毛烏素沙地沙柳沙障破損規(guī)律與植被恢復(fù)的研究

王瑞東 黨曉宏,2 高 永 楊 霞 張 超 李婉嬌

( 1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；

2. 內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

沙柳（Salix psammophila）沙障是我國(guó)西北地區(qū)主要的治沙措施之一，能夠在一定程度上有效地改變流沙表面的粗糙度，減弱近地面風(fēng)速，降低風(fēng)沙流活動(dòng)及沙丘移動(dòng)速度，從而達(dá)到固定流沙、防治沙害的目的[1-2]。研究證明在流動(dòng)沙丘上鋪設(shè)沙柳沙障能夠有效改善沙丘微環(huán)境，促進(jìn)并加快植被恢復(fù)進(jìn)程[3]。由于地域的優(yōu)勢(shì)，毛烏素沙地盛產(chǎn)沙柳，且沙柳在生長(zhǎng)一定年限必須進(jìn)行平茬復(fù)壯，當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民充分利用平茬的沙柳條鋪設(shè)沙障來(lái)防沙治沙，效果相當(dāng)顯著[4-5]。布設(shè)沙柳沙障單次施工可以達(dá)到生物治沙及工程治沙的雙重目的，因此，這是一種具有很大推廣價(jià)值的防沙治沙措施[6]。近幾年發(fā)現(xiàn)，沙柳沙障在鋪設(shè) 3～5 a后，受到自然或人為等因素的影響發(fā)生不同程度的破損現(xiàn)象，使障邊出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的缺口，其破損程度使沙障的防風(fēng)固沙作用及植被恢復(fù)效果受到嚴(yán)重影響[7-8]。目前，關(guān)于沙柳沙障的防風(fēng)固沙效益方面做了較為全面的研究，但對(duì)于沙障破損規(guī)律及其對(duì)植被恢復(fù)的影響研究還較少[9-11]。因此研究沙障破損情況及其與植被恢復(fù)的關(guān)系具有十分重要的意義。

本研究以毛烏素沙地南緣的巴圖塔沙柳林基地內(nèi)布設(shè)的沙柳沙障為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同年限（3、5 a）、不同規(guī)格（1 m×1 m、2 m×2 m）、不同坡位（迎風(fēng)坡底部、迎風(fēng)坡中部、沙丘頂部、背風(fēng)坡中部、背風(fēng)坡底部）以及不同障邊位置沙柳沙障破損度及沙障內(nèi)主要植物種生長(zhǎng)的情況進(jìn)行調(diào)查分析，以此探明沙柳沙障破損情況及其與植被恢復(fù)的關(guān)系，旨在為更有效、合理地利用沙柳沙障資源，改善我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

巴圖塔沙柳基地試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，地處北緯39°31′，東經(jīng)110°03′，屬神府東勝礦區(qū)巴圖塔井田的防沙治沙區(qū)，海拔1 100～1 300 m。屬溫帶半干旱半荒漠性氣候[12]。年平均氣溫為5.5～9.1 ℃；風(fēng)大且頻繁，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均風(fēng)速3.5 m/s，最大風(fēng)速達(dá)24 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)約11～25 d[5]。春季大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，常以西北風(fēng)為主；夏季常出現(xiàn)大雨，主要以東南風(fēng)為主。降水主要集中在每年7—9月中旬，年平均降水370～410 mm。植被類(lèi)型主要有沙柳、沙竹（Psammochloa villosa）、沙米（Agriophyllum Squarrosum）、沙蒿（Artemisia ordosica）等，植物種類(lèi)少，覆蓋度低，不足5%[12]。非地帶性土壤以風(fēng)沙土為主。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的伊金霍洛旗境內(nèi)進(jìn)行，在設(shè)置沙障前測(cè)定了該沙丘不同部位的風(fēng)速分布和風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)情況后沿主風(fēng)方向等間距布設(shè)1 m×1 m，2 m×2 m不同規(guī)格沙障各30個(gè)，沙障高20～25 cm。每種規(guī)格沙障從沙丘的基部一直設(shè)置到沙丘頂部，在迎風(fēng)坡底部、迎風(fēng)坡中部、沙丘頂部、背風(fēng)坡中部、背風(fēng)坡底部5個(gè)部位進(jìn)行布設(shè)（如圖1），使用DEY-I型多點(diǎn)遙測(cè)防沙風(fēng)速儀（長(zhǎng)春氣象儀器廠，中國(guó)）測(cè)定沙障的近地表風(fēng)沙流活動(dòng)情況及不同規(guī)格障格內(nèi)4邊的風(fēng)速變化情況。風(fēng)杯設(shè)在距地表10、50、100、200 cm高度后記錄不同高度的風(fēng)速情況。每個(gè)測(cè)點(diǎn)3次重復(fù)。同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)室自制積沙儀器測(cè)定近地表10 cm高度內(nèi)的沙塵活動(dòng)情況[13-16]。

圖 1 沙丘坡位示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sand dunes

沙障設(shè)置第3年（2015年9月）和第5年（2017年9月）的秋季，以1 m×1 m和2 m×2 m規(guī)格的不同坡位進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，設(shè)置5個(gè)調(diào)查樣方（與沙障規(guī)格一致），對(duì)每個(gè)障格4條邊的破損程度及植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)查。以此研究沙障破損程度規(guī)律及其與植被恢復(fù)的影響。調(diào)查時(shí)，為了便于數(shù)據(jù)處理分析，從坡下部至坡上部每個(gè)障格4條邊命名如圖2。調(diào)查指標(biāo)有沙丘坡度、高度，植被種類(lèi)、蓋度、密度、高度、頻度和沙障每個(gè)障格4條邊的破損情況等。

圖 2 沙障障格4條邊位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the quadrilateral

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了便于數(shù)據(jù)處理分析，處理時(shí)將不同大小的樣方數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化為1 m×1 m樣方數(shù)據(jù)。按公式（1）計(jì)算破損度[17]，按公式（2）～（6）計(jì)算重要值，通過(guò)物種重要值確定植物群落的主要成分，分析群落的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步研究沙柳沙障對(duì)植被恢復(fù)的影響[18]。按公式（7）～（10）計(jì)算多樣性指標(biāo)，分析沙柳沙障破損程度與群落多樣性變化的關(guān)系[19]。

式中：S為障格內(nèi)群落中總種數(shù)；N為障格內(nèi)所有物種個(gè)體總數(shù)；Pi采用綜合特征量的重要值與群落總重要的比值來(lái)代替[19]。

圖 3 沙丘不同部位迎風(fēng)邊、順風(fēng)邊破損情況Fig. 3 Damage to the wind and the side of the sand in different parts of the dune

3 結(jié)果與分析

3.1 沙柳沙障破損情況分析

山丘不同部位迎風(fēng)坡、順風(fēng)坡破損情況見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著沙柳沙障布設(shè)年限的增加，該地區(qū)的沙柳沙障平均破損程度已經(jīng)從22.45%（布設(shè)3 a后）增加到52.89%（布設(shè)5 a后）。沙障破損程度值的大小排序均表現(xiàn)為背風(fēng)坡底部＞背風(fēng)坡中部＞沙丘頂部＞迎風(fēng)坡底部＞迎風(fēng)坡中部。在沙丘背風(fēng)坡，從中部至底部，2種規(guī)格的沙障4條邊破損程度呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)。在沙丘迎風(fēng)坡的底部到頂部，不同部位沙障的破損程度表現(xiàn)為沙丘頂部最大，其次為坡位底部，坡中部的破損程度較小。從沙柳沙障所處沙丘不同部位的迎風(fēng)邊、順風(fēng)邊破損情況可以看出，總體上表現(xiàn)為迎風(fēng)邊破損情況要比順風(fēng)邊破損情況較嚴(yán)重，而迎風(fēng)邊下邊破損度比其他3條邊破損嚴(yán)重，破損程度表現(xiàn)為迎風(fēng)側(cè)下部＞迎風(fēng)側(cè)上部＞順風(fēng)側(cè)左邊＞順風(fēng)側(cè)右邊。另外在調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，沙丘整體的底部、中部的表面經(jīng)過(guò)沙障的固定均已經(jīng)形成結(jié)皮，這種現(xiàn)象為植物的定居與生長(zhǎng)提供了基本的環(huán)境。

3.2 沙柳沙障與植被恢復(fù)的關(guān)系

3.2.1 不同年限沙柳沙障規(guī)格與植被蓋度的關(guān)系

植被覆蓋度是衡量沙柳沙障防護(hù)功能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在一定程度上能夠直接反映沙區(qū)的植被恢復(fù)情況。由圖4可知，不論是沙丘迎風(fēng)坡還是背風(fēng)坡，流動(dòng)沙丘植被蓋度整體上低于布設(shè)不同規(guī)格沙柳沙障，說(shuō)明在流動(dòng)沙丘上布設(shè)沙柳沙障有利于植物生長(zhǎng)和恢復(fù)。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，植被蓋度隨沙障布設(shè)年限及沙障破損程度的增加呈現(xiàn)明顯減少的變化。1 m×1 m規(guī)格沙障的植被蓋度情況低于2 m×2 m規(guī)格沙障，且不同規(guī)格的沙柳沙障植被蓋度在沙丘的不同位置存在一定的規(guī)律性，從沙丘頂部至背風(fēng)坡植被蓋度均是在沙丘背風(fēng)坡較高，特別是在背風(fēng)坡的中部，植被蓋度最好，沙丘頂部植被蓋度較少。

圖 4 2種規(guī)格沙障在沙丘不同坡位的植被蓋度情況Fig. 4 The vegetation coverage of 2 kinds sand barrier in different slope of sand dunes

從表1可知，沙柳沙障設(shè)置3 a后已經(jīng)形成穩(wěn)定的沙蒿+沙米群落，兩者為現(xiàn)階段的主要植物種，在調(diào)查過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)在沙丘背風(fēng)坡出現(xiàn)沙竹、蟲(chóng)實(shí)等植物種。2種規(guī)格相比，2 m×2 m規(guī)格沙障中植物種較多，表明2 m×2 m規(guī)格沙障內(nèi)植被在向良性方向發(fā)展。從植被重要值來(lái)看，2 m×2 m規(guī)格沙障中沙蒿的貢獻(xiàn)率較大，其他種類(lèi)植物已占有一定的群落地位。從植物種所在沙丘不同部位來(lái)看，迎風(fēng)坡沙蒿貢獻(xiàn)率高于背風(fēng)坡，迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡不同坡位間植被恢復(fù)差異不太明顯。由于沙障設(shè)置規(guī)格不同，相應(yīng)規(guī)格內(nèi)不同群落植被蓋度、重要值也不同，更進(jìn)一步說(shuō)明2 m×2 m規(guī)格沙障內(nèi)植被恢復(fù)情況較好。

表 1 不同規(guī)格沙柳沙障在不同坡位的植物種及重要值Table 1 Plant species and important values of different sizes of S. psammophila sand barrier in different slopes %

結(jié)合表2和圖5分析可知，不同設(shè)置年限沙丘植物多樣性的呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。由圖5可知，隨著沙柳沙障鋪設(shè)年限的增加，H′，D、J和M指數(shù)均呈先增加后減少的趨勢(shì)。回歸分析表明，綜合多樣性指數(shù)與設(shè)置年限呈一定線(xiàn)性關(guān)系，尤其是H′和M增加較明顯。

表 2 不同設(shè)置年限沙柳沙障生物多樣性變化及回歸分析Table 2 Biodiversity change and regression analysis of S. psammophila sand barrier with different setting years

圖 5 不同設(shè)置年限對(duì)生物多樣性的影響Fig. 5 The effects of biodiversity in different years of sand barriers

3.2.2 不同坡位各障邊沙柳沙障破損程度與植被恢復(fù)的關(guān)系

對(duì)沙丘不同部位沙柳沙障4條邊的破損情況進(jìn)行分析并探究其與植被蓋度的關(guān)系。由表3可知，順風(fēng)側(cè)右邊沙障的破損程度與植被蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.536，即破損度越大，植被蓋度越小，其余障邊沙柳沙障的破損程度均無(wú)顯著差異。進(jìn)而使植被在恢復(fù)過(guò)程中繼續(xù)面臨風(fēng)蝕沙埋等問(wèn)題，植被在沙障破損嚴(yán)重的地貌區(qū)域萌發(fā)和定居的機(jī)會(huì)較小，植物種存活較少，蓋度降低，進(jìn)而影響植被的恢復(fù)。破損度越來(lái)越大，植被蓋度越小。影響其防風(fēng)固沙帶來(lái)的防風(fēng)效益下降。進(jìn)而使植被在恢復(fù)過(guò)程中繼續(xù)面臨風(fēng)蝕沙埋等問(wèn)題，植被在沙障破損嚴(yán)重的地貌區(qū)域萌發(fā)和定居的機(jī)會(huì)較小，植物種存活較少，沙障帶來(lái)的防風(fēng)效益減弱，使得破損程度越大的地貌植被數(shù)量減少，蓋度降低，進(jìn)而影響植被的恢復(fù)。

表 3 各區(qū)域植被蓋度及沙障的破損度Table 3 Vegetation coverage and damage of sand barriers in various regions %

4 結(jié)論與討論

在流動(dòng)沙地上，沙柳沙障受到光、溫度、風(fēng)蝕、沙埋和微生物等環(huán)境影響，會(huì)導(dǎo)致沙障發(fā)生不同程度的破損、倒伏和缺口[20]。部分沙柳沙障因自身木質(zhì)、纖維等結(jié)構(gòu)的特性發(fā)生變質(zhì)腐爛，引起沙障自身質(zhì)量的損失和力學(xué)強(qiáng)度下降，影響沙障出現(xiàn)大面積倒伏現(xiàn)象；部分沙柳沙障受到風(fēng)力影響而直接倒伏，或由于風(fēng)沙流活動(dòng)引起的風(fēng)蝕沙埋作用導(dǎo)致沙障失去作用；有的沙障因?yàn)榄h(huán)境因素，人畜擾動(dòng)破壞而發(fā)生折斷、缺口等損壞，進(jìn)而導(dǎo)致沙柳沙障防風(fēng)固沙效益下降。沙柳沙障的破損程度在植被恢復(fù)過(guò)程中繼續(xù)面臨風(fēng)蝕沙埋等問(wèn)題，進(jìn)而影響植被的恢復(fù)[21]。不僅如此，根據(jù)高永等[9]在沙柳沙障的防風(fēng)固沙效益研究中表明，在大風(fēng)條件下，1 m×1 m規(guī)格沙障成本高于 2 m×2 m規(guī)格沙障，且沙柳沙障在防風(fēng)固沙方面發(fā)揮了很大的促進(jìn)作用，進(jìn)一步為植被恢復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

沙柳沙障的破損程度及防護(hù)效益很大一部分原因受到地形起伏、沙丘坡度等環(huán)境因子的影響。本研究探討了沙柳沙障所處不同年限、不同沙丘坡位、不同障格位置等條件的變化及沙柳沙障與植被恢復(fù)有何關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沙丘不同部位的沙柳沙障破損程度存在較大差異；根據(jù)哈斯等研究騰格里沙漠東南緣沙丘表面氣流與坡面形態(tài)的關(guān)系表明[22]：在沙丘迎風(fēng)坡底部區(qū)域，氣流流線(xiàn)下凹，速度較??；迎風(fēng)坡中部，流線(xiàn)上凸，流線(xiàn)上凸，氣流加速；因此背風(fēng)坡主要發(fā)生沙物質(zhì)的沉積以及重力作用下的崩塌前移，破損主要以壓埋為主。這一結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果是一致的。從迎風(fēng)坡的風(fēng)速變化來(lái)看，底部的風(fēng)速最小，至迎風(fēng)坡上部時(shí)，風(fēng)速發(fā)生陡變，沙丘頂部則發(fā)生附面層分離，風(fēng)沙流作用較強(qiáng)，各障邊在沙丘頂部均有一定程度的破損，但無(wú)明顯差異，說(shuō)明丘頂4條障邊受坡度影響較小，受風(fēng)作用也相近。另外沙障的迎風(fēng)坡，迎風(fēng)側(cè)下邊首先遭受風(fēng)力侵蝕，其次是迎風(fēng)側(cè)上邊，順風(fēng)邊受風(fēng)沙流的影響明顯較?。粚?duì)于迎風(fēng)側(cè)下邊而言，其也遭受來(lái)自于沙粒重力作用的壓迫，但因坡度較小，這種壓迫作用弱于背風(fēng)坡沙障下邊，因而破損程度相對(duì)于背風(fēng)坡小。沙丘所處背風(fēng)坡位置沙障的各邊破損程度都明顯高于迎風(fēng)坡，在進(jìn)行野外調(diào)查時(shí)，對(duì)沙丘坡度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)2種規(guī)格沙柳沙障所在的沙丘迎風(fēng)坡度為12°左右，而背風(fēng)坡坡度均為31°左右。因此，在沙丘背風(fēng)坡位置沙柳沙障破損較為嚴(yán)重主要有2個(gè)原因[21]，其一，背風(fēng)坡沙丘較迎風(fēng)坡坡度陡，各障邊枝條受自身重力作用向坡腳方向發(fā)生一定偏移，同時(shí)沙丘表面干沙受到重力作用不斷向下發(fā)生堆積，壓制障邊直至倒缺；其二，背風(fēng)坡會(huì)向風(fēng)沙流中接受來(lái)自于迎風(fēng)坡的沙子，引起沙粒在背風(fēng)坡中部的堆積，若沒(méi)有沙障，堆積的沙粒會(huì)在重力作用下下泄堆積至坡腳，進(jìn)而引起沙丘的前移，而在沙障的作用下，這種堆積卻導(dǎo)致沙障障格內(nèi)的沙粒不斷增多，使障邊遭受更大的來(lái)自于沙粒重力作用的向下壓制，同時(shí)，沙粒堆積也會(huì)引起沙障遭受沙埋。在這兩種作用下，從沙障背風(fēng)坡中部到背風(fēng)坡底部，2種規(guī)格的沙障迎風(fēng)邊破損度均呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)，而順風(fēng)邊呈減小趨勢(shì)。從每個(gè)障格的 4條邊來(lái)看，迎風(fēng)邊高于順風(fēng)邊，且沙障向坡腳方向的下邊破損度高于其他3邊。

沙柳沙障是流沙上植被恢復(fù)的重要必要條件和措施，能夠減弱流沙表面風(fēng)沙流活動(dòng)、攔截外來(lái)風(fēng)沙流、改善地表環(huán)境，促進(jìn)植被恢復(fù)過(guò)程。周丹丹等[12]研究表明植被生長(zhǎng)對(duì)沙障有明顯的依附作用，尤其在沙丘背風(fēng)坡，不僅受坡度影響較大，而且背風(fēng)坡坡度較陡，受到重力作用種子會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，坡度是影響植被恢復(fù)的主要因素，這一結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果是一致的。另外，對(duì)沙丘不同部位沙障各邊的平均破損度進(jìn)行計(jì)算，分析其值與植被蓋度的關(guān)系。除順風(fēng)側(cè)右邊，各區(qū)域植被蓋度與各障邊沙柳沙障的破損度均無(wú)顯著差異。分析原因可能是由于沙障目前破損程度還較輕，未達(dá)到對(duì)其植被恢復(fù)效益產(chǎn)生影響的程度，也可能是沙障破損程度會(huì)對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生影響，只是目前鋪設(shè)時(shí)間較短，相互影響關(guān)系還沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)。但結(jié)合4種多樣性指數(shù)的變化可得出，物種多樣性隨沙障布設(shè)年限的增加總體呈上升趨勢(shì)，沙柳沙障內(nèi)植被種類(lèi)、蓋度均呈增加的趨勢(shì)，植被恢復(fù)進(jìn)程加快，促進(jìn)植被的正向演替。

綜合分析，隨沙障布設(shè)年限的增加，土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量逐漸升高，植被整體生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，多年生草本植物也開(kāi)始在沙丘上定居，群落物種數(shù)隨年限的增加而有所增加，群落的物種組成也有一定的變化，群落類(lèi)型將進(jìn)一步向多樣化方向發(fā)展。

本研究中，沙柳沙障鋪設(shè)5a后破損程度嚴(yán)重，平均破損度達(dá)到52.89%，沙丘背風(fēng)坡沙柳沙障破損程度較迎風(fēng)坡嚴(yán)重，同一障格不同障邊的破損程度表現(xiàn)為迎風(fēng)邊＞順風(fēng)邊；2 m×2 m 規(guī)格的沙障植被恢復(fù)效果優(yōu)于1 m×1 m規(guī)格的沙障，表明在流動(dòng)沙丘上鋪設(shè)沙柳沙障能夠有效地促進(jìn)植被恢復(fù)，植物多樣性隨沙障設(shè)置年限基本呈正相關(guān)關(guān)系；風(fēng)力掏蝕是導(dǎo)致迎風(fēng)坡沙柳沙障破損的主要影響因子，坡度和壓埋是導(dǎo)致背風(fēng)坡沙柳沙障破損的主要影響因子。