吉蘭泰鹽湖綠洲檉柳灌叢生長與沙堆形態(tài)特征的關(guān)系

遲 旭，崔向新，黨曉宏，蒙仲舉，翟 波，張 格

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)試驗中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

土地荒漠化是當(dāng)今全球面臨的最為嚴重的社會、經(jīng)濟和生態(tài)問題，荒漠化的科學(xué)治理對于改善人類生存環(huán)境、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。植物作為一種經(jīng)濟有效的防風(fēng)阻沙材料，是荒漠化治理的有效手段之一[1]。由于荒漠地區(qū)干旱缺水、植被稀少，營建防護林在防沙治沙方面扮演了重要的角色[2-3]。檉柳灌叢防護林帶位于吉蘭泰鹽湖綠洲，該地具有沙區(qū)集中、風(fēng)沙活動強烈、沙源充足的特點；同時也面臨土地沙化面積擴大、生態(tài)環(huán)境脆弱、風(fēng)沙危害嚴重等問題。

檉柳(Tamarixchinensis)是干旱區(qū)主要耐鹽植物，獨立的檉柳灌叢可通過攔截過境風(fēng)沙，借助自身凋落物及根部分泌物將灌叢周圍的土壤顆粒及養(yǎng)分向灌叢中心聚集[4-5]，形成明顯的資源島特征[6]，并且在灌叢周圍堆積形成一種類似沙包的特殊地貌類型，稱為灌叢沙堆[7]。灌叢沙堆是衡量土壤風(fēng)蝕與土地退化的重要標志,檉柳灌叢沙堆對于維持吉蘭泰鹽湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用[8]。已有研究表明，植物本身的阻沙能力是植物地上部分與地下部分共同作用的結(jié)果[9]，植物地上部分的高度、冠幅面積等與沙堆長度、沙堆底面積、沙堆體積之間呈明顯正相關(guān)關(guān)系[10-11]。阿依努爾·艾尼等[12]的研究表明，檉柳灌叢對其周圍地表風(fēng)速和輸沙量具有顯著影響。但是關(guān)于檉柳灌叢生長發(fā)育過程中灌叢形態(tài)與其所形成的沙堆形態(tài)之間的相關(guān)性研究卻鮮有報道。

為此，本研究以內(nèi)蒙古阿拉善盟吉蘭泰鹽湖綠洲防護林帶檉柳灌叢沙堆為對象，通過對研究區(qū)內(nèi)檉柳灌叢形態(tài)與灌叢所形成沙堆之間相關(guān)性的系統(tǒng)分析，探明同一建植年限檉柳灌叢形態(tài)大小與阻沙能力之間的差異，確定制約沙堆形成的灌叢形態(tài)參數(shù)，以期揭示同一建植年限檉柳灌叢生長差異的影響因素，為吉蘭泰鹽湖綠洲防護林帶防沙治沙及環(huán)境改善提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善盟吉蘭泰鹽湖綠洲防護林帶(105°42′56.48″E，39°47′29.66″N)，平均海拔為1 012 m。研究區(qū)屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有氣候炎熱、干旱少雨、風(fēng)大沙多等特點。年降水量107 mm，年平均蒸發(fā)量2 956.8 mm，為年降水量的27倍。主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，年平均風(fēng)速3.4 m/s，晝夜溫差大，年平均氣溫8.6 ℃，主要土壤類型為風(fēng)沙土、灰漠土[13]。

試驗地設(shè)在鹽湖防護林帶內(nèi)部，檉柳灌叢為1983年人工栽植，株行距為2.0 m×2.0 m，與鹽湖湖心的鹽爪爪灌叢相鄰，受水分和鹽堿條件限制，植被分布格局大尺度上呈條帶狀分布，小尺度上呈斑塊狀，由于植被多年定居，因此不同灌叢防護林帶之間邊界不明顯。試驗地內(nèi)檉柳為建群種，植被蓋度約為37.08%。中間零星分布有白刺灌叢(Nitrariatangutorum)、多年生草本植物蘆葦(Phragmitesaustralis)和一年生草本興安蟲實(Corispermumchinganicum)?？拷}爪爪灌叢的檉柳灌叢沙堆表面有鹽結(jié)皮覆蓋，結(jié)皮較完整，結(jié)皮面積占沙堆表面積的80%以上。研究區(qū)位于封育地帶，結(jié)皮無破損和風(fēng)蝕現(xiàn)象。防護林帶內(nèi)部檉柳灌叢未形成鹽結(jié)皮，灌叢沙堆以流沙為主。

1.2 試驗設(shè)計

在吉蘭泰鹽湖附近選取檉柳灌叢防護林帶，經(jīng)實地勘察后設(shè)置100 m×100 m樣方(圖1)，對樣方內(nèi)218株檉柳灌叢及其沙堆形態(tài)指標進行測定：用鋼卷尺(精度0.1 cm)測量檉柳灌叢高度(H)、冠幅長度(L)、冠幅寬度(W)、沙堆長度(SL)、沙堆寬度(SW)和沙堆高度(SH)。

在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)以上參數(shù)計算檉柳灌叢的冠幅面積(A)、灌叢體積(V)以及沙堆底面積(SA)和沙堆體積(SV)。冠幅面積(A)與沙堆底面積(SA)以橢圓計算，灌叢體積(V)與沙堆體積(SV)以橢球體估算。參考Liu等[14]對檸條錦雞兒灌叢的等級劃分方法，構(gòu)建灌叢個體指數(shù)(SSI)，SSI=∏C1C2H/4，其中C1、C2分別為植株冠幅長度、冠幅寬度，H為灌叢高度。依據(jù)SSI將檉柳灌叢分為大型灌叢(SSI>40)、中型灌叢(10≤SSI≤40)和小型灌叢(SSI<10)3個等級。

不同大小圓圈代表樣地內(nèi)灌叢的大小Sizes of circles represent sizes of shrubs圖1 檉柳灌叢樣方示意圖Fig.1 Sampling map of Tamarix chinensis shrubs

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 10.0整理數(shù)據(jù)，用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。采用單因素分析法(One-way ANOVA)比較不同等級灌叢之間植株與沙堆形態(tài)特征的差異。以5 m2為單位將沙堆劃分為底面積不同的小組[15]，繪制不同類型檉柳灌叢沙堆底面積頻率分布圖和累積頻率分布圖。檉柳灌叢結(jié)構(gòu)與其沙堆間的關(guān)系用Person相關(guān)分析方法[16]進行分析。最后對灌叢指標與其沙堆指標進行回歸分析，研究檉柳灌叢的阻沙效應(yīng)，采用Origin 2019軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢及其沙堆概況

吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢及其沙堆基本情況的調(diào)查結(jié)果見表1。由表1可見，3種類型檉柳灌叢及其沙堆在灌叢總數(shù)、平均高度、平均冠幅和SSI方面均具有明顯差異。試驗地小型灌叢總數(shù)為177株，較中型灌叢多141株，而大型灌叢總數(shù)僅為5株。大型灌叢平均高度為2.27 m，較中型灌叢高0.08 m，較小型灌叢高1.04 m。小型灌叢SSI為3.39,大型灌叢SSI為53.81,大型和小型灌叢植株均單株生長，中型灌叢以多株生長為主， SSI為20.74。

表1 不同等級檉柳灌叢及其沙堆概況Table 1 Overview of different levels of Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.2 吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢及其沙堆的空間分布與形態(tài)特征

吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢植株與沙堆形態(tài)指標間關(guān)系密切。由表2可見，樣地內(nèi)檉柳灌叢與沙堆形態(tài)參數(shù)間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，僅灌叢高度與沙堆高度之間相關(guān)系數(shù)較小(R=0.320)。

表2 檉柳植株及其沙堆形態(tài)指標間的相關(guān)系數(shù)(R)Table 2 Correlation coefficients (R) between morphological indexes of Tamarix chinensis plants and sand piles

對吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢及沙堆形態(tài)關(guān)系的分析(圖2)可知，不同類型灌叢的灌叢長度、灌叢寬度、灌叢高度、沙堆長度、沙堆寬度和沙堆高度間的差異均達顯著水平(P<0.05)，且平均值均表現(xiàn)為大型灌叢>中型灌叢>小型灌叢。大型檉柳灌叢高度為2.49～3.03 m，灌叢高度平均值較中型灌叢高24.20%，是小型灌叢高度的3.21倍，三者之間有顯著差異(P<0.05)。小型灌叢的沙堆高度平均值較中型灌叢低65.00%，較大型灌叢沙堆低165.00%。

圖中不同小寫字母表示各類型灌叢間差異顯著(P<0.05)，箱線圖中5條線從上到下依次為灌叢及其沙堆指標的最大值、第三四分位數(shù)值、中位數(shù)值、第一四分位數(shù)值和最小值；正方形空心方點表示平均值Different lowercase letters in the graph indicate significant differences between different shrub types(P<0.05),from top to bottom,the five horizontal lines in the boxplot are the maximum,the third quartile,the median,the first quartile and the minimum of shrub and sand pile indexes.Square hollow square points represent the average value圖2 不同等級檉柳灌叢及其沙堆形態(tài)指標的箱線圖Fig.2 Box diagram of morphological indexes of different grade Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.3 吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢與沙堆形態(tài)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

由表3可見，吉蘭泰鹽湖檉柳大型灌叢的高度與沙堆寬度間存在顯著相關(guān)關(guān)系(R=0.931，P<0.05)，沙堆高度與沙堆寬度也呈顯著相關(guān)(R=0.952)，其余指標間相關(guān)性均不顯著。說明灌叢高度是制約大型灌叢沙堆形態(tài)的主要因素。

表3 大型檉柳灌叢與沙堆形態(tài)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)(R)Table 3 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of large Tamarix chinensis shrubs and sand piles

由表4可見，中型檉柳灌叢的灌叢高度與其他灌叢、沙堆形態(tài)參數(shù)之間均無明顯相關(guān)關(guān)系；中型灌叢的沙堆高度與灌叢形態(tài)參數(shù)間無相關(guān)性，但與沙堆長度和寬度呈極顯著或顯著相關(guān)；灌叢長度和寬度與沙堆長度和寬度之間均呈極顯著線性相關(guān)(P<0.01)。

表4 中型檉柳灌叢與沙堆形態(tài)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)(R)Table 4 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of medium Tamarix chinensis shrubs and sand piles

由表5可見，小型檉柳灌叢的灌叢高度除與沙堆高度間無顯著相關(guān)關(guān)系外，與其他指標均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，沙堆高度與沙堆寬度間顯著相關(guān)(P<0.05)，而冠幅長度和寬度與沙堆長度、寬度和高度間均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表5 小型檉柳灌叢與沙堆形態(tài)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)(R)Table 5 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of small Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.4 吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢形態(tài)特征與沙堆形態(tài)參數(shù)的回歸分析

由圖3可見，吉蘭泰鹽湖大型檉柳灌叢長度和寬度僅與灌叢形態(tài)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系較高，灌叢長度隨灌叢寬度與灌叢高度的增加均呈先增加后降低的趨勢；灌叢高度與沙堆形態(tài)指標間相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.53。說明大型灌叢沙堆的形態(tài)特征僅受灌叢高度的制約。

圖3 大型檉柳灌叢植株與沙堆形態(tài)參數(shù)的擬合關(guān)系Fig.3 Fitting relationship between large Tamarix chinensis shrub plants and morphological parameters of sand piles

由圖4可見，吉蘭泰鹽湖中型檉柳灌叢的長度和寬度與沙堆的長度和寬度間均呈正相關(guān)關(guān)系，灌叢長度與沙堆長度間的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.47，灌叢寬度與沙堆長度間的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.49，灌叢寬度與沙堆寬度間的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.48，灌叢長寬與沙堆長寬的擬合方程均為線性相關(guān)關(guān)系，表明中型灌叢沙堆形態(tài)特征主要受灌叢長度和寬度的制約。

圖4 中型檉柳灌叢植株與沙堆形態(tài)參數(shù)的擬合關(guān)系Fig.4 Fitting relationship between medium Tamarix chinensis shrub plants and morphological parameters of sand piles

由圖5可見，吉蘭泰鹽湖小型檉柳灌叢長度與除沙堆高度外的其他指標間的相關(guān)系數(shù)(R2)均較高，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.42；灌叢寬度與沙堆長度和寬度間相關(guān)系數(shù)R2均大于0.63，具有較高的相關(guān)性。小型灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)間的擬合方程的斜率均為正，其中灌叢高度與沙堆形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系相對較小，說明小型灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)受灌叢長度和寬度的影響較為明顯。

圖5 小型檉柳灌叢植株與沙堆形態(tài)參數(shù)的擬合關(guān)系Fig.5 Fitting relationship between small Tamarix chinensis shrub plants and morphological of parameters sand piles

2.5 吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢及其積沙體的形態(tài)特征

不同個體指數(shù)(SSI)檉柳灌叢的積沙情況如圖6所示。

圖6 不同個體指數(shù)(SSI)檉柳灌叢的積沙情況Fig.6 Sediment accumulation in Tamarix chinensis shrubs with different individual sizes

由圖6可見，隨著吉蘭泰鹽湖檉柳灌叢個體指數(shù)(SSI)的增加，沙堆底面積與沙堆體積均具有類似的變化趨勢，總體呈正相關(guān)關(guān)系，沙堆底面積為0.12～31.64 m2，隨SSI的增加呈線性增長，且擬合度相對較好，其擬合方程的R2為0.78；沙堆體積為0.01～16.33 m3，且隨灌叢SSI的增大呈增加趨勢，說明檉柳灌叢SSI越大，其積沙能力越強。

從圖7可知，灌叢沙堆投影面積逐漸增大，不同等級檉柳灌叢沙堆出現(xiàn)頻率均不相同。85.32%小型灌叢的沙堆投影面積小于5 m2，沙堆大小分布比較集中；中型灌叢沙堆投影面積為0～30 m2，分布較均勻，累積頻率中值對應(yīng)面積小于10 m2；大型灌叢在樣地內(nèi)零星分布，且均分布在檉柳防護林帶的邊緣，大型灌叢沙堆投影面積為20.61～31.64 m2，累積頻率中值對應(yīng)面積小于30 m2。3類檉柳灌叢沙堆投影面積均小于35 m2，說明隨著檉柳灌叢SSI的增大，其積沙能力增強。

圖7 3類檉柳灌叢沙堆投影面積的頻率和累積頻率的分布Fig.7 Frequency and cumulative frequency distribution of sand piles in 3 types of Tamarix chinensis shrubs

3 討 論

灌叢沙堆作為干旱及半干旱地區(qū)的特殊地貌形態(tài)，是因植物覆蓋地表、阻截風(fēng)沙等方式改變氣流結(jié)構(gòu)、降低近地表風(fēng)速[17]，使得近地表沙物質(zhì)重新分配而形成的形態(tài)各異的沙堆[18]，利用沙堆形態(tài)特征可以初步衡量植被的阻沙能力。在一定區(qū)域內(nèi)，植被類型及其生長條件與沙堆各形態(tài)參數(shù)之間具有一定的相關(guān)性[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著檉柳株高和冠幅的逐漸增大，其防風(fēng)阻沙能力逐漸增強，導(dǎo)致到達地面的近地表風(fēng)沙流強度逐漸減弱，使沙粒沉降堆積，檉柳周圍形成的沙堆發(fā)育速度加快。灌叢沙堆由上部透風(fēng)的植被和下部不透風(fēng)的風(fēng)積沙體組成，且植被空間占有率越高，其防風(fēng)阻沙能力越強，形成的沙堆也越大[20]。本研究還發(fā)現(xiàn)，植物生長狀態(tài)與沙堆底面積、沙堆體積之間呈正相關(guān)關(guān)系，與前人研究結(jié)果[21-22]一致；小型、中型灌叢植株高度與其他灌叢及沙堆形態(tài)參數(shù)之間不相關(guān)，沙堆高度與其他灌叢及沙堆形態(tài)參數(shù)間相關(guān)性較差[23]。檉柳灌叢生長到一定大小后，由原來的橢球體開始向上生長，大型檉柳灌叢中下部冠幅形態(tài)不再生長，在頂部形成正三角形突出體，此時植株高度成為沙堆形態(tài)特征的主要響應(yīng)參數(shù)。

氣候干旱與植被稀少等環(huán)境特點為沙堆的形成提供了條件[24-25]，灌叢沙堆在防止風(fēng)沙侵蝕和養(yǎng)分流失方面發(fā)揮著重要作用[26]。充足的沙源與強烈的風(fēng)沙活動是吉蘭泰鹽湖綠洲防護林帶檉柳灌叢沙堆形成的必要條件[27]。研究表明，植物地上形態(tài)結(jié)構(gòu)是影響其阻沙能力的重要因素[28]，灌叢形態(tài)與灌叢積沙量大小間存在顯著相關(guān)性[2]。不同等級灌叢沙堆在小尺度上傾向于均勻分布，在大尺度上呈隨機分布[29]。本研究中，大型檉柳灌叢位于防護林帶邊緣，與鹽爪爪灌叢相鄰，由于無高大灌叢攔截風(fēng)沙，因此沙源充足，為沙堆的發(fā)育提供了條件。大型檉柳灌叢株間距較大，植株可利用的空間資源充足，這為其形態(tài)生長及沙堆的形成提供了條件；大型灌叢沙堆表面有鹽結(jié)皮覆蓋，且結(jié)皮較完整，因此大型灌叢沙堆抗風(fēng)蝕性良好[30]。小型灌叢位于防護林內(nèi)部，株間距較小，且有大型、中型灌叢阻擋，沙源相對不夠充足，且小型灌叢沙堆表面未形成結(jié)皮，沙堆易風(fēng)蝕，因此，小型灌叢形成的沙堆較小。

檉柳灌叢是多年生灌木，由于環(huán)境影響，不同等級灌叢雖建植年限相同，但其生長發(fā)育速度并不相同。檉柳植株在防護林中的位置、所處生境是制約其生長的重要因素。由于檉柳冠幅表層幼枝柔韌度較高，風(fēng)沙流經(jīng)過時，枝葉變形、擺動幅度大，而老枝透風(fēng)系數(shù)較大，風(fēng)沙流過后對沙堆造成侵蝕，導(dǎo)致沙堆的形態(tài)發(fā)育相對不規(guī)則[31]。小型灌叢植株與沙堆形態(tài)之間相關(guān)性較強，這是由于小型灌叢沙堆處于防護林帶內(nèi)部，且小型灌叢沙堆表面未形成鹽結(jié)皮，沙堆表面為流沙。因此，小型灌叢形成的沙堆是灌叢植株與風(fēng)沙環(huán)境共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

在吉蘭泰鹽湖綠洲防護林帶檉柳防護林營建與演替過程中，無論檉柳灌叢沙堆長度(0.63～7.80 m)、沙堆寬度(0.32～6.20 m)、沙堆高度(0.05～0.80 m)，還是積沙面積(0.12～31.64 m2)、沙堆體積(0.01～16.33 m3)，均隨檉柳灌叢植株個體指數(shù)(SSI)的增大而變大，形成鹽結(jié)皮之前冠幅長度和寬度是影響積沙效果和沙堆形態(tài)的主要因素。檉柳灌叢形態(tài)指標與沙堆形態(tài)參數(shù)之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，大型灌叢沙堆形態(tài)主要受植株高度制約，中型、小型灌叢沙堆形態(tài)主要受灌叢長度和寬度制約。隨著灌叢生長及SSI的增大，植株高度逐漸成為沙堆形態(tài)的主要制約因素。