基于破損規(guī)律及植物保存率的沙障選擇

李 鐲，汪 季，焦宏遠(yuǎn)，郭 彧

(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)

新型生物可降解聚乳酸纖維(PLA)沙障現(xiàn)已作為機械沙障的類型之一，廣泛應(yīng)用于防沙治沙領(lǐng)域?qū)嵺`中[1-3]，其材料聚乳酸(poly lactic acid，PLA)纖維是一種采用玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、甜菜(Betavulgaris)等含淀粉的作物秸稈為原料，經(jīng)發(fā)酵生成可生物降解的新型綠色高分子材料乳酸后，再經(jīng)縮聚、熔融紡絲制成聚乳酸纖維[4]，該材料具有較好的彈性、防火性、抗菌防霉性、透濕性等特性[5-6]。機械沙障使用聚乳酸纖維制成的沙袋具有可完全降解、材料輕便、施工方便、使用壽命長等優(yōu)點，能夠發(fā)揮良好的生態(tài)效益，因此具有非常大的發(fā)展前景[7]。麥草沙障作為一種較傳統(tǒng)的工程治沙措施，通過增大地表粗糙度、減少氣流中的輸沙量、截留降水等作用來達到防沙治沙目的[8-9]，具有價格低廉，提高沙層含水量的特點。近年來，隨著新型環(huán)保材料機械沙障的使用頻率增加，其防護效益、經(jīng)濟效益及使用年限備受關(guān)注。營造植被是防風(fēng)固沙的主要措施之一，也是保護土壤不被風(fēng)力侵蝕最有效、最長久、最環(huán)保的方法，沙區(qū)地表植被(人工林或天然植被)達到一定的覆蓋度，才能逐步固定住流沙[10-11]，因此在流動沙丘治理過程中，促進植被恢復(fù)是最符合可持續(xù)原則的固沙方法。將機械沙障布設(shè)與植物措施相結(jié)合，對流動沙丘的固定可以達到事半功倍的效果，因此，對不同類型機械沙障、不同規(guī)格沙障破損率及沙障內(nèi)人工植被保存率的研究有非常重要的意義。

本研究以吉蘭泰鹽湖東北部的流動沙丘布設(shè)的機械沙障為研究對象，通過對2種不同沙障材料(PLA、麥草)、4種不同規(guī)格(0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m)的沙障破損率及沙障內(nèi)人工植被的保存率進行對比分析，以明確1個風(fēng)季后沙障的破損情況及不同規(guī)格沙障對植被的保護作用，旨在為沙障規(guī)格的合理選擇，進而更有效地利用有限資源、提高經(jīng)濟效益提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)39°46′59″N，105°37′31″E。該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨，多年平均降水量為109.9 mm，且多集中于7-9月，多年平均潛在蒸發(fā)量3 005 mm，風(fēng)大沙多，多以西北、東北風(fēng)為主，風(fēng)力一般4～5級，平均風(fēng)速3.6 m/s，土壤類型以風(fēng)沙土、灰漠土、鹽漬土為主[12-14]。常見植被以沙生、鹽生植被為主，有梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、沙米(Salsolaruthenica)、蟲實(Corispermumhyssopifolium)白刺(Nitrariatangutorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)等。

2 材料與方法

2.1 沙障鋪設(shè)

在研究區(qū)選擇高3～3.5 m，寬10 m，沙壟走向為西北-東南方向，東側(cè)有白刺灌叢沙堆分布，土壤類型為流動風(fēng)沙土，土體干燥，結(jié)構(gòu)疏松，以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，極易風(fēng)蝕，迎風(fēng)坡坡度40～45°，背風(fēng)坡坡度25～30°的沙丘作為試驗地。

2018年4月，在試驗地的沙丘上進行PLA沙障和麥草方格沙障設(shè)置。每種沙障各設(shè)置4種規(guī)格，分別是0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m的方格，PLA沙障在南，麥草沙障在北，中間間隔5 m，4種規(guī)格由南到北依次鋪設(shè)，每種規(guī)格相隔5 m；沙障鋪設(shè)面積覆蓋沙丘西坡及頂部，沙丘東坡分布白刺灌叢沙堆之處，無法進行沙障鋪設(shè)，沙障鋪設(shè)面積如表1所示。

表1 PLA、麥草沙障鋪設(shè)面積

2.2 人工植被栽植

2018年4月，選擇2年生梭梭幼苗以2 m×2 m株行距隨沙障鋪設(shè)同步栽植，栽植結(jié)束后進行灌溉，以保證苗木生長所需的水分充足。

2.3 數(shù)據(jù)收集

2019年4月，在試驗區(qū)進行沙障破損率及梭梭保存率調(diào)查，將試驗沙丘表面劃分為迎風(fēng)坡坡中(MUS)、坡頂(TS)、背風(fēng)坡坡中(MLS)共3個坡位。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沙障破損類型及破損程度如表2所示。

對沙丘不同坡位的PLA、麥草沙障遭受的不同破損類型的面積(以方格數(shù)代替)進行調(diào)查，通過式(1)計算。各3個重復(fù)，取平均值。

ri=ni/m×100%

(1)

式中，ri：沙丘某一地貌部位第i種類型障格破損率；ni：沙丘某一地貌部位第i種類型障格破損個數(shù)；m：沙丘某一地貌部位的總障格數(shù)。

對沙障障格內(nèi)的梭梭幼苗保存數(shù)量進行統(tǒng)計，并計算保存率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003整理，利用SPSS 24.0軟件對沙障破損率指標(biāo)進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)、顯著性檢驗(LSD)。

表2 沙障破損類型

3 結(jié)果與分析

3.1 2種機械沙障的破損率

2種沙障設(shè)置初期均完好無損，可以發(fā)揮良好的防風(fēng)固沙效果，隨時間推移，2種沙障均有破損，相同沙障材料、不同規(guī)格的沙障破損率也不相同。

由圖1可知，不同規(guī)格的PLA沙障在不同坡位的破損率不同，表現(xiàn)為背風(fēng)坡坡中沙埋情況多于坡頂，其中，0.5 m×0.5 m規(guī)格沙障在背風(fēng)坡坡中全部被沙埋，已失去防風(fēng)固沙作用，坡頂及迎風(fēng)坡坡中以全埋為主，總破損率分別達到79.07%、88.33%；1.5 m×1.5 m規(guī)格在背風(fēng)坡坡中出現(xiàn)半埋情況較另外3種規(guī)格嚴(yán)重，達到23.15%，1.0 m×1.0 m(11.11%)與2.0 m×2.0 m(9.72%)半埋破損程度相近；4種規(guī)格在坡頂出現(xiàn)半埋破損情況表現(xiàn)為1.0 m×1.0 m(42.76%)>1.5 m×1.5 m(36.9%)>2.0 m×2.0 m(20.83%)；全埋破損表現(xiàn)為背風(fēng)坡坡中2.0 m×2.0 m(79.86%)>1.0 m×1.0 m(78.28%)>1.5 m×1.5 m(64.35%)，坡頂2.0 m×2.0 m(46.88%)>1.0 m×1.0 m(36.03%)>1.5 m×1.5 m(23.81%)；僅有2.0 m×2.0 m規(guī)格出現(xiàn)障格解體，占比為32.29%。從總的破損率來看，1.5 m×1.5 m規(guī)格在經(jīng)歷1個風(fēng)季后保存較完好，1.0 m×1.0 m次之，0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m破損嚴(yán)重。

圖1 不同規(guī)格PLA沙障破損率

由圖2可知，坡頂沙埋情況較背風(fēng)坡坡中多，其中，背風(fēng)坡中總破損率表現(xiàn)為0.5 m×0.5 m(93.06%)>2.0 m×2.0 m(86.67%)>1.0 m×1.0 m(52.5%)>1.5×1.5 m(40.28%)，坡頂總破損率表現(xiàn)為2.0 m×2.0 m(100%)>0.5 m×0.5 m(97.46%)>1.0 m×1.0 m(96.25%)>1.5 m×1.5 m(83.33%)，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、2.0 m×2.0 m坡頂基本已經(jīng)失去防風(fēng)固沙能力，在0.5 m×0.5 m規(guī)格的半埋比例(26.7%)較另外3種規(guī)格小，該規(guī)格沙障失效以全埋為主，基本失去防風(fēng)固沙能力；1.5 m×1.5 m規(guī)格與1.0 m×1.0 m規(guī)格相比，半埋比例更高，且總的破損率較低，因此1.5 m×1.5 m規(guī)格經(jīng)過1個風(fēng)季后保留的防護能力較另外3種規(guī)格強，且仍具有一定防護能力。

圖2 麥草沙障不同規(guī)格的破損率

由表3可知，在背風(fēng)坡坡中，4種不同規(guī)格的麥草沙障受半埋破損較PLA沙障多，全埋破損較PLA少，因此可見在背風(fēng)坡坡中，PLA沙障的破損類型以全埋為主，而麥草沙障以半埋為主；在坡頂位置，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規(guī)格的PLA沙障半埋比例較同規(guī)格的麥草沙障高，而全埋比例較麥草沙障低，可得在坡頂，PLA沙障更易發(fā)生半埋，而麥草沙障更易發(fā)生全埋；沙障破損發(fā)生情況，除1.5 m×1.5 m的半埋類型外，均存在顯著差異(P<0.05)。

表3 PLA、麥草沙障破損率

3.2 2種機械沙障內(nèi)梭梭保存率

沙障內(nèi)植物保存率反映了不同材料、不同規(guī)格沙障對其發(fā)揮防風(fēng)固沙作用的影響。由圖3可知，梭梭在0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規(guī)格的PLA沙障的保存率較麥草沙障低，而2.0 m×2.0 m的PLA沙障內(nèi)的梭梭保存率更高；對于同一種材料的機械沙障來說，在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規(guī)格內(nèi)的梭梭保存率更高；背風(fēng)坡在所處的地貌部位占有一定優(yōu)勢，表現(xiàn)為梭梭保存率高于坡頂。

圖3 2種類型沙障內(nèi)梭梭保存率

3.3 2種機械沙障成本和有效期

機械沙障的成本和有效期的調(diào)查對其材料和規(guī)格的選擇、提高機械沙障的經(jīng)濟效益有重要作用。表4為2種機械沙障的設(shè)障成本和有效期的比較，可得PLA沙障的材料屬新型材料，原材料多，制作工藝較復(fù)雜，成本較高，但材料使用的有效期較長，運輸和設(shè)置較容易，布設(shè)沙障時可1人單獨完成，并且隨著治沙技術(shù)的發(fā)展，可以在PLA沙障填充過程中添加其他材料或者植物種子，提高治沙效率，其發(fā)展不可限量；麥草沙障可就地取材，具有成本低的優(yōu)點，而且麥草本身具有保水的效果，在沙地上對植物生長必需的水分有補充作用，但卻容易發(fā)生沙埋情況或隨風(fēng)沙過程而吹失，影響沙障方格的完整，進而使防風(fēng)治沙效果降低，要想保持較好的防風(fēng)固沙效果，在4 a的時間里就要對麥草沙障進行維護，這樣生態(tài)功能才能延長[15]，而且麥草體積較大，較高的運輸成本給沙障布設(shè)也帶來了一定的困難。

表4 2種類型沙障成本和有效期比較

4 討論

4.1 2種機械沙障的破損程度

機械沙障是工程治沙的主要措施之一，其作用是通過改變下墊面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來控制風(fēng)沙流的速度、結(jié)構(gòu)和蝕積狀況等，達到防風(fēng)固沙的目的[16]。在本研究中2種機械沙障在布置1個風(fēng)季后，由于風(fēng)蝕、沙埋、日照等自然因素的作用，均出現(xiàn)不同程度的破損狀況，防風(fēng)固沙效應(yīng)也隨之降低。PLA沙障在背風(fēng)坡坡中破損程度較大，以全埋為主，在坡頂發(fā)生半埋破損較多；麥草沙障在坡頂發(fā)生全埋更多，而在沙丘背風(fēng)坡部分破損率較小。孫濤等[15]在民勤治沙綜合試驗站固定沙丘地帶進行試驗得出結(jié)論，麥草沙障頂部破損程度較大，而在沙丘迎風(fēng)坡下坡和背風(fēng)坡部分沙障四周完好。其原因是麥草沙障與PLA沙障自身特性差異而導(dǎo)致其對風(fēng)沙流分布規(guī)律存在明顯差異，不同沙障其下墊面結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致表面粗糙度和地表可風(fēng)蝕物質(zhì)含量差異較大[17]，進而增大了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的變異。麥草沙障為透風(fēng)型沙障，部分氣流遇到障體后穿過孔隙，風(fēng)沙流從沙丘下部隨著沙丘增高風(fēng)蝕能力逐漸增強，麥草沙障由于破損率增大，地表粗糙度降低，導(dǎo)致風(fēng)沙流發(fā)育所需的飽和路徑減小，因此沙丘上更容易被風(fēng)吹蝕[18-19]，破損現(xiàn)象較為明顯；PLA沙障為實體型沙障，其對氣流只有阻擋和抬升作用，在被障體削弱能量的部分氣流越過障體后形成紊流和渦旋，產(chǎn)生較小風(fēng)蝕量，因此PLA沙障較麥草沙障更能增大地表粗糙度，且PLA沙障降低風(fēng)速比率顯著大于麥草沙障[1]。本研究中，僅在2.0 m×2.0 m規(guī)格的PLA沙障出現(xiàn)障格解體，其原因是障格規(guī)格較大，在風(fēng)蝕沙埋的過程中，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，防風(fēng)固沙效果差，極易在外力作用下發(fā)生變形，結(jié)合其全埋比例較大的特點，因此在布設(shè)機械沙障過程中，盡量避免2.0 m×2.0 m規(guī)格甚至更大規(guī)格的障格設(shè)計，盡可能提高固沙效率，節(jié)約有效資源。

4.2 2種機械沙障內(nèi)的梭梭保存率

沙障內(nèi)植物保存率反映了機械沙障對其發(fā)揮防風(fēng)固沙作用的影響。本研究中，麥草沙障內(nèi)的梭梭保存率高于PLA沙障，其原因是麥草本身具有保水的效果，在沙地上對植物生長必需的水分有補充作用；2種沙障均是在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規(guī)格內(nèi)的梭梭保存率更高，說明這2種規(guī)格的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，有利于保持植物生長的水分，并對風(fēng)沙的作用體系較完整，更利于布置在沙障內(nèi)的植物生長。

5 結(jié)論

0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m規(guī)格PLA沙障、麥草沙障在1個風(fēng)季后破損嚴(yán)重，基本失去防風(fēng)固沙能力，1.0 m×1.0 m沙障仍具備微弱的防風(fēng)固沙能力；1.5 m×1.5 m規(guī)格沙障的破損率在4種規(guī)格中最低，其中PLA沙障在背風(fēng)坡坡中、坡頂?shù)目偲茡p率分別為87.5%、60.71%，麥草沙障為40.28%、83.33%。

PLA沙障在背風(fēng)坡坡中破損程度較大，以全埋為主，在0.5 m×0.5 m規(guī)格達到100%，在坡頂發(fā)生半埋破損較多，在1.0 m×1.0 m規(guī)格達到42.76%；麥草沙障在坡頂發(fā)生全埋更多，即在坡頂破損程度較大，而在沙丘背風(fēng)坡部分破損率較??；除1.5 m×1.5 m規(guī)格外，幾種破損情況均存在顯著差異(P<0.05)。

2年生梭梭在1.0 m×1.0 m規(guī)格的PLA、麥草沙障內(nèi)的保存率較高，在背風(fēng)坡坡中分別達到34.15%、37.5%。0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m規(guī)格的機械沙障破損率大，使用年限短；1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規(guī)格沙障成本較低；PLA沙障材料運輸較麥草容易且輕便，使用年限更長，但成本更高。

綜上所述，從當(dāng)?shù)氐乃Y源緊缺和長期的生態(tài)環(huán)境治理角度上看，在布設(shè)機械沙障或在沙障內(nèi)進行植被建設(shè)時，選擇1.0 m×1.0 m或1.5 m×1.5 m規(guī)格的PLA沙障為宜，雖然初次投入較大，但具有良好的防風(fēng)固沙功效，在減少風(fēng)沙危害具有良好的使用年限及較好的經(jīng)濟效益。