不同生物沙障對科爾沁流動(dòng)沙丘植被恢復(fù)及土壤濕度的影響

苗仁輝，郭美霞，劉銀占

1. 河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/河南省全球變化生態(tài)學(xué)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004；2. 河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/河南省環(huán)境污染控制材料國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004

目前，世界各國飽受諸如氣候變暖、能源危機(jī)、土地退化等環(huán)境問題造成的惡果（D’Odorico et al.，2012；Liu et al.，2003；Ravi et al.，2010；You et al.，2003）。雖然相關(guān)資料顯示，自2004年中國荒漠化治理工作已經(jīng)取得很大成績，荒漠化整體趨勢得到遏制（屠志方等，2016），但治理進(jìn)程依舊不容松懈。由此導(dǎo)致的相關(guān)經(jīng)濟(jì)問題和社會(huì)問題，是加劇人口貧困和社會(huì)不穩(wěn)定的直接原因（邢飛龍，2015）。土地退化主要由于某些自然或人為干擾引起的（常學(xué)禮等，2005），例如洪水、干旱等自然災(zāi)害，亂砍亂伐、無節(jié)制的使用化肥、農(nóng)藥等人為破壞，過度開墾、放牧，亂挖野生植物藥材等都會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境的惡性循環(huán)，從而使土地環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量下降等問題接踵而至，進(jìn)而造成土壤的生產(chǎn)力降低，生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性及穩(wěn)定性下降。

干旱區(qū)草地占據(jù)了地球?qū)⒔话氲拿娣e，生活著超過全球1/3的人口，并提供了全球牲畜3/4的飼料（Eldridge et al.，2011；Reynolds et al.，2007）。草地是中國重要的可更新資源（曹曄等，1999），由于干旱區(qū)降雨量較少，草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力低下及長期的人類活動(dòng)，導(dǎo)致了嚴(yán)重的土地退化，其中，流動(dòng)沙丘是土地退化的極點(diǎn)（Liu et al.，2007；Miao et al.，2015）。流動(dòng)沙丘是在風(fēng)力作用下緩慢前移的沙丘，移動(dòng)方向與主風(fēng)向相同。流動(dòng)沙丘危害極大，對交通以及農(nóng)畜牧業(yè)的危害尤為明顯。流動(dòng)沙丘上植被稀少，在沙丘區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)十分困難，短期內(nèi)很難恢復(fù)到退化前的狀態(tài)，需要通過認(rèn)為干預(yù)輔助植被恢復(fù)與重建（Miao et al.，2015；2018）。

沙丘區(qū)植被恢復(fù)和沙丘固定措施主要有機(jī)械沙障固沙、生物沙障固沙、飛播固沙及化學(xué)固沙等（Banerjee，2009；Miao et al.，2015；Miyasaka et al.，2014；Zhang et al.，2004；安云，2013；曹成有等，2004）。其中，流動(dòng)沙丘植被恢復(fù)和固定效果較好的為機(jī)械沙障固沙和生物沙障固沙（Miao et al.，2015；2018；Zhang et al.，2004）。機(jī)械沙障固沙主要是在固沙初期通過設(shè)置機(jī)械沙障來改變下墊面狀況，增加地表粗糙度，以控制風(fēng)沙流的方向、速度、結(jié)構(gòu)和風(fēng)蝕沙積情況，從而達(dá)到快速固定沙丘的目的（王文彪等，2011）。然后在沙障內(nèi)實(shí)施灌木栽植，可以使植物在機(jī)械沙障腐爛前生長起來，達(dá)到長期持續(xù)固定沙丘，使其快速向恢復(fù)的方向演變并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（Miao et al.，2018；常兆豐等，2001；張繼義等，2004）。生物沙障固沙是在流動(dòng)沙丘上以生物活體材料進(jìn)行栽植，主要有白檸條（Caragana korshinskii）、沙棗（Elaeaanus angustifolia）、五角楓（Acer ginnala）、山竹子（Garcinia mangostana）和白榆（Ulmus pumila）等鄉(xiāng)土植物，營造活體沙障（史小棟，2008；孫榮華等，2006）。沙障主要有網(wǎng)格狀沙障和帶狀沙障兩種，帶狀沙障一般行間距為1～4 m，在4月中下旬和 10月下旬進(jìn)行栽植，栽植植物通常為當(dāng)年生或二年生的灌木枝條，栽植后進(jìn)行封育排除人畜干擾。生物沙障不但能起到機(jī)械阻沙、有效控制沙丘流動(dòng)的作用，而且能通過自身發(fā)育形成群落，從而加速沙丘植被的恢復(fù)與重建，因而具有機(jī)械沙障和灌木栽植的雙重作用（劉博等，2010；諾民達(dá)來，2010）。然而，目前有關(guān)沙障固沙措施在植被恢復(fù)和沙丘固定中所起的作用研究仍處于初步研究階段，對固沙后植被恢復(fù)情況缺乏認(rèn)識(shí)，且對于沙障材料的固沙效果缺乏系統(tǒng)的比較研究，因此，亟需開展不同生物材料固沙對植物群落恢復(fù)影響的比較研究。

科爾沁沙地在景觀上是由流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘和固定沙丘及丘間地組成的鑲嵌體。流動(dòng)沙丘是該地區(qū)植被恢復(fù)和沙丘固定的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著中國治沙工作的持續(xù)進(jìn)行，對生物沙障植物種類的適應(yīng)性以及其固沙效果的研究日益增多，但對不同材料沙障固沙效果的比較研究較缺乏。因此，研究該地區(qū)不同材料生物沙障對流動(dòng)沙丘的植被恢復(fù)和沙丘固定，有利于篩選出最適合該地區(qū)沙丘固定的材料，對沙丘區(qū)的植被恢復(fù)和土地治理具有重要意義。

1 研究地區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于科爾沁沙地西部，內(nèi)蒙古翁牛特旗的烏蘭敖都地區(qū)（119°39′～120°02′E，42°29′～43°06′N，480 m a.s.l.）。烏蘭敖都是科爾沁沙地的典型代表地區(qū)，具有大面積的流動(dòng)沙丘。該地區(qū)屬于大陸性氣候，長期的年均溫度為(7.3±0.7) ℃，最冷月（1月）均溫為(-11.5±0.5) ℃，最熱月（7月）均溫為(23.7±0.2) ℃，10 ℃以上積溫為(3435±24.0) ℃。年均降雨量為(303.7±20.4) mm，平均風(fēng)速為4.4 m·s-1，主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)（3—5月）和西南風(fēng)（6—9月）。土壤類型為風(fēng)沙土，其表層（0～20 cm）含水量為3.17%（干季）～3.33%（雨季），土壤易發(fā)生風(fēng)蝕。本地區(qū)的植被主要有：狗尾草（Setaria viridis）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、畫眉（Garrulax canorus）、小葉錦雞兒（C. microphylla）等。

2 研究方法

選擇當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土固沙植物白檸條、沙棗、五角楓、山竹子和白榆為生物沙障材料，沙障植物均選擇一年生植物幼苗。2014年4月選擇一處流動(dòng)沙丘進(jìn)行放牧排除，該沙丘區(qū)自1950年起放牧強(qiáng)度為4.5～5.0 sheep·hm-2，所選沙丘高度為 20～25 m，長為 500 m，沙丘坡度約 10°。所選流動(dòng)沙丘土壤電導(dǎo)率為 52.2 μs·cm-1，pH 為 6.3，有機(jī)質(zhì)含量為 0.04 g·kg-1，全氮 0.013 g·kg-1，速效磷 0.016 mg·kg-1。在該流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡中部隨機(jī)設(shè)置 5個(gè)小區(qū)進(jìn)行帶狀沙障設(shè)置，每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置5種生物沙障。每種沙障設(shè)置5行，沙障長25 m，寬2 m，沙障埋深15 cm，行間距50 cm，沙障帶間距2 m，沙障的設(shè)置方向與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向垂直。沙障設(shè)置后，在沙障周邊設(shè)置5 m的稻草方格沙障（規(guī)格1 m×1 m）作為緩沖帶并對其進(jìn)行圍欄封育。

沙障設(shè)置3年后，于2016年8月在每種帶狀沙障的沙障內(nèi)和沙障間分別隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×2 m的樣方研究沙障植被的成活率和生長情況、沙障內(nèi)及沙障間草本植物群落及土壤濕度特征。在每個(gè)樣方內(nèi)選取3株有代表性植物（長勢良好、個(gè)體適中）用米尺測量并計(jì)算平均高度；植物蓋度采用目估法測定；使用土壤水分速測儀 TDR200測量 0～5、5～10、10～20 和 20～30 cm 的土壤濕度。

采用SPSS 16.0中的單因素方差分析比較沙障內(nèi)植物的成活率、高度、土壤濕度和草本植物的蓋度及沙障間植物的蓋度。

3 研究結(jié)果

3.1 生物沙障的植物成活率

沙障設(shè)置3年后，5種生物沙障的植物成活率不同。白檸條和白榆的成活率顯著高于山竹子、沙棗和五角楓（P＜0.05），山竹子的成活率顯著高于沙棗和五角楓（P＜0.05），白檸條與白榆的成活率及沙棗與五角楓的成活率之間無顯著差異（P＞0.05；圖 1）。

3.2 生物沙障的植物高度

圖1 不同生物沙障的植物成活率Fig. 1 Plant survival rates of different sand barriers不同字母表示處理間存在顯著差異，相同字母表示處理間差異不顯著。下同Different letters represent significant differences among sand barriers,the same letters indicate no difference at the level of 0.05. n=5. The same below

不同生物沙障的植物高度明顯不同。其中，白檸條最高，其次依次是山竹子、白榆、沙棗、五角楓。方差分析（圖2）表明，這5種沙障間的植物高度均達(dá)到顯著差異（P＜0.05）。

圖2 不同生物沙障的植物高度Fig. 2 Plant height of different sand barriers

3.3 生物沙障內(nèi)植物的組成和蓋度

不同生物沙障內(nèi)植物種類組成存在很大差異，除山竹子沙障外，其余沙障內(nèi)均出現(xiàn)了沙米和狗尾草。沙棗和五角楓沙障中均出現(xiàn)了沙蒿，白榆、五角楓沙障中出現(xiàn)了蘆葦（Phragmites australis），畫眉、霧冰藜（Bassia dasyphylla）僅在沙棗沙障中出現(xiàn)，鴨子食（Lactuca indica）僅出現(xiàn)在白榆沙障中，虎尾草（Chloris virgata）、小葉錦雞兒僅出現(xiàn)在五角楓沙障中，同時(shí)另一類型的沙障材料山竹子也出現(xiàn)在了五角楓沙障中。各生物沙障內(nèi)植物種主要為流動(dòng)沙丘的先鋒植物沙米、沙蒿、狗尾草等。沙棗、白榆和五角楓沙障內(nèi)植物物種豐富度較高，白檸條和山竹子沙障內(nèi)植物種類較少。不同生物沙障內(nèi)植物蓋度表現(xiàn)為，沙棗沙障內(nèi)植物蓋度最高，五角楓沙障內(nèi)植物蓋度次之，白榆、白檸條和山竹子沙障內(nèi)植物蓋度較小。并且，沙棗沙障和五角楓沙障的植物蓋度顯著高于其他 3種沙障的植物蓋度（P＜0.05；表 1）。

3.4 生物沙障間植物的組成和蓋度

不同生物沙障間的植物組成存在較大差異，所有沙障間侵入植物種均含有沙米，白檸條-白榆、白榆-山竹子和五角楓-白榆生物沙障間出現(xiàn)了沙蒿，白檸條-白榆、五角楓-白榆間出現(xiàn)了畫眉。狗尾草、霧冰藜僅出現(xiàn)在白檸條-白榆沙障間。蘆葦、鴨子食、狗尾草僅出現(xiàn)在五角楓-白榆沙障間。各生物沙障間主要植物為流動(dòng)沙丘先鋒植物沙米、沙蒿等。白檸條-白榆沙障間及五角楓-白榆沙障間的植物物種豐富度較高，其他沙障間的物種豐富度較低。五角楓-白榆沙障間的植物蓋度顯著高于其他組合沙障間的植物蓋度，白檸條-白榆沙障間的植物蓋度顯著高于白榆-山竹子沙障間和白檸條-山竹子沙障間的植物蓋度（P＜0.05；表2）。

3.5 生物沙障內(nèi)的土壤濕度

不同土壤深度不同材料生物沙障內(nèi)的土壤濕度不同，且不同材料生物沙障的土壤濕度隨土壤深度的變化而變化。在土壤深度為0～5 cm和5～10 cm時(shí)，5種沙障間的土壤濕度無明顯差異；在土壤深度為10～20 cm時(shí)，沙棗沙障內(nèi)的土壤濕度顯著高于山竹子、白榆和五角楓沙障內(nèi)的土壤濕度（P＜0.05），而山竹子、白榆和五角楓沙障內(nèi)的土壤濕度又顯著高于白檸條沙障的土壤濕度（P＜0.05）；在土壤深度為20～30 cm時(shí)，白榆、沙棗和五角楓沙障內(nèi)的土壤濕度顯著高于白檸條沙障內(nèi)的土壤濕度（P＜0.05），其他生物沙障間的土壤濕度無差異（P＞0.05；圖 3）。

表2 主要生物沙障間植物的組成和蓋度Table 2 Plant composition and cover between main sand barriers

4 討論

4.1 不同生物沙障的植物生長情況

本研究中。不同生物沙障植物材料的成活率和高度均有顯著差異。白檸條和白榆的成活率最高，沙棗和五角楓的成活率最低。這主要受植物自身生物學(xué)特性和當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境條件影響。白檸條的主根明顯，各分枝側(cè)根向土壤周圍延伸以便吸收水分及養(yǎng)料，并且不怕風(fēng)沙埋深，被沙子埋得越多，生長越旺盛（楊慧玲等，2012）。所以，即使在降雨量很低、肥力很差的沙丘內(nèi)，白檸條也能正常生長。白榆的植物根系發(fā)達(dá)，是喜光的樹種，對生長環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，而且可以有效減少葉面灰塵對自身的影響（王曉霞等，2016）。因此，白檸條和白榆的成活率較高。山竹子具有發(fā)達(dá)的根莖，以此進(jìn)行無性繁殖。山竹子根莖上的不定芽大部分又發(fā)育成根莖，很少一部分發(fā)育成實(shí)生株叢（曹成有等，2007），這可能是山竹子成活率低于白檸條和白榆的原因之一。雖然沙棗和五角楓生長對土壤要求不高，但是它們喜溫涼、潮濕的環(huán)境，因此在流動(dòng)沙丘上沙棗和五角楓的成活率遠(yuǎn)低于白榆、山竹子的成活率。

研究發(fā)現(xiàn)，生物沙障白檸條的高度最高、山竹子和白榆次之、沙棗和五角楓的高度較低。沙障植物自身的生長特性明顯影響沙障植物的生長狀況。帶狀沙障的防風(fēng)作用主要是由枝條遮擋和緩沖氣流完成的。當(dāng)氣流經(jīng)過沙障時(shí)，在枝條的阻礙下，氣流穿過枝條造成其搖擺并且產(chǎn)生摩擦，因而能消耗部分動(dòng)能，降低風(fēng)速（賈麗娜等，2010）。同時(shí)，由于樹枝的阻擋，氣流產(chǎn)生很多不定的紊流，這些不同方向的作用力相互抵消共同起到降低風(fēng)速的作用（張晉英，1999；范志平等，2002）。

4.2 不同生物沙障內(nèi)植物的組成和蓋度

流動(dòng)沙丘植物種類和蓋度是反映流動(dòng)沙丘固定程度的重要因素之一（閆德仁等，2012）。侵入植物種數(shù)目的不同，表明不同沙障內(nèi)適合植物生存的程度不同。沙棗、五角楓、白榆沙障的植物種類較多，說明種植這3種沙障植物有助于天然種的侵入和定居，促進(jìn)植被的恢復(fù)，而白檸條和山竹子由于自身蓋度較大，抑制了其他植物的侵入。沙棗、五角楓沙障內(nèi)植物蓋度較大，白榆蓋度次之，而山竹子內(nèi)無其他植物生存，可能是由于山竹子發(fā)達(dá)的根莖阻礙了其他植物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收。由此可見，沙棗、五角楓及白榆沙障較有利于其他植物的侵入，而不斷增多的侵入物種能發(fā)揮不同的生態(tài)功能（Shachak et al.，1987；Gitay et al.，1996；趙平等，2001），進(jìn)而促進(jìn)沙丘植被恢復(fù)。

圖3 不同土壤深度下生物沙障內(nèi)的土壤濕度Fig. 3 Soil moisture of different sand barriers in different soil depth

4.3 主要生物沙障間植物的組成和蓋度

不同沙障材料的組合對發(fā)揮其植被恢復(fù)與沙丘固定作用具有重要意義。五角楓-白榆及白檸條-白榆沙障間的植物組成及蓋度均較高，說明這兩種沙障組合有利于促進(jìn)沙丘區(qū)的植被恢復(fù)。因此，當(dāng)不同材料的沙障進(jìn)行設(shè)置時(shí)，可以采取五角楓-白榆和白檸條-白榆相接的方式設(shè)置沙障。這樣不僅可以提高沙障群落的物種多樣性，還可以增加地上植被的蓋度，從而更好地發(fā)揮防風(fēng)固沙功能。

4.4 不同土壤深度下生物沙障內(nèi)的土壤濕度

研究表明，不同土壤深度下不同沙障內(nèi)的土壤濕度具有較大差異。沙棗、白榆和五角楓沙障內(nèi)土壤濕度較高，這主要是由不同植物的根系生長情況、植物的蒸發(fā)散熱情況和水分利用效率等特征決定的。研究表明，生物沙障對沙地土壤水分狀況影響較明顯（李玲等，2009；蘇廣實(shí)等，2009）。同時(shí)，較高的土壤濕度可以促進(jìn)植物的生長和繁殖，進(jìn)而促進(jìn)沙丘植被的恢復(fù)與沙丘的固定，因此，沙障內(nèi)土壤濕度高的生物沙障材料（沙棗、白榆和五角楓）更有利于流動(dòng)沙丘的植被恢復(fù)。

5 結(jié)論

通過研究不同沙障植物的成活率及高度，得知白檸條、白榆和山竹子3種植物是生長較好的沙障類型。五角楓和沙棗沙障內(nèi)的植被蓋度較高；沙障間的植被組成和蓋度以白檸條-白榆和五角楓-白榆沙障組合表現(xiàn)較好；沙棗、白榆和五角楓沙障內(nèi)的土壤濕度較高。綜合比較而言：五角楓-白榆是科爾沁地區(qū)流動(dòng)沙丘固定和植被恢復(fù)較為理想的的沙障組合類型。