古爾班通古特沙漠2種典型固沙措施的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)

姜有為，張 恒，張志偉，陶洪飛，陜 芮，李 巧

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；4.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

干旱荒漠區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)決定了其一旦遭受破壞，自然恢復(fù)十分困難[1]，隨著我國對荒漠中油氣資源的勘探和開發(fā)，水利、鐵路和公路工程的實施和運(yùn)行，對地表造成了大面積和高強(qiáng)度的擾動[2-3]，植被及土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。草方格和草方格-人工林相結(jié)合的綜合防護(hù)措施作為荒漠區(qū)防治沙害和生態(tài)恢復(fù)的重要手段，在荒漠化防治工作中被廣泛應(yīng)用，并在不同荒漠區(qū)的治理中起到了關(guān)鍵作用[4-6]。

有研究表明，草方格和草方格-人工林綜合防護(hù)體系可以通過改變地表覆蓋，阻礙強(qiáng)風(fēng)與地表的直接接觸和增加地表粗糙度的方式來穩(wěn)定沙表面[6]，從而達(dá)到防風(fēng)固沙的效果。此外，這2種措施在改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)沙漠脆弱生態(tài)的恢復(fù)中也具有重要意義，因此也受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5,7]，大量的研究從不同鋪設(shè)年限的角度，分別探討了2種措施對生態(tài)恢復(fù)的影響，發(fā)現(xiàn)2種措施的鋪設(shè)都能夠攔截風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)，使固沙區(qū)黏粒、粉粒和極細(xì)砂含量增加[8-9]，逐步穩(wěn)定沙表面，改善土壤的理化性質(zhì)，從而為植物入侵創(chuàng)造條件[10]，并且呈現(xiàn)出隨固沙年限的延長，固沙區(qū)植物多樣性、豐富度、多度、蓋度和土壤肥力明顯提升的趨勢[9]。而針對兩種固沙措施效應(yīng)的比較主要集中在措施的投資成本和防風(fēng)固沙方面[11]，對措施鋪設(shè)后的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)的對比還少有涉及。

2種固沙措施從表觀上來看對沙表面的蓋度不同，高度不同，從生理上來看一種是植物殘體，另一種是植物殘體和活體相結(jié)合的形式，這可能會影響沙物質(zhì)的沉積、枯落物的累積和植物的定居，造成2種固沙措施之間的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)存在區(qū)別，而這種區(qū)別在指導(dǎo)荒漠區(qū)固沙措施的選擇策略上有重要作用。本研究調(diào)查和對比了古爾班通古特沙漠中2種典型固沙措施鋪設(shè)后，固沙區(qū)內(nèi)植物的多度、豐富度和多樣性等生態(tài)指標(biāo)，并分析了各措施樣地內(nèi)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)，旨在評價2種措施之間生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)的差異，為在研究區(qū)對兩種固沙措施效應(yīng)的評估和下一步措施的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠(44°15′-46°50′N，84°50′-91°20′E)地處準(zhǔn)噶爾盆地腹地，是中國第二大沙漠[2]，多年平均降水量70～150 mm，多年平年均蒸發(fā)量在>2 000 mm，冬季有30 cm左右的積雪，沙漠中幾乎無地表徑流，地下水位較深，沙漠周邊約為5 m，內(nèi)部>16 m[12]，土壤肥力極為貧瘠。降水主要分布在春夏季，這給短命植物和1年生草本植物的生長發(fā)育提供了良好的條件，使得短命植物和1年生草本成為植物群落的主要組成[13]，自然沙壟植被蓋度15%～50%。

2000年在此建設(shè)的大型水利工程，形成了寬度約為250 m的擾動帶，使得擾動帶內(nèi)的植被遭到嚴(yán)重破壞成為裸沙地，土壤養(yǎng)分含量接近于流沙[2]。主體工程基本成型后，在裸沙地表面鋪設(shè)了1 m×1 m的草方格沙障，草方格材料為蘆葦稈，并在草方格內(nèi)種植了白梭梭(Haloxylonpersicum)和沙拐棗(Calligonummongolicum)混交林及白梭梭純林，株行距以2 m×1 m為主，研究區(qū)位于沙漠南緣，新疆阜康市以北約55 km處的固沙措施體系內(nèi)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置、采樣及試驗方法

2.1.1 樣地設(shè)置 本研究分別選取2003年鋪設(shè)的草方格措施段和草方格-人工林措施段作為試驗樣地，選擇分別與2種措施段相鄰并且未受擾動的自然沙壟作為其各自的對照樣地(圖1)，人工林的株行距為2 m×1 m，樹種為白梭梭純林，試驗樣地和對照樣地長、寬均設(shè)置為150 m×50 m。

2.1.2 植物調(diào)查 5月份是古爾班通古特沙漠植物的生長旺季[14]，所以植物調(diào)查于2020年5、6月進(jìn)行。在所選擇的樣地內(nèi)按照從自然沙壟迎風(fēng)坡坡底到措施樣地背風(fēng)坡坡底的順序(如圖1，按照從1～9號坡位的順序)，5月和6月分別在每個坡位沿著等高線連續(xù)選取3個1 m×1 m草方格作為植物調(diào)查樣方，共取樣方108個，記錄樣方內(nèi)植物的種類、株高、冠幅和株數(shù)。

注：1.坡底；2.坡中；3.坡頂；4.坡中；5.坡底；6.坡中；7.坡頂；8.坡中；9.坡底。

2.1.3 土樣采集 古爾班通古特沙漠自然沙壟上的土壤養(yǎng)分在不同坡位間存在較明顯的異質(zhì)性[14]，為確保土樣對自然沙壟樣地的代表性，分別在1、2、3、4號坡位(圖1)進(jìn)行取樣。措施樣地內(nèi)5號坡位既是自然沙壟背風(fēng)坡坡底又是措施樣地迎風(fēng)坡坡底，土壤不具代表性，且坡頂(7號坡位)未鋪設(shè)草方格和草方格-人工林措施，為確保土樣準(zhǔn)確反應(yīng)措施鋪設(shè)對土壤養(yǎng)分的影響，措施樣地內(nèi)分別在6、8號坡位(圖1)進(jìn)行取樣。在選定的1、2、3、4、6、8號坡位上，每個1 m×1 m植物調(diào)查樣方中用土鉆垂直地面取0～20 cm土樣，取樣位置均為樣方正中心，將同坡位采集的3個樣品裝入自封袋混勻，帶回實驗室自然風(fēng)干，過1 mm篩除去植物殘體以測定土壤養(yǎng)分。

2.1.4 試驗方法 土壤有機(jī)質(zhì)的測定用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，土壤全N的測定用高氯酸-硫酸消化法，土壤有效N的測定用堿解蒸餾法，土壤全P的測定用酸溶-鉬銻抗比色法，土壤有效P的測定用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，土壤全K的測定用酸溶-火焰光度法，土壤速效K的測定用NH4OAc浸提-火焰光度法。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，分別計算各樣地內(nèi)植物的優(yōu)勢度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Sorenson相似性指數(shù)和Cody相異性指數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計算和分析方法如下。

2.2.1 優(yōu)勢度

優(yōu)勢度=(相對密度 + 相對高度 + 相對蓋度)/3[15]

其中，相對密度=(某物種個體數(shù)/全部種的個體數(shù)之和)×100，相對高度=(某物種植株的平均高度/全部種植株平均高度之和)×100，相對蓋度=(某物種蓋度/全部種的蓋度之和)×100。

2.2.2 α多樣性

1)群落生態(tài)優(yōu)勢度

采用Simpson指數(shù)(D)測定生態(tài)優(yōu)勢度

(1)

式中，ni為第i個物種的個體數(shù)，s為物種數(shù)，N為總個體數(shù)。

2)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：

H=-∑NilnNi

(2)

3)均勻度指數(shù)Pielou

J=(H/lnS)

(3)

式中，S為群落物種數(shù)，Ni為樣地中種i的重要值。

2.2.3 物種豐富度和多度

物種豐富度(S)=樣方中的物種數(shù)

物種多度(A)=樣方中物種個體數(shù)

2.2.4 β多樣性 本文用以下2種較常用的指標(biāo)對β多樣性進(jìn)行測度。

1)Sorenson相似性指數(shù)：

(4)

2)Cody相異性指數(shù)：

(5)

式中，a和b分別為2群落的物種數(shù)，c為2個群落的共有種數(shù)，g(H)為沿環(huán)境梯度H增加的物種數(shù)，l(H)為沿環(huán)境梯度H失去的物種數(shù)。

2.2.5 數(shù)據(jù)分析與制圖 植物多樣性和土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和處理均用Microsoft Excel for Windows軟件，不同樣地的多樣性指數(shù)和土壤養(yǎng)分指標(biāo)的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行比較，利用富集率(enrichment ratio)來比較草方格和草方格-人工林措施樣地的土壤養(yǎng)分恢復(fù)效果，各指標(biāo)趨勢圖繪制采用Origin Pro8軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 固沙措施對植物組成的影響

沙漠水利工程擾動區(qū)經(jīng)過自然恢復(fù)，植被已經(jīng)在裸沙地逐漸定居，經(jīng)調(diào)查措施樣地內(nèi)共出現(xiàn)植物30種，分屬于12科28屬，其中29種為草本植物(表1)。草方格和草方格-人工林樣地內(nèi)植物多度分別達(dá)到了22株和87株，占對照樣地的18%和33%；豐富度分別達(dá)到了19和26，占對照樣地的76%和90%；科數(shù)分別達(dá)到了9科和12科，占對照樣地的69%和80%，表明2種措施鋪設(shè)后植被都有較明顯的恢復(fù)，但是仍未達(dá)到自然沙壟水平，此外草方格-人工林樣地內(nèi)的各指標(biāo)均高于草方格樣地，說明其更有利于植被的恢復(fù)。

表1 調(diào)查區(qū)域不同樣地物種組成及優(yōu)勢度

砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelinii)、小花糖芥(Erysimumcheiranthoides)、蒙古韭(Alliummongolicum)、異翅獨(dú)尾草(Eremurusanisopterum)、土大戟(Euphorbiaturczaninowii)、小車前(Plantagominuta)、簇花芹(Soranthusmeyeri)、白梭梭(Haloxylonpersicum)和沙拐棗(Calligonummongolicum)雖然在對照樣地有所分布(表1)，但在2種固沙措施樣地內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)有自然定居，說明在研究區(qū)域內(nèi)這些物種自然恢復(fù)的難度較大。尖喙?fàn)脚好?Erodiumoxyrrhynchum)和角果藜(Ceratocarpusarenarius)在草方格樣地內(nèi)占有極高的優(yōu)勢度，而在草方格-人工林樣地內(nèi)尖喙?fàn)脚好?Erodiumoxyrhinchum)和角果藜(Ceratocarpusarenarius)優(yōu)勢度并不顯著，表現(xiàn)為條葉庭薺(Alyssumlinifolium)、齒稃草(Schismusarabicus)、尖喙?fàn)脚好?Erodiumoxyrrhynchum)和直果胡盧巴(Trigonellaorthoceras)同時占優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

3.2 固沙措施對植物生活型結(jié)構(gòu)的影響

從圖2來看，2種措施樣地內(nèi)共出現(xiàn)了5種生活型植物，包括短命植物、1年生草本、多年生草本、半灌木狀草本和小灌木。2種措施樣地已經(jīng)由工程擾動后的裸沙地恢復(fù)至以短命植物和1年生草本占優(yōu)的群落，但草方格-人工林樣地內(nèi)植物的生活型結(jié)構(gòu)比草方格樣地復(fù)雜，出現(xiàn)了半灌木狀草本和小灌木，說明草方格-人工林措施更能促進(jìn)植物生活型結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。

注:A.短命植物；B.1年生草本；C.多年生草本；D.半灌木狀草本；E.小灌木。

3.3 固沙措施對植物α多樣性的影響

通過將2種措施樣地內(nèi)植被物種的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)和對照樣地分別進(jìn)行比較(圖3)，發(fā)現(xiàn)草方格內(nèi)各多樣性指數(shù)均較低，且低于對照樣地，而草方格-人工林樣地內(nèi)各多樣性指數(shù)均較高，且高于對照樣地。草方格內(nèi)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著小于(P<0.05)對照樣地，草方格-人工林樣地則與對照樣地?zé)o顯著性差異。草方格-人工林內(nèi)Simpson多樣性指數(shù)顯著高于(P<0.05)對照樣地，而草方格與對照樣地?zé)o顯著差異，這說明草方格-人工林內(nèi)的物種組成比草方格要復(fù)雜。草方格、草方格-人工林的Pielou均勻度指數(shù)與對照樣地均無顯著性差異，但表現(xiàn)為草方格樣地小于對照樣地，草方格-人工林樣地大于對照樣地，且草方格-人工林樣地顯著高于草方格樣地(P<0.05)，說明草方格-人工林樣地內(nèi)植物種間的個體數(shù)量差異程度比草方格小，均勻度較高。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.4 固沙措施對植物β多樣性的影響

β多樣性指數(shù)可以直觀反映不同群落間物種組成的差異[16]，可用相似性和相異性2個測度來表達(dá)。本研究選取應(yīng)用較廣泛的Sorenson相似性指數(shù)和Cody相異性指數(shù)，分別對草方格與其對照樣地間和草方格-人工林與其對照樣地間植物物種相似(相異)性進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)前者的相似性指數(shù)小于后者，相異性指數(shù)則相反(圖4)。說明草方格-人工林的鋪設(shè)能進(jìn)一步促進(jìn)植被向相鄰自然沙壟上的群落結(jié)構(gòu)恢復(fù)。

圖4 措施樣地與對照樣地間的相似性和相異性指數(shù)

3.5 固沙措施對土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的影響

將各樣地土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行對比(表2)，發(fā)現(xiàn)草方格樣地中有效N含量極顯著高于對照樣地(P<0.01)，速效K、全K、全P與對照樣地?zé)o顯著性差異，有效P、全N、有機(jī)質(zhì)極顯著低于對照樣地(P<0.01)，說明除了有效P、全N和有機(jī)質(zhì)，其余指標(biāo)均恢復(fù)至自然沙壟水平。在草方格-人工林樣地中除了全K與對照樣地?zé)o顯著性差異，其余養(yǎng)分指標(biāo)均極顯著高于對照樣地(P<0.01)。通過對比2措施樣地內(nèi)土壤養(yǎng)分的富集率(圖5)，可以看出，除全K的富集率基本一致，其余養(yǎng)分指標(biāo)的富集率均表現(xiàn)為草方格-人工林樣地大于草方格樣地。

表2 不同樣地土壤養(yǎng)分含量(mean±SD)

圖5 土壤養(yǎng)分富集率

4 討論

4.1 固沙措施對植被恢復(fù)的影響

在干旱荒漠區(qū)植被受強(qiáng)烈工程擾動破壞后自然恢復(fù)較困難。采取草方格和草方格-人工林綜合固沙防護(hù)措施，可使沙表面逐漸穩(wěn)定，為植物定居創(chuàng)造條件[7,9]，這一結(jié)論在本研究中得到了充分的驗證，研究區(qū)在工程擾動造成的裸沙地上分別采取了上述措施，經(jīng)過10余a的封育，草方格樣地內(nèi)植物物種豐富度達(dá)到了19，草方格-人工林樣地內(nèi)植物物種豐富度達(dá)到了26，分別占對照樣地的76%和90%；植物多度分別達(dá)到了22株和87株，占對照樣地的18%和33%。

已有的研究表明，尖喙?fàn)脚好缡枪艩柊嗤ü盘厣衬参镒匀换謴?fù)中的先鋒種，恢復(fù)早期具有很高的優(yōu)勢度[6]，隨著演替的進(jìn)行群落中植物的均勻度會逐漸提高[14]。研究區(qū)內(nèi)草方格樣地的植物群落中尖喙?fàn)脚好绾徒枪嫉膬?yōu)勢度遠(yuǎn)大于其他植物種，草方格-人工林樣地則表現(xiàn)為條葉庭薺、齒稃草、尖喙?fàn)脚好绾椭惫R巴同時占優(yōu)的結(jié)構(gòu)，Pielou均勻度指數(shù)顯著高于草方格樣地(P<0.05)，群落生活型結(jié)構(gòu)也比草方格樣地復(fù)雜，通過相似性指數(shù)和相異性指數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)草方格-人工林樣地的群落結(jié)構(gòu)更接近于自然沙壟，群落的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和多度也較高，因此，可以推測雖然2種措施的鋪設(shè)都分別促進(jìn)了植被的恢復(fù)，但在自然恢復(fù)時間相同的條件下，草方格樣地植物群落的演替速度明顯比草方格-人工林樣地慢，目前仍處于演替的早期。

4.2 固沙措施對土壤養(yǎng)分的影響

古爾班通古特沙漠在自然條件下，生物物種相對較豐富，生物結(jié)皮廣泛發(fā)育，因此原始沙表面較穩(wěn)定[17]，由于受強(qiáng)烈的工程擾動的影響，研究區(qū)的沙地上下層土壤進(jìn)行了充分混合，使得土壤粗顆粒含量增加，養(yǎng)分含量接近于流沙[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，2種固沙措施鋪設(shè)后，各樣地土壤上層(0～20 cm)的養(yǎng)分得到了不同程度的恢復(fù)，這與前人的研究結(jié)果一致[18]，其主要原因可歸納為以下2點：1)土壤中的黏粒由于粒徑小，比表面積相當(dāng)大，因而吸附能力較強(qiáng)，對于顆粒組成較粗的風(fēng)沙土來說，黏粒含量增加對土壤肥力的提升具有重要意義[19]，人工林的建植和草方格的鋪設(shè)增大了地表覆蓋度和粗糙度，降低了風(fēng)速，減弱風(fēng)沙流活動，使得地面不斷累積塵埃[20]，增加了土壤中黏粒和粉粒的含量，從而提高土壤中養(yǎng)分含量；2)干旱和半干旱區(qū)水資源是土壤養(yǎng)分重新分配的重要因素[21]，古爾班通古特沙漠年平均降水量在70～150 mm，次降水量多在10 mm以下[22]，結(jié)皮對降水的截留作用[23]，加之較大的年均蒸發(fā)量(>2 000 mm)[17]，限制了土壤中的水溶性養(yǎng)分離子向深層淋溶，干沙層的存在又會抑制其下水分的蒸發(fā)[24]，使研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分在地表積累，致使土壤上層養(yǎng)分含量提高。

干旱荒漠區(qū)灌叢的“肥島”效應(yīng)普遍存在，灌叢能夠通過長期生長對空氣中塵埃的攔截、凋落物的分解、根系分泌物和根際微生物的積累等，改善土壤質(zhì)地，提高土壤養(yǎng)分含量[25]。人工林的建植為“肥島”效應(yīng)的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，本研究發(fā)現(xiàn)，草方格-人工林樣地內(nèi)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)中除全K外，其余指標(biāo)富集率均高于草方格樣地，并且各指標(biāo)值除全K外均極顯著高于(P<0.01)對照樣地(自然沙壟)，這可能是人工林灌叢“肥島”效應(yīng)的結(jié)果。草方格樣地有效N含量極顯著高于對照樣地(P<0.01)，土壤速效K、全K、全P已基本恢復(fù)至對照樣地水平，但有效P、全N、有機(jī)質(zhì)含量仍極顯著低于對照樣地(P<0.01)，說明雖然草方格的鋪設(shè)對土壤養(yǎng)分的恢復(fù)有一定貢獻(xiàn)，但草方格內(nèi)植物多度較少，土壤養(yǎng)分和植被恢復(fù)的相互促進(jìn)作用比草方格-人工林弱。

需要提出的是，草方格沙障地上部分4 a、地下部分7 a左右就會完全分解腐爛[26-27]，調(diào)查時研究區(qū)的草方格已經(jīng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的風(fēng)化和分解，這可能影響了后期草方格生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮，因此在草方格長期發(fā)揮作用的條件下，2種措施效應(yīng)的差異還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

古爾班通古特沙漠經(jīng)過工程擾動后，通過采取草方格和草方格-人工林綜合防護(hù)措施，植物得到了一定程度的恢復(fù)，其中草方格樣地內(nèi)植物物種豐富度達(dá)到了19，草方格-人工林樣地內(nèi)植物物種豐富度達(dá)到了26，植物多度分別達(dá)到了22株和87株。草方格-人工林樣地內(nèi)植物多度、豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)都大于草方格樣地，群落的生活型結(jié)構(gòu)比草方格更復(fù)雜，演替速度也更快，說明采用草方格-人工林綜合固沙防護(hù)措施比草方格措施更有利于植被恢復(fù)。

草方格和草方格-人工林綜合防護(hù)措施的鋪設(shè)，均對樣地內(nèi)土壤上層(0～20 cm)養(yǎng)分的恢復(fù)有積極地影響，草方格樣地內(nèi)有效N含量極顯著高于對照樣地(P<0.01)，速效K、全K、全P均恢復(fù)至自然沙壟水平，草方格-人工林樣地中除全K恢復(fù)至自然沙壟水平外，有機(jī)質(zhì)、速效K、全P、全N、有效N和有效P含量均極顯著高于對照樣地(P<0.01)。由于人工林建植產(chǎn)生的灌叢“肥島”效應(yīng)，使得草方格-人工林樣地內(nèi)土壤養(yǎng)分的富集率更高，上層(0～20 cm)土壤養(yǎng)分含量超過了自然沙壟，表明草方格-人工林綜合固沙防護(hù)措施樣地具有更快的土壤養(yǎng)分恢復(fù)速率。

因此，在古爾班通古特沙漠工程擾動區(qū)鋪設(shè)草方格-人工林綜合固沙防護(hù)措施比僅僅鋪設(shè)草方格更有利于生態(tài)恢復(fù)。