李得祿，滿多清，劉有軍，嚴(yán)子柱，汪媛艷

(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/甘肅省治沙研究所，甘肅 武威 733000)

風(fēng)沙活動是氣流和沙質(zhì)地表相互作用而形成的氣固兩相流，是風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心內(nèi)容之一[1]。風(fēng)沙活動研究常以近地面顆粒運動特征、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及特征來進行。其中對風(fēng)沙流的研究較多，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指在風(fēng)力作用下，沙粒運動速度、濃度以及輸沙量等沿高度的分布[2]。風(fēng)沙運動規(guī)律是治沙的理論基礎(chǔ)，它能直接表征沙粒的運動形式，判斷地表的蝕積狀況[3]。影響風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的因素有很多，如風(fēng)速、下墊面特性(土壤容重、地表緊實度、土壤含水量、植被蓋度等)，但是由于研究方法、下墊面狀況和氣流性質(zhì)不同，結(jié)果存在一定的差異性[4-5]。風(fēng)沙流運動明顯而強烈地受地形地貌和下墊面結(jié)構(gòu)的影響，因此不同地區(qū)的風(fēng)沙流運動有著特定的流量和表現(xiàn)形式[6]。已有學(xué)者就有關(guān)風(fēng)沙流在風(fēng)洞試驗、野外觀測、理論分析方面開展了大量的研究，取得了豐碩的成果[7-9]。

我國北方干旱荒漠區(qū)風(fēng)沙活動異常頻繁,嚴(yán)重影響了風(fēng)沙活動區(qū)域人們正常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活。為了防止其危害，人們往往通過造林種草提高地表植被蓋度，增加粗糙度，從而改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)達到防沙阻沙的目的[3]。近年來，隨著民勤石羊河流域綜合治理項目的實施，在民勤涌現(xiàn)出了大量的退耕地，在水分短缺、風(fēng)沙危害嚴(yán)重的退耕地上，土地退耕后會形成新的風(fēng)沙源，進而危害農(nóng)田、村莊、交通等。目前，對退耕地研究僅限于不同年限退耕地植被演替規(guī)律[10-13]、土壤水分變化[14]、土壤養(yǎng)分變化規(guī)律[15]，而土地退耕后地表植被會逐漸演替，地表風(fēng)沙流也因植被演替及季節(jié)變化產(chǎn)生一定的變化，不同年限退耕地風(fēng)沙流特征與植被之間的關(guān)系研究尚未見相關(guān)報道。本研究通過石羊河流域下游退耕地植被與風(fēng)沙流之間的關(guān)系研究，以期為退耕地植被恢復(fù)與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于石羊河流域下游民勤治沙綜合試驗站，站區(qū)內(nèi)耕地與林地交錯分布，星羅棋布。20世紀(jì)90年代末，風(fēng)沙危害嚴(yán)重，土壤瘠薄地段的土地開始陸續(xù)退耕，2008年政府實施關(guān)井壓田以來，又有部分土地進行了退耕，因此在站區(qū)內(nèi)形成了不同年限的退耕地。以不同年限退耕地為試驗對象，安裝積沙儀進行風(fēng)沙流觀測。試驗地概況見表1。

表1 退耕地概況

1.2 試驗方法

試驗所用積沙儀是由原中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所研制的20/2型階梯式積沙儀。該積沙儀高100 cm，單口斷面2.0 cm×2.0 cm，共分50層(圖1)。安裝時積沙儀下口底部與地面平齊，積沙口正對主風(fēng)向。觀測開始時記錄時間并同時打開各個積沙儀的口蓋，觀測結(jié)束時記錄時間并同時關(guān)閉各個積沙儀的口蓋。2014年4月安置儀器，取樣前將自封袋進行稱重，然后分層(以2 cm高為梯度)收集近地表0～100 cm的沙塵，烘干后在1/10 000 g電子稱上稱重。風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于甘肅省民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測站，試驗采用1 m高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為5 min。

植被調(diào)查于2015年7月底進行，在不同年限退耕地上開展調(diào)查，樣方面積為10 m×10 m，每個樣地設(shè)置3個樣方。調(diào)查指標(biāo)主要包括物種生境、數(shù)量、高度、冠幅、新梢生長量，對優(yōu)勢物種進行每木調(diào)查，其余物種抽樣調(diào)查5株。同時記錄周邊地貌狀況等環(huán)境因子等指標(biāo)。

1.3 統(tǒng)計分析方法

起沙風(fēng)速(Ut)是沙粒在一定強度風(fēng)的作用下開始移動時的風(fēng)速。起沙風(fēng)速是一個相對概念，是鑒定不同風(fēng)力的風(fēng)是否為害風(fēng)的一個風(fēng)速臨界值。民勤起沙風(fēng)速為5.0 m·s-1，所以，本試驗統(tǒng)計風(fēng)速≥5.0 m·s-1的時間作為計算輸沙率的時間。風(fēng)沙流觀測過程中的平均風(fēng)速用起沙風(fēng)開始到結(jié)束的平均風(fēng)速代替。

注：1.可移動的蓋；2.楔形前沿；3.底座；4.入口；5.積沙室

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS Statistics 21數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析，用Excel 2003進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限退耕地植被及年輸沙量特征

植被蓋度、物種豐富度隨退耕年限的增加呈下降趨勢，在退耕初期土壤水分較好，有利于1年生植物的生長，無論是植物種類還是數(shù)量都相對較多，隨著土壤水分的消耗，草本植物慢慢退出群落，群落物種逐漸被灌木植物代替，而草本植物隨降水?dāng)?shù)量年際間變化較大。在9月份，隨著退耕時間的增加，群落總蓋度呈下降趨勢，退耕2 a群落蓋度達到了79.46%，退耕17 a僅為4.69%，極值差值達到了74.77%，而灌木蓋度基本呈增加趨勢。退耕2 a，土壤水分較好，1年生植物較多，而退耕17 a的地表風(fēng)蝕嚴(yán)重，植被僅為白刺灌叢沙堆類型。物種豐富度隨退耕年限的增加呈下降趨勢，灌木層呈增加趨勢，草本層逐漸減少。物種平均高度來看，在退耕2 a后為最高，退耕8～17 a的高度差異不顯著。而年輸沙量總體上表現(xiàn)為隨著退耕年限的增加逐漸增加(表2)。

表2 不同年限退耕地植被狀況及年輸沙率

2.2 不同年限退耕地輸沙量與植被數(shù)量特征之間的關(guān)系

表3為不同退耕年限、樣地總蓋度、灌木蓋度、物種豐富度、灌木豐富度、物種數(shù)量、平均高度之間的相關(guān)系數(shù)表。從表中可以看出退耕年限與植被總蓋度、物種豐富度、植被平均高度呈顯著負(fù)相關(guān)，退耕年限與年輸沙量呈顯著正相關(guān)，退耕越早，年輸沙量越大；植被總蓋度與物種豐富度、植被平均高度呈正相關(guān)。土地退耕初期因前一年的灌溉作用，土壤含水量較大，植被總蓋度較大，物種也豐富，隨著水分的消耗，總蓋度下降，植被高度也逐漸下降；物種豐富度與平均高度呈正相關(guān)，物種越豐富，植被也越旺盛；輸沙量與植被總蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明植被蓋度越大，輸沙量越低。

2.3 相同風(fēng)速不同植被生長階段輸沙率的差異性

將同一退耕地上不同植物生長期，大于起沙風(fēng)速的平均風(fēng)速與持續(xù)時間相近的輸沙率進行比較，分析不同植被生長階段對輸沙率的影響?？傮w上表現(xiàn)為隨著退耕年限的增加，風(fēng)沙流輸沙率呈增加趨勢，在垂直梯度上隨著高度的增加，輸沙率呈下降趨勢，越接近地表輸沙率越大。從植被不同生長季來看，同一風(fēng)速條件下，7月份積沙儀各層次輸沙率均>9月份，其主要原因是7月份1年生植被尚未長出，群落植被蓋度較低，9月份1年生草本在群落中占據(jù)一定地位，蓋度增加，下墊面性狀的改變對風(fēng)沙流輸沙率產(chǎn)生了影響(圖2)。退耕17 a的7月和9月各層次輸沙率差異不顯著，其主要原因是退耕17 a后植被主要以灌木白刺為主，1年生草本數(shù)量少，植被蓋度變化小。退耕10 a的灌木數(shù)量較少，而草本植物在降雨后迅速生長，群落蓋度增加幅度較大，對風(fēng)沙流輸沙率影響也最為顯著。

表3 各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)

注:*表示在0.05水平(單側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖2 不同年限退耕地上不同植被條件下的輸沙率變化

2.4 不同植被條件下不同年限退耕地輸沙率變化規(guī)律

干旱荒漠區(qū)植被稀疏，類型單一，構(gòu)成群落的灌木種數(shù)量稀少，而受降雨季節(jié)的影響，草本植物會隨降雨量的大小有明顯的變化，對植被蓋度影響也較大。不同植被蓋度條件下不同年限退耕地輸沙率存在一定差異，而且變化幅度也不一致。圖3為退耕17 a、13 a和10 a 7月和9月輸沙率隨高度增加的百分比圖。可以看出，隨著高度的增加，植被對風(fēng)沙流降低的作用在逐漸增加，退耕10 a的退耕地輸沙率隨高度增加降幅最大，退耕13 a的次之，退耕17 a的最低，這是由于植被生長季節(jié)不同1年生草本植物對植被蓋度的影響不同造成的，退耕10 a的灌木蓋度僅為2.4%，而草本植物蓋度可達13.56%，雨季后草本植物增加數(shù)量較多，對輸沙率的降低程度也最大，而退耕13 a的灌木蓋度為9.69%，草本蓋度為3.78%，由于草本增加對群落的蓋度增加幅度較小，輸沙率降低幅度比退耕10 a的低，而退耕17 a的灌木蓋度是4.15%，草本蓋度僅為0.54%，草本對群落蓋度的貢獻較小，風(fēng)沙流下降的值也最低。

圖3 不同高度范圍內(nèi)輸沙率降低百分比

3 結(jié)論與討論

土地退耕后土壤水分、植被類型隨時間而不斷發(fā)生變化，退耕地輸沙量也因植被而發(fā)生變化。通過測定不同年限退耕地上植被群落總蓋度、灌木蓋度、物種豐富度、物種數(shù)量、植物平均高度、年輸沙量等指標(biāo)，測算了他們之間的相關(guān)系數(shù)。表明退耕年限與植被總蓋度、物種豐富度、植被平均高度呈顯著負(fù)相關(guān)，土地退耕初期，土壤水分較好，物種豐富度較高，尤其是1年生植被發(fā)育較好，植被生長旺盛，群落蓋度大，隨著退耕時間的增加，土壤水分的消耗，植被蓋度下降，1年生草本植物開始退出群落，群落逐漸被灌木代替。退耕年限與年輸沙量呈顯著正相關(guān)，退耕時間越長，年輸沙量越大。植被總蓋度與物種豐富度、植物平均高度呈正相關(guān)，退耕地退耕初期土壤水分較大，植被總蓋度較大，物種也豐富，隨著水分的消耗，總高度下降，植物平均高度也逐漸下降；物種豐富度與植物平均高度呈正相關(guān)，物種越豐富，植被也越旺盛；輸沙率與植被總蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明植被蓋度越大，輸沙率越低。

影響地表蝕積的因素主要有風(fēng)速和下墊面狀況，其中植被是下墊面中影響蝕積狀況的主要因素。在干旱荒漠區(qū)植被稀疏，類型單一，灌木樹種屬于植被穩(wěn)定層片，但是數(shù)量有限，而1年生草本隨降水量變化較大，尤其是7-9月雨季過后，為1年生植物提供了水分條件，能夠迅速生長，植被蓋度顯著增加，對群落植被蓋度產(chǎn)生了顯著的影響。從群落植被來看，隨著退耕年限的增加，植被蓋度逐漸下降，草本植物蓋度在7-9月因降雨量增加對其影響較大。退耕時間越短，土壤水分較好，1年生植物較多，而退耕時間越久植被僅以白刺灌叢、紅柳等植物為主，地表風(fēng)蝕嚴(yán)重。灌木植被蓋度隨退耕時間的增加基本呈增加趨勢，物種豐富度呈下降趨勢，灌木層增加，草本層減少。從物種平均高度來看，在退耕2 a后為最高，退耕8～17 a的高度差異不顯著。而年輸沙量總體上表現(xiàn)為隨著退耕年限的增加逐漸增加。

群落蓋度的增加影響了風(fēng)沙流輸沙率。隨著退耕時間的增加，植被蓋度呈下降趨勢，輸沙率呈增加趨勢，輸沙率與植被蓋度顯著相關(guān)。黃富詳[16]等研究了毛烏素沙地植被覆蓋率與風(fēng)蝕輸沙率定量關(guān)系，由于植被覆蓋的影響,產(chǎn)生風(fēng)蝕的風(fēng)速有所降低,當(dāng)植被覆蓋率達到50%～60%時,植被覆蓋對風(fēng)速的降低還十分顯著,這就是植被覆蓋減少風(fēng)蝕輸沙的一條重要途徑。因此增加植被蓋度可以顯著降低風(fēng)沙流輸沙率，達到抑制風(fēng)沙流的目的。邢恩德[17]等研究了不同植被蓋度條件下典型草原區(qū)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕量特征，近地層的輸沙率隨植被蓋度的增加而減??；不同植被蓋度下，風(fēng)速與總輸沙量之間均呈冪函數(shù)關(guān)系，各風(fēng)速下總輸沙量隨著植被蓋度的增加而減少。本研究測定了植被不同生長階段下的風(fēng)沙流輸沙率，研究結(jié)果與其相一致。

影響退耕地風(fēng)沙流的因素較多，如周邊地形地貌、地表植被狀況等等，因此不同退年限退耕地風(fēng)沙流受多種因素的影響，盡管通過該研究取得了一定的研究結(jié)果，但是，在樣地的選擇中如何避開周邊地貌環(huán)境的影響以及適宜梯度退耕年限樣地的選擇相對較難，對試驗結(jié)果也產(chǎn)生了一定的影響，在今后的研究中需要改進研究方法，以獲得更為理想的研究結(jié)果。

[1] 吳正.風(fēng)沙地貌學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[2] 董治寶,王濤,屈建軍.風(fēng)沙物理學(xué)學(xué)科建設(shè)的若干問題[J].中國沙漠,2002,22(3):205-209.

DONG Z B,WANG T,QU J J.Some points to development of blown sand physics as a science[J].Journal of Desert Research,2002,22(3):205-209.(in chinese)

[3] 王翔宇,樸東均,丁國棟,等.流動沙丘風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的定量研究[J].水土保持研究,2008,15(2):36-39.

WANG X Y,PIAO D J,DING G D,etal.Study of the wind-sand flow structure on flowing sand[J].Research of Soil and Water Conservation,2008,15(2):36-39.(in chinese)

[4] 趙永來,陳智,孫悅超,等.作物殘茬覆蓋農(nóng)田地表風(fēng)沙流分布規(guī)律[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,18(2):38-44.

ZHAO Y L,CHEN Z,SUN Y C,etal.Research on distribution rule of wind-sand flow over farmland covered by crop residuals[J].Journal of China Agriculture University,2013,18(2):38-44.(in chinese)

[5] 徐軍,章堯想,郝玉光,等.烏蘭布和沙漠流動沙丘風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的定量研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2013,19:62-66.

XU J,ZHANG Y X,HAO Y G,etal.The quantitative study of wind-sand flow structure in the mobile sand dune of Ulanbuh desert[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2013,19:62-66.(in chinese)

[6] 王自龍,趙明,王立,等.民勤綠洲外圍不同下墊面條件下風(fēng)沙流流量的觀測[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,48(4):851-856.

WANG Z L,ZHAO M,WANG L,etal.Study on wind-sand flow under different underlying surface conditions of Minqin oasis external[J].Hubei Agricultural Sciences,2009,48(4):851-856.(in chinese)

[7] 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,2009,23(4):72-75,108.

WANG Z L,ZHAO M,FENG X D,etal.Study on structure of drifting sand flux under different underlying surface conditions of Minqin oasis external[J].Journal of Soil and Water Conservation,2009,23(4):72-75,108.(in chinese)

[8] 周穎,曹月娥,楊建軍,等.古爾班通古特沙漠東緣風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征[J].水土保持學(xué)報,2016,30(3):78-83.

ZHOU Y,CAO Y E,YANG J J,etal.Sand flow structure characteristics in east of Gurbantünggüt desert[J].Journal of Soil and Water Conservation,2016,30(3):78-83.(in chinese)

[9] 楊興華,李紅軍,何清,等.塔克拉瑪干沙漠荒漠過渡帶春季風(fēng)沙活動特征—以肖塘為例[J].中國沙漠,2012,32(4):915-920.

YANG X H,LI H J,HE Q,etal.Blow sand activities in spring in the desert transitional zone of the Taklimakan desert—a case in Xiaotang area[J].Journal of Desert Research,2012,32(4):915-920.(in chinese)

[10] 李昌龍,肖斌,王多澤,等.石羊河下游鹽漬化棄耕地植被演替與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,25(2):241-247.

LI C L,XIAO B,WANG D Z,etal.Correlation analysis on vegetation succession and soil nutrients in abandoned salinized fields in lower reaches of Shiyang river[J].Chinese Journal of Ecology,2011,25(2):241-247.(in chinese)

[11] 楊濤,王得祥,周金星,等.陜北黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植物群落演替規(guī)律及物種多樣性動態(tài)研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2009,24(5):10-15.

YANG T,WANG D X,ZHOU J X,etal.Vegetation succession and species diversity dynamics of the plant communities in the Loess Hilly and gully region[J].Journal of Northwest Forestry University,2009,24(5):10-15.(in chinese)

[12] 薛智德,朱清科,梁宗鎖,等.延安研究區(qū)退耕地植物群落動態(tài)變化特征[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2007,22(3):16-20.

XUE Z D,ZHU Q K,LIANG Z S,etal.Dynamic changes of plant community on rehabilitated land in early succession stage in Yan' an Area[J].Journal of Northwest Forestry University,2007,22(3):16-20.(in chinese)

[13] 王丹丹,吳普特,趙西寧.黃土高原退耕還林(草)效益評價研究進展[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2010,25(3):223-228.

WANG D D,WU P T,ZHAO X N.Benefit evaluation of conversion of cropland to forest project in the Loess Plateau:a review[J].Journal of Northwest Forestry University,2010,25(3):223-228.(in chinese)

[14] 何芳蘭,李治元,趙明,等.民勤綠洲鹽堿化退耕地植被自然演替及土壤水分垂直變化研究[J].中國沙漠,2010,30(6):1374-1380.

HE F L,LI Z Y,ZHAO M,etal.Natural vegetation succession and soil water change in fallow salinization cropland in Minqin oasis,Gansu Province[J].Journal of Desert Research,2010,30(6):1374-1380.(in chinese)

[15] 王俊年,郭樹江,李得祿,等.石羊河流域下游不同年限退耕地土壤養(yǎng)分和鹽分變異特征研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2012,28(26):211-216.

WANG J N,GUO S J,LI D L,etal.The variation characteristics of soil nutrients and salinity of different years abandoned fields in lower reaches of Shiyang river[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2012,28(26):211-216.(in chinese)

[16] 黃富祥,牛海山,王明星,等.毛烏素沙地植被覆蓋率與風(fēng)蝕輸沙率定量關(guān)系[J].地理學(xué)報,2001,56(6):700-710.

HUANG F X ,NIU H S,WANG M X,etal.The relationship between vegetation cover and sand transport flux at Mu Us sandland[J].Acta Geographica Sinica,2001,56(6):700-710.(in chinese)

[17] 邢恩德,馬少薇,郭建英,等.植被蓋度對典型草原區(qū)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕量影響[J].水土保持研究,2015,22(6):331-334.

XING E D,MA S W,GUO J Y,etal.Effect of vegetation cover on sandstorm structure and rate of wind erosion in typical steppe[J].Research of Soil and Water Conservation,2015,22(6):331-334.(in chinese)