基于破損規律及植物保存率的沙障選擇

李 鐲，汪 季，焦宏遠，郭 彧

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

新型生物可降解聚乳酸纖維(PLA)沙障現已作為機械沙障的類型之一，廣泛應用于防沙治沙領域實踐中[1-3]，其材料聚乳酸(poly lactic acid，PLA)纖維是一種采用玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、甜菜(Betavulgaris)等含淀粉的作物秸稈為原料，經發酵生成可生物降解的新型綠色高分子材料乳酸后，再經縮聚、熔融紡絲制成聚乳酸纖維[4]，該材料具有較好的彈性、防火性、抗菌防霉性、透濕性等特性[5-6]。機械沙障使用聚乳酸纖維制成的沙袋具有可完全降解、材料輕便、施工方便、使用壽命長等優點，能夠發揮良好的生態效益，因此具有非常大的發展前景[7]。麥草沙障作為一種較傳統的工程治沙措施，通過增大地表粗糙度、減少氣流中的輸沙量、截留降水等作用來達到防沙治沙目的[8-9]，具有價格低廉，提高沙層含水量的特點。近年來，隨著新型環保材料機械沙障的使用頻率增加，其防護效益、經濟效益及使用年限備受關注。營造植被是防風固沙的主要措施之一，也是保護土壤不被風力侵蝕最有效、最長久、最環保的方法，沙區地表植被(人工林或天然植被)達到一定的覆蓋度，才能逐步固定住流沙[10-11]，因此在流動沙丘治理過程中，促進植被恢復是最符合可持續原則的固沙方法。將機械沙障布設與植物措施相結合，對流動沙丘的固定可以達到事半功倍的效果，因此，對不同類型機械沙障、不同規格沙障破損率及沙障內人工植被保存率的研究有非常重要的意義。

本研究以吉蘭泰鹽湖東北部的流動沙丘布設的機械沙障為研究對象，通過對2種不同沙障材料(PLA、麥草)、4種不同規格(0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m)的沙障破損率及沙障內人工植被的保存率進行對比分析，以明確1個風季后沙障的破損情況及不同規格沙障對植被的保護作用，旨在為沙障規格的合理選擇，進而更有效地利用有限資源、提高經濟效益提供理論支持。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區阿拉善左旗吉蘭泰鎮，地理坐標39°46′59″N，105°37′31″E。該地區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨，多年平均降水量為109.9 mm，且多集中于7-9月，多年平均潛在蒸發量3 005 mm，風大沙多，多以西北、東北風為主，風力一般4～5級，平均風速3.6 m/s，土壤類型以風沙土、灰漠土、鹽漬土為主[12-14]。常見植被以沙生、鹽生植被為主，有梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、沙米(Salsolaruthenica)、蟲實(Corispermumhyssopifolium)白刺(Nitrariatangutorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)等。

2 材料與方法

2.1 沙障鋪設

在研究區選擇高3～3.5 m，寬10 m，沙壟走向為西北-東南方向，東側有白刺灌叢沙堆分布，土壤類型為流動風沙土，土體干燥，結構疏松，以細砂和極細砂為主，極易風蝕，迎風坡坡度40～45°，背風坡坡度25～30°的沙丘作為試驗地。

2018年4月，在試驗地的沙丘上進行PLA沙障和麥草方格沙障設置。每種沙障各設置4種規格，分別是0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m的方格，PLA沙障在南，麥草沙障在北，中間間隔5 m，4種規格由南到北依次鋪設，每種規格相隔5 m；沙障鋪設面積覆蓋沙丘西坡及頂部，沙丘東坡分布白刺灌叢沙堆之處，無法進行沙障鋪設，沙障鋪設面積如表1所示。

表1 PLA、麥草沙障鋪設面積

2.2 人工植被栽植

2018年4月，選擇2年生梭梭幼苗以2 m×2 m株行距隨沙障鋪設同步栽植，栽植結束后進行灌溉，以保證苗木生長所需的水分充足。

2.3 數據收集

2019年4月，在試驗區進行沙障破損率及梭梭保存率調查，將試驗沙丘表面劃分為迎風坡坡中(MUS)、坡頂(TS)、背風坡坡中(MLS)共3個坡位。通過調查發現，沙障破損類型及破損程度如表2所示。

對沙丘不同坡位的PLA、麥草沙障遭受的不同破損類型的面積(以方格數代替)進行調查，通過式(1)計算。各3個重復，取平均值。

ri=ni/m×100%

(1)

式中，ri：沙丘某一地貌部位第i種類型障格破損率；ni：沙丘某一地貌部位第i種類型障格破損個數；m：沙丘某一地貌部位的總障格數。

對沙障障格內的梭梭幼苗保存數量進行統計，并計算保存率。

2.4 數據處理

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2003整理，利用SPSS 24.0軟件對沙障破損率指標進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)、顯著性檢驗(LSD)。

表2 沙障破損類型

3 結果與分析

3.1 2種機械沙障的破損率

2種沙障設置初期均完好無損，可以發揮良好的防風固沙效果，隨時間推移，2種沙障均有破損，相同沙障材料、不同規格的沙障破損率也不相同。

由圖1可知，不同規格的PLA沙障在不同坡位的破損率不同，表現為背風坡坡中沙埋情況多于坡頂，其中，0.5 m×0.5 m規格沙障在背風坡坡中全部被沙埋，已失去防風固沙作用，坡頂及迎風坡坡中以全埋為主，總破損率分別達到79.07%、88.33%；1.5 m×1.5 m規格在背風坡坡中出現半埋情況較另外3種規格嚴重，達到23.15%，1.0 m×1.0 m(11.11%)與2.0 m×2.0 m(9.72%)半埋破損程度相近；4種規格在坡頂出現半埋破損情況表現為1.0 m×1.0 m(42.76%)>1.5 m×1.5 m(36.9%)>2.0 m×2.0 m(20.83%)；全埋破損表現為背風坡坡中2.0 m×2.0 m(79.86%)>1.0 m×1.0 m(78.28%)>1.5 m×1.5 m(64.35%)，坡頂2.0 m×2.0 m(46.88%)>1.0 m×1.0 m(36.03%)>1.5 m×1.5 m(23.81%)；僅有2.0 m×2.0 m規格出現障格解體，占比為32.29%。從總的破損率來看，1.5 m×1.5 m規格在經歷1個風季后保存較完好，1.0 m×1.0 m次之，0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m破損嚴重。

圖1 不同規格PLA沙障破損率

由圖2可知，坡頂沙埋情況較背風坡坡中多，其中，背風坡中總破損率表現為0.5 m×0.5 m(93.06%)>2.0 m×2.0 m(86.67%)>1.0 m×1.0 m(52.5%)>1.5×1.5 m(40.28%)，坡頂總破損率表現為2.0 m×2.0 m(100%)>0.5 m×0.5 m(97.46%)>1.0 m×1.0 m(96.25%)>1.5 m×1.5 m(83.33%)，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、2.0 m×2.0 m坡頂基本已經失去防風固沙能力，在0.5 m×0.5 m規格的半埋比例(26.7%)較另外3種規格小，該規格沙障失效以全埋為主，基本失去防風固沙能力；1.5 m×1.5 m規格與1.0 m×1.0 m規格相比，半埋比例更高，且總的破損率較低，因此1.5 m×1.5 m規格經過1個風季后保留的防護能力較另外3種規格強，且仍具有一定防護能力。

圖2 麥草沙障不同規格的破損率

由表3可知，在背風坡坡中，4種不同規格的麥草沙障受半埋破損較PLA沙障多，全埋破損較PLA少，因此可見在背風坡坡中，PLA沙障的破損類型以全埋為主，而麥草沙障以半埋為主；在坡頂位置，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規格的PLA沙障半埋比例較同規格的麥草沙障高，而全埋比例較麥草沙障低，可得在坡頂，PLA沙障更易發生半埋，而麥草沙障更易發生全埋；沙障破損發生情況，除1.5 m×1.5 m的半埋類型外，均存在顯著差異(P<0.05)。

表3 PLA、麥草沙障破損率

3.2 2種機械沙障內梭梭保存率

沙障內植物保存率反映了不同材料、不同規格沙障對其發揮防風固沙作用的影響。由圖3可知，梭梭在0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規格的PLA沙障的保存率較麥草沙障低，而2.0 m×2.0 m的PLA沙障內的梭梭保存率更高；對于同一種材料的機械沙障來說，在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規格內的梭梭保存率更高；背風坡在所處的地貌部位占有一定優勢，表現為梭梭保存率高于坡頂。

圖3 2種類型沙障內梭梭保存率

3.3 2種機械沙障成本和有效期

機械沙障的成本和有效期的調查對其材料和規格的選擇、提高機械沙障的經濟效益有重要作用。表4為2種機械沙障的設障成本和有效期的比較，可得PLA沙障的材料屬新型材料，原材料多，制作工藝較復雜，成本較高，但材料使用的有效期較長，運輸和設置較容易，布設沙障時可1人單獨完成，并且隨著治沙技術的發展，可以在PLA沙障填充過程中添加其他材料或者植物種子，提高治沙效率，其發展不可限量；麥草沙障可就地取材，具有成本低的優點，而且麥草本身具有保水的效果，在沙地上對植物生長必需的水分有補充作用，但卻容易發生沙埋情況或隨風沙過程而吹失，影響沙障方格的完整，進而使防風治沙效果降低，要想保持較好的防風固沙效果，在4 a的時間里就要對麥草沙障進行維護，這樣生態功能才能延長[15]，而且麥草體積較大，較高的運輸成本給沙障布設也帶來了一定的困難。

表4 2種類型沙障成本和有效期比較

4 討論

4.1 2種機械沙障的破損程度

機械沙障是工程治沙的主要措施之一，其作用是通過改變下墊面的結構和性質來控制風沙流的速度、結構和蝕積狀況等，達到防風固沙的目的[16]。在本研究中2種機械沙障在布置1個風季后，由于風蝕、沙埋、日照等自然因素的作用，均出現不同程度的破損狀況，防風固沙效應也隨之降低。PLA沙障在背風坡坡中破損程度較大，以全埋為主，在坡頂發生半埋破損較多；麥草沙障在坡頂發生全埋更多，而在沙丘背風坡部分破損率較小。孫濤等[15]在民勤治沙綜合試驗站固定沙丘地帶進行試驗得出結論，麥草沙障頂部破損程度較大，而在沙丘迎風坡下坡和背風坡部分沙障四周完好。其原因是麥草沙障與PLA沙障自身特性差異而導致其對風沙流分布規律存在明顯差異，不同沙障其下墊面結構不同，導致表面粗糙度和地表可風蝕物質含量差異較大[17]，進而增大了風沙流結構的變異。麥草沙障為透風型沙障，部分氣流遇到障體后穿過孔隙，風沙流從沙丘下部隨著沙丘增高風蝕能力逐漸增強，麥草沙障由于破損率增大，地表粗糙度降低，導致風沙流發育所需的飽和路徑減小，因此沙丘上更容易被風吹蝕[18-19]，破損現象較為明顯；PLA沙障為實體型沙障，其對氣流只有阻擋和抬升作用，在被障體削弱能量的部分氣流越過障體后形成紊流和渦旋，產生較小風蝕量，因此PLA沙障較麥草沙障更能增大地表粗糙度，且PLA沙障降低風速比率顯著大于麥草沙障[1]。本研究中，僅在2.0 m×2.0 m規格的PLA沙障出現障格解體，其原因是障格規格較大，在風蝕沙埋的過程中，結構不穩定，防風固沙效果差，極易在外力作用下發生變形，結合其全埋比例較大的特點，因此在布設機械沙障過程中，盡量避免2.0 m×2.0 m規格甚至更大規格的障格設計，盡可能提高固沙效率，節約有效資源。

4.2 2種機械沙障內的梭梭保存率

沙障內植物保存率反映了機械沙障對其發揮防風固沙作用的影響。本研究中，麥草沙障內的梭梭保存率高于PLA沙障，其原因是麥草本身具有保水的效果，在沙地上對植物生長必需的水分有補充作用；2種沙障均是在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規格內的梭梭保存率更高，說明這2種規格的結構更穩定，有利于保持植物生長的水分，并對風沙的作用體系較完整，更利于布置在沙障內的植物生長。

5 結論

0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m規格PLA沙障、麥草沙障在1個風季后破損嚴重，基本失去防風固沙能力，1.0 m×1.0 m沙障仍具備微弱的防風固沙能力；1.5 m×1.5 m規格沙障的破損率在4種規格中最低，其中PLA沙障在背風坡坡中、坡頂的總破損率分別為87.5%、60.71%，麥草沙障為40.28%、83.33%。

PLA沙障在背風坡坡中破損程度較大，以全埋為主，在0.5 m×0.5 m規格達到100%，在坡頂發生半埋破損較多，在1.0 m×1.0 m規格達到42.76%；麥草沙障在坡頂發生全埋更多，即在坡頂破損程度較大，而在沙丘背風坡部分破損率較小；除1.5 m×1.5 m規格外，幾種破損情況均存在顯著差異(P<0.05)。

2年生梭梭在1.0 m×1.0 m規格的PLA、麥草沙障內的保存率較高，在背風坡坡中分別達到34.15%、37.5%。0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m規格的機械沙障破損率大，使用年限短；1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m規格沙障成本較低；PLA沙障材料運輸較麥草容易且輕便，使用年限更長，但成本更高。

綜上所述，從當地的水資源緊缺和長期的生態環境治理角度上看，在布設機械沙障或在沙障內進行植被建設時，選擇1.0 m×1.0 m或1.5 m×1.5 m規格的PLA沙障為宜，雖然初次投入較大，但具有良好的防風固沙功效，在減少風沙危害具有良好的使用年限及較好的經濟效益。