3種不同機械沙障設(shè)置后期對沙丘植被和土壤粒度與水分的影響

丁愛強，謝懷慈，徐先英,，劉 江，張榮娟，趙 鵬，付貴全

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 民勤治沙綜合試驗站，甘肅 民勤 733000；2.巴彥淖爾市林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000；3.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070； 4.扶風(fēng)縣林業(yè)局，陜西 扶風(fēng) 722200)

在干旱沙區(qū)，植物固沙和機械沙障固沙是防風(fēng)固沙的兩大基本措施[1-2]，但由于沙區(qū)干旱少雨、干燥酷熱、風(fēng)大沙多，加之近年來人類過度開采使得地下水位迅速下降，因此采取植物措施大面積營造防風(fēng)固沙林已不適合[3]，機械沙障固沙成為主要措施[4-8]。沙區(qū)常見的機械沙障主要有不同材質(zhì)的塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障及黏土沙障等，不同沙障各有利弊[9-11]，但其共同作用就是能夠增加下墊面粗糙度，減小近地表風(fēng)速，阻止風(fēng)對地表的吹蝕和土壤顆粒的搬運，為土壤結(jié)皮和植被的發(fā)育提供相對穩(wěn)定的環(huán)境，并使過境風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在沙障區(qū)沉降，達到阻沙固沙的作用[9,12-16]。已有的研究表明，布設(shè)初期，沙障在降低風(fēng)速、阻擋流沙方面效益十分顯著[17-18]，并且對植被[4,19-21]、土壤水分[9,15,22-28]及養(yǎng)分[29-34]均有改善作用，但沙障的功能和效益會隨著時間的推移逐漸減弱消失[9]。這些研究均是對設(shè)置前期沙障基本效益的研究，設(shè)置中后期沙障對土壤環(huán)境影響的研究少見報道。本研究選擇對設(shè)置了12年的塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障進行長期定位觀測，以流動沙丘作為對照，研究其設(shè)置后期對土壤水分和機械組成的影響，以期對沙區(qū)機械沙障的實施提供一定的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗站(38°36′N，102°57′E)。該區(qū)屬溫帶大陸性荒漠氣候，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；地下水平均埋深由1961年的2.21 m下降到2014年的23.25 m[2]。由于地下水埋深超過植物所能利用的深度，導(dǎo)致民勤綠洲的防風(fēng)固沙林出現(xiàn)大面積的衰退或死亡。

2 研究對象與方法

圖1 不同機械沙障樣地

選擇于2003年4月設(shè)置塑料網(wǎng)格沙障(PSB)、麥草沙障(WSB)和黏土沙障(CSB)的沙丘為研究對象。3種沙障(見圖1)設(shè)置在同一個沙丘上，沙丘高約6 m，迎風(fēng)坡長約100 m，寬約300 m，塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障的設(shè)置方式為1 m×1 m、高20 cm的方格，面積分別約為0.53和0.33 hm2，黏土沙障選用丘間低地處膠泥，垂直主風(fēng)向按行間距3 m鋪設(shè)，障高20～25 cm、底寬50～65 cm，布設(shè)面積約0.33 hm2。沙丘上有零星分布的梭梭，各樣地內(nèi)的上、中、下坡位有同期埋設(shè)的中子儀水分測管。對照組(CK)設(shè)定在距試驗樣地約1 km處的民勤治沙站2號觀測塔附近的流動沙丘上。

2015年5月至2016年9月，每月上旬和下旬分別在選定的4個樣地的上、中、下坡位0～140 cm深的垂直剖面中，以20 cm為一層，用CN503DR智能中子水分儀(北京核子儀器公司)測定土壤含水量，每個部位重復(fù)2次。測前對沙土進行中子儀標(biāo)定，標(biāo)定方程為：y=75.977x-2.136 7，R2=0.906 1(式中：x為中子儀計數(shù)率比，y為土壤體積含水量)。在觀測期間，對2015年8月10日30.6 mm的降雨用中子儀每天測定固沙植被區(qū)土壤水分入滲和再分配過程，累計跟蹤測定312 h。

2015年9月，在每個樣地的上、中、下坡位分別設(shè)置10 m×10 m的大樣方1個，每個大樣方內(nèi)沿對角線設(shè)置1 m×1 m的小樣方3個，進行植被調(diào)查；同時在不同沙障的3個坡位取土樣，取樣深度為0～5、5～20、20～40 cm，同一樣地同一深度的土壤混合均勻，取適量帶回實驗室，利用馬爾文激光粒度儀Mastersizer 2000做粒度分析。

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進行方差分析與Duncan多重比較，用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙障建立后期各樣地立地特征及植被情況

不同機械沙障建立后期樣地內(nèi)植被的基本情況見表1。沙障建立后期，除麥草方格沙障損毀嚴(yán)重、無結(jié)皮存在外，其余沙障內(nèi)地表植被和結(jié)皮的蓋度與流動沙丘相比顯著增加；群落的物種多樣性表現(xiàn)為黏土沙障>麥草沙障>流動沙丘>塑料網(wǎng)格沙障；風(fēng)蝕程度以流動沙丘樣地最為嚴(yán)重，其次為麥草沙障樣地，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地雖在局部存在風(fēng)蝕，但大部分保存完好，且有風(fēng)沙物質(zhì)積累；從物種構(gòu)成上看，隨著流沙的固定，耐旱灌木、半灌木消失，出現(xiàn)了明顯具有干濕季分布的短命植物，這些短命植物通常能在嚴(yán)重干旱脅迫來臨之前完成其生活史，或者與雨季同期來逃避干旱[35]。

表1 不同沙障內(nèi)基本概況

流動沙丘樣地以2014年初設(shè)置的風(fēng)蝕桿為參照，風(fēng)蝕深度約60 cm。塑料網(wǎng)格沙障約80%保持完好，1 m×1 m網(wǎng)格內(nèi)積沙厚度約12 cm，形成集水微區(qū)；地表以生物結(jié)皮為主，厚約5.5 mm。麥草沙障損毀嚴(yán)重，基本無保存，與流動沙丘類似，參照裸露的梭梭根，測得風(fēng)蝕深度約40 cm。黏土沙障間距3 m，約65%保存完整，障內(nèi)積沙厚度1～2 cm；地表以黏土形成的物理結(jié)皮為主，厚度約10 mm。

3.2 不同沙障對土壤機械組成的影響

機械沙障建立后，改變了下墊面的粗糙度，減小了風(fēng)速，風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在沙障內(nèi)產(chǎn)生積累[13]。隨著時間的推移，不同沙障對淺層土壤的機械組成存在不同的影響。由表2可知，整體上，土壤的機械組成主要以黏粒和粉粒為主。不同樣地按土壤黏粒含量高低排序為黏土沙障>塑料網(wǎng)格沙障>麥草沙障>流動沙丘，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地的土壤黏粒含量顯著高于麥草沙障和流動沙丘樣地；按土壤粉粒含量排序為流動沙丘>麥草沙障>黏土沙障>塑料網(wǎng)格沙障，按土壤細砂粒含量排序為麥草沙障>流動沙丘>塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障，土壤粉粒和細砂粒含量均是麥草沙障和流動沙丘樣地顯著高于塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地，與黏粒剛好相反；按土壤粗砂粒含量排序為麥草沙障>流動沙丘>塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障，粗砂粒含量3種沙障樣地之間均存在顯著差異，但是塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障樣地與流動沙丘樣地差異不顯著，黏土沙障樣地與流動沙丘樣地之間差異顯著。綜上，沙障建立后期，塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障樣地土壤黏粒含量增加顯著，麥草沙障樣地土壤黏粒含量增加不顯著，這說明塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障在后期對風(fēng)沙流還有一定的阻礙作用，而麥草沙障已經(jīng)基本起不到阻礙的作用。

表2 不同沙障內(nèi)0～40 cm深處土壤機械組成 %

注：土壤粒度等級劃分參照國際制(1930年)標(biāo)準(zhǔn)，不同小寫字母表示不同沙障之間存在顯著差異(P<0.05)，下同。

3.3 不同沙障對土壤水分含量的影響

不同機械沙障建立后期對土壤水分的影響程度是不同的。從圖2可知，不同樣地之間土壤含水量差異顯著，按土壤剖面含水量的大小排序為流動沙丘>麥草沙障>黏土沙障>塑料網(wǎng)格沙障。相對于流動沙丘，塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障樣地土壤含水量分別降低了41.29%、5.05%、31.78%，說明機械沙障建立后期，土壤含水量有所下降，并且不同沙障對土壤水分的影響程度不同，按影響大小排序為塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障>麥草沙障。

圖2 不同沙障樣地土壤剖面含水量

3.4 不同沙障樣地土壤水分的季節(jié)變化

不同機械沙障內(nèi)土壤水分的季節(jié)變化趨勢基本一致，但與流動沙丘相比，沙障的存在使得土壤水分的季節(jié)性變化更加穩(wěn)定。如圖3所示，初春季節(jié)，隨著氣溫的回升，固態(tài)土壤水開始消融，降雨量也開始增加，使得土壤含水量逐漸增大；5月下旬至9月，隨著降雨次數(shù)和降雨量的顯著增加，土壤含水量也相應(yīng)增加，但此時是植物的生長季，植物生長發(fā)育等一系列生理活動所消耗的水分也顯著增加，土壤蒸發(fā)作用也隨著高溫的來臨而加劇，在這些影響因子的共同作用下，土壤含水量在降雨較多的年份(2015年)表現(xiàn)較為平穩(wěn)，在降雨較少的年份(2016年)表現(xiàn)為損耗；從10月份開始植物逐漸停止生長，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，而此時，研究區(qū)降雨次數(shù)和降雨量也開始減少，所以土壤含水量逐漸減小；12月至翌年2月，氣溫降至冰點，出現(xiàn)霜凍和結(jié)冰現(xiàn)象，土壤凍結(jié)后土壤水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使得土壤含水量降到較低水平，整個冬季土壤水分基本不再變化。塑料網(wǎng)格沙障樣地內(nèi)土壤含水量保持低穩(wěn)態(tài)勢，黏土沙障樣地內(nèi)土壤含水量稍高，麥草沙障與流動沙丘樣地的土壤含水量相對較高，二者也較為接近，且變化均較劇烈。

圖3 不同沙障樣地土壤水分的季節(jié)變化

3.5 不同沙障樣地土壤水分隨深度的變化

不同機械沙障樣地土壤含水量均值及其變異系數(shù)的變化如圖4所示。從圖4(a)可看出，塑料網(wǎng)格沙障樣地的土壤含水量在垂直方向上的變化較穩(wěn)定，隨深度增加逐漸增大；其他3個樣地的土壤含水量隨深度增加均是先迅速增大，而后黏土沙障在約50 cm深處達到最大值，之后略有降低，但基本保持平穩(wěn)，麥草沙障土壤含水量在約70 cm處達到最大值，之后便以相對較小的速率降低，流動沙丘土壤含水量在40～120 cm深度呈波動變化，在120 cm之后又開始升高。與流動沙丘相比，機械沙障建立后期不僅降低了深層土壤的含水量，還使得土壤的含水量變化趨于穩(wěn)定，沙障保存越完整這種作用越明顯。

由圖4(b)可知，在深度上，不同機械沙障樣地土壤水分變異系數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，均為淺層較大、深層較?。坏煌痴嫌绊懙呐R界深度不同，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地的土壤水分變異系數(shù)分別在60和80 cm以下土層保持基本穩(wěn)定，而麥草沙障樣地的土壤水分變異系數(shù)隨著深度增加逐漸減小，并沒有出現(xiàn)明顯的臨界深度，流動沙丘樣地40 cm以下土壤水分變異系數(shù)雖然較小，但并不穩(wěn)定。

圖4 不同沙障樣地土壤含水量及其變異系數(shù)的垂直變化

3.6 不同機械沙障土壤水分再分配過程

機械沙障措施直接影響著土壤水分的再分配[22]，但不同沙障對土壤水分的再分配過程有不同的影響。如圖5所示，降雨量為30.6 mm的降水事件發(fā)生后，隨著時間的推移，不同深度的土壤水分會發(fā)生不同程度的變化，土壤越深水分變化的滯后現(xiàn)象越明顯。在塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地中雨水的最大入滲深度分別為60和40 cm，在麥草沙障和流動沙丘樣地中雨水入滲深度均可達120 cm，這是因為：黏土沙障樣地土壤表層存在黏土層，使得一部分雨水因不能及時下滲而形成地表徑流流失；塑料網(wǎng)格沙障樣地地表不僅有結(jié)皮覆蓋，還存在較厚的沉積物，其不僅粒度小，還比較干燥[36]，這使得降雨很難補給深層土壤；麥草沙障樣地因沙障損毀嚴(yán)重，基本與流動沙丘地表近似，水分的再分配過程也基本一致。

圖5 降雨后不同土層土壤含水量變化

4 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，不同機械沙障設(shè)置12年后，塑料網(wǎng)格沙障保存率約為80%，黏土沙障保存率約為65%，麥草沙障已經(jīng)全部損毀。孫濤等[9]對這3種機械沙障防風(fēng)固沙時效性的研究表明，設(shè)置6年后，塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障的損毀率分別為11%、53%，黏土沙障介于二者之間。說明隨著時間的推移，機械沙障會逐漸損毀，使得防風(fēng)固沙效益逐漸減弱；不同機械沙障防風(fēng)固沙的時效性表現(xiàn)為塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障>麥草沙障。

機械沙障的建立能增加植被的豐富度、蓋度及密度等[4,19-21]，但不同機械沙障對植被的改變有所不同。沙障建立后期，除麥草方格沙障損毀嚴(yán)重?zé)o結(jié)皮存在外，其余沙障內(nèi)地表植被和結(jié)皮的蓋度與流動沙丘相比顯著增加[37]；沙障內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)由耐旱的灌木、半灌木植物向短命植物演替，本研究結(jié)果顯示沙障建立后期土壤水分消減就能說明這一現(xiàn)象；群落的物種多樣性大小表現(xiàn)為黏土沙障>麥草沙障>塑料網(wǎng)格沙障，這是因為在黏土沙障內(nèi)，黏土層的破壞形式是局部斑塊狀的，整體環(huán)境穩(wěn)定，這就給植被帶來了良好的生長發(fā)育機會和空間，而麥草沙障雖全部被風(fēng)蝕破壞，但因前期沙障對土壤存在改良作用，植物也相對豐富，塑料網(wǎng)格沙障內(nèi)積沙層較厚，由于這些風(fēng)沙物質(zhì)比較干燥，所以植物較難生存。結(jié)合已有對不同年代沙障的研究可知，并不是沙障建立后植被的生長情況就會越來越好，而是可能與沙障的設(shè)置年限和試驗期內(nèi)的降雨存在一定的關(guān)聯(lián)，具體規(guī)律還有待進一步研究。

沙障建立后期，風(fēng)沙物質(zhì)的沉降積累使表層土壤的黏粒物質(zhì)增加，這與許婷婷等[38]對不同設(shè)置年限沙障土壤粒徑的研究結(jié)果一致，不過塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障內(nèi)的土壤黏粒含量增加顯著，麥草沙障不顯著。

關(guān)于沙障建立前期對土壤水分的影響存在著不同的觀點，絕大多數(shù)學(xué)者認為沙障建立后能增加土壤的保水性，提高了土壤含水量[1,5,15,20-26]，但也有研究者認為沙障建立后雖使地表結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但也改變了過境氣流或風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)，形成紊流、亂流，加速了地表土壤水分的散失，且沙障配置規(guī)格不同土壤含水量降低程度不同[39]。本研究得出，3種機械沙障設(shè)置12年后，與流動沙丘相比土壤含水量均下降，而且沙障保存越完整土壤水分越差，但不同沙障對降水后土壤水分的再分配過程有不同的影響。造成這種現(xiàn)象的原因可能主要有以下兩方面：第一，在不同沙障長期影響下，土壤的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如土壤機械組成[40]、地表結(jié)皮類型[41]等不同，從而改變了土壤的持水能力和水分的入滲能力；第二，沙障建立后植被顯著增加，導(dǎo)致土壤水分耗散也增加。展秀麗等[42]也認為土壤含水量不僅受土壤結(jié)構(gòu)、結(jié)皮等因素的影響，而且還受降水、植被覆蓋的影響。

我們僅從植被、土壤水分及粒度方面入手，分析討論了不同機械沙障設(shè)置后期對小環(huán)境帶來的影響，并未對其防風(fēng)效能、綜合固沙效益等進行綜合研究。研究結(jié)果顯示，雖然機械沙障設(shè)置后期造成了土壤水分含量的消減，但能顯著地改善植被生境，阻止風(fēng)沙活動，固定流沙，給沙區(qū)帶來的效益不容置疑，其中塑料網(wǎng)格沙障防風(fēng)固沙時效性最長，所以塑料網(wǎng)格沙障是沙區(qū)防風(fēng)固沙措施不二的選擇。

5 結(jié) 論

以流動沙丘為參照，對設(shè)置了12年的3種機械沙障內(nèi)的植被、土壤機械組成及土壤水分進行了研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)沙障內(nèi)植被的蓋度顯著增加，多樣性指數(shù)麥草沙障和黏土沙障顯著增加，塑料網(wǎng)格沙障減小，群落結(jié)構(gòu)由耐旱灌木、半灌木植物向短命植物演替。

(2)不同的機械沙障均能增加表層土壤中黏粒的含量，但塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障內(nèi)的黏粒含量增加顯著，麥草沙障不顯著。

(3)不同機械沙障的建立均使得土壤的含水量下降，并且使土壤水分的季節(jié)性變化更加穩(wěn)定，塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障內(nèi)的土壤含水量分別比流動沙丘降低了41.29%、5.05%、31.78%。

(4)受機械沙障影響，降水的入滲深度及速率均減小，使得土壤水分的再分配過程產(chǎn)生明顯的滯后性。

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