民勤縣綠洲邊緣固沙林防風蝕效應研究

王彥武，羅 玲，張 峰，陳天林

(1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020；2.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；3.甘肅省水利廳 水土保持局，甘肅 蘭州 730000)

營造植被是防風固沙的主要措施之一，也是保護土壤不被風力侵蝕最有效、最長久、最環(huán)保的方法。隨著民勤綠洲生態(tài)環(huán)境問題的日趨尖銳，通過植物措施保護土壤質(zhì)量已成為當前荒漠化防治領域研究的熱點問題之一[1]。植被對綠洲邊緣風蝕環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在植被的阻擋攔沙和防風固沙作用[2-4]，因此，研究固沙林保護土壤效應的關鍵因子，建立合理的固沙林防風固沙調(diào)控技術措施，對實現(xiàn)植物固沙的持續(xù)穩(wěn)定具有重要的理論價值。近年來，關于植被對風蝕的影響主要是通過風洞模擬和數(shù)值模擬對植被與土壤風蝕和防風效應之間的關系進行研究[5-6]；在野外條件下的研究主要集中在植被的結構特征、造林密度和蓋度以及植被的配置方式等對風蝕的影響[7-11]，而關于沙生植物個體形態(tài)對近地面固沙阻沙作用的研究較少[12]，尤其是有關民勤綠洲邊緣固沙林保護土壤效應關鍵因子方面的研究鮮有報道。目前，民勤綠洲邊緣固沙林保護土壤效應的過程和機理尚不清楚，在治沙造林過程中，對不同樹種和林齡的固沙林個體其防風蝕效果不能進行定量的評價，導致在固沙樹種的優(yōu)選過程中缺乏理論依據(jù)。通過野外調(diào)查和觀測，研究了民勤綠洲邊緣不同固沙林對風沙流的流量、風沙積蝕程度、防風效能和地表粗糙度等指標的影響規(guī)律，為該地區(qū)固沙植被的優(yōu)選和荒漠化防治提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省武威市民勤縣薛佰鄉(xiāng)的民勤治沙試驗站，該區(qū)屬典型溫帶干旱荒漠氣候，其特點是春季干旱，多風沙，夏季炎熱干燥，秋季陰雨，日溫差較大，冬季氣溫低，時間長，季節(jié)變化明顯。試驗點年均降水量113 mm，年均蒸發(fā)量2 644 mm，年降水主要集中于6-9月，占全年的66.0%；年平均氣溫7.7℃，年平均日照時數(shù)3 073 h，≥10℃的有效積溫2 750℃，全年無霜期151 d左右，最大凍土深1.3 m；多年最大風速23 m/s，多年平均風速2.7 m/s，年平均沙塵暴日數(shù)27 d，大風天數(shù)42 d。試驗點土壤以風沙土、灰棕漠土、鹽土、草甸土和綠洲灌耕土為主。試驗點植被有天然荒漠植被和人工植被兩類，人工植被以20世紀60年代以來種植的梭梭(Haloxylonammodendron)和花棒(Hedysarumscoparium)等灌木為主；天然植被以灌木為主，主要以白刺(Nitrariatangutorum)沙包和多枝檉柳(Tamarixramosissima)灌叢的方式出現(xiàn)；在丘間低地，灌木主要有膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、紅砂(Reaumuriasongarica)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和檸條(Caraganakorshinskii)等；耐旱草本植物主要有沙打旺(Astragalusadsurgens)、黃花磯松(Limoniumaureum)和狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 研究方法

1.2.1 標準樣地設置 2016年3-5月，在甘肅省民勤治沙綜合試驗站內(nèi)，以立地條件類型基本一致為原則，采用常規(guī)的典型抽樣和空間代替時間的方法，分別選取不同林齡梭梭林地(20、30、40 a)和80年代成林的白刺林和檉柳林地為研究樣地，并以裸沙地作為對照，每個樣地設3個重復，每塊樣地面積為30 m×30 m。為了不同固沙林間有可比性，所選樣地的生境條件基本相同，撫育管理措施一致，人為干擾較少。樣地基本情況見表1。

1.2.2 固沙林防風固沙效應的野外測定 固沙林防風固沙效應的野外測定在2016年3-5月進行，每場起沙風過后觀測記錄數(shù)據(jù)1次，共觀測42次。所選樣地林木間的株距為3 m，灌木林帶間的行距為5 m，兩行間的林木呈“品”字型排列，冬季林木樹冠的疏透度為0.42。在樣地內(nèi)選擇固沙林標準木各3株，確定主風向方向后，在每株標準木的迎風面和背風面各布置4個觀測點(圖1)，觀測點距標準木距離分別為0.5、1、2 m和3 m，林木之間的株行距均在3 m以上，觀測點周圍無其他植被影響。以裸沙地為對照，布置3個測點，測定其風沙流流量、風速和地表粗糙度，計算其平均值。

1.2.2.1 風沙流流量測定 每場起沙風過后，在每個觀測點用階梯式集沙儀收集地表20 cm層內(nèi)的沙粒，然后在實驗室烘干后用萬分之一精度的電子天平稱重，計算風沙流流量[12]。

式中，Q—某一時段內(nèi)斷面風沙流流量(g·cm-2·min-1)；W—某一時段內(nèi)經(jīng)過斷面的絕對沙量(g)；S—風沙流經(jīng)過斷面的面積(cm2)；t—測定的時段(min)。

1.2.2.2 地表粗糙度測定 在每個觀測點用自記風速儀(風速測量精度：±3%±0.1 dgts，風速測量范圍：0～45 m/s)同時測定高度為20、50、100、200 cm處的風速值，每10 s記錄1次，每組20次，同一觀測點連續(xù)觀測3組，取平均值，最終分析不同高度和距離處固沙林的防風效能。另外，取固沙林背風面的每個觀測點距地表50 cm和200 cm處的風速值，計算下墊面的粗糙度[13]。

式中，Z0——粗糙度(cm)；U1——同一時刻Z1高度處的風速(m/s)；U2——同一時刻Z2高度處的風速(m/s)。

表1 固沙林樣地基本情況Table 1 Basic information of sand-fixation forests

圖1 固沙林剖面觀測點位示意圖Fig.1 Schematic view of survey locations in sand-fixation forests cross-section

1.2.2.3 風沙積蝕程度測定 在每個觀測點布置帶刻度的鋼測尺，記錄初始刻度，在每場起沙風過后觀測1次，用鋼卷尺量取風蝕深度和堆積厚度，最終計算固沙林迎風面和背風面的風蝕和風積程度。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其中，基本數(shù)據(jù)分析采用Excel 2003軟件，方差分析采用SPSS 19.0軟件，成對比較采用One-way ANOVA、LSD法和Duncan法。

2 結果與分析

2.1 固沙林對地表風沙流流量的影響

從圖2可以看出，在固沙林迎風面距植株1～3 m內(nèi)，風沙流流量無顯著變化，表現(xiàn)比較穩(wěn)定，說明各固沙林對迎風面地表風沙流流量的影響較??；在迎風面距植株1 m以內(nèi)，風沙流流量顯著減小。在背風面距植株1 m以內(nèi)，風沙流流量也顯著減小，除白刺外各固沙林在背風面距植株1 m處達最小值，固沙林背風面風沙流流量的減小程度大于迎風面的減小程度；在固沙林背風面距植株1～3 m內(nèi)，風沙流流量略有增大?？梢钥闯觯躺沉钟L面和背風面1 m以內(nèi)，受固沙林防風和阻沙效應的影響，風沙流流量均顯著降低，且背風面受影響較大；而迎風面1 m以外風沙流流量受固沙林防風和阻沙效應的影響較小，變化不顯著。

經(jīng)測定，裸沙地風沙流流量為0.6 g·cm-2·min-1，可以看出，不同固沙林在地表0～20 cm高度風沙流流量不同，各觀測點背風面風沙流流量均表現(xiàn)為裸沙地>白刺>20年生梭梭林>40年生梭梭林>檉柳林>30年生梭梭林，說明裸沙地建立植被后，風沙流流量顯著減小，主要是因為固沙林建立后，在固沙林地上和地下部分的共同作用下，固沙林防風和阻沙效應明顯增強，使固沙林的風沙流流量顯著小于裸沙地。

圖2 固沙林周圍不同位置風沙流流量變化Fig.2 Variation of sand stream flow in different locations around sand-fixation forests

2.2 固沙林對地表風沙積蝕程度的影響

固沙林的種類和林齡不同，風和風沙流對地表的風蝕和風積作用的結果不同。以負值表示風蝕深度，正值表示風積厚度，繪制固沙林周圍不同位置風蝕和風積狀況(圖3)。由圖3可以看出，在固沙林迎風面距植株1～3 m內(nèi)，固沙林地表均出現(xiàn)風蝕現(xiàn)象，但風蝕深度變化不顯著，說明各固沙林對地表風蝕的影響較??；迎風面距固沙林0.5 m處，檉柳林和30年生梭梭林地表已率先開始發(fā)生風積現(xiàn)象，說明越靠近固沙林風蝕深度逐漸變小，各固沙林保護地表的作用逐漸增強；背風面距固沙林0.5 m處，各固沙林地表均出現(xiàn)風積現(xiàn)象，說明背風面0.5 m處各固沙林均可以保護地表不被風吹蝕；背風面0.5～2 m范圍內(nèi)風積厚度逐漸變小，說明各固沙林保護地表的作用隨著遠離固沙林而逐漸減弱。

圖3 固沙林周圍不同位置風蝕和風積狀況Fig.3 Situation of erosion and wind indigestion in different locations around sand-fixation forests

不同固沙林各觀測點風蝕深度均表現(xiàn)為白刺>20年生梭梭林>40年生梭梭林>檉柳林>30年生梭梭林，白刺在迎風面距植株3 m處風蝕深度最大，為0.3 cm；風積厚度均表現(xiàn)為30年生梭梭林>檉柳林>40年生梭梭林>20年生梭梭林>白刺，30年生梭梭林在背風面距植株0.5 m處風積厚度最大，為0.6 cm。不同林齡梭梭林背風面各測點的風積厚度的均值隨著林齡的增長由0.21 cm增大到0.5 cm。由圖3可以看出，30年生梭梭林風蝕和風積臨界點距離植株最遠，位于迎風面1 m處，檉柳林次之，40年生梭梭林和20年生梭梭林距植株較近，白刺林距離植株最近。結合表1分析可知，各固沙林隨植株高度的增加，風蝕與風積臨界點離植株迎風面越遠，其防風固沙作用的范圍越大。

2.3 不同固沙林的防風效能

由表2可以看出，同一觀測點，各固沙林近地表風速均隨著高度增大而增大。由于各固沙林均呈現(xiàn)出頂端疏透度大，中間疏透度小的規(guī)律，當風通過固沙林時，越接近固沙林頂端處，固沙林對風速的影響越小，風速變化越不明顯，相反，當風通過固沙林中部時，固沙林對風速的影響越大，風速明顯減弱。

在固沙林迎風面距植株1～3 m內(nèi)，風速無顯著變化，表現(xiàn)比較穩(wěn)定，說明各固沙林對地表風速的影響較??；在迎風面距植株1 m以內(nèi)，風速顯著減小。在固沙林背風面距植株1 m以內(nèi)，風速也顯著減小，在1 m處達最小值，固沙林背風面風速的減小程度大于迎風面的減小程度；在固沙林背風面距植株1～3 m范圍內(nèi)，風速略有增大?？梢钥闯?，固沙林迎風面和背風面1 m以內(nèi)，受固沙林防風和阻沙效應的影響，風速均顯著降低，且背風面受影響較大。

由表3可以看出，植株的高度對防風效果有顯著影響，越接近固沙林中部，對風速的影響越大，林木背風面中部的風速降低幅度是頂端處的1.16～3.99倍。在距離地表面20 cm高度時，各固沙林周圍平均風速降低百分比均表現(xiàn)為30年生梭梭林>40年生梭梭林>檉柳林>白刺>20年生梭梭林，各固沙林的風速降低幅度均在13.75%以上，說明近地表20 cm各固沙林都可以有效降低風速；在距離地表面50 cm和100 cm高度時，各固沙林周圍平均風速降低百分比均表現(xiàn)為30年生梭梭林>40年生梭梭林>檉柳林>20年生梭梭林>白刺，除白刺外各固沙林風速降低幅度均介于14.55%～25.14%，說明植株較高的固沙林其中部的防風效果較好，而植株低矮的白刺其上部的防風效果顯著減弱；在距離地表面200 cm高度時，各固沙林周圍平均風速降低百分比均表現(xiàn)為檉柳林>40年生梭梭林>30年生梭梭林>20年生梭梭林>白刺，各固沙林風速降低幅度較100 cm處減小，而白刺風速降低幅度較100 cm處無明顯變化，說明植株的高度對防風效果有顯著影響。不同林齡梭梭林背風面各測點的風速降低幅度的均值隨著林齡的增長由12.66%增大到20.41%，說明梭梭林降低風速的幅度隨著林齡的增長而增大。

表2 固沙林周圍不同高度風速變化Table 2 Variation of wind speed around the sand-fixing forest with different heights

表3 固沙林周圍平均風速降低百分比Table 3 Reduction the percentage of the average wind speed around sand-fixation forests

注:同列大寫字母不同表示同一高度的不同固沙林風速降低程度差異顯著(P<0.01)； 同行小寫字母不同表示同一固沙林在不同高度風速降低程度差異顯著(P<0.01)。表4同。

2.4 固沙林對地表粗糙度的影響

由表4可以看出，不同固沙林位置不同，其地表粗糙度不同。各固沙林背風面距離植株越遠，地表粗糙度逐漸減小，防風蝕作用越弱；背風面距離植株越近，粗糙度越大，防風蝕作用越強。各固沙林地背風面地表粗糙度變化范圍在0.57～4.18 cm，以30年生梭梭林最大，白刺最小。經(jīng)測定，對照裸沙地的地表粗糙度為0.14 cm，可以看出，各固沙林的地表粗糙度均大于裸沙地，說明裸沙地建立植被后，極大的增加了地表粗糙度，顯著提高了土壤的抗風蝕能力。不同林齡梭梭林背風面各測點的地表粗糙度的均值隨著林齡的增長由2.25 cm增大到3.38 cm，說明隨著梭梭林齡的增長地表粗糙度逐漸增大。

3 討論

民勤綠洲邊緣固沙林對近地表風沙具有明顯的阻風攔沙作用，流沙上建立植被后，每次風通過固沙林時，植被的地上部分可以分解風沙流，在有效抬升流場的同時分散近地表氣流中的風動量，引起近地表風速廓線的變化，固沙林枝干的阻礙作用和消能作用削弱風沙流的前進速度從而減弱風對地表的吹蝕，進而控制流沙減小危害[2]，而固沙植物凋落的枯枝落葉可以保護地表土壤不被吹蝕，避免了風對地表土壤的直接作用[3]，因此，風向及距離植株遠近不同，固沙林防風固沙的作用不同[14]。本研究中，在固沙林迎風面距植株1～3 m，各固沙林對地表風沙流流量和風速的影響較小，均出現(xiàn)風蝕現(xiàn)象，且距離植株越近，其風蝕深度逐漸變??；在迎風面和背風面距植株1 m內(nèi)，風沙流流量和風速顯著降低，且固沙林背風面風沙流流量和風速的減小程度大于迎風面的減小程度；固沙林背風面距植株1～3 m，風沙流流量和風速略有增大，隨著背風面距離植株越遠，其風積厚度變小。民勤綠洲邊緣流沙上建立植被后，隨著地表風蝕和風積作用的進行以及地表枯落物的分解轉(zhuǎn)化，固沙林的機械組成發(fā)生變化，粉粒、黏粒含量增加，容重、孔隙度等物理性質(zhì)改善，土壤中有機質(zhì)含量和微生物數(shù)量等顯著提升，可有效的改良風沙土的土壤質(zhì)量[15]。

表4 固沙林周圍不同位置地表粗糙度Table 4 The roughness of the surface around the sand-fixation forests at different locations

固沙林的枯落物被土壤中的微生物分解形成腐殖質(zhì)，增加了土壤團粒和膠體結構，使土壤顆粒膠結形成團聚體，保護土壤不易被風吹蝕，而固沙林的根系等地下部分可以固著土壤，起到固沙防蝕的作用[16]。本研究中，不同樹種固沙林風沙流流量和風蝕深度均表現(xiàn)為裸沙地>白刺>20年生梭梭林>40年生梭梭林>檉柳林>30年生梭梭林，主要是因為不同固沙林枯落物的分解量不同，根系的生長情況和分布特征也不盡相同，使得地表土壤形成團聚體的量產(chǎn)生差異，進而造成其固沙防蝕的作用不同。

隨著固沙林林齡的增大，植被覆蓋度逐漸增大，有效的降低了林地內(nèi)的風速和土壤的蒸發(fā)量，顯著提高了林地的相對濕度，改善林地小氣候的效果顯著[17]。本研究中，不同林齡梭梭林風沙流流量和風蝕深度隨著林齡的增長而減小，風積厚度、風速的降低幅度和地表粗糙度隨著林齡的增長而增大，說明隨著林齡的增長，固沙林的高度增大，疏透度減小，根系和地表枯落物增多，增大了固沙林阻風攔沙的作用，使得其風蝕作用減小，風積作用增大；40年生梭梭林發(fā)生不規(guī)律變化，主要是由于當?shù)厮Y源的減少和地下水位的下降導致需水量較大的40年生梭梭林發(fā)生死亡和退化[18]，風沙流流量和風蝕深度較30年生梭梭林變大，具體原因有待進一步研究。

不同植被的防風效果及對風速的影響不同，并且植被高度對風蝕的抑制作用強于植被蓋度[6]。本研究中，植株的高度對防風效果有顯著影響，當風通過固沙林時，由于受到固沙林本身的阻礙作用，使近地表風速減小，且越接近固沙林頂端處，固沙林對風速的影響越小，越接近固沙林中部，固沙林對風速的影響越大，主要是由于固沙林的冠幅較大，主要在中上部形成密集的冠層，而在植株的下層常為主干，分枝少[19]，固沙林的這一特點，使得氣流通過時，中部密集的冠層阻礙對風速的影響較大，頂端和下層對風速的影響較小。

固沙林是對土壤風蝕影響最大的外部因素之一，其保護土壤的效應主要是固沙林減輕土壤風蝕的作用，主要表現(xiàn)為固沙林的枝、干、葉等地上部分改變了近地表的風速垂直分布特征，增大了近地表粗糙度，進而大大降低近地表的風速，減小風沙流流量，影響到近地表的蝕積狀況，起到阻風攔沙的作用[19]。本研究中，各固沙林地背風面地表粗糙度變化在0.57～4.18 cm，以30年生梭梭林最大，白刺最小，且均大于裸沙地。各固沙林背風面距離植株越遠，地表粗糙度逐漸減小，說明民勤綠洲邊緣的固沙林可以有效增大地表的粗糙度，且距離植株越近，粗糙度越大，防風蝕作用越強；反之，距離植株越遠，粗糙度則越小，防風作用越弱。因此，固沙林可以增大地表的粗糙度，從而達到保護地表土壤的作用。

4 結論

1)固沙林保護土壤的效應取決于樹種類型及樹齡，且保護效應在迎風面和背風面差異顯著。梭梭林與其他固沙林相比防風固沙效果明顯，是當?shù)刂档猛茝V種植的防風固沙樹種。

2)不同樹種固沙林降低風沙流流量和減少風蝕深度的效應均表現(xiàn)為30年生梭梭林>檉柳林>40年生梭梭林>20年生梭梭林>白刺>裸沙地，且隨著梭梭林齡的增長，30年林齡時達到最大，40年林齡時均有所下降。

3)不同林齡梭梭林背風面各測點的風積厚度、風速降低幅度和地表粗糙度的均值隨著林齡的增長分別由0.21 cm、12.66%、2.25 cm增大到0.5 cm、20.41%、3.38 cm。

4)各固沙林地背風面地表粗糙度變化范圍在0.57～4.18 cm，以30年生梭梭林最大，白刺最小，且均大于裸沙地，背風面距離林木越遠，地表粗糙度逐漸減小。

5)植株的高度對防風效果有顯著影響，越接近固沙林中部，固沙林對風速的影響越大，越接近固沙林頂端處，固沙林對風速的影響越小，林木背風面中部的風速降低幅度是頂端處的1.16～3.99倍。