植物固沙技術(shù)研究進(jìn)展及展望

張鈺佳，張克海，方 橋

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

聯(lián)合國(guó)防治荒漠化《公約》對(duì)荒漠化[1]的定義為：因氣候變化、人類活動(dòng)等諸多干擾因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)干旱地區(qū)的土地退化過(guò)程，即為荒漠化。相關(guān)調(diào)查顯示[2]：目前，世界已有100多個(gè)國(guó)家受到荒漠化的影響，受災(zāi)還影響的人數(shù)已經(jīng)超過(guò)10億人，現(xiàn)有受影響面積與全球耕地面積之比已超過(guò)1/4，荒漠化面積以15 km2/年的速度持續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)作為全球受荒漠化嚴(yán)重危害的國(guó)家之一，受災(zāi)總面積高達(dá)33.4萬(wàn)km2，其中荒漠化面積占53 %以上。受荒漠化影響，引起我國(guó)的經(jīng)濟(jì)損失值占總GDP的14 %以上。目前，防治荒漠化成為人們亟待解決的問(wèn)題。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在防風(fēng)固沙技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究，植物固沙技術(shù)作為最根本，有效改善荒漠化的措施，在防風(fēng)固沙技術(shù)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。本文在介紹了防風(fēng)固沙措施的基礎(chǔ)上，對(duì)植物固沙技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，并提出發(fā)展前景，以期為我國(guó)防風(fēng)固沙措施的選擇和植物空間格局的布設(shè)方案提供參考。

2 固沙措施

目前，防風(fēng)固沙措施主要分為機(jī)械固沙、化學(xué)固沙及植物固沙三大類。

機(jī)械(工程)固沙是根據(jù)風(fēng)沙移動(dòng)規(guī)律與風(fēng)沙環(huán)境特征，在沙地表面設(shè)置障礙物，防止沙丘運(yùn)動(dòng)，起到防風(fēng)固沙的作用。設(shè)置沙障在機(jī)械固沙措施里最具有代表性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[3]，沙障的高度與規(guī)格將直接影響沙障的防護(hù)效益，隨著其防護(hù)效果的增強(qiáng)，投資成本也逐漸增加。加之沙障的防護(hù)高度較低，經(jīng)常被流沙掩埋。因此，固沙工程中常將機(jī)械固沙作為輔助性措施進(jìn)行采用[4]。

化學(xué)固沙是指將化學(xué)粘結(jié)材料噴灑在易發(fā)生沙害的土地表面，起到保水增肥與沙地固結(jié)的目的。因其具有施工快速方便，固沙效果顯著等諸多優(yōu)勢(shì)，使化學(xué)固沙技術(shù)被全球廣泛采用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[5]:有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合化學(xué)固沙材料將成為未來(lái)防沙固沙材料的主要研究方向。這種材料在保證固定沙丘，防止沙害的前提下，還可以改變沙地內(nèi)部溫度和水分之間的關(guān)系，這一改變將對(duì)固沙植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生積極地作用。我國(guó)關(guān)于化學(xué)固沙技術(shù)的應(yīng)用至今已有30余年的歷史，化學(xué)固沙技術(shù)在控制和改善沙害環(huán)境的同時(shí)，還可以提高沙地的生產(chǎn)力。這一優(yōu)勢(shì)將有助于提高固沙植物的存活率，因此可以與植物固沙技術(shù)相配合使用，以期提高防風(fēng)固沙效益?；瘜W(xué)固沙技術(shù)成本高，成為限制其使用的重要因素。

植物(生物)固沙，是通過(guò)在荒漠地區(qū)載種植被，達(dá)到抑制沙漠侵蝕，改善沙漠的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一種固沙措施。植物固沙區(qū)別于其他固沙措施的最大優(yōu)勢(shì)是，在固定流沙和改良土地資源的同時(shí)，還可以改善當(dāng)?shù)貧夂?。一些研究表明[6]：使用機(jī)械固沙或化學(xué)固沙的成本雖低于使用植物固沙的成本，但從防護(hù)年限和固沙性能來(lái)看，植物固沙技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械固沙技術(shù)和化學(xué)固沙技術(shù)。在實(shí)際固沙工程中，植物固沙技術(shù)的采用常認(rèn)為是一種永久性固沙防護(hù)；機(jī)械固沙則作為一種臨時(shí)性的、輔助性的措施出現(xiàn)。在一些特殊的沙地與區(qū)域，化學(xué)固沙技術(shù)則有較好的應(yīng)用前景。綜上所述，要徹底治理流沙，必須采取根本性措施-植物固沙技術(shù)。

3 固沙植物

荒漠區(qū)植被不僅能防止和減輕荒漠化，而且可以維持著綠洲的穩(wěn)定性，具有重要的生態(tài)價(jià)值。因此，固沙植物種類的選擇成為決定固沙成敗的關(guān)鍵因素之一。常見(jiàn)的固沙植物如下。

泡泡刺(Nitrariassphaerocarpa)屬灌木，對(duì)高光強(qiáng)、高溫的荒漠環(huán)境具有較好的適應(yīng)性。其種群以斑塊狀格局形式存在；因長(zhǎng)期處于風(fēng)沙環(huán)境，沙埋使得泡泡刺種群成為優(yōu)勢(shì)種群，并形成相對(duì)獨(dú)立的灌叢沙堆。沙埋往往不利于固沙植物的生長(zhǎng)。由于泡泡刺長(zhǎng)期生長(zhǎng)在極端的環(huán)境下，不但具有了特殊的生存模式，而且一定高度的沙埋對(duì)泡泡刺種群的生長(zhǎng)產(chǎn)生了促進(jìn)作用[7]。

沙拐棗(CalligonummongolicumTurcz)屬蓼科灌木植物，其主要分布于新疆、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古西部荒漠、半荒漠地帶。雖然沙拐棗是一種淺根系植物，但其根系發(fā)達(dá)，根系主要分布在20～60cm的土層中[8]。因其具有耐干旱、容易繁殖、生長(zhǎng)速度快、抗風(fēng)蝕等特點(diǎn)，可以作為荒漠區(qū)域的主要建群種。

梭梭(Haloxylonammodendron)屬小喬木，因其生長(zhǎng)特點(diǎn)，分布在中亞地區(qū)。其根系極其發(fā)達(dá)，主根最深可達(dá)4.0～6.5 m。長(zhǎng)期生長(zhǎng)在極端干旱的環(huán)境下，引起葉片的退化，形成適合荒漠生長(zhǎng)的形態(tài)。梭梭不僅具有良好的抗旱性、耐鹽堿性，耐寒性，而且是名貴中藥材肉蓯蓉的寄主。

沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)是一年生草本植物，多分布在中國(guó)西北的荒漠地區(qū)。沙蓬具有極強(qiáng)的抗旱、抗寒、抗鹽堿，易繁殖等特征。作為沙地植被群落演替的先鋒植物，具有在短期內(nèi)維持沙面的穩(wěn)定的重要作用。

4 植物固沙研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)中期，國(guó)外就開(kāi)始采用植物固沙措施來(lái)防治荒漠化。固沙植物利用其枝葉作為一種障礙，通過(guò)覆蓋沙面來(lái)增加地面的粗糙度，并降低近地層的風(fēng)速；另一方面植物的枯落物可以加速土壤形成過(guò)程，提高土壤的粘聚性，促進(jìn)地表形成結(jié)皮，根系也能起到固結(jié)沙粒的作用，進(jìn)而提高了臨界起沙風(fēng)速值，達(dá)到逆轉(zhuǎn)荒漠化的結(jié)果。因固沙植被在防風(fēng)固沙方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，成為學(xué)者們關(guān)注和研究的重心。

野外觀測(cè)下的風(fēng)蝕發(fā)生期和植物生長(zhǎng)期在時(shí)間上具有不一致性，且風(fēng)蝕過(guò)程極其復(fù)雜，致使以往關(guān)于植被影響風(fēng)蝕的研究結(jié)果多停留在理論推導(dǎo)或風(fēng)洞模擬的基礎(chǔ)上?，F(xiàn)有研究表明:植被對(duì)風(fēng)蝕的影響程度主要取決于植被類型及植被特征(蓋度、高度等)[9]。例如，張春來(lái)等[10]利用風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究了植被覆蓋對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。結(jié)果表明：相對(duì)裸地而言，有植被覆蓋的沙面對(duì)風(fēng)蝕現(xiàn)象有顯著的抑制效果。在特定風(fēng)速下，隨著植被覆蓋度的增大，土壤風(fēng)蝕率也會(huì)迅速降低。根據(jù)植被蓋度的大小，可以將風(fēng)能環(huán)境對(duì)沙土的影響劃分為3種類型：當(dāng)植被覆蓋度大于60 %時(shí)，地表呈現(xiàn)輕度風(fēng)蝕或無(wú)風(fēng)蝕狀態(tài)；植被覆蓋度在20 %～60 %之間，地表呈現(xiàn)中度風(fēng)蝕狀態(tài)；植被覆蓋度小于20 %時(shí)，地表呈現(xiàn)強(qiáng)烈風(fēng)蝕狀態(tài)[11]。

以往的研究中，學(xué)者們主要通過(guò)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)固沙植物防風(fēng)固沙方面進(jìn)行了較多的研究，這些結(jié)論因缺乏野外實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，僅在理論意義上具有可行性，不能反映出真實(shí)風(fēng)沙環(huán)境下土地的蝕積狀況。因此，學(xué)者們展開(kāi)大量的野外實(shí)地研究。尚潤(rùn)陽(yáng)等[12]采用野外定點(diǎn)觀測(cè)的方法，研究植被各種特征對(duì)風(fēng)力作用和土壤風(fēng)蝕的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同的風(fēng)力環(huán)境下，植被蓋度是影響土壤風(fēng)蝕的主要因素，而植被高度和分布形式對(duì)土壤風(fēng)蝕影響相對(duì)較小。這一研究結(jié)果，具有普遍適用性。馬士龍等[13]利用野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究白刺灌叢周圍風(fēng)速流場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在影響白刺灌叢防風(fēng)效果的眾多因素中，迎風(fēng)面寬度起主導(dǎo)作用，其影響明顯大于其他因素。這一發(fā)現(xiàn)不僅進(jìn)一步明確了白刺的防風(fēng)機(jī)理，還可以為荒漠化防治工作提供參考。李昂等[15]通過(guò)研究處于不同生境下的甘草(GlycyrrhizauralensisFiach)時(shí)發(fā)現(xiàn)，甘草主要通過(guò)將其枯枝落葉覆蓋在地表的方式，減弱風(fēng)沙對(duì)土壤的危害。進(jìn)一步說(shuō)明，固沙植物不同，固沙機(jī)理和固沙效果存在顯著差異。一些學(xué)者針對(duì)同種固沙植物，不同空間配置格局進(jìn)行了深入研究。例如，屈志強(qiáng)等[15]在研究毛烏素沙地不同配置格局的沙蒿灌木林帶的防護(hù)效益時(shí)發(fā)現(xiàn)：3種不同配置方式下的沙蒿林，其周邊的風(fēng)速廓線都遵循相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；但在沙蒿林覆蓋度相同的情況下，行帶式沙蒿林防風(fēng)效果最好。這進(jìn)一步說(shuō)明了同種固沙植被，防沙治沙效益會(huì)因其空間配置格局的不同產(chǎn)生較大差異。

目前，雖然人類在研究植物固沙方面取得較大進(jìn)步，但野外實(shí)地應(yīng)用還需進(jìn)一步的完善。

5 存在的問(wèn)題及展望

植物固沙技術(shù)具有防風(fēng)治沙穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)效益高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多問(wèn)題。

(1) 沙漠地區(qū)氣候干旱，資源匱乏，固沙植物將難以存活。

(2) 固沙植被配置單一，且空間格局配置不合理，加之種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成活率下降。

因此，單一的采用植物固沙技術(shù)，將很難實(shí)現(xiàn)全面治沙的目的。隨著防風(fēng)治沙研究的深入，今后不僅要加強(qiáng)對(duì)固沙植被類型的合理選擇，還要合理配置空間格局的分布。此外，防風(fēng)治沙的過(guò)程中，應(yīng)以植物固沙技術(shù)為主，考慮與機(jī)械固沙技術(shù)、化學(xué)固沙技術(shù)有機(jī)結(jié)合使用，這將成為今后有效治理荒漠化的研究重心。