河西綠洲邊緣積沙帶的生態意義

常兆豐, 王強強,張劍揮, 朱淑娟,樊寶麗, 唐進年, 張大彪,劉世增,李愛德,張國中

1甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 民勤 733300 2甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070

河西綠洲邊緣積沙帶的生態意義

常兆豐1,2,*, 王強強1,2,張劍揮1,2, 朱淑娟1,2,樊寶麗1,2, 唐進年1,2, 張大彪1,2,劉世增1,2,李愛德1,2,張國中1,2

1甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 民勤 733300 2甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070

半個多世紀的防沙治沙，在甘肅河西綠洲邊緣上風向形成了一條積沙帶。積沙帶作為防沙治沙的副產物，具有怎樣的生態功能，有何生態意義？通過全面考察河西綠洲邊緣積沙帶并運用21個樣點資料進行了分析。結果表明：1)積沙帶作為綠洲邊緣防沙固沙的副產物，其自身也具有防風阻沙的功能，積沙帶的形成有利于綠洲邊緣的防風阻沙。2)高度是表征積沙帶防御風的功能的一個重要指標，積沙帶越是高大，防御風的范圍就越大。3)目前，河西綠洲邊緣積沙帶處于發育狀態。只要控制了積沙帶就能有效控制流沙侵入農田。今后應將綠洲邊緣防沙治沙的重點放在積沙帶上，尤其是積沙帶的沙脊線上，而對荒漠-綠洲過渡帶(阻沙帶)實行封育，無需采取其他投入措施，這樣就可以大面積壓縮實施人工措施的范圍，大大降低防沙治沙的資金投入，提高防沙治沙的投資效益。

綠洲邊緣；積沙帶；生態意義；甘肅河西

在我國西北沙區，幾乎所有的防沙治沙措施都實施在綠洲邊緣，尤其是綠洲邊緣上風向。經過幾十年的防沙治沙，在沙區綠洲邊緣尤其上風向形成了一條流沙堆積帶—積沙帶[1]。

至目前國內外尚沒有關于積沙帶的研究，與積沙帶相關或相近的研究主要有：一是荒漠—綠洲過渡帶研究?；哪G洲過渡帶是干旱區的生態敏感帶[2]，因此也是近些年來的研究熱點。這方面的研究主要圍繞著植物群落及其時空變化與多樣性[3]、植物的生態位[4]、灌叢沙堆的異質性及植物群落的空間異質性[5-6]、荒漠化過程及其生態恢復與重建[7-8]以及土壤粒度及其水分等[9]方面進行的。二是灌叢沙堆的研究。目前，從地貌學的角度對灌叢沙堆的形態和發育已經有了較系統的研究[10-11]。國外學者對灌叢沙堆的形態、沉積學、生態學和動力過程等[12-14]方面進行了較系統的研究，認為灌叢沙堆沉積物屬短距離風力搬運、風選的產物[15]，對保護綠洲安全有重要作用[16]。白刺沙堆和檉柳沙堆是我國西北沙區分布最廣泛的灌叢沙堆，有學者研究了紅柳沙堆和唐古特白刺灌叢沙堆的不同分布格局、成因及其生態學意義和防風效應[17-18]。三是風沙流結構研究。既有理論分析和數值模擬[19-21]，也有野外觀測，但最多的是風洞實驗[10, 22]。我國學者的研究表明，在各種風速條件下，輸沙量分布沿垂向呈指數遞減規律，隨著水平距離的增加輸沙量亦呈指數遞減規律，其衰減速率與風速密切相關[11]。四是植物阻沙、積沙的研究。研究表明，在營造固沙灌木林后，林帶內積沙厚度增加[23]。對固沙林不同密度與輸沙量和風蝕量關系的研究表明，植被蓋度越高，土壤風蝕程度越輕，輸沙量越少[24]。

積沙帶作為綠洲邊緣造林固沙和沙障固沙過程中的副產物，它有什么樣的生態功能？其自身作為一種障礙物是有利于綠洲邊緣的防風固沙呢？還是會成為新的沙源留下更大的生態隱患呢？這既是荒漠生態學領域出現的一個新的科學問題，也是防沙治沙實踐中亟待解決的現實問題。如果積沙帶的形成有利于綠洲邊緣的防風固沙，在今后的沙區生態環境建設中就應人工促進積沙帶的形成和發育；如果相反，就應該改變現有的綠洲邊緣防風固沙模式，防止和抑制積沙帶的形成和發育。

基于上述認識，2011—2013年，承擔了國家973前期課題“甘肅河西綠洲邊緣積沙帶的形成及其生態效應”，對河西綠洲積沙帶進行了全面調查，2012年開展了國家自然科學基金地區基金課題“甘肅民勤綠洲邊緣積沙帶形成的氣候環境因素及其生態效應”，在民勤綠洲邊緣積沙帶上設置觀測樣點，重點測定了積沙帶的生態效應。

1 觀測研究方法

甘肅河西地區系指境內黃河以西的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關5市，下轄20個區縣，地理位置在92°45′E—104°15′E、36°35′N—42°45′N之間。該區南側為祁連山脈，東、東北和西面依次被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和庫姆塔格3大沙漠包圍，境內有沙漠和零星沙地7.54×102km2。

積沙帶的高度和寬度測定：本文在河西綠洲邊緣積沙帶上隨機選擇了21樣點(圖1)[25]，在每個樣點上沿垂直農田邊緣方向設置樣線測定積沙帶的寬度和高度。植被調查：在每個樣點上，沿樣線上設置5—7個2m×2m的植物調查樣方，在樣方內調查了植物的種類、植株高度、植株冠幅、植被蓋度和冠幅內投影蓋度[26]。積沙帶防風作用觀測：在積沙帶上選擇了一個比較典型的，即較為單一、上下風向較為開闊的沙丘作為防風作用觀測樣點，12個風速風向傳感器同時觀測，分別安置在沙丘上風向5H(沙丘高度的5倍處)、0H(迎風坡基部)、迎風坡中部、頂部、背風坡基部以及下風向距背風坡5H、10H和20H處，另外4對風速風向傳感器分別安置在迎風坡兩翼邊線中點及其至迎風坡中部連線的中點上。氣候資料采用當地氣象站1971—2010年資料和中國氣象科學數據共享服務網資料。

圖1 樣點位置圖[25]Fig.1 Location of sample points[25]

2 河西綠洲邊緣積沙帶的分布狀況

2.1 高度和寬度

新中國成立后，1950年河西走廊開始了大規模群眾性造林治沙活動，1956年開始了農田防護林的規劃設計與營造試點工作[27]。因河西走廊東部綠洲較集中，西端較分散且面積較小，所以走廊東部農田防護林建設相對起步較早且較為完整。如果從1956年算起，河西綠洲邊緣的防護林已經有58年的歷史。2011—2013年我們分兩次對河西綠洲邊緣積沙帶做了較為全面的調查。走廊綠洲區主風向以NW、W為主，因此，河西綠洲邊緣的積沙帶分布在綠洲邊緣上風向，即古浪沙區在綠洲北側，武威沙區在綠洲東北側，民勤—金昌沙區在綠洲西北側，臨澤—高臺沙區在綠洲北側或東北側，金塔沙區在綠洲北側和西側，瓜州、敦煌沙區在綠洲西北側(圖1)。調查結果表明，走廊東端古浪以及民勤綠洲邊緣積沙帶較為高大，走廊西端敦煌、瓜州以及玉門等地積沙帶較矮小且隨斑塊狀綠洲斷帶較多，積沙帶在河西綠洲邊緣的總體分布趨勢是東高西低、東寬西窄、斷續分布(表1)。

2.2 形成原因分析

積沙帶高度與氣候環境因子的關系,研究表明積沙帶的高度與沙源的距離和與年降水以及與積沙帶迎風坡的植被蓋度均為正相關關系[1,28]。河西走廊東端的古浪、民勤、金昌綠洲邊緣緊靠沙漠，積沙帶上風向沙源豐富且距離很近，走廊西端則沙源相對較少且距離較遠，因而積沙帶的高度與上風向沙源的距離為正相關關系[1,28]。除沙源之外，可能還與農田邊緣防護林建設的時間有關，但歷時60多年，防護林可能幾經更替，現在的防護林和沙丘植被只代表現階段的狀況。綠洲邊緣高大沙丘主要是白刺(Nitrariatangutorum)沙包，其次是檉柳(Tamarixramosissima)沙包，積沙帶上的人工植被相對較少，同一樣點上迎風坡植被蓋度及植被純蓋度的差異較顯著，積沙帶高度與植被蓋度正相關[28]。積沙帶高度與年降水量的相關可能只是一種數據上的相似性而并非具有顯著的因果關系。

表1 積沙帶的高度和寬度Table 1 Height and width of accumulated sand-belt

3 積沙帶的生態功能

3.1 正向作用

(1)防風作用

河西綠洲邊緣積沙帶平均高10.08m，最高達31.9m，積沙帶的形成使得在河西綠洲邊緣形成了一道10m高的防風墻。當氣流(風)到達積沙帶迎風坡時遇到障礙，一部分氣流沿坡面上升，沿坡面上升的氣流因載荷(攜沙)和向上抬升改變方向以及不同高度層面的氣流相互疊加碰撞3種因素需要大量消耗能量。而另一部分氣流則改變方向而向迎風坡兩翼分流，同樣由于載荷和改變方向以及不同方向氣流的疊加3種因素需要大量消耗能量。不同方向、不同高度、不同速度的載荷氣流相互碰撞，大量消耗能量從而降低了風速。測定結果顯示，積沙帶具有顯著的防風作用，且積沙帶越高、風速越大，則積沙帶下風向防御風的范圍就越大，當上風向空曠處風速達2m/s時，積沙帶下風向防御風范圍大于積沙帶高度的 20倍，風速越大，則沙丘下風向降低風速越明顯[25]。

(2)阻沙固沙作用

據測定，風沙流中有80%的沙粒在近地表20—30cm的高度內流動，其中一半又在近地表0.3—0.5cm的高度內流動。在7m/s的風速下，近地表10cm高度內的輸沙量占總輸沙量的75%，76—200cm高度內的輸沙量占總輸沙量的0.035%[29]。沙粒和氣流的密度差異很大，因而不同高度、不同載荷氣流的動量差異亦很大。氣流在到達積沙帶迎風坡時，不論向前或向兩翼運移都需要抬升角度或改變方向，載荷和改變方向以及不同方向氣流的疊加3種因素都會使得風沙流在運移過程中大量釋放沙粒，而且這3種因素同時存在。河西綠洲邊緣積沙帶平均高10.08m，風沙流要越過如此高的積沙帶，不得不將大量沙粒釋放到積沙帶迎風坡，積沙帶越高大，這種阻擋和堆積作用就越顯著[25]。

(3)減少固沙成本

過去幾十年來，沙漠—綠洲過渡帶或綠洲外圍阻沙帶是防沙治沙的重點工程區域和重點研究區域[30-31]，綠洲外圍阻沙帶一般由封育帶和人工固沙林帶組成[32]，甘肅河西沙漠—綠洲過渡帶的寬度從幾百米到幾十公里，綠洲外圍阻沙帶的寬度為1—3km不等。研究結果表明，只要控制了積沙帶就能有效控制流沙侵入農田。在民勤綠洲邊緣積沙帶的下風向，緊靠積沙帶的農田保護完好。河西綠洲邊緣積沙帶最寬為1210.9m，平均寬只有218m。今后應將綠洲邊緣防沙治沙的重點放在積沙帶上，尤其是積沙帶的沙脊線上，而對荒漠—綠洲過渡帶(阻沙帶)實行封育，無需采取其他投入措施，這樣就可以大面積壓縮實施人工措施的范圍，大大降低防沙阻沙的資金投入，提高防沙治沙的投資效益。

3.2 負向作用

積沙帶的負向作用是，由于大量流沙堆積在綠洲邊緣，形成了距離綠洲農田更近的新的沙源。研究結果表明，甘肅河西綠洲邊緣的積沙帶尚處在發育階段，目前的生態作用以正向作用為主，而且積沙帶越高大越穩定[25]。

4 積沙帶的功能機理

4.1 防風機理

為了分析積沙帶防御風的機理，在民勤綠洲邊緣積沙帶上選擇了典型樣點做了風速風向的測定，結果表明，沿主風方向上，1)當風速≥2m/s時，在下風向沙丘20倍高范圍內的風速小于上風向5H高處(對照點)；2)當風速≥8m/s時，積沙帶頂部風速<上風向5H高處風速，最大風速在沙丘上風向，當風速<8m/s時最大風速在沙丘頂部；3)風速越大，則積沙帶前后風速的差異就越大，不同風速在積沙帶下風向0H—20H范圍內的差異小于積沙帶上風向，從背風坡基部開始隨著與積沙帶的距離的增大而增大。

迎風坡中部及其兩翼的風速變化情況是：1)沙丘迎風坡兩翼中心點(測點3-1和測點3-3)的風速>兩翼邊線中點(測點3-2和測點3-4)的風速以及迎風坡中部(測點3)的風速；2)迎風坡W翼較窄，W翼中心點(測點3-1)的坡向與主風向NW的夾角較大，因而W翼中心點(測點3-1)較N翼中心點(測點3-3)的風速更大(圖2)。

在圖2中，3-1號測點和3-3號測點的風速均大于3號測點的風速，表明氣流從迎風坡舌尖(2號測點)沿主風方向(3號測點和4號測點)的運動過程中因在此方向上抬升坡度最大而向兩翼分流。測點3-1和3-2位于沙丘迎風坡W翼，迎風坡W側較開闊，且3-1號測點的坡向與主風向(NW)的夾角相對較大，因而3-1號測點風速大于3號測點和3-3號測點。測點3-3和3-4位于沙丘迎風坡N翼，3-3號測點的坡向與主風向(NW)的夾角小于3-1號測點的坡向與主風向(NW)的夾角，因而3-3號測點的風速大于3號測點的風速但小于3-1號測點的風速。

積沙帶迎風坡一般為鋸齒狀，即舌尖長短各異，因而迎風坡的坡度坡向各異。由圖2可見，3-1號測點在沙丘迎風坡W側，風向明顯偏N，這與前述氣流從舌尖(2號測點)沿脊線(3號測點和4號測點)運動過程中向W擠壓分流是相一致的。3-3號測點在沙丘迎風坡N側，6m/s≥風速表現為偏W趨勢，尤其當8m/s≥風速時。當風速越大時，沙丘迎風坡N側風向偏W的程度越明顯，沙丘迎風坡W側風向偏N的程度亦越明顯。

圖2 風速觀測樣點示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind observations sample points

4.2 穩定性機理

前述已知，當風速≥8m/s時，積沙帶頂部風速小于上風向對照點的風速。在近地面一定高度內，隨著高度增加風速會加大，而為什么當風速≥8m/s時，沙丘頂部的風速會小于上風向對照點的風速呢？分析原因，可能是由于不同抬升角度、不同方向加之不同的風速的氣流在沙丘迎風坡相互碰撞又相互疊加，當上升到積沙帶頂時在慣性力的作用下繼續向前上方運移，于是在沙丘頂部形成了一個相對的弱風區(圖3)，尤其當風速越大時，這種慣性力就越大，這可能就是積沙帶(沙丘)能保持頂部穩定并能增高、增大的一個重要原因。

圖3 積沙帶穩定性示意圖 Fig.3 Chematic diagram on stability of the accumulated sand-belt

5 討論與結論

(1)積沙帶作為綠洲邊緣防沙固沙的副產物，形成了一種防風固沙的障礙物，其自身也具有防風固沙的功能，國內有關于沙丘的研究[33]也支持了本文的這一研究結論。積沙帶的生態功能所體現的生態學意義是：積沙帶的形成有利于綠洲邊緣的防沙治沙，具有顯著的正向生態作用，積沙帶可以廣泛運用于綠洲邊緣的防風阻沙，通過人工設計，借助風力和風沙流，促使積沙帶的形成和增高增大，從而走出一條以沙防沙、以沙阻沙的綠洲邊緣防沙阻沙新途徑，這就是本文的創新點之一。

(2)高度是表征積沙帶防御風的功能的一個重要指標，積沙帶越是高大，防御風的范圍則越大。今后綠洲邊緣的防沙治沙就重點放到人工促進積沙帶增高增大方面，而對積沙帶上風向的過渡帶只需進行封育就可以了。而且積沙帶保護和建設的單位投資所產生的生態功能遠遠大于沙漠—綠洲過渡帶單位投資所產生的生態功能，具有事半功倍的防沙阻沙效果。

(3)甘肅河西綠洲邊緣的積沙帶歷時近60年，目前仍處于發育狀態。今后應當把綠洲邊緣防沙的重點放到積沙帶的增高和保護上，相對于建造防護林帶，積沙帶不需要消耗額外的水分，只要嚴格管護，防止破壞就不會造成新的危害。

(4)本文的成果可直接運用于綠洲邊緣的防沙阻沙。在課題研究的過程中，還設置了一種“可移動式積沙沙障”已申請獲得了國家專利，其實現思路是：將此可移動式積沙沙障設置在沙丘脊線上，將綠洲邊緣積沙帶上的多個沙丘的沙脊線連接成一條線，就可以阻截堆積流沙，形成沿沙障設置線(沙脊線)的堆積帶，促使沙脊線繼續增高和沙丘增大。當阻擋截留的沙堆高至積沙沙障不能有效阻截堆積流沙時，或者沙脊線發生位移時，可垂直向上撥高沙障或者撥出沙障重新設置在新的沙脊線上，這樣就能人工促進積沙帶和增高增大。而且，可移動式積沙沙障能有效保護積沙帶的穩定性。

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The ecological significance of accumulated sand-belts along the oasis edge of Hexi of Gansu

CHANG Zhaofeng1,2,*, WANG Qiangqiang1,2, ZHANG Jianhui1,2, ZHU Shujuan1,2, FAN Baoli1,2,TANG Jinnian1,2, ZHANG Dabiao1,2, LIU Shizeng1,2, LI Aide1,2, ZHANG Guozhong1,2

1MinqinNationalStationforDesertSteppeEcosystemStudies,Minqin733300,China2GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou730070,China

In the desert area in Hexi of Gansu, China, an accumulated sand-belt formed along the oasis edge, especially at the upwind places, during the process of desert control.The accumulated sand-belt took over 50years to form and is a byproduct of combating desertification from afforestation and barriers-setting.In this study, we conducted a comprehensive analysis of the accumulated sand-belts along the Hexi oasis edge as well as data from 21samples to determine the ecological functions and significance of the accumulated sand-belts.The results showed that: 1) The accumulated sand-belt, as a byproduct of combating desertification along the oasis edge, has a function of blocking wind and sand.2) Height is an important factor determining the wind-blocking function of an accumulated sand-belt.The taller and bigger the accumulated sand-belts are, the wider the scope of wind-blocking.3) Currently, the accumulated sand-belt along the Hexi oasis edge is still in the developmental stage.As long as it is under control, the invasion of moving sands into nearby farmlands will be minimal.In the future, the emphasis of desert control should be focused on the accumulated sand-belts, especially on the sand ridgeline of the accumulated sand-belt.The desert-oasis ecotone (resistive sand-belt) should be fenced, without the need for other containment measures.In this way, areas for implementing artificial measures for desert control will be greatly decreased, which will be helpful in reducing the funds invested and in improving the investment returns in combating desertification.

oasis edge;accumulated sand-belt;ecological significance;Hexi of Gansu

國家自然科學基金資助項目(41261102)

2014-07-19; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201407191469

*通訊作者Corresponding author.E-mail: czf123@sina.com

常兆豐, 王強強,張劍揮, 朱淑娟,樊寶麗, 唐進年, 張大彪,劉世增,李愛德,張國中.河西綠洲邊緣積沙帶的生態意義.生態學報,2015,35(24):8046-8052.

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