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生物学过程是沙漠化过程研究的主要内容之一。

沙漠化的生物学过程主要为植被的退化演替, 即景观格局的演变。近年的研究结果表明, 沙质草地植被的演替与一般草地不同, 沙区植被 的演替大多数是与土地沙漠化程度相关联, 植被演替阶段往往与土地沙漠化程度互为前提。

沙区植被沙漠化演变既有渐变, 又有突变,这种渐变和突变既受制于上地沙漠化程度, 又决定于其本身的结构功能;在不同类型沙漠化土地间, 植被为突变; 在相同类型沙漠化土地内, 轻度沙漠化土地上的植被为渐变 , 重度沙漠化土地上的植被为突变。

沙区植被退化方式和速度往往因其成因不同而存在较大差别。因放牧引起的草地沙漠化, 其规律是: 生物多样性、植被盖度、草层高度和牧草产量均呈明显下降; 多年生牧草首先从草地中退出, 然后家畜喜食的一年生牧草退出, 草地最终将以家畜不喜食或不食的劣质牧草和有 害牧草占优势。在盖度下降到一定程度时,地表首先出现小的裸斑,小裸斑逐步扩大并连片, 最终导致地面全部沙化。

由风沙危害及水分状况等原因引起的草地沙漠化过程与放牧引起的土地沙漠化过程有相似之处,但也有区别,其区别主要表现于:由沙丘阴坡到沙丘阳坡, 由湿地向旱地,由固定沙地到流动沙地植被迅速恶化;其速度明显高于放牧引起的植被退化,但植被高度和产量不一定下降, 只是植被盖度和植物种组成迅速减少。

沙地退化植被在有利环境条件下可以发生正向演替,植物种组成、植被盖度、高度均明显增加,群落中草本植物比重增大。