庫布齊沙漠南緣風沙-植被相互作用及其景觀效應

殷 婕,安 晶,哈斯額爾敦,*,武子豐,周炎廣,胡日娜

1 北京師范大學地理科學學部自然資源學院,北京 100875

2 首都師范大學附屬密云中學,北京 101500

干旱區因溫差大、降水少而集中且天然植被稀疏,物理風化、暫時性流水和風沙活動成為景觀發育的主要地貌過程[1—4],其中主導作用類型及方式變化導致干旱區景觀表現出明顯的異質性和分帶性。在區域尺度上,如風沙侵蝕、搬運及沉積作用的分異導致中國北方戈壁、沙漠和黃土自西北向東南的帶狀分布；在局地尺度上,主導地貌過程變化使沉積物理化性質和植被格局發生分異,如風沙搬運和沉積作用變化引起沙質草地風蝕坑下風側沉積物和植物群落的分帶性分布[5],與此同時植被格局變化又反過來影響風沙蝕積、搬運模式。在這種地貌-植被相互作用中,當風動力為地貌過程的主導外營力時稱為風沙-植被相互作用[6]。

自本世紀初期,國外學者已關注到風沙活動與植物生長的相互作用對干旱、半干旱地區景觀變化的影響,并通過野外控制試驗、遙感影像比對和實地調查的方法[7—9],報道了奇瓦瓦沙漠等地由于風沙過程引起干旱草原草本植物向灌木演替進而導致區域景觀演化的現象。近年來,隨著遙感技術、建模手段不斷發展,植被格局連續觀測和區域輸沙通量估算得以實現,在此基礎上建立了模擬大尺度風沙-植被互饋關系對景觀變化影響的生態模型[10—11]。相對來說,我國在此方面的研究程度較低,大部分仍集中在風洞模擬植物對風沙流或風沙流對植物的單向影響[12—16]、實驗探究沙生植物對沙埋的響應機制等單作用過程[17—20]；也有學者對拋物線形沙丘、風蝕坑等典型風沙地貌周圍風沙蝕積格局引起植被的分帶性規律進行報道[5,21]。但是,這些工作均未系統地對風沙-植被相互作用引起野外風沙流結構、沉積物特征變化開展實地觀測等進一步研究。

在沙漠邊緣、沙漠綠洲過渡帶和草原帶草地灌叢化地區,風沙-植被相互作用尤為明顯。當風沙輸移時,細顆粒物質為植物定植和生長提供養分和水分[7],植物生長到一定程度又以覆蓋地表、捕獲沙物質和分散氣流動能的方式影響風沙蝕積模式[22—23],風沙蝕積模式改變和植被生長狀況差異使地表景觀表現出明顯的空間異質性[8]。因此,探明風沙與植被的相互作用關系,能為揭示沙區景觀分異規律提供依據,進而與區域植被恢復和防風治沙工程相結合,為改善生態環境提供理論基礎。基于此,本文選擇庫布齊沙漠南緣順風向景觀具異質性的平坦覆沙地塊為研究區,其上依次分布新生油蒿、油蒿灌叢、老齡化灌叢沙堆。通過開展植被調查、風沙及沉積物粒度野外觀測和室內分析,以期揭示風沙-植被相互作用,并對其景觀效應作初步探討。

1 研究區概況與試驗方法

1.1 研究區概況

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線北側,西、北、東三面被黃河環繞,其主體呈東西向帶狀分布在黃河南岸階地上,西、南部呈片狀分布在鄂爾多斯剝蝕高原上(圖1)[24—25]。研究區位于沙漠中部南緣季節性河流叭尓洞溝與布日嘎斯太溝之間的平坦覆沙地上,地理坐標為109°7′30″—109°8′10″E、40°14′20″—40°14′35″N,其地表自然景觀以片狀流沙和油蒿灌叢相間分布為特色[16]。該區屬于溫帶大陸性干旱氣候向半干旱氣候的過渡帶,冬季干冷多風、夏季炎熱少雨。根據附近杭錦旗氣象站多年(1998—2013年)觀測數據統計分析,多年平均氣溫為7.3℃,且1月份平均氣溫最低(- 11.3℃),7月份平均氣溫最高(23℃),氣溫年較差34.3℃；多年平均年降水量289.9mm,主要集中在6—9月(占全年降水量的78.2%),降水年內分布不均(圖2)；全年以偏西風為主,合成輸沙風向為111.38°,總輸沙勢為201.60VU,屬中風能環境且春季風沙活動最頻繁(圖3)。該區地帶性土壤為棕鈣土,非地帶性土壤為風沙土和鹽堿土；植被主要為油蒿(Artemisiaordosica)單優勢種半灌木群落,還有一年生草本沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。

圖1 研究區位置圖

圖2 研究區氣象要素月變化

圖3 研究區輸沙要素月變化

1.2 試驗方法

觀測樣地為薄層覆沙平坦地表,在部分裸露地表出現小礫石,坡度為2°。樣地西側叭尓洞溝是一條暫時性河流,觀測期間為枯水期,形成干河床,有大量流沙滯留。

1.2.1 樣方選取及植被、覆沙調查

在干河床下風側平坦地表,沿順風向布設調查樣方,分別標注為B、C、D、E、F,且在各樣方的南北兩側布設2個樣方,即3組重復實驗。同時,在上風側裸地處布設一個參考樣方,標注為A,樣方布設位置如圖4所示意。采用常規植被調查方法,用鋼卷尺測量各樣方內植株的冠幅、高度等指標,并以此計算各樣方內植株的平均高度、植被蓋度。重復3次使用差分GPS測量上風向裸地A與調查樣方B、C、D、E、F的中心點高程,取平均值后將各點相對于A的高程差作為其覆沙厚度。

圖4 觀測樣方布設圖

1.2.2 風速及輸沙率觀測

運用EC9- 1型風杯風速儀開展風向、風速野外觀測,數據采集間隔為5s(圖5)。輸沙量采集使用階梯式集沙儀,高20cm,前部有10個進沙通道,集沙儀的進沙口中心距地面高度分別為1、3、5、7、9、11、13、15、17cm和19cm,且每個進沙口橫截面是2cm×2cm(圖6)。

圖5 風向、風速觀測實地圖

圖6 輸沙觀測實地圖

在樣方A處布設參考站,一組9個風杯和1個風向標測量其距地面0.2、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0m和4.0m的風速及4.0m高度風向。同時,在調查的5個樣方內布設2組流動站,輪流觀測距地面同樣高度的風速,測得所有高度風速均用對應時段參考站4.0m高度處風速進行標準化(U(t,z)/Uc(t,4m))處理,計算公式[26]為：

Ur=U(t,z)/Uc(t,4m)

(1)

式中,Ur為t時段內的標準化風速,Uc(t,4m)為對應時段參考站4m高度無遮擋環境的平均風速(m/s),U(t,z)為各測點的平均風速(m/s)。

在順風向A、B、C、D、E、F六個樣方內同步進行3組輸沙觀測,每組集沙時間為30min,觀測時段分別為15:40—16:10、16:10—16:40和16:40—17:10。采集的風積物用千分之一電子天平(精度0.001g)稱重記錄,并以觀測高度內單位時間單位寬度的總輸沙量表示輸沙率。

1.2.3 沉積物粒度分析

不僅如此，行業總產值緩慢平穩的上升現象并非只出現在傳統電臺產業，據調查自2009年起，美國人民使用網絡電臺的平均時間從每周的6分鐘增加到9分47秒，使用人數從2010年到2011年的一年時間里增長了近20%[7]。

采用“十字法”對樣方A—F內表層3cm沉積物進行粒度采樣,每個樣方內均采集5個樣品,以求平均。通過Malvern公司生產的Mastersizer2000型激光粒度儀對所采樣品進行分析,以體積百分比記錄。對于樣品中粒徑大于2mm的礫石,通過篩分法確定其質量百分比并對原始結果進行校正。根據福克-沃德公式[27],計算沉積物粒度參數,包括平均粒徑(Mz)、分選系數(Sd)、偏度(Sk)、峰度(Kg)。

2 結果分析

2.1 地形與植被

研究區內地表景觀具明顯空間異質性且順風向(西北—東南)呈規律性變化,總體上由無植被分布的裸沙逐漸過渡到零星分布的新生油蒿、均勻分布的多年生油蒿灌叢,再至斑塊狀的老齡化油蒿灌叢沙堆。圖7是各樣方(A—F)內相對高程及地表覆被變化,按照植被狀況和地表覆沙厚度將各樣方所在區域劃分為裸沙區、植被區和灌叢沙堆區。裸沙區地表含零星礫石,長58.43m,參考樣方A布設在此區；植被區長78.99m,順風向由零星分布的新生油蒿逐漸過渡為多年生油蒿灌叢,灌叢底部無積沙體,但叢間地有少量礫石。其間,由樣方B至D覆沙厚度逐漸增大,油蒿植株的平均高度和植被蓋度也沿程增大,且至樣方D處覆沙厚度和植被蓋度達到整個樣線內的最大值(分別為0.38m和38.2%)；灌叢沙堆區長104.75m,其間老齡化油蒿灌叢沙堆呈斑塊狀分布,叢間地有大片沙土裸露且積沙體被明顯風蝕。與植被區均勻分布的油蒿灌叢相比,灌叢沙堆區(樣方E、F)內沙堆分布較稀疏,植被蓋度約為樣方D處一半且由E至F減小,覆沙厚度也逐漸減小,植株平均高度無明顯變化。在整個觀測樣線內,植被蓋度呈先增大后減小趨勢,植被帶可依次劃分為新生油蒿帶-多年生油蒿灌叢帶-老齡化灌叢沙堆帶,地表覆沙厚度與植被蓋度的變化趨勢一致(表1)。

圖7 觀測樣方相對高程及植被狀況

2.2 粒度特征

粒度分析結果(圖8,表2)顯示,參考樣方A的粒度頻率曲線是寬平雙峰態,眾數粒徑分別是7.5μm 和64μm,粒徑級配以粉砂含量最高(49.988%),其次是極細砂(24.481%),平均粒徑最細且分選性最差。樣方B—F的粒徑頻率曲線均為呈近正態分布的窄單峰態,眾數粒徑在樣方B—E處為100—160μm,F處為200—250μm。樣方B—F各粒級含量均以粉砂為主,絕大部分含量超過87.991%,以細砂和極細砂為主(分別占39.104%—47.140%和26.704%—38.185%),粘土含量很低,僅占0.664%—1.068%。自樣方B至樣方D,粉砂及極細砂含量增加,中、細砂含量減少,平均粒徑趨于變細,分選變好；自樣方D至樣方F,粉砂及極細砂含量減少,中、細砂含量增加,平均粒徑變粗,分選變差。粒度特征的順風向變化可能是近地表氣流對風沙沉積物再分配的結果,且其變化趨勢與植被蓋度相反。

圖8 觀測樣方沉積物粒徑頻率曲線

表2 各觀測樣方沉積物粒徑級配和粒度參數

2.3 風向、風速

觀測期間,參考樣方4.0m高度處風向、風速如圖9所示。主要為偏西風,風向集中在290°—310°,風速逐漸增大后趨于穩定,集中在7.0m/s—9.8m/s。

圖9 觀測期間風向、風速狀況

各樣方內風速廓線規律大體保持一致(圖10)。樣方A至D風速隨高度增加而逐漸增大且符合對數分布規律,樣方E和F在距地表0.3m以下風速隨高度反而減小,其上則隨高度增加而增大并符合對數分布。在整個觀測樣線上,除植被蓋度最大的樣方D以外,其他樣方在4.0m高度時均恢復至曠野風速。

圖10 觀測樣方風速廓線

通過對各觀測樣方的風速廓線擬合后外延至其風速等于零,得各樣方地表的空氣動力學粗糙度Z0,將其與同時段參考樣方Z0相減即為各樣方的零平面位移D。由于樣方E和F的 0.2m高度處的風速偏離對數分布,故擬合時去除。結果顯示(表3),各樣方Z0相差很大,且自B至F沿順風向不斷增大(圖11),零平面位移也不斷增大。值得注意的是,植被區(B—D)和灌叢沙堆區(E—F)的Z0和D在區內逐漸增大,在兩區之間急劇增大。

圖11 各觀測樣方空氣動力學粗糙度

表3 風速與高度之間對數關系 y=a+b Ln(x)的擬合系數及Z0、D

2.4 輸沙率

2.4.1 輸沙率垂線變化

根據3次輸沙觀測,得各樣方內輸沙率隨高度變化圖(圖12)。總體上,隨高度增加,輸沙率減小,且在樣方A、E、F內高度與輸沙率呈良好的指數函數關系,相關系數R2均達到0.97以上,指數關系式為：

y=a·ebx

(2)

式中,y為輸沙率,g cm-1min-1；x為高度,cm；a、b為回歸系數。

相較于A、E和F,樣方B、C、D分別在1—7cm、5—11cm和7—17cm高度范圍內偏離指數函數關系,且指數公式相關系數略低(R2分別為0.944、0.865和0.889)。在整個輸沙觀測高度上,樣方C、D的輸沙率分別在0.4—1.7g cm-1min-1和0.2—1.7g cm-1min-1,這明顯低于其他樣方(圖12)。

圖12 各觀測樣方輸沙率隨高度變化

2.4.2 輸沙率順風向變化

圖13是同流條件下順風向不同覆被地表的輸沙率變化。在整個觀測樣線內,輸沙率沿程先減小后增大。順風向由B至D,植被蓋度逐漸增大,輸沙率逐漸減小,至D處減至最小值7.1g cm-1min-1,表明風沙沉積物沿程堆積。樣方C、D處的輸沙率明顯小于裸地A和新生油蒿零星分布的B處,且裸地A處輸沙率(22.4g cm-1min-1)約為D(7.1g cm-1min-1)的3倍。樣方D處輸沙率最小但其覆沙厚度在整個樣線內最大(1.9m),這可能一方面因為油蒿灌叢削弱地表風力,另一方面油蒿根系對沙物質有一定固結作用。

圖13 輸沙率沿程變化

3 討論

根據叭尓洞溝道橫斷面氣流場的觀測結果顯示,氣流在東岸底部略微減速后順陡坎爬升加速,至階地面上風速最大且處于不飽和狀態[28]。同時,氣流將從干河床沿輸沙溝槽搬運到東岸的沙物質[29]侵蝕并攜帶向下風向運動,當氣流攜沙量達到飽和時開始沉降,推測這可能是研究區地表由裸地向覆沙地過渡的主要原因。起初,薄層沙物質為油蒿定植提供條件,適量風沙堆積促進植物生長[30—31],同時均勻分布的油蒿灌叢捕沙能力增強,且有研究表明當植被蓋度達到30%時沙物質處于連續堆積狀態[32]。因此,此階段風沙堆積與植物生長相互促進。但是,隨沙物質的堆積厚度增加,當其深度超過油蒿耐沙埋限度時開始發生退化[33—34],灌叢出現斑塊狀分布。此時,風沙流在灌叢植株間堆積、在叢間地處侵蝕,故而風沙與植被間關系由協同增長轉為相互抑制。兩者作用關系的轉變使單優勢種油蒿半灌木的群落蓋度、生長階段和地表覆沙厚度沿順風向變化,從而在景觀尺度上表現出明顯的空間異質性,在風沙輸移和沉積物粒度特征上也呈現出規律性變化。

在植被均勻分布時,蓋度增大使其削弱風動力的能力增強,同時增大了地表空氣動力學粗糙度[7,35],從而降低了氣流對地表的剪切力,并且均勻覆蓋使裸露沙物質的面積減少,進而輸沙率減小,沙物質沿程堆積；在斑塊狀分布時,由于叢間地的狹管效應明顯,近地表風速增大且裸露丘間地為風沙輸移提供物質[36—38],因而輸沙率沿程增大,即地表發生侵蝕。此外,整個觀測樣線的地表沉積物均以細砂和極細砂為主,粉砂較少且幾乎無粘土。究其原因可能是風沙與植被相互作用使近地表氣流發生變化導致風沙沉積物被重新分配[39—40],較細的粉砂、粘土長距離懸移出樣區而較粗的顆粒滯留下來[7,41—42]。這尤其體現在當從植被區向灌叢沙堆區過渡時,細砂和極細砂含量減少而粗砂和中砂含量增加。

除了沙漠邊緣,風沙與植被相互作用在沙漠綠洲過渡帶以及草原帶草地灌叢化地區也較為明顯[43—46]。在呼倫貝爾沙地平坦草地風蝕坑后積沙區,從丘間原生草地至坑緣,隨覆沙厚度增大,植被由地帶性草本植物演替為沙生木本植物且蓋度增大[5]；還有學者在奇瓦瓦沙漠開展野外控制試驗,多年連續觀測結果顯示完全清除植被使風蝕加劇的裸露區的下風側逐漸由草優勢種轉變為灌木優勢種[8—9],使順風向景觀呈現出草地、裸地、灌叢地的依次過渡。在草原生態系統中,因植物多樣性豐富,風沙堆積促使植被向適應環境的方向演替,而本文研究區內油蒿半灌木顯著優勢生長,零星分布的短命植物沙米和蟲實影響十分微弱,故僅表現出生長狀況不同。由此可見,不同地區風沙流與植被相互作用的具體表現形式可能存在差異。

通過多年航空相片和遙感影像可發現,1998年時研究區被流沙覆蓋,經2005至2012年景觀發生明顯變化并逐漸分異,到2016年這種分異格局未有明顯改變(圖14)。究其原因,可能一方面是區域風沙活動減弱(圖15),一方面是植被發育使風沙和植被開始產生相互作用并維持動態穩定。根據研究區附近杭錦旗的氣象數據顯示,近20年間區域風速減小、降水增加,除2012和2014年以外未有大降水或大風事件發生,但整體年際間處于波動狀態,這與Mason等[47]、Xu等[48]對毛烏素沙地、渾善達克沙地自70年代至今的降水、風況的研究結果一致。因此,推測可能打破這種相互作用關系、促使植被完全固定或流沙大量入侵的閾值還未達到,進而研究區內整體景觀分異現象還將保持一段時間。但是,各年間的裸地區、植被區和灌叢沙堆區的相對位置會向上風向或順風向移動。比如,在干燥、多風年際,充足的沙物質使從溝道爬升的氣流在短距離內達到飽和而發生沉降,則裸地區范圍縮短,植被區向上風向移動。

圖14 研究區景觀年際變化

圖15 氣象及輸沙要素年際變化

綜上,庫布齊沙漠南緣風沙-植被協同增長與相互抑制關系和順風向景觀分異之間存在良好的一致性,但當氣候變化時,這種一致性的整體趨向可能改變并對下風向產生影響。當風沙活動或植被蓋度達到某一閾值時,風沙-植被相互作用維持的臨界狀態將可能被打破,進而導致干旱、半干旱地區景觀發生演變,并且對于臨界值的定量研究將在后續工作中進一步探究。

4 結論

根據分析結果及討論,得出以下結論：

(1)在庫布齊沙漠南緣干河床下風側,風沙與植被相互作用變化導致順風向景觀的空間異質性,植被特征、風沙流結構和沉積物特征表現出明顯的規律性變化,植被蓋度和覆沙厚度先增大后減小,空氣動力學粗糙度沿程增大,輸沙率及沉積物平均粒徑先減小后增大。

(2)從地表侵蝕區、風沙-植被相互促進區至抑制區,相應地表景觀由裸地過渡為均勻分布的新生油蒿-油蒿灌叢和斑塊狀分布的灌叢沙堆,即裸地、植被區和沙堆區。

(3)干旱區景觀尺度上的風沙-植被相互作用還引起沉積物理化性質及植物群落生態等各方面的異質性變化,有待進一步研究。