摘 要：【目的】為了深入了解設(shè)置沙障后不同固沙條件下植被物種組成、多樣性的變化規(guī)律?！痉椒ā恳栽O(shè)草方格、尼龍網(wǎng)格、草繩方格固沙的沙地植被恢復(fù)技術(shù)示范區(qū)為研究對(duì)象，分析不同固沙模式對(duì)土壤風(fēng)蝕、水分和電導(dǎo)率以及草本植物群落組成的影響，總結(jié)不同固沙模式對(duì)沙地植被恢復(fù)區(qū)的土壤風(fēng)蝕、水分和電導(dǎo)率及植物多樣性指數(shù)的影響規(guī)律?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，①從總風(fēng)蝕速率來看，流動(dòng)沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)，為0.15 cm·d-1，且以沉積為主；草方格沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最弱，為0.04 cm·d-1；土壤風(fēng)蝕的總風(fēng)蝕速率較流動(dòng)沙丘減小0.11 cm·d-1。沙丘風(fēng)蝕與沉積的凈變化速率在草方格沙丘最小，為-0.04 cm·d-1；流動(dòng)沙丘最為劇烈，為0.15 cm·d-1；土壤風(fēng)蝕的凈變化速率較流動(dòng)沙丘減小0.19 cm·d-1。②流動(dòng)沙丘和尼龍網(wǎng)格沙丘在不同土層深度的土壤水分和電導(dǎo)率無明顯變化（P＞0.05）；草繩方格沙丘土壤水分含量由大到小依次為表層、深60 cm、深40 cm（P＜0.05），不同土層深度電導(dǎo)率差異不顯著（P＞0.05）；草方格沙丘土壤電導(dǎo)率由大到小依次為表層、深60 cm、深40 cm（P＜0.05），土層深度對(duì)水分含量的影響較小（P＞0.05）。③不同固沙模式對(duì)多度和物種數(shù)無顯著影響（P＞0.05）。不同固沙模式中，草本植被多樣性指數(shù)無顯著差異（P＞0.05），表現(xiàn)較為一致的趨勢(shì)；草方格沙丘的香濃-威納指數(shù)、均勻度指數(shù)、物種數(shù)均最高，分別為0.93、0.57和1.80?！窘Y(jié)論】綜合分析表明，草方格固沙模式下植被恢復(fù)效果較好，對(duì)土壤水分和電導(dǎo)率影響較??；草繩方格固沙對(duì)土壤水分和電導(dǎo)率的影響較大。建議在后續(xù)沙地生態(tài)修復(fù)時(shí)，以草方格固沙為主，草繩方格為輔。

關(guān)鍵詞：固沙模式； 土壤風(fēng)蝕； 水分； 電導(dǎo)率； 多樣性指數(shù)

中圖分類號(hào)：S288" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1002-204X（2024）02-0032-05

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.02.007

Ecological Benefit Monitoring and Evaluation of Different Sand-Fixing Techniques in Shapotou National Nature Reserve

Wang Wenfan1，2， Xu Hao1，2， Qin Weichun3， Zhang Bo3， Liu Rongguo3， Sun Xiangbo3

（1.Institute of Forestry and Grassland Ecology， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002; 2.Ningxia Key Laboratory of Desertification Control and Water Conservation， Yinchuan， Ningxia 750002; 3.Administration Bureau of Shapotou National Nature Reserve， Zhongwei， Ningxia 755000）

Abstract [Objective] Insights into the variation patterns of plant species composition and diversity under different sand-fixing conditions after the establishment of sand barriers. [Method] Taking the demonstration area of sand vegetation restoration technology created by tying grass squares， nylon grids， and grass rope squares as the research object， the effects of different sand fixation modes on soil wind erosion， water and conductivity， as well as the composition of herbaceous plant communities were investigated. The impact of different sand fixation modes on soil wind erosion， water and conductivity， and plant diversity index in the sand vegetation restoration area was elucidated." [Result] ①From the perspective of total wind erosion rate， the wind sand activity in mobile sand dunes is the strongest at 0.15 cm·d-1， and sedimentation is the main form. The wind sand activity in grass square sand dunes is the weakest at 0.04 cm·d-1， and the total wind erosion rate of soil wind erosion has decreased by 0.11 cm·d-1; The net change rate of wind erosion and sedimentation in sand dunes is the smallest at -0.04 cm·d-1 in grassy grid dunes， and the most severe at 0.15 cm·d-1 in mobile sand dunes. The net change rate of soil wind erosion has decreased by 0.19 cm·d-1. ②There were no significant changes in soil moisture and electrical conductivity in mobile sand dunes and nylon mesh sand dunes at different soil depths （P＞0.05）; The soil moisture content of the straw rope grid was as follows： surface， 60 cm deep， 40 cm deep （P＜0.05）， but the difference in electrical conductivity was not significant （P＞0.05）; The soil conductivity of grass square sand dunes showed as follows： surface， depth 60 cm， depth 40 cm （P＜0.05）， but the influence of soil depth on water content was relatively small （P＞0.05）. ③Different sand fixation modes had no significant impact on abundance and species number （P＞0.05）. There was no significant difference in the diversity index of herbaceous vegetation among different sand fixation models （P＞0.05）， but it showed a relatively consistent trend. The Shannon Wiener index and evenness index of grass checkered sand dunes are both the highest， with values of 0.93， 0.57 and 1.80， respectively. [Conclusion] Comprehensive analysis shows that the vegetation restoration effect under the grass grid sand fixation model is good， but its impact on soil moisture and electrical conductivity is weak; Grass rope grid sand fixation has a high impact on soil moisture and conductivity， so in the subsequent ecological restoration of sandy land， grass rope grid sand fixation is the main method， supplemented by grass rope grid sand fixation.

Key words Sand fixation mode; Soil wind erosion; Moisture content; Conductivity; Diversity index

寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)地處我國第四大沙漠——騰格里沙漠的南緣，位于衛(wèi)寧平原綠洲與騰格里沙漠的結(jié)合部，不僅是我國沙丘流動(dòng)速度最快的沙漠之一，也是我國三大風(fēng)口之一，風(fēng)沙危害歷來是制約該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素[1]。沙坡頭區(qū)不僅是防止沙漠侵襲衛(wèi)寧灌區(qū)的主要生態(tài)屏障，也是包蘭鐵路風(fēng)沙危害重點(diǎn)防治區(qū)。沙丘是風(fēng)力作用下沙粒的堆積體，是沙漠或沙地主要的地貌類型，與氣候變化、風(fēng)信狀況和沙源供應(yīng)等自然環(huán)境密切相關(guān)；同時(shí)，其形成發(fā)育過程又強(qiáng)烈受制于風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與顆粒運(yùn)動(dòng)、氣流特征緊密聯(lián)系，因而是一種十分獨(dú)特的動(dòng)力地貌類型[2]。沙丘作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境因素，對(duì)其生境內(nèi)的水分、養(yǎng)分等起到重新分配的作用[3]，對(duì)植被生長亦有十分重要的影響[4-5]。而植被作為自然環(huán)境最敏感的要素，是生態(tài)環(huán)境條件的最好標(biāo)志及綜合反映[6]。不同沙障設(shè)置對(duì)植被存活、生長均會(huì)產(chǎn)生深刻影響[7-8]。因此，深入了解設(shè)置沙障后不同固沙條件下植被物種組成、多樣性變化規(guī)律，不僅可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該地區(qū)人工固沙植被的未來變化趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展能力，而且對(duì)其他地區(qū)人工植被治沙工程也具有重要的參考價(jià)值。

本研究核心內(nèi)容為依托流動(dòng)沙地植被快速恢復(fù)技術(shù)和科技成果，完成流動(dòng)沙地固定，恢復(fù)植被并繁育優(yōu)良固沙植物種苗，建設(shè)流動(dòng)沙地快速固定示范區(qū)，用于改善干旱風(fēng)沙區(qū)的生態(tài)環(huán)境，推廣沙地快速治理新技術(shù)，這是寧夏生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的重要任務(wù)，更是建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)的重要科技支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 沙坡頭自然保護(hù)區(qū)概況

騰格里沙漠不同大小的沙丘鑲嵌分布，沙丘形態(tài)主要為新月形沙丘鏈、格狀沙丘和復(fù)合橫向沙丘等，一般相對(duì)高度為10～20 m[9-10]。研究樣地設(shè)于騰格里沙漠東南緣的包蘭鐵路南部區(qū)域（104°17'～105°37' E，36°59'～37°43' N），屬草原化荒漠地帶，為溫帶大陸性氣候。該區(qū)域具有干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫差大、風(fēng)大沙多和氣象災(zāi)害較多等特點(diǎn)；年均降水量為179.6 mm，年蒸發(fā)量為1 829.6 mm，沙漠面積為1 221.36 km2，占沙坡頭區(qū)土地總面積的22.7%；土壤基質(zhì)為松散貧瘠的流沙，土壤含水量為3.1%。

土壤主要為風(fēng)沙土，由流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘和固定沙丘組成；植被主要以沙生植被為主。為便于對(duì)比分析，調(diào)查樣地主要集中在迎水橋—甘塘鎮(zhèn)一帶，為扎設(shè)草方格、尼龍網(wǎng)格、草繩方格后營造的沙地植被恢復(fù)技術(shù)示范區(qū)。對(duì)樣地進(jìn)行植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)地表植被以一、二年生草本為主，常見草本植被共有2科3屬3種，分別為菊科、藜科，菊科的叉枝鴉蔥（Scorzonera divaricata Turcz.），以及藜科的碟果蟲實(shí)（Corispermum patelliforme Iljin）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum （Linn.） Moq.）。

1.2 研究方法

1.2.1 固沙模式

草方格固沙：人工鋪設(shè)半隱蔽式麥草網(wǎng)格沙障。制作材料為麥草、稻草。草方格設(shè)計(jì)扎設(shè)規(guī)格為1 m×1 m。草方格扎設(shè)方法：在沙地上按1 m×1 m的方格劃線，將麥草垂直于劃線方向均勻鋪設(shè)在線道上，鋪設(shè)厚度為2～3 cm，腳踩鐵鍬將麥草沿劃線方向在平鋪草條中段下踩15～20 cm，從兩側(cè)用鍬壅沙扶直麥草，培沙踩實(shí)。麥草露出沙面高度為15～20 cm，形成矮草沙障。

沙地的迎風(fēng)坡應(yīng)與主風(fēng)向垂直，先扎設(shè)方格沙障主帶，再扎設(shè)與主帶垂直的副帶；在沙地的落沙坡上順坡自下而上先扎設(shè)主帶，然后順坡橫向從上往下扎設(shè)副帶。扎設(shè)時(shí)注意保持主、副帶銜接完整，不留缺口防止風(fēng)蝕。

尼龍網(wǎng)格固沙：尼龍阻沙網(wǎng)是由高密度HDPE材料編制而成的一種易降解、高強(qiáng)度、耐老化的新型擋風(fēng)固沙覆蓋材料，經(jīng)過拉絲、整經(jīng)、織網(wǎng)等工藝制作而成，呈綠色，安全、環(huán)保。

草繩方格固沙：是沙坡頭區(qū)創(chuàng)新的固沙技術(shù)，其原料仍為稻草，經(jīng)過專用機(jī)械加工為網(wǎng)繩，網(wǎng)繩長度不限。扎設(shè)方法：人工展開網(wǎng)繩在沙地上縱橫鋪設(shè)，鋪設(shè)網(wǎng)繩間格大小為1 m×1 m，網(wǎng)繩連接處使用細(xì)繩綁扎固定即可。該技術(shù)方便易行，可極大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力資源，目前在沙坡頭區(qū)應(yīng)用效果較好。

為理解以上固沙模式的固沙效果，均以流動(dòng)沙丘為對(duì)照進(jìn)行觀測(cè)測(cè)定。

1.2.2 生態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)

土壤風(fēng)蝕：準(zhǔn)備若干長為35 cm左右的小鐵釬，分別在尼龍網(wǎng)格沙丘、草繩方格沙丘和草方格沙丘的丘頂、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡面埋釬。在埋釬前，用黑色記號(hào)筆在鐵釬下端往上10 cm左右處劃線標(biāo)記；埋釬時(shí)黑色標(biāo)記線與沙面平齊。2022年秋季埋釬，2023年春季進(jìn)行調(diào)查。高于黑線部位的為沉積高度，低于黑線部位的高度為風(fēng)蝕高度。

根據(jù)風(fēng)蝕測(cè)釬的風(fēng)蝕與沉積計(jì)算總風(fēng)蝕量AI、總風(fēng)蝕速率AId[11-12]、凈風(fēng)蝕量AIn和凈風(fēng)蝕速率AIv。計(jì)算公式：

AI=∑Hd+|∑He|npins" " " " （1）

AId=AI nperiod" " " " " " "（2）

AIn=∑Hd+∑He npins" " " "（3）

AIv=AIn nperiod" " " " " " " （4）

式中：Hd和He分別表示調(diào)查點(diǎn)的沉積和風(fēng)蝕，單位為cm；npins表示調(diào)查點(diǎn)的測(cè)釬根數(shù)；nperiod表示2次測(cè)釬測(cè)量間隔，單位為d。

生物多樣性與植被覆蓋度：植被調(diào)查采用常規(guī)調(diào)查法。在不同固沙模式沙丘隨機(jī)選擇5個(gè)方格進(jìn)行調(diào)查。草本樣方調(diào)查內(nèi)容包括植物種、多度、高度。共15個(gè)草本樣方。

本研究多樣性采用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法，Simpson（辛普森）指數(shù)、Shannon-wiener（香濃-威納）指數(shù)、Pielou（皮盧）均勻度指數(shù)計(jì)算。計(jì)算公式：

Shannon-wiener指數(shù)（H）：H=-PilnPi" " "（5）

Simpson指數(shù)（D）：D=1-（Pi）2" " " " " （6）

Pielou指數(shù)（E）：E=H/ln S" " " " " " " " "（7）

其中：S為每個(gè)樣方的物種總數(shù)，Pi為第i個(gè)種的多度值。

土壤水分和電導(dǎo)率：利用管式土壤墑情監(jiān)測(cè)儀（型號(hào)ACC-RD1200）進(jìn)行測(cè)定，每種類型沙丘重復(fù)測(cè)定3次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS23.0進(jìn)行單因素方差分析，并利用Duncan法進(jìn)行多重比較；利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，文中所有表格數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固沙模式對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

由沙丘凈風(fēng)蝕速率觀測(cè)結(jié)果（表1）可知，尼龍網(wǎng)格沙丘丘頂風(fēng)蝕，沙丘中下部沉積，沉積速率為0.06 cm·d-1；草繩方格沙丘迎風(fēng)坡沉積，沉積速率為0.03 cm·d-1；草方格沙丘迎風(fēng)坡風(fēng)蝕，沉積較少，風(fēng)蝕速率為-0.04 cm·d-1；流動(dòng)沙丘背風(fēng)坡沉積，沉積速率為0.15 cm·d-1。從總風(fēng)蝕速率來看，流動(dòng)沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)，且以沉積為主；其次為草繩方格沙丘；草方格沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最弱，總風(fēng)蝕速率為0.04 cm·d-1。

總體來說，沙丘的迎風(fēng)坡常以風(fēng)蝕為主，沙丘坡頂部位風(fēng)蝕和沉積交替發(fā)生，沙丘背風(fēng)坡以沉積為主。沙丘風(fēng)蝕與沉積的凈變化速率在草方格沙丘最?。涣鲃?dòng)沙丘最為劇烈，為0.15 cm·d-1。說明草方格在一定程度上能限制土壤風(fēng)蝕。

2.2 不同固沙模式對(duì)土壤水分和電導(dǎo)率的影響

由表2可知，流動(dòng)沙丘和尼龍網(wǎng)格沙丘在不同土層深度，土壤水分和電導(dǎo)率無明顯變化（P＞0.05）；草繩方格土壤水分含量由大到小依次為表層、深60 cm、深40 cm（P＜0.05），不同土層深度電導(dǎo)率差異不顯著（P＞0.05）；草方格沙丘土壤電導(dǎo)率由大到小依次排序?yàn)楸韺?、?0 cm、深40 cm（P＜0.05），土層深度對(duì)水分含量的影響較?。≒＞0.05）。分析表明，草繩方格固沙模式對(duì)土壤水分的蓄積能力相對(duì)較好，草方格次之。

由表3可知，不同固沙模式沙丘表層土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為流動(dòng)沙丘最低，草繩方格最高，草方格次之（P＜0.05）；不同固沙模式對(duì)土壤水分無顯著影響（P＞0.05）。其中：40 cm土層深度下，不同固沙模式對(duì)水分無顯著影響；電導(dǎo)率表現(xiàn)為草繩方格最高，尼龍網(wǎng)格次之，草方格最低（P＜0.05）。60 cm土層深度下，土壤水分表現(xiàn)為流動(dòng)沙丘最高，尼龍網(wǎng)格最低（P＜0.05）；土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為草繩方格最高，草方格最低（P＜0.05）。原因可能是固沙年限短，植被多以草本為主，而草本根系較淺，只能對(duì)表層沙面起到一定的固著作用，隨著深度增加，沙障的作用相對(duì)較弱。

2.3 不同固沙模式對(duì)生物多樣性的影響

2.3.1 不同固沙模式沙丘草本植物群落組成

試驗(yàn)調(diào)查結(jié)果（表4）表明，研究區(qū)內(nèi)總計(jì)有草本植物3種，隸屬于2科3屬。其中：優(yōu)勢(shì)種為沙蓬和碟果蟲實(shí)，其個(gè)體數(shù)分別占總個(gè)體數(shù)的46.96%和52.17%；無常見種；稀有種為叉枝鴉蔥，其個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的0.87%。

在尼龍網(wǎng)格沙丘總計(jì)有草本植物2種，隸屬于1科2屬。其中：優(yōu)勢(shì)種為沙蓬和碟果蟲實(shí)，其個(gè)體數(shù)分別占總個(gè)體數(shù)的94.44%和5.56%；無常見種和稀有種。

在草繩方格沙丘總計(jì)有草本植物3種，隸屬于2科3屬。其中：優(yōu)勢(shì)種為沙蓬和碟果蟲實(shí)，其個(gè)體數(shù)分別占總個(gè)體數(shù)的34.15%和63.41%；常見種為叉枝鴉蔥，其個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的2.44%；無稀有種。

在草方格沙丘總計(jì)有草本植物2種，隸屬于1科2屬。其中：優(yōu)勢(shì)種為沙蓬和碟果蟲實(shí)，其個(gè)體數(shù)分別占總個(gè)體數(shù)的15.00%和85.00%；無常見種和稀有種。

2.3.2 不同固沙模式沙丘草本植物群落結(jié)構(gòu)特征

由不同固沙模式下沙丘草本群落結(jié)構(gòu)組成（表5）看出，固沙模式對(duì)多度和物種數(shù)無顯著影響（P＞0.05）。不同固沙模式之間，沙丘草本植被多樣性指數(shù)無顯著差異（P＞0.05），表現(xiàn)較為一致的趨勢(shì)。草方格沙丘的Shannon-wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)、物種數(shù)均為最高，分別為0.93、0.57和1.80。說明植被多樣性指數(shù)在草方格沙丘較其他沙丘更有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

從總風(fēng)蝕速率來看，流動(dòng)沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)，且以沉積為主；其次為草繩方格沙丘；草方格沙丘風(fēng)沙活動(dòng)最弱。沙丘風(fēng)蝕與沉積的凈變化速率在草方格沙丘最?。涣鲃?dòng)沙丘最為劇烈，為0.15 cm·d-1。說明草方格在一定程度上能限制土壤風(fēng)蝕，這可能與沙丘植被狀況與沙面的水分條件有關(guān)[13]，流動(dòng)沙丘無植被，草方格沙丘植被分布相對(duì)較好。

從土壤水分和電導(dǎo)率分布來看，草繩方格對(duì)土壤水分的蓄積能力相對(duì)較好，草方格次之。隨著土層深度的增加，沙障的作用相對(duì)較弱，可能原因是固沙年限短，植被多以草本為主，而草本根系較淺，對(duì)地表保護(hù)能力較弱。

物種多樣性是生物多樣性的重要組成部分，維持著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定[14-15]。沙丘草本群落的結(jié)構(gòu)簡單、分布零散；不同固沙模式對(duì)沙丘植被物種數(shù)和多度無明顯影響，且多樣性指數(shù)亦不存在顯著差異。說明草本的生長發(fā)育過程對(duì)這些指標(biāo)的影響相對(duì)較小，這可能是由于本研究區(qū)自然氣候條件限制及獨(dú)特的區(qū)域環(huán)境，導(dǎo)致適應(yīng)性存在差異[16]。

綜合研究表明，草方格固沙對(duì)風(fēng)蝕的制約效果較好，且植被物種數(shù)和多度相對(duì)較高，植被恢復(fù)效果較好，綜合生態(tài)效益相對(duì)較高，但對(duì)土壤水分和電導(dǎo)率影響較弱；草繩方格固沙對(duì)土壤水分和電導(dǎo)率的影響較高，故在后續(xù)造林恢復(fù)時(shí)，建議以草方格固沙為主，草繩方格為輔。

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責(zé)任編輯：李曉瑞