原植被群落分布具有极强的地域性,覆盖全境的植物种类仅有128种,占物种总数的14%;而50%的面积上散布了 85.3%的物种。这就意味着随着草原面积的减少,植被的物种多样性也几乎同步程度地减少,许多适宜局地生境的物种随之消失。也可推测,如果能够保持一半的草原面积,科尔沁草原的物种多样性能够得到较满意的保障。这也暗示,如果设立恢复天然草原面积使其占地达到50%的目标,通过唤醒土壤中残留种子,或许使某些物种能够得到重生,从而达到增强现有物种多样性的效果。(2)西辽河平原天然草原植被群落现状调查研究自1980年代以来,伴随着灌溉面积的发展,科尔沁草原的草地面积由4.89万km~2,萎缩到2016年的2.24万km~2,其中包含大量人工草地和演替退化草场,原生天然草地面积不足1万km~2,并且破碎化严重。现存较为完整连片的6702.89 km~2是现状研究的对象。为此进行了多次野外调查,收集了大量第一手资料。物种多样性由917种下降到245种,分属19个群落,种群密度由大约19种/103km~2下降到不足12种/103km~2。科尔沁草原面积的萎缩使得物种大量消亡灭绝,并且多样性的下降速度高于草地面积减少速度。除了植被群落类型发生了巨大变化,通过对比历史与现状植被群落组成,可以发现同一群落在80年代的物种组成与现状相比也发生了很大变化,主要体现在组成群落的植物物种类的减小。结合历史调查分析推测:当天然草地面积缩减到50%,即大约2.45万km~2时,是植被多样性急剧减少的转折点。(3)西辽河平原天然草原植被群落演替分析导致原生草原退化来自两个方面:一是灌区开发,土地利用侵占了大量草地;二是随着地下水位下降,迫使草原植被群落发生改变,出现了演替物种。通过对比80年代和现状年的植被群落情况,从植被群落面积、植被物种多样性演变、植被群落类型演变以及植被群落物种组成分析了西辽河平原天然草原植被群落的演替,发现了不同演替阶段的物种,反映了科尔沁草原面积退化萎缩过程。(4)农牧交错带区域生态结构评价路径根据恢复生态学原理,以现有天然草地植被群落为基础,通过退耕和恢复地下水潜流场,调升地下水位,以群落强势增长的优势,进行空间拓扑扩张。根据西辽河平原草原植被群落演替历史得到的启示,草原面积恢复到2.45万km~2以上,可能获得植被物种多样性的加强。空间拓扑的方法途径:1)用景观生态学方法初步建立草地耕地比例关系,提出保持自然属性最低限度总比例原则;2)在对西辽河平原草原植被群落演替分析的深刻认知的基础上,调整合并生态面积;3)考虑生态景观的连续性,保证自然生态景观连通、防止破碎化,进一步调整合并生态面积。以地下水补给植被临界埋深对应,分析地下水潜流场支撑生态格局的合理性。(5)地下水支撑的西辽河平原农牧交错带生态格局研究现有天然草原植被作为草地生态恢复的基因库,以天然草原为基础向外扩张的原则,运用景观生态学中“源-汇”理论方法开展西辽河平原区农牧生态格局调整优化。运用MODCYCLE模型建立西辽河流域水循环模拟模型,模拟得到2001-2014年西辽河平原地下水流场。通过叠加天然草原扩张区域和西辽河平原地下水位等值线图,以来分析地下水潜流场支撑农牧区生态格局的合理性。按地下水位值<3m、3-4m、>4m将扩张区域地下水条件划分为支撑,基本支撑,不支撑。分析了不同地下水条件下西辽河平原农牧交错带合理生态格局的近期目标、中期目标和远期目标,从而建立一套以保证生态系统的自然属性为准则的农牧交错带区域生态结构评价方法。远期目标显示,经过生态格局调整后天然草原面积可望恢复到22455.75 km~2,另有灌溉草地2.1万km~2,农田面积13753km~2,农牧面积比结构由现状的1.04减小到0.32。(6)调整西辽河平原生态格局的合理性分析利用源汇方法进行现有物种群落空间扩张是以地下水潜流场为驱动力,现有植物群落随地下水位回升以一定规则扩张复制。根据西辽河平原草原植被群落的物种局地特性,在被现有群落强势扩张“入侵”的区域,物种多样性将会出现两个方面的变化:一是部分物种适应不了新的生境而变异或消亡;二是新恢复的区域其土壤中残留或处于休眠状态的当地物种的种子,在地下水条件恢复后被激发得以重生。最终,新恢复的草地形成一种既不同于现状,也不同于从前的新型群落,植被物种多样性总体上呈现平缓增加的趋势,使得草原的自然属性得到极大提高。(7)提出了西辽河平原草原重建与保护方案建议提出以调整农牧业结构和地下水调控为依据的西辽河平原草原重建与保护方案。即“退耕”、“还水”、“还草”:调整农业灌溉面积,恢复地下水位,修复草原生态,三个环节缺一不可。