沙袋沙障對(duì)流動(dòng)沙丘地表風(fēng)沙及植被恢復(fù)的影響

袁立敏， 高 永， 汪 季， 閆德仁， 胡生榮， 張興源， 吳 昊

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境工程評(píng)估中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011； 4.內(nèi)蒙古興安盟氣象局， 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

沙漠化地區(qū)干旱、風(fēng)沙盛行，土壤貧瘠，植被種類稀少且覆蓋度較小，惡劣的自然環(huán)境造成區(qū)域植被修復(fù)及治理任務(wù)難度較大。據(jù)第4次全國(guó)荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示[1]，截至2009年底，全國(guó)沙化土地面積為173.11 km2，占國(guó)土總面積的18.03%，與2004年相比，中國(guó)沙化土地面積凈減少8 587 km2，年均減少1 717 km2，絕大部分省(自治區(qū)、直轄市)沙化土地面積均有不同程度的減少。中國(guó)土地沙化整體得到初步遏制，沙化土地面積持續(xù)減少，但是局部地區(qū)仍在擴(kuò)展，沙化土地治理任務(wù)依然不容忽視。

目前，機(jī)械沙障在沙漠化治理中起到了無(wú)可替代的作用，特別是在風(fēng)大、流沙強(qiáng)烈、植被措施無(wú)法單一實(shí)施的沙區(qū)，機(jī)械沙障已經(jīng)成為一種非常實(shí)用、有效的治沙措施。例如常見(jiàn)的機(jī)械沙障主要有柳條沙障、麥草沙障、黏土沙障及礫石沙障等，相關(guān)研究[2-9]認(rèn)為，不同類型沙障有不同的防護(hù)效果，并且同種類型沙障如果工程尺度或規(guī)格不同，其產(chǎn)生的防護(hù)效果也存在較大差異。沙袋沙障屬于低立式沙障，以方格狀平鋪于裸露沙地上，該類型沙障可增加地面粗糙度，消耗過(guò)境近地表氣流或風(fēng)沙流動(dòng)能，從而降低氣流挾沙能力，可有效地阻止地表流沙產(chǎn)生，使沙丘表層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[10]。對(duì)沙袋沙障防護(hù)效益等方面的研究很少[8,11-13]，為此，本研究從沙袋沙障對(duì)風(fēng)與風(fēng)沙流及植被恢復(fù)影響角度出發(fā)，比較研究了3種規(guī)格沙袋沙障的防風(fēng)效能、粗糙度、0—30 cm輸沙率及植被生長(zhǎng)差異。旨在了解裸露沙丘受到沙障保護(hù)固定后其植被恢復(fù)情況，以期為沙袋沙障在沙區(qū)植被恢復(fù)中推廣利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫(kù)布齊沙漠東北緣，達(dá)拉特旗轄區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯40°21′30″—40°22′30″，東經(jīng)109°50′30″—109°51′50″。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量240～360 mm，年蒸發(fā)量2 160 mm，年均氣溫6.1～7.1 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-34.5 ℃，無(wú)霜期130～140 d，8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)27 d，揚(yáng)沙日數(shù)多達(dá)58 d，一般出現(xiàn)在3—5月，年平均風(fēng)速3.3 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)30 m/s。在該區(qū)分布大量的流動(dòng)沙丘和半固定沙丘，固定沙丘主要有北沙柳(SalixpsammophilaC. Wang et Ch. Y. Yang)、黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)、蟲實(shí)(CorispermumhyssopifoliumL.)、沙蓬(AgriophyllumsquarrosumMoq.)、沙鞭〔Psammochloavillosa(Trin.)Borx.〕及豬毛菜(SalsolacollinaPall.)等沙生植被。土壤以栗鈣土、灰漠土、風(fēng)沙土為主。

2 研究方法

2.1 沙障材料

沙袋沙障外層包裝材料是由聚乳酸纖維(PLA纖維)紡織而成，在自然狀態(tài)下類似于袖筒，內(nèi)徑5～6 cm，材料顏色為白色。PLA纖維材料彈性較強(qiáng)，自然狀態(tài)下，灌沙后橫切面直徑可達(dá)9～10 cm。為運(yùn)輸方便，成品材料170 m為一卷，可根據(jù)布設(shè)需要，用剪刀即可裁剪適當(dāng)長(zhǎng)度。

2.2 沙袋沙障設(shè)置

2011年5月在研究區(qū)選擇高度為4～6 m，西北走向，大小相似的4個(gè)流動(dòng)沙丘進(jìn)行PLA沙袋沙障(簡(jiǎn)稱沙袋沙障)設(shè)置。其中1個(gè)沙丘不做任何處理(對(duì)照)；在3個(gè)沙丘的迎風(fēng)坡中部分別進(jìn)行1 m×1 m， 2 m×2 m和3 m×3 m方格狀設(shè)置，鋪設(shè)面積分別是40 m×18 m， 40 m×20 m和42 m×24 m。

2.3 風(fēng)沙測(cè)定

沙袋沙障布設(shè)完畢后，分別在3規(guī)格沙袋沙障樣地內(nèi)架設(shè)HOBO風(fēng)速儀，在沙障方格內(nèi)中心點(diǎn)設(shè)置風(fēng)杯架，設(shè)置風(fēng)杯高度5個(gè)，分別為10，30，50，100和200 cm。同時(shí)在對(duì)照沙丘對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行相同設(shè)置。在大風(fēng)天氣對(duì)沙袋沙障樣地及對(duì)照沙丘同時(shí)進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為2 s，測(cè)定時(shí)間段為30 min，重復(fù)3次。

風(fēng)速風(fēng)向測(cè)定完畢后，將階梯式集沙儀放于風(fēng)速儀附近(不受風(fēng)速儀遮擋等影響)進(jìn)行沙樣采集，采集高度30 cm，共15層，集沙口為方形寬2 cm，集沙儀進(jìn)沙口與主風(fēng)向垂直，底部與地面平齊。在對(duì)照沙丘相同設(shè)置，進(jìn)行同步采集。記錄采集開始時(shí)間，測(cè)定時(shí)間為10 min，記錄結(jié)束時(shí)間，重復(fù)3次。觀測(cè)結(jié)束后，將集沙儀的集沙量進(jìn)行分層稱重。

2.4 指標(biāo)計(jì)算

(1)防風(fēng)效能采用以下公式[14]計(jì)算：

Eh=(Vh1-Vh2)/Vh1×100%

式中：Eh——沙障樣地內(nèi)高度為h處防風(fēng)效能(%)；Vh1——對(duì)照沙丘高度為h處平均風(fēng)速(m/s)；Vh2——沙障樣地內(nèi)高度為h處平均風(fēng)速(m/s)。

(2)粗糙度Z0采用以下公式[14]計(jì)算：

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

式中：Z0——地表平均粗糙度(cm)；Z1，Z2——地面同一位置，不同高度，分別為10和200 cm；A=u2/u1〔u1——高度為Z1處風(fēng)速(m/s)，u2——高度為Z2處風(fēng)速(m/s)〕。

2.5 植被調(diào)查

2012年9月，在鋪設(shè)3種規(guī)格沙袋沙障的沙丘迎風(fēng)坡分別隨機(jī)選取5個(gè)沙障方格對(duì)植被種類、數(shù)量、植株密度、平均高度、平均蓋度等進(jìn)行調(diào)查。設(shè)置樣方面積與沙障方格面積相等，即在3種規(guī)格沙障中調(diào)查樣方大小分別為：1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m。相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算公式：

植株密度=個(gè)體數(shù)目/樣方面積

植被蓋度=底面積或覆蓋面積總值/樣方面積×100%

3 結(jié)果與分析

3.1 沙袋沙障防風(fēng)效益

3.1.1 防風(fēng)效能比較 對(duì)鋪設(shè)沙障和對(duì)照沙丘的迎風(fēng)坡不同高度處風(fēng)速分別進(jìn)行平均，并通過(guò)公式計(jì)算3種規(guī)格沙障10，30，50和100 cm處防風(fēng)效能，結(jié)果如圖1所示。風(fēng)速風(fēng)向測(cè)定時(shí)，為西北風(fēng)。

圖1 3種規(guī)格沙袋沙障樣地不同高度處防風(fēng)效能

注：不同大寫字母表示3種規(guī)格沙袋沙障對(duì)風(fēng)速效能的影響差異顯著程度(p<0.05)； 不同小寫字母表示同規(guī)格沙障對(duì)各高度處防風(fēng)效能的影響差異顯著程度(p<0.05)。

從圖1中可以看出，3種規(guī)格沙袋沙障的防風(fēng)效能順序?yàn)椋? m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m。1 m×1 m規(guī)格沙袋沙障防風(fēng)效能各高度平均值為11.16%，2 m×2 m沙袋沙障為7.63%，3 m×3 m沙袋沙障為6.99%。經(jīng)單因素方差分析，1 m×1 m規(guī)格沙袋沙障防風(fēng)效能與2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格的差異顯著(F=12.68，p<0.05)，2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格之間差異不顯著(F=0.58，p=0.60)。另外，隨著高度的增加，3種規(guī)格沙袋沙障的防風(fēng)效能均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。3種規(guī)格沙障樣地10，30，50及100 cm這4個(gè)高度處的防風(fēng)效能平均值分別為20.70%，9.28%，3.88%和1.51%，沙袋整體防風(fēng)效能均值為8.84%，在10和30 cm高度處防風(fēng)效能高于整體平均值；在10 cm高度處3種規(guī)格沙障防風(fēng)效能相比，1 m×1 m比3 m×3 m的高47.33%，2 m×2 m的比3 m×3 m的高2.83%；在30 cm高度處，1 m×1 m和2 m×2 m規(guī)格沙障的防風(fēng)效能比3 m×3 m的高23.13%和10.97%，但是在30—100 cm高度處，3種規(guī)格沙障防風(fēng)效能無(wú)顯著差異。防風(fēng)效能是近地表風(fēng)速?gòu)?qiáng)度變化的直觀指標(biāo)之一，人們能夠利用其大小快速評(píng)判沙袋沙障對(duì)氣流的削弱能力。沙袋沙障對(duì)10 cm高度處防風(fēng)效能的影響最大，這決定于其本身裸露在沙表面的高度。沙袋沙障灌裝完畢放置于松軟沙表上，其裸露高度僅為5—6 cm，只能起到控制風(fēng)蝕基準(zhǔn)面不變，促使沙丘地表穩(wěn)定的作用，而對(duì)較高處的氣流或風(fēng)沙流的阻擋不起作用。

3.1.2 粗糙度比較 粗糙度是表征下墊面粗糙程度，衡量防風(fēng)固沙效益的重要指標(biāo)。沙袋沙障主要設(shè)計(jì)原理之一就是提高流沙墊面的粗糙度，從而削弱吹向地表的氣流或風(fēng)沙流強(qiáng)度。本試驗(yàn)以200和10 cm高處風(fēng)速值計(jì)算得出沙袋沙障和對(duì)照沙丘地表粗糙度(圖2)。

圖2 3種規(guī)格沙袋沙障樣地及對(duì)照粗糙度

從圖2中可以看出，隨著沙障規(guī)格的增大，地表的粗糙程度顯著降低，但是均明顯高于對(duì)照的。1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格沙袋沙障粗糙度分別比對(duì)照的高91.31%，78.88%和76.26%，3者與對(duì)照相比差異極顯著(F=30.96，p<0.001)。1 m×1 m規(guī)格沙障粗糙度與2 m×2 m和3 m×3 m的差異顯著(F=43.44，p<0.005)，而2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格沙障粗糙度之間差異不顯著(F=2.21，p=0.28)。沙袋沙障裸露于沙表，使原本光滑的沙表面凸凹不平，地表粗糙程度增大。并且不同規(guī)格方格沙障[15]，不論其是何種材料，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間、一定強(qiáng)度氣流吹蝕后，便會(huì)在沙障方格內(nèi)形成凹曲面，而且這種地表結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。沙袋沙障經(jīng)過(guò)幾次大風(fēng)之后，1 m×1 m規(guī)格沙障形成的凹曲面較深，地表凸凹程度加大，粗糙度增大，從而導(dǎo)致其對(duì)地表氣流擾動(dòng)及阻礙作用增強(qiáng)[16]。

3.2 沙袋沙障對(duì)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的影響

在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)1 m×1 m，2 m×2 m，3 m×3 m和對(duì)照沙丘樣地內(nèi)0—30 cm高度的輸沙量進(jìn)行采集，采集時(shí)間10 min，2 m高度處的平均風(fēng)速為7.1 m/s，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，對(duì)照沙丘0—30 cm高度處輸沙率遵循指數(shù)函數(shù)變化，隨著采集高度的增大，輸沙率呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，在0—10 cm內(nèi)，輸沙率遞減趨勢(shì)顯著(F=374.64，p<0.001)，在11—30 cm內(nèi)，輸沙率遞減趨勢(shì)減弱(F=1.26，p=0.32)。沙袋沙障防護(hù)下沙丘0—3 cm高度輸沙率也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在10—30 cm內(nèi)呈現(xiàn)平緩變化趨勢(shì)。

圖3 3種規(guī)格沙袋沙障與對(duì)照(0-30 cm)輸沙率

沙丘鋪設(shè)沙障后，其0—30 cm輸沙率與對(duì)照沙丘呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，都是先減小后變平緩，布設(shè)沙袋沙障后沙丘輸沙率在3 cm高度處輸沙率已經(jīng)開始趨于平緩，裸沙丘輸沙率在15 cm高度處才開始趨于平緩。

從圖3中還可以看出，沙袋沙障防護(hù)沙丘0—30 cm各層輸沙率均在0.2 g/(min·cm2)以下，每層輸沙率均顯著小于對(duì)照(F=4.29，p<0.005)，說(shuō)明沙袋沙障能夠有效改變地表0—30 cm風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，并顯著降低了沙粒在氣流中的含量。在地表0—2 cm輸沙率相對(duì)較多，是由于沙粒的躍移和蠕移導(dǎo)致，而隨著高度的增加，上層懸移沙粒數(shù)量逐漸減小。3種規(guī)格沙袋沙障相比，1 m×1 m規(guī)格沙袋沙障對(duì)30 cm高度內(nèi)的輸沙率影響程度最大，2 m×2 m次之，3 m×3 m最小(F=10.04，p<0.01)。規(guī)格越小，單位面積內(nèi)出現(xiàn)的沙袋沙障數(shù)量越多，對(duì)近地表氣流或風(fēng)沙流有連續(xù)的阻礙作用，大大降低了氣流強(qiáng)度，使進(jìn)入空中的沙粒相對(duì)數(shù)量減少，最終達(dá)到風(fēng)過(guò)而不起沙的效果。

3.3 沙袋沙障防護(hù)區(qū)植被恢復(fù)情況

沙袋沙障對(duì)氣流或風(fēng)沙流能夠產(chǎn)生有效的阻擋，較大程度地降低了流沙表面的風(fēng)蝕程度，使土壤表層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為植被的生長(zhǎng)與存活提供了適宜的土壤環(huán)境，所以沙袋沙障對(duì)植被的恢復(fù)也有一定的促進(jìn)作用。在沙袋沙障鋪設(shè)1 a后(2012年6月)，沙障方格內(nèi)已經(jīng)有大量的沙蓬(AgriophyllumsquarrosumMoq.)、黑沙蒿、蟲實(shí)與豬毛菜等生長(zhǎng)。對(duì)沙袋沙障和對(duì)照沙丘的植被種類、密度、高度和蓋度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行調(diào)查，各項(xiàng)指標(biāo)的平均值見(jiàn)表1。

表1 3種規(guī)格沙袋沙障和對(duì)照沙丘各項(xiàng)植被指標(biāo)

從表1可以看出，鋪設(shè)沙袋沙障的沙丘的平均植物種數(shù)、高度、密度及蓋度均高于對(duì)照沙丘，說(shuō)明沙障對(duì)植被的恢復(fù)有一定促進(jìn)作用。與對(duì)照相比，沙袋沙障樣地植物種類比對(duì)照多一種，平均高度、密度和蓋度分別比對(duì)照的高91.5%，71.1%和125.4%。說(shuō)明裸沙丘在沙袋沙障防護(hù)一段時(shí)間后，在自然降雨條件下，沙生植物種子在結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的沙土中會(huì)很快萌發(fā)生長(zhǎng)。沙袋沙障屬于平鋪式沙障，主要是防止地表遭到風(fēng)蝕，對(duì)過(guò)境風(fēng)沙流中攜帶沙粒的攔截效果較差。在一般情況下，防護(hù)區(qū)內(nèi)很少出現(xiàn)積沙。且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間氣流作用后最終會(huì)形成一種平衡狀態(tài)，即在氣流(或風(fēng)沙流)經(jīng)過(guò)沙丘表面時(shí)，由于沙障的阻礙作用，在沙障方格內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生旋渦，每個(gè)沙障方格先遭到風(fēng)蝕，經(jīng)過(guò)幾場(chǎng)大風(fēng)后，方格內(nèi)最終會(huì)形成光滑穩(wěn)定的凹曲面[17]，只有形成凹曲面，沙丘地表結(jié)構(gòu)才會(huì)穩(wěn)定[15]，從而為植被的生長(zhǎng)提供了一個(gè)穩(wěn)定的基質(zhì)條件。

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m這3種規(guī)格沙袋沙障植物種均為沙米、蟲實(shí)、豬毛菜和油蒿，而在對(duì)照沙丘上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)油蒿生長(zhǎng)；且隨著沙袋沙障規(guī)格的增大，植被高度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，3種規(guī)格沙袋沙障植被平均高度分別比對(duì)照的高76.0%,85.3%和113.3%，3 m×3 m沙袋沙障的植被高度達(dá)到了16.0 cm；3種規(guī)格沙袋沙障植被密度分別比對(duì)照的高37.3%，88.0%和88.0%；隨著沙障規(guī)格的增大，植被蓋度也出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，2 m×2 m和3 m×3 m均比1 m×1 m的高23.6%,56.1%；3者均比對(duì)照的高78.1%，120.1%和178.1%。沙障的規(guī)格不同，其防護(hù)效果也會(huì)出現(xiàn)差異[5,18]。3 m×3 m沙袋沙障防護(hù)沙丘植被長(zhǎng)勢(shì)最好，2 m×2 m次之，1 m×1 m的最差，但是均顯著高于對(duì)照。1 m×1 m沙袋沙障的穩(wěn)定性較差，形成的凹曲面障間蝕積系數(shù)最大，迎風(fēng)坡達(dá)到1/10.1[16]，原來(lái)存在流沙表土中的沙生植物種子也被氣流吹蝕，隨沙粒而去，而過(guò)境的沙粒及種子等無(wú)法在沙障方格內(nèi)堆積，造成植被種子數(shù)量急劇減少。另外，規(guī)格越小單位面積內(nèi)沙袋個(gè)數(shù)較多，所以對(duì)過(guò)境氣流的擾動(dòng)也越頻繁，并對(duì)植被生長(zhǎng)造成影響，致使植被長(zhǎng)勢(shì)較差。

4 結(jié) 論

(1)沙袋沙障能夠有效提高防風(fēng)效能，在0—30 cm高度處防風(fēng)效能提高程度顯著，隨著高度的增大，防風(fēng)效能呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，到100 cm處，平均防風(fēng)效能僅為0.84%。沙障規(guī)格不同，防風(fēng)效能也存在差異，3種規(guī)格沙袋沙障防風(fēng)效能順序?yàn)椋? m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m。

(2)地表粗糙程度隨著沙障規(guī)格的增大也呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)。1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格沙袋沙障地表粗糙度分別比對(duì)照高91.31%，78.88%和76.26%，2 m×2 m和3 m×3 m規(guī)格沙障粗糙度差異不顯著。

(3)沙袋沙障能夠有效減小0—30 cm輸沙量，各層輸沙率均在0.2 g/(min·cm2)以下，每層輸沙率均顯著小于對(duì)照。3種規(guī)格沙袋沙障相比，1 m×1 m規(guī)格沙袋沙障對(duì)30 cm高度內(nèi)的輸沙率影響程度最大，2 m×2 m次之。

(4)沙袋沙障對(duì)植被的恢復(fù)也有一定的促進(jìn)作用，植被平均高度、密度和蓋度分別比對(duì)照的高91.5%，71.1%和125.4%。隨著沙袋沙障規(guī)格的增大，植被各指標(biāo)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

沙袋沙障設(shè)置后，地表先遭受風(fēng)蝕，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間沙面最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為沙生先鋒植被的生長(zhǎng)提供了保障，經(jīng)過(guò)沙障和沙生先鋒植被的防護(hù)，又可以為多年生植被的入侵發(fā)展提供適宜生長(zhǎng)條件。如果能夠得到沙袋沙障長(zhǎng)時(shí)間的防護(hù)作用，植被多樣性、植被植株長(zhǎng)勢(shì)均會(huì)得到顯著提高，也為沙區(qū)后期人工造林等措施的實(shí)施提供良好的基礎(chǔ)。所以，沙袋沙障的應(yīng)用將會(huì)提高流動(dòng)沙丘植被建植與恢復(fù)的成功率。

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