黨曉宏,虞 毅,高 永,袁立敏,馬迎賓,高君亮,王 珊,張惜偉
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院,呼和浩特010019;2.國際竹藤中心,北京100102;3.中國林業(yè)科學研究院 沙漠林業(yè)試驗中心,內(nèi)蒙古 磴口015200)
沙漠化是指干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)由于人地關(guān)系不相協(xié)調(diào)所造成的以風沙活動為主要標志的土地退化[1]。沙漠化已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的嚴重障礙,也是人類在環(huán)境問題上面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國是世界上受到土地沙漠化危害最嚴重的國家之一,其中沙漠化土地占國土面積18%以上,因此防治土地沙化的任務(wù)迫在眉睫[2]。我國沙漠化系統(tǒng)研究及治理工作始于20世紀50年代,目前我國沙漠治理的方法和技術(shù)已經(jīng)取得一定成果[3]。其中設(shè)置機械沙障是治理土地沙漠化有效防治措施之一[4],對其鋪設(shè)的規(guī)格、防護原理已有許多學者研究探討[4-7]。例如半隱蔽格狀沙障可以增加地表粗糙度,有效降低近地表風速,明顯減弱輸沙強度及形成穩(wěn)定凹曲面等,同時沙障對土壤具有明顯改良作用[8-9],還可以改善局部小氣候[10-11]。常用的機械沙障材料以柴草、黏土等為主,而類似于柴草、沙柳沙障在光、熱及微生物的作用下降解,導致壽命縮短,而且有些地方柴草、黏土相對短缺,運輸不方便。因此探索開發(fā)一種高效、防護作用時間長、方便運輸?shù)纳痴喜牧弦殉蔀槟壳凹贝鉀Q的問題。項目組從日本引進PLA(Poly Lactic Acid)纖維制作沙障,具有簡單輕便易運輸、使用壽命長、防護作用久、抗老化、耐高溫、并無二次污染的環(huán)保型防沙固沙材料。PLA沙袋沙障是將PLA纖維紡織制成筒狀沙袋,就地取材將沙子灌入其中進行鋪設(shè),省時省力,簡便易行。土壤機械組成是影響土壤水肥狀況的關(guān)鍵因子[12-13]。土壤中粒徑大小及組成對養(yǎng)分的吸附強度有很大的影響[14],研究土壤的顆粒組成對指導土壤改良有著重要的現(xiàn)實意義[15-17]。
本試驗以鋪設(shè)PLA沙袋沙障的沙丘為研究對象,對其進行實地采樣,經(jīng)過對障內(nèi)、障外地表0—11 cm沙粒的粒徑進行實驗測定,數(shù)據(jù)對比分析,得出PLA沙袋沙障對沙丘表層土壤粒徑的影響,進而以土壤粒徑為參數(shù)確定最優(yōu)的沙障規(guī)格,為PLA沙障在防沙治沙中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù),為新型沙障的研制與發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。
本試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn),地處烏蘭布和沙漠西南緣,北緯39°48′14″、東經(jīng)105°42′45″,因氣候干燥,植被破壞,強烈風蝕作用等造成流沙四起,形成沙漠景觀類型:新月形沙丘和沙丘鏈、壟狀沙丘、格狀沙丘、灌叢沙堆、風蝕洼地。海拔1 030~1 045m。沙漠遠離海洋濕潤氣流難以進入,加之賀蘭山和巴音烏拉山阻隔,同時因受蒙古高氣壓冷空氣的影響,造成了該區(qū)冬寒夏熱、氣候干燥、光照豐富、降水少蒸發(fā)強、風大沙多的溫帶荒漠氣候特征,年均最高氣溫16.7℃,年均最低氣溫4.7℃,年平均降雨量為107.8mm,多集中在6—8月3個月,年平均蒸發(fā)量為2 956.8mm。年平均風速為3.4 m/s,主要風向為西南風和東北風,風速最大為西北風,年大風日數(shù)平均為33.9d,揚沙日數(shù)為85.4d,最大風速為23m/s。
試驗區(qū)土壤屬分布在棕鈣土向荒漠土過渡的沙地土壤,主要類型有:灰漠土、鹽漬土、風沙土、間或有鹽化草甸土分布;在植物種類組成上,藜科植物占有最大的數(shù)量,沙米(Agriophyllum squrrosum L.Moq.)、豬毛菜(Salsola collina Pall.)是雨季構(gòu)成沙區(qū)植被的主要物種,菊科的蒿屬植物,特別是油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)在此起著明顯的建群作用,白刺屬的種是構(gòu)成本沙區(qū)沙生荒漠植被的重要建種群,檉柳科的紅砂(Reaumuria songarica Pall.Maxim.)在平坦地區(qū)構(gòu)成群叢。由于沙地或覆沙地的廣泛分布以及人為活動的干擾,地帶性植被破壞嚴重,大面積的原始梭梭林被破壞,試驗區(qū)周圍有人工種植的籽蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.)、梭梭(Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bge.)、阿拉善沙拐棗(Calligonum alaschanicumA.Los.)、胡楊(Populus euphratica Oliv.)。
試驗地選擇在距吉蘭泰鎮(zhèn)西北約10km處,試驗選擇在坡度較為平緩的沙丘上,2007年5月在不同沙丘沿沙丘走向在相同部位分別鋪設(shè)邊長為1m×1m,2m×2m,3m×3m的三種不同鋪設(shè)規(guī)格的PLA沙袋沙障(以下簡稱1m×1m,2m×2m,3m×3m),沙障的鋪設(shè)垂直于主風向。沙障帶寬約50 m,長40~60m不等(根據(jù)地形鋪到沙壟兩側(cè)底部),沙障障高約15cm。
在鋪設(shè)沙障的沙丘按照不同坡位(迎風坡、坡頂、背風坡)、障格內(nèi)不同位置(如圖1所示)及不同土層深度分別進行取樣。由于沙丘不是很高,沙障在迎風坡和背風坡兩側(cè)跨度不大,故無需在迎風坡和背風坡的坡底、坡中分別取樣,只在迎風坡、坡頂、背風坡上隨機選取3個障格,在每個障格內(nèi)的5個點(圖1)上分別采用高永等研制出來的風沙土分層取土器[18],取土厚度1cm,分別采取距地表0—1cm,2—3cm,4—5cm,6—7cm,8—9cm,10—11cm六層土樣,每層約取50g左右,裝入密封袋密封,并標注取樣點信息,同時在該沙丘上的3個坡位未鋪設(shè)沙障處取土樣作為對照(CK),每個取樣點設(shè)置3次重復。將取完土在實驗室樣風干,采用四分法選取5g試驗樣品利用Rise-2008型激光粒度分析儀測定土壤粒徑,每個樣品3次重復[19]。試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel和SAS 9.0處理。
圖1 土壤樣點采集示意圖
將3種鋪設(shè)規(guī)格沙丘土壤粒徑數(shù)據(jù)取得均值后分析得出:PLA沙袋沙障1m×1m,2m×2m,3m×3m規(guī)格沙丘土壤粒徑分別為0.26mm,0.29 mm,0.27mm,比對照沙丘的0.25mm 分別增大4%,16%,8%。2m×2m規(guī)格沙丘對土壤粒徑影響最大,3m×3m次之,1m×1m規(guī)格對土壤粒徑影響最小。總體來說,沙丘鋪設(shè)沙障后,其粒徑有增大趨勢。經(jīng)分析可知,沙障能改變地表粗超度,使近地表的風速減弱。當風沙流攜帶上游的飽和風沙流遇到沙障后降低風速,在障格內(nèi)形成小范圍紊流,動力不足導致由于重力作用的較大粒徑沙粒掉落在障格內(nèi),而后未飽和的風沙流在動力不足的條件下只能吹走地表細小沙粒。由于鋪設(shè)的規(guī)格不同,沙障對風的影響程度不同,導致3種鋪設(shè)規(guī)格沙丘的土壤粒徑有一定的差別。
3.2.1 鋪設(shè)沙障沙丘不同坡位土壤粒徑整體分析據(jù)測定3種鋪設(shè)規(guī)格沙障的沙丘迎風坡、坡頂及背風坡的土壤粒徑分別為0.267,0.300,0.253mm;而對照沙丘分別為0.257,0.248,0.247mm。分別對3種規(guī)格沙丘土樣平均粒徑對比分析得出,鋪設(shè)沙障沙丘的3個坡位土壤粒徑均大于對照沙丘。在背風坡,鋪設(shè)沙障沙丘和對照沙丘土壤粒徑都小于迎風坡和背風坡。通過計算可知,鋪設(shè)PLA沙袋沙障的沙丘,迎風坡、坡頂、背風坡土壤粒徑分別比對照沙丘土壤粒徑大3.9%,21%,2.4%。
經(jīng)過分析可知,飽和風沙流在攜帶沙粒遇到沙障阻礙時,風速減小導致風沙流不飽和,而粒徑較大的沙粒由于重力作用會落在沙障內(nèi),這樣就表現(xiàn)為有PLA沙障沙丘的土壤粒徑大于未鋪設(shè)沙障的對照沙丘。由于坡位不同,受風的影響不同,坡頂當風沙流經(jīng)過迎風坡時受到抬升作用,風速有所削弱,粒徑較小的細沙會沉降在背風坡,因此沙丘在背風坡的粒徑要小于迎風坡和坡頂。
3.2.2 不同鋪設(shè)規(guī)格沙丘3個坡位的土壤粒徑比較分析 將1m×1m,2m×2m,3m×3m這3種規(guī)格沙障的不同坡位障內(nèi)土壤粒徑取平均值,分別得到各鋪設(shè)規(guī)格沙障沙丘不同坡位的土壤平均粒徑,再分別與對照地進行比較分析后得到圖2,可以看出2m×2m規(guī)格在沙丘坡頂處對土壤粒徑影響最明顯。由圖2可看出,3種鋪設(shè)規(guī)格沙障沙丘坡頂?shù)耐寥懒蕉即笥趯φ丈城穑?m×1m迎風坡土壤粒徑小于對照沙丘,3m×3m背風坡土壤粒徑小于對照沙丘。其中2m×2m無論在迎風坡、坡頂還是背風坡,土壤粒徑都大于對照。
經(jīng)分析可知,沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯。由于沙障的影響,風沙流經(jīng)過沙障帶時風速減小,粒徑較大的顆粒不再隨風移動,落在坡頂障內(nèi),導致坡頂土壤粒徑明顯大于迎風坡和背風坡;隨著風沙流的繼續(xù)運動,到達背風坡以后,由于風速的減小,攜沙能力也在減小,風沙流中較大粒徑的顆粒落到背風坡障內(nèi),同時又帶走了背風坡沙障內(nèi)地表粒徑較小的沙粒,最終導致背風坡土壤平均粒徑小于迎風坡和坡頂,大于對照。
圖2 不同規(guī)格沙障在不同坡位對土壤粒徑的影響
3.3.1 PLA沙袋沙障障格內(nèi)5點土壤粒徑總體分析 將所有沙障規(guī)格內(nèi)相同位置的土樣粒徑取平均,可以看出,鋪設(shè)PLA沙障后障格內(nèi)各位置土壤粒徑均較對照顯著增大(除二點處外),其中四點處變化最為明顯,比對照沙丘土壤粒徑大16%,一、三、五點處土壤平均粒徑比對照分別增大7.7%,4%,3.8%(見表1)。
表1 障格內(nèi)不同位置土壤粒徑比較分析 mm
3.3.2 PLA沙袋沙障不同規(guī)格障格內(nèi)5點土壤粒徑分析 將不同規(guī)格沙障障格內(nèi)各點的所有土樣粒徑取平均,得到各規(guī)格內(nèi)不同位置的土壤粒徑,再與對照沙丘土樣進行對比分析。由圖3可以看出,鋪設(shè)PLA沙障后,各規(guī)格沙障障格內(nèi)在一點、四點、五點處土壤粒徑明顯增大,尤其2m×2m在四點更為明顯。在二點和三點處3種規(guī)格土壤粒徑都有減小。經(jīng)分析可知,一點和四點在障格內(nèi)處于相對背風的位置,當風進入沙障后,容易在這二點形成渦流,對粒徑較小的細粒吹蝕嚴重,而粒徑較大的沙粒容易在此沉積;二點和三點則處于相反的位置,各粒徑沙粒都容易受到風的影響;而五點位于沙障中心,是凹曲面形成的中心位置,土壤粒徑變化較大。由于障格內(nèi)不同位置受風的影響程度不同,導致土壤粒徑變化不一致。由圖3可以看出風在吹向一點、四點之前受到了沙障的阻礙,此處粒徑較大的沙粒不容易被風搬運,而粒徑較小的顆粒則容易受到風的掏蝕,所以在這二點土壤粒徑增幅較大。
圖3 不同規(guī)格障格內(nèi)不同位置土壤粒徑變化
3.4.1 PLA沙袋沙障障格內(nèi)不同深度粒徑總體分析 將所有沙障內(nèi)同一深度的土樣粒徑取均值后分析得出,由于土層深度不同,受風的影響程度不同,受沙障的作用也不同,鋪設(shè)PLA沙障后,0—11cm內(nèi)土壤粒徑明顯變大。地表處土壤粒徑變化最為明顯,0—1cm內(nèi)土壤粒徑比對照大16%。3cm以下變化減小,約比對照大12%。到11cm深度僅比對照大4.8%(圖4)。經(jīng)分析可知,在近地表由于沙障對風的擾動作用較大,導致地表粒徑變化最明顯,其粒徑均大于對照沙丘;隨深度的增加,受風的影響逐漸減弱,因此下層土壤粒徑變化趨于穩(wěn)定,其變化規(guī)律與對照沙丘幾乎相同,但是由于鋪設(shè)沙障的作用,其粒徑仍比對照大。
3.4.2 PLA沙袋沙障不同規(guī)格不同深度土壤粒徑分析 對各規(guī)格沙障內(nèi)相同深度的土壤粒徑分別取平均,然后與對照沙丘相同深度的土壤粒徑進行對比分析,可以看出不同鋪設(shè)規(guī)格沙障對沙丘不同深度土壤粒徑的影響。
由圖5可以看出,鋪設(shè)不同規(guī)格沙障,不同土層深度土壤粒徑變化各異,鋪設(shè)沙障后,沙丘0—11cm內(nèi)土壤粒徑均大于對照。其中2m×2m影響最明顯,在不同深度對土壤粒徑都有明顯改變,平均比對照高出14%。3m×3m在近地表處土壤粒徑變化較大,在3cm深處土壤粒徑略高于2m×2m。在3 cm以下土層,1m×1m和3m×3m沙障作用逐漸減弱,尤其1m×1m,在3cm以下粒徑僅比對照大1.2%,到11cm深處粒徑變化更是微乎其微。經(jīng)分析知,PLA沙障2m×2m鋪設(shè)規(guī)格對土壤粒徑的影響最明顯,對0—11cm土層內(nèi)其它深度土壤粒徑都有明顯的影響。
圖4 障格內(nèi)不同深度土壤粒徑變化
圖5 不同規(guī)格沙障障格內(nèi)不同深度土壤粒徑變化
(1)不同規(guī)格PLA沙袋沙障對土壤粒徑均有不同程度的影響,沙障鋪設(shè)樣地土壤粒徑不同程度的增加,土壤深度不同,增加趨勢各異,在地表及近地表,土壤粒徑變化最大,較對照高出16%,隨深度增加,土壤粒徑變化相對穩(wěn)定,大體趨勢與對照一致。3種沙障規(guī)格對土壤粒徑的影響效果2m×2m表現(xiàn)最明顯,3m×3m次之,1m×1m最小。
(2)沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯,3種規(guī)格沙障沙丘坡頂?shù)耐寥懒骄笥趯φ眨?m×2m規(guī)格沙障沙丘迎風坡、坡頂、背風坡的土壤粒徑都大于對照樣地相應(yīng)部位,1m×1m和3m×3m規(guī)格沙障隨坡位變化規(guī)律不是十分明顯。
(3)沙袋沙障障格內(nèi)不同位置沙粒粒徑分布不同,障格迎風向第一拐角處土壤粒徑變化最大,障格中心,是凹曲面形成的中心位置,粒徑變化不是很大。
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