新疆策勒縣固定沙地駱駝刺帶狀平茬對地表蝕積變化的影響

毛東雷, 雷加強(qiáng), 龐營軍, 王 翠,3,4, 周 杰,3,4, 薛 杰,3,4

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054;2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊830011; 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049; 4.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 新疆 策勒 848300)

新疆策勒縣固定沙地駱駝刺帶狀平茬對地表蝕積變化的影響

毛東雷1,2,4, 雷加強(qiáng)2,4, 龐營軍2, 王 翠2,3,4, 周 杰2,3,4, 薛 杰2,3,4

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054;2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊830011; 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049; 4.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 新疆 策勒 848300)

[目的] 在對新疆策勒綠洲—沙漠過渡帶綠洲邊緣的固定沙地風(fēng)蝕風(fēng)積變化研究基礎(chǔ)上，結(jié)合地表風(fēng)速變化分析，探討駱駝刺帶狀平茬和地形等對地表蝕積變化影響及其規(guī)律。[方法] 采用插釬法、地形測量法、風(fēng)速野外觀測等方法。[結(jié)果] 春季駱駝刺平茬初期，由于地表植被覆蓋度大量減少，平茬帶和保留帶內(nèi)地表主要以風(fēng)蝕為主。夏季隨著植被覆蓋度的增加，地表主要以風(fēng)積為主，地勢較低、植被稀疏地表以輕微風(fēng)蝕為主，秋季地表植被蓋度基本保持最大和穩(wěn)定，同時(shí)風(fēng)力的減弱明顯地減少了地表的風(fēng)蝕量和風(fēng)積量，地表主要以風(fēng)積為主。[結(jié)論] 春季駱駝刺帶狀平茬4 m保留3 m寬度利用方式不能有效地抵御地表風(fēng)蝕危害，而夏秋季具有較好的防護(hù)效益。

蝕積變化; 駱駝刺; 帶狀平茬; 覆蓋度; 新疆策勒縣

風(fēng)蝕和沙塵暴對地表土壤的大量搬運(yùn)和堆積作用，是導(dǎo)致干旱半干旱地區(qū)土地沙化和荒漠化進(jìn)程最重要、最直接的過程之一[1]。Wolfe和Nickling[2]研究表明植被具有覆蓋地表免受直接吹蝕、分散地表風(fēng)動量、阻止被蝕物質(zhì)運(yùn)動3種形式影響風(fēng)蝕。曾凡江等[3]研究表明駱駝刺(Alhagisparsifolia)是生長于荒漠、半荒漠區(qū)的多年豆科木質(zhì)化草本植物，尤其在塔里木盆地駱駝刺既是防風(fēng)固沙的重要自然植被，又是草食家畜不可缺少、也無法替代的飼草種之一。董志國、熱合木都拉、李瑞年等[4-7]研究了駱駝刺的改土治沙、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其利用，指出駱駝刺是牧草、草藥、防風(fēng)固沙的經(jīng)濟(jì)物種。黃彩變等[8]對留茬高度對駱駝刺生長發(fā)育和產(chǎn)草量影響進(jìn)行了研究，指出駱駝刺的生長季(5—9月)和起沙風(fēng)的頻發(fā)期相吻合，建議在9月份后對駱駝刺進(jìn)行齊地面刈割。李海峰等[9]研究了不同干擾方式對疏葉駱駝刺形態(tài)特征及地上生物量的影響。王雪芹等[10]、李振武等[11]研究了駱駝刺群落的防風(fēng)阻沙作用及綠洲外圍植被生態(tài)防護(hù)效益。策勒綠洲邊緣具備可靠防護(hù)功能駱駝刺植被群落蓋度≥30%[12]。趙彩霞等[13]研究指出在防風(fēng)蝕的作用效應(yīng)中灌木>多年生牧草>林木>作物>1年生牧草。

上述研究多針對駱駝刺經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值、有效生態(tài)恢復(fù)、防風(fēng)蝕效應(yīng)等開展的，而針對天然駱駝刺合理的帶狀平茬人為干擾方式對駱駝刺資源合理使用和地表蝕積變化影響研究鮮有報(bào)道。駱駝刺植被尤其在新疆南疆地區(qū)具有重要的牧草價(jià)值和防風(fēng)固沙功能。本文針對風(fēng)沙危害十分嚴(yán)重的策勒地區(qū)，選取靠近綠洲農(nóng)田的天然駱駝刺固定沙地為研究對象，探討春季駱駝刺齊地面帶狀平茬對地表風(fēng)蝕、風(fēng)積變化影響及其規(guī)律，從而為合理利用駱駝刺資源、綠洲—沙漠過渡帶生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)、防止綠洲農(nóng)田免受大面積的風(fēng)蝕危害提供一定理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒縣位于塔克拉瑪干沙漠南緣與昆侖山北麓之間，地理位置80°03′24″—82°10′34″E,35°l7′55″—39°30′00″N，屬典型內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱少雨，光熱充足，晝夜溫差大，極端最高氣溫41.9 ℃，極端最低氣溫-23.9 ℃。多年平均降水量為35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2 600 mm。由于地處塔里木盆地兩大主導(dǎo)風(fēng)向(NW，NE)的下風(fēng)區(qū)域，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，多年平均沙塵日數(shù)25.2 d，最多年高達(dá)59 d，每年8級以上大風(fēng)3～9次[14]。在歷史上策勒縣城曾3次因風(fēng)沙埋沒而被迫遷移，風(fēng)沙災(zāi)害天氣嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究區(qū)風(fēng)向以WNW，W風(fēng)為主，頻率占62.43%～76.25%，NW風(fēng)次之，頻率占17.75%[15]；策勒綠洲區(qū)流動沙丘沙粒度平均值以極細(xì)沙為主，其中極細(xì)沙含量多在70%左右，粉沙含量20%，細(xì)沙含量較低[16]。策勒綠洲—沙漠過渡帶綠洲邊緣的天然固定沙地地表主要分布駱駝刺群落，地勢相對較為平緩，駱駝刺沙堆形態(tài)多不發(fā)育，總體植被蓋度67%。

1.2 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究方法

在固定沙地選取2塊植被蓋度和地形不同樣方和一條長約130 m的自西向東斷面線樣帶，2010年4月初進(jìn)行駱駝刺人工帶狀齊地面平茬，帶狀平茬寬度和保留寬度分別為4 m，3 m(圖1)。平茬樣方1東西長8.5 m，南北寬8 m，樣方2東西長9.5 m，南北寬7 m。地表形態(tài)主要以丘狀突起駱駝刺灌叢沙堆和丘間裸平沙地為主，相對高差在0～1.2 m之間。樣方和樣帶內(nèi)平均0.5～1.5 m間距插一根風(fēng)蝕釬，風(fēng)蝕釬直徑約為3 mm，長60 cm,首次插釬插入地表以下30 cm、出露地表高度為30 cm。在樣地附近安裝一個(gè)氣象觀測站，氣象站型號為HOBOU30，觀測指標(biāo)有風(fēng)速、風(fēng)向等，觀測時(shí)間間隔為1 min。平茬前的駱駝刺平均干重為305.77 g/m2，由于駱駝刺植被呈斑塊狀分布，2個(gè)觀測樣方平茬前地表植被蓋度都小于40%，平茬4個(gè)月后蓋度有所恢復(fù)，樣方1和樣方2植被蓋度分別為28.26%，35.22%。根據(jù)每次觀測階段樣地內(nèi)風(fēng)蝕釬的高度差，利用Surfer 8.0軟件計(jì)算地表蝕積變化量，插釬前用全站儀測定每個(gè)樣地和樣帶的原始地形。駱駝刺平茬樣帶斷面線地形起伏較大，有4個(gè)起伏較大的駱駝刺灌叢沙堆，地勢自西向東整體逐漸升高(圖2)。觀測日期為2010年4月16日至2010年11月4日，半個(gè)月至1個(gè)月觀測1次，共有春季、夏季、秋季7個(gè)連續(xù)觀測階段。研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南緣，其2 m高起沙風(fēng)速取5 m/s[17-19]。

所有蝕積數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)采用Excel 2003，Surfer 8.0，Origin 8.0軟件分析并制圖。

注：·代表風(fēng)蝕釬所在位置； +代表植被根部位置。下同。圖1 駱駝刺平茬樣方植被及風(fēng)蝕釬分布

圖2 駱駝刺平茬樣帶地形線(從左到右為自西向東)

2 結(jié)果與分析

2.1 駱駝刺平茬樣方蝕積變化

在4月16日至5月12日和5月12日至5月21日觀測階段，駱駝刺樣方1平茬帶內(nèi)以輕微風(fēng)蝕為主，保留帶內(nèi)地表主要以局部風(fēng)蝕和風(fēng)積為主，這是因?yàn)楸Ａ魩?nèi)植被分布較少且稀疏，保留帶西側(cè)存在一個(gè)風(fēng)蝕凹地。第一個(gè)階段風(fēng)蝕量大于第二個(gè)階段風(fēng)蝕量，最大風(fēng)蝕深度6 cm，在5月21日至6月4日和6月4日至7月20日2個(gè)階段地表發(fā)生輕微的蝕積變化(圖3)。駱駝刺平茬樣方2在4月16日—5月12日階段平茬帶地表主要以風(fēng)蝕為主，前2個(gè)觀測階段保留帶內(nèi)裸平沙地表面也以風(fēng)蝕為主，這是因?yàn)樵诖杭韭懵渡扯秧敳匡L(fēng)速較大，植被蓋度的減小有利于地表風(fēng)蝕的加劇。進(jìn)入夏季后風(fēng)蝕量逐漸減少，地勢較低和植被蓋度稀疏的地表表現(xiàn)出相對較大的風(fēng)蝕量，最大風(fēng)蝕深度1.3 cm(圖4)。4月16日至5月12日觀測階段，樣方1地表堆積率和侵蝕率分別為34.67%，65.33%(表1)，樣方2地表堆積率和侵蝕率分別為39.44%，60.56%(表2)，都主要以風(fēng)蝕為主，風(fēng)蝕和風(fēng)積主要分別發(fā)生在平茬帶和保留帶，說明植被蓋度和地形都會對地表風(fēng)蝕和風(fēng)積量產(chǎn)生一定影響。

在7月20日至8月22日、8月22日至10月4日2個(gè)觀測階段，2個(gè)樣方內(nèi)地表植被蓋度都有所恢復(fù)，同時(shí)這2個(gè)觀測階段近地表風(fēng)力有所減弱。在7月20日至8月22日觀測階段，2個(gè)樣方內(nèi)地表主要以風(fēng)積為主，樣方1平茬帶內(nèi)灌叢沙堆南部低地上出現(xiàn)了風(fēng)蝕，最大風(fēng)蝕深度0.6 cm，最大風(fēng)積深度1.5 cm，樣方1地表風(fēng)積深度大于樣方2地表風(fēng)積深度。樣方2保留帶南側(cè)裸沙地出現(xiàn)了輕微風(fēng)蝕，最大風(fēng)蝕深度0.8 cm，風(fēng)積主要發(fā)生在植被根部及背風(fēng)坡處。在灌叢沙堆側(cè)翼裸平沙地上表現(xiàn)出一定程度的風(fēng)蝕(圖5)。在8月22日至10月4日觀測階段，樣方1地表整體以風(fēng)積為主，樣方2地表整體表現(xiàn)出輕微的地表風(fēng)蝕，保留帶北側(cè)風(fēng)蝕深度大于其余地表(圖5)。7月20日至8月22日觀測階段，2個(gè)樣方內(nèi)平茬帶地表主要以風(fēng)積為主，裸露沙地表面有輕微風(fēng)蝕現(xiàn)象，且平均風(fēng)積深度在一年內(nèi)表現(xiàn)出最大。在此觀測階段，平茬樣方1地表堆積率和侵蝕率分別為80.34%，19.66%(表1)，平茬樣方2地表堆積率和侵蝕率分別為79.77%，20.23%(表2)，說明春季對駱駝刺進(jìn)行帶狀平茬3～4個(gè)月后，地表植被蓋度達(dá)到最大，其階段駱駝刺等灌草防風(fēng)固沙的能力也達(dá)到全年最強(qiáng)。

駱駝刺平茬樣方1和樣方2在平茬后第一個(gè)階段地表單位面積風(fēng)蝕量最大，分別為0.003 85和0.002 51 m3/m2，然后又逐漸減小，隨著觀測時(shí)間間隔的延長和起沙風(fēng)時(shí)間的增加，地表風(fēng)蝕量又有所增加。地表風(fēng)積量呈逐漸增大趨勢，然后夏季過后又大幅度下降并基本保持穩(wěn)定(表1—2)，這說明了駱駝刺平茬后的1個(gè)月內(nèi)地表風(fēng)蝕量顯著增加，隨著新生駱駝刺從平茬根部不斷萌發(fā)生長，地表植被覆蓋度逐漸增加，其防風(fēng)固沙能力也逐漸增強(qiáng)。天然駱駝刺的平茬一定程度上有利于駱駝刺的萌發(fā)和生長，增加地表生物量。策勒春夏季是沙塵暴和揚(yáng)沙天氣頻發(fā)的季節(jié)，春季天然植被蓋度低，抵御風(fēng)沙能力不如夏季，易對天然駱駝刺荒漠區(qū)周邊新開墾的農(nóng)田造成風(fēng)沙危害。春季駱駝刺帶狀平茬初期易造成地表風(fēng)蝕量加劇，但駱駝刺萌發(fā)迅速，隨植被蓋度的恢復(fù)又增加了駱駝刺群落防風(fēng)固沙的能力。

圖3 駱駝刺平茬樣方1蝕積變化

圖4 駱駝刺平茬樣方2蝕積變化

圖5 駱駝刺平茬樣方1和樣方2蝕積變化表1 樣方1觀測階段風(fēng)速及蝕積變化量

時(shí)間段平均風(fēng)速/(m·s-1)最大風(fēng)速/(m·s-1)起沙時(shí)間/min堆積量/m3侵蝕量/m3凈蝕積量/m3堆積率/%侵蝕率/%0416—05125.8747.994830.0811-0.2610-0.179934.6765.330512—05215.86610.281550.0397-0.1276-0.087933.8866.120521—06046.0629.907440.3040-0.06110.242979.4620.540604—07205.7727.996350.0997-0.08540.014350.1549.850720—08225.8547.9911710.1712-0.02900.142280.3419.660822—10045.7288.385870.0435-0.1130-0.069533.0067.001004—11076.80910.285130.2020-0.03800.164078.9421.06

注：正數(shù)代表堆積，負(fù)數(shù)代表侵蝕。下同。

表2 樣方2觀測階段風(fēng)速及蝕積變化量

2.2 駱駝刺平茬樣帶蝕積變化

駱駝刺平茬后的第一個(gè)觀測階段，平茬樣帶地表整體以風(fēng)蝕為主，且風(fēng)蝕量表現(xiàn)出最大。5月12日至5月21日觀測階段，平茬樣帶地表整體風(fēng)蝕量大于風(fēng)積量，且風(fēng)蝕程度有所減弱。駱駝刺根部地形較高的部位主要以風(fēng)積為主，地勢較低的裸沙地表主要以輕微風(fēng)蝕為主。隨著平茬駱駝刺根部新生駱駝刺的萌發(fā)生長，5月21日至6月4日觀測階段駱駝刺平茬樣帶地表整體以風(fēng)積為主，風(fēng)積主要分布在駱駝刺根部、根后和根前部位，只有在裸沙地表少量發(fā)生風(fēng)蝕。6月4日至7月20日觀測階段，由于觀測周期和起沙風(fēng)時(shí)間較長，地表整體風(fēng)蝕量略大于風(fēng)積量。7月20日至8月22日觀測階段，地表起沙風(fēng)時(shí)間最長，平茬后恢復(fù)的駱駝刺冠幅也達(dá)到了最大并且相對穩(wěn)定，8月22日至10月4日秋季觀測階段，風(fēng)力有所減弱，駱駝刺平茬樣帶地表風(fēng)蝕量和風(fēng)積量都明顯減弱(圖6)。

圖6 駱駝刺條狀平茬樣帶地表蝕積變化

3 討 論

本文研究表明春季平茬4 m保留3 m的利用方式并不能有效地抵御春季風(fēng)蝕危害。李海峰等[9]研究指出春季砍伐使疏葉駱駝刺株高、冠幅和生物量降低，葉片生物量、刺的長度和直徑增加。秋季砍伐使疏葉駱駝刺株高和冠幅降低，但分枝數(shù)量和生物量增加，秋季適度的砍伐有利于塔克拉瑪干沙漠南緣疏葉駱駝刺的保護(hù)。從經(jīng)濟(jì)的角度來說秋季砍伐有利于駱駝刺的保護(hù)，能使駱駝刺分枝和生物量增加，但是否有利于減少春季地表風(fēng)蝕危害，還需要進(jìn)一步通過秋季駱駝刺的不同寬度帶狀平茬試驗(yàn)來驗(yàn)證。李小明等[12]研究指出策勒綠洲邊緣駱駝刺群落植被蓋度≥30%才能有效地抵御風(fēng)沙。固定沙地地表總體植被蓋度為67%，駱駝刺分布多呈斑塊狀，采取合理的帶狀平茬方式使地表植被蓋度不小于30%，是否能使駱駝刺群落起到較好的防風(fēng)阻沙作用還需要進(jìn)一步野外驗(yàn)證。另外，駱駝刺平茬的寬度、駱駝刺合理的排列方式、平茬季節(jié)等影響因素在以后試驗(yàn)中都應(yīng)充分對比研究。

4 結(jié) 論

(1) 春季對駱駝刺帶狀平茬，有利于平茬根部駱駝刺的快速萌發(fā)、生長和增加駱駝刺生物量，在平茬后3～4個(gè)月后地表植被蓋度達(dá)到最大，其階段駱駝刺等灌草對沙質(zhì)地表防風(fēng)固沙的能力也達(dá)到最大。

(2) 駱駝刺帶狀平茬后的第一個(gè)觀測階段，平茬樣帶地表整體以風(fēng)蝕為主，且風(fēng)蝕量表現(xiàn)出最大。在第二個(gè)觀測階段，駱駝刺平茬樣帶地表整體風(fēng)蝕量大于風(fēng)積量，且風(fēng)蝕程度有所減弱。隨著平帶駱駝刺植被蓋度的恢復(fù)，平茬帶沿主風(fēng)向在夏秋季地表主要表現(xiàn)為風(fēng)積，且風(fēng)蝕量大大減少。

(3) 春季駱駝刺帶狀平茬4 m保留3 m寬度利用方式并不能有效地抵御春季的地表風(fēng)蝕危害，植被恢復(fù)后在夏秋季具有較好的防風(fēng)固沙效益。

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Influences ofAlhagiSparsifoliaStumping on Sand Surface Erosion and Deposition in Cele County of Xinjiang Uygur Autonomous Region

MAO Donglei1,2,4, LEI Jiaqiang2,4, PANG Yingjun2, WANG Cui2,3,4, ZHOU Jie2,3,4, XUE Jie2,3,4

(1.CollegeofGeographySciencesandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;4.CeleNationalStationofObservationandResearchforDesert-GrasslandEcosysteminXinjiang,Cele,Xinjiang848300,China)

[Objective] Based on previous research of wind erosion and deposition in oasis-desert zone, we aimed to explore the influences ofAlhagisparsifoliastumping and topography on sand surface erosion and deposition in Cele County of Xinjiang Uygur Atonomous Region. [Methods] Erosion pins were used and topographic surveys and wind velocity observations were conducted. [Results] The surfaces of stumping belts and reservation belts were dominated by wind erosion due to the large decreasing of vegetation coverage at the beginning ofA.sparsifoliastumping in spring. Wind deposition occurred on the surfaces ofA.sparsifoliaquadrates due to the increased vegetation coverage in summer. Slight wind erosion mainly occurred on the surface with sparse vegetation and low topographic position. In autumn, as the vegetation coverage on the land surface maintained maximum and stable, wind erosion and deposition decreased, and the sand surface was dominated by wind deposition. [Conclusion]A.sparsifoliastumping with width of 4 m and 3 m for stumping belt and preserving belt, respectively, may not effectively prevent wind erosion in spring, but can effectively prevent wind erosion in summer and autumn.

changes of wind erosion and wind deposition;Alhagisparsifolia; stripe stumping; vegetation coverage; Cele County of Xinjiang Uygur Autonomous Region

2014-07-21

2014-08-23

新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目子課題“綠洲外圍節(jié)水型生物防護(hù)體系構(gòu)建及可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)開發(fā)與示范”(201130106-1); 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院地理學(xué)博士點(diǎn)支撐學(xué)科和新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”基金項(xiàng)目; 公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201106025)

毛東雷(1975—),男(漢族),新疆維吾爾自治區(qū)石河子市人,博士,講師,主要研究方向?yàn)轱L(fēng)沙地貌及荒漠化防治。E-mail:donglei6325@sina.com。

雷加強(qiáng)(1961—),男(漢族),陜西省高陵縣人,博士,研究員,主要從事荒漠化防治及風(fēng)沙物理等方面的研究。 E-mail:desert@ms.xjb.ac.cn。

A

1000-288X(2015)05-0173-07

S727.23