魏亞娟,郭 靖,黨曉宏,解云虎,汪 季,李小樂,吳慧敏

(1.包頭師范學院資源與環(huán)境學院,內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.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; 3.內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材廠,內(nèi)蒙古 包頭 014010;4.包頭市林業(yè)和草原局, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

荒漠綠洲過渡帶位于荒漠與綠洲的交匯區(qū),是荒漠系統(tǒng)和綠洲系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化的生態(tài)地帶[1]?；哪G洲過渡帶是以水為主導因子的景觀邊界之一,屬于半荒漠植被區(qū)[2],對維系和保障綠洲生態(tài)安全及生態(tài)內(nèi)部穩(wěn)定具有重要的意義[3]。灌叢沙堆是我國干旱、半干旱及亞濕潤荒漠區(qū)一種常見的風積地貌[4-5],植被作為灌叢沙堆形成的基礎,對風沙流具有較強的攔截能力[6]。其主要通過覆蓋地表、分解風力和阻擋流沙3種方式改變近地表風沙流結(jié)構(gòu),使風沙流在植被周邊沉積,從而形成灌叢沙堆[7]。灌叢沙堆能夠有效抵御干熱風和風沙等災害,并阻滯流沙向綠洲內(nèi)部侵襲[2],對維持荒漠綠洲過渡帶生態(tài)安全和植被資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。

近幾十年來,隨著風沙地貌和沙漠化過程研究的不斷深入,國內(nèi)外學者對灌叢沙堆進行了系統(tǒng)的研究。國外學者的研究主要集中于灌叢沙堆的形成與演化過程、沉積特征和生態(tài)學與動力學過程等方面[8-12];而國內(nèi)學者對灌叢沙堆的研究主要側(cè)重于形態(tài)特征、土壤理化性質(zhì)、空間分布格局和防風固沙效益等方面[9-20]。大量研究表明,灌叢沙堆的形成與演化是一種動態(tài)平衡過程,是植物、風力和沙源3種因素共同作用的產(chǎn)物,其形成能夠反映局域內(nèi)風沙環(huán)境特征[21-22]。由于灌叢沙堆形態(tài)具有一定的局域性和復雜性,導致同一種植物在不同生境中生長表現(xiàn)不同,灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)也存在一定差異[18]。原因在于不同生境下植被類型、植被生長狀況[23]、地表起沙閾值和沙塵釋放程度等因素不盡相同,其對灌叢沙堆的發(fā)育起著直接或間接作用[4]。然而,上述研究大多關(guān)注干旱、半干旱地區(qū)特定生境下灌叢沙堆形態(tài)特征差異[24-28],對不同沙地類型灌叢沙堆的發(fā)育狀況鮮有報道。從流動沙地到固定沙地的轉(zhuǎn)化過程中,灌叢沙堆的發(fā)育過程受植被、風沙、地形等多種因素的耦合作用,導致其形態(tài)特征明顯不同,而目前關(guān)于沙地的流動性與灌叢沙堆形態(tài)相結(jié)合的研究較少,這使得干旱、半干旱地區(qū)灌叢沙堆的發(fā)育過程及其與沙地類型轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系不甚明晰。

白刺(Nitrariatangutorum)灌叢沙堆是吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶的頂級群落,是保護吉蘭泰鹽湖免受風沙侵襲的第一道生態(tài)防線。就空間尺度而言,吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶鹽湖外圍自西北向東南方向分布著流動沙地、半固定沙地和固定沙地。但在不同沙地類型中,白刺灌叢沙堆的形態(tài)不盡相同,盡管以往有學者針對該地區(qū)白刺灌叢沙堆的形態(tài)特征進行了相關(guān)探討[19, 29],但對不同沙地類型下白刺灌叢沙堆形態(tài)的影響機制較少涉及,故不同生境條件下白刺灌叢沙堆的發(fā)育過程及其與風沙環(huán)境的作用機制尚不明晰?；诖?本研究運用統(tǒng)計學原理和方法,以吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶不同沙地類型白刺灌叢沙堆為研究對象,對不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)和灌叢生長狀況進行統(tǒng)計分析,研究不同生境下白刺灌叢沙堆形態(tài)特征和影響機制,以期為吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆植被恢復和保育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶(105°36′～105°44′E,39°39′～39°46′N),屬于典型的大陸性季風氣候。多年平均降水量為101.21 mm,降雨多集中在7—9月,年均蒸發(fā)量為2 659.80 mm;多年平均氣溫為9.36 ℃,最冷月1月均溫為-9.66 ℃,最熱月7月均溫為26.10 ℃。研究區(qū)盛行西北風和東北風,年均風速3.70 m/s;全年大風頻繁,大風日數(shù)為40 d。土壤類型為風沙土,土壤發(fā)育程度較低,土壤養(yǎng)分貧瘠。地貌類型由外向內(nèi)依次為流動沙地、半固定沙地和固定沙地。半固定沙地距離流動沙地為1.33 km,固定沙地距離半固定沙地為1.53 km。研究區(qū)植被結(jié)構(gòu)簡單,植被覆蓋率較低。不同沙地類型植被情況如圖1和表1所示。

表1 不同沙地類型樣地特征

1.2 樣地設置與植被蓋度調(diào)查

2019年8月中旬,對研究區(qū)不同沙地類型白刺灌叢沙堆進行野外調(diào)查。每種沙地類型設置1個規(guī)格為100 m×100 m的樣方,共計3個樣方。然后,沿著主風向?qū)γ總€樣方內(nèi)所有白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)進行測定。測定沙堆形態(tài)參數(shù)包括:長軸(L)、短軸(W)和沙堆高(H)。研究區(qū)白刺灌叢沙堆外部形態(tài)呈橢圓形,其水平尺度(D)、底面積(A)和沙堆體積(V)計算公式見文獻[16,19]。

對白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)測定之后,采用樣方法分別在灌叢沙堆的坡頂、迎風面坡中和坡下與背風面坡中、坡下各設置1個1.0 m×1.0 m的樣方,測量白刺灌叢枝條株高(h),同時估測每個樣方內(nèi)的植被蓋度,取其平均值作為該灌叢沙堆的枝條密度(M)和植被蓋度(C)。

利用變異系數(shù)表示各沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)特征變異情況,變異系數(shù)計算方法見文獻[30]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行整理;用SPSS 20.0進行K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布,同時進行方差分析(One-way ANOVA)和相關(guān)分析;利用Origin 2017進行回歸分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沙地類型白刺灌叢生長及沙堆形態(tài)變化

不同沙地類型白刺灌叢生長特征見圖2。由圖2可知,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C、h及M顯著高于流動沙地(P<0.05)。相對C而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動沙地分別增加62.35%和51.08%(P<0.05);相對h而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動沙地分別增加35.84%和38.51%(P<0.05);相對M而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動沙地分別增加61.58%和72.77%(P<0.05)。

不同小寫字母表示沙地類型之間差異顯著。下同。Different lowercase letters indecated significant difference among sandy land types. The same below.圖2 不同沙地類型白刺灌叢生長特征Fig. 2 Growth characteristics of Nitraria tangutorum shrubs in different sandy land types

白刺灌叢沙堆的形態(tài)特征見表2,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢沙堆L、W、H、D、A和V顯著高于流動沙地(P<0.05)。對L/W而言,3種沙地類型之間差異不顯著(P>0.05);L/W值由大到小依次為固定沙地>半固定沙地>流動沙地;對H/L、H/W而言,3種沙地類型之間呈顯著差異(P<0.05)。3種沙地類型H/L、H/W的變異系數(shù)最小,在0.06～0.18之間;L、W、L/W、H、D和A的變異系數(shù)次之,在0.14～0.30之間;而V的變異系數(shù)最大,在0.67～0.93之間。由此可知,除白刺灌叢沙堆體積外,其他形態(tài)參數(shù)變異系數(shù)變化范圍較小。

白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)頻率分布見表3。

表3 白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)頻率分布

由表3可知,整個研究區(qū)白刺灌叢沙堆H和A主要分別集中在0～2 m和0～20 m范圍內(nèi),分別占到白刺灌叢沙堆總量的96.65%和100%,而白刺灌叢沙堆V范圍分布比較分散。就灌叢沙堆高(H)而言,H<1 m的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動沙地>半固定沙地>固定沙地,而H介于1～2 m的灌叢沙堆數(shù)量與之相反;就灌叢沙堆底面積(A)而言,A<10 m2的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動沙地>固定沙地>半固定沙地,A介于[10～20) m2的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>固定沙地>流動沙地;就灌叢沙堆體積(V)而言,V<10 m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動沙地>固定沙地>半固定沙地,V介于[10～20) m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>流動沙地>固定沙地,V介于[20～30) m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>固定沙地>流動沙地,V>30 m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動沙地。

2.2 不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)相關(guān)性分析

3種沙地類型(流動沙地、半固定沙地和固定沙地)白刺灌叢沙堆的L與W均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.862、0.584和0.668;H與D均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為1.000、0.937和0.972;H與A均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為1.000、0.937和0.972;H與V均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.962、0.924和0.908;A與V均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)在0.929～0.966之間(表4)。

表4 不同樣地白刺灌叢沙堆的形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性分析

回歸分析發(fā)現(xiàn):白刺灌叢沙堆L與W之間呈一元線性關(guān)系,其R2分別為0.74、0.31和0.44;H與D之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為1.00、0.86和0.96。另外,由于其函數(shù)斜率為正且均位于二次函數(shù)的上升階段。H與A之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為1.00、0.86和0.96。由此可知,在半固定沙地灌叢沙堆高度與底面積擬合效果最差。H與V之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為0.99、0.96和0.98。沙堆底面積與體積呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為0.99、0.97和0.99(圖3)。

圖3 白刺灌叢沙堆各指標參數(shù)之間的關(guān)系Fig. 3 The relationship among various index parameters of N. tangutorum nebkhas

3 討 論

3.1 不同沙地類型白刺灌叢生長特征

灌叢沙堆形狀不僅與灌叢沙堆演化階段有關(guān),還與自身灌叢特性有關(guān)[28]。本研究顯示各沙地類型白刺灌叢沙堆L/W在1.26～1.42之間,說明白刺灌叢沙堆呈橢圓形。這主要是因為當迎風面水平非飽和氣流遇阻從沙堆兩側(cè)攜帶走一部分沙物質(zhì),但背風側(cè)受植被地上部分影響形成一個沙尾,導致沙堆逐漸向橢圓方向發(fā)展[21]。而且,當灌叢沙堆呈橢圓形,有助于增大風沙阻力,加快了風沙流中沙物質(zhì)沉積[31]。灌叢生長狀況影響沙堆的形成與演化,當植被蓋度超過15%時,才能有效控制地表風蝕[4];植被高度在10～15 cm及以上才能有效攔截細砂物質(zhì)[32]。植物枝條密度越大,說明植物疏透度越小,對沙粒的攔截能力越強[33]。本研究顯示流動沙地、半固定沙地和固定沙地白刺灌叢沙堆植被蓋度、株高和枝條密度分別在20.32%～30.70%、22.10～30.61 cm和16.06～27.75 枝/m2?？梢?3種沙地類型白刺灌叢均有攔截沙粒的能力。而且,隨著沙地的固定,白刺灌叢生長狀況和更新能力逐漸增強,但三者的值相對偏低,這說明白刺灌叢生長狀況較差。白刺灌叢雖然喜沙埋,但超過一定閾值,沙埋會嚴重影響白刺灌叢生存和生長[32]。前人研究表明,白刺灌叢擴展主要依賴于地下水和降雨,當年降水超過110 mm時,才能維持白刺灌叢的正常生長[34]。而2017年和2018年吉蘭泰降水量分別為125.70 mm和138.60 mm,說明年降水量不是影響白刺生長發(fā)育的主要因素。白刺灌叢適宜生長在地下水埋深在1.8～4.0 m的環(huán)境[20],而吉蘭泰地區(qū)由于多年來機電井的大量打造,導致其地下水埋深逐漸降低,已經(jīng)由原來的1.5 m下降到10～15 m,說明地下水埋深是制約白刺灌叢生長發(fā)育的主要因素[35]。

3.2 不同沙地類型對白刺灌叢沙堆形態(tài)特征的影響

灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)是評價區(qū)域荒漠化監(jiān)測的重要指標,灌叢沙堆的形態(tài)特征是由灌叢、沙源和氣候因素共同決定[6]。灌叢生長狀況影響著灌叢沙堆的大小[36]。但是,不同植物形成的灌叢沙堆存在較大差異。多年生灌木易形成體積較大的灌叢沙堆,而短命植物形成的灌叢沙堆體積相對較小[37]。本研究中,白刺灌叢沙堆高度在0.38～2.62 m,該研究結(jié)果與謝國勛等[4]對寧夏鹽池白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果相似,其研究結(jié)果表明白刺灌叢沙堆高度為0.20～4.80 m。另外,白刺灌叢沙堆H/L、H/W為0.14～0.17、017～0.24,說明白刺灌叢沙堆的水平增長速度遠遠大于垂直增長速度,這是白刺自我保護的一種生長策略[18]。但3種沙地類型H/L、H/W呈顯著差異且表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動沙地,這主要是因為隨著沙化程度逐漸加重,白刺灌叢沙堆距離沙源的距離越近,受到風蝕的程度加重[18]。另外,由于受到沙打沙割的影響,白刺灌叢生長狀況較差,進而影響了白刺灌叢沙堆堆積,最終導致隨著沙化程度加重,沙堆高度與長軸比、高度與短軸比逐漸降低[4]。豐富的沙源能形成大尺度的灌叢沙堆[14]。但本研究顯示白刺灌叢沙堆高度和體積由大到小依次為半固定沙地>固定沙地>流動沙地。該研究結(jié)果與文獻[18]對民勤荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆研究結(jié)果相悖,其研究發(fā)現(xiàn)過渡帶白刺灌叢沙堆由內(nèi)向外沙堆尺度逐漸減小。這主要是因為輸沙率與植被蓋度成反比[22]。在流動沙地,雖然沙源非常豐富,但是強烈風沙活動導致更多的沙物質(zhì)被吹蝕殆盡[26],加之白刺灌叢植被蓋度、株高和枝條密度非常低,導致大量的沙物質(zhì)無法被白刺灌叢攔截,其固沙能力受到一定限制[29]。在固定沙地,由于植被蓋度較其他兩種沙地類型的高,且風沙流從流動沙地到達固定沙地飽和路徑相對較長,到達固定沙地后成為過飽和風沙流,導致沙粒在固定沙地釋放并沉積[33]。而在半固定沙地,由于該樣地存在一定數(shù)量的梭梭和沙拐棗,減弱了風沙強度和攜沙能力,使沙粒進行沉降堆積,加速了灌叢沙堆增長速率[19]。

3.3 不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)的協(xié)同關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)各沙地類型白刺形態(tài)參數(shù)之間存在良好的相關(guān)關(guān)系,說明不同沙地類型白刺灌叢沙堆發(fā)展具有協(xié)同性[18],這與文獻[19]中對不同生境白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果一致。本研究顯示,3種沙地類型灌叢沙堆長軸與短軸呈一元線性關(guān)系,說明灌叢沙堆在水平尺度上是協(xié)同發(fā)展的[8]。另外,函數(shù)斜率與截距均為正值,說明短軸先于長軸而存在,這與文獻[14]中對白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果相同。灌叢沙堆高度與水平尺度是判斷灌叢沙堆演化階段的重要依據(jù)[13]。本研究顯示3種沙地類型白刺灌叢沙堆高度與水平尺度呈二次函數(shù)關(guān)系。在3種沙地類型中,其二次函數(shù)系數(shù)均為正值且位于二次函數(shù)上升階段,說明這3個樣地內(nèi)白刺灌叢沙堆均處于發(fā)育階段。而且,99%的灌叢沙堆位于二次函數(shù)的上升階段,由此判定白刺灌叢沙堆均處于增長階段[13]。另外,3種沙地類型白刺灌叢沙堆高度與底面積、高度與體積和底面積與體積均呈二次函數(shù)關(guān)系。而且,灌叢沙堆全部落在二次函數(shù)上升階段,再次證明了3種沙地類型白刺灌叢沙堆處于增長階段[20]。本研究還發(fā)現(xiàn),灌叢沙堆底面積與體積擬合曲線下緩上陡,說明了在白刺灌叢沙堆形成初期,其底面積增加速率大于體積增長速率,但當?shù)酌娣e增加到一定值后,其體積增長速率大于底面積增長速率[38]。

綜上,吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆形態(tài)以橢圓形為主,隨著沙地固定,其固沙能力越強。3種沙地類型中,固定沙地的白刺灌叢沙堆空間占有能力最大,對地表的防護作用和阻沙能力最強,半固定沙地次之,流動沙地最小。3種沙地類型白刺灌叢沙堆L與W呈一元線性關(guān)系,白刺灌叢沙堆D與H、A與H、V與H和A與V均呈二次函數(shù)關(guān)系,且均位于二次函數(shù)上升階段,說明3種沙地類型的白刺灌叢沙堆均處于增長階段。半固定沙地和固定沙地白刺灌叢植被蓋度(C)、灌叢高度(h)和枝條密度(M)顯著高于流動沙地(P<0.05),說明隨著沙地固定,白刺灌叢生長狀況和更新能力逐漸增強。