吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶不同生境下白刺灌叢沙堆形態(tài)特征與影響機(jī)制

魏亞娟,郭 靖,黨曉宏,解云虎,汪 季,李小樂(lè),吳慧敏

(1.包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.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; 3.內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材廠,內(nèi)蒙古 包頭 014010;4.包頭市林業(yè)和草原局, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

荒漠綠洲過(guò)渡帶位于荒漠與綠洲的交匯區(qū),是荒漠系統(tǒng)和綠洲系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化的生態(tài)地帶[1]?；哪G洲過(guò)渡帶是以水為主導(dǎo)因子的景觀邊界之一,屬于半荒漠植被區(qū)[2],對(duì)維系和保障綠洲生態(tài)安全及生態(tài)內(nèi)部穩(wěn)定具有重要的意義[3]。灌叢沙堆是我國(guó)干旱、半干旱及亞濕潤(rùn)荒漠區(qū)一種常見的風(fēng)積地貌[4-5],植被作為灌叢沙堆形成的基礎(chǔ),對(duì)風(fēng)沙流具有較強(qiáng)的攔截能力[6]。其主要通過(guò)覆蓋地表、分解風(fēng)力和阻擋流沙3種方式改變近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu),使風(fēng)沙流在植被周邊沉積,從而形成灌叢沙堆[7]。灌叢沙堆能夠有效抵御干熱風(fēng)和風(fēng)沙等災(zāi)害,并阻滯流沙向綠洲內(nèi)部侵襲[2],對(duì)維持荒漠綠洲過(guò)渡帶生態(tài)安全和植被資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。

近幾十年來(lái),隨著風(fēng)沙地貌和沙漠化過(guò)程研究的不斷深入,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灌叢沙堆進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。國(guó)外學(xué)者的研究主要集中于灌叢沙堆的形成與演化過(guò)程、沉積特征和生態(tài)學(xué)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程等方面[8-12];而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)灌叢沙堆的研究主要側(cè)重于形態(tài)特征、土壤理化性質(zhì)、空間分布格局和防風(fēng)固沙效益等方面[9-20]。大量研究表明,灌叢沙堆的形成與演化是一種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,是植物、風(fēng)力和沙源3種因素共同作用的產(chǎn)物,其形成能夠反映局域內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境特征[21-22]。由于灌叢沙堆形態(tài)具有一定的局域性和復(fù)雜性,導(dǎo)致同一種植物在不同生境中生長(zhǎng)表現(xiàn)不同,灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)也存在一定差異[18]。原因在于不同生境下植被類型、植被生長(zhǎng)狀況[23]、地表起沙閾值和沙塵釋放程度等因素不盡相同,其對(duì)灌叢沙堆的發(fā)育起著直接或間接作用[4]。然而,上述研究大多關(guān)注干旱、半干旱地區(qū)特定生境下灌叢沙堆形態(tài)特征差異[24-28],對(duì)不同沙地類型灌叢沙堆的發(fā)育狀況鮮有報(bào)道。從流動(dòng)沙地到固定沙地的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,灌叢沙堆的發(fā)育過(guò)程受植被、風(fēng)沙、地形等多種因素的耦合作用,導(dǎo)致其形態(tài)特征明顯不同,而目前關(guān)于沙地的流動(dòng)性與灌叢沙堆形態(tài)相結(jié)合的研究較少,這使得干旱、半干旱地區(qū)灌叢沙堆的發(fā)育過(guò)程及其與沙地類型轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系不甚明晰。

白刺(Nitrariatangutorum)灌叢沙堆是吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶的頂級(jí)群落,是保護(hù)吉蘭泰鹽湖免受風(fēng)沙侵襲的第一道生態(tài)防線。就空間尺度而言,吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶鹽湖外圍自西北向東南方向分布著流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地。但在不同沙地類型中,白刺灌叢沙堆的形態(tài)不盡相同,盡管以往有學(xué)者針對(duì)該地區(qū)白刺灌叢沙堆的形態(tài)特征進(jìn)行了相關(guān)探討[19, 29],但對(duì)不同沙地類型下白刺灌叢沙堆形態(tài)的影響機(jī)制較少涉及,故不同生境條件下白刺灌叢沙堆的發(fā)育過(guò)程及其與風(fēng)沙環(huán)境的作用機(jī)制尚不明晰?；诖?本研究運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和方法,以吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶不同沙地類型白刺灌叢沙堆為研究對(duì)象,對(duì)不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)和灌叢生長(zhǎng)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究不同生境下白刺灌叢沙堆形態(tài)特征和影響機(jī)制,以期為吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶白刺灌叢沙堆植被恢復(fù)和保育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶(105°36′～105°44′E,39°39′～39°46′N),屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量為101.21 mm,降雨多集中在7—9月,年均蒸發(fā)量為2 659.80 mm;多年平均氣溫為9.36 ℃,最冷月1月均溫為-9.66 ℃,最熱月7月均溫為26.10 ℃。研究區(qū)盛行西北風(fēng)和東北風(fēng),年均風(fēng)速3.70 m/s;全年大風(fēng)頻繁,大風(fēng)日數(shù)為40 d。土壤類型為風(fēng)沙土,土壤發(fā)育程度較低,土壤養(yǎng)分貧瘠。地貌類型由外向內(nèi)依次為流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地。半固定沙地距離流動(dòng)沙地為1.33 km,固定沙地距離半固定沙地為1.53 km。研究區(qū)植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,植被覆蓋率較低。不同沙地類型植被情況如圖1和表1所示。

表1 不同沙地類型樣地特征

1.2 樣地設(shè)置與植被蓋度調(diào)查

2019年8月中旬,對(duì)研究區(qū)不同沙地類型白刺灌叢沙堆進(jìn)行野外調(diào)查。每種沙地類型設(shè)置1個(gè)規(guī)格為100 m×100 m的樣方,共計(jì)3個(gè)樣方。然后,沿著主風(fēng)向?qū)γ總€(gè)樣方內(nèi)所有白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定沙堆形態(tài)參數(shù)包括:長(zhǎng)軸(L)、短軸(W)和沙堆高(H)。研究區(qū)白刺灌叢沙堆外部形態(tài)呈橢圓形,其水平尺度(D)、底面積(A)和沙堆體積(V)計(jì)算公式見文獻(xiàn)[16,19]。

對(duì)白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)測(cè)定之后,采用樣方法分別在灌叢沙堆的坡頂、迎風(fēng)面坡中和坡下與背風(fēng)面坡中、坡下各設(shè)置1個(gè)1.0 m×1.0 m的樣方,測(cè)量白刺灌叢枝條株高(h),同時(shí)估測(cè)每個(gè)樣方內(nèi)的植被蓋度,取其平均值作為該灌叢沙堆的枝條密度(M)和植被蓋度(C)。

利用變異系數(shù)表示各沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)特征變異情況,變異系數(shù)計(jì)算方法見文獻(xiàn)[30]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理;用SPSS 20.0進(jìn)行K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布,同時(shí)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)和相關(guān)分析;利用Origin 2017進(jìn)行回歸分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沙地類型白刺灌叢生長(zhǎng)及沙堆形態(tài)變化

不同沙地類型白刺灌叢生長(zhǎng)特征見圖2。由圖2可知,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C、h及M顯著高于流動(dòng)沙地(P<0.05)。相對(duì)C而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動(dòng)沙地分別增加62.35%和51.08%(P<0.05);相對(duì)h而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動(dòng)沙地分別增加35.84%和38.51%(P<0.05);相對(duì)M而言,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢C較流動(dòng)沙地分別增加61.58%和72.77%(P<0.05)。

不同小寫字母表示沙地類型之間差異顯著。下同。Different lowercase letters indecated significant difference among sandy land types. The same below.圖2 不同沙地類型白刺灌叢生長(zhǎng)特征Fig. 2 Growth characteristics of Nitraria tangutorum shrubs in different sandy land types

白刺灌叢沙堆的形態(tài)特征見表2,半固定沙地、固定沙地白刺灌叢沙堆L、W、H、D、A和V顯著高于流動(dòng)沙地(P<0.05)。對(duì)L/W而言,3種沙地類型之間差異不顯著(P>0.05);L/W值由大到小依次為固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地;對(duì)H/L、H/W而言,3種沙地類型之間呈顯著差異(P<0.05)。3種沙地類型H/L、H/W的變異系數(shù)最小,在0.06～0.18之間;L、W、L/W、H、D和A的變異系數(shù)次之,在0.14～0.30之間;而V的變異系數(shù)最大,在0.67～0.93之間。由此可知,除白刺灌叢沙堆體積外,其他形態(tài)參數(shù)變異系數(shù)變化范圍較小。

白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)頻率分布見表3。

表3 白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)頻率分布

由表3可知,整個(gè)研究區(qū)白刺灌叢沙堆H和A主要分別集中在0～2 m和0～20 m范圍內(nèi),分別占到白刺灌叢沙堆總量的96.65%和100%,而白刺灌叢沙堆V范圍分布比較分散。就灌叢沙堆高(H)而言,H<1 m的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動(dòng)沙地>半固定沙地>固定沙地,而H介于1～2 m的灌叢沙堆數(shù)量與之相反;就灌叢沙堆底面積(A)而言,A<10 m2的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動(dòng)沙地>固定沙地>半固定沙地,A介于[10～20) m2的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>固定沙地>流動(dòng)沙地;就灌叢沙堆體積(V)而言,V<10 m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為流動(dòng)沙地>固定沙地>半固定沙地,V介于[10～20) m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>流動(dòng)沙地>固定沙地,V介于[20～30) m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為半固定沙地>固定沙地>流動(dòng)沙地,V>30 m3的灌叢沙堆數(shù)量由大到小表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地。

2.2 不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)相關(guān)性分析

3種沙地類型(流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地)白刺灌叢沙堆的L與W均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.862、0.584和0.668;H與D均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為1.000、0.937和0.972;H與A均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為1.000、0.937和0.972;H與V均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.962、0.924和0.908;A與V均呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)在0.929～0.966之間(表4)。

表4 不同樣地白刺灌叢沙堆的形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性分析

回歸分析發(fā)現(xiàn):白刺灌叢沙堆L與W之間呈一元線性關(guān)系,其R2分別為0.74、0.31和0.44;H與D之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為1.00、0.86和0.96。另外,由于其函數(shù)斜率為正且均位于二次函數(shù)的上升階段。H與A之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為1.00、0.86和0.96。由此可知,在半固定沙地灌叢沙堆高度與底面積擬合效果最差。H與V之間呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為0.99、0.96和0.98。沙堆底面積與體積呈二次函數(shù)關(guān)系,其R2分別為0.99、0.97和0.99(圖3)。

圖3 白刺灌叢沙堆各指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系Fig. 3 The relationship among various index parameters of N. tangutorum nebkhas

3 討 論

3.1 不同沙地類型白刺灌叢生長(zhǎng)特征

灌叢沙堆形狀不僅與灌叢沙堆演化階段有關(guān),還與自身灌叢特性有關(guān)[28]。本研究顯示各沙地類型白刺灌叢沙堆L/W在1.26～1.42之間,說(shuō)明白刺灌叢沙堆呈橢圓形。這主要是因?yàn)楫?dāng)迎風(fēng)面水平非飽和氣流遇阻從沙堆兩側(cè)攜帶走一部分沙物質(zhì),但背風(fēng)側(cè)受植被地上部分影響形成一個(gè)沙尾,導(dǎo)致沙堆逐漸向橢圓方向發(fā)展[21]。而且,當(dāng)灌叢沙堆呈橢圓形,有助于增大風(fēng)沙阻力,加快了風(fēng)沙流中沙物質(zhì)沉積[31]。灌叢生長(zhǎng)狀況影響沙堆的形成與演化,當(dāng)植被蓋度超過(guò)15%時(shí),才能有效控制地表風(fēng)蝕[4];植被高度在10～15 cm及以上才能有效攔截細(xì)砂物質(zhì)[32]。植物枝條密度越大,說(shuō)明植物疏透度越小,對(duì)沙粒的攔截能力越強(qiáng)[33]。本研究顯示流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地白刺灌叢沙堆植被蓋度、株高和枝條密度分別在20.32%～30.70%、22.10～30.61 cm和16.06～27.75 枝/m2?？梢?3種沙地類型白刺灌叢均有攔截沙粒的能力。而且,隨著沙地的固定,白刺灌叢生長(zhǎng)狀況和更新能力逐漸增強(qiáng),但三者的值相對(duì)偏低,這說(shuō)明白刺灌叢生長(zhǎng)狀況較差。白刺灌叢雖然喜沙埋,但超過(guò)一定閾值,沙埋會(huì)嚴(yán)重影響白刺灌叢生存和生長(zhǎng)[32]。前人研究表明,白刺灌叢擴(kuò)展主要依賴于地下水和降雨,當(dāng)年降水超過(guò)110 mm時(shí),才能維持白刺灌叢的正常生長(zhǎng)[34]。而2017年和2018年吉蘭泰降水量分別為125.70 mm和138.60 mm,說(shuō)明年降水量不是影響白刺生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素。白刺灌叢適宜生長(zhǎng)在地下水埋深在1.8～4.0 m的環(huán)境[20],而吉蘭泰地區(qū)由于多年來(lái)機(jī)電井的大量打造,導(dǎo)致其地下水埋深逐漸降低,已經(jīng)由原來(lái)的1.5 m下降到10～15 m,說(shuō)明地下水埋深是制約白刺灌叢生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素[35]。

3.2 不同沙地類型對(duì)白刺灌叢沙堆形態(tài)特征的影響

灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)是評(píng)價(jià)區(qū)域荒漠化監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo),灌叢沙堆的形態(tài)特征是由灌叢、沙源和氣候因素共同決定[6]。灌叢生長(zhǎng)狀況影響著灌叢沙堆的大小[36]。但是,不同植物形成的灌叢沙堆存在較大差異。多年生灌木易形成體積較大的灌叢沙堆,而短命植物形成的灌叢沙堆體積相對(duì)較小[37]。本研究中,白刺灌叢沙堆高度在0.38～2.62 m,該研究結(jié)果與謝國(guó)勛等[4]對(duì)寧夏鹽池白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果相似,其研究結(jié)果表明白刺灌叢沙堆高度為0.20～4.80 m。另外,白刺灌叢沙堆H/L、H/W為0.14～0.17、017～0.24,說(shuō)明白刺灌叢沙堆的水平增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直增長(zhǎng)速度,這是白刺自我保護(hù)的一種生長(zhǎng)策略[18]。但3種沙地類型H/L、H/W呈顯著差異且表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地,這主要是因?yàn)殡S著沙化程度逐漸加重,白刺灌叢沙堆距離沙源的距離越近,受到風(fēng)蝕的程度加重[18]。另外,由于受到沙打沙割的影響,白刺灌叢生長(zhǎng)狀況較差,進(jìn)而影響了白刺灌叢沙堆堆積,最終導(dǎo)致隨著沙化程度加重,沙堆高度與長(zhǎng)軸比、高度與短軸比逐漸降低[4]。豐富的沙源能形成大尺度的灌叢沙堆[14]。但本研究顯示白刺灌叢沙堆高度和體積由大到小依次為半固定沙地>固定沙地>流動(dòng)沙地。該研究結(jié)果與文獻(xiàn)[18]對(duì)民勤荒漠綠洲過(guò)渡帶白刺灌叢沙堆研究結(jié)果相悖,其研究發(fā)現(xiàn)過(guò)渡帶白刺灌叢沙堆由內(nèi)向外沙堆尺度逐漸減小。這主要是因?yàn)檩斏陈逝c植被蓋度成反比[22]。在流動(dòng)沙地,雖然沙源非常豐富,但是強(qiáng)烈風(fēng)沙活動(dòng)導(dǎo)致更多的沙物質(zhì)被吹蝕殆盡[26],加之白刺灌叢植被蓋度、株高和枝條密度非常低,導(dǎo)致大量的沙物質(zhì)無(wú)法被白刺灌叢攔截,其固沙能力受到一定限制[29]。在固定沙地,由于植被蓋度較其他兩種沙地類型的高,且風(fēng)沙流從流動(dòng)沙地到達(dá)固定沙地飽和路徑相對(duì)較長(zhǎng),到達(dá)固定沙地后成為過(guò)飽和風(fēng)沙流,導(dǎo)致沙粒在固定沙地釋放并沉積[33]。而在半固定沙地,由于該樣地存在一定數(shù)量的梭梭和沙拐棗,減弱了風(fēng)沙強(qiáng)度和攜沙能力,使沙粒進(jìn)行沉降堆積,加速了灌叢沙堆增長(zhǎng)速率[19]。

3.3 不同沙地類型白刺灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)的協(xié)同關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)各沙地類型白刺形態(tài)參數(shù)之間存在良好的相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明不同沙地類型白刺灌叢沙堆發(fā)展具有協(xié)同性[18],這與文獻(xiàn)[19]中對(duì)不同生境白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果一致。本研究顯示,3種沙地類型灌叢沙堆長(zhǎng)軸與短軸呈一元線性關(guān)系,說(shuō)明灌叢沙堆在水平尺度上是協(xié)同發(fā)展的[8]。另外,函數(shù)斜率與截距均為正值,說(shuō)明短軸先于長(zhǎng)軸而存在,這與文獻(xiàn)[14]中對(duì)白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果相同。灌叢沙堆高度與水平尺度是判斷灌叢沙堆演化階段的重要依據(jù)[13]。本研究顯示3種沙地類型白刺灌叢沙堆高度與水平尺度呈二次函數(shù)關(guān)系。在3種沙地類型中,其二次函數(shù)系數(shù)均為正值且位于二次函數(shù)上升階段,說(shuō)明這3個(gè)樣地內(nèi)白刺灌叢沙堆均處于發(fā)育階段。而且,99%的灌叢沙堆位于二次函數(shù)的上升階段,由此判定白刺灌叢沙堆均處于增長(zhǎng)階段[13]。另外,3種沙地類型白刺灌叢沙堆高度與底面積、高度與體積和底面積與體積均呈二次函數(shù)關(guān)系。而且,灌叢沙堆全部落在二次函數(shù)上升階段,再次證明了3種沙地類型白刺灌叢沙堆處于增長(zhǎng)階段[20]。本研究還發(fā)現(xiàn),灌叢沙堆底面積與體積擬合曲線下緩上陡,說(shuō)明了在白刺灌叢沙堆形成初期,其底面積增加速率大于體積增長(zhǎng)速率,但當(dāng)?shù)酌娣e增加到一定值后,其體積增長(zhǎng)速率大于底面積增長(zhǎng)速率[38]。

綜上,吉蘭泰荒漠綠洲過(guò)渡帶白刺灌叢沙堆形態(tài)以橢圓形為主,隨著沙地固定,其固沙能力越強(qiáng)。3種沙地類型中,固定沙地的白刺灌叢沙堆空間占有能力最大,對(duì)地表的防護(hù)作用和阻沙能力最強(qiáng),半固定沙地次之,流動(dòng)沙地最小。3種沙地類型白刺灌叢沙堆L與W呈一元線性關(guān)系,白刺灌叢沙堆D與H、A與H、V與H和A與V均呈二次函數(shù)關(guān)系,且均位于二次函數(shù)上升階段,說(shuō)明3種沙地類型的白刺灌叢沙堆均處于增長(zhǎng)階段。半固定沙地和固定沙地白刺灌叢植被蓋度(C)、灌叢高度(h)和枝條密度(M)顯著高于流動(dòng)沙地(P<0.05),說(shuō)明隨著沙地固定,白刺灌叢生長(zhǎng)狀況和更新能力逐漸增強(qiáng)。