王強(qiáng)強(qiáng)，唐進(jìn)年，楊自輝，張劍揮，郭樹江

(1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300；2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京100091)

埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障的固沙效應(yīng)及其應(yīng)用前景

王強(qiáng)強(qiáng)1,2，唐進(jìn)年3，楊自輝1,2，張劍揮1,2，郭樹江1,2

(1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300；2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京100091)

埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障；固沙效益；應(yīng)用前景

土地沙化是我國當(dāng)前最為嚴(yán)重的生態(tài)問題，沙障作為防沙治沙的主要措施之一，在我國干旱沙區(qū)發(fā)揮了重要作用。在流動沙丘上布設(shè)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障，能阻截近地面風(fēng)沙流和增加植被覆蓋度，具有良好的固沙效益。和黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障相比，埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有材料運(yùn)輸方便、操作技術(shù)簡單、投入成本低、防護(hù)時(shí)效長、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

土地沙化是我國當(dāng)前最為嚴(yán)重的生態(tài)問題，第五次全國荒漠化和沙化土地監(jiān)測結(jié)果顯示，全國沙化土地面積為172.12萬km2，占國土總面積的17.93%。植樹造林和設(shè)置沙障是防沙治沙的兩大基本措施[1]，對于風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重或水資源短缺等立地條件較差的干旱沙區(qū)，通過大面積植樹造林來防沙治沙已不可取，沙障成為主要的固沙措施[2]。目前主要有黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障等，這幾種沙障的推廣應(yīng)用對我國干旱沙區(qū)防沙治沙發(fā)揮了重要作用[3-7]，但是也存在諸多問題，如：黏土沙障取土困難，用工量大，同時(shí)設(shè)置黏土沙障容易造成土壤板結(jié)，形成地表徑流，阻止水分的入滲[8]；麥草方格沙障材料緊缺，沙區(qū)運(yùn)輸材料難度大，操作復(fù)雜且防護(hù)的時(shí)效性差[9]；塑料網(wǎng)方格沙障施工相對容易，防護(hù)時(shí)效性長，但是投入成本高[9-10]；沙障作為植物固沙措施的輔助措施，經(jīng)常被設(shè)置在半固定沙丘和稀疏固沙植被區(qū)，在流動沙丘上設(shè)置容易被風(fēng)掏蝕和沙埋，很難在流動沙丘治理中應(yīng)用[10-11]。這些因素使黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障在推廣應(yīng)用中受到限制[12]。因此，探索經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的治沙材料和方法顯得尤為重要。筆者詳細(xì)敘述了埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障的施工方法，對其固沙效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，以期為我國干旱沙區(qū)防沙治沙工程的實(shí)施和流動沙丘的治理提供新材料、新技術(shù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在民勤干旱沙區(qū)，地處河西走廊東端，石羊河流域尾閭，地理位置101°59′～104°12′E、38°08′～39°26′N。區(qū)內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占土地面積的94.2%，綠洲占5.8%，綠洲夾在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間。區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆诘湫痛箨懶詺夂颍邓∩?，氣候干燥，大風(fēng)天氣多。年平均降水量l16.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 359.7 mm；多西北風(fēng)，多年平均大風(fēng)日數(shù)26.3 d、沙塵暴日數(shù)25 d、揚(yáng)沙日數(shù)37.5 d、浮塵日數(shù)29.7 d，年平均風(fēng)速2.3 m/s，起沙風(fēng)速大于5.0 m/s。根據(jù)民勤治沙綜合試驗(yàn)站長期監(jiān)測，試驗(yàn)區(qū)地下水位從1961年的2.24 m下降到2014年的23.25 m，民勤綠洲邊緣生態(tài)地下水位臨界范圍在7～11 m[13]，超過此范圍所有植物都無法利用地下水；民勤綠洲多年平均降水量為116.5 mm，主要集中在7—9 月，且降雨強(qiáng)度小，植物利用的有效性差[14-15]。因此，地下水位的迅速下降和降水的低利用率，導(dǎo)致民勤綠洲邊緣固沙植被大面積衰退死亡，沙塵暴頻繁，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化[16]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)地選擇

試驗(yàn)地選擇在民勤治沙綜合試驗(yàn)站西北約8 km零星分布的帶狀流動沙丘上，沙丘寬60～80 m，迎風(fēng)坡長70～100 m，背風(fēng)坡長8～15 m，沙丘頂部高3～4 m，流動沙丘上只有少量零星分布的1年生草本植物沙米(Agriophyllumsquarrosum)，流動沙丘上風(fēng)向約1 km為3～8 m高的流動沙丘，其間為相間分布的丘間覆沙地、粗礫質(zhì)覆沙地、少量的半固定白刺沙包(蓋度約3%～5%)、河灘地，地表粗糙度低，沙源豐富。

2.2 沙障材料及布設(shè)方法

埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障材料選用網(wǎng)寬為30 cm、孔隙度為30%的塑料網(wǎng)，塑料網(wǎng)的主要原料是高密度聚乙烯(HDPE)，添加抗UV添加劑，抗紫外線能力強(qiáng)，可在沙漠地區(qū)惡劣的自然環(huán)境下使用10 a以上。

沙障布設(shè)前首先要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和沙丘、沙紋的形態(tài)特征，確定布設(shè)地主風(fēng)向，然后按沙障行帶的走向同主風(fēng)向垂直的原則進(jìn)行布設(shè)。沙障一般設(shè)置在流動沙丘迎風(fēng)坡。首先，在沙面上開一條15 cm左右深的溝，溝的走向與主風(fēng)向垂直，然后把塑料網(wǎng)拉直繃緊鋪在溝內(nèi)，塑料網(wǎng)迎風(fēng)面一邊露出沙面6～8 cm，回填沙子(圖1)，沙障行帶間距為1 m。

圖1 埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障設(shè)置示意

2.3 植被調(diào)查

分別在沙障布設(shè)區(qū)和對照流動沙丘(CK)上選擇植被樣地，于2014年10月底(植物生長末期)進(jìn)行植被調(diào)查。樣地設(shè)置方法是沿沙丘中線，分別在沙丘底部、中部、頂部設(shè)置2 m×2 m的觀測樣方，平行設(shè)置3個重復(fù)。分別調(diào)查樣方內(nèi)每一種植物，調(diào)查內(nèi)容為：植物名、高度、冠幅、冠內(nèi)蓋度、株數(shù)。

2.4 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及流量觀測

在2014年4月，分別在沙障布設(shè)區(qū)和對照流動沙丘上沿沙丘中線在沙丘底部、中部、頂部分別設(shè)置風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)監(jiān)測儀，采用風(fēng)向跟蹤濾袋式積沙儀分層收集和測定近地面0～30 cm高度氣流層內(nèi)(每層2 cm×2 cm，共15 層)的輸沙量及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。在達(dá)到起沙風(fēng)速以上風(fēng)速時(shí)，將積沙儀埋設(shè)于待測的樣地(下口底部與地面平齊)，觀測開始時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)打開積沙儀的各個進(jìn)沙口，觀測結(jié)束時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)關(guān)閉各個進(jìn)沙口，將積沙儀帶回實(shí)驗(yàn)室，用1/1 000 g感量的電子天平稱量每個積沙儀各個高度層內(nèi)的沙樣質(zhì)量。

3 固沙效應(yīng)分析

長期以來，風(fēng)沙災(zāi)害防治技術(shù)一直是沙漠化及其治理研究的主要內(nèi)容，通過設(shè)置沙障等工程措施不僅能防止風(fēng)沙流造成的危害，而且是生態(tài)治理和退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要組成部分[17-18]。

3.1 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化特征

在對照流動沙丘上，隨著高度的增加，近地面0～30 cm高度內(nèi)輸沙率逐漸減少，在0～16 cm高度內(nèi)，沙丘中部輸沙率最高，沙丘底部和頂部輸沙率基本接近，在16～30 cm高度內(nèi)，沙丘底部、中部、頂部輸沙率基本接近(見圖2)。而在沙障區(qū)，隨著高度的增加，近地面0～30 cm高度內(nèi)輸沙率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，輸沙率在4～6 cm高度達(dá)到最大，總的輸沙率沙丘底部>沙丘頂部>沙丘中部(見圖2)。

圖2 流動沙丘(CK)和沙障布設(shè)區(qū)不同

3.2 阻沙效益分析

監(jiān)測表明，流動沙丘底部、中部、頂部0～30 cm高度輸沙率分別為1.66、3.54、1.62 g/(cm2·min)，平均輸沙率為2.27 g/(cm2·min)；而沙障布設(shè)區(qū)沙丘底部、中部、頂部三個部位0～30 cm高度輸沙率分別為1.18、0.97、1.44 g/(cm2·min)，平均輸沙率為1.20 g/(cm2·min)(見圖3)。設(shè)置沙障后，沙丘中部輸沙率變化最大。

圖3 流動沙丘和沙障布設(shè)區(qū)不同部位輸沙率對比

在流動沙丘上，風(fēng)沙流主要集中在0～4 cm高度，這與王自龍等[19]的研究結(jié)論基本相符。和0～30 cm高度內(nèi)總輸沙量相比，對照流動沙丘不同位置0～4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為：沙丘底部59.14%、沙丘中部61.66%、沙丘頂部60.52%，平均60.78%；而沙障布設(shè)區(qū)不同位置0～4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為：沙丘底部24.72%、沙丘中部24.06%、沙丘頂部24.31%，平均24.37%(見圖4)。

圖4 流動沙丘和沙障布設(shè)區(qū)0～4 cm輸沙量

與對照流動沙丘相比，沙障布設(shè)區(qū)沙丘底部、中部、頂部三個部位阻沙率不同。在0～30 cm高度內(nèi)，阻沙率沙丘中部(72.52%)>沙丘底部(28.86%)>沙丘頂部(10.98%)，平均阻沙率為47.27%；在0～4 cm高度內(nèi)，阻沙率沙丘中部(89.28%)>沙丘底部(70.27%)>沙丘頂部(64.25%)，平均阻沙率為78.86%(見圖5)。埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障對0～4 cm高度流沙的阻截作用明顯。

圖5 沙障布設(shè)區(qū)0～4 cm和0～30 cm高度的阻沙率對比

3.3 植被變化特征

在對照流動沙丘上，植被平均蓋度為11.07%，而在沙障布設(shè)區(qū)，植被平均蓋度為37.90%，沙障區(qū)較對照區(qū)植被蓋度顯著增加，增加了26.83百分點(diǎn)。沙障區(qū)和對照區(qū)沙丘不同部位植被蓋度差異顯著(見表1)：在對照區(qū)，植被蓋度依次為沙丘頂部(16.54%)>沙丘底部(14.89%)>沙丘中部(1.79%)，而在沙障區(qū)，植被蓋度依次為沙丘中部(62.88%)>沙丘底部(30.34%)>沙丘頂部(20.48%)。隨著沙障的布設(shè)，植物種增加：在對照區(qū)，植被主要以一年生草本植物沙米為主(平均蓋度11.06%)，僅有少量的一年生草本植物鹽生草(平均蓋度0.01%)；而在沙障區(qū)，沙米平均蓋度為28.63%，鹽生草平均蓋度為7.83%，多年生草本植物蘆葦平均蓋度為1.44%。沙障的設(shè)置，固定了流沙，使沙面穩(wěn)定，同時(shí)減少了因風(fēng)蝕引起的土壤水分和養(yǎng)分的流失，促進(jìn)了一年生草本植物沙米和鹽生草的種子萌發(fā)和幼苗定居，為多年生草本植物蘆葦?shù)鹊亩ň犹峁┝擞欣纳硹l件。

表1 沙障布設(shè)區(qū)和對照流動沙丘迎風(fēng)坡不同位置植被特征

4 應(yīng)用前景分析

近年來我國防沙治沙工作取得顯著成效，但土地沙化仍是我國最嚴(yán)重的生態(tài)問題，也是重大的民生問題。2013年3月頒布的《全國防沙治沙規(guī)劃(2011—2020年)》，規(guī)劃到2020年使全國一半以上可治理沙化土地得到治理。這一規(guī)劃的實(shí)施，為埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障推廣應(yīng)用提供了廣闊的市場。

控制防沙治沙工程投入的成本是優(yōu)先考慮的因素。埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障投入成本和年均成本均低于塑料網(wǎng)方格沙障、麥草方格沙障、黏土沙障(見表2)。

表2 不同類型沙障投入成本估算

節(jié)省時(shí)間和勞動力投入是防沙治沙工程實(shí)施需要考慮的另一重要因素。由于干旱沙區(qū)在夏、秋季節(jié)天氣炎熱，同時(shí)正值農(nóng)忙時(shí)節(jié)，存在雇工難的問題，所以沙障設(shè)置時(shí)間必須選擇在天氣較涼爽和農(nóng)閑的冬、春季節(jié)，再加上冬季凍土層和春季風(fēng)沙天氣的影響，適合設(shè)置沙障的時(shí)間很短，不論麥草沙障、黏土沙障，還是塑料網(wǎng)方格沙障，都需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，給工程的實(shí)施帶來困難，而埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障便于機(jī)械化操作(已發(fā)明了鋪設(shè)機(jī)械，專利名稱：一種雙工位網(wǎng)膜沙障鋪設(shè)機(jī)；專利號：ZL 201410476816.1)。在用工費(fèi)用逐年增加的背景下，埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障便于機(jī)械化操作，不僅省時(shí)省力，還會大大減少投入成本。

綜上所述，埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障不僅具有削減近地面風(fēng)沙流、穩(wěn)定沙面、促進(jìn)植被生長的生態(tài)作用，而且設(shè)置成本低、防護(hù)時(shí)效長、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力，具備了在沙漠治理中大面積推廣應(yīng)用的基本條件。

5 討論與結(jié)論

(1)和對照流動沙丘相比，埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有阻沙作用，0～30 cm高度阻沙率為47.27%，流動沙丘風(fēng)沙流主要集中在0～4 cm高度內(nèi)，而埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障對0～4 cm高度流沙的阻截作用明顯，阻沙率為78.86%。

(2)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障有效固定了流沙，使沙面穩(wěn)定，減少了因風(fēng)蝕引起的土壤水分和養(yǎng)分的流失，促進(jìn)了一年生草本植物種子萌發(fā)和幼苗定居，為多年生草本植物的定居提供了有利的生境條件，和對照流動沙丘相比，沙障區(qū)植被蓋度增加了26.83百分點(diǎn)。

(3)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有材料運(yùn)輸方便、操作技術(shù)簡單、投入成本低、防護(hù)時(shí)效長、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，可為風(fēng)沙災(zāi)害區(qū)流沙治理發(fā)揮作用。

(4)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障適合在單一主風(fēng)向地區(qū)流動沙丘上布設(shè)，多風(fēng)向條件下容易被風(fēng)掏蝕，需要對材料和設(shè)置方式進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和完善。首先，對沙障材料進(jìn)行改進(jìn)，將沙障襯于沙面以下的塑料網(wǎng)加塑料薄膜，防止大風(fēng)天氣沙障抖動引起漏沙，導(dǎo)致沙障被風(fēng)吹損，同時(shí)，對沙障露出沙面的塑料網(wǎng)進(jìn)行加筋處理(已獲得實(shí)用新型專利，專利名稱：尼龍網(wǎng)沙障；專利號：ZL 201420473440.4)，在風(fēng)力作用下使露出沙面的塑料網(wǎng)豎立起來，達(dá)到阻沙的目的；其次，對沙障設(shè)置方式進(jìn)行優(yōu)化，在沙丘底部沙障前設(shè)置高立式攔沙網(wǎng)，解決沙丘底部沙障被沙埋的問題，同時(shí)，在沙障區(qū)左右兩側(cè)進(jìn)行加固，防止其他風(fēng)向條件下沙障邊緣被風(fēng)掏蝕，在沙丘中部坡度較大區(qū)域和沙丘頂部增加塑料網(wǎng)行帶的密度，從而解決被風(fēng)掏蝕的問題。

[1] 曹波,孫保平,高永,等.高立式沙柳沙障防風(fēng)效益研究[J].中國水土保持科學(xué),2007,5(2):40-45.

[2] 袁立敏,高永,汪季,等.沙袋沙障對流動沙丘地表風(fēng)沙及植被恢復(fù)的影響[J].水土保持通報(bào),2014,34(1):46-50.

[3] 馬瑞,王繼和,屈建軍,等.不同結(jié)構(gòu)類型棉稈沙障防風(fēng)固沙效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(2):48-51.

[4] 屈建軍,凌裕泉,俎瑞平,等.半隱蔽格狀沙障的綜合防護(hù)效益觀測研究[J].中國沙漠,2005,25(3):329-335.

[5] 汪萬福,王濤,樊錦詩,等.敦煌莫高窟頂尼龍網(wǎng)柵欄防護(hù)效應(yīng)研究[J].中國沙漠,2005,25(5):640-648.

[6] 張克存,屈建軍,俎瑞平,等.不同結(jié)構(gòu)的尼龍網(wǎng)和塑料網(wǎng)防沙效應(yīng)研究[J].中國沙漠,2005,25(4):483-487.

[7] 劉虎俊,王繼和,李毅,等.塑料網(wǎng)方格沙障對新月形沙丘迎風(fēng)坡的風(fēng)沙流影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2011,25(5):26-29,34.

[8] 馬全林,王繼和,朱淑娟.降水、土壤水分和結(jié)皮對人工梭梭(Haloxylonammodendron)林的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(12):5057-5067.

[9] 孫濤,劉虎俊,朱國慶,等.3種機(jī)械沙障防風(fēng)固沙功能的時(shí)效性[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(4):12-16,22.

[10] 馬全林,王繼和,詹科杰,等.塑料方格沙障的固沙原理及其推廣應(yīng)用前景[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(1):36-39,58.

[11] 常兆豐,仲生年,韓福桂,等.粘土沙障及麥草沙障合理間距的調(diào)查研究[J].中國沙漠,2000,20(4):455-457.

[12] 李瑞軍,王繼和,李毅,等.柵欄式棉稈沙障的防風(fēng)固沙效益研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,44(4):99-102.

[13] 楊自輝,方峨天,劉虎俊,等.民勤綠洲邊緣地下水位變化對植物種群生態(tài)位的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(11):4900-4906.

[14] 常兆豐,仲生年,韓福貴,等.民勤沙區(qū)主要植物群落退化特征及其演替趨勢分析[J].干旱區(qū)研究,2008,25(3):382-388.

[14] 李丁,馬金珠,南忠仁.民勤盆地地下水水位下降特征與可持續(xù)利用評價(jià)[J].中國沙漠,2004,24(6):734-738.

[16] 常兆豐,韓福貴,仲生年,等.民勤沙區(qū)人工梭梭林自然稀疏過程研究[J].西北植物學(xué)報(bào),2008,28(1):147-154.

[17] 馬全林,王繼和,劉虎俊,等.機(jī)械沙障在退化人工梭梭林恢復(fù)中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)研究,2005,22(4):526-531.

[18] 韓致文,王濤,董治寶,等.風(fēng)沙危害防治的主要工程措施及其機(jī)理[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004,23(1):13-21.

[19] 王自龍,趙明,馮向東,等.民勤綠洲外圍不同下墊面條件下風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的觀測研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(4):72-75.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404306)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41262008)；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計(jì)劃項(xiàng)目(1506RJIA155)；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204FKCA125)

S157

A

1000-0941(2017)04-0035-04

王強(qiáng)強(qiáng)(1981—)，男，甘肅天水市人，副研究員，碩士，主要從事荒漠生態(tài)和荒漠化防治研究；通信作者唐進(jìn)年(1970—)，男，甘肅古浪縣人，研究員，博士研究生，主要從事荒漠化防治研究。

2016-05-19