不同年限的草方格沙障對生態(tài)恢復的影響

張 帥，丁國棟?，高廣磊，趙媛媛，于明含，包巖峰，王 隴

(1.北京林業(yè)大學 水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京；2.北京林業(yè)大學水土保持學院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，100083，北京；3.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京)

我國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一，機械沙障作為工程治沙的主要方法之一，在荒漠化防治工作中得到廣泛應用[1-3]。受水源及氣候條件限制，生物措施往往無法實行，強制應用植物治沙反而會導致水資源匱乏、生態(tài)退化[4-5]; 因此機械沙障被視為生物治沙的前提和保障[6]。機械沙障利用不同的材料，在沙面上設置成各種形式的障礙物，增加地表粗糙度，進而控制風沙流運動方向、速度、結(jié)構(gòu)等，起到防風固沙的作用[7-9]。

沙障可以改變下墊面性質(zhì)，改善局部小氣候，重塑地表微地形，改良地表微環(huán)境，為先鋒植物的生存提供良好的環(huán)境，進而促進耐干旱灌木的生長[10-12]。植物自身涵養(yǎng)水源、保持水土的功能以及腐殖質(zhì)的消化分解又起到改良土壤的作用，促進生態(tài)的恢復[13-14]。在一系列的工程措施中，草方格是應用時間最長，效果較好的材料之一[15]。筆者選取設置1、2、5、10年的草方格沙障樣地進行取樣分析，并與裸沙地進行對比，觀察不同年限的沙障對沙地土壤改良的作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(E 106°30′～107°41′, N 37°04′～38°10′)，海拔在1 350～1 500 m之間， 地處毛烏素沙地南緣核心區(qū)，屬緩坡丘陵地貌。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L氣候，常年干旱少雨，年均降水量275 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的65%以上，潛在蒸發(fā)散為降水量的5～7倍，年平均氣溫為7.8 ℃，年日照時間約為2 867.3 h，無霜期124 d左右，年大風期24.2 d，年沙塵暴期20.6 d，年平均風速為2.8 m/s。研究區(qū)植被區(qū)系屬歐亞草原帶，受水分條件限制，植物種屬較少，群落結(jié)構(gòu)簡單，植被類型以沙生草本和灌木為主[16]，沙生草本主要分布在基質(zhì)疏松的流動沙丘，以沙米(Agriophyllumsquarrosum)、蟲實(Corispermumhyssopifolium)為主，灌木優(yōu)勢種為油蒿(Artemisiaordosica)、檸條(CaraganaKorshinskii)等。

2 研究方法

2.1 采樣點選擇

氣象和植被狀況會對沙地土壤的含水量及粒徑產(chǎn)生影響，強風吹蝕沙地表面干沙層，致使表層沙土粒徑粗化，并且導致濕沙層上移；降雨會增加土壤含水量，促進沙地先鋒植物萌發(fā)：因此本實驗選在生長季前，且前1周無大風、降雨天氣的時間進行取樣。為消除地形因素對試驗的影響，筆者選擇布設有1 m×1 m麥草方格的平坦沙地作為研究對象，分別在沙障布設1、2、5、10年的樣地進行取樣，每個樣地隨機選取5個取樣點，用土鉆分別在0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層獲取土樣；同時在每個樣地隨機布設3個2 m×2 m的樣方，調(diào)查植被種類及群落結(jié)構(gòu)，分析不同年限的沙障對生態(tài)恢復的影響。

2.2 測定方法

在采樣點獲取土樣時，將一部分土樣裝入鋁盒內(nèi)密封，標注樣點信息，用于土壤含水量的測定，一部分裝入自封袋中，標注樣點信息，用于土壤粒徑的測定。土壤粒徑的分級采用美國制土壤機械組成劃分標準；土壤含水量的測定采用烘干法，在采樣點將新鮮土樣裝入鋁盒后稱量烘干，計算質(zhì)量含水量；土壤粒徑的測定是利用激光粒度分析儀Microtrac S 3500進行的，植被群落調(diào)查采用樣方法，并利用Photoshop像素點數(shù)法計算其蓋度。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年限的草方格對土壤含水量的影響

3.1.1 對土壤整體含水量的影響 對比分析不同年限的草方格沙障對土壤整體含水量的影響， 如圖1所示：隨著沙障布設年限的增加，土壤整體含水量表現(xiàn)出上升的趨勢，布設年限和土壤含水量之間呈正相關(guān)關(guān)系。沙障布設1年后土壤質(zhì)量含水量顯著增長，但第2年增長不顯著，沙障布設前2年的含水量分別為裸沙地的1.11和1.14倍。布設年限5年時土壤含水量增長較為明顯，為裸沙地的1.36倍，布設年限10年時土壤含水量為裸沙地的1.47倍。

圖1 不同年限的沙障對土壤整體質(zhì)量含水量影響的比較(P<0.05)Fig.1 Effect comparison of sand barrier in different setting years on mass moisture content (P<0.05)

3.1.2 對不同土壤層含水量的影響 對比分析不同年限的草方格沙障對不同土壤層含水量的影響，由圖2可見：不同土層的土壤含水量與沙障布設年限之間均呈正相關(guān)關(guān)系。0～10 cm的土層中，草方格沙障布設1、2、和5年的土壤含水量差異較小，但都明顯高于裸沙地，分別是裸沙地的1.27、1.31、1.32倍，沙障布設10年的土壤含水量是裸沙地的1.46倍。10～20 cm的土層中，裸沙地、1年、2年的土壤含水量差異較小，5年的土壤含水量漲幅較大，是裸沙地的1.13倍，10年的含水量明顯高于5年的土壤含水量，為裸沙地的1.26倍。20～30 cm的土層中，裸沙地、1和2年的土壤含水量增長緩慢，5年的土壤含水量增幅較大，是裸沙地的1.61倍，10年的土壤含水量高于其他年限值，為裸沙地的1.81倍。30～40 cm的土層中，裸沙地、1和2年的土壤含水量差距較小，5和10年的土壤含水量相對一致，分別為裸沙地的1.41和1.48倍。

圖2 不同年限的沙障對不同土壤層質(zhì)量含水量的影響比較(Tukey HSD，P<0.05)Fig.2 Comparison of the effects of sand barriers in different years on the mass moisture content at different soil layers

0～10 cm的土層中，沙障布設1年后含水量即出現(xiàn)明顯上升，1～5年間含水量維持在穩(wěn)定狀態(tài)，5～10年間含水量小幅上漲，10年共計漲幅為1.18%。10～20 cm的土層含水量為各土層的最高，但整體漲幅為各土層最低，沙障布設后2年內(nèi)含水量變化較小，2～10年出現(xiàn)明顯上升，10年共計漲幅為0.94%。20～30 cm的土層中，0～5年間含水量增長幅度較大，為5～10年的2.8倍，10年共計漲幅為1.85%。30～40 cm的土層中，含水量在沙障布設5年后達到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，5～10 年漲幅較小，10 年共計漲幅為1%。不同土層的含水量在沙障布設后的前5年增長幅度均>5～10年期間。

3.2 不同年限的沙障對土壤粒徑的影響

對比分析不同布設年限的草方格沙障樣地的土壤粒徑，如表1所示：對于同一樣地，不同深度的土壤的黏粒、粉粒、砂粒占比相對穩(wěn)定，砂粒占絕大多數(shù)，粉粒含量較低，黏粒含量極少。隨著沙障布設時間的增長，各層次的土壤均呈現(xiàn)出黏粒、粉粒含量上升，砂粒含量下降的趨勢。

不同土層的土壤機械組成在沙障布設后2年內(nèi)的變化幅度最大，黏粒、粉粒含量上升明顯，砂粒含量下降幅度較大，在2～5年之間土壤改良趨勢不變，但是變化幅度較小，主要是粉粒含量的少量增加，在5～10年黏粒含量相對一致，粉粒含量小幅提高，相應的砂粒含量有所下降。0～10年黏粒含量平均上漲2.5倍，粉粒含量平均上漲1.98倍，砂粒含量平均降低5.25%。其中，表層沙土黏粒、粉粒含量增長較快，土層越深，黏粒和粉粒增長越慢，這是由于土壤的改良主要是由植被枯枝落葉及腐殖質(zhì)進行的，枯枝落葉很難進入土壤深層，因此表層沙土結(jié)構(gòu)變化較為迅速。

表1 不同年限的沙障樣地的土壤粒徑

注：P<0.05;字母表示在時間尺度上差異顯著。Notes: Letters represent significant differences in time scales atP<0.05.

3.3 不同年限的沙障對植被恢復的影響

分析不同年限的沙障樣地植被恢復狀況，由表2可知：沙障布設1年后即出現(xiàn)少量先鋒植物沙米，蓋度較小，集中分布在沙障網(wǎng)格內(nèi)靠近邊緣的位置，沙障布設2年后出現(xiàn)草本植物蟲實，同時沙米的植株增多，蓋度增大，主要分布在網(wǎng)格前半部分靠近邊緣的位置，沙障布設5年后出現(xiàn)當?shù)貎?yōu)勢種灌木油蒿，且蟲實的數(shù)量急劇增長，形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，同時沙米群落消退，此時草本植物蓋度占比為68.2%，沙障布設10年后先鋒植物消失，形成油蒿群落。

沙障的生態(tài)恢復功能是通過防風固沙以改善局地微氣候，為植被的生長創(chuàng)造良好條件，從而利用植被的演替來實現(xiàn)的。同土壤質(zhì)量含水量的數(shù)據(jù)結(jié)合來看，草方格沙障布設1年后即出現(xiàn)先鋒植物，此時土壤表層含水量明顯上升，深層變化較小，說明先鋒草本植物具備一定的涵養(yǎng)水源的作用，由于其根系較淺，因此僅對表層土壤有影響；5年后先鋒草本植物形成穩(wěn)定植物群落，且出現(xiàn)灌木植株，在此過程中，土壤深層含水量增加明顯，這是由于灌木根系較為發(fā)達，根蘗深入到土壤深層；10年完成先鋒草本植物穩(wěn)定群落向灌木穩(wěn)定群落的過渡，此時土壤含水量的漲幅下降，猜測是由于降雨量少及植被需水量增大導致。

4 結(jié)論與討論

1)草方格沙障的布設可以有效改良土壤性質(zhì)，提高土壤含水量，使沙粒細化，黏粒、粉粒含量增加。這一結(jié)論與成聰聰?shù)萚17]和許婷婷等[18]的研究結(jié)果一致。

2)草方格沙障的布設可以促進沙地生態(tài)系統(tǒng)的修復，加速裸沙地經(jīng)先鋒草本植物群落向穩(wěn)定灌木群落的演替進程。這一結(jié)論與Zhang等[19]的研究結(jié)果一致；但生態(tài)恢復進程要明顯快于后者，通過對比研究區(qū)氣候條件的差異發(fā)現(xiàn)，本研究區(qū)降雨量為275 mm，Zhang等[19]的研究區(qū)降雨量為180 mm，降雨量在沙區(qū)生態(tài)恢復進程中發(fā)揮較為重要的作用。

表2 不同年限的沙障樣地植被恢復狀況

3)在樣方調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，生態(tài)恢復初期先鋒草本植物的分布以沙障網(wǎng)格邊緣為主，網(wǎng)格中心極少。董智等[20]的研究表明在風沙流經(jīng)過沙障網(wǎng)格時，會在障后形成渦流減速區(qū)，隨后在網(wǎng)格中心形成恢復加速區(qū)。據(jù)此，我們猜測風影區(qū)和穩(wěn)定區(qū)等負風壓系數(shù)區(qū)可以為種子萌發(fā)提供較好的條件。