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        庫布其沙漠綜合防護(hù)體系防風(fēng)改土效益研究

        2012-02-05 12:20:14王文彪張吉樹
        中國水土保持 2012年4期
        關(guān)鍵詞:沙障沙柳沙地

        王文彪,馮 偉,張吉樹

        (億利資源集團(tuán),內(nèi)蒙古東勝017000)

        目前,我國荒漠化治理多以生物措施為主、工程措施為輔,生物措施主要是植被建設(shè),工程措施主要是設(shè)置沙障[1-2]。設(shè)置沙障不僅對沙地土壤改良有顯著作用,而且還可以調(diào)節(jié)局部小氣候,增加下墊面粗糙度,有效降低近地表風(fēng)速,使防護(hù)對象免受沙害[3-4]。近些年,許多研究表明沙區(qū)植被建設(shè)及設(shè)置沙障都影響了沙漠土壤的理化性質(zhì),改良了沙區(qū)土壤[5-8]。但是,對生物與工程措施相結(jié)合的綜合體系防護(hù)效益的研究較少。因此,本文對比分析了庫布其沙漠內(nèi)兩種綜合防護(hù)體系的防風(fēng)及改土效益,以期為本地區(qū)今后大規(guī)模開展防沙治沙提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于庫布其沙漠北緣七星湖景區(qū)內(nèi),隸屬于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市杭錦旗,屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū),具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征。該區(qū)年平均風(fēng)速為4.4 m/s,最大風(fēng)速24 m/s,風(fēng)向多為西北風(fēng),大風(fēng)日數(shù)多年平均為55 d,最多77 d,年平均發(fā)生沙塵暴累計日數(shù)高達(dá)27 d,最多57 d,年平均揚沙41 d。年平均降水量約306 mm,年平均蒸發(fā)量為2 448 mm,相對濕度55%;年平均氣溫6.58 ℃,極端最高氣溫40.2 ℃,極端最低氣溫-34.5 ℃;無霜期130~140 d。土壤主要為風(fēng)沙土,呈東西連續(xù)帶狀分布,還有部分灰漠土、鹽化淺色草甸土。由于干旱缺水,境內(nèi)以流動、半流動沙丘為主。有野生植物370 余種,其中木本野生植物稀少,除霸王(Zygophyllum xanthoxylum)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、四合木(Tetraena mongolica)等珍稀植物外,主要有小葉楊(Populus Simonii)、沙棗(Elaeagnus angustifolia)、沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippohae rhamnoides)等。飼用植物300 余種,現(xiàn)有檸條保存面積15.33 萬hm2。藥用植物130 余種,以甘草(Glycyrrhiza uralen sis)、枸杞(Lycium chinense)、苦參(Sophora flavescens)儲量最大。礦藏資源豐富,有煤炭、天然氣、食鹽、天然堿、芒硝、石膏等。

        2 研究方法

        2.1 綜合防護(hù)體系設(shè)計

        蘆葦-樟子松-花棒綜合防護(hù)體系(以下簡稱花棒綜合體系):沿主風(fēng)(西北)方向開始依次設(shè)置蘆葦(Phragmites australis)沙障、樟子松(Pinus sylvestris var)防護(hù)林、花棒(Hedysarum scoparium)防護(hù)林;蘆葦-樟子松-沙柳綜合防護(hù)體系(以下簡稱沙柳綜合體系):沿主風(fēng)(西北)方向開始依次設(shè)置蘆葦沙障、樟子松防護(hù)林、沙柳(Salix psammophila)沙障。綜合體系各防護(hù)帶配置基本情況見表1。

        表1 綜合防護(hù)體系內(nèi)各防護(hù)帶基本配置方式

        2.2 測定方法

        2011年4月對裸沙地以及兩種綜合防護(hù)體系中的蘆葦沙障內(nèi)、樟子松防護(hù)林內(nèi)、花棒防護(hù)林內(nèi)及沙柳沙障內(nèi)的20 和200 cm 高度處的風(fēng)速進(jìn)行了測定,數(shù)據(jù)使用HOBO 自動氣象站采集器采集,每個樣點測定時間為10 min,記數(shù)間隔時間為2 s。按照公式[2]將風(fēng)速數(shù)據(jù)換算成防風(fēng)效能及地表粗糙度。

        同時采用S 形或直線形方式在選定的每種防護(hù)帶內(nèi)設(shè)置6個采樣點,每個采樣點挖取60 cm 深的剖面,分別采集5、30、60 cm 深處土層的土壤;同時采集裸沙地(3 個采樣點)土壤作為對照。土壤理化性質(zhì)測定采用常規(guī)分析方法[10]。

        數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2003 及SAS 9.0 軟件ANOVA 模塊進(jìn)行方差分析。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 防風(fēng)效益比較

        3.1.1 綜合防護(hù)體系防風(fēng)效能比較

        植被建設(shè)或設(shè)置沙障后,能夠顯著降低近地表風(fēng)速,而降低風(fēng)速效能是評價防風(fēng)效益的重要指標(biāo)之一。從觀測資料及表2 可知,兩種綜合體系各配置防護(hù)帶在20、200 cm 高處都起到了降低風(fēng)速的作用,其中風(fēng)速降低最大值在花棒綜合體系中花棒防護(hù)林的20 cm 高處,平均風(fēng)速降到1.65 m/s(裸沙地20 cm 高處平均風(fēng)速6.87 m/s),防風(fēng)效能為75.98%,其主要原因是花棒綜合體系中花棒防護(hù)林在最后方,且花棒為灌木,對近地層氣流有較大的阻隔作用;花棒、沙柳兩種綜合體系中的蘆葦沙障200 cm 高處風(fēng)速降低均較小,平均風(fēng)速分別降到7.90、7.76 m/s(裸沙地200 cm 高處平均風(fēng)速9.18 m/s),防風(fēng)效能分別為13.94%、15.47%,其主要原因是蘆葦沙障位于兩種綜合體系的最前方,且沙障體高度僅有10 cm,對200 cm 高度的風(fēng)沙流無阻擋作用,而造成風(fēng)速降低程度、防風(fēng)效能輕微差別的原因是兩種綜合體系的配置不同。從表2 還可以看出,兩種綜合體系在200 cm 高度內(nèi)防風(fēng)效能的平均值為花棒綜合體系大于沙柳綜合體系,但差異不顯著。

        表2 兩種綜合體系各配置防護(hù)帶防風(fēng)效能%

        3.1.2 綜合防護(hù)體系地表粗糙度比較

        地表粗糙度是反映地表起伏變化與侵蝕程度的指標(biāo),也稱為空氣動力學(xué)粗糙度,是評價防風(fēng)固沙效益的重要指標(biāo)之一。以裸沙地為對照,對兩種綜合體系的地表粗糙度進(jìn)行了對比分析,結(jié)果見圖1。從圖1 中可以看出,兩種綜合體系都明顯地增大了地表粗糙度:花棒綜合體系的地表粗糙度增大到3.63 cm,與裸沙地(0.02 cm)相比增大了3.61 cm;沙柳綜合體系的地表粗糙度增大到1.59 cm,比裸沙地增大了1.57 cm。差異顯著性檢驗表明,花棒、沙柳綜合體系差異顯著(P <0.05)。因為當(dāng)風(fēng)沙流或氣流通過兩種綜合體系時,首先通過蘆葦沙障,使近地表氣流強(qiáng)度減小,但沙障以上氣流強(qiáng)度依然很大,之后通過樟子松防護(hù)林,使得200 cm 高度以下氣流強(qiáng)度明顯減小,當(dāng)通過綜合體系最后一道屏障時,花棒綜合體系中的花棒防護(hù)林又一次減小了花棒灌叢以下的氣流強(qiáng)度,使得地表粗糙度達(dá)到最大值,而沙柳綜合體系中的平鋪沙柳沙障體高僅為10 cm,對通過的氣流影響較小。以上結(jié)果說明,兩種綜合體系都明顯提高了地表抗風(fēng)蝕的能力,且花棒綜合體系效果更好。

        圖1 兩種綜合體系地表粗糙度比較

        3.2 改良土壤效益比較

        3.2.1 綜合防護(hù)體系土壤含水率對比

        土壤含水率是沙漠地區(qū)植樹造林的主要限制因子。降水和植物耗水是土壤水分發(fā)生垂直變化的主要原因,不同類型防護(hù)林對土壤水分的消耗及蓄積也是不同的。同時,土壤水分狀況對固沙植被長期穩(wěn)定發(fā)展起重要作用,而植被又會對土壤水分起到重新分配的作用。從圖2 可以看出,兩種綜合體系5、30、60 cm 深度的土壤含水率均高于裸沙地,說明綜合體系的保水能力強(qiáng)于裸沙地。從圖2 還可以看出,兩種綜合防護(hù)體系內(nèi)土壤含水率隨深度的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢。差異顯著性檢驗表明:綜合體系5、60 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異顯著(P <0.05),30 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異不顯著,這主要是與地表覆蓋措施以及植物根系分布范圍有關(guān)。與裸沙地相比,0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1.88 百分點,沙柳綜合體系增加了1.59 百分點,說明兩種綜合體系都提高了土壤的保水能力,且花棒綜合體系效果更好。

        圖2 兩種綜合體系與裸沙地土壤含水率對比

        3.2.2 綜合防護(hù)體系土壤容重對比

        土壤容重的大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量和土壤緊實度等有關(guān)。從圖3 可以看出,兩種綜合體系內(nèi)5、30、60 cm 深度的土壤容重均小于裸沙地,其中最小值為花棒綜合體系5 cm深度土壤,為1.44 g/cm3。從圖3 還可以看出,裸沙地土壤容重隨深度的增加呈增大的趨勢,而兩種綜合體系均呈先增大后減小的趨勢。其主要原因可能是植被根系的活動疏松了土壤,而不同植被的根系分布范圍不一樣,所以產(chǎn)生的影響也不一樣。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系各深度土壤容重與裸沙地相比差異都不顯著。綜合以上結(jié)果,與裸沙地相比,兩種綜合體系均降低了土壤容重,花棒綜合體系平均降低了0.071 g/cm3,沙柳綜合體系平均降低了0.064 g/cm3。土壤容重降低,疏松了土壤,增加了孔隙度,對土壤的肥力狀況及植物的生長都產(chǎn)生了積極的影響。

        圖3 兩種綜合體系與裸沙地土壤容重對比

        3.2.3 綜合防護(hù)體系土壤pH 值對比

        測定土壤pH 值,對改良土壤、合理施肥、適地造林有很重要的意義。從圖4 可以看出,裸沙地土壤pH 值隨深度的增加呈升高的趨勢,兩種綜合體系呈降低的趨勢,其主要原因是受地表植被的生長活動及枯枝落葉的影響。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系與裸沙地相比,5 cm 深度土壤pH 值差異不顯著;30、60 cm 深度土壤pH 值則顯著小于裸沙地(P <0.05)。從圖中還可以看出裸沙地5、30、60 cm 三層土壤pH 值都大于8.60,接近強(qiáng)堿性土壤,極不適宜植物生長。這說明通過防護(hù)體系建設(shè)降低了土壤pH 值,其中花棒綜合體系降低了0.59,沙柳綜合體系降低了0.32。

        圖4 兩種綜合體系與裸沙地土壤pH 值對比

        3.2.4 綜合防護(hù)體系土壤養(yǎng)分含量對比

        土壤養(yǎng)分是植物營養(yǎng)的重要來源,植物生長需要土壤提供養(yǎng)分,同時植物的生長也具有改良土壤水、肥、氣、熱的作用。從表3 可以看出,兩種綜合體系與裸沙地相比,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量都高于裸沙地,土壤速效磷含量都低于裸沙地。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系與裸沙地相比,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量差異不顯著,速效鉀含量與裸沙地相比差異極顯著(P <0.001)。以上結(jié)果表明,兩種綜合體系對沙漠土壤都有一定的改良作用,與裸沙地相比,花棒綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0.82 g/kg,堿解氮含量增加了4.93 mg/kg,速效磷含量降低了0.21 mg/kg,速效鉀含量增加了39.32 mg/kg;沙柳綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0.50 g/kg,堿解氮含量增加了3.69 mg/kg,速效磷含量降低了0.23 mg/kg,速效鉀含量增加了36.64 mg/kg;花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

        表3 兩種綜合體系土壤養(yǎng)分含量對比

        4 結(jié) 語

        通過對庫布其沙漠內(nèi)兩種綜合體系防風(fēng)效益及土壤理化性質(zhì)的測定與分析,得出以下結(jié)論:與裸沙地相比,花棒綜合體系和沙柳綜合體系都起到了防風(fēng)阻沙、改良土壤的作用,其防風(fēng)效能分別為46.53% 和44.18%,地表粗糙度分別增大了3.61、1.57 cm;0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1.88 百分點,沙柳綜合體系增加了1.59 百分點;兩種綜合體系均降低了土壤容重,花棒綜合體系平均降低了0.071 g/cm3,沙柳綜合體系平均降低了0.064 g/cm3;兩種綜合體系都降低了土壤pH 值,其中花棒綜合體系降低了0.59,沙柳綜合體系降低了0.32;花棒綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0.82 g/kg、堿解氮含量增加了4.93 mg/kg、速效磷含量降低了0.21 mg/kg、速效鉀含量增加了39.32 mg/kg,沙柳綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0.50 g/kg、堿解氮含量增加了3.69 mg/kg、速效磷含量降低了0.23 mg/kg、速效鉀含量增加了36.63 mg/kg,且花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

        綜上所述,花棒綜合體系在防風(fēng)阻沙、改良土壤方面要優(yōu)于沙柳綜合體系,其原因還需要做進(jìn)一步研究。

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