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    埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障的固沙效應(yīng)及其應(yīng)用前景

    2017-04-24 10:31:26王強(qiáng)強(qiáng)唐進(jìn)年楊自輝張劍揮郭樹江
    中國(guó)水土保持 2017年4期
    關(guān)鍵詞:沙障民勤輸沙

    王強(qiáng)強(qiáng),唐進(jìn)年,楊自輝,張劍揮,郭樹江

    (1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 民勤 733300;2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地),甘肅 武威 733000;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所,北京100091)

    埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障的固沙效應(yīng)及其應(yīng)用前景

    王強(qiáng)強(qiáng)1,2,唐進(jìn)年3,楊自輝1,2,張劍揮1,2,郭樹江1,2

    (1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 民勤 733300;2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地),甘肅 武威 733000;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所,北京100091)

    埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障;固沙效益;應(yīng)用前景

    土地沙化是我國(guó)當(dāng)前最為嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題,沙障作為防沙治沙的主要措施之一,在我國(guó)干旱沙區(qū)發(fā)揮了重要作用。在流動(dòng)沙丘上布設(shè)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障,能阻截近地面風(fēng)沙流和增加植被覆蓋度,具有良好的固沙效益。和黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障相比,埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有材料運(yùn)輸方便、操作技術(shù)簡(jiǎn)單、投入成本低、防護(hù)時(shí)效長(zhǎng)、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn),推廣應(yīng)用前景廣闊。

    土地沙化是我國(guó)當(dāng)前最為嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題,第五次全國(guó)荒漠化和沙化土地監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,全國(guó)沙化土地面積為172.12萬(wàn)km2,占國(guó)土總面積的17.93%。植樹造林和設(shè)置沙障是防沙治沙的兩大基本措施[1],對(duì)于風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重或水資源短缺等立地條件較差的干旱沙區(qū),通過(guò)大面積植樹造林來(lái)防沙治沙已不可取,沙障成為主要的固沙措施[2]。目前主要有黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障等,這幾種沙障的推廣應(yīng)用對(duì)我國(guó)干旱沙區(qū)防沙治沙發(fā)揮了重要作用[3-7],但是也存在諸多問(wèn)題,如:黏土沙障取土困難,用工量大,同時(shí)設(shè)置黏土沙障容易造成土壤板結(jié),形成地表徑流,阻止水分的入滲[8];麥草方格沙障材料緊缺,沙區(qū)運(yùn)輸材料難度大,操作復(fù)雜且防護(hù)的時(shí)效性差[9];塑料網(wǎng)方格沙障施工相對(duì)容易,防護(hù)時(shí)效性長(zhǎng),但是投入成本高[9-10];沙障作為植物固沙措施的輔助措施,經(jīng)常被設(shè)置在半固定沙丘和稀疏固沙植被區(qū),在流動(dòng)沙丘上設(shè)置容易被風(fēng)掏蝕和沙埋,很難在流動(dòng)沙丘治理中應(yīng)用[10-11]。這些因素使黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網(wǎng)方格沙障在推廣應(yīng)用中受到限制[12]。因此,探索經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的治沙材料和方法顯得尤為重要。筆者詳細(xì)敘述了埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障的施工方法,對(duì)其固沙效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了分析,以期為我國(guó)干旱沙區(qū)防沙治沙工程的實(shí)施和流動(dòng)沙丘的治理提供新材料、新技術(shù)。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)選擇在民勤干旱沙區(qū),地處河西走廊東端,石羊河流域尾閭,地理位置101°59′~104°12′E、38°08′~39°26′N。區(qū)內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占土地面積的94.2%,綠洲占5.8%,綠洲夾在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間。區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆诘湫痛箨懶詺夂?,降水稀少,氣候干燥,大風(fēng)天氣多。年平均降水量l16.5 mm,年平均蒸發(fā)量2 359.7 mm;多西北風(fēng),多年平均大風(fēng)日數(shù)26.3 d、沙塵暴日數(shù)25 d、揚(yáng)沙日數(shù)37.5 d、浮塵日數(shù)29.7 d,年平均風(fēng)速2.3 m/s,起沙風(fēng)速大于5.0 m/s。根據(jù)民勤治沙綜合試驗(yàn)站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),試驗(yàn)區(qū)地下水位從1961年的2.24 m下降到2014年的23.25 m,民勤綠洲邊緣生態(tài)地下水位臨界范圍在7~11 m[13],超過(guò)此范圍所有植物都無(wú)法利用地下水;民勤綠洲多年平均降水量為116.5 mm,主要集中在7—9 月,且降雨強(qiáng)度小,植物利用的有效性差[14-15]。因此,地下水位的迅速下降和降水的低利用率,導(dǎo)致民勤綠洲邊緣固沙植被大面積衰退死亡,沙塵暴頻繁,生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化[16]。

    2 研究方法

    2.1 試驗(yàn)地選擇

    試驗(yàn)地選擇在民勤治沙綜合試驗(yàn)站西北約8 km零星分布的帶狀流動(dòng)沙丘上,沙丘寬60~80 m,迎風(fēng)坡長(zhǎng)70~100 m,背風(fēng)坡長(zhǎng)8~15 m,沙丘頂部高3~4 m,流動(dòng)沙丘上只有少量零星分布的1年生草本植物沙米(Agriophyllumsquarrosum),流動(dòng)沙丘上風(fēng)向約1 km為3~8 m高的流動(dòng)沙丘,其間為相間分布的丘間覆沙地、粗礫質(zhì)覆沙地、少量的半固定白刺沙包(蓋度約3%~5%)、河灘地,地表粗糙度低,沙源豐富。

    2.2 沙障材料及布設(shè)方法

    埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障材料選用網(wǎng)寬為30 cm、孔隙度為30%的塑料網(wǎng),塑料網(wǎng)的主要原料是高密度聚乙烯(HDPE),添加抗UV添加劑,抗紫外線能力強(qiáng),可在沙漠地區(qū)惡劣的自然環(huán)境下使用10 a以上。

    沙障布設(shè)前首先要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和沙丘、沙紋的形態(tài)特征,確定布設(shè)地主風(fēng)向,然后按沙障行帶的走向同主風(fēng)向垂直的原則進(jìn)行布設(shè)。沙障一般設(shè)置在流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡。首先,在沙面上開一條15 cm左右深的溝,溝的走向與主風(fēng)向垂直,然后把塑料網(wǎng)拉直繃緊鋪在溝內(nèi),塑料網(wǎng)迎風(fēng)面一邊露出沙面6~8 cm,回填沙子(圖1),沙障行帶間距為1 m。

    圖1 埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障設(shè)置示意

    2.3 植被調(diào)查

    分別在沙障布設(shè)區(qū)和對(duì)照流動(dòng)沙丘(CK)上選擇植被樣地,于2014年10月底(植物生長(zhǎng)末期)進(jìn)行植被調(diào)查。樣地設(shè)置方法是沿沙丘中線,分別在沙丘底部、中部、頂部設(shè)置2 m×2 m的觀測(cè)樣方,平行設(shè)置3個(gè)重復(fù)。分別調(diào)查樣方內(nèi)每一種植物,調(diào)查內(nèi)容為:植物名、高度、冠幅、冠內(nèi)蓋度、株數(shù)。

    2.4 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及流量觀測(cè)

    在2014年4月,分別在沙障布設(shè)區(qū)和對(duì)照流動(dòng)沙丘上沿沙丘中線在沙丘底部、中部、頂部分別設(shè)置風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)儀,采用風(fēng)向跟蹤濾袋式積沙儀分層收集和測(cè)定近地面0~30 cm高度氣流層內(nèi)(每層2 cm×2 cm,共15 層)的輸沙量及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。在達(dá)到起沙風(fēng)速以上風(fēng)速時(shí),將積沙儀埋設(shè)于待測(cè)的樣地(下口底部與地面平齊),觀測(cè)開始時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)打開積沙儀的各個(gè)進(jìn)沙口,觀測(cè)結(jié)束時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)關(guān)閉各個(gè)進(jìn)沙口,將積沙儀帶回實(shí)驗(yàn)室,用1/1 000 g感量的電子天平稱量每個(gè)積沙儀各個(gè)高度層內(nèi)的沙樣質(zhì)量。

    3 固沙效應(yīng)分析

    長(zhǎng)期以來(lái),風(fēng)沙災(zāi)害防治技術(shù)一直是沙漠化及其治理研究的主要內(nèi)容,通過(guò)設(shè)置沙障等工程措施不僅能防止風(fēng)沙流造成的危害,而且是生態(tài)治理和退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要組成部分[17-18]。

    3.1 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化特征

    在對(duì)照流動(dòng)沙丘上,隨著高度的增加,近地面0~30 cm高度內(nèi)輸沙率逐漸減少,在0~16 cm高度內(nèi),沙丘中部輸沙率最高,沙丘底部和頂部輸沙率基本接近,在16~30 cm高度內(nèi),沙丘底部、中部、頂部輸沙率基本接近(見圖2)。而在沙障區(qū),隨著高度的增加,近地面0~30 cm高度內(nèi)輸沙率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),輸沙率在4~6 cm高度達(dá)到最大,總的輸沙率沙丘底部>沙丘頂部>沙丘中部(見圖2)。

    圖2 流動(dòng)沙丘(CK)和沙障布設(shè)區(qū)不同

    3.2 阻沙效益分析

    監(jiān)測(cè)表明,流動(dòng)沙丘底部、中部、頂部0~30 cm高度輸沙率分別為1.66、3.54、1.62 g/(cm2·min),平均輸沙率為2.27 g/(cm2·min);而沙障布設(shè)區(qū)沙丘底部、中部、頂部三個(gè)部位0~30 cm高度輸沙率分別為1.18、0.97、1.44 g/(cm2·min),平均輸沙率為1.20 g/(cm2·min)(見圖3)。設(shè)置沙障后,沙丘中部輸沙率變化最大。

    圖3 流動(dòng)沙丘和沙障布設(shè)區(qū)不同部位輸沙率對(duì)比

    在流動(dòng)沙丘上,風(fēng)沙流主要集中在0~4 cm高度,這與王自龍等[19]的研究結(jié)論基本相符。和0~30 cm高度內(nèi)總輸沙量相比,對(duì)照流動(dòng)沙丘不同位置0~4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為:沙丘底部59.14%、沙丘中部61.66%、沙丘頂部60.52%,平均60.78%;而沙障布設(shè)區(qū)不同位置0~4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為:沙丘底部24.72%、沙丘中部24.06%、沙丘頂部24.31%,平均24.37%(見圖4)。

    圖4 流動(dòng)沙丘和沙障布設(shè)區(qū)0~4 cm輸沙量

    與對(duì)照流動(dòng)沙丘相比,沙障布設(shè)區(qū)沙丘底部、中部、頂部三個(gè)部位阻沙率不同。在0~30 cm高度內(nèi),阻沙率沙丘中部(72.52%)>沙丘底部(28.86%)>沙丘頂部(10.98%),平均阻沙率為47.27%;在0~4 cm高度內(nèi),阻沙率沙丘中部(89.28%)>沙丘底部(70.27%)>沙丘頂部(64.25%),平均阻沙率為78.86%(見圖5)。埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障對(duì)0~4 cm高度流沙的阻截作用明顯。

    圖5 沙障布設(shè)區(qū)0~4 cm和0~30 cm高度的阻沙率對(duì)比

    3.3 植被變化特征

    在對(duì)照流動(dòng)沙丘上,植被平均蓋度為11.07%,而在沙障布設(shè)區(qū),植被平均蓋度為37.90%,沙障區(qū)較對(duì)照區(qū)植被蓋度顯著增加,增加了26.83百分點(diǎn)。沙障區(qū)和對(duì)照區(qū)沙丘不同部位植被蓋度差異顯著(見表1):在對(duì)照區(qū),植被蓋度依次為沙丘頂部(16.54%)>沙丘底部(14.89%)>沙丘中部(1.79%),而在沙障區(qū),植被蓋度依次為沙丘中部(62.88%)>沙丘底部(30.34%)>沙丘頂部(20.48%)。隨著沙障的布設(shè),植物種增加:在對(duì)照區(qū),植被主要以一年生草本植物沙米為主(平均蓋度11.06%),僅有少量的一年生草本植物鹽生草(平均蓋度0.01%);而在沙障區(qū),沙米平均蓋度為28.63%,鹽生草平均蓋度為7.83%,多年生草本植物蘆葦平均蓋度為1.44%。沙障的設(shè)置,固定了流沙,使沙面穩(wěn)定,同時(shí)減少了因風(fēng)蝕引起的土壤水分和養(yǎng)分的流失,促進(jìn)了一年生草本植物沙米和鹽生草的種子萌發(fā)和幼苗定居,為多年生草本植物蘆葦?shù)鹊亩ň犹峁┝擞欣纳硹l件。

    表1 沙障布設(shè)區(qū)和對(duì)照流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡不同位置植被特征

    4 應(yīng)用前景分析

    近年來(lái)我國(guó)防沙治沙工作取得顯著成效,但土地沙化仍是我國(guó)最嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題,也是重大的民生問(wèn)題。2013年3月頒布的《全國(guó)防沙治沙規(guī)劃(2011—2020年)》,規(guī)劃到2020年使全國(guó)一半以上可治理沙化土地得到治理。這一規(guī)劃的實(shí)施,為埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障推廣應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。

    控制防沙治沙工程投入的成本是優(yōu)先考慮的因素。埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障投入成本和年均成本均低于塑料網(wǎng)方格沙障、麥草方格沙障、黏土沙障(見表2)。

    表2 不同類型沙障投入成本估算

    節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力投入是防沙治沙工程實(shí)施需要考慮的另一重要因素。由于干旱沙區(qū)在夏、秋季節(jié)天氣炎熱,同時(shí)正值農(nóng)忙時(shí)節(jié),存在雇工難的問(wèn)題,所以沙障設(shè)置時(shí)間必須選擇在天氣較涼爽和農(nóng)閑的冬、春季節(jié),再加上冬季凍土層和春季風(fēng)沙天氣的影響,適合設(shè)置沙障的時(shí)間很短,不論麥草沙障、黏土沙障,還是塑料網(wǎng)方格沙障,都需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間,給工程的實(shí)施帶來(lái)困難,而埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障便于機(jī)械化操作(已發(fā)明了鋪設(shè)機(jī)械,專利名稱:一種雙工位網(wǎng)膜沙障鋪設(shè)機(jī);專利號(hào):ZL 201410476816.1)。在用工費(fèi)用逐年增加的背景下,埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障便于機(jī)械化操作,不僅省時(shí)省力,還會(huì)大大減少投入成本。

    綜上所述,埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障不僅具有削減近地面風(fēng)沙流、穩(wěn)定沙面、促進(jìn)植被生長(zhǎng)的生態(tài)作用,而且設(shè)置成本低、防護(hù)時(shí)效長(zhǎng)、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力,具備了在沙漠治理中大面積推廣應(yīng)用的基本條件。

    5 討論與結(jié)論

    (1)和對(duì)照流動(dòng)沙丘相比,埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有阻沙作用,0~30 cm高度阻沙率為47.27%,流動(dòng)沙丘風(fēng)沙流主要集中在0~4 cm高度內(nèi),而埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障對(duì)0~4 cm高度流沙的阻截作用明顯,阻沙率為78.86%。

    (2)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障有效固定了流沙,使沙面穩(wěn)定,減少了因風(fēng)蝕引起的土壤水分和養(yǎng)分的流失,促進(jìn)了一年生草本植物種子萌發(fā)和幼苗定居,為多年生草本植物的定居提供了有利的生境條件,和對(duì)照流動(dòng)沙丘相比,沙障區(qū)植被蓋度增加了26.83百分點(diǎn)。

    (3)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障具有材料運(yùn)輸方便、操作技術(shù)簡(jiǎn)單、投入成本低、防護(hù)時(shí)效長(zhǎng)、便于機(jī)械化操作、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn),可為風(fēng)沙災(zāi)害區(qū)流沙治理發(fā)揮作用。

    (4)埋嵌式塑料網(wǎng)帶狀沙障適合在單一主風(fēng)向地區(qū)流動(dòng)沙丘上布設(shè),多風(fēng)向條件下容易被風(fēng)掏蝕,需要對(duì)材料和設(shè)置方式進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和完善。首先,對(duì)沙障材料進(jìn)行改進(jìn),將沙障襯于沙面以下的塑料網(wǎng)加塑料薄膜,防止大風(fēng)天氣沙障抖動(dòng)引起漏沙,導(dǎo)致沙障被風(fēng)吹損,同時(shí),對(duì)沙障露出沙面的塑料網(wǎng)進(jìn)行加筋處理(已獲得實(shí)用新型專利,專利名稱:尼龍網(wǎng)沙障;專利號(hào):ZL 201420473440.4),在風(fēng)力作用下使露出沙面的塑料網(wǎng)豎立起來(lái),達(dá)到阻沙的目的;其次,對(duì)沙障設(shè)置方式進(jìn)行優(yōu)化,在沙丘底部沙障前設(shè)置高立式攔沙網(wǎng),解決沙丘底部沙障被沙埋的問(wèn)題,同時(shí),在沙障區(qū)左右兩側(cè)進(jìn)行加固,防止其他風(fēng)向條件下沙障邊緣被風(fēng)掏蝕,在沙丘中部坡度較大區(qū)域和沙丘頂部增加塑料網(wǎng)行帶的密度,從而解決被風(fēng)掏蝕的問(wèn)題。

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    [16] 常兆豐,韓福貴,仲生年,等.民勤沙區(qū)人工梭梭林自然稀疏過(guò)程研究[J].西北植物學(xué)報(bào),2008,28(1):147-154.

    [17] 馬全林,王繼和,劉虎俊,等.機(jī)械沙障在退化人工梭梭林恢復(fù)中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)研究,2005,22(4):526-531.

    [18] 韓致文,王濤,董治寶,等.風(fēng)沙危害防治的主要工程措施及其機(jī)理[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004,23(1):13-21.

    [19] 王自龍,趙明,馮向東,等.民勤綠洲外圍不同下墊面條件下風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(4):72-75.

    (責(zé)任編輯 徐素霞)

    林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404306);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41262008);甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計(jì)劃項(xiàng)目(1506RJIA155);甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204FKCA125)

    S157

    A

    1000-0941(2017)04-0035-04

    王強(qiáng)強(qiáng)(1981—),男,甘肅天水市人,副研究員,碩士,主要從事荒漠生態(tài)和荒漠化防治研究;通信作者唐進(jìn)年(1970—),男,甘肅古浪縣人,研究員,博士研究生,主要從事荒漠化防治研究。

    2016-05-19

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