灌木枝系結(jié)構(gòu)與積沙效能野外觀測

高興天，劉虎俊，，袁宏波，郭春秀，劉淑娟，王多澤，萬翔，劉開琳，李菁菁

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

建植灌木林防風(fēng)固沙是應(yīng)用廣泛且效能較高的風(fēng)沙災(zāi)害防治方法[1]，但是確定覆蓋度約束的植被結(jié)構(gòu)與防護(hù)林固沙效應(yīng)研究還在完善。綜合考慮灌木形狀及其枝系結(jié)構(gòu)以及防風(fēng)固沙效能，仍是學(xué)術(shù)界面臨的難點(diǎn)問題之一[2-4]。研究不同植物構(gòu)型的固沙效能將為防風(fēng)固沙的植物選擇提供依據(jù)。在干旱區(qū)，由于水資源限制，治沙主要應(yīng)用沙障為主的工程措施。而廣泛應(yīng)用的防風(fēng)固沙工程材料主要還是蘆葦、麥草和黏土等[4-6]。雖然已有塑料、尼龍和高分子化合物等材料應(yīng)用于防風(fēng)固沙，但因成本相對較高等問題使得大面積應(yīng)用受限[7,8]。如何在干旱區(qū)的水資源所能承載植被密度條件下選擇擁有高效防風(fēng)固沙結(jié)構(gòu)的灌木，在有限植被密度條件下通過應(yīng)用高防風(fēng)固沙效能灌木和調(diào)整防護(hù)林結(jié)構(gòu)，以提高植物防風(fēng)治沙效能，對于區(qū)域風(fēng)沙危害防治具有現(xiàn)實(shí)意義。雖然植物治沙機(jī)理、灌木林空間結(jié)構(gòu)與風(fēng)沙流關(guān)系有不少觀測研究，但這些研究大多是以植被覆蓋度為指標(biāo)[9-17]，觀測分析植物防風(fēng)固沙效能。研究治沙機(jī)理研究更多的是風(fēng)洞模擬研究結(jié)論[18-23]，灌木構(gòu)型的研究更多的是探討不同構(gòu)型特征的沙生植物對環(huán)境的適應(yīng)對策[17]，也研究了沙生灌木空間結(jié)構(gòu)的防風(fēng)作用[22,23]。我們觀測了油蒿(Artemisiaordosica)、沙蒿(A.desertorum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)、白刺(Nitrariatangutorum)、紅砂(Reaumuriasoongorica)和沙拐棗(Calligonummongolicum)單株植物積沙體積，并與仿真灌木積沙效能進(jìn)行比較，以探索灌木構(gòu)型與防風(fēng)固沙功能關(guān)系，尋求高效仿真灌木結(jié)構(gòu)參數(shù)，探討灌木構(gòu)型影響風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制，為風(fēng)沙危害防治、防風(fēng)固沙林設(shè)計(jì)與理論研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 觀測灌木 油蒿、沙蒿、梭梭、花棒、白刺、紅砂和沙拐棗。在上述灌木有葉期(5月)調(diào)查測定7種灌木構(gòu)型參數(shù)，觀測植株數(shù)量3～5株，觀測對象高度皆小于1.0 m，株型相對整齊，受周圍樹木影響較小。

1.1.2 仿真灌木 參試的仿真灌木有兩種構(gòu)型，地上部分高50 cm，以高分子聚合材料，添加抗老化劑加工而成，其結(jié)構(gòu)已有詳細(xì)描述[19]。其冠形為半球體，這樣可以按圓形來計(jì)算仿真灌木的冠幅覆蓋度和投影面積等。參試的仿真灌木有兩種，無葉仿真灌木為無主干叢形，地上部分高40 cm，分為三級(jí)枝序，第三級(jí)枝全部集中到一起，凝結(jié)于根部，內(nèi)有鋼絲；三級(jí)枝有20枝，長度為40 cm，二級(jí)枝長度為15 cm，枝的直徑為1～2mm。一級(jí)枝長5 cm；每枝三級(jí)枝上有3枝二級(jí)枝，每枝二級(jí)枝上有9枝一級(jí)枝，形成無主干，三級(jí)枝系的仿真灌木。有葉仿真灌木只分成二級(jí)枝序，二級(jí)枝有20枝，包裹的鋼絲，二級(jí)枝做成披針葉形，每片葉等長和等寬，長7 cm，葉充當(dāng)一級(jí)枝，形成無主干的仿真灌木。仿真灌木的整個(gè)植株和枝系能夠按設(shè)計(jì)開合、挺立，并具有韌性，在風(fēng)吹過后仍能夠保持原型。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)區(qū) 野外觀測場在“甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”的流動(dòng)沙丘和半固定沙丘上(38°37′44″ N，102°55′10″ E)。試驗(yàn)區(qū)概況可見參考文獻(xiàn)[18]。仿真灌木固沙效能試驗(yàn)布設(shè)在一個(gè)比較大的固定和半固定沙丘鏈上，沙丘高3～5 m，總寬約300 m，沙丘迎風(fēng)坡中部坡度約13°。

1.2.2 風(fēng)蝕和風(fēng)積量測定：包括風(fēng)積厚度(單位：m)、風(fēng)積的面積(單位：m2)和體積(單位：m3)。在單株灌木8個(gè)方向布設(shè)風(fēng)蝕桿，測定灌木不同方向的風(fēng)蝕桿埋深變化值判斷灌木周圍的積沙形態(tài)和數(shù)量。布設(shè)固定風(fēng)蝕桿方法與位置如下：風(fēng)蝕桿長30 cm，埋入沙內(nèi)20 cm，外露10 cm。風(fēng)蝕桿在距植物體中心10 cm開始設(shè)置，桿間距10 cm。每種灌木分布設(shè)3～5株進(jìn)行重復(fù)對照觀測，確定風(fēng)蝕或積沙形態(tài)變化。

1.3 分析指標(biāo)計(jì)算方法

通過計(jì)算灌木分枝率，比較其構(gòu)型異同。灌木枝的分枝率可以表示分枝能力和各級(jí)枝間的數(shù)量配置狀況，是植物枝系構(gòu)件研究的重要指標(biāo)。枝序按Strahler方法確定[19]，由灌木冠層外向內(nèi)確定枝序，外層的第1小枝為第1級(jí)，2個(gè)第1級(jí)相遇為第2級(jí)，2個(gè)第2級(jí)相遇后則為第3級(jí)，依此類推。分枝率分為總體分枝率(Overall bifurcation ratio，OBR)和逐步分枝率(stepwise bifurcation ratio，SBR)。

式中：OBR為總體分枝率，SBR為逐步分枝率，Nt=∑Ni，為所有枝的總數(shù)；Ns為最高級(jí)枝條數(shù)；N1為第一級(jí)的枝條數(shù)；Ni和Ni+1是第i和第i+1級(jí)枝條總數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 總體分枝率與積沙量

比較同是梭形的沙蒿、梭梭和花棒，梭梭的總體分枝率是花棒的2.4倍，梭梭的平均總枝數(shù)是花棒的36.0%，但花棒的積沙總量是梭梭的71.2倍，總枝條數(shù)相對較多，積沙量較大(圖1，表1)。紅砂的總體分枝率是白刺的1/3，分枝數(shù)是白刺和花棒25%左右，但紅砂與白刺的積沙量相差7倍。油蒿和沙蒿的總體分枝率相差近3倍，而其積沙量也正好相差近3倍(圖1)。梭梭和沙拐棗比較，總體分枝率相差2.4倍，而沙拐棗的積沙量約為梭梭的6倍。雖然不同形狀的灌木總體分枝率變化與積沙量不是成比例，但從7種灌木積沙量的總體趨勢分析，積沙量與其總體分枝率成反比。這種變化反映了積沙量不僅受枝條總數(shù)作用，也受樹冠最外層和最里層枝數(shù)影響。從灌木外形分析，半球形灌木積沙能力較強(qiáng)(表1)。

圖1 7種灌木和2種仿真灌木分枝率變化與其積沙量關(guān)系

比較形狀相同而總體分枝率和枝條密度不同的無葉仿真灌木和有葉仿真灌木積沙量，有葉仿真灌木和無葉仿真灌木的總體分枝率相差62.5%，而有葉仿真灌木的枝條密度是無葉仿真灌木的1倍，但其積沙量只是無葉仿真灌木的90%。球形灌木的枝密度小于50%，積沙量相對較大。比較梭形的沙蒿、梭梭和花棒，花棒的枝密度是沙蒿的1.04倍，但花棒的積沙量是沙蒿的44倍。紅砂的枝密度是白刺的2.04倍，但其積沙量只是白刺的3.6%。這說明灌木積沙量受枝條密度影響，密度較大并不有利于積沙，積沙量的多少更受枝系結(jié)構(gòu)影響。

2.2 灌木逐步分枝率與積沙量

油蒿比沙蒿有更強(qiáng)的積沙能力，油蒿的逐步分枝率比沙蒿的小，其冠層內(nèi)部枝條密度較大，無葉仿真灌木結(jié)構(gòu)與其一致(表1)。沙篙的二級(jí)分枝數(shù)量相對其他各級(jí)枝數(shù)較少，形成中間較密而內(nèi)外較疏的樹冠，這種結(jié)構(gòu)樹冠的植物還有沙拐棗和白刺，其中沙篙積沙量相對較少，白刺和沙拐棗與相同形狀的灌木比較，其積沙量較大。白刺的三級(jí)枝的數(shù)量約為二級(jí)枝數(shù)量的2倍多，三級(jí)枝數(shù)量又是四級(jí)枝數(shù)量的72%，積沙量最大。梭梭的各級(jí)分枝數(shù)比較均勻，是7種灌木中各級(jí)分枝數(shù)變化最小的灌木(變異系數(shù)為12%)，分枝數(shù)是由樹冠內(nèi)向外增加，是一種較均勻的樹冠。沙拐棗與梭梭相比較，逐步分枝率較小，SBR2∶3最小，相對積沙量較大。紅砂與花棒都是冠層枝由外向內(nèi)逐漸增大，但花棒積沙量是紅砂的27.5倍，這與花棒高度相關(guān)。高度相近的紅砂與油篙比較，紅砂的一級(jí)和二級(jí)枝數(shù)量相等，最外層枝相對較多，但內(nèi)層枝與外層枝相差6.25倍。在觀測的7種灌木中，花棒的積沙量最大，其冠層枝數(shù)由內(nèi)向外，分枝數(shù)量逐步減少，也是一種內(nèi)密外疏型構(gòu)型。雖然分枝率的變化與積沙量不是成比例變化，但從7種灌木積沙量的總體趨勢分析，內(nèi)密外疏型灌木的積沙量較大。在觀測植物中，白刺的積沙量較大，不僅與其枝系結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與它的葉相對較多有關(guān)。有葉仿真灌木枝序只有兩級(jí)，但其總體分枝率較大，增大了積沙能力。

表1 天然灌木與仿真灌木的枝系構(gòu)型參數(shù)與積沙量比較結(jié)果

3 討論

3.1 植物形狀影響其積沙效果

植物的平均高度、平均冠幅、植株密度與植株體積等影響沙丘大小形態(tài)[15,16]。沙丘高度與植物的平均高度正相關(guān)，沙丘長寬與植物的平均長寬正相關(guān)，沙丘體積與植株體積的相關(guān)性較高，可以用積沙體積來衡量植物單株及群落的阻沙能力[4]。比較沙蒿、油蒿、紅砂、梭梭、沙拐棗、花棒和白刺7種灌木以及2種仿真灌木的積沙量，半球形的仿真灌木積沙量最大。植物形態(tài)與其阻沙能力關(guān)系密切，半球體冠形的植物比錐體冠形及梭形冠形的植物能截留更多的沙物質(zhì)[24]。我們的觀測結(jié)果與此結(jié)論相同，相同體積的幾何體，球體的表面積最大，因而接觸的風(fēng)沙量較大，沉積較多的沙量。

3.2 植物枝的空間密度影響其積沙

兩種仿真灌木的枝條平均密度較小，但是其積沙量較大，這說明灌木積沙量受枝條密度影響[13,16]，更受枝系結(jié)構(gòu)影響[17]。除梭梭外，6種灌木和仿真灌木的總體分枝率都小于1，從總體分枝率比較來說灌木的枝條分布都是外疏內(nèi)密。所觀測7種灌木的總體分枝率由小至大的排序?yàn)椋核笏?沙蒿>有葉仿真植物>白刺>無葉仿真植物>沙拐棗>花棒>油蒿>紅砂。積沙量則是無葉仿真植物>有葉仿真植物>花棒>白刺>沙拐棗>油蒿>紅砂>沙蒿>梭梭，積沙量與總體分枝率不成比例。相同形狀灌木積沙量與其總體分枝率成反比，但統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果差異不顯著(P>0.05)。

3.3 植物枝的空間結(jié)構(gòu)影響其積沙

相同形狀的灌木，梭形灌木，內(nèi)密外疏枝系結(jié)構(gòu)的積沙量較大，半球體灌木的內(nèi)密結(jié)構(gòu)的積沙量較大，壇狀灌木則是內(nèi)外疏而中間密的枝系結(jié)構(gòu)，積沙量較大。7種灌木中，分枝率差異性最大表現(xiàn)在3級(jí)和4級(jí)枝的數(shù)量，1級(jí)和2級(jí)枝的逐步分枝率的變異系數(shù)為54.56%，2級(jí)和3級(jí)的逐步分枝率的變異系數(shù)為63.20%，而3級(jí)和4級(jí)變異系數(shù)為92.91%。積沙量較大的花棒和無葉仿真灌木的分枝率變異系數(shù)也較大。說明灌木復(fù)雜程度決定其防風(fēng)阻沙能力大小。這與國內(nèi)外大多研究結(jié)果相一致[10,14,15]。白刺的積沙量較大，不僅與其枝系結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與它的葉相對較多有關(guān)。有葉仿真灌木枝序只有兩級(jí)，但其總體分枝率較大，增大了積沙能力。有葉仿真灌木與無葉仿真灌木積沙數(shù)量差異受其枝系結(jié)構(gòu)影響，有葉仿真灌木只有兩級(jí)枝，在植株體內(nèi)積沙較少形成漏斗形積沙體，而且積沙率小于無葉仿真灌木。這也證明了唐艷等提出的冠層形態(tài)、莖枝和葉片的形態(tài)特征因素導(dǎo)致不同植物類型阻沙能力的差異。

4 結(jié)論

4.1 比較沙蒿、油蒿、紅砂、梭梭、沙拐棗、花棒和白刺7種灌木以及2種仿真灌木的積沙量，半球形的仿真灌木和油蒿的相對積沙量較大。

4.2 灌木積沙量與其總體分枝率成反比，但不同形狀的灌木積沙量取決于枝系結(jié)構(gòu)。積沙量較大的梭形和半球體灌木是內(nèi)密外疏，而壇狀灌木的內(nèi)外疏而中間密的積沙量較大。

4.3 灌木積沙量與枝系結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有密切聯(lián)系，且隨著總體分枝率和逐步分枝率變異系數(shù)增大而增大。

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