吉兰泰荒漠绿洲过渡带不同生境下白刺灌丛沙堆形态特征与影响机制

魏亚娟,郭 靖,党晓宏,解云虎,汪 季,李小乐,吴慧敏

(1.包头师范学院资源与环境学院,内蒙古 包头 014030;2.内蒙古农业大学沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010018; 3.内蒙古包钢稀土钢板材厂,内蒙古 包头 014010;4.包头市林业和草原局, 内蒙古 包头 014010)

荒漠绿洲过渡带位于荒漠与绿洲的交汇区,是荒漠系统和绿洲系统相互转化的生态地带[1]。荒漠绿洲过渡带是以水为主导因子的景观边界之一,属于半荒漠植被区[2],对维系和保障绿洲生态安全及生态内部稳定具有重要的意义[3]。灌丛沙堆是我国干旱、半干旱及亚湿润荒漠区一种常见的风积地貌[4-5],植被作为灌丛沙堆形成的基础,对风沙流具有较强的拦截能力[6]。其主要通过覆盖地表、分解风力和阻挡流沙3种方式改变近地表风沙流结构,使风沙流在植被周边沉积,从而形成灌丛沙堆[7]。灌丛沙堆能够有效抵御干热风和风沙等灾害,并阻滞流沙向绿洲内部侵袭[2],对维持荒漠绿洲过渡带生态安全和植被资源的可持续利用至关重要。

近几十年来,随着风沙地貌和沙漠化过程研究的不断深入,国内外学者对灌丛沙堆进行了系统的研究。国外学者的研究主要集中于灌丛沙堆的形成与演化过程、沉积特征和生态学与动力学过程等方面[8-12];而国内学者对灌丛沙堆的研究主要侧重于形态特征、土壤理化性质、空间分布格局和防风固沙效益等方面[9-20]。大量研究表明,灌丛沙堆的形成与演化是一种动态平衡过程,是植物、风力和沙源3种因素共同作用的产物,其形成能够反映局域内风沙环境特征[21-22]。由于灌丛沙堆形态具有一定的局域性和复杂性,导致同一种植物在不同生境中生长表现不同,灌丛沙堆形态参数也存在一定差异[18]。原因在于不同生境下植被类型、植被生长状况[23]、地表起沙阈值和沙尘释放程度等因素不尽相同,其对灌丛沙堆的发育起着直接或间接作用[4]。然而,上述研究大多关注干旱、半干旱地区特定生境下灌丛沙堆形态特征差异[24-28],对不同沙地类型灌丛沙堆的发育状况鲜有报道。从流动沙地到固定沙地的转化过程中,灌丛沙堆的发育过程受植被、风沙、地形等多种因素的耦合作用,导致其形态特征明显不同,而目前关于沙地的流动性与灌丛沙堆形态相结合的研究较少,这使得干旱、半干旱地区灌丛沙堆的发育过程及其与沙地类型转化之间的关系不甚明晰。

白刺(Nitrariatangutorum)灌丛沙堆是吉兰泰荒漠绿洲过渡带的顶级群落,是保护吉兰泰盐湖免受风沙侵袭的第一道生态防线。就空间尺度而言,吉兰泰荒漠绿洲过渡带盐湖外围自西北向东南方向分布着流动沙地、半固定沙地和固定沙地。但在不同沙地类型中,白刺灌丛沙堆的形态不尽相同,尽管以往有学者针对该地区白刺灌丛沙堆的形态特征进行了相关探讨[19, 29],但对不同沙地类型下白刺灌丛沙堆形态的影响机制较少涉及,故不同生境条件下白刺灌丛沙堆的发育过程及其与风沙环境的作用机制尚不明晰。基于此,本研究运用统计学原理和方法,以吉兰泰荒漠绿洲过渡带不同沙地类型白刺灌丛沙堆为研究对象,对不同沙地类型白刺灌丛沙堆形态参数和灌丛生长状况进行统计分析,研究不同生境下白刺灌丛沙堆形态特征和影响机制,以期为吉兰泰荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆植被恢复和保育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉兰泰荒漠绿洲过渡带(105°36′～105°44′E,39°39′～39°46′N),属于典型的大陆性季风气候。多年平均降水量为101.21 mm,降雨多集中在7—9月,年均蒸发量为2 659.80 mm;多年平均气温为9.36 ℃,最冷月1月均温为-9.66 ℃,最热月7月均温为26.10 ℃。研究区盛行西北风和东北风,年均风速3.70 m/s;全年大风频繁,大风日数为40 d。土壤类型为风沙土,土壤发育程度较低,土壤养分贫瘠。地貌类型由外向内依次为流动沙地、半固定沙地和固定沙地。半固定沙地距离流动沙地为1.33 km,固定沙地距离半固定沙地为1.53 km。研究区植被结构简单,植被覆盖率较低。不同沙地类型植被情况如图1和表1所示。

表1 不同沙地类型样地特征

1.2 样地设置与植被盖度调查

2019年8月中旬,对研究区不同沙地类型白刺灌丛沙堆进行野外调查。每种沙地类型设置1个规格为100 m×100 m的样方,共计3个样方。然后,沿着主风向对每个样方内所有白刺灌丛沙堆形态参数进行测定。测定沙堆形态参数包括:长轴(L)、短轴(W)和沙堆高(H)。研究区白刺灌丛沙堆外部形态呈椭圆形,其水平尺度(D)、底面积(A)和沙堆体积(V)计算公式见文献[16,19]。

对白刺灌丛沙堆形态参数测定之后,采用样方法分别在灌丛沙堆的坡顶、迎风面坡中和坡下与背风面坡中、坡下各设置1个1.0 m×1.0 m的样方,测量白刺灌丛枝条株高(h),同时估测每个样方内的植被盖度,取其平均值作为该灌丛沙堆的枝条密度(M)和植被盖度(C)。

利用变异系数表示各沙地类型白刺灌丛沙堆形态特征变异情况,变异系数计算方法见文献[30]。

1.3 数据处理

采用Excel 2007对数据进行整理;用SPSS 20.0进行K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验发现数据均服从正态分布,同时进行方差分析(One-way ANOVA)和相关分析;利用Origin 2017进行回归分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同沙地类型白刺灌丛生长及沙堆形态变化

不同沙地类型白刺灌丛生长特征见图2。由图2可知,半固定沙地、固定沙地白刺灌丛C、h及M显著高于流动沙地(P<0.05)。相对C而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌丛C较流动沙地分别增加62.35%和51.08%(P<0.05);相对h而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌丛C较流动沙地分别增加35.84%和38.51%(P<0.05);相对M而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌丛C较流动沙地分别增加61.58%和72.77%(P<0.05)。

不同小写字母表示沙地类型之间差异显著。下同。Different lowercase letters indecated significant difference among sandy land types. The same below.图2 不同沙地类型白刺灌丛生长特征Fig. 2 Growth characteristics of Nitraria tangutorum shrubs in different sandy land types

白刺灌丛沙堆的形态特征见表2,半固定沙地、固定沙地白刺灌丛沙堆L、W、H、D、A和V显著高于流动沙地(P<0.05)。对L/W而言,3种沙地类型之间差异不显著(P>0.05);L/W值由大到小依次为固定沙地>半固定沙地>流动沙地;对H/L、H/W而言,3种沙地类型之间呈显著差异(P<0.05)。3种沙地类型H/L、H/W的变异系数最小,在0.06～0.18之间;L、W、L/W、H、D和A的变异系数次之,在0.14～0.30之间;而V的变异系数最大,在0.67～0.93之间。由此可知,除白刺灌丛沙堆体积外,其他形态参数变异系数变化范围较小。

白刺灌丛沙堆形态参数频率分布见表3。

表3 白刺灌丛沙堆形态参数频率分布

由表3可知,整个研究区白刺灌丛沙堆H和A主要分别集中在0～2 m和0～20 m范围内,分别占到白刺灌丛沙堆总量的96.65%和100%,而白刺灌丛沙堆V范围分布比较分散。就灌丛沙堆高(H)而言,H<1 m的灌丛沙堆数量由大到小表现为流动沙地>半固定沙地>固定沙地,而H介于1～2 m的灌丛沙堆数量与之相反;就灌丛沙堆底面积(A)而言,A<10 m2的灌丛沙堆数量由大到小表现为流动沙地>固定沙地>半固定沙地,A介于[10～20) m2的灌丛沙堆数量由大到小表现为半固定沙地>固定沙地>流动沙地;就灌丛沙堆体积(V)而言,V<10 m3的灌丛沙堆数量由大到小表现为流动沙地>固定沙地>半固定沙地,V介于[10～20) m3的灌丛沙堆数量由大到小表现为半固定沙地>流动沙地>固定沙地,V介于[20～30) m3的灌丛沙堆数量由大到小表现为半固定沙地>固定沙地>流动沙地,V>30 m3的灌丛沙堆数量由大到小表现为固定沙地>半固定沙地>流动沙地。

2.2 不同沙地类型白刺灌丛沙堆形态参数相关性分析

3种沙地类型(流动沙地、半固定沙地和固定沙地)白刺灌丛沙堆的L与W均呈极显著正相关,其相关系数分别为0.862、0.584和0.668;H与D均呈极显著正相关,其相关系数分别为1.000、0.937和0.972;H与A均呈极显著正相关,相关系数分别为1.000、0.937和0.972;H与V均呈极显著正相关,其相关系数分别为0.962、0.924和0.908;A与V均呈极显著正相关,其相关系数在0.929～0.966之间(表4)。

表4 不同样地白刺灌丛沙堆的形态参数之间的相关性分析

回归分析发现:白刺灌丛沙堆L与W之间呈一元线性关系,其R2分别为0.74、0.31和0.44;H与D之间呈二次函数关系,其R2分别为1.00、0.86和0.96。另外,由于其函数斜率为正且均位于二次函数的上升阶段。H与A之间呈二次函数关系,其R2分别为1.00、0.86和0.96。由此可知,在半固定沙地灌丛沙堆高度与底面积拟合效果最差。H与V之间呈二次函数关系,其R2分别为0.99、0.96和0.98。沙堆底面积与体积呈二次函数关系,其R2分别为0.99、0.97和0.99(图3)。

图3 白刺灌丛沙堆各指标参数之间的关系Fig. 3 The relationship among various index parameters of N. tangutorum nebkhas

3 讨 论

3.1 不同沙地类型白刺灌丛生长特征

灌丛沙堆形状不仅与灌丛沙堆演化阶段有关,还与自身灌丛特性有关[28]。本研究显示各沙地类型白刺灌丛沙堆L/W在1.26～1.42之间,说明白刺灌丛沙堆呈椭圆形。这主要是因为当迎风面水平非饱和气流遇阻从沙堆两侧携带走一部分沙物质,但背风侧受植被地上部分影响形成一个沙尾,导致沙堆逐渐向椭圆方向发展[21]。而且,当灌丛沙堆呈椭圆形,有助于增大风沙阻力,加快了风沙流中沙物质沉积[31]。灌丛生长状况影响沙堆的形成与演化,当植被盖度超过15%时,才能有效控制地表风蚀[4];植被高度在10～15 cm及以上才能有效拦截细砂物质[32]。植物枝条密度越大,说明植物疏透度越小,对沙粒的拦截能力越强[33]。本研究显示流动沙地、半固定沙地和固定沙地白刺灌丛沙堆植被盖度、株高和枝条密度分别在20.32%～30.70%、22.10～30.61 cm和16.06～27.75 枝/m2。可见,3种沙地类型白刺灌丛均有拦截沙粒的能力。而且,随着沙地的固定,白刺灌丛生长状况和更新能力逐渐增强,但三者的值相对偏低,这说明白刺灌丛生长状况较差。白刺灌丛虽然喜沙埋,但超过一定阈值,沙埋会严重影响白刺灌丛生存和生长[32]。前人研究表明,白刺灌丛扩展主要依赖于地下水和降雨,当年降水超过110 mm时,才能维持白刺灌丛的正常生长[34]。而2017年和2018年吉兰泰降水量分别为125.70 mm和138.60 mm,说明年降水量不是影响白刺生长发育的主要因素。白刺灌丛适宜生长在地下水埋深在1.8～4.0 m的环境[20],而吉兰泰地区由于多年来机电井的大量打造,导致其地下水埋深逐渐降低,已经由原来的1.5 m下降到10～15 m,说明地下水埋深是制约白刺灌丛生长发育的主要因素[35]。

3.2 不同沙地类型对白刺灌丛沙堆形态特征的影响

灌丛沙堆形态参数是评价区域荒漠化监测的重要指标,灌丛沙堆的形态特征是由灌丛、沙源和气候因素共同决定[6]。灌丛生长状况影响着灌丛沙堆的大小[36]。但是,不同植物形成的灌丛沙堆存在较大差异。多年生灌木易形成体积较大的灌丛沙堆,而短命植物形成的灌丛沙堆体积相对较小[37]。本研究中,白刺灌丛沙堆高度在0.38～2.62 m,该研究结果与谢国勋等[4]对宁夏盐池白刺灌丛沙堆的研究结果相似,其研究结果表明白刺灌丛沙堆高度为0.20～4.80 m。另外,白刺灌丛沙堆H/L、H/W为0.14～0.17、017～0.24,说明白刺灌丛沙堆的水平增长速度远远大于垂直增长速度,这是白刺自我保护的一种生长策略[18]。但3种沙地类型H/L、H/W呈显著差异且表现为固定沙地>半固定沙地>流动沙地,这主要是因为随着沙化程度逐渐加重,白刺灌丛沙堆距离沙源的距离越近,受到风蚀的程度加重[18]。另外,由于受到沙打沙割的影响,白刺灌丛生长状况较差,进而影响了白刺灌丛沙堆堆积,最终导致随着沙化程度加重,沙堆高度与长轴比、高度与短轴比逐渐降低[4]。丰富的沙源能形成大尺度的灌丛沙堆[14]。但本研究显示白刺灌丛沙堆高度和体积由大到小依次为半固定沙地>固定沙地>流动沙地。该研究结果与文献[18]对民勤荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆研究结果相悖,其研究发现过渡带白刺灌丛沙堆由内向外沙堆尺度逐渐减小。这主要是因为输沙率与植被盖度成反比[22]。在流动沙地,虽然沙源非常丰富,但是强烈风沙活动导致更多的沙物质被吹蚀殆尽[26],加之白刺灌丛植被盖度、株高和枝条密度非常低,导致大量的沙物质无法被白刺灌丛拦截,其固沙能力受到一定限制[29]。在固定沙地,由于植被盖度较其他两种沙地类型的高,且风沙流从流动沙地到达固定沙地饱和路径相对较长,到达固定沙地后成为过饱和风沙流,导致沙粒在固定沙地释放并沉积[33]。而在半固定沙地,由于该样地存在一定数量的梭梭和沙拐枣,减弱了风沙强度和携沙能力,使沙粒进行沉降堆积,加速了灌丛沙堆增长速率[19]。

3.3 不同沙地类型白刺灌丛沙堆形态参数的协同关系

本研究发现各沙地类型白刺形态参数之间存在良好的相关关系,说明不同沙地类型白刺灌丛沙堆发展具有协同性[18],这与文献[19]中对不同生境白刺灌丛沙堆的研究结果一致。本研究显示,3种沙地类型灌丛沙堆长轴与短轴呈一元线性关系,说明灌丛沙堆在水平尺度上是协同发展的[8]。另外,函数斜率与截距均为正值,说明短轴先于长轴而存在,这与文献[14]中对白刺灌丛沙堆的研究结果相同。灌丛沙堆高度与水平尺度是判断灌丛沙堆演化阶段的重要依据[13]。本研究显示3种沙地类型白刺灌丛沙堆高度与水平尺度呈二次函数关系。在3种沙地类型中,其二次函数系数均为正值且位于二次函数上升阶段,说明这3个样地内白刺灌丛沙堆均处于发育阶段。而且,99%的灌丛沙堆位于二次函数的上升阶段,由此判定白刺灌丛沙堆均处于增长阶段[13]。另外,3种沙地类型白刺灌丛沙堆高度与底面积、高度与体积和底面积与体积均呈二次函数关系。而且,灌丛沙堆全部落在二次函数上升阶段,再次证明了3种沙地类型白刺灌丛沙堆处于增长阶段[20]。本研究还发现,灌丛沙堆底面积与体积拟合曲线下缓上陡,说明了在白刺灌丛沙堆形成初期,其底面积增加速率大于体积增长速率,但当底面积增加到一定值后,其体积增长速率大于底面积增长速率[38]。

综上,吉兰泰荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆形态以椭圆形为主,随着沙地固定,其固沙能力越强。3种沙地类型中,固定沙地的白刺灌丛沙堆空间占有能力最大,对地表的防护作用和阻沙能力最强,半固定沙地次之,流动沙地最小。3种沙地类型白刺灌丛沙堆L与W呈一元线性关系,白刺灌丛沙堆D与H、A与H、V与H和A与V均呈二次函数关系,且均位于二次函数上升阶段,说明3种沙地类型的白刺灌丛沙堆均处于增长阶段。半固定沙地和固定沙地白刺灌丛植被盖度(C)、灌丛高度(h)和枝条密度(M)显著高于流动沙地(P<0.05),说明随着沙地固定,白刺灌丛生长状况和更新能力逐渐增强。