毛乌素沙地沙柳沙障破损规律与植被恢复的研究

王瑞东 党晓宏,2 高 永 杨 霞 张 超 李婉娇

( 1. 内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；

2. 内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400)

沙柳（Salix psammophila）沙障是我国西北地区主要的治沙措施之一，能够在一定程度上有效地改变流沙表面的粗糙度，减弱近地面风速，降低风沙流活动及沙丘移动速度，从而达到固定流沙、防治沙害的目的[1-2]。研究证明在流动沙丘上铺设沙柳沙障能够有效改善沙丘微环境，促进并加快植被恢复进程[3]。由于地域的优势，毛乌素沙地盛产沙柳，且沙柳在生长一定年限必须进行平茬复壮，当地农牧民充分利用平茬的沙柳条铺设沙障来防沙治沙，效果相当显著[4-5]。布设沙柳沙障单次施工可以达到生物治沙及工程治沙的双重目的，因此，这是一种具有很大推广价值的防沙治沙措施[6]。近几年发现，沙柳沙障在铺设 3～5 a后，受到自然或人为等因素的影响发生不同程度的破损现象，使障边出现不同长度的缺口，其破损程度使沙障的防风固沙作用及植被恢复效果受到严重影响[7-8]。目前，关于沙柳沙障的防风固沙效益方面做了较为全面的研究，但对于沙障破损规律及其对植被恢复的影响研究还较少[9-11]。因此研究沙障破损情况及其与植被恢复的关系具有十分重要的意义。

本研究以毛乌素沙地南缘的巴图塔沙柳林基地内布设的沙柳沙障为研究对象，通过对不同年限（3、5 a）、不同规格（1 m×1 m、2 m×2 m）、不同坡位（迎风坡底部、迎风坡中部、沙丘顶部、背风坡中部、背风坡底部）以及不同障边位置沙柳沙障破损度及沙障内主要植物种生长的情况进行调查分析，以此探明沙柳沙障破损情况及其与植被恢复的关系，旨在为更有效、合理地利用沙柳沙障资源，改善我国西北地区生态环境提供依据。

1 试验区概况

巴图塔沙柳基地试验地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，地处北纬39°31′，东经110°03′，属神府东胜矿区巴图塔井田的防沙治沙区，海拔1 100～1 300 m。属温带半干旱半荒漠性气候[12]。年平均气温为5.5～9.1 ℃；风大且频繁，蒸发强烈，年均风速3.5 m/s，最大风速达24 m/s，年均大风日数约11～25 d[5]。春季大风持续时间长，常以西北风为主；夏季常出现大雨，主要以东南风为主。降水主要集中在每年7—9月中旬，年平均降水370～410 mm。植被类型主要有沙柳、沙竹（Psammochloa villosa）、沙米（Agriophyllum Squarrosum）、沙蒿（Artemisia ordosica）等，植物种类少，覆盖度低，不足5%[12]。非地带性土壤以风沙土为主。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验于内蒙古自治区鄂尔多斯市的伊金霍洛旗境内进行，在设置沙障前测定了该沙丘不同部位的风速分布和风沙运动情况后沿主风方向等间距布设1 m×1 m，2 m×2 m不同规格沙障各30个，沙障高20～25 cm。每种规格沙障从沙丘的基部一直设置到沙丘顶部，在迎风坡底部、迎风坡中部、沙丘顶部、背风坡中部、背风坡底部5个部位进行布设（如图1），使用DEY-I型多点遥测防沙风速仪（长春气象仪器厂，中国）测定沙障的近地表风沙流活动情况及不同规格障格内4边的风速变化情况。风杯设在距地表10、50、100、200 cm高度后记录不同高度的风速情况。每个测点3次重复。同时使用实验室自制积沙仪器测定近地表10 cm高度内的沙尘活动情况[13-16]。

图 1 沙丘坡位示意图Fig. 1 Schematic diagram of sand dunes

沙障设置第3年（2015年9月）和第5年（2017年9月）的秋季，以1 m×1 m和2 m×2 m规格的不同坡位进行实地调查，设置5个调查样方（与沙障规格一致），对每个障格4条边的破损程度及植被生长情况进行调查。以此研究沙障破损程度规律及其与植被恢复的影响。调查时，为了便于数据处理分析，从坡下部至坡上部每个障格4条边命名如图2。调查指标有沙丘坡度、高度，植被种类、盖度、密度、高度、频度和沙障每个障格4条边的破损情况等。

图 2 沙障障格4条边位置示意图Fig. 2 Schematic diagram of the quadrilateral

2.2 数据分析

为了便于数据处理分析，处理时将不同大小的样方数据全部转化为1 m×1 m样方数据。按公式（1）计算破损度[17]，按公式（2）～（6）计算重要值，通过物种重要值确定植物群落的主要成分，分析群落的动态变化，进一步研究沙柳沙障对植被恢复的影响[18]。按公式（7）～（10）计算多样性指标，分析沙柳沙障破损程度与群落多样性变化的关系[19]。

式中：S为障格内群落中总种数；N为障格内所有物种个体总数；Pi采用综合特征量的重要值与群落总重要的比值来代替[19]。

图 3 沙丘不同部位迎风边、顺风边破损情况Fig. 3 Damage to the wind and the side of the sand in different parts of the dune

3 结果与分析

3.1 沙柳沙障破损情况分析

山丘不同部位迎风坡、顺风坡破损情况见图3。

由图3可知，随着沙柳沙障布设年限的增加，该地区的沙柳沙障平均破损程度已经从22.45%（布设3 a后）增加到52.89%（布设5 a后）。沙障破损程度值的大小排序均表现为背风坡底部＞背风坡中部＞沙丘顶部＞迎风坡底部＞迎风坡中部。在沙丘背风坡，从中部至底部，2种规格的沙障4条边破损程度呈现逐渐变大的趋势。在沙丘迎风坡的底部到顶部，不同部位沙障的破损程度表现为沙丘顶部最大，其次为坡位底部，坡中部的破损程度较小。从沙柳沙障所处沙丘不同部位的迎风边、顺风边破损情况可以看出，总体上表现为迎风边破损情况要比顺风边破损情况较严重，而迎风边下边破损度比其他3条边破损严重，破损程度表现为迎风侧下部＞迎风侧上部＞顺风侧左边＞顺风侧右边。另外在调查时发现，沙丘整体的底部、中部的表面经过沙障的固定均已经形成结皮，这种现象为植物的定居与生长提供了基本的环境。

3.2 沙柳沙障与植被恢复的关系

3.2.1 不同年限沙柳沙障规格与植被盖度的关系

植被覆盖度是衡量沙柳沙障防护功能的一项重要指标，在一定程度上能够直接反映沙区的植被恢复情况。由图4可知，不论是沙丘迎风坡还是背风坡，流动沙丘植被盖度整体上低于布设不同规格沙柳沙障，说明在流动沙丘上布设沙柳沙障有利于植物生长和恢复。结合图3发现，植被盖度随沙障布设年限及沙障破损程度的增加呈现明显减少的变化。1 m×1 m规格沙障的植被盖度情况低于2 m×2 m规格沙障，且不同规格的沙柳沙障植被盖度在沙丘的不同位置存在一定的规律性，从沙丘顶部至背风坡植被盖度均是在沙丘背风坡较高，特别是在背风坡的中部，植被盖度最好，沙丘顶部植被盖度较少。

图 4 2种规格沙障在沙丘不同坡位的植被盖度情况Fig. 4 The vegetation coverage of 2 kinds sand barrier in different slope of sand dunes

从表1可知，沙柳沙障设置3 a后已经形成稳定的沙蒿+沙米群落，两者为现阶段的主要植物种，在调查过程中还发现在沙丘背风坡出现沙竹、虫实等植物种。2种规格相比，2 m×2 m规格沙障中植物种较多，表明2 m×2 m规格沙障内植被在向良性方向发展。从植被重要值来看，2 m×2 m规格沙障中沙蒿的贡献率较大，其他种类植物已占有一定的群落地位。从植物种所在沙丘不同部位来看，迎风坡沙蒿贡献率高于背风坡，迎风坡和背风坡不同坡位间植被恢复差异不太明显。由于沙障设置规格不同，相应规格内不同群落植被盖度、重要值也不同，更进一步说明2 m×2 m规格沙障内植被恢复情况较好。

表 1 不同规格沙柳沙障在不同坡位的植物种及重要值Table 1 Plant species and important values of different sizes of S. psammophila sand barrier in different slopes %

结合表2和图5分析可知，不同设置年限沙丘植物多样性的呈现一定的规律性。由图5可知，随着沙柳沙障铺设年限的增加，H′，D、J和M指数均呈先增加后减少的趋势。回归分析表明，综合多样性指数与设置年限呈一定线性关系，尤其是H′和M增加较明显。

表 2 不同设置年限沙柳沙障生物多样性变化及回归分析Table 2 Biodiversity change and regression analysis of S. psammophila sand barrier with different setting years

图 5 不同设置年限对生物多样性的影响Fig. 5 The effects of biodiversity in different years of sand barriers

3.2.2 不同坡位各障边沙柳沙障破损程度与植被恢复的关系

对沙丘不同部位沙柳沙障4条边的破损情况进行分析并探究其与植被盖度的关系。由表3可知，顺风侧右边沙障的破损程度与植被盖度呈显著负相关关系（P＜0.05），相关系数为-0.536，即破损度越大，植被盖度越小，其余障边沙柳沙障的破损程度均无显著差异。进而使植被在恢复过程中继续面临风蚀沙埋等问题，植被在沙障破损严重的地貌区域萌发和定居的机会较小，植物种存活较少，盖度降低，进而影响植被的恢复。破损度越来越大，植被盖度越小。影响其防风固沙带来的防风效益下降。进而使植被在恢复过程中继续面临风蚀沙埋等问题，植被在沙障破损严重的地貌区域萌发和定居的机会较小，植物种存活较少，沙障带来的防风效益减弱，使得破损程度越大的地貌植被数量减少，盖度降低，进而影响植被的恢复。

表 3 各区域植被盖度及沙障的破损度Table 3 Vegetation coverage and damage of sand barriers in various regions %

4 结论与讨论

在流动沙地上，沙柳沙障受到光、温度、风蚀、沙埋和微生物等环境影响，会导致沙障发生不同程度的破损、倒伏和缺口[20]。部分沙柳沙障因自身木质、纤维等结构的特性发生变质腐烂，引起沙障自身质量的损失和力学强度下降，影响沙障出现大面积倒伏现象；部分沙柳沙障受到风力影响而直接倒伏，或由于风沙流活动引起的风蚀沙埋作用导致沙障失去作用；有的沙障因为环境因素，人畜扰动破坏而发生折断、缺口等损坏，进而导致沙柳沙障防风固沙效益下降。沙柳沙障的破损程度在植被恢复过程中继续面临风蚀沙埋等问题，进而影响植被的恢复[21]。不仅如此，根据高永等[9]在沙柳沙障的防风固沙效益研究中表明，在大风条件下，1 m×1 m规格沙障成本高于 2 m×2 m规格沙障，且沙柳沙障在防风固沙方面发挥了很大的促进作用，进一步为植被恢复奠定了基础。

沙柳沙障的破损程度及防护效益很大一部分原因受到地形起伏、沙丘坡度等环境因子的影响。本研究探讨了沙柳沙障所处不同年限、不同沙丘坡位、不同障格位置等条件的变化及沙柳沙障与植被恢复有何关系，发现沙丘不同部位的沙柳沙障破损程度存在较大差异；根据哈斯等研究腾格里沙漠东南缘沙丘表面气流与坡面形态的关系表明[22]：在沙丘迎风坡底部区域，气流流线下凹，速度较小；迎风坡中部，流线上凸，流线上凸，气流加速；因此背风坡主要发生沙物质的沉积以及重力作用下的崩塌前移，破损主要以压埋为主。这一结果与本实验所得出的结果是一致的。从迎风坡的风速变化来看，底部的风速最小，至迎风坡上部时，风速发生陡变，沙丘顶部则发生附面层分离，风沙流作用较强，各障边在沙丘顶部均有一定程度的破损，但无明显差异，说明丘顶4条障边受坡度影响较小，受风作用也相近。另外沙障的迎风坡，迎风侧下边首先遭受风力侵蚀，其次是迎风侧上边，顺风边受风沙流的影响明显较小；对于迎风侧下边而言，其也遭受来自于沙粒重力作用的压迫，但因坡度较小，这种压迫作用弱于背风坡沙障下边，因而破损程度相对于背风坡小。沙丘所处背风坡位置沙障的各边破损程度都明显高于迎风坡，在进行野外调查时，对沙丘坡度进行了测量，发现该地区2种规格沙柳沙障所在的沙丘迎风坡度为12°左右，而背风坡坡度均为31°左右。因此，在沙丘背风坡位置沙柳沙障破损较为严重主要有2个原因[21]，其一，背风坡沙丘较迎风坡坡度陡，各障边枝条受自身重力作用向坡脚方向发生一定偏移，同时沙丘表面干沙受到重力作用不断向下发生堆积，压制障边直至倒缺；其二，背风坡会向风沙流中接受来自于迎风坡的沙子，引起沙粒在背风坡中部的堆积，若没有沙障，堆积的沙粒会在重力作用下下泄堆积至坡脚，进而引起沙丘的前移，而在沙障的作用下，这种堆积却导致沙障障格内的沙粒不断增多，使障边遭受更大的来自于沙粒重力作用的向下压制，同时，沙粒堆积也会引起沙障遭受沙埋。在这两种作用下，从沙障背风坡中部到背风坡底部，2种规格的沙障迎风边破损度均呈现逐渐变大的趋势，而顺风边呈减小趋势。从每个障格的 4条边来看，迎风边高于顺风边，且沙障向坡脚方向的下边破损度高于其他3边。

沙柳沙障是流沙上植被恢复的重要必要条件和措施，能够减弱流沙表面风沙流活动、拦截外来风沙流、改善地表环境，促进植被恢复过程。周丹丹等[12]研究表明植被生长对沙障有明显的依附作用，尤其在沙丘背风坡，不仅受坡度影响较大，而且背风坡坡度较陡，受到重力作用种子会向下运动，坡度是影响植被恢复的主要因素，这一结果与本实验所得出的结果是一致的。另外，对沙丘不同部位沙障各边的平均破损度进行计算，分析其值与植被盖度的关系。除顺风侧右边，各区域植被盖度与各障边沙柳沙障的破损度均无显著差异。分析原因可能是由于沙障目前破损程度还较轻，未达到对其植被恢复效益产生影响的程度，也可能是沙障破损程度会对植被恢复产生影响，只是目前铺设时间较短，相互影响关系还没有完全体现出来。但结合4种多样性指数的变化可得出，物种多样性随沙障布设年限的增加总体呈上升趋势，沙柳沙障内植被种类、盖度均呈增加的趋势，植被恢复进程加快，促进植被的正向演替。

综合分析，随沙障布设年限的增加，土壤营养物质含量逐渐升高，植被整体生长环境得到改善，多年生草本植物也开始在沙丘上定居，群落物种数随年限的增加而有所增加，群落的物种组成也有一定的变化，群落类型将进一步向多样化方向发展。

本研究中，沙柳沙障铺设5a后破损程度严重，平均破损度达到52.89%，沙丘背风坡沙柳沙障破损程度较迎风坡严重，同一障格不同障边的破损程度表现为迎风边＞顺风边；2 m×2 m 规格的沙障植被恢复效果优于1 m×1 m规格的沙障，表明在流动沙丘上铺设沙柳沙障能够有效地促进植被恢复，植物多样性随沙障设置年限基本呈正相关关系；风力掏蚀是导致迎风坡沙柳沙障破损的主要影响因子，坡度和压埋是导致背风坡沙柳沙障破损的主要影响因子。