PLA沙障對沙丘土壤粒徑的影響分析

黨曉宏，虞 毅，高 永，袁立敏，馬迎賓，高君亮，王 珊，張惜偉

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019；2.國際竹藤中心，北京100102；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)試驗中心，內(nèi)蒙古 磴口015200）

沙漠化是指干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)由于人地關(guān)系不相協(xié)調(diào)所造成的以風(fēng)沙活動為主要標(biāo)志的土地退化［1］。沙漠化已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙，也是人類在環(huán)境問題上面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國是世界上受到土地沙漠化危害最嚴(yán)重的國家之一，其中沙漠化土地占國土面積18%以上，因此防治土地沙化的任務(wù)迫在眉睫［2］。我國沙漠化系統(tǒng)研究及治理工作始于20世紀(jì)50年代，目前我國沙漠治理的方法和技術(shù)已經(jīng)取得一定成果［3］。其中設(shè)置機(jī)械沙障是治理土地沙漠化有效防治措施之一［4］，對其鋪設(shè)的規(guī)格、防護(hù)原理已有許多學(xué)者研究探討［4－7］。例如半隱蔽格狀沙障可以增加地表粗糙度，有效降低近地表風(fēng)速，明顯減弱輸沙強(qiáng)度及形成穩(wěn)定凹曲面等，同時沙障對土壤具有明顯改良作用［8－9］，還可以改善局部小氣候［10－11］。常用的機(jī)械沙障材料以柴草、黏土等為主，而類似于柴草、沙柳沙障在光、熱及微生物的作用下降解，導(dǎo)致壽命縮短，而且有些地方柴草、黏土相對短缺，運輸不方便。因此探索開發(fā)一種高效、防護(hù)作用時間長、方便運輸?shù)纳痴喜牧弦殉蔀槟壳凹贝鉀Q的問題。項目組從日本引進(jìn)PLA（Poly Lactic Acid）纖維制作沙障，具有簡單輕便易運輸、使用壽命長、防護(hù)作用久、抗老化、耐高溫、并無二次污染的環(huán)保型防沙固沙材料。PLA沙袋沙障是將PLA纖維紡織制成筒狀沙袋，就地取材將沙子灌入其中進(jìn)行鋪設(shè)，省時省力，簡便易行。土壤機(jī)械組成是影響土壤水肥狀況的關(guān)鍵因子［12－13］。土壤中粒徑大小及組成對養(yǎng)分的吸附強(qiáng)度有很大的影響［14］，研究土壤的顆粒組成對指導(dǎo)土壤改良有著重要的現(xiàn)實意義［15－17］。

本試驗以鋪設(shè)PLA沙袋沙障的沙丘為研究對象，對其進(jìn)行實地采樣，經(jīng)過對障內(nèi)、障外地表0—11 cm沙粒的粒徑進(jìn)行實驗測定，數(shù)據(jù)對比分析，得出PLA沙袋沙障對沙丘表層土壤粒徑的影響，進(jìn)而以土壤粒徑為參數(shù)確定最優(yōu)的沙障規(guī)格，為PLA沙障在防沙治沙中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，為新型沙障的研制與發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗區(qū)概況

本試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn)，地處烏蘭布和沙漠西南緣，北緯39°48′14″、東經(jīng)105°42′45″，因氣候干燥，植被破壞，強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用等造成流沙四起，形成沙漠景觀類型：新月形沙丘和沙丘鏈、壟狀沙丘、格狀沙丘、灌叢沙堆、風(fēng)蝕洼地。海拔1 030～1 045m。沙漠遠(yuǎn)離海洋濕潤氣流難以進(jìn)入，加之賀蘭山和巴音烏拉山阻隔，同時因受蒙古高氣壓冷空氣的影響，造成了該區(qū)冬寒夏熱、氣候干燥、光照豐富、降水少蒸發(fā)強(qiáng)、風(fēng)大沙多的溫帶荒漠氣候特征，年均最高氣溫16.7℃，年均最低氣溫4.7℃，年平均降雨量為107.8mm，多集中在6—8月3個月，年平均蒸發(fā)量為2 956.8mm。年平均風(fēng)速為3.4 m／s，主要風(fēng)向為西南風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)速最大為西北風(fēng)，年大風(fēng)日數(shù)平均為33.9d，揚沙日數(shù)為85.4d，最大風(fēng)速為23m／s。

試驗區(qū)土壤屬分布在棕鈣土向荒漠土過渡的沙地土壤，主要類型有：灰漠土、鹽漬土、風(fēng)沙土、間或有鹽化草甸土分布；在植物種類組成上，藜科植物占有最大的數(shù)量，沙米（Agriophyllum squrrosum L.Moq.）、豬毛菜（Salsola collina Pall.）是雨季構(gòu)成沙區(qū)植被的主要物種，菊科的蒿屬植物，特別是油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）在此起著明顯的建群作用，白刺屬的種是構(gòu)成本沙區(qū)沙生荒漠植被的重要建種群，檉柳科的紅砂（Reaumuria songarica Pall.Maxim.）在平坦地區(qū)構(gòu)成群叢。由于沙地或覆沙地的廣泛分布以及人為活動的干擾，地帶性植被破壞嚴(yán)重，大面積的原始梭梭林被破壞，試驗區(qū)周圍有人工種植的籽蒿（Artemisia sphaerocephala Krasch.）、梭梭（Haloxylon ammodendron（C.A.Mey.）Bge.）、阿拉善沙拐棗（Calligonum alaschanicumA.Los.）、胡楊（Populus euphratica Oliv.）。

2 試驗材料及方法

試驗地選擇在距吉蘭泰鎮(zhèn)西北約10km處，試驗選擇在坡度較為平緩的沙丘上，2007年5月在不同沙丘沿沙丘走向在相同部位分別鋪設(shè)邊長為1m×1m，2m×2m，3m×3m的三種不同鋪設(shè)規(guī)格的PLA沙袋沙障（以下簡稱1m×1m，2m×2m，3m×3m），沙障的鋪設(shè)垂直于主風(fēng)向。沙障帶寬約50 m，長40～60m不等（根據(jù)地形鋪到沙壟兩側(cè)底部），沙障障高約15cm。

在鋪設(shè)沙障的沙丘按照不同坡位（迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡）、障格內(nèi)不同位置（如圖1所示）及不同土層深度分別進(jìn)行取樣。由于沙丘不是很高，沙障在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡兩側(cè)跨度不大，故無需在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的坡底、坡中分別取樣，只在迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡上隨機(jī)選取3個障格，在每個障格內(nèi)的5個點（圖1）上分別采用高永等研制出來的風(fēng)沙土分層取土器［18］，取土厚度1cm，分別采取距地表0—1cm，2—3cm，4—5cm，6—7cm，8—9cm，10—11cm六層土樣，每層約取50g左右，裝入密封袋密封，并標(biāo)注取樣點信息，同時在該沙丘上的3個坡位未鋪設(shè)沙障處取土樣作為對照（CK），每個取樣點設(shè)置3次重復(fù)。將取完土在實驗室樣風(fēng)干，采用四分法選取5g試驗樣品利用Rise－2008型激光粒度分析儀測定土壤粒徑，每個樣品3次重復(fù)［19］。試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel和SAS 9.0處理。

圖1 土壤樣點采集示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 PLA沙袋沙障不同鋪設(shè)規(guī)格沙丘土壤粒徑總體分析

將3種鋪設(shè)規(guī)格沙丘土壤粒徑數(shù)據(jù)取得均值后分析得出：PLA沙袋沙障1m×1m，2m×2m，3m×3m規(guī)格沙丘土壤粒徑分別為0.26mm，0.29 mm，0.27mm，比對照沙丘的0.25mm 分別增大4%，16%，8%。2m×2m規(guī)格沙丘對土壤粒徑影響最大，3m×3m次之，1m×1m規(guī)格對土壤粒徑影響最小?？傮w來說，沙丘鋪設(shè)沙障后，其粒徑有增大趨勢。經(jīng)分析可知，沙障能改變地表粗超度，使近地表的風(fēng)速減弱。當(dāng)風(fēng)沙流攜帶上游的飽和風(fēng)沙流遇到沙障后降低風(fēng)速，在障格內(nèi)形成小范圍紊流，動力不足導(dǎo)致由于重力作用的較大粒徑沙粒掉落在障格內(nèi)，而后未飽和的風(fēng)沙流在動力不足的條件下只能吹走地表細(xì)小沙粒。由于鋪設(shè)的規(guī)格不同，沙障對風(fēng)的影響程度不同，導(dǎo)致3種鋪設(shè)規(guī)格沙丘的土壤粒徑有一定的差別。

3.2 不同鋪設(shè)規(guī)格沙障沙丘不同坡位土壤粒徑分析比較

3.2.1 鋪設(shè)沙障沙丘不同坡位土壤粒徑整體分析據(jù)測定3種鋪設(shè)規(guī)格沙障的沙丘迎風(fēng)坡、坡頂及背風(fēng)坡的土壤粒徑分別為0.267，0.300，0.253mm；而對照沙丘分別為0.257，0.248，0.247mm。分別對3種規(guī)格沙丘土樣平均粒徑對比分析得出，鋪設(shè)沙障沙丘的3個坡位土壤粒徑均大于對照沙丘。在背風(fēng)坡，鋪設(shè)沙障沙丘和對照沙丘土壤粒徑都小于迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡。通過計算可知，鋪設(shè)PLA沙袋沙障的沙丘，迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡土壤粒徑分別比對照沙丘土壤粒徑大3.9%，21%，2.4%。

經(jīng)過分析可知，飽和風(fēng)沙流在攜帶沙粒遇到沙障阻礙時，風(fēng)速減小導(dǎo)致風(fēng)沙流不飽和，而粒徑較大的沙粒由于重力作用會落在沙障內(nèi)，這樣就表現(xiàn)為有PLA沙障沙丘的土壤粒徑大于未鋪設(shè)沙障的對照沙丘。由于坡位不同，受風(fēng)的影響不同，坡頂當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過迎風(fēng)坡時受到抬升作用，風(fēng)速有所削弱，粒徑較小的細(xì)沙會沉降在背風(fēng)坡，因此沙丘在背風(fēng)坡的粒徑要小于迎風(fēng)坡和坡頂。

3.2.2 不同鋪設(shè)規(guī)格沙丘3個坡位的土壤粒徑比較分析 將1m×1m，2m×2m，3m×3m這3種規(guī)格沙障的不同坡位障內(nèi)土壤粒徑取平均值，分別得到各鋪設(shè)規(guī)格沙障沙丘不同坡位的土壤平均粒徑，再分別與對照地進(jìn)行比較分析后得到圖2，可以看出2m×2m規(guī)格在沙丘坡頂處對土壤粒徑影響最明顯。由圖2可看出，3種鋪設(shè)規(guī)格沙障沙丘坡頂?shù)耐寥懒蕉即笥趯φ丈城穑?m×1m迎風(fēng)坡土壤粒徑小于對照沙丘，3m×3m背風(fēng)坡土壤粒徑小于對照沙丘。其中2m×2m無論在迎風(fēng)坡、坡頂還是背風(fēng)坡，土壤粒徑都大于對照。

經(jīng)分析可知，沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯。由于沙障的影響，風(fēng)沙流經(jīng)過沙障帶時風(fēng)速減小，粒徑較大的顆粒不再隨風(fēng)移動，落在坡頂障內(nèi)，導(dǎo)致坡頂土壤粒徑明顯大于迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡；隨著風(fēng)沙流的繼續(xù)運動，到達(dá)背風(fēng)坡以后，由于風(fēng)速的減小，攜沙能力也在減小，風(fēng)沙流中較大粒徑的顆粒落到背風(fēng)坡障內(nèi)，同時又帶走了背風(fēng)坡沙障內(nèi)地表粒徑較小的沙粒，最終導(dǎo)致背風(fēng)坡土壤平均粒徑小于迎風(fēng)坡和坡頂，大于對照。

圖2 不同規(guī)格沙障在不同坡位對土壤粒徑的影響

3.3 PLA沙袋沙障障格內(nèi)不同位置粒徑分析

3.3.1 PLA沙袋沙障障格內(nèi)5點土壤粒徑總體分析 將所有沙障規(guī)格內(nèi)相同位置的土樣粒徑取平均，可以看出，鋪設(shè)PLA沙障后障格內(nèi)各位置土壤粒徑均較對照顯著增大（除二點處外），其中四點處變化最為明顯，比對照沙丘土壤粒徑大16%，一、三、五點處土壤平均粒徑比對照分別增大7.7%，4%，3.8%（見表1）。

表1 障格內(nèi)不同位置土壤粒徑比較分析 mm

3.3.2 PLA沙袋沙障不同規(guī)格障格內(nèi)5點土壤粒徑分析 將不同規(guī)格沙障障格內(nèi)各點的所有土樣粒徑取平均，得到各規(guī)格內(nèi)不同位置的土壤粒徑，再與對照沙丘土樣進(jìn)行對比分析。由圖3可以看出，鋪設(shè)PLA沙障后，各規(guī)格沙障障格內(nèi)在一點、四點、五點處土壤粒徑明顯增大，尤其2m×2m在四點更為明顯。在二點和三點處3種規(guī)格土壤粒徑都有減小。經(jīng)分析可知，一點和四點在障格內(nèi)處于相對背風(fēng)的位置，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入沙障后，容易在這二點形成渦流，對粒徑較小的細(xì)粒吹蝕嚴(yán)重，而粒徑較大的沙粒容易在此沉積；二點和三點則處于相反的位置，各粒徑沙粒都容易受到風(fēng)的影響；而五點位于沙障中心，是凹曲面形成的中心位置，土壤粒徑變化較大。由于障格內(nèi)不同位置受風(fēng)的影響程度不同，導(dǎo)致土壤粒徑變化不一致。由圖3可以看出風(fēng)在吹向一點、四點之前受到了沙障的阻礙，此處粒徑較大的沙粒不容易被風(fēng)搬運，而粒徑較小的顆粒則容易受到風(fēng)的掏蝕，所以在這二點土壤粒徑增幅較大。

圖3 不同規(guī)格障格內(nèi)不同位置土壤粒徑變化

3.4 PLA沙袋沙障障格內(nèi)不同深度粒徑分析

3.4.1 PLA沙袋沙障障格內(nèi)不同深度粒徑總體分析 將所有沙障內(nèi)同一深度的土樣粒徑取均值后分析得出，由于土層深度不同，受風(fēng)的影響程度不同，受沙障的作用也不同，鋪設(shè)PLA沙障后，0—11cm內(nèi)土壤粒徑明顯變大。地表處土壤粒徑變化最為明顯，0—1cm內(nèi)土壤粒徑比對照大16%。3cm以下變化減小，約比對照大12%。到11cm深度僅比對照大4.8%（圖4）。經(jīng)分析可知，在近地表由于沙障對風(fēng)的擾動作用較大，導(dǎo)致地表粒徑變化最明顯，其粒徑均大于對照沙丘；隨深度的增加，受風(fēng)的影響逐漸減弱，因此下層土壤粒徑變化趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律與對照沙丘幾乎相同，但是由于鋪設(shè)沙障的作用，其粒徑仍比對照大。

3.4.2 PLA沙袋沙障不同規(guī)格不同深度土壤粒徑分析 對各規(guī)格沙障內(nèi)相同深度的土壤粒徑分別取平均，然后與對照沙丘相同深度的土壤粒徑進(jìn)行對比分析，可以看出不同鋪設(shè)規(guī)格沙障對沙丘不同深度土壤粒徑的影響。

由圖5可以看出，鋪設(shè)不同規(guī)格沙障，不同土層深度土壤粒徑變化各異，鋪設(shè)沙障后，沙丘0—11cm內(nèi)土壤粒徑均大于對照。其中2m×2m影響最明顯，在不同深度對土壤粒徑都有明顯改變，平均比對照高出14%。3m×3m在近地表處土壤粒徑變化較大，在3cm深處土壤粒徑略高于2m×2m。在3 cm以下土層，1m×1m和3m×3m沙障作用逐漸減弱，尤其1m×1m，在3cm以下粒徑僅比對照大1.2%，到11cm深處粒徑變化更是微乎其微。經(jīng)分析知，PLA沙障2m×2m鋪設(shè)規(guī)格對土壤粒徑的影響最明顯，對0—11cm土層內(nèi)其它深度土壤粒徑都有明顯的影響。

圖4 障格內(nèi)不同深度土壤粒徑變化

圖5 不同規(guī)格沙障障格內(nèi)不同深度土壤粒徑變化

4 結(jié)論

（1）不同規(guī)格PLA沙袋沙障對土壤粒徑均有不同程度的影響，沙障鋪設(shè)樣地土壤粒徑不同程度的增加，土壤深度不同，增加趨勢各異，在地表及近地表，土壤粒徑變化最大，較對照高出16%，隨深度增加，土壤粒徑變化相對穩(wěn)定，大體趨勢與對照一致。3種沙障規(guī)格對土壤粒徑的影響效果2m×2m表現(xiàn)最明顯，3m×3m次之，1m×1m最小。

（2）沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯，3種規(guī)格沙障沙丘坡頂?shù)耐寥懒骄笥趯φ眨?m×2m規(guī)格沙障沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡的土壤粒徑都大于對照樣地相應(yīng)部位，1m×1m和3m×3m規(guī)格沙障隨坡位變化規(guī)律不是十分明顯。

（3）沙袋沙障障格內(nèi)不同位置沙粒粒徑分布不同，障格迎風(fēng)向第一拐角處土壤粒徑變化最大，障格中心，是凹曲面形成的中心位置，粒徑變化不是很大。

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