庫布其沙漠綜合防護體系防風改土效益研究

王文彪，馮 偉，張吉樹

(億利資源集團，內(nèi)蒙古東勝017000)

目前，我國荒漠化治理多以生物措施為主、工程措施為輔，生物措施主要是植被建設，工程措施主要是設置沙障［1－2］。設置沙障不僅對沙地土壤改良有顯著作用，而且還可以調(diào)節(jié)局部小氣候，增加下墊面粗糙度，有效降低近地表風速，使防護對象免受沙害［3－4］。近些年，許多研究表明沙區(qū)植被建設及設置沙障都影響了沙漠土壤的理化性質(zhì)，改良了沙區(qū)土壤［5－8］。但是，對生物與工程措施相結(jié)合的綜合體系防護效益的研究較少。因此，本文對比分析了庫布其沙漠內(nèi)兩種綜合防護體系的防風及改土效益，以期為本地區(qū)今后大規(guī)模開展防沙治沙提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布其沙漠北緣七星湖景區(qū)內(nèi)，隸屬于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市杭錦旗，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風氣候特征。該區(qū)年平均風速為4．4 m/s，最大風速24 m/s，風向多為西北風，大風日數(shù)多年平均為55 d，最多77 d，年平均發(fā)生沙塵暴累計日數(shù)高達27 d，最多57 d，年平均揚沙41 d。年平均降水量約306 mm，年平均蒸發(fā)量為2 448 mm，相對濕度55%;年平均氣溫6．58 ℃，極端最高氣溫40．2 ℃，極端最低氣溫－34．5 ℃;無霜期130～140 d。土壤主要為風沙土，呈東西連續(xù)帶狀分布，還有部分灰漠土、鹽化淺色草甸土。由于干旱缺水，境內(nèi)以流動、半流動沙丘為主。有野生植物370 余種，其中木本野生植物稀少，除霸王(Zygophyllum xanthoxylum)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、四合木(Tetraena mongolica)等珍稀植物外，主要有小葉楊(Populus Simonii)、沙棗(Elaeagnus angustifolia)、沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippohae rhamnoides)等。飼用植物300 余種，現(xiàn)有檸條保存面積15．33 萬hm2。藥用植物130 余種，以甘草(Glycyrrhiza uralen sis)、枸杞(Lycium chinense)、苦參(Sophora flavescens)儲量最大。礦藏資源豐富，有煤炭、天然氣、食鹽、天然堿、芒硝、石膏等。

2 研究方法

2．1 綜合防護體系設計

蘆葦－樟子松－花棒綜合防護體系(以下簡稱花棒綜合體系):沿主風(西北)方向開始依次設置蘆葦(Phragmites australis)沙障、樟子松(Pinus sylvestris var)防護林、花棒(Hedysarum scoparium)防護林;蘆葦－樟子松－沙柳綜合防護體系(以下簡稱沙柳綜合體系):沿主風(西北)方向開始依次設置蘆葦沙障、樟子松防護林、沙柳(Salix psammophila)沙障。綜合體系各防護帶配置基本情況見表1。

表1 綜合防護體系內(nèi)各防護帶基本配置方式

2．2 測定方法

2011年4月對裸沙地以及兩種綜合防護體系中的蘆葦沙障內(nèi)、樟子松防護林內(nèi)、花棒防護林內(nèi)及沙柳沙障內(nèi)的20 和200 cm 高度處的風速進行了測定，數(shù)據(jù)使用HOBO 自動氣象站采集器采集，每個樣點測定時間為10 min，記數(shù)間隔時間為2 s。按照公式［2］將風速數(shù)據(jù)換算成防風效能及地表粗糙度。

同時采用S 形或直線形方式在選定的每種防護帶內(nèi)設置6個采樣點，每個采樣點挖取60 cm 深的剖面，分別采集5、30、60 cm 深處土層的土壤;同時采集裸沙地(3 個采樣點)土壤作為對照。土壤理化性質(zhì)測定采用常規(guī)分析方法［10］。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2003 及SAS 9．0 軟件ANOVA 模塊進行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3．1 防風效益比較

3．1．1 綜合防護體系防風效能比較

植被建設或設置沙障后，能夠顯著降低近地表風速，而降低風速效能是評價防風效益的重要指標之一。從觀測資料及表2 可知，兩種綜合體系各配置防護帶在20、200 cm 高處都起到了降低風速的作用，其中風速降低最大值在花棒綜合體系中花棒防護林的20 cm 高處，平均風速降到1．65 m/s(裸沙地20 cm 高處平均風速6．87 m/s)，防風效能為75．98%，其主要原因是花棒綜合體系中花棒防護林在最后方，且花棒為灌木，對近地層氣流有較大的阻隔作用;花棒、沙柳兩種綜合體系中的蘆葦沙障200 cm 高處風速降低均較小，平均風速分別降到7．90、7．76 m/s(裸沙地200 cm 高處平均風速9．18 m/s)，防風效能分別為13．94%、15．47%，其主要原因是蘆葦沙障位于兩種綜合體系的最前方，且沙障體高度僅有10 cm，對200 cm 高度的風沙流無阻擋作用，而造成風速降低程度、防風效能輕微差別的原因是兩種綜合體系的配置不同。從表2 還可以看出，兩種綜合體系在200 cm 高度內(nèi)防風效能的平均值為花棒綜合體系大于沙柳綜合體系，但差異不顯著。

表2 兩種綜合體系各配置防護帶防風效能%

3．1．2 綜合防護體系地表粗糙度比較

地表粗糙度是反映地表起伏變化與侵蝕程度的指標，也稱為空氣動力學粗糙度，是評價防風固沙效益的重要指標之一。以裸沙地為對照，對兩種綜合體系的地表粗糙度進行了對比分析，結(jié)果見圖1。從圖1 中可以看出，兩種綜合體系都明顯地增大了地表粗糙度:花棒綜合體系的地表粗糙度增大到3．63 cm，與裸沙地(0．02 cm)相比增大了3．61 cm;沙柳綜合體系的地表粗糙度增大到1．59 cm，比裸沙地增大了1．57 cm。差異顯著性檢驗表明，花棒、沙柳綜合體系差異顯著(P ＜0．05)。因為當風沙流或氣流通過兩種綜合體系時，首先通過蘆葦沙障，使近地表氣流強度減小，但沙障以上氣流強度依然很大，之后通過樟子松防護林，使得200 cm 高度以下氣流強度明顯減小，當通過綜合體系最后一道屏障時，花棒綜合體系中的花棒防護林又一次減小了花棒灌叢以下的氣流強度，使得地表粗糙度達到最大值，而沙柳綜合體系中的平鋪沙柳沙障體高僅為10 cm，對通過的氣流影響較小。以上結(jié)果說明，兩種綜合體系都明顯提高了地表抗風蝕的能力，且花棒綜合體系效果更好。

圖1 兩種綜合體系地表粗糙度比較

3．2 改良土壤效益比較

3．2．1 綜合防護體系土壤含水率對比

土壤含水率是沙漠地區(qū)植樹造林的主要限制因子。降水和植物耗水是土壤水分發(fā)生垂直變化的主要原因，不同類型防護林對土壤水分的消耗及蓄積也是不同的。同時，土壤水分狀況對固沙植被長期穩(wěn)定發(fā)展起重要作用，而植被又會對土壤水分起到重新分配的作用。從圖2 可以看出，兩種綜合體系5、30、60 cm 深度的土壤含水率均高于裸沙地，說明綜合體系的保水能力強于裸沙地。從圖2 還可以看出，兩種綜合防護體系內(nèi)土壤含水率隨深度的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢。差異顯著性檢驗表明:綜合體系5、60 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異顯著(P ＜0．05)，30 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異不顯著，這主要是與地表覆蓋措施以及植物根系分布范圍有關。與裸沙地相比，0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1．88 百分點，沙柳綜合體系增加了1．59 百分點，說明兩種綜合體系都提高了土壤的保水能力，且花棒綜合體系效果更好。

圖2 兩種綜合體系與裸沙地土壤含水率對比

3．2．2 綜合防護體系土壤容重對比

土壤容重的大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量和土壤緊實度等有關。從圖3 可以看出，兩種綜合體系內(nèi)5、30、60 cm 深度的土壤容重均小于裸沙地，其中最小值為花棒綜合體系5 cm深度土壤，為1．44 g/cm3。從圖3 還可以看出，裸沙地土壤容重隨深度的增加呈增大的趨勢，而兩種綜合體系均呈先增大后減小的趨勢。其主要原因可能是植被根系的活動疏松了土壤，而不同植被的根系分布范圍不一樣，所以產(chǎn)生的影響也不一樣。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系各深度土壤容重與裸沙地相比差異都不顯著。綜合以上結(jié)果，與裸沙地相比，兩種綜合體系均降低了土壤容重，花棒綜合體系平均降低了0．071 g/cm3，沙柳綜合體系平均降低了0．064 g/cm3。土壤容重降低，疏松了土壤，增加了孔隙度，對土壤的肥力狀況及植物的生長都產(chǎn)生了積極的影響。

圖3 兩種綜合體系與裸沙地土壤容重對比

3．2．3 綜合防護體系土壤pH 值對比

測定土壤pH 值，對改良土壤、合理施肥、適地造林有很重要的意義。從圖4 可以看出，裸沙地土壤pH 值隨深度的增加呈升高的趨勢，兩種綜合體系呈降低的趨勢，其主要原因是受地表植被的生長活動及枯枝落葉的影響。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系與裸沙地相比，5 cm 深度土壤pH 值差異不顯著;30、60 cm 深度土壤pH 值則顯著小于裸沙地(P ＜0．05)。從圖中還可以看出裸沙地5、30、60 cm 三層土壤pH 值都大于8．60，接近強堿性土壤，極不適宜植物生長。這說明通過防護體系建設降低了土壤pH 值，其中花棒綜合體系降低了0．59，沙柳綜合體系降低了0．32。

圖4 兩種綜合體系與裸沙地土壤pH 值對比

3．2．4 綜合防護體系土壤養(yǎng)分含量對比

土壤養(yǎng)分是植物營養(yǎng)的重要來源，植物生長需要土壤提供養(yǎng)分，同時植物的生長也具有改良土壤水、肥、氣、熱的作用。從表3 可以看出，兩種綜合體系與裸沙地相比，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量都高于裸沙地，土壤速效磷含量都低于裸沙地。差異顯著性檢驗表明:兩種綜合體系與裸沙地相比，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷含量差異不顯著，速效鉀含量與裸沙地相比差異極顯著(P ＜0．001)。以上結(jié)果表明，兩種綜合體系對沙漠土壤都有一定的改良作用，與裸沙地相比，花棒綜合體系有機質(zhì)含量增加了0．82 g/kg，堿解氮含量增加了4．93 mg/kg，速效磷含量降低了0．21 mg/kg，速效鉀含量增加了39．32 mg/kg;沙柳綜合體系有機質(zhì)含量增加了0．50 g/kg，堿解氮含量增加了3．69 mg/kg，速效磷含量降低了0．23 mg/kg，速效鉀含量增加了36.64 mg/kg;花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

表3 兩種綜合體系土壤養(yǎng)分含量對比

4 結(jié) 語

通過對庫布其沙漠內(nèi)兩種綜合體系防風效益及土壤理化性質(zhì)的測定與分析，得出以下結(jié)論:與裸沙地相比，花棒綜合體系和沙柳綜合體系都起到了防風阻沙、改良土壤的作用，其防風效能分別為46．53% 和44．18%，地表粗糙度分別增大了3.61、1．57 cm;0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1．88 百分點，沙柳綜合體系增加了1．59 百分點;兩種綜合體系均降低了土壤容重，花棒綜合體系平均降低了0．071 g/cm3，沙柳綜合體系平均降低了0．064 g/cm3;兩種綜合體系都降低了土壤pH 值，其中花棒綜合體系降低了0．59，沙柳綜合體系降低了0．32;花棒綜合體系有機質(zhì)含量增加了0．82 g/kg、堿解氮含量增加了4．93 mg/kg、速效磷含量降低了0．21 mg/kg、速效鉀含量增加了39．32 mg/kg，沙柳綜合體系有機質(zhì)含量增加了0．50 g/kg、堿解氮含量增加了3．69 mg/kg、速效磷含量降低了0．23 mg/kg、速效鉀含量增加了36．63 mg/kg，且花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

綜上所述，花棒綜合體系在防風阻沙、改良土壤方面要優(yōu)于沙柳綜合體系，其原因還需要做進一步研究。

［1］朱震達．中國沙漠化研究的進展［J］．中國沙漠，1989，9(1):27－31．

［2］孫保平．荒漠化防治工程學［M］．北京:中國林業(yè)出版社，2000:144－148．

［3］馬全林，王繼和，詹科杰，等．塑料方格沙障的固沙原理及其推廣應用前景［J］．水土保持學報，2005，19(1):36－39，58．

［4］高菲．沙柳沙障對土壤理化性質(zhì)的影響［D］．呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2006．

［5］張國盛．干旱、半干旱地區(qū)喬灌木樹種耐旱性及林地水分動態(tài)研究進展［J］．中國沙漠，2000，20(4):363－368．

［6］周鳳艷，郝春英，張柏習，等．不同植被類型對沙地土壤理化性質(zhì)的影響［J］．遼寧林業(yè)科技，2011(11):12－14．

［7］劉乃君．人工梭梭林對沙地土壤理化性質(zhì)的影響［J］．土壤通報，2008，39(6):1480－1482．

［8］蔣齊．寧夏干旱風沙區(qū)人工檸條林對退化沙地改良與植被恢復的作用［D］．北京:中國農(nóng)業(yè)大學，2004．

［9］姚洪林，閆德仁．內(nèi)蒙古沙漠化土地動態(tài)變化［M］．呼和浩特:遠方出版社，2002:30－48．

［10］鮑士旦．土壤農(nóng)化分析［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000:31－107．