不同林草治沙模式对盐碱沙地沉积物粒度特征的影响

张瑜 徐子棋 陈光明 张志军 杨献坤 崔斌 王大中 芦贵君

［关键词］ 林草治沙模式；樟子松；沙棘；蒙桑；风沙沉积物；粒度特征；盐碱沙地；吉林省

［摘 要］ 为探究吉林省西部盐碱沙地不同林草措施的防风固沙效果，以樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）+沙棘（Hippophae rhamnoides）+沙打旺（Astragalus laxmannii）（模式1）和樟子松+蒙桑（Morus mongolica）+沙打旺（模式2）两种治沙模式为研究对象开展野外试验，分析其植被恢复状况和沉积物粒度特征，结果表明：①模式1和模式2的乔灌草生长状况良好，第4年木本存活率达到74.0%～88.0%，总覆盖度分别达到86.6%和76.5%，具有较好的植被改善作用；②模式1、模式2均能够改变沉积物粒度特征，減少黏粒、粉粒、极细砂的风蚀量，且模式1的作用优于模式2；③该区域1.17～＜157.90 μm为环境敏感细组分，157.90～＜630.50 μm为环境敏感粗组分；④两种林草治沙模式均能够显著改变盐碱沙地下垫面风动力条件，削弱风蚀作用，使风蚀带走的细组分减少，且模式1的改善效果优于模式2。综上，模式1和模式2均对吉林省西部风蚀沉积特征有显著影响，具有较好的防风固沙效益，适宜在半干旱区沙地推广。

［中图分类号］ S157.9[文献标识码] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.009

［引用格式］ 张瑜，徐子棋，陈光明，等.不同林草治沙模式对盐碱沙地沉积物粒度特征的影响[J].中国水土保持，2024（3）：29-33.

土地沙化是吉林省西部主要的生态环境问题之一，且该区域土壤均具不同程度的苏打盐碱化，加剧了土壤的劣质化，这不仅导致生态结构退化，而且直接导致可利用土地面积减少和耕地地力下降，阻碍了人类的生存和发展^[1]。近年来，经过大力治理，该区域土地沙化得到一定控制，但部分区域仍有扩展和加剧的趋势^[2]。2016年，当时的环境保护部印发的《全国生态功能区划》指出，吉林省西部属科尔沁沙地，为防风固沙生态系统服务功能区，尤其是科尔沁沙地内的吉林省通榆县，属国家重点生态功能区的科尔沁草原生态功能区，具有防止荒漠化范围扩大和降低沙尘暴危害等作用。因此，优化区域盐碱沙地防护植被配置技术，提高其生态效益显得尤为重要。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、蒙桑（Morus mongolica）和沙棘（Hippophae rhamnoides）具有较强的抗旱性、抗寒性和耐贫瘠性，是我国北方防风固沙的理想植物种^[3-6]。前人对樟子松、桑和沙棘在防风固沙、改善旱区生态环境方面的作用做了大量相关研究。多位学者研究了不同林龄沙地樟子松林对下垫面风动力特征、土壤物理性质的改良作用和对地下水埋深季节变动的影响^[7-12]，以及樟子松固沙林配置的优化方式^[13]。有关蒙桑防风固沙效果的研究较少，对于桑属的研究主要集中在桑林对土壤理化性质和风蚀机理的影响^[14]，以及沙地优质桑选育、管理和桑树防护林高效配置方式^[15-17]等方面。此外，众多学者研究了沙地沙棘对土壤温度、养分等方面的改良作用，对风动力特征和风沙流的影响机理，以及防风固沙效益^{[6，11，18-19]}。然而，以往有关于植被固沙的研究主要集中于毛乌素、浑善达克地区，有关吉林省西部沙地防护效益好、针对性高的林草措施配置方式却鲜有研究^[6]。

风沙沉积物的粒度分布特征是能够很好地反映积蚀特征和植被防风固沙效果的指标^[20]。本研究参考杨文斌等^[21]低覆盖度治沙理论，选择吉林省西部盐碱沙地，营造樟子松+沙棘和樟子松+蒙桑疏林，在林下撒播优质多年生牧草沙打旺（Astragalus laxmannii），建立林草复合治沙模式，用近自然生态修复的方式建立人工植被，并通过观测两种治沙模式植被生长、覆盖状况和沉积物粒度特征，分析两种治沙模式的适用性和对粒径沉积特征的影响机理，以期为该区域治沙措施优化配置和效果提升提供理论支持。

1 研究区概况

研究样地位于吉林省白城市通榆县鸿兴镇，地理坐标122°02′～123°30′E、44°13′～45°16′N。研究区地形起伏较小，地势为西北高东南低，海拔140～180 m。该区域属中温带半干旱大陆性季风气候区，年均日照时数2 900 h，年均气温5.5 ℃，年均降水量350 mm，无霜期约164 d，最大冻土深125 cm，年主导风向为西南风和西北风。主要土壤类型有风沙土、盐碱土和淡黑钙土等。

2 材料与方法

2.1 供试材料

研究样地为地形平缓的固定沙地，土壤为苏打盐碱风沙土，具体理化性状见表1。本研究所选林草治沙模式为樟子松+沙棘+沙打旺模式（模式1）、樟子松+蒙桑+沙打旺模式（模式2），对照地（CK）为措施地旁原状沙地。模式1、模式2林草于2017年5月初种植，所用乔木、灌木苗龄为3 a，尺寸较小，结合杨文斌等^[21]关于半干旱区低覆盖度治沙树种栽植密度的要求，设定株行距均为4 m×4 m，待苗龄较大时根据情况进行间伐；乔灌混交方法为行间混交（1行乔木1行灌木），每种模式各栽植2带，每带各栽植10行（5行乔木、5行灌木）10列，行与主风向垂直，带间距40 m；两种模式的水平间距为300 m，中间为空地，故两种模式间互不干扰。林间均匀撒播沙打旺草籽，播种量12 kg/hm²。

2.2 测定方法

2.2.1 植物指标

植物指标观测时间为2017年10月初和2020年10月初。成活率调查所有植株，其余指标每行随机选5株长势具有代表性的植株固定观测，取平均值。覆盖状况利用相机在2 m高处拍摄，并用PCOVER软件进行处理、分析而得，取5个重复。

2.2.2 土壤指标

土样采集时间为2020年10月初。采样方法参考前人研究^[21]，在选定观测植物指标的植株东、西、南、北各方向0.5 m处，取0～20 cm深土样（本区域为农牧交错带，该深度受人为影响较大）并混合，带回室内用GSL-101BL激光颗粒分布测量仪测定其各粒径颗粒占比。根据沉积物类别划分需要，粒径组别划分见表2。

2.3 数据处理及分析

利用Excel进行数据整理和图表绘制，利用SPSS19.0进行方差分析（ANNOVA單因素分析）。

3 结果与分析

3.1 不同林草治沙模式木本植物生长状况及覆盖状况

由表3可知，在研究区盐碱风沙地，栽植第4年樟子松存活率平均达85.0%、沙棘存活率达78.0%、蒙桑存活率达74.0%，存活率均能达到74.0%及以上，两种灌木存活状况近似。栽植第4年时，沙棘的株高、地径和冠幅分别为蒙桑的1.35倍、0.95倍和1.25倍，即两种灌木的地径近似，但沙棘植株显著较蒙桑高大。

由表4可知，模式1的木本郁闭度比模式2高5.4个百分点（即沙棘比蒙桑枝叶更加繁茂），总覆盖度比模式2高10.1个百分点，两种模式均显著改善了植被覆盖状况，分别比对照地覆盖度提高了44.3和34.2个百分点，差异显著（P＜0.05）。这说明模式1改善植被覆盖状况的效果优于模式2。

3.2 不同林草治沙模式对沉积物粒度分布的影响

由图1可知，对照地、模式1和模式2的沉积物粒径组分布曲线均呈单峰型，模式1和模式2的沉积物粒径体积百分比的波峰明显比对照地前移，体积百分比峰值出现时的粒径大小为模式1＜模式2＜对照地，且对照地峰值显著高于模式1和模式2。这说明模式1和模式2的林草措施能够使研究区沉积物粒径整体减小，且粒径分布更为均匀化。

由表5可见，研究区对照地土壤主要粒级组成为极细砂、细砂、中砂，占比分别为16.24%、66.33%和12.56%，在土壤中总占比达到95.13%。研究区盐碱风沙地采用模式1、模式2后，土壤中黏粒、粉粒、极细砂含量显著增加，细砂、中砂和粗砂含量显著减少。例如，模式1和模式2的粉粒体积百分比分别比对照地多8.97和4.96个百分点，差异显著（P＜0.05）；模式1和模式2的细砂体积百分比分别比对照地减少7.87和2.86个百分点，差异显著（P＜0.05）。且除中砂、粗砂外，其他组分体积百分比变幅均为模式1＞模式2。

由表6的粒度参数分析可知，人工植被体系使沉积物粒度标准差显著降低，即分选性变差，偏度向正向发展，即粒度整体细化，沉积物颗粒峰度降低，即原为众数的粗颗粒占比减少，各指标差异显著（P＜0.05），且人工植被所有的粒度参数的改善幅度均为模式1＞模式2。这说明模式1、模式2均具有较好的拦风蓄沙能力，且能够改变沉积特征，减少黏粒、粉粒、极细砂的风蚀量，使土壤颗粒细化，同时两种灌木中沙棘的防护作用优于蒙桑。

3.3 不同林草治沙模式对盐碱沙地敏感粒度组分的影响

风沙环境地表沉积物粒径组成及其变化能够很好地表征该区域风蚀、风积特征，而标准差值能够反映相应粒径组对研究区风沙环境的敏感度^[21]。由图2、表2及测定结果可知，研究区粒度标准差曲线粒径范围为1.17～＜630.50 μm，曲线有两个峰值，分别出现在第44组（64.97～＜71.35 μm）和第57组（219.58～＜231.44 μm），即为环境最敏感粒度；第53组（150.96～＜165.78 μm，加权中值为157.90 μm）为标准差谷值，即为敏感粒度粒径分界线，1.17～＜157.90 μm为细组分，157.90～＜630.50 μm为粗组分。各处理试验样地沉积物环境敏感组分占比见图3。不同植被条件下细组分占比范围为52.72%～72.56%，粗组分占比范围为27.44%～47.28%。模式1、模式2第4年细组分分别比对照地增加了37.6%和28.6%，说明本研究两种林草治沙模式均能显著改变盐碱沙地下垫面风动力条件，削弱风蚀作用，使风蚀带走的细组分减少，且模式1的改善效果优于模式2。

4 讨论

吉林省西部气候干旱，土地风沙化与盐碱化协同进行，干旱、风蚀露根、盐碱胁迫等逆境致使植被退化，加剧了风蚀^[22]。本研究结果表明，吉林省西部在pH值8.08、电导率0.14 mS/cm的盐碱沙地上采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式时，植被生长茂盛，栽植第4年总覆盖度分别达到86.6%和76.5%，说明这两种林草治沙模式均适宜在盐碱沙地推广利用。

沉积物粒度组成特征是反映该区域下垫面条件、风动力状况和风蚀特征的重要因子^[23]。前人研究称，植被能够改变风沙流场，对侵蚀起到阻碍作用，使较小的颗粒得以沉积，从而改变沉积物粒度^[24]。本研究表明，吉林省西部盐碱风沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均具有较好的防风固沙作用，能够改变侵蚀、沉积特征，使沉积物粒径整体减小，粒径分布更为均匀化，增加土壤黏粒、粉粒、极细砂的含量。本研究区沉积物粒度标准差曲线粒径范围为1.17～＜630.50 μm，曲线有两个峰值，1.17～＜157.90 μm为细组分，157.90～＜630.50 μm为粗组分，研究区盐碱风沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均能够显著提高土壤环境敏感细组分的占比，且模式1的改善效果优于模式2。有学者认为，风沙流中跃移质的占比较大，粒径范围为70～500 μm，而粒径＜70 μm的颗粒多为悬移质^[25]。因此，本研究的细组分包括悬移质和跃移质，而粗组分主要为跃移质。不同下垫面跃移质含量差别较大^[26]，因此模式1和模式2在研究区改变风场条件的能力差异较大，这可能与两种灌木植物（沙棘和蒙桑）的地上形态不同有关，沙棘植株上下疏透度均匀，蒙桑植株属上密下疏型，且本研究沙棘的株高、覆盖度、疏透度状况都优于蒙桑。

此外，两种林草治沙模式林龄不同对土壤水分、养分和林下草被多样性等方面的影响差异还需进一步研究。

5 结论

1）模式1和模式2乔灌草生长状况良好，第4年木本存活率达到74%～88%，总覆盖度分别达到86.6%和76.5%，具有较好的植被改善作用。

2）模式1、模式2均能够改变沉积物粒度特征，减少黏粒、粉粒、极细砂的风蚀量，且模式1的作用优于模式2。

3）该区域1.17～＜157.90 μm为环境敏感细组分，157.90～＜630.50 μm为环境敏感粗组分。

4）两种林草治沙模式均能显著改变盐碱沙地下垫面风动力条件，削弱风蚀作用，使风蚀带走的细组分减少，且模式1的改善效果优于模式2。

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收稿日期： 2023-04-29

基金项目： 长春市科技局项目（21ZGM07）；吉林省财政厅基本科研经费项目（吉林省西部固沙植物种选择与植被配置研究与示范，吉林省西部平缓沙地地力提升及植被构建技术体系研究）

第一作者： 张瑜（1980—），女，山东烟台人，高级工程师，硕士，研究方向为黑土区水土保持。

通信作者： 徐子棋（1990—），女，吉林白山人，工程师，硕士，研究方向为水土保持生态修复。

E-mail： 235175758@qq.com

（责任编辑 徐素霞）