丁愛強(qiáng)，謝懷慈，徐先英,，劉 江，張榮娟，趙 鵬，付貴全

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 民勤治沙綜合試驗(yàn)站，甘肅 民勤 733000；2.巴彥淖爾市林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000；3.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070； 4.扶風(fēng)縣林業(yè)局，陜西 扶風(fēng) 722200)

在干旱沙區(qū)，植物固沙和機(jī)械沙障固沙是防風(fēng)固沙的兩大基本措施[1-2]，但由于沙區(qū)干旱少雨、干燥酷熱、風(fēng)大沙多，加之近年來人類過度開采使得地下水位迅速下降，因此采取植物措施大面積營(yíng)造防風(fēng)固沙林已不適合[3]，機(jī)械沙障固沙成為主要措施[4-8]。沙區(qū)常見的機(jī)械沙障主要有不同材質(zhì)的塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障及黏土沙障等，不同沙障各有利弊[9-11]，但其共同作用就是能夠增加下墊面粗糙度，減小近地表風(fēng)速，阻止風(fēng)對(duì)地表的吹蝕和土壤顆粒的搬運(yùn)，為土壤結(jié)皮和植被的發(fā)育提供相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，并使過境風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在沙障區(qū)沉降，達(dá)到阻沙固沙的作用[9,12-16]。已有的研究表明，布設(shè)初期，沙障在降低風(fēng)速、阻擋流沙方面效益十分顯著[17-18]，并且對(duì)植被[4,19-21]、土壤水分[9,15,22-28]及養(yǎng)分[29-34]均有改善作用，但沙障的功能和效益會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱消失[9]。這些研究均是對(duì)設(shè)置前期沙障基本效益的研究，設(shè)置中后期沙障對(duì)土壤環(huán)境影響的研究少見報(bào)道。本研究選擇對(duì)設(shè)置了12年的塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)，以流動(dòng)沙丘作為對(duì)照，研究其設(shè)置后期對(duì)土壤水分和機(jī)械組成的影響，以期對(duì)沙區(qū)機(jī)械沙障的實(shí)施提供一定的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗(yàn)站(38°36′N，102°57′E)。該區(qū)屬溫帶大陸性荒漠氣候，降水稀少，氣候干燥，大風(fēng)天氣多，年平均降水量l16.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 359.7 mm；多西北風(fēng)，多年平均大風(fēng)日數(shù)26.3 d、沙塵暴日數(shù)25 d、揚(yáng)沙日數(shù)37.5 d、浮塵日數(shù)29.7 d，年平均風(fēng)速2.3 m/s，起沙風(fēng)速大于5.0 m/s；地下水平均埋深由1961年的2.21 m下降到2014年的23.25 m[2]。由于地下水埋深超過植物所能利用的深度，導(dǎo)致民勤綠洲的防風(fēng)固沙林出現(xiàn)大面積的衰退或死亡。

2 研究對(duì)象與方法

圖1 不同機(jī)械沙障樣地

選擇于2003年4月設(shè)置塑料網(wǎng)格沙障(PSB)、麥草沙障(WSB)和黏土沙障(CSB)的沙丘為研究對(duì)象。3種沙障(見圖1)設(shè)置在同一個(gè)沙丘上，沙丘高約6 m，迎風(fēng)坡長(zhǎng)約100 m，寬約300 m，塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障的設(shè)置方式為1 m×1 m、高20 cm的方格，面積分別約為0.53和0.33 hm2，黏土沙障選用丘間低地處膠泥，垂直主風(fēng)向按行間距3 m鋪設(shè)，障高20～25 cm、底寬50～65 cm，布設(shè)面積約0.33 hm2。沙丘上有零星分布的梭梭，各樣地內(nèi)的上、中、下坡位有同期埋設(shè)的中子儀水分測(cè)管。對(duì)照組(CK)設(shè)定在距試驗(yàn)樣地約1 km處的民勤治沙站2號(hào)觀測(cè)塔附近的流動(dòng)沙丘上。

2015年5月至2016年9月，每月上旬和下旬分別在選定的4個(gè)樣地的上、中、下坡位0～140 cm深的垂直剖面中，以20 cm為一層，用CN503DR智能中子水分儀(北京核子儀器公司)測(cè)定土壤含水量，每個(gè)部位重復(fù)2次。測(cè)前對(duì)沙土進(jìn)行中子儀標(biāo)定，標(biāo)定方程為：y=75.977x-2.136 7，R2=0.906 1(式中：x為中子儀計(jì)數(shù)率比，y為土壤體積含水量)。在觀測(cè)期間，對(duì)2015年8月10日30.6 mm的降雨用中子儀每天測(cè)定固沙植被區(qū)土壤水分入滲和再分配過程，累計(jì)跟蹤測(cè)定312 h。

2015年9月，在每個(gè)樣地的上、中、下坡位分別設(shè)置10 m×10 m的大樣方1個(gè)，每個(gè)大樣方內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置1 m×1 m的小樣方3個(gè)，進(jìn)行植被調(diào)查；同時(shí)在不同沙障的3個(gè)坡位取土樣，取樣深度為0～5、5～20、20～40 cm，同一樣地同一深度的土壤混合均勻，取適量帶回實(shí)驗(yàn)室，利用馬爾文激光粒度儀Mastersizer 2000做粒度分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析與Duncan多重比較，用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙障建立后期各樣地立地特征及植被情況

不同機(jī)械沙障建立后期樣地內(nèi)植被的基本情況見表1。沙障建立后期，除麥草方格沙障損毀嚴(yán)重、無(wú)結(jié)皮存在外，其余沙障內(nèi)地表植被和結(jié)皮的蓋度與流動(dòng)沙丘相比顯著增加；群落的物種多樣性表現(xiàn)為黏土沙障>麥草沙障>流動(dòng)沙丘>塑料網(wǎng)格沙障；風(fēng)蝕程度以流動(dòng)沙丘樣地最為嚴(yán)重，其次為麥草沙障樣地，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地雖在局部存在風(fēng)蝕，但大部分保存完好，且有風(fēng)沙物質(zhì)積累；從物種構(gòu)成上看，隨著流沙的固定，耐旱灌木、半灌木消失，出現(xiàn)了明顯具有干濕季分布的短命植物，這些短命植物通常能在嚴(yán)重干旱脅迫來臨之前完成其生活史，或者與雨季同期來逃避干旱[35]。

表1 不同沙障內(nèi)基本概況

流動(dòng)沙丘樣地以2014年初設(shè)置的風(fēng)蝕桿為參照，風(fēng)蝕深度約60 cm。塑料網(wǎng)格沙障約80%保持完好，1 m×1 m網(wǎng)格內(nèi)積沙厚度約12 cm，形成集水微區(qū)；地表以生物結(jié)皮為主，厚約5.5 mm。麥草沙障損毀嚴(yán)重，基本無(wú)保存，與流動(dòng)沙丘類似，參照裸露的梭梭根，測(cè)得風(fēng)蝕深度約40 cm。黏土沙障間距3 m，約65%保存完整，障內(nèi)積沙厚度1～2 cm；地表以黏土形成的物理結(jié)皮為主，厚度約10 mm。

3.2 不同沙障對(duì)土壤機(jī)械組成的影響

機(jī)械沙障建立后，改變了下墊面的粗糙度，減小了風(fēng)速，風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在沙障內(nèi)產(chǎn)生積累[13]。隨著時(shí)間的推移，不同沙障對(duì)淺層土壤的機(jī)械組成存在不同的影響。由表2可知，整體上，土壤的機(jī)械組成主要以黏粒和粉粒為主。不同樣地按土壤黏粒含量高低排序?yàn)轲ね辽痴?塑料網(wǎng)格沙障>麥草沙障>流動(dòng)沙丘，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地的土壤黏粒含量顯著高于麥草沙障和流動(dòng)沙丘樣地；按土壤粉粒含量排序?yàn)榱鲃?dòng)沙丘>麥草沙障>黏土沙障>塑料網(wǎng)格沙障，按土壤細(xì)砂粒含量排序?yàn)辂湶萆痴?流動(dòng)沙丘>塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障，土壤粉粒和細(xì)砂粒含量均是麥草沙障和流動(dòng)沙丘樣地顯著高于塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地，與黏粒剛好相反；按土壤粗砂粒含量排序?yàn)辂湶萆痴?流動(dòng)沙丘>塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障，粗砂粒含量3種沙障樣地之間均存在顯著差異，但是塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障樣地與流動(dòng)沙丘樣地差異不顯著，黏土沙障樣地與流動(dòng)沙丘樣地之間差異顯著。綜上，沙障建立后期，塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障樣地土壤黏粒含量增加顯著，麥草沙障樣地土壤黏粒含量增加不顯著，這說明塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障在后期對(duì)風(fēng)沙流還有一定的阻礙作用，而麥草沙障已經(jīng)基本起不到阻礙的作用。

表2 不同沙障內(nèi)0～40 cm深處土壤機(jī)械組成 %

注：土壤粒度等級(jí)劃分參照國(guó)際制(1930年)標(biāo)準(zhǔn)，不同小寫字母表示不同沙障之間存在顯著差異(P<0.05)，下同。

3.3 不同沙障對(duì)土壤水分含量的影響

不同機(jī)械沙障建立后期對(duì)土壤水分的影響程度是不同的。從圖2可知，不同樣地之間土壤含水量差異顯著，按土壤剖面含水量的大小排序?yàn)榱鲃?dòng)沙丘>麥草沙障>黏土沙障>塑料網(wǎng)格沙障。相對(duì)于流動(dòng)沙丘，塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障樣地土壤含水量分別降低了41.29%、5.05%、31.78%，說明機(jī)械沙障建立后期，土壤含水量有所下降，并且不同沙障對(duì)土壤水分的影響程度不同，按影響大小排序?yàn)樗芰暇W(wǎng)格沙障>黏土沙障>麥草沙障。

圖2 不同沙障樣地土壤剖面含水量

3.4 不同沙障樣地土壤水分的季節(jié)變化

不同機(jī)械沙障內(nèi)土壤水分的季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，但與流動(dòng)沙丘相比，沙障的存在使得土壤水分的季節(jié)性變化更加穩(wěn)定。如圖3所示，初春季節(jié)，隨著氣溫的回升，固態(tài)土壤水開始消融，降雨量也開始增加，使得土壤含水量逐漸增大；5月下旬至9月，隨著降雨次數(shù)和降雨量的顯著增加，土壤含水量也相應(yīng)增加，但此時(shí)是植物的生長(zhǎng)季，植物生長(zhǎng)發(fā)育等一系列生理活動(dòng)所消耗的水分也顯著增加，土壤蒸發(fā)作用也隨著高溫的來臨而加劇，在這些影響因子的共同作用下，土壤含水量在降雨較多的年份(2015年)表現(xiàn)較為平穩(wěn)，在降雨較少的年份(2016年)表現(xiàn)為損耗；從10月份開始植物逐漸停止生長(zhǎng)，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，而此時(shí)，研究區(qū)降雨次數(shù)和降雨量也開始減少，所以土壤含水量逐漸減?。?2月至翌年2月，氣溫降至冰點(diǎn)，出現(xiàn)霜凍和結(jié)冰現(xiàn)象，土壤凍結(jié)后土壤水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使得土壤含水量降到較低水平，整個(gè)冬季土壤水分基本不再變化。塑料網(wǎng)格沙障樣地內(nèi)土壤含水量保持低穩(wěn)態(tài)勢(shì)，黏土沙障樣地內(nèi)土壤含水量稍高，麥草沙障與流動(dòng)沙丘樣地的土壤含水量相對(duì)較高，二者也較為接近，且變化均較劇烈。

圖3 不同沙障樣地土壤水分的季節(jié)變化

3.5 不同沙障樣地土壤水分隨深度的變化

不同機(jī)械沙障樣地土壤含水量均值及其變異系數(shù)的變化如圖4所示。從圖4(a)可看出，塑料網(wǎng)格沙障樣地的土壤含水量在垂直方向上的變化較穩(wěn)定，隨深度增加逐漸增大；其他3個(gè)樣地的土壤含水量隨深度增加均是先迅速增大，而后黏土沙障在約50 cm深處達(dá)到最大值，之后略有降低，但基本保持平穩(wěn)，麥草沙障土壤含水量在約70 cm處達(dá)到最大值，之后便以相對(duì)較小的速率降低，流動(dòng)沙丘土壤含水量在40～120 cm深度呈波動(dòng)變化，在120 cm之后又開始升高。與流動(dòng)沙丘相比，機(jī)械沙障建立后期不僅降低了深層土壤的含水量，還使得土壤的含水量變化趨于穩(wěn)定，沙障保存越完整這種作用越明顯。

由圖4(b)可知，在深度上，不同機(jī)械沙障樣地土壤水分變異系數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，均為淺層較大、深層較小；但不同沙障影響的臨界深度不同，塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地的土壤水分變異系數(shù)分別在60和80 cm以下土層保持基本穩(wěn)定，而麥草沙障樣地的土壤水分變異系數(shù)隨著深度增加逐漸減小，并沒有出現(xiàn)明顯的臨界深度，流動(dòng)沙丘樣地40 cm以下土壤水分變異系數(shù)雖然較小，但并不穩(wěn)定。

圖4 不同沙障樣地土壤含水量及其變異系數(shù)的垂直變化

3.6 不同機(jī)械沙障土壤水分再分配過程

機(jī)械沙障措施直接影響著土壤水分的再分配[22]，但不同沙障對(duì)土壤水分的再分配過程有不同的影響。如圖5所示，降雨量為30.6 mm的降水事件發(fā)生后，隨著時(shí)間的推移，不同深度的土壤水分會(huì)發(fā)生不同程度的變化，土壤越深水分變化的滯后現(xiàn)象越明顯。在塑料網(wǎng)格沙障和黏土沙障樣地中雨水的最大入滲深度分別為60和40 cm，在麥草沙障和流動(dòng)沙丘樣地中雨水入滲深度均可達(dá)120 cm，這是因?yàn)椋吼ね辽痴蠘拥赝寥辣韺哟嬖陴ね翆?，使得一部分雨水因不能及時(shí)下滲而形成地表徑流流失；塑料網(wǎng)格沙障樣地地表不僅有結(jié)皮覆蓋，還存在較厚的沉積物，其不僅粒度小，還比較干燥[36]，這使得降雨很難補(bǔ)給深層土壤；麥草沙障樣地因沙障損毀嚴(yán)重，基本與流動(dòng)沙丘地表近似，水分的再分配過程也基本一致。

圖5 降雨后不同土層土壤含水量變化

4 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，不同機(jī)械沙障設(shè)置12年后，塑料網(wǎng)格沙障保存率約為80%，黏土沙障保存率約為65%，麥草沙障已經(jīng)全部損毀。孫濤等[9]對(duì)這3種機(jī)械沙障防風(fēng)固沙時(shí)效性的研究表明，設(shè)置6年后，塑料網(wǎng)格沙障和麥草沙障的損毀率分別為11%、53%，黏土沙障介于二者之間。說明隨著時(shí)間的推移，機(jī)械沙障會(huì)逐漸損毀，使得防風(fēng)固沙效益逐漸減弱；不同機(jī)械沙障防風(fēng)固沙的時(shí)效性表現(xiàn)為塑料網(wǎng)格沙障>黏土沙障>麥草沙障。

機(jī)械沙障的建立能增加植被的豐富度、蓋度及密度等[4,19-21]，但不同機(jī)械沙障對(duì)植被的改變有所不同。沙障建立后期，除麥草方格沙障損毀嚴(yán)重?zé)o結(jié)皮存在外，其余沙障內(nèi)地表植被和結(jié)皮的蓋度與流動(dòng)沙丘相比顯著增加[37]；沙障內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)由耐旱的灌木、半灌木植物向短命植物演替，本研究結(jié)果顯示沙障建立后期土壤水分消減就能說明這一現(xiàn)象；群落的物種多樣性大小表現(xiàn)為黏土沙障>麥草沙障>塑料網(wǎng)格沙障，這是因?yàn)樵陴ね辽痴蟽?nèi)，黏土層的破壞形式是局部斑塊狀的，整體環(huán)境穩(wěn)定，這就給植被帶來了良好的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)會(huì)和空間，而麥草沙障雖全部被風(fēng)蝕破壞，但因前期沙障對(duì)土壤存在改良作用，植物也相對(duì)豐富，塑料網(wǎng)格沙障內(nèi)積沙層較厚，由于這些風(fēng)沙物質(zhì)比較干燥，所以植物較難生存。結(jié)合已有對(duì)不同年代沙障的研究可知，并不是沙障建立后植被的生長(zhǎng)情況就會(huì)越來越好，而是可能與沙障的設(shè)置年限和試驗(yàn)期內(nèi)的降雨存在一定的關(guān)聯(lián)，具體規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

沙障建立后期，風(fēng)沙物質(zhì)的沉降積累使表層土壤的黏粒物質(zhì)增加，這與許婷婷等[38]對(duì)不同設(shè)置年限沙障土壤粒徑的研究結(jié)果一致，不過塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障內(nèi)的土壤黏粒含量增加顯著，麥草沙障不顯著。

關(guān)于沙障建立前期對(duì)土壤水分的影響存在著不同的觀點(diǎn)，絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為沙障建立后能增加土壤的保水性，提高了土壤含水量[1,5,15,20-26]，但也有研究者認(rèn)為沙障建立后雖使地表結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但也改變了過境氣流或風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)，形成紊流、亂流，加速了地表土壤水分的散失，且沙障配置規(guī)格不同土壤含水量降低程度不同[39]。本研究得出，3種機(jī)械沙障設(shè)置12年后，與流動(dòng)沙丘相比土壤含水量均下降，而且沙障保存越完整土壤水分越差，但不同沙障對(duì)降水后土壤水分的再分配過程有不同的影響。造成這種現(xiàn)象的原因可能主要有以下兩方面：第一，在不同沙障長(zhǎng)期影響下，土壤的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如土壤機(jī)械組成[40]、地表結(jié)皮類型[41]等不同，從而改變了土壤的持水能力和水分的入滲能力；第二，沙障建立后植被顯著增加，導(dǎo)致土壤水分耗散也增加。展秀麗等[42]也認(rèn)為土壤含水量不僅受土壤結(jié)構(gòu)、結(jié)皮等因素的影響，而且還受降水、植被覆蓋的影響。

我們僅從植被、土壤水分及粒度方面入手，分析討論了不同機(jī)械沙障設(shè)置后期對(duì)小環(huán)境帶來的影響，并未對(duì)其防風(fēng)效能、綜合固沙效益等進(jìn)行綜合研究。研究結(jié)果顯示，雖然機(jī)械沙障設(shè)置后期造成了土壤水分含量的消減，但能顯著地改善植被生境，阻止風(fēng)沙活動(dòng)，固定流沙，給沙區(qū)帶來的效益不容置疑，其中塑料網(wǎng)格沙障防風(fēng)固沙時(shí)效性最長(zhǎng)，所以塑料網(wǎng)格沙障是沙區(qū)防風(fēng)固沙措施不二的選擇。

5 結(jié) 論

以流動(dòng)沙丘為參照，對(duì)設(shè)置了12年的3種機(jī)械沙障內(nèi)的植被、土壤機(jī)械組成及土壤水分進(jìn)行了研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)沙障內(nèi)植被的蓋度顯著增加，多樣性指數(shù)麥草沙障和黏土沙障顯著增加，塑料網(wǎng)格沙障減小，群落結(jié)構(gòu)由耐旱灌木、半灌木植物向短命植物演替。

(2)不同的機(jī)械沙障均能增加表層土壤中黏粒的含量，但塑料網(wǎng)格沙障與黏土沙障內(nèi)的黏粒含量增加顯著，麥草沙障不顯著。

(3)不同機(jī)械沙障的建立均使得土壤的含水量下降，并且使土壤水分的季節(jié)性變化更加穩(wěn)定，塑料網(wǎng)格沙障、麥草沙障和黏土沙障內(nèi)的土壤含水量分別比流動(dòng)沙丘降低了41.29%、5.05%、31.78%。

(4)受機(jī)械沙障影響，降水的入滲深度及速率均減小，使得土壤水分的再分配過程產(chǎn)生明顯的滯后性。

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