不同生物沙障對科爾沁流動沙丘植被恢復及土壤濕度的影響

苗仁輝，郭美霞，劉銀占

1. 河南大學生命科學學院/河南省全球變化生態(tài)學國際聯(lián)合實驗室，河南 開封 475004；2. 河南大學化學化工學院/河南省環(huán)境污染控制材料國際聯(lián)合實驗室，河南 開封 475004

目前，世界各國飽受諸如氣候變暖、能源危機、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），但治理進程依舊不容松懈。由此導致的相關經(jīng)濟問題和社會問題，是加劇人口貧困和社會不穩(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（常學禮等，2005），例如洪水、干旱等自然災害，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導致土壤環(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，導致了嚴重的土地退化，其中，流動沙丘是土地退化的極點（Liu et al.，2007；Miao et al.，2015）。流動沙丘是在風力作用下緩慢前移的沙丘，移動方向與主風向相同。流動沙丘危害極大，對交通以及農(nóng)畜牧業(yè)的危害尤為明顯。流動沙丘上植被稀少，在沙丘區(qū)進行植被恢復十分困難，短期內(nèi)很難恢復到退化前的狀態(tài)，需要通過認為干預輔助植被恢復與重建（Miao et al.，2015；2018）。

沙丘區(qū)植被恢復和沙丘固定措施主要有機械沙障固沙、生物沙障固沙、飛播固沙及化學固沙等（Banerjee，2009；Miao et al.，2015；Miyasaka et al.，2014；Zhang et al.，2004；安云，2013；曹成有等，2004）。其中，流動沙丘植被恢復和固定效果較好的為機械沙障固沙和生物沙障固沙（Miao et al.，2015；2018；Zhang et al.，2004）。機械沙障固沙主要是在固沙初期通過設置機械沙障來改變下墊面狀況，增加地表粗糙度，以控制風沙流的方向、速度、結構和風蝕沙積情況，從而達到快速固定沙丘的目的（王文彪等，2011）。然后在沙障內(nèi)實施灌木栽植，可以使植物在機械沙障腐爛前生長起來，達到長期持續(xù)固定沙丘，使其快速向恢復的方向演變并達到穩(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沙丘上以生物活體材料進行栽植，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月下旬進行栽植，栽植植物通常為當年生或二年生的灌木枝條，栽植后進行封育排除人畜干擾。生物沙障不但能起到機械阻沙、有效控制沙丘流動的作用，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與重建，因而具有機械沙障和灌木栽植的雙重作用（劉博等，2010；諾民達來，2010）。然而，目前有關沙障固沙措施在植被恢復和沙丘固定中所起的作用研究仍處于初步研究階段，對固沙后植被恢復情況缺乏認識，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影響的比較研究。

科爾沁沙地在景觀上是由流動沙丘、半流動沙丘和固定沙丘及丘間地組成的鑲嵌體。流動沙丘是該地區(qū)植被恢復和沙丘固定的重點和難點。隨著中國治沙工作的持續(xù)進行，對生物沙障植物種類的適應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沙丘的植被恢復和沙丘固定，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)的植被恢復和土地治理具有重要意義。

1 研究地區(qū)概況

研究地點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，平均風速為4.4 m·s-1，主要風向為西北風（3—5月）和西南風（6—9月）。土壤類型為風沙土，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?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月選擇一處流動沙丘進行放牧排除，該沙丘區(qū)自1950年起放牧強度為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°。所選流動沙丘土壤電導率為 52.2 μs·cm-1，pH 為 6.3，有機質(zhì)含量為 0.04 g·kg-1，全氮 0.013 g·kg-1，速效磷 0.016 mg·kg-1。在該流動沙丘迎風坡中部隨機設置 5個小區(qū)進行帶狀沙障設置，每個小區(qū)內(nèi)設置5種生物沙障。每種沙障設置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，沙障的設置方向與當?shù)刂黠L向垂直。沙障設置后，在沙障周邊設置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行圍欄封育。

沙障設置3年后，于2016年8月在每種帶狀沙障的沙障內(nèi)和沙障間分別隨機設置5個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。在每個樣方內(nèi)選取3株有代表性植物（長勢良好、個體適中）用米尺測量并計算平均高度；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 研究結果

3.1 生物沙障的植物成活率

沙障設置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，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，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，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特性和當?shù)氐耐寥拉h(huán)境條件影響。白檸條的主根明顯，各分枝側根向土壤周圍延伸以便吸收水分及養(yǎng)料，并且不怕風沙埋深，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，是喜光的樹種，對生長環(huán)境的適應性很強，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)達的根莖，以此進行無性繁殖。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，因此在流動沙丘上沙棗和五角楓的成活率遠低于白榆、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。帶狀沙障的防風作用主要是由枝條遮擋和緩沖氣流完成的。當氣流經(jīng)過沙障時，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，因而能消耗部分動能，降低風速（賈麗娜等，2010）。同時，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

流動沙丘植物種類和蓋度是反映流動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，促進植被的恢復，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），進而促進沙丘植被恢復。

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沙丘區(qū)的植被恢復。因此，當不同材料的沙障進行設置時，可以采取五角楓-白榆和白檸條-白榆相接的方式設置沙障。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；蘇廣實等，2009）。同時，較高的土壤濕度可以促進植物的生長和繁殖，進而促進沙丘植被的恢復與沙丘的固定，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）更有利于流動沙丘的植被恢復。

5 結論

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)流動沙丘固定和植被恢復較為理想的的沙障組合類型。