河西绿洲边缘积沙带的生态意义

常兆丰, 王强强,张剑挥, 朱淑娟,樊宝丽, 唐进年, 张大彪,刘世增,李爱德,张国中

1甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站, 民勤 733300 2甘肃省治沙研究所, 兰州 730070

河西绿洲边缘积沙带的生态意义

常兆丰1,2,*, 王强强1,2,张剑挥1,2, 朱淑娟1,2,樊宝丽1,2, 唐进年1,2, 张大彪1,2,刘世增1,2,李爱德1,2,张国中1,2

1甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站, 民勤 733300 2甘肃省治沙研究所, 兰州 730070

半个多世纪的防沙治沙，在甘肃河西绿洲边缘上风向形成了一条积沙带。积沙带作为防沙治沙的副产物，具有怎样的生态功能，有何生态意义？通过全面考察河西绿洲边缘积沙带并运用21个样点资料进行了分析。结果表明：1)积沙带作为绿洲边缘防沙固沙的副产物，其自身也具有防风阻沙的功能，积沙带的形成有利于绿洲边缘的防风阻沙。2)高度是表征积沙带防御风的功能的一个重要指标，积沙带越是高大，防御风的范围就越大。3)目前，河西绿洲边缘积沙带处于发育状态。只要控制了积沙带就能有效控制流沙侵入农田。今后应将绿洲边缘防沙治沙的重点放在积沙带上，尤其是积沙带的沙脊线上，而对荒漠-绿洲过渡带(阻沙带)实行封育，无需采取其他投入措施，这样就可以大面积压缩实施人工措施的范围，大大降低防沙治沙的资金投入，提高防沙治沙的投资效益。

绿洲边缘；积沙带；生态意义；甘肃河西

在我国西北沙区，几乎所有的防沙治沙措施都实施在绿洲边缘，尤其是绿洲边缘上风向。经过几十年的防沙治沙，在沙区绿洲边缘尤其上风向形成了一条流沙堆积带—积沙带[1]。

至目前国内外尚没有关于积沙带的研究，与积沙带相关或相近的研究主要有：一是荒漠—绿洲过渡带研究。荒漠—绿洲过渡带是干旱区的生态敏感带[2]，因此也是近些年来的研究热点。这方面的研究主要围绕着植物群落及其时空变化与多样性[3]、植物的生态位[4]、灌丛沙堆的异质性及植物群落的空间异质性[5-6]、荒漠化过程及其生态恢复与重建[7-8]以及土壤粒度及其水分等[9]方面进行的。二是灌丛沙堆的研究。目前，从地貌学的角度对灌丛沙堆的形态和发育已经有了较系统的研究[10-11]。国外学者对灌丛沙堆的形态、沉积学、生态学和动力过程等[12-14]方面进行了较系统的研究，认为灌丛沙堆沉积物属短距离风力搬运、风选的产物[15]，对保护绿洲安全有重要作用[16]。白刺沙堆和柽柳沙堆是我国西北沙区分布最广泛的灌丛沙堆，有学者研究了红柳沙堆和唐古特白刺灌丛沙堆的不同分布格局、成因及其生态学意义和防风效应[17-18]。三是风沙流结构研究。既有理论分析和数值模拟[19-21]，也有野外观测，但最多的是风洞实验[10, 22]。我国学者的研究表明，在各种风速条件下，输沙量分布沿垂向呈指数递减规律，随着水平距离的增加输沙量亦呈指数递减规律，其衰减速率与风速密切相关[11]。四是植物阻沙、积沙的研究。研究表明，在营造固沙灌木林后，林带内积沙厚度增加[23]。对固沙林不同密度与输沙量和风蚀量关系的研究表明，植被盖度越高，土壤风蚀程度越轻，输沙量越少[24]。

积沙带作为绿洲边缘造林固沙和沙障固沙过程中的副产物，它有什么样的生态功能？其自身作为一种障碍物是有利于绿洲边缘的防风固沙呢？还是会成为新的沙源留下更大的生态隐患呢？这既是荒漠生态学领域出现的一个新的科学问题，也是防沙治沙实践中亟待解决的现实问题。如果积沙带的形成有利于绿洲边缘的防风固沙，在今后的沙区生态环境建设中就应人工促进积沙带的形成和发育；如果相反，就应该改变现有的绿洲边缘防风固沙模式，防止和抑制积沙带的形成和发育。

基于上述认识，2011—2013年，承担了国家973前期课题“甘肃河西绿洲边缘积沙带的形成及其生态效应”，对河西绿洲积沙带进行了全面调查，2012年开展了国家自然科学基金地区基金课题“甘肃民勤绿洲边缘积沙带形成的气候环境因素及其生态效应”，在民勤绿洲边缘积沙带上设置观测样点，重点测定了积沙带的生态效应。

1 观测研究方法

甘肃河西地区系指境内黄河以西的武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市，下辖20个区县，地理位置在92°45′E—104°15′E、36°35′N—42°45′N之间。该区南侧为祁连山脉，东、东北和西面依次被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和库姆塔格3大沙漠包围，境内有沙漠和零星沙地7.54×102km2。

积沙带的高度和宽度测定：本文在河西绿洲边缘积沙带上随机选择了21样点(图1)[25]，在每个样点上沿垂直农田边缘方向设置样线测定积沙带的宽度和高度。植被调查：在每个样点上，沿样线上设置5—7个2m×2m的植物调查样方，在样方内调查了植物的种类、植株高度、植株冠幅、植被盖度和冠幅内投影盖度[26]。积沙带防风作用观测：在积沙带上选择了一个比较典型的，即较为单一、上下风向较为开阔的沙丘作为防风作用观测样点，12个风速风向传感器同时观测，分别安置在沙丘上风向5H(沙丘高度的5倍处)、0H(迎风坡基部)、迎风坡中部、顶部、背风坡基部以及下风向距背风坡5H、10H和20H处，另外4对风速风向传感器分别安置在迎风坡两翼边线中点及其至迎风坡中部连线的中点上。气候资料采用当地气象站1971—2010年资料和中国气象科学数据共享服务网资料。

图1 样点位置图[25]Fig.1 Location of sample points[25]

2 河西绿洲边缘积沙带的分布状况

2.1 高度和宽度

新中国成立后，1950年河西走廊开始了大规模群众性造林治沙活动，1956年开始了农田防护林的规划设计与营造试点工作[27]。因河西走廊东部绿洲较集中，西端较分散且面积较小，所以走廊东部农田防护林建设相对起步较早且较为完整。如果从1956年算起，河西绿洲边缘的防护林已经有58年的历史。2011—2013年我们分两次对河西绿洲边缘积沙带做了较为全面的调查。走廊绿洲区主风向以NW、W为主，因此，河西绿洲边缘的积沙带分布在绿洲边缘上风向，即古浪沙区在绿洲北侧，武威沙区在绿洲东北侧，民勤—金昌沙区在绿洲西北侧，临泽—高台沙区在绿洲北侧或东北侧，金塔沙区在绿洲北侧和西侧，瓜州、敦煌沙区在绿洲西北侧(图1)。调查结果表明，走廊东端古浪以及民勤绿洲边缘积沙带较为高大，走廊西端敦煌、瓜州以及玉门等地积沙带较矮小且随斑块状绿洲断带较多，积沙带在河西绿洲边缘的总体分布趋势是东高西低、东宽西窄、断续分布(表1)。

2.2 形成原因分析

积沙带高度与气候环境因子的关系,研究表明积沙带的高度与沙源的距离和与年降水以及与积沙带迎风坡的植被盖度均为正相关关系[1,28]。河西走廊东端的古浪、民勤、金昌绿洲边缘紧靠沙漠，积沙带上风向沙源丰富且距离很近，走廊西端则沙源相对较少且距离较远，因而积沙带的高度与上风向沙源的距离为正相关关系[1,28]。除沙源之外，可能还与农田边缘防护林建设的时间有关，但历时60多年，防护林可能几经更替，现在的防护林和沙丘植被只代表现阶段的状况。绿洲边缘高大沙丘主要是白刺(Nitrariatangutorum)沙包，其次是柽柳(Tamarixramosissima)沙包，积沙带上的人工植被相对较少，同一样点上迎风坡植被盖度及植被纯盖度的差异较显著，积沙带高度与植被盖度正相关[28]。积沙带高度与年降水量的相关可能只是一种数据上的相似性而并非具有显著的因果关系。

表1 积沙带的高度和宽度Table 1 Height and width of accumulated sand-belt

3 积沙带的生态功能

3.1 正向作用

(1)防风作用

河西绿洲边缘积沙带平均高10.08m，最高达31.9m，积沙带的形成使得在河西绿洲边缘形成了一道10m高的防风墙。当气流(风)到达积沙带迎风坡时遇到障碍，一部分气流沿坡面上升，沿坡面上升的气流因载荷(携沙)和向上抬升改变方向以及不同高度层面的气流相互叠加碰撞3种因素需要大量消耗能量。而另一部分气流则改变方向而向迎风坡两翼分流，同样由于载荷和改变方向以及不同方向气流的叠加3种因素需要大量消耗能量。不同方向、不同高度、不同速度的载荷气流相互碰撞，大量消耗能量从而降低了风速。测定结果显示，积沙带具有显著的防风作用，且积沙带越高、风速越大，则积沙带下风向防御风的范围就越大，当上风向空旷处风速达2m/s时，积沙带下风向防御风范围大于积沙带高度的 20倍，风速越大，则沙丘下风向降低风速越明显[25]。

(2)阻沙固沙作用

据测定，风沙流中有80%的沙粒在近地表20—30cm的高度内流动，其中一半又在近地表0.3—0.5cm的高度内流动。在7m/s的风速下，近地表10cm高度内的输沙量占总输沙量的75%，76—200cm高度内的输沙量占总输沙量的0.035%[29]。沙粒和气流的密度差异很大，因而不同高度、不同载荷气流的动量差异亦很大。气流在到达积沙带迎风坡时，不论向前或向两翼运移都需要抬升角度或改变方向，载荷和改变方向以及不同方向气流的叠加3种因素都会使得风沙流在运移过程中大量释放沙粒，而且这3种因素同时存在。河西绿洲边缘积沙带平均高10.08m，风沙流要越过如此高的积沙带，不得不将大量沙粒释放到积沙带迎风坡，积沙带越高大，这种阻挡和堆积作用就越显著[25]。

(3)减少固沙成本

过去几十年来，沙漠—绿洲过渡带或绿洲外围阻沙带是防沙治沙的重点工程区域和重点研究区域[30-31]，绿洲外围阻沙带一般由封育带和人工固沙林带组成[32]，甘肃河西沙漠—绿洲过渡带的宽度从几百米到几十公里，绿洲外围阻沙带的宽度为1—3km不等。研究结果表明，只要控制了积沙带就能有效控制流沙侵入农田。在民勤绿洲边缘积沙带的下风向，紧靠积沙带的农田保护完好。河西绿洲边缘积沙带最宽为1210.9m，平均宽只有218m。今后应将绿洲边缘防沙治沙的重点放在积沙带上，尤其是积沙带的沙脊线上，而对荒漠—绿洲过渡带(阻沙带)实行封育，无需采取其他投入措施，这样就可以大面积压缩实施人工措施的范围，大大降低防沙阻沙的资金投入，提高防沙治沙的投资效益。

3.2 负向作用

积沙带的负向作用是，由于大量流沙堆积在绿洲边缘，形成了距离绿洲农田更近的新的沙源。研究结果表明，甘肃河西绿洲边缘的积沙带尚处在发育阶段，目前的生态作用以正向作用为主，而且积沙带越高大越稳定[25]。

4 积沙带的功能机理

4.1 防风机理

为了分析积沙带防御风的机理，在民勤绿洲边缘积沙带上选择了典型样点做了风速风向的测定，结果表明，沿主风方向上，1)当风速≥2m/s时，在下风向沙丘20倍高范围内的风速小于上风向5H高处(对照点)；2)当风速≥8m/s时，积沙带顶部风速<上风向5H高处风速，最大风速在沙丘上风向，当风速<8m/s时最大风速在沙丘顶部；3)风速越大，则积沙带前后风速的差异就越大，不同风速在积沙带下风向0H—20H范围内的差异小于积沙带上风向，从背风坡基部开始随着与积沙带的距离的增大而增大。

迎风坡中部及其两翼的风速变化情况是：1)沙丘迎风坡两翼中心点(测点3-1和测点3-3)的风速>两翼边线中点(测点3-2和测点3-4)的风速以及迎风坡中部(测点3)的风速；2)迎风坡W翼较窄，W翼中心点(测点3-1)的坡向与主风向NW的夹角较大，因而W翼中心点(测点3-1)较N翼中心点(测点3-3)的风速更大(图2)。

在图2中，3-1号测点和3-3号测点的风速均大于3号测点的风速，表明气流从迎风坡舌尖(2号测点)沿主风方向(3号测点和4号测点)的运动过程中因在此方向上抬升坡度最大而向两翼分流。测点3-1和3-2位于沙丘迎风坡W翼，迎风坡W侧较开阔，且3-1号测点的坡向与主风向(NW)的夹角相对较大，因而3-1号测点风速大于3号测点和3-3号测点。测点3-3和3-4位于沙丘迎风坡N翼，3-3号测点的坡向与主风向(NW)的夹角小于3-1号测点的坡向与主风向(NW)的夹角，因而3-3号测点的风速大于3号测点的风速但小于3-1号测点的风速。

积沙带迎风坡一般为锯齿状，即舌尖长短各异，因而迎风坡的坡度坡向各异。由图2可见，3-1号测点在沙丘迎风坡W侧，风向明显偏N，这与前述气流从舌尖(2号测点)沿脊线(3号测点和4号测点)运动过程中向W挤压分流是相一致的。3-3号测点在沙丘迎风坡N侧，6m/s≥风速表现为偏W趋势，尤其当8m/s≥风速时。当风速越大时，沙丘迎风坡N侧风向偏W的程度越明显，沙丘迎风坡W侧风向偏N的程度亦越明显。

图2 风速观测样点示意图Fig.2 Schematic diagram of wind observations sample points

4.2 稳定性机理

前述已知，当风速≥8m/s时，积沙带顶部风速小于上风向对照点的风速。在近地面一定高度内，随着高度增加风速会加大，而为什么当风速≥8m/s时，沙丘顶部的风速会小于上风向对照点的风速呢？分析原因，可能是由于不同抬升角度、不同方向加之不同的风速的气流在沙丘迎风坡相互碰撞又相互叠加，当上升到积沙带顶时在惯性力的作用下继续向前上方运移，于是在沙丘顶部形成了一个相对的弱风区(图3)，尤其当风速越大时，这种惯性力就越大，这可能就是积沙带(沙丘)能保持顶部稳定并能增高、增大的一个重要原因。

图3 积沙带稳定性示意图 Fig.3 Chematic diagram on stability of the accumulated sand-belt

5 讨论与结论

(1)积沙带作为绿洲边缘防沙固沙的副产物，形成了一种防风固沙的障碍物，其自身也具有防风固沙的功能，国内有关于沙丘的研究[33]也支持了本文的这一研究结论。积沙带的生态功能所体现的生态学意义是：积沙带的形成有利于绿洲边缘的防沙治沙，具有显著的正向生态作用，积沙带可以广泛运用于绿洲边缘的防风阻沙，通过人工设计，借助风力和风沙流，促使积沙带的形成和增高增大，从而走出一条以沙防沙、以沙阻沙的绿洲边缘防沙阻沙新途径，这就是本文的创新点之一。

(2)高度是表征积沙带防御风的功能的一个重要指标，积沙带越是高大，防御风的范围则越大。今后绿洲边缘的防沙治沙就重点放到人工促进积沙带增高增大方面，而对积沙带上风向的过渡带只需进行封育就可以了。而且积沙带保护和建设的单位投资所产生的生态功能远远大于沙漠—绿洲过渡带单位投资所产生的生态功能，具有事半功倍的防沙阻沙效果。

(3)甘肃河西绿洲边缘的积沙带历时近60年，目前仍处于发育状态。今后应当把绿洲边缘防沙的重点放到积沙带的增高和保护上，相对于建造防护林带，积沙带不需要消耗额外的水分，只要严格管护，防止破坏就不会造成新的危害。

(4)本文的成果可直接运用于绿洲边缘的防沙阻沙。在课题研究的过程中，还设置了一种“可移动式积沙沙障”已申请获得了国家专利，其实现思路是：将此可移动式积沙沙障设置在沙丘脊线上，将绿洲边缘积沙带上的多个沙丘的沙脊线连接成一条线，就可以阻截堆积流沙，形成沿沙障设置线(沙脊线)的堆积带，促使沙脊线继续增高和沙丘增大。当阻挡截留的沙堆高至积沙沙障不能有效阻截堆积流沙时，或者沙脊线发生位移时，可垂直向上拨高沙障或者拨出沙障重新设置在新的沙脊线上，这样就能人工促进积沙带和增高增大。而且，可移动式积沙沙障能有效保护积沙带的稳定性。

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The ecological significance of accumulated sand-belts along the oasis edge of Hexi of Gansu

CHANG Zhaofeng1,2,*, WANG Qiangqiang1,2, ZHANG Jianhui1,2, ZHU Shujuan1,2, FAN Baoli1,2,TANG Jinnian1,2, ZHANG Dabiao1,2, LIU Shizeng1,2, LI Aide1,2, ZHANG Guozhong1,2

1MinqinNationalStationforDesertSteppeEcosystemStudies,Minqin733300,China2GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou730070,China

In the desert area in Hexi of Gansu, China, an accumulated sand-belt formed along the oasis edge, especially at the upwind places, during the process of desert control.The accumulated sand-belt took over 50years to form and is a byproduct of combating desertification from afforestation and barriers-setting.In this study, we conducted a comprehensive analysis of the accumulated sand-belts along the Hexi oasis edge as well as data from 21samples to determine the ecological functions and significance of the accumulated sand-belts.The results showed that: 1) The accumulated sand-belt, as a byproduct of combating desertification along the oasis edge, has a function of blocking wind and sand.2) Height is an important factor determining the wind-blocking function of an accumulated sand-belt.The taller and bigger the accumulated sand-belts are, the wider the scope of wind-blocking.3) Currently, the accumulated sand-belt along the Hexi oasis edge is still in the developmental stage.As long as it is under control, the invasion of moving sands into nearby farmlands will be minimal.In the future, the emphasis of desert control should be focused on the accumulated sand-belts, especially on the sand ridgeline of the accumulated sand-belt.The desert-oasis ecotone (resistive sand-belt) should be fenced, without the need for other containment measures.In this way, areas for implementing artificial measures for desert control will be greatly decreased, which will be helpful in reducing the funds invested and in improving the investment returns in combating desertification.

oasis edge;accumulated sand-belt;ecological significance;Hexi of Gansu

国家自然科学基金资助项目(41261102)

2014-07-19; < class="emphasis_bold">网络出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201407191469

*通讯作者Corresponding author.E-mail: czf123@sina.com

常兆丰, 王强强,张剑挥, 朱淑娟,樊宝丽, 唐进年, 张大彪,刘世增,李爱德,张国中.河西绿洲边缘积沙带的生态意义.生态学报,2015,35(24):8046-8052.

Chang Z F, Wang Q Q, Zhang J H, Zhu S J, Fan B L,Tang J N, Zhang D B, Liu S Z, Li A D, Zhang G Z.The ecological significance of accumulated sand-belts along the oasis edge of Hexi of Gansu.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8046-8052.