3种不同机械沙障设置后期对沙丘植被和土壤粒度与水分的影响

2018-05-10丁爱强谢怀慈徐先英张荣娟付贵全

中国水土保持 2018年5期

丁爱强，谢怀慈，徐先英,，刘江，张荣娟，赵鹏，付贵全

(1.中国林业科学研究院民勤治沙综合试验站，甘肃民勤 733000；2.巴彦淖尔市林业科学研究所，内蒙古巴彦淖尔015000；3.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州 730070； 4.扶风县林业局，陕西扶风 722200)

在干旱沙区，植物固沙和机械沙障固沙是防风固沙的两大基本措施[1-2]，但由于沙区干旱少雨、干燥酷热、风大沙多，加之近年来人类过度开采使得地下水位迅速下降，因此采取植物措施大面积营造防风固沙林已不适合[3]，机械沙障固沙成为主要措施[4-8]。沙区常见的机械沙障主要有不同材质的塑料网格沙障、麦草沙障及黏土沙障等，不同沙障各有利弊[9-11]，但其共同作用就是能够增加下垫面粗糙度，减小近地表风速，阻止风对地表的吹蚀和土壤颗粒的搬运，为土壤结皮和植被的发育提供相对稳定的环境，并使过境风沙流中的沙物质在沙障区沉降，达到阻沙固沙的作用[9,12-16]。已有的研究表明，布设初期，沙障在降低风速、阻挡流沙方面效益十分显著[17-18]，并且对植被[4,19-21]、土壤水分[9,15,22-28]及养分[29-34]均有改善作用，但沙障的功能和效益会随着时间的推移逐渐减弱消失[9]。这些研究均是对设置前期沙障基本效益的研究，设置中后期沙障对土壤环境影响的研究少见报道。本研究选择对设置了12年的塑料网格沙障、麦草沙障和黏土沙障进行长期定位观测，以流动沙丘作为对照，研究其设置后期对土壤水分和机械组成的影响，以期对沙区机械沙障的实施提供一定的指导。

1 研究区概况

研究区位于巴丹吉林沙漠东南缘的民勤治沙综合试验站(38°36′N，102°57′E)。该区属温带大陆性荒漠气候，降水稀少，气候干燥，大风天气多，年平均降水量l16.5 mm，年平均蒸发量2 359.7 mm；多西北风，多年平均大风日数26.3 d、沙尘暴日数25 d、扬沙日数37.5 d、浮尘日数29.7 d，年平均风速2.3 m/s，起沙风速大于5.0 m/s；地下水平均埋深由1961年的2.21 m下降到2014年的23.25 m[2]。由于地下水埋深超过植物所能利用的深度，导致民勤绿洲的防风固沙林出现大面积的衰退或死亡。

2 研究对象与方法

图1 不同机械沙障样地

选择于2003年4月设置塑料网格沙障(PSB)、麦草沙障(WSB)和黏土沙障(CSB)的沙丘为研究对象。3种沙障(见图1)设置在同一个沙丘上，沙丘高约6 m，迎风坡长约100 m，宽约300 m，塑料网格沙障和麦草沙障的设置方式为1 m×1 m、高20 cm的方格，面积分别约为0.53和0.33 hm2，黏土沙障选用丘间低地处胶泥，垂直主风向按行间距3 m铺设，障高20～25 cm、底宽50～65 cm，布设面积约0.33 hm2。沙丘上有零星分布的梭梭，各样地内的上、中、下坡位有同期埋设的中子仪水分测管。对照组(CK)设定在距试验样地约1 km处的民勤治沙站2号观测塔附近的流动沙丘上。

2015年5月至2016年9月，每月上旬和下旬分别在选定的4个样地的上、中、下坡位0～140 cm深的垂直剖面中，以20 cm为一层，用CN503DR智能中子水分仪(北京核子仪器公司)测定土壤含水量，每个部位重复2次。测前对沙土进行中子仪标定，标定方程为：y=75.977x-2.136 7，R2=0.906 1(式中：x为中子仪计数率比，y为土壤体积含水量)。在观测期间，对2015年8月10日30.6 mm的降雨用中子仪每天测定固沙植被区土壤水分入渗和再分配过程，累计跟踪测定312 h。

2015年9月，在每个样地的上、中、下坡位分别设置10 m×10 m的大样方1个，每个大样方内沿对角线设置1 m×1 m的小样方3个，进行植被调查；同时在不同沙障的3个坡位取土样，取样深度为0～5、5～20、20～40 cm，同一样地同一深度的土壤混合均匀，取适量带回实验室，利用马尔文激光粒度仪Mastersizer 2000做粒度分析。

试验数据用SPSS 20.0软件进行方差分析与Duncan多重比较，用SigmaPlot 12.5软件作图。

3 结果与分析

3.1 沙障建立后期各样地立地特征及植被情况

不同机械沙障建立后期样地内植被的基本情况见表1。沙障建立后期，除麦草方格沙障损毁严重、无结皮存在外，其余沙障内地表植被和结皮的盖度与流动沙丘相比显著增加；群落的物种多样性表现为黏土沙障>麦草沙障>流动沙丘>塑料网格沙障；风蚀程度以流动沙丘样地最为严重，其次为麦草沙障样地，塑料网格沙障和黏土沙障样地虽在局部存在风蚀，但大部分保存完好，且有风沙物质积累；从物种构成上看，随着流沙的固定，耐旱灌木、半灌木消失，出现了明显具有干湿季分布的短命植物，这些短命植物通常能在严重干旱胁迫来临之前完成其生活史，或者与雨季同期来逃避干旱[35]。

表1 不同沙障内基本概况

流动沙丘样地以2014年初设置的风蚀杆为参照，风蚀深度约60 cm。塑料网格沙障约80%保持完好，1 m×1 m网格内积沙厚度约12 cm，形成集水微区；地表以生物结皮为主，厚约5.5 mm。麦草沙障损毁严重，基本无保存，与流动沙丘类似，参照裸露的梭梭根，测得风蚀深度约40 cm。黏土沙障间距3 m，约65%保存完整，障内积沙厚度1～2 cm；地表以黏土形成的物理结皮为主，厚度约10 mm。

3.2 不同沙障对土壤机械组成的影响

机械沙障建立后，改变了下垫面的粗糙度，减小了风速，风沙流中的沙物质在沙障内产生积累[13]。随着时间的推移，不同沙障对浅层土壤的机械组成存在不同的影响。由表2可知，整体上，土壤的机械组成主要以黏粒和粉粒为主。不同样地按土壤黏粒含量高低排序为黏土沙障>塑料网格沙障>麦草沙障>流动沙丘，塑料网格沙障和黏土沙障样地的土壤黏粒含量显著高于麦草沙障和流动沙丘样地；按土壤粉粒含量排序为流动沙丘>麦草沙障>黏土沙障>塑料网格沙障，按土壤细砂粒含量排序为麦草沙障>流动沙丘>塑料网格沙障>黏土沙障，土壤粉粒和细砂粒含量均是麦草沙障和流动沙丘样地显著高于塑料网格沙障和黏土沙障样地，与黏粒刚好相反；按土壤粗砂粒含量排序为麦草沙障>流动沙丘>塑料网格沙障>黏土沙障，粗砂粒含量3种沙障样地之间均存在显著差异，但是塑料网格沙障和麦草沙障样地与流动沙丘样地差异不显著，黏土沙障样地与流动沙丘样地之间差异显著。综上，沙障建立后期，塑料网格沙障与黏土沙障样地土壤黏粒含量增加显著，麦草沙障样地土壤黏粒含量增加不显著，这说明塑料网格沙障与黏土沙障在后期对风沙流还有一定的阻碍作用，而麦草沙障已经基本起不到阻碍的作用。

表2 不同沙障内0～40 cm深处土壤机械组成 %

注：土壤粒度等级划分参照国际制(1930年)标准，不同小写字母表示不同沙障之间存在显著差异(P<0.05)，下同。

3.3 不同沙障对土壤水分含量的影响

不同机械沙障建立后期对土壤水分的影响程度是不同的。从图2可知，不同样地之间土壤含水量差异显著，按土壤剖面含水量的大小排序为流动沙丘>麦草沙障>黏土沙障>塑料网格沙障。相对于流动沙丘，塑料网格沙障、麦草沙障和黏土沙障样地土壤含水量分别降低了41.29%、5.05%、31.78%，说明机械沙障建立后期，土壤含水量有所下降，并且不同沙障对土壤水分的影响程度不同，按影响大小排序为塑料网格沙障>黏土沙障>麦草沙障。

图2 不同沙障样地土壤剖面含水量

3.4 不同沙障样地土壤水分的季节变化

不同机械沙障内土壤水分的季节变化趋势基本一致，但与流动沙丘相比，沙障的存在使得土壤水分的季节性变化更加稳定。如图3所示，初春季节，随着气温的回升，固态土壤水开始消融，降雨量也开始增加，使得土壤含水量逐渐增大；5月下旬至9月，随着降雨次数和降雨量的显著增加，土壤含水量也相应增加，但此时是植物的生长季，植物生长发育等一系列生理活动所消耗的水分也显著增加，土壤蒸发作用也随着高温的来临而加剧，在这些影响因子的共同作用下，土壤含水量在降雨较多的年份(2015年)表现较为平稳，在降雨较少的年份(2016年)表现为损耗；从10月份开始植物逐渐停止生长，土壤水分消耗以土壤蒸发为主，而此时，研究区降雨次数和降雨量也开始减少，所以土壤含水量逐渐减小；12月至翌年2月，气温降至冰点，出现霜冻和结冰现象，土壤冻结后土壤水由液态变为固态，使得土壤含水量降到较低水平，整个冬季土壤水分基本不再变化。塑料网格沙障样地内土壤含水量保持低稳态势，黏土沙障样地内土壤含水量稍高，麦草沙障与流动沙丘样地的土壤含水量相对较高，二者也较为接近，且变化均较剧烈。

图3 不同沙障样地土壤水分的季节变化

3.5 不同沙障样地土壤水分随深度的变化

不同机械沙障样地土壤含水量均值及其变异系数的变化如图4所示。从图4(a)可看出，塑料网格沙障样地的土壤含水量在垂直方向上的变化较稳定，随深度增加逐渐增大；其他3个样地的土壤含水量随深度增加均是先迅速增大，而后黏土沙障在约50 cm深处达到最大值，之后略有降低，但基本保持平稳，麦草沙障土壤含水量在约70 cm处达到最大值，之后便以相对较小的速率降低，流动沙丘土壤含水量在40～120 cm深度呈波动变化，在120 cm之后又开始升高。与流动沙丘相比，机械沙障建立后期不仅降低了深层土壤的含水量，还使得土壤的含水量变化趋于稳定，沙障保存越完整这种作用越明显。

由图4(b)可知，在深度上，不同机械沙障样地土壤水分变异系数的变化规律呈现一致性，均为浅层较大、深层较小；但不同沙障影响的临界深度不同，塑料网格沙障和黏土沙障样地的土壤水分变异系数分别在60和80 cm以下土层保持基本稳定，而麦草沙障样地的土壤水分变异系数随着深度增加逐渐减小，并没有出现明显的临界深度，流动沙丘样地40 cm以下土壤水分变异系数虽然较小，但并不稳定。

图4 不同沙障样地土壤含水量及其变异系数的垂直变化

3.6 不同机械沙障土壤水分再分配过程

机械沙障措施直接影响着土壤水分的再分配[22]，但不同沙障对土壤水分的再分配过程有不同的影响。如图5所示，降雨量为30.6 mm的降水事件发生后，随着时间的推移，不同深度的土壤水分会发生不同程度的变化，土壤越深水分变化的滞后现象越明显。在塑料网格沙障和黏土沙障样地中雨水的最大入渗深度分别为60和40 cm，在麦草沙障和流动沙丘样地中雨水入渗深度均可达120 cm，这是因为：黏土沙障样地土壤表层存在黏土层，使得一部分雨水因不能及时下渗而形成地表径流流失；塑料网格沙障样地地表不仅有结皮覆盖，还存在较厚的沉积物，其不仅粒度小，还比较干燥[36]，这使得降雨很难补给深层土壤；麦草沙障样地因沙障损毁严重，基本与流动沙丘地表近似，水分的再分配过程也基本一致。

图5 降雨后不同土层土壤含水量变化

4 讨论

研究发现，不同机械沙障设置12年后，塑料网格沙障保存率约为80%，黏土沙障保存率约为65%，麦草沙障已经全部损毁。孙涛等[9]对这3种机械沙障防风固沙时效性的研究表明，设置6年后，塑料网格沙障和麦草沙障的损毁率分别为11%、53%，黏土沙障介于二者之间。说明随着时间的推移，机械沙障会逐渐损毁，使得防风固沙效益逐渐减弱；不同机械沙障防风固沙的时效性表现为塑料网格沙障>黏土沙障>麦草沙障。

机械沙障的建立能增加植被的丰富度、盖度及密度等[4,19-21]，但不同机械沙障对植被的改变有所不同。沙障建立后期，除麦草方格沙障损毁严重无结皮存在外，其余沙障内地表植被和结皮的盖度与流动沙丘相比显著增加[37]；沙障内植物群落结构由耐旱的灌木、半灌木植物向短命植物演替，本研究结果显示沙障建立后期土壤水分消减就能说明这一现象；群落的物种多样性大小表现为黏土沙障>麦草沙障>塑料网格沙障，这是因为在黏土沙障内，黏土层的破坏形式是局部斑块状的，整体环境稳定，这就给植被带来了良好的生长发育机会和空间，而麦草沙障虽全部被风蚀破坏，但因前期沙障对土壤存在改良作用，植物也相对丰富，塑料网格沙障内积沙层较厚，由于这些风沙物质比较干燥，所以植物较难生存。结合已有对不同年代沙障的研究可知，并不是沙障建立后植被的生长情况就会越来越好，而是可能与沙障的设置年限和试验期内的降雨存在一定的关联，具体规律还有待进一步研究。

沙障建立后期，风沙物质的沉降积累使表层土壤的黏粒物质增加，这与许婷婷等[38]对不同设置年限沙障土壤粒径的研究结果一致，不过塑料网格沙障与黏土沙障内的土壤黏粒含量增加显著，麦草沙障不显著。

关于沙障建立前期对土壤水分的影响存在着不同的观点，绝大多数学者认为沙障建立后能增加土壤的保水性，提高了土壤含水量[1,5,15,20-26]，但也有研究者认为沙障建立后虽使地表结构稳定，但也改变了过境气流或风沙流的结构，形成紊流、乱流，加速了地表土壤水分的散失，且沙障配置规格不同土壤含水量降低程度不同[39]。本研究得出，3种机械沙障设置12年后，与流动沙丘相比土壤含水量均下降，而且沙障保存越完整土壤水分越差，但不同沙障对降水后土壤水分的再分配过程有不同的影响。造成这种现象的原因可能主要有以下两方面：第一，在不同沙障长期影响下，土壤的结构发生了变化，如土壤机械组成[40]、地表结皮类型[41]等不同，从而改变了土壤的持水能力和水分的入渗能力；第二，沙障建立后植被显著增加，导致土壤水分耗散也增加。展秀丽等[42]也认为土壤含水量不仅受土壤结构、结皮等因素的影响，而且还受降水、植被覆盖的影响。

我们仅从植被、土壤水分及粒度方面入手，分析讨论了不同机械沙障设置后期对小环境带来的影响，并未对其防风效能、综合固沙效益等进行综合研究。研究结果显示，虽然机械沙障设置后期造成了土壤水分含量的消减，但能显著地改善植被生境，阻止风沙活动，固定流沙，给沙区带来的效益不容置疑，其中塑料网格沙障防风固沙时效性最长，所以塑料网格沙障是沙区防风固沙措施不二的选择。

5 结论

以流动沙丘为参照，对设置了12年的3种机械沙障内的植被、土壤机械组成及土壤水分进行了研究，可以得出以下结论：

(1)沙障内植被的盖度显著增加，多样性指数麦草沙障和黏土沙障显著增加，塑料网格沙障减小，群落结构由耐旱灌木、半灌木植物向短命植物演替。

(2)不同的机械沙障均能增加表层土壤中黏粒的含量，但塑料网格沙障与黏土沙障内的黏粒含量增加显著，麦草沙障不显著。

(3)不同机械沙障的建立均使得土壤的含水量下降，并且使土壤水分的季节性变化更加稳定，塑料网格沙障、麦草沙障和黏土沙障内的土壤含水量分别比流动沙丘降低了41.29%、5.05%、31.78%。

(4)受机械沙障影响，降水的入渗深度及速率均减小，使得土壤水分的再分配过程产生明显的滞后性。

[参考文献]

[1] 曹波,孙保平,高永,等.高立式沙柳沙障防风效益研究[J].中国水土保持科学,2007,5(2):40-45.

[2] 王强强,唐进年,杨自辉,等.埋嵌式塑料网带状沙障的固沙效应及其应用前景[J].中国水土保持,2017(4):35-38.

[3] 常兆丰,赵明.民勤荒漠生态研究[M].兰州:甘肃科学技术出版社,2006:137-197.

[4] 袁立敏,高永,汪季,等.沙袋沙障对流动沙丘地表风沙及植被恢复的影响[J].水土保持通报,2014,34(1):46-50.

[5] 马瑞,王继和,屈建军,等.不同结构类型棉秆沙障防风固沙效应研究[J].水土保持学报,2010,24(2):48-51.

[6] 屈建军,凌裕泉,俎瑞平,等.半隐蔽格状沙障的综合防护效益观测研究[J].中国沙漠,2005,25(3):329-335.

[7] 汪万福,王涛,樊锦诗,等.敦煌莫高窟顶尼龙网栅栏防护效应研究[J].中国沙漠,2005,25(5):640-648.

[8] 张克存,屈建军,俎瑞平,等.不同结构的尼龙网和塑料网防沙效应研究[J].中国沙漠,2005,25(4):483-487.

[9] 孙涛,刘虎俊,朱国庆,等.3种机械沙障防风固沙功能的时效性[J].水土保持学报,2012,26(4):12-16,22.

[10] 马全林,王继和,詹科杰,等.塑料方格沙障的固沙原理及其推广应用前景[J].水土保持学报,2005,19(1):36-39,58.

[11] 常兆丰,仲生年,韩福桂,等.粘土沙障及麦草沙障合理间距的调查研究[J].中国沙漠,2000,20(4):455-457.

[12] 王淮亮,高永,姜海荣,等.防沙治沙技术与模式回顾[J].内蒙古林业科技,2012,38(1):46-52.

[13] 孙保平.荒漠化防治工程学[M].北京:中国林业出版社,2000:1-5.

[14] Borges A R,Viegas D X.Shelter effect on a row of coal piles to prevent wind erosion[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,1988,29(1-3):145-154.

[15] 马全林,王继和,刘虎俊,等.机械沙障在退化人工梭梭林恢复中的应用[J].干旱区研究,2005,22(4):526-531.

[16] LEE S J,PARK K C,PARK C W.Wind tunnel observations about the shelter effect of porous fences on the sand particle movements[J].Atmospheric Environment,2002,36(9):1453-1463.

[17] 王文彪,党晓宏,张吉树,等.库布齐沙漠北缘不同作物秸秆平铺式沙障的防风效能[J].中国沙漠,2013,33(1):65-71.

[18] 唐进年,张盹明,徐先英,等.不同人工措施对沙质荒漠生态恢复与重建初期效应的影响[J].生态环境,2007,16(6):1748-1753.

[19] 任余艳,胡春元,贺晓,等.毛乌素沙地巴图塔沙柳沙障对植被恢复作用的研究[J].水土保持研究,2007,14(2):13-15.

[20] 袁立敏,高永,李谦,等.沙袋沙障对沙丘植被特征的影响[J].水土保持通报,2011,31(5):80-84.

[21] 周丹丹,胡生荣,韩敏,等.沙柳沙障内植被恢复影响因子探究[J].水土保持研究,2008,15(6):115-118.

[22] 张圆,李芳,屈建军,等.机械沙障组合对土壤含水量及温度的影响[J].中国沙漠,2016,36(6):1533-1538.

[23] 成聪聪,闫德仁,海春兴.PLA沙障对沙丘迎风坡土壤水分的影响[J].干旱区资源与环境,2016,30(3):176-181.

[24] 马瑞,赵锦梅,马彦军,等.沙障对不同林龄雨养梭梭林冠下浅层土壤含水量的影响[J].水土保持通报,2016,36(4):138-142.

[25] 李谦,高永,汪季,等.聚乳酸纤维沙障对表层土壤含水量的影响[J].中国水土保持科学,2012,10(3):69-74.

[26] 鲁瑞洁,唐清亮,桑艳礼,等.青海湖克土沙区不同类型沙丘土壤水分的动态变化[J].水土保持研究，2012,19(2):111-115.

[27] 王学全,卢琦,杨恒华,等.高寒沙区沙障固沙效益与生态功能观测研究[J].水土保持学报,2009,23(3):38-41.

[28] 高国雄,李广毅,高宝山,等.煤矸石障蔽对沙地土壤的改良作用研究[J].水土保持学报,2001,27(1):102-104.