王瑞東 黨曉宏,2 高 永 楊 霞 張 超 李婉嬌

( 1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；

2. 內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

沙柳（Salix psammophila）沙障是我國西北地區(qū)主要的治沙措施之一，能夠在一定程度上有效地改變流沙表面的粗糙度，減弱近地面風速，降低風沙流活動及沙丘移動速度，從而達到固定流沙、防治沙害的目的[1-2]。研究證明在流動沙丘上鋪設(shè)沙柳沙障能夠有效改善沙丘微環(huán)境，促進并加快植被恢復進程[3]。由于地域的優(yōu)勢，毛烏素沙地盛產(chǎn)沙柳，且沙柳在生長一定年限必須進行平茬復壯，當?shù)剞r(nóng)牧民充分利用平茬的沙柳條鋪設(shè)沙障來防沙治沙，效果相當顯著[4-5]。布設(shè)沙柳沙障單次施工可以達到生物治沙及工程治沙的雙重目的，因此，這是一種具有很大推廣價值的防沙治沙措施[6]。近幾年發(fā)現(xiàn)，沙柳沙障在鋪設(shè) 3～5 a后，受到自然或人為等因素的影響發(fā)生不同程度的破損現(xiàn)象，使障邊出現(xiàn)不同長度的缺口，其破損程度使沙障的防風固沙作用及植被恢復效果受到嚴重影響[7-8]。目前，關(guān)于沙柳沙障的防風固沙效益方面做了較為全面的研究，但對于沙障破損規(guī)律及其對植被恢復的影響研究還較少[9-11]。因此研究沙障破損情況及其與植被恢復的關(guān)系具有十分重要的意義。

本研究以毛烏素沙地南緣的巴圖塔沙柳林基地內(nèi)布設(shè)的沙柳沙障為研究對象，通過對不同年限（3、5 a）、不同規(guī)格（1 m×1 m、2 m×2 m）、不同坡位（迎風坡底部、迎風坡中部、沙丘頂部、背風坡中部、背風坡底部）以及不同障邊位置沙柳沙障破損度及沙障內(nèi)主要植物種生長的情況進行調(diào)查分析，以此探明沙柳沙障破損情況及其與植被恢復的關(guān)系，旨在為更有效、合理地利用沙柳沙障資源，改善我國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

巴圖塔沙柳基地試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，地處北緯39°31′，東經(jīng)110°03′，屬神府東勝礦區(qū)巴圖塔井田的防沙治沙區(qū)，海拔1 100～1 300 m。屬溫帶半干旱半荒漠性氣候[12]。年平均氣溫為5.5～9.1 ℃；風大且頻繁，蒸發(fā)強烈，年均風速3.5 m/s，最大風速達24 m/s，年均大風日數(shù)約11～25 d[5]。春季大風持續(xù)時間長，常以西北風為主；夏季常出現(xiàn)大雨，主要以東南風為主。降水主要集中在每年7—9月中旬，年平均降水370～410 mm。植被類型主要有沙柳、沙竹（Psammochloa villosa）、沙米（Agriophyllum Squarrosum）、沙蒿（Artemisia ordosica）等，植物種類少，覆蓋度低，不足5%[12]。非地帶性土壤以風沙土為主。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的伊金霍洛旗境內(nèi)進行，在設(shè)置沙障前測定了該沙丘不同部位的風速分布和風沙運動情況后沿主風方向等間距布設(shè)1 m×1 m，2 m×2 m不同規(guī)格沙障各30個，沙障高20～25 cm。每種規(guī)格沙障從沙丘的基部一直設(shè)置到沙丘頂部，在迎風坡底部、迎風坡中部、沙丘頂部、背風坡中部、背風坡底部5個部位進行布設(shè)（如圖1），使用DEY-I型多點遙測防沙風速儀（長春氣象儀器廠，中國）測定沙障的近地表風沙流活動情況及不同規(guī)格障格內(nèi)4邊的風速變化情況。風杯設(shè)在距地表10、50、100、200 cm高度后記錄不同高度的風速情況。每個測點3次重復。同時使用實驗室自制積沙儀器測定近地表10 cm高度內(nèi)的沙塵活動情況[13-16]。

圖 1 沙丘坡位示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sand dunes

沙障設(shè)置第3年（2015年9月）和第5年（2017年9月）的秋季，以1 m×1 m和2 m×2 m規(guī)格的不同坡位進行實地調(diào)查，設(shè)置5個調(diào)查樣方（與沙障規(guī)格一致），對每個障格4條邊的破損程度及植被生長情況進行調(diào)查。以此研究沙障破損程度規(guī)律及其與植被恢復的影響。調(diào)查時，為了便于數(shù)據(jù)處理分析，從坡下部至坡上部每個障格4條邊命名如圖2。調(diào)查指標有沙丘坡度、高度，植被種類、蓋度、密度、高度、頻度和沙障每個障格4條邊的破損情況等。

圖 2 沙障障格4條邊位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the quadrilateral

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了便于數(shù)據(jù)處理分析，處理時將不同大小的樣方數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化為1 m×1 m樣方數(shù)據(jù)。按公式（1）計算破損度[17]，按公式（2）～（6）計算重要值，通過物種重要值確定植物群落的主要成分，分析群落的動態(tài)變化，進一步研究沙柳沙障對植被恢復的影響[18]。按公式（7）～（10）計算多樣性指標，分析沙柳沙障破損程度與群落多樣性變化的關(guān)系[19]。

式中：S為障格內(nèi)群落中總種數(shù)；N為障格內(nèi)所有物種個體總數(shù)；Pi采用綜合特征量的重要值與群落總重要的比值來代替[19]。

圖 3 沙丘不同部位迎風邊、順風邊破損情況Fig. 3 Damage to the wind and the side of the sand in different parts of the dune

3 結(jié)果與分析

3.1 沙柳沙障破損情況分析

山丘不同部位迎風坡、順風坡破損情況見圖3。

由圖3可知，隨著沙柳沙障布設(shè)年限的增加，該地區(qū)的沙柳沙障平均破損程度已經(jīng)從22.45%（布設(shè)3 a后）增加到52.89%（布設(shè)5 a后）。沙障破損程度值的大小排序均表現(xiàn)為背風坡底部＞背風坡中部＞沙丘頂部＞迎風坡底部＞迎風坡中部。在沙丘背風坡，從中部至底部，2種規(guī)格的沙障4條邊破損程度呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢。在沙丘迎風坡的底部到頂部，不同部位沙障的破損程度表現(xiàn)為沙丘頂部最大，其次為坡位底部，坡中部的破損程度較小。從沙柳沙障所處沙丘不同部位的迎風邊、順風邊破損情況可以看出，總體上表現(xiàn)為迎風邊破損情況要比順風邊破損情況較嚴重，而迎風邊下邊破損度比其他3條邊破損嚴重，破損程度表現(xiàn)為迎風側(cè)下部＞迎風側(cè)上部＞順風側(cè)左邊＞順風側(cè)右邊。另外在調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，沙丘整體的底部、中部的表面經(jīng)過沙障的固定均已經(jīng)形成結(jié)皮，這種現(xiàn)象為植物的定居與生長提供了基本的環(huán)境。

3.2 沙柳沙障與植被恢復的關(guān)系

3.2.1 不同年限沙柳沙障規(guī)格與植被蓋度的關(guān)系

植被覆蓋度是衡量沙柳沙障防護功能的一項重要指標，在一定程度上能夠直接反映沙區(qū)的植被恢復情況。由圖4可知，不論是沙丘迎風坡還是背風坡，流動沙丘植被蓋度整體上低于布設(shè)不同規(guī)格沙柳沙障，說明在流動沙丘上布設(shè)沙柳沙障有利于植物生長和恢復。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，植被蓋度隨沙障布設(shè)年限及沙障破損程度的增加呈現(xiàn)明顯減少的變化。1 m×1 m規(guī)格沙障的植被蓋度情況低于2 m×2 m規(guī)格沙障，且不同規(guī)格的沙柳沙障植被蓋度在沙丘的不同位置存在一定的規(guī)律性，從沙丘頂部至背風坡植被蓋度均是在沙丘背風坡較高，特別是在背風坡的中部，植被蓋度最好，沙丘頂部植被蓋度較少。

圖 4 2種規(guī)格沙障在沙丘不同坡位的植被蓋度情況Fig. 4 The vegetation coverage of 2 kinds sand barrier in different slope of sand dunes

從表1可知，沙柳沙障設(shè)置3 a后已經(jīng)形成穩(wěn)定的沙蒿+沙米群落，兩者為現(xiàn)階段的主要植物種，在調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)在沙丘背風坡出現(xiàn)沙竹、蟲實等植物種。2種規(guī)格相比，2 m×2 m規(guī)格沙障中植物種較多，表明2 m×2 m規(guī)格沙障內(nèi)植被在向良性方向發(fā)展。從植被重要值來看，2 m×2 m規(guī)格沙障中沙蒿的貢獻率較大，其他種類植物已占有一定的群落地位。從植物種所在沙丘不同部位來看，迎風坡沙蒿貢獻率高于背風坡，迎風坡和背風坡不同坡位間植被恢復差異不太明顯。由于沙障設(shè)置規(guī)格不同，相應(yīng)規(guī)格內(nèi)不同群落植被蓋度、重要值也不同，更進一步說明2 m×2 m規(guī)格沙障內(nèi)植被恢復情況較好。

表 1 不同規(guī)格沙柳沙障在不同坡位的植物種及重要值Table 1 Plant species and important values of different sizes of S. psammophila sand barrier in different slopes %

結(jié)合表2和圖5分析可知，不同設(shè)置年限沙丘植物多樣性的呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。由圖5可知，隨著沙柳沙障鋪設(shè)年限的增加，H′，D、J和M指數(shù)均呈先增加后減少的趨勢?；貧w分析表明，綜合多樣性指數(shù)與設(shè)置年限呈一定線性關(guān)系，尤其是H′和M增加較明顯。

表 2 不同設(shè)置年限沙柳沙障生物多樣性變化及回歸分析Table 2 Biodiversity change and regression analysis of S. psammophila sand barrier with different setting years

圖 5 不同設(shè)置年限對生物多樣性的影響Fig. 5 The effects of biodiversity in different years of sand barriers

3.2.2 不同坡位各障邊沙柳沙障破損程度與植被恢復的關(guān)系

對沙丘不同部位沙柳沙障4條邊的破損情況進行分析并探究其與植被蓋度的關(guān)系。由表3可知，順風側(cè)右邊沙障的破損程度與植被蓋度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.536，即破損度越大，植被蓋度越小，其余障邊沙柳沙障的破損程度均無顯著差異。進而使植被在恢復過程中繼續(xù)面臨風蝕沙埋等問題，植被在沙障破損嚴重的地貌區(qū)域萌發(fā)和定居的機會較小，植物種存活較少，蓋度降低，進而影響植被的恢復。破損度越來越大，植被蓋度越小。影響其防風固沙帶來的防風效益下降。進而使植被在恢復過程中繼續(xù)面臨風蝕沙埋等問題，植被在沙障破損嚴重的地貌區(qū)域萌發(fā)和定居的機會較小，植物種存活較少，沙障帶來的防風效益減弱，使得破損程度越大的地貌植被數(shù)量減少，蓋度降低，進而影響植被的恢復。

表 3 各區(qū)域植被蓋度及沙障的破損度Table 3 Vegetation coverage and damage of sand barriers in various regions %

4 結(jié)論與討論

在流動沙地上，沙柳沙障受到光、溫度、風蝕、沙埋和微生物等環(huán)境影響，會導致沙障發(fā)生不同程度的破損、倒伏和缺口[20]。部分沙柳沙障因自身木質(zhì)、纖維等結(jié)構(gòu)的特性發(fā)生變質(zhì)腐爛，引起沙障自身質(zhì)量的損失和力學強度下降，影響沙障出現(xiàn)大面積倒伏現(xiàn)象；部分沙柳沙障受到風力影響而直接倒伏，或由于風沙流活動引起的風蝕沙埋作用導致沙障失去作用；有的沙障因為環(huán)境因素，人畜擾動破壞而發(fā)生折斷、缺口等損壞，進而導致沙柳沙障防風固沙效益下降。沙柳沙障的破損程度在植被恢復過程中繼續(xù)面臨風蝕沙埋等問題，進而影響植被的恢復[21]。不僅如此，根據(jù)高永等[9]在沙柳沙障的防風固沙效益研究中表明，在大風條件下，1 m×1 m規(guī)格沙障成本高于 2 m×2 m規(guī)格沙障，且沙柳沙障在防風固沙方面發(fā)揮了很大的促進作用，進一步為植被恢復奠定了基礎(chǔ)。

沙柳沙障的破損程度及防護效益很大一部分原因受到地形起伏、沙丘坡度等環(huán)境因子的影響。本研究探討了沙柳沙障所處不同年限、不同沙丘坡位、不同障格位置等條件的變化及沙柳沙障與植被恢復有何關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沙丘不同部位的沙柳沙障破損程度存在較大差異；根據(jù)哈斯等研究騰格里沙漠東南緣沙丘表面氣流與坡面形態(tài)的關(guān)系表明[22]：在沙丘迎風坡底部區(qū)域，氣流流線下凹，速度較?。挥L坡中部，流線上凸，流線上凸，氣流加速；因此背風坡主要發(fā)生沙物質(zhì)的沉積以及重力作用下的崩塌前移，破損主要以壓埋為主。這一結(jié)果與本實驗所得出的結(jié)果是一致的。從迎風坡的風速變化來看，底部的風速最小，至迎風坡上部時，風速發(fā)生陡變，沙丘頂部則發(fā)生附面層分離，風沙流作用較強，各障邊在沙丘頂部均有一定程度的破損，但無明顯差異，說明丘頂4條障邊受坡度影響較小，受風作用也相近。另外沙障的迎風坡，迎風側(cè)下邊首先遭受風力侵蝕，其次是迎風側(cè)上邊，順風邊受風沙流的影響明顯較??；對于迎風側(cè)下邊而言，其也遭受來自于沙粒重力作用的壓迫，但因坡度較小，這種壓迫作用弱于背風坡沙障下邊，因而破損程度相對于背風坡小。沙丘所處背風坡位置沙障的各邊破損程度都明顯高于迎風坡，在進行野外調(diào)查時，對沙丘坡度進行了測量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)2種規(guī)格沙柳沙障所在的沙丘迎風坡度為12°左右，而背風坡坡度均為31°左右。因此，在沙丘背風坡位置沙柳沙障破損較為嚴重主要有2個原因[21]，其一，背風坡沙丘較迎風坡坡度陡，各障邊枝條受自身重力作用向坡腳方向發(fā)生一定偏移，同時沙丘表面干沙受到重力作用不斷向下發(fā)生堆積，壓制障邊直至倒缺；其二，背風坡會向風沙流中接受來自于迎風坡的沙子，引起沙粒在背風坡中部的堆積，若沒有沙障，堆積的沙粒會在重力作用下下泄堆積至坡腳，進而引起沙丘的前移，而在沙障的作用下，這種堆積卻導致沙障障格內(nèi)的沙粒不斷增多，使障邊遭受更大的來自于沙粒重力作用的向下壓制，同時，沙粒堆積也會引起沙障遭受沙埋。在這兩種作用下，從沙障背風坡中部到背風坡底部，2種規(guī)格的沙障迎風邊破損度均呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，而順風邊呈減小趨勢。從每個障格的 4條邊來看，迎風邊高于順風邊，且沙障向坡腳方向的下邊破損度高于其他3邊。

沙柳沙障是流沙上植被恢復的重要必要條件和措施，能夠減弱流沙表面風沙流活動、攔截外來風沙流、改善地表環(huán)境，促進植被恢復過程。周丹丹等[12]研究表明植被生長對沙障有明顯的依附作用，尤其在沙丘背風坡，不僅受坡度影響較大，而且背風坡坡度較陡，受到重力作用種子會向下運動，坡度是影響植被恢復的主要因素，這一結(jié)果與本實驗所得出的結(jié)果是一致的。另外，對沙丘不同部位沙障各邊的平均破損度進行計算，分析其值與植被蓋度的關(guān)系。除順風側(cè)右邊，各區(qū)域植被蓋度與各障邊沙柳沙障的破損度均無顯著差異。分析原因可能是由于沙障目前破損程度還較輕，未達到對其植被恢復效益產(chǎn)生影響的程度，也可能是沙障破損程度會對植被恢復產(chǎn)生影響，只是目前鋪設(shè)時間較短，相互影響關(guān)系還沒有完全體現(xiàn)出來。但結(jié)合4種多樣性指數(shù)的變化可得出，物種多樣性隨沙障布設(shè)年限的增加總體呈上升趨勢，沙柳沙障內(nèi)植被種類、蓋度均呈增加的趨勢，植被恢復進程加快，促進植被的正向演替。

綜合分析，隨沙障布設(shè)年限的增加，土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量逐漸升高，植被整體生長環(huán)境得到改善，多年生草本植物也開始在沙丘上定居，群落物種數(shù)隨年限的增加而有所增加，群落的物種組成也有一定的變化，群落類型將進一步向多樣化方向發(fā)展。

本研究中，沙柳沙障鋪設(shè)5a后破損程度嚴重，平均破損度達到52.89%，沙丘背風坡沙柳沙障破損程度較迎風坡嚴重，同一障格不同障邊的破損程度表現(xiàn)為迎風邊＞順風邊；2 m×2 m 規(guī)格的沙障植被恢復效果優(yōu)于1 m×1 m規(guī)格的沙障，表明在流動沙丘上鋪設(shè)沙柳沙障能夠有效地促進植被恢復，植物多樣性隨沙障設(shè)置年限基本呈正相關(guān)關(guān)系；風力掏蝕是導致迎風坡沙柳沙障破損的主要影響因子，坡度和壓埋是導致背風坡沙柳沙障破損的主要影響因子。