不同林草治沙模式對鹽堿沙地沉積物粒度特征的影響

張瑜 徐子棋 陳光明 張志軍 楊獻(xiàn)坤 崔斌 王大中 蘆貴君

［關(guān)鍵詞］ 林草治沙模式；樟子松；沙棘；蒙桑；風(fēng)沙沉積物；粒度特征；鹽堿沙地；吉林省

［摘 要］ 為探究吉林省西部鹽堿沙地不同林草措施的防風(fēng)固沙效果，以樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）+沙棘（Hippophae rhamnoides）+沙打旺（Astragalus laxmannii）（模式1）和樟子松+蒙桑（Morus mongolica）+沙打旺（模式2）兩種治沙模式為研究對象開展野外試驗，分析其植被恢復(fù)狀況和沉積物粒度特征，結(jié)果表明：①模式1和模式2的喬灌草生長狀況良好，第4年木本存活率達(dá)到74.0%～88.0%，總覆蓋度分別達(dá)到86.6%和76.5%，具有較好的植被改善作用；②模式1、模式2均能夠改變沉積物粒度特征，減少黏粒、粉粒、極細(xì)砂的風(fēng)蝕量，且模式1的作用優(yōu)于模式2；③該區(qū)域1.17～＜157.90 μm為環(huán)境敏感細(xì)組分，157.90～＜630.50 μm為環(huán)境敏感粗組分；④兩種林草治沙模式均能夠顯著改變鹽堿沙地下墊面風(fēng)動力條件，削弱風(fēng)蝕作用，使風(fēng)蝕帶走的細(xì)組分減少，且模式1的改善效果優(yōu)于模式2。綜上，模式1和模式2均對吉林省西部風(fēng)蝕沉積特征有顯著影響，具有較好的防風(fēng)固沙效益，適宜在半干旱區(qū)沙地推廣。

［中圖分類號］ S157.9[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.009

［引用格式］ 張瑜，徐子棋，陳光明，等.不同林草治沙模式對鹽堿沙地沉積物粒度特征的影響[J].中國水土保持，2024（3）：29-33.

土地沙化是吉林省西部主要的生態(tài)環(huán)境問題之一，且該區(qū)域土壤均具不同程度的蘇打鹽堿化，加劇了土壤的劣質(zhì)化，這不僅導(dǎo)致生態(tài)結(jié)構(gòu)退化，而且直接導(dǎo)致可利用土地面積減少和耕地地力下降，阻礙了人類的生存和發(fā)展^[1]。近年來，經(jīng)過大力治理，該區(qū)域土地沙化得到一定控制，但部分區(qū)域仍有擴展和加劇的趨勢^[2]。2016年，當(dāng)時的環(huán)境保護(hù)部印發(fā)的《全國生態(tài)功能區(qū)劃》指出，吉林省西部屬科爾沁沙地，為防風(fēng)固沙生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)，尤其是科爾沁沙地內(nèi)的吉林省通榆縣，屬國家重點生態(tài)功能區(qū)的科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)，具有防止荒漠化范圍擴大和降低沙塵暴危害等作用。因此，優(yōu)化區(qū)域鹽堿沙地防護(hù)植被配置技術(shù)，提高其生態(tài)效益顯得尤為重要。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、蒙桑（Morus mongolica）和沙棘（Hippophae rhamnoides）具有較強的抗旱性、抗寒性和耐貧瘠性，是我國北方防風(fēng)固沙的理想植物種^[3-6]。前人對樟子松、桑和沙棘在防風(fēng)固沙、改善旱區(qū)生態(tài)環(huán)境方面的作用做了大量相關(guān)研究。多位學(xué)者研究了不同林齡沙地樟子松林對下墊面風(fēng)動力特征、土壤物理性質(zhì)的改良作用和對地下水埋深季節(jié)變動的影響^[7-12]，以及樟子松固沙林配置的優(yōu)化方式^[13]。有關(guān)蒙桑防風(fēng)固沙效果的研究較少，對于桑屬的研究主要集中在桑林對土壤理化性質(zhì)和風(fēng)蝕機理的影響^[14]，以及沙地優(yōu)質(zhì)桑選育、管理和桑樹防護(hù)林高效配置方式^[15-17]等方面。此外，眾多學(xué)者研究了沙地沙棘對土壤溫度、養(yǎng)分等方面的改良作用，對風(fēng)動力特征和風(fēng)沙流的影響機理，以及防風(fēng)固沙效益^{[6，11，18-19]}。然而，以往有關(guān)于植被固沙的研究主要集中于毛烏素、渾善達(dá)克地區(qū)，有關(guān)吉林省西部沙地防護(hù)效益好、針對性高的林草措施配置方式卻鮮有研究^[6]。

風(fēng)沙沉積物的粒度分布特征是能夠很好地反映積蝕特征和植被防風(fēng)固沙效果的指標(biāo)^[20]。本研究參考楊文斌等^[21]低覆蓋度治沙理論，選擇吉林省西部鹽堿沙地，營造樟子松+沙棘和樟子松+蒙桑疏林，在林下撒播優(yōu)質(zhì)多年生牧草沙打旺（Astragalus laxmannii），建立林草復(fù)合治沙模式，用近自然生態(tài)修復(fù)的方式建立人工植被，并通過觀測兩種治沙模式植被生長、覆蓋狀況和沉積物粒度特征，分析兩種治沙模式的適用性和對粒徑沉積特征的影響機理，以期為該區(qū)域治沙措施優(yōu)化配置和效果提升提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究樣地位于吉林省白城市通榆縣鴻興鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)122°02′～123°30′E、44°13′～45°16′N。研究區(qū)地形起伏較小，地勢為西北高東南低，海拔140～180 m。該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年均日照時數(shù)2 900 h，年均氣溫5.5 ℃，年均降水量350 mm，無霜期約164 d，最大凍土深125 cm，年主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)和西北風(fēng)。主要土壤類型有風(fēng)沙土、鹽堿土和淡黑鈣土等。

2 材料與方法

2.1 供試材料

研究樣地為地形平緩的固定沙地，土壤為蘇打鹽堿風(fēng)沙土，具體理化性狀見表1。本研究所選林草治沙模式為樟子松+沙棘+沙打旺模式（模式1）、樟子松+蒙桑+沙打旺模式（模式2），對照地（CK）為措施地旁原狀沙地。模式1、模式2林草于2017年5月初種植，所用喬木、灌木苗齡為3 a，尺寸較小，結(jié)合楊文斌等^[21]關(guān)于半干旱區(qū)低覆蓋度治沙樹種栽植密度的要求，設(shè)定株行距均為4 m×4 m，待苗齡較大時根據(jù)情況進(jìn)行間伐；喬灌混交方法為行間混交（1行喬木1行灌木），每種模式各栽植2帶，每帶各栽植10行（5行喬木、5行灌木）10列，行與主風(fēng)向垂直，帶間距40 m；兩種模式的水平間距為300 m，中間為空地，故兩種模式間互不干擾。林間均勻撒播沙打旺草籽，播種量12 kg/hm²。

2.2 測定方法

2.2.1 植物指標(biāo)

植物指標(biāo)觀測時間為2017年10月初和2020年10月初。成活率調(diào)查所有植株，其余指標(biāo)每行隨機選5株長勢具有代表性的植株固定觀測，取平均值。覆蓋狀況利用相機在2 m高處拍攝，并用PCOVER軟件進(jìn)行處理、分析而得，取5個重復(fù)。

2.2.2 土壤指標(biāo)

土樣采集時間為2020年10月初。采樣方法參考前人研究^[21]，在選定觀測植物指標(biāo)的植株東、西、南、北各方向0.5 m處，取0～20 cm深土樣（本區(qū)域為農(nóng)牧交錯帶，該深度受人為影響較大）并混合，帶回室內(nèi)用GSL-101BL激光顆粒分布測量儀測定其各粒徑顆粒占比。根據(jù)沉積物類別劃分需要，粒徑組別劃分見表2。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，利用SPSS19.0進(jìn)行方差分析（ANNOVA單因素分析）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林草治沙模式木本植物生長狀況及覆蓋狀況

由表3可知，在研究區(qū)鹽堿風(fēng)沙地，栽植第4年樟子松存活率平均達(dá)85.0%、沙棘存活率達(dá)78.0%、蒙桑存活率達(dá)74.0%，存活率均能達(dá)到74.0%及以上，兩種灌木存活狀況近似。栽植第4年時，沙棘的株高、地徑和冠幅分別為蒙桑的1.35倍、0.95倍和1.25倍，即兩種灌木的地徑近似，但沙棘植株顯著較蒙桑高大。

由表4可知，模式1的木本郁閉度比模式2高5.4個百分點（即沙棘比蒙桑枝葉更加繁茂），總覆蓋度比模式2高10.1個百分點，兩種模式均顯著改善了植被覆蓋狀況，分別比對照地覆蓋度提高了44.3和34.2個百分點，差異顯著（P＜0.05）。這說明模式1改善植被覆蓋狀況的效果優(yōu)于模式2。

3.2 不同林草治沙模式對沉積物粒度分布的影響

由圖1可知，對照地、模式1和模式2的沉積物粒徑組分布曲線均呈單峰型，模式1和模式2的沉積物粒徑體積百分比的波峰明顯比對照地前移，體積百分比峰值出現(xiàn)時的粒徑大小為模式1＜模式2＜對照地，且對照地峰值顯著高于模式1和模式2。這說明模式1和模式2的林草措施能夠使研究區(qū)沉積物粒徑整體減小，且粒徑分布更為均勻化。

由表5可見，研究區(qū)對照地土壤主要粒級組成為極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂，占比分別為16.24%、66.33%和12.56%，在土壤中總占比達(dá)到95.13%。研究區(qū)鹽堿風(fēng)沙地采用模式1、模式2后，土壤中黏粒、粉粒、極細(xì)砂含量顯著增加，細(xì)砂、中砂和粗砂含量顯著減少。例如，模式1和模式2的粉粒體積百分比分別比對照地多8.97和4.96個百分點，差異顯著（P＜0.05）；模式1和模式2的細(xì)砂體積百分比分別比對照地減少7.87和2.86個百分點，差異顯著（P＜0.05）。且除中砂、粗砂外，其他組分體積百分比變幅均為模式1＞模式2。

由表6的粒度參數(shù)分析可知，人工植被體系使沉積物粒度標(biāo)準(zhǔn)差顯著降低，即分選性變差，偏度向正向發(fā)展，即粒度整體細(xì)化，沉積物顆粒峰度降低，即原為眾數(shù)的粗顆粒占比減少，各指標(biāo)差異顯著（P＜0.05），且人工植被所有的粒度參數(shù)的改善幅度均為模式1＞模式2。這說明模式1、模式2均具有較好的攔風(fēng)蓄沙能力，且能夠改變沉積特征，減少黏粒、粉粒、極細(xì)砂的風(fēng)蝕量，使土壤顆粒細(xì)化，同時兩種灌木中沙棘的防護(hù)作用優(yōu)于蒙桑。

3.3 不同林草治沙模式對鹽堿沙地敏感粒度組分的影響

風(fēng)沙環(huán)境地表沉積物粒徑組成及其變化能夠很好地表征該區(qū)域風(fēng)蝕、風(fēng)積特征，而標(biāo)準(zhǔn)差值能夠反映相應(yīng)粒徑組對研究區(qū)風(fēng)沙環(huán)境的敏感度^[21]。由圖2、表2及測定結(jié)果可知，研究區(qū)粒度標(biāo)準(zhǔn)差曲線粒徑范圍為1.17～＜630.50 μm，曲線有兩個峰值，分別出現(xiàn)在第44組（64.97～＜71.35 μm）和第57組（219.58～＜231.44 μm），即為環(huán)境最敏感粒度；第53組（150.96～＜165.78 μm，加權(quán)中值為157.90 μm）為標(biāo)準(zhǔn)差谷值，即為敏感粒度粒徑分界線，1.17～＜157.90 μm為細(xì)組分，157.90～＜630.50 μm為粗組分。各處理試驗樣地沉積物環(huán)境敏感組分占比見圖3。不同植被條件下細(xì)組分占比范圍為52.72%～72.56%，粗組分占比范圍為27.44%～47.28%。模式1、模式2第4年細(xì)組分分別比對照地增加了37.6%和28.6%，說明本研究兩種林草治沙模式均能顯著改變鹽堿沙地下墊面風(fēng)動力條件，削弱風(fēng)蝕作用，使風(fēng)蝕帶走的細(xì)組分減少，且模式1的改善效果優(yōu)于模式2。

4 討論

吉林省西部氣候干旱，土地風(fēng)沙化與鹽堿化協(xié)同進(jìn)行，干旱、風(fēng)蝕露根、鹽堿脅迫等逆境致使植被退化，加劇了風(fēng)蝕^[22]。本研究結(jié)果表明，吉林省西部在pH值8.08、電導(dǎo)率0.14 mS/cm的鹽堿沙地上采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式時，植被生長茂盛，栽植第4年總覆蓋度分別達(dá)到86.6%和76.5%，說明這兩種林草治沙模式均適宜在鹽堿沙地推廣利用。

沉積物粒度組成特征是反映該區(qū)域下墊面條件、風(fēng)動力狀況和風(fēng)蝕特征的重要因子^[23]。前人研究稱，植被能夠改變風(fēng)沙流場，對侵蝕起到阻礙作用，使較小的顆粒得以沉積，從而改變沉積物粒度^[24]。本研究表明，吉林省西部鹽堿風(fēng)沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均具有較好的防風(fēng)固沙作用，能夠改變侵蝕、沉積特征，使沉積物粒徑整體減小，粒徑分布更為均勻化，增加土壤黏粒、粉粒、極細(xì)砂的含量。本研究區(qū)沉積物粒度標(biāo)準(zhǔn)差曲線粒徑范圍為1.17～＜630.50 μm，曲線有兩個峰值，1.17～＜157.90 μm為細(xì)組分，157.90～＜630.50 μm為粗組分，研究區(qū)鹽堿風(fēng)沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均能夠顯著提高土壤環(huán)境敏感細(xì)組分的占比，且模式1的改善效果優(yōu)于模式2。有學(xué)者認(rèn)為，風(fēng)沙流中躍移質(zhì)的占比較大，粒徑范圍為70～500 μm，而粒徑＜70 μm的顆粒多為懸移質(zhì)^[25]。因此，本研究的細(xì)組分包括懸移質(zhì)和躍移質(zhì)，而粗組分主要為躍移質(zhì)。不同下墊面躍移質(zhì)含量差別較大^[26]，因此模式1和模式2在研究區(qū)改變風(fēng)場條件的能力差異較大，這可能與兩種灌木植物（沙棘和蒙桑）的地上形態(tài)不同有關(guān)，沙棘植株上下疏透度均勻，蒙桑植株屬上密下疏型，且本研究沙棘的株高、覆蓋度、疏透度狀況都優(yōu)于蒙桑。

此外，兩種林草治沙模式林齡不同對土壤水分、養(yǎng)分和林下草被多樣性等方面的影響差異還需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1）模式1和模式2喬灌草生長狀況良好，第4年木本存活率達(dá)到74%～88%，總覆蓋度分別達(dá)到86.6%和76.5%，具有較好的植被改善作用。

2）模式1、模式2均能夠改變沉積物粒度特征，減少黏粒、粉粒、極細(xì)砂的風(fēng)蝕量，且模式1的作用優(yōu)于模式2。

3）該區(qū)域1.17～＜157.90 μm為環(huán)境敏感細(xì)組分，157.90～＜630.50 μm為環(huán)境敏感粗組分。

4）兩種林草治沙模式均能顯著改變鹽堿沙地下墊面風(fēng)動力條件，削弱風(fēng)蝕作用，使風(fēng)蝕帶走的細(xì)組分減少，且模式1的改善效果優(yōu)于模式2。

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收稿日期： 2023-04-29

基金項目： 長春市科技局項目（21ZGM07）；吉林省財政廳基本科研經(jīng)費項目（吉林省西部固沙植物種選擇與植被配置研究與示范，吉林省西部平緩沙地地力提升及植被構(gòu)建技術(shù)體系研究）

第一作者： 張瑜（1980—），女，山東煙臺人，高級工程師，碩士，研究方向為黑土區(qū)水土保持。

通信作者： 徐子棋（1990—），女，吉林白山人，工程師，碩士，研究方向為水土保持生態(tài)修復(fù)。

E-mail： 235175758@qq.com

（責(zé)任編輯 徐素霞）