民勤荒漠区4种植物的防风固沙功能对比分析

常兆丰，李易珺，张剑挥，王强强，韩福贵，仲生年，张应昌，杨敏

（1.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外观测研究站，甘肃民勤733300；2.甘肃省荒漠化防治重点实验室，甘肃兰州730070；3.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州730070）

民勤荒漠区4种植物的防风固沙功能对比分析

常兆丰1，2，3，李易珺1，2，3，张剑挥1，2，3，王强强1，2，3，韩福贵1，2，3，仲生年1，2，3，张应昌1，2，3，杨敏1，2，3

（1.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外观测研究站，甘肃民勤733300；2.甘肃省荒漠化防治重点实验室，甘肃兰州730070；3.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州730070）

梭梭（Haloxylonammodendron）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、白刺（Nitrariatangutorum）和膜果麻黄（Ephedraprzewalskii）是民勤荒漠区主要的牧草，分布面积较大。为了研究荒漠区牧草植物的防风固沙功能，在牧草利用的同时兼顾防风固沙功能。本研究用民勤荒漠区4种主要防风固沙植物样方调查资料，通过计算单株植物的纵断面积和单位面积上的纵断面积，以及单株植物的固沙沙堆体积和单位面积上的固沙沙堆体积，对4种主要植物群落的防风功能和固沙功能进行了对比分析。结果表明，单株（丛）的防风功能的排序为白刺＞梭梭＞沙蒿和膜果麻黄，单株（丛）的固沙功能白刺＞膜果麻黄，单位面积上防风功能的排序为沙蒿＞梭梭＞白刺＞膜果麻黄，单位面积上的固沙功能白刺＞膜果麻黄；单位面积上防风固沙功能的排序为白刺＞沙蒿＞梭梭＞膜果麻黄。如果只选择防风，则应选用沙蒿；如果侧重点是固沙，则应选用白刺；如果二者兼顾，则应选用白刺和沙蒿。

防风固沙林；树冠纵断面积；防风功能；固沙功能；民勤荒漠区

我国的草地面积占国土总面积的23.1%，在中国自然资源中名列第一，草地面积居世界前列，其中荒漠草地面积约64.6万km2。荒漠草地植物不仅是一种自然资源，而且在防风固沙方面发挥着极其重要的作用［1-4］。荒漠植被以多种方式保护地表土壤，减少风蚀和输沙量［5-6］，因而植物固沙是目前最主要的防风固沙措施之一［7］。

国内有关防风固沙植物的研究成果很多［8-12］，而有关荒漠草地植被防风固沙功能的研究相对较少，大体包括3个方面：一是防风固沙林系统功能评价，如莫宏伟等［13］运用他人的研究模型［14］对陕西省榆阳区北部风沙草滩区的潜在输沙率、实际输沙率、植被减沙率进行了测算，进而对榆阳区北部风沙区的植被防风固沙量进行估算。二是防风固沙功能，如杨丽雯和王大勇［15］计算了沙坡头地区固沙植被和机械沙障的拦截流沙量，并指出人工植被单位面积单位时间阻沙量数据0.074g·cm-2·min-1，人工植被一年的阻沙量=人工植被单位面积单位时间阻沙量×人工植被面积×年起沙风时间平均值；符亚儒等［16］对陕北榆林风沙区防风固沙林体系结构研究指出，固阻沙量与造林密度、近地表林木分枝数和草本植物盖度关系密切，树高和冠幅对输沙量的贡献极小；防风效益与树高、冠幅则具有极显著的相关性；程皓等［17］测定了50%、25%、10%三种覆盖度灌木对降低风速作用。王继和等［18］分析了灌木在近地面0～50cm层的阻风阻沙作用效果，发现由强到弱依次为油蒿（Artemisiaordosica）＞沙蒿（A.desertorum）＞柠条（Caraganakorshinskii）＞花棒（Hedysarumscoparium）；廖空太等［19］对混交林的防风固沙效益进行了比较研究。三是单种植物的防风效益，如科尔沁沙地小叶锦鸡儿（C.microphylla）人工林不同年龄固沙林降低风速和风沙流结构特征不同［20］；柽柳（Tamarixchinensis）灌丛可以降低迎风侧及背风侧风速，使沙粒在植被底部沉积，积沙体积与柽柳各形态指标相关性大小顺序为冠幅＞叶干质量＞地上生物量＞株高＞基径＞枝数［21］。有关不同植物防风固沙功能的比较研究则很少见到。

由于不同植物的构形不同，客观的情况是有的植物防风功能强，而有的固沙功能强。防风治沙的实践，有时可能需要侧重于防风，有时则可能需要侧重于固阻流沙。那么，哪些植物群落防风功能强，哪些群落固沙效果好呢？解决这一问题，一方面可以根据需要有目的地选择培育和保护荒漠植物群落，兼顾牧草利用和防风固沙两种功能；另一方面也是植物形态学与防风固沙关系的研究内容之一。梭梭（Haloxylonammodendron）、沙蒿、白刺（Nitraria tangutorum）和膜果麻黄（Ephedraprzewalskii）是民勤荒漠区主要的牧草植物，分布面积较大［3-4］，因此，本研究对这4种植物群落的防风固沙功能进行比较分析。

1 研究区概况

民勤县位于甘肃河西走廊东北侧，河西内陆河流域石羊河下游，属于腾格里沙漠的西部边缘，地理位置为102°03′～104°03′E，38°05′～39°06′N。在红崖山-阿拉古山一线以北属于阿拉善高原东南边缘，以南属于河西走廊东北侧。目前的民勤县三面环沙，只有南面沿石羊河一条绿色通道与武威绿洲相连，民勤绿洲已经完全是一个人工绿洲。至2006年，境内沙漠、戈壁、盐碱滩地占据了全县总土地面积的94%，其中，沙漠面积7 407.2km2，占总土地面积的46.25%，戈壁面积213.9km2，占总土地面积的1.33%，盐碱滩地1 124.0km2，占总土地面积的7.02%，已成为我国典型荒漠化地区。民勤县1961-2006年年均降水量115.56mm，蒸发量达2 396.7mm，20世纪50年代当地地下水位深1～2 m，目前绿洲内部及其外围已下降为20m深左右。

当地于20世纪50年代末从新疆准葛尔地区引进梭梭在沙丘上造林获得成功，60年代以来开始在沙丘上大面积种植，是当地唯一的沙丘固沙造林树种，目前民勤县有梭梭人工固沙林约4.4×104hm2［22］。当地分布的天然灌木主要有沙蒿、白刺和膜果麻黄，小灌木荒漠沙蒿在当地分布极为普遍，有半固定沙丘、流动沙丘、低平沙堆和覆沙地的地方都有沙蒿分布。白刺是一种典型荒漠植被，是民勤沙区保存面积最大的天然灌丛，据2002年统计，境内有白刺灌丛6.642×104hm2，主要分布于固定沙丘和半固定沙丘上。膜果麻黄是分布于粘砾质滩地上的一种典型荒漠植被，在民勤西沙窝粘砾质滩地上分布面积较大。

2 材料与方法

2.1 材料与调查方法 本研究选择当地有代表性的梭梭、沙蒿、白刺和膜果麻黄4种植物群落类型作为研究对象，在群落内植物分布均匀处设置样方，样方大小为10m×10m。每种植物群落各选定4个样方。在样方内逐个测定每个植株的高度、冠幅长轴、冠幅短轴、冠内盖度、断面郁闭度、枯枝情况、开花和结实情况等，并取土样化验土壤水分，土壤取样深度30cm；白刺沙包和膜果麻黄积沙沙堆底面积近似于椭圆，测定底面椭圆的长轴和短轴以及堆高度以计算沙堆椭圆锥体的体积；冠内盖度和断面郁闭度目估测得。

2.2 数据处理方法 本研究将植物的防风固沙功能分解为防风功能和固沙功能。防风功能定义为植株迎风面断面积与断面郁闭度的乘积，即在椭圆面积公式上乘以断面郁闭度，用P表示功能值（式1），单位面积总防风功能值即为P与单位面积上株数的乘积。

植株的固沙功能定义为由于阻截和固定流沙形成的沙堆的体积大小，用V表示其功能值（式2），单位面积的固沙功值能即为V与单位面积上株数的乘积。

由于植物纵断面积和固沙沙堆大小的量纲不同，故在计算防风固沙功能时分别以每种植物的纵断面积和固沙沙堆大小用下式（式3）［23］进行正规化处理。

式中，X′ij为xij人为正规化值，max（j）和min（j）分别为第j列观测值的最大值和最小值。

数据分析用SPSS 13.0软件进行。

3 结果与分析

4种群落中伴生植物盖度所占比例很小，优势种的优势度相当明显（表1）。梭梭植株相对高大，冠幅亦相对较大，但植株密度相对较小。沙蒿的密度最大，但冠内郁闭度相对最小。白刺的冠幅系指一个白刺灌丛的长和宽，虽然密度小，但其盖度最大。在4种植物群落间，伴生植物的盖度差异不显著（P＞0.05），物种数差异显著（P＜0.05），其他指标差异均极显著（P＜0.01）（表1）。

表1 样方植物调查资料Table 1 Information of plants in quadrate

梭梭和沙蒿基部不会形成沙堆，而白刺和膜果麻黄一般都会形成沙堆。白刺沙埋后会产生不定芽，长出新枝，沙埋越快株高增加越快，所以白刺沙堆相对较大。而膜果麻黄沙埋后不会增高生长，因而所形成的沙堆相对较小。30cm深层土壤水分沙蒿群落最高，其次是白刺沙包，梭梭林地最差。在4种植物群30cm土层，土壤差异及结皮面积差异均为极显著（P＜0.01）（表2）。

表2 样方土壤水分调查资料Table 2 Content of water in soil in quadrate

3.1 防风功能 单株植物防风纵断面积白刺最大，其次是梭梭，沙蒿最小；单位面积总的防风纵断面积则是沙蒿最大，梭梭次之，膜果麻黄最小，不同植物的防风固沙差异为极显著（P＜0.01）（表3）。梭梭由于树形相对高大，是其他植物的3～4倍，所以树冠纵断面积大。但因密度小，样方内总的树冠纵断面积并不是最大。沙蒿虽然纵断面积最小，但因植株密度最大，因而样方内总的树冠纵断面积最大。膜果麻黄的纵断面积亦属最小，加之植株密度也很小，所以样方内总的树冠纵断面积也最小。

3.2 固沙功能 植物基部的积沙堆是该植株长期阻截流沙堆积的结果，沙堆越大，表明该植株阻截流沙的功能越强。单株植物固沙体积白刺最大，虽然膜果麻黄的植株密度远远大于白刺，但单位面积白刺沙堆的总体积平均仍是膜果麻黄沙堆体积的5.5倍（表3）。

3.3 综合功能 白刺防风固沙效果最好，其次是沙蒿，人工梭梭林的防风固沙效果次于白刺和沙蒿，膜果麻黄最差（表3）。4种植物群落的防风功能、固沙功能和防风固沙功能都是有差别的。单位面积内沙蒿和膜果麻黄防风功能以及白刺和膜果麻黄的防风功能均为显著（P＜0.05）；单位面积内白刺沙堆和膜果麻黄沙堆的体积差异为极显著（P＜0.01）；单位面积内沙蒿和白刺的防风固沙功能以及沙蒿和膜果麻黄的防风固沙功能差异为显著；梭梭和白刺的防风固沙功能以及白刺和膜果麻黄的防风固沙功能差异为极显著（表4）。

表3 4种植物防风功能与固沙功能比较Table 3 Comparison of function of wind break and sand fixation of 4plant species

表4 4种植物的防风固沙功能的方差分析的显著值Table 4 Analysis of variance of function of wind break and sand fixation of 4plant species

4 讨论

不同植物的防风固沙功能主要受两方面的限制，一是单株的纵断面积及其枝条稠密程度（断面郁闭度），二是受植株密度的影响。同一种植物的植株密度和条稠密程度（断面郁闭度）主要受土壤水分条件的影响［24］。本研究发现，不同植物群落的土壤水分状况存在一定差异。

群落的分布受制于地貌条件。调查样地的梭梭为人工林，梭梭在沙丘上和低平沙地上都可种植。其他3种天然分布的植物的分布土壤地貌各不相同，沙蒿一般分布在低平覆沙地上，白刺种子萌发一般发生在粘土滩地上，形成白刺沙包，膜果麻黄分布在平缓石砾滩地上［25］，即这3种植物的分布受土壤地貌条件的限制。

植株地上部分距离地面高度决定固沙量。梭梭为小乔木或大灌木，当地人工梭梭林一般为乔木状，即基部有明显的主杆，因而基部有10～30cm的空隙，不能积沙成堆。沙蒿虽然冠部距离地面很近，一般空隙0～10cm，但一般枝条稀疏，因而也不能固沙形成沙堆。白刺在地面上生长，所以具有固沙形成白刺沙包的功能，且可产生不定根，随着沙包增大，植物的冠幅也增大。膜果麻黄最高只有50cm左右，所以形成的沙堆较小。

5 结论

单株（丛）的防风功能的排序是白刺＞梭梭＞沙蒿和膜果麻黄，单株（丛）的固沙功能白刺＞膜果麻黄，单位面积上防风功能的排序是沙蒿＞梭梭＞白刺＞膜果麻黄，单位面积上的固沙功能白刺＞膜果麻黄；单位面积上防风固沙功能的排序是白刺＞沙蒿＞梭梭＞膜果麻黄。如果只选择防风，则应选用沙蒿，其次可选用梭梭；如果侧重点是固沙，则应选用白刺；如果二者兼顾，则应选用白刺和沙蒿。

白刺群落的植被盖度最大，最容易形成积沙，所以土壤水分条件也较好，其防风固沙效果最好。沙蒿群落内一般不会形成沙面结皮，因而土壤水分条件相对最好，植株密度相对最大，因而防风固沙效果较好。人工梭梭林虽然单株防风效果好，但单位面积上的防风功能次于沙蒿。

沙蒿在当地为天然分布，但也有少量的人工飞播种植，当地适宜沙蒿生长的地段均有沙蒿生长，但从已有的研究成果看，土壤种子库中存在大量沙蒿种子，因而人工飞播的意义并不很大。白刺幼苗一般首先出现在粘土滩地或者粘砾质滩地上，从现有的群落看，除个别生长在农田边缘上的，一般生长都不太旺盛。膜果麻黄只生长在粘砾质滩地上，即生长的适宜范围很小。而梭梭在当地主要是人工林，本研究结果显示，梭梭的防风固沙功能并不理想，加之目前已有的人工梭梭林普遍退化，因而在当地应当限制营造梭梭人工林。

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Comparison on functions of wind break and sand fixation four plant species in Minqin desert

CHANG Zhao-feng1，2，3，LI Yi-jun1，2，3，WANG Qiang-qiang1，2，3，HHAN Fu-gui1，2，3，ZHONG Sheng-nian1，2，3，ZHANG Ying-chang1，2，3，YANG Min1，2，3
（1.Minqin National Station for Desert Steppe Ecosystem Studies，Minqin 733000，China；2.Gansu Key Laboratory of Desertification Combating，Lanzhou 730070，China；3.Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China）

Haloaylonammodendron，Artemisiadesertorum，NitrariatangutorumandEphedraprzewalskiiare widely distributed in Minqin desert，which are the major forages in this area.In the present study，we examined the functions of wind prevention and sand-fixing of these plants.We calculated the vertical section per crown and the vertical section per unit area.We also calculated the volume of sand fixed by each crown and the volume of sand fixed per unit area.Then the functions of wind prevention and sand fixing of these plants were compared.The results showed that the function of wind prevention of a single crown was decreased in the following order：N.tangutorum＞H.ammodendron＞A.desertorum＞E.przewalskii.The function of sand-fixing of a single crown wasN.tangutorum＞E.przewalskii.The functions of wind prevention and sand-fixing per unit area were decreased in the following order：N.tangutorum＞A.desertorum＞H.ammodendron＞E.przewalskii.If wind prevention is the main purpose，A.arenariashould be chosen.If sand-fixing is focused，N.tangutorumshould be chosen.If both of these functions are considered，N.tangutorumandA.desertorumwill be a good choice.

forage；vertical section of crown；function of wind prevention；function of the sand-fixing；Minqin desert area

CHANG Zhao-feng E-mail：czf123＠sina.com

S812.2；Q945.7

A

1001-0629（2012）03-0358-06

＊收稿时期：2011-04-20 接受日期：2011-08-17

国家973前期——“甘肃河西绿洲边缘积沙带的形成及其生态效应”（2011CB411912）；白刺沙包积沙层所表征的气候环境信息（1010RJZA133）

常兆丰（1957-），男，甘肃会宁人，研究员，硕士，长期从事荒漠生态研究。E-mail：czf123＠sina.com

李易珺 E-mail：czf123＠sina.com