內(nèi)蒙古巴圖灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)不同沙障設(shè)置初期植物與土壤特征研究

展秀麗，嚴(yán) 平，楊典正，齊 彪

（1.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)防沙治沙教育部工程研究中心，北京 100875）

在干旱地區(qū)，隨著水土資源的開(kāi)發(fā)利用不斷擴(kuò)大，引起了生態(tài)環(huán)境的變化，使土地沙漠化程度增長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)沙危害嚴(yán)重威脅著干旱地區(qū)水庫(kù)庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境及水資源利用［1－4］。國(guó)內(nèi)外在防沙治沙方面取得了較豐富的成果，但針對(duì)干旱地區(qū)水庫(kù)風(fēng)沙危害與防沙治沙綜合效益評(píng)價(jià)方面的研究工作，相對(duì)薄弱。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)干旱地區(qū)一些水庫(kù)已經(jīng)實(shí)施了相應(yīng)的防沙治沙措施，如龍羊峽水庫(kù)、金塔水庫(kù)及巴圖灣水庫(kù)［1－3］，采用較多的依然是機(jī)械沙障＋植被措施，機(jī)械措施與生物措施相結(jié)合是流沙治理行之有效的重要途徑和方法［5，7］。當(dāng)前，流沙固定已不僅僅是沙害防治問(wèn)題，而是作為生態(tài)環(huán)境治理、脆弱生態(tài)恢復(fù)的重要組成部分［6］，防沙治沙措施除了具有防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候的作用，還可以促進(jìn)土壤肥力的恢復(fù)［7］，近年來(lái)，對(duì)防沙治沙實(shí)施地區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究開(kāi)展了許多，也取得了一定的成果［8－10］，但是對(duì)庫(kù)區(qū)防沙治沙過(guò)程中的植被與土壤恢復(fù)研究工作較少。

本研究選取巴圖灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)，2006年開(kāi)始在水庫(kù)西南部的北岸，采用防沙治沙新材料和新技術(shù)，開(kāi)展庫(kù)區(qū)沙源固定試驗(yàn)與示范研究，尼龍網(wǎng)作為一種新型的防沙材料，在風(fēng)沙危害比較嚴(yán)重的地區(qū)，防護(hù)效果明顯［11］，目前，庫(kù)區(qū)防沙治沙措施已實(shí)施3a，本文旨在對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)防沙治沙措施實(shí)施以來(lái)的土壤及植被特征進(jìn)行調(diào)查研究，以期為干旱區(qū)水庫(kù)防沙治沙效益監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

巴圖灣水庫(kù)地處內(nèi)蒙古烏審旗河南鄉(xiāng)境內(nèi)無(wú)定河干流上，處于毛烏素沙地腹地，地理坐標(biāo)為108°38′38″－108°46′45″E，37°58′34″－37°53′46″N。該區(qū)屬于溫帶半干旱與干旱區(qū)過(guò)渡地帶，年均氣溫6～8℃，年均降雨量360mm，年蒸發(fā)量2100 ～2600 mm，干燥度1.6～2.0，年平均風(fēng)速3.3m／s，以西北風(fēng)與東南風(fēng)為主，年均大風(fēng)日數(shù)40～50d。巴圖灣水庫(kù)建成于1976年，控制流域面積3421 km2，由西南向東北方向延伸，水面面積8.67km2，長(zhǎng)23km，平均水深8.7m，總庫(kù)容1億m3，為內(nèi)蒙古西部地區(qū)最大的一個(gè)蓄水庫(kù)。

水庫(kù)周圍沙漠化土地廣布，庫(kù)區(qū)西北部有流沙斷面總長(zhǎng)8.4km，流動(dòng)沙丘入侵水庫(kù)較為嚴(yán)重。據(jù)初步測(cè)定［3］，在風(fēng)速9.7m／s條件下，1m 斷面上每分鐘輸沙量達(dá)到274g，初步估算每年入庫(kù)風(fēng)沙量為54.13萬(wàn)t，10a內(nèi)產(chǎn)生的泥沙淤積量達(dá)到總庫(kù)容的5%，對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行及庫(kù)區(qū)旅游業(yè)的發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2006年開(kāi)始在水庫(kù)西南部的北岸選擇6.67hm2流動(dòng)沙丘，采用防沙治沙新材料和新技術(shù)，開(kāi)展庫(kù)區(qū)沙源固定試驗(yàn)與示范研究，主要包括:新型HDPE尼龍網(wǎng)沙障2hm2、“正光”營(yíng)養(yǎng)基植物沙障（草繩沙障）3.33 hm2和常規(guī)草方格沙障1.33hm2。并在沙障間播種沙蒿2hm2、沙打旺1.33hm2、花棒0.67hm2、草木樨0.66hm2、檸條0.33hm2，同時(shí)開(kāi)展工程固沙效益觀測(cè)、植被恢復(fù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和庫(kù)區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害評(píng)價(jià)等工作。

2 調(diào)查研究?jī)?nèi)容和方法

2009年8月，確定了巴圖灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)觀測(cè)區(qū):2006年設(shè)置的防沙工程措施區(qū)，包括尼龍網(wǎng)沙障、草方格沙障及草繩沙障，區(qū)內(nèi)人工栽植的植被主要是沙蒿（Artemisia desterorumspreng）、花棒（Hedysarum scoparium）等沙地植物。根據(jù)三種不同沙障保存狀況選擇樣方，保存狀況分為優(yōu)、中、差三個(gè)級(jí)別，并進(jìn)行植被調(diào)查及土壤采樣。

表1 樣方概況

植物調(diào)查選取不同沙障的方格100個(gè)，調(diào)查植物的成活率、高度、冠幅及地上生物量的測(cè)定。生物量測(cè)定用稱重法，其中生物量的測(cè)定選取每個(gè)樣方里長(zhǎng)勢(shì)中等的植株，使用枝剪剪下，立即裝入塑封袋里，標(biāo)記并稱重。

在樣方中進(jìn)行土壤樣品采集，采樣深度0－30 cm和30－50cm。所有樣品分別過(guò)1.00mm和0.25mm的篩分后，送至北京林業(yè)大學(xué)土壤實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)定。其中0－30cm樣品用來(lái)分析土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)及鹽分和pH值。30－50cm樣品分析鹽分和pH值。土壤水分的測(cè)定采用鋁盒取樣，分層取樣:0－5cm、5－10cm、10－15cm、15－20cm、20－30cm、30－50cm，容重取樣深度分為兩層，表層和30cm深處。土壤水分和容重測(cè)定均采用烘干法測(cè)定，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)無(wú)重復(fù)。

土壤粒度分析使用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)樣品首先進(jìn)行預(yù)處理，自然風(fēng)干土樣后加10%雙氧水（H2O2）去除有機(jī)質(zhì)，加入10%鹽酸去除碳酸鹽物質(zhì)，反應(yīng)完全后加過(guò)濾水，除去過(guò)量酸，反復(fù)數(shù)次至中性加入濃度為4% （NaPO3）6分散劑，開(kāi)始測(cè)量樣品。通過(guò)Mastersizer2000激光粒度儀輸出所需的參數(shù)，根據(jù)?？撕臀挚斯剑?jì)算得出中值粒徑、平均粒徑及分選系數(shù)等。

3 結(jié)果分析

3.1 植被特征

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果看，尼龍網(wǎng)沙障一部分被人為破壞，同時(shí)也被沙埋，草方格沙障設(shè)置地帶，方格被沙積滿，已看不見(jiàn)麥草，沙障內(nèi)生長(zhǎng)的植物主要是沙蒿，草繩區(qū)及低洼處生長(zhǎng)有花棒等植物，長(zhǎng)勢(shì)良好。由表2可以看出，不同程度的尼龍網(wǎng)沙障內(nèi)的植被長(zhǎng)勢(shì)不同，沙障（BTW01）保存較好，植被高度平均為64cm，每株生物量達(dá)865.29g，沙障沙埋及人為破壞嚴(yán)重（BTW02），幾乎無(wú)植被，高度為40cm，每株生物量307.82g。草方格沙障（BTW04），植被平均高度為43.8cm。草繩沙障保存較好（BTW06），低洼處水分較好，植被長(zhǎng)勢(shì)也較良好，其中，花棒高度有1m多，沙蒿平均高度為52cm，沙蒿生物量每株達(dá)586.27g，花棒每株245.07g。

表2 主要植被特征

3.2 土壤特征

3.2.1 土壤粒度特征 尼龍網(wǎng)沙障內(nèi)沙土的粒度分析結(jié)果（表3）表明，三種不同現(xiàn)存程度的沙障內(nèi)均以中沙、細(xì)沙為主，細(xì)沙含量高于中沙。其中保存較好的尼龍網(wǎng)沙障（BTW01）內(nèi)，0－30cm和30－50cm層的中沙、細(xì)沙的比重占 31.75%、55.19% 和25.72%、64.35%?，F(xiàn)存較差的（BTW02）0－30cm和30－50cm 層的中沙、細(xì)沙的比重占36.03%、54.77%和 35.55%、56.20%?，F(xiàn)存中等的沙障（BTW03）0－30cm和30－50cm層的中沙、細(xì)沙的比重占28.24%、56.56%和34.16%、60.03%。各樣方內(nèi)的沙土粒度組成差異較小。從平均粒徑看出，BTW01上層較30－50cm層粗，BTW02內(nèi)兩層粗細(xì)程度相近，BTW03上層較30－50cm層細(xì)。由分選系數(shù)得出，各樣方沙土分選均較好。

草方格內(nèi)沙土的粒度分析結(jié)果（表3）表明，0－30cm中沙和細(xì)沙含量最高，30－50cm是細(xì)沙含量最高，中沙次之。0－30cm和30－50cm的中沙、細(xì)沙含量分別占44.66%、45.82% 和 32.69%、62.02%，平均粒徑為2.06（Φ）、2.3（Φ），分選系數(shù)1.21（Φ）、1.17（Φ），數(shù)據(jù)結(jié)果均顯示出上層較深層沙粒粗。

草繩沙障內(nèi)的沙土的粒度結(jié)果（表3）顯示，與尼龍網(wǎng)沙障結(jié)果相似，沙粒細(xì)沙含量最高，中沙次之?，F(xiàn)存較好的草繩區(qū)，0－30cm和30－50cm的細(xì)沙、中沙含量占62.83%、26.12%和61.77%、36.56%?，F(xiàn)狀較差的0－30cm和30－50cm的細(xì)沙、中沙含量占63.29%、23.13%和58.92%、36.74%。從平均粒徑看，上層較深層沙粒細(xì)，分選程度相似。

表3 土壤粒度特征

3.2.2 土壤含水率、容重 各樣方內(nèi)土壤含水率隨深度變化（圖1）顯示，尼龍網(wǎng)沙障:BTW01的表層水分含量較BTW02、BTW03高，往下逐漸降低，10cm以下低于BTW02、BTW03，而B(niǎo)TW02、BTW03的土壤含水率隨深度變化較平緩。草方格沙障區(qū)（BTW04）土壤含水率表層較低，隨著深度增加逐漸升高。保存較好的草繩沙障（BTW06）土壤含水率表層高于BTW04、BTW07，隨深度增加土壤含水率上升，在15cm處達(dá)到最高，之后開(kāi)始下降，20－30cm處土壤含水率均高于其他。通過(guò)對(duì)三種沙障內(nèi)土壤容重的測(cè)定，如表4所示，各樣方均表現(xiàn)為表層的容重高于30cm深處的，其中表層的容重變化為1.589～1.752g／cm3，30cm 深的 容重變 化為 1.554～1.645g／cm3，不同沙障之間差異較小。

圖1 土壤含水率隨深度變化

表4 土壤容重 g／cm3

3.2.3 土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、鹽分和pH值 從測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看（表5），尼龍網(wǎng)沙障、草方格和草繩沙障內(nèi)的土壤全N、全P、全K的含量均較低，不同沙障之間無(wú)明顯區(qū)別。

表5 土壤養(yǎng)分含量平均值（0－30cm）

目前，巴圖灣水庫(kù)沙區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)變化為0.10～0.45%之間，含量較低，各樣方結(jié)果（圖2）對(duì)比得出:BTW01＞BTW06＞BTW02＞BTW03＞BTW04＞BTW07。鹽堿度狀況（圖2），土壤pH值0－30cm層表現(xiàn)為7.50＜pH＜8.00，呈弱堿性，各區(qū)差異較小，30－50cm 層為7.45＜pH＜8.74，BTW01和BTW06的pH值較其他樣方小，而這兩樣方植被長(zhǎng)勢(shì)較好，也說(shuō)明了植被恢復(fù)有利于土壤的pH值減?。?2］，本研究中的BTW03和BTW04的pH值0－30cm的明顯低于30－50cm的，其他點(diǎn)兩層pH值差異不大。從土壤飽和浸出液的電導(dǎo)率（圖2）來(lái)看，兩層土壤電導(dǎo)率均在0～2mS／cm之間，土壤屬于非鹽化狀態(tài)，另外可看出，0－30cm層的值略高于30－50cm層。

3.3 植物與土壤有機(jī)質(zhì)之間的關(guān)系

從圖3中可以看出，各樣方的沙蒿生物量BTW01＞BTW06＞BTW04＞BTW02＞BTW03，有機(jī)質(zhì)的變化BTW01＞BTW06＞BTW02＞BTW03＞BTW04，二者趨勢(shì)變化基本一致，說(shuō)明沙蒿生長(zhǎng)與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，有機(jī)質(zhì)越高，生物量越高，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量的多少，反映土壤肥力的高低，進(jìn)而直接影響生物量［13］。

圖2 各沙障內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)、鹽分和pH值

圖3 沙蒿生物量與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

3.4 不同沙障植物生長(zhǎng)和土壤水分、養(yǎng)分之間的關(guān)系

從前面的分析看出，本研究中的尼龍網(wǎng)沙障（BTW01）的表層水分含量較BTW02、BTW03高，植被高度平均為64cm，每株生物量達(dá)865.29g。草方格沙障區(qū)（BTW04）土壤含水率表層較低，隨著深度的增加逐漸升高，植被平均高度為43.8cm。草繩沙障（BTW06）于低洼處，土壤含水率表層較高，植被長(zhǎng)勢(shì)也較良好。尼龍網(wǎng)沙障、草方格和草繩沙障內(nèi)的土壤全N、全P、全K的含量均較低，各沙障之間無(wú)明顯區(qū)別。

植物的生長(zhǎng)不僅僅與土壤水分有關(guān)，土壤養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)也有很大的影響，而且植物、土壤水分與養(yǎng)分三者之間也是相互影響的。研究表明，固沙植被對(duì)沙地土壤水分狀況影響較明顯［14－15］，人工植被的恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚作用，而且對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變化特征具有一定的影響［16］。本研究數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，植被、土壤水分與土壤養(yǎng)分三者之間關(guān)系不明顯，主要是因?yàn)樯痴显O(shè)置年限較短，植被栽植期也較短，還沒(méi)有完全形成植被－土壤－水分相互作用的系統(tǒng)，三者之間的關(guān)系還不明顯，還需要進(jìn)行較長(zhǎng)年限的監(jiān)測(cè)。另外，本研究采樣為雨季，采樣前期有過(guò)降雨，對(duì)沙地土壤水分也產(chǎn)生了影響。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）尼龍網(wǎng)沙障內(nèi)，不同保存程度沙障的植被長(zhǎng)勢(shì)存在差異，保存較好的沙障植被高度平均為64 cm，被沙埋及人為破壞嚴(yán)重的沙障內(nèi)植被平均高度為40cm。草方格沙障植被平均高度為43.8cm，草繩沙障保存較好，植被長(zhǎng)勢(shì)也較好?？梢?jiàn)，防沙治沙措施設(shè)置初期，沙障保護(hù)好壞與植物的生長(zhǎng)有著重要作用。

（2）尼龍網(wǎng)沙障區(qū)內(nèi)均以中沙、細(xì)沙為主，細(xì)沙含量高于中沙。草方格區(qū)上層中沙和細(xì)沙含量最高，下層細(xì)沙含量最高，中沙次之，上層較深層沙粒粗。草繩沙障與尼龍網(wǎng)相似，沙粒細(xì)沙含量最高，中沙次之，上層較深層沙粒細(xì)。土壤容重表層均高于30cm。沙障設(shè)置初期，各沙障內(nèi)風(fēng)沙土的機(jī)械組成差異較小，相對(duì)穩(wěn)定。

（3）尼龍網(wǎng)沙障、草方格和草繩沙障內(nèi)的土壤全N、全P、全K的含量均較低，不同沙障之間無(wú)明顯區(qū)別，養(yǎng)分元素相對(duì)穩(wěn)定。沙蒿地上生物量與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)基本一致。土壤pH值顯示，土壤均為弱堿性。沙障設(shè)置初期，巴圖灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)沙地的土壤改良一般，隨著植物的增長(zhǎng)，將會(huì)逐漸提高。

4.2 討 論

本文從土壤與植被恢復(fù)的角度，來(lái)探討干旱地區(qū)水庫(kù)防沙治沙工程措施實(shí)施初期的生態(tài)效應(yīng)，通過(guò)野外調(diào)查與室內(nèi)分析，對(duì)巴圖灣水庫(kù)防沙工程措施區(qū)目前土壤與植被的基本特征有了初步的了解，總體看來(lái)，尼龍網(wǎng)沙障＋植物措施的土壤與植被恢復(fù)效果稍優(yōu)于其它兩種沙障。植物沙障和尼龍網(wǎng)沙障相結(jié)合可將尼龍網(wǎng)沙障的功效發(fā)揮到最大，沙障布設(shè)后，可以防止沙障間種子播種后遭受風(fēng)力侵蝕裸露而降低成活率，經(jīng)過(guò)一定的年限后，尼龍網(wǎng)沙障將不能發(fā)揮防風(fēng)固沙效益，植物沙障此時(shí)代替尼龍網(wǎng)沙障，使其達(dá)到持久性固沙。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，尼龍網(wǎng)沙障除了被沙埋，較大一部分被人為抽掉，損壞較嚴(yán)重。

草繩沙障區(qū)的草繩，大部分被吹蝕裸露沙面，已中斷成一段一段地，人工種植的植物生長(zhǎng)較少，保存效果較差。草繩較尼龍網(wǎng)和麥草壽命短，容易腐爛，某一部位草繩被風(fēng)蝕裸露后可能會(huì)加速相鄰區(qū)域草繩的裸露，因此草繩所起的保持水分和增加營(yíng)養(yǎng)的作用隨之減弱，植物種子在很短時(shí)間內(nèi)難以生長(zhǎng)，草繩沙障無(wú)法起到預(yù)期的效果，這些均可能是導(dǎo)致草繩沙障植被恢復(fù)能力較差的原因，因此對(duì)于草繩沙障的布設(shè)適于選擇風(fēng)蝕速率較小的沙地，或者表面已有一定植被覆蓋的半流動(dòng)沙地，布設(shè)時(shí)應(yīng)該對(duì)草繩間隔一定距離進(jìn)行固定，布設(shè)后采取一定的滴灌措施，使植被能夠快速生長(zhǎng)，防止風(fēng)蝕裸露。

從以上分析看來(lái)，巴圖灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)的防沙體系還需要進(jìn)一步健全，需要及時(shí)更新，首先應(yīng)對(duì)積沙較滿的沙障進(jìn)行維修及更新，人為破壞的沙障應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。機(jī)械措施與生物措施相結(jié)合是目前公認(rèn)的流動(dòng)沙丘有效固定的方法，機(jī)械措施是生物措施得以有效治理沙地的必要輔助，最終依然是植物固定沙丘。因此，在沙障實(shí)施后需要加強(qiáng)對(duì)沙障的修復(fù)與保護(hù)，禁止人畜進(jìn)入治理區(qū)。另外，在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，自然植被長(zhǎng)勢(shì)較好，但是多度較低，沙障在被人為破壞后，人工栽植植物生長(zhǎng)較一般，建議定期補(bǔ)栽鄉(xiāng)土物種。一般地，生態(tài)恢復(fù)的時(shí)間越久，效益也越顯著，因此，巴圖灣水庫(kù)沙區(qū)植被的恢復(fù)與重建還需進(jìn)一步實(shí)施，防沙治沙采取措施的年限較短，亟需進(jìn)一步治理與監(jiān)測(cè)。

致謝:本研究野外工作得到了內(nèi)蒙古薩拉烏蘇旅游文化發(fā)展有限公司的大力支持，特此表示感謝！

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