不同生物沙障对科尔沁流动沙丘植被恢复及土壤湿度的影响

苗仁辉，郭美霞，刘银占

1. 河南大学生命科学学院/河南省全球变化生态学国际联合实验室，河南 开封 475004；2. 河南大学化学化工学院/河南省环境污染控制材料国际联合实验室，河南 开封 475004

目前，世界各国饱受诸如气候变暖、能源危机、土地退化等环境问题造成的恶果（D’Odorico et al.，2012；Liu et al.，2003；Ravi et al.，2010；You et al.，2003）。虽然相关资料显示，自2004年中国荒漠化治理工作已经取得很大成绩，荒漠化整体趋势得到遏制（屠志方等，2016），但治理进程依旧不容松懈。由此导致的相关经济问题和社会问题，是加剧人口贫困和社会不稳定的直接原因（邢飞龙，2015）。土地退化主要由于某些自然或人为干扰引起的（常学礼等，2005），例如洪水、干旱等自然灾害，乱砍乱伐、无节制的使用化肥、农药等人为破坏，过度开垦、放牧，乱挖野生植物药材等都会导致土壤环境的恶性循环，从而使土地环境恶化、土壤质量下降等问题接踵而至，进而造成土壤的生产力降低，生态系统物种多样性及稳定性下降。

干旱区草地占据了地球将近一半的面积，生活着超过全球1/3的人口，并提供了全球牲畜3/4的饲料（Eldridge et al.，2011；Reynolds et al.，2007）。草地是中国重要的可更新资源（曹晔等，1999），由于干旱区降雨量较少，草地生态系统生产力低下及长期的人类活动，导致了严重的土地退化，其中，流动沙丘是土地退化的极点（Liu et al.，2007；Miao et al.，2015）。流动沙丘是在风力作用下缓慢前移的沙丘，移动方向与主风向相同。流动沙丘危害极大，对交通以及农畜牧业的危害尤为明显。流动沙丘上植被稀少，在沙丘区进行植被恢复十分困难，短期内很难恢复到退化前的状态，需要通过认为干预辅助植被恢复与重建（Miao et al.，2015；2018）。

沙丘区植被恢复和沙丘固定措施主要有机械沙障固沙、生物沙障固沙、飞播固沙及化学固沙等（Banerjee，2009；Miao et al.，2015；Miyasaka et al.，2014；Zhang et al.，2004；安云，2013；曹成有等，2004）。其中，流动沙丘植被恢复和固定效果较好的为机械沙障固沙和生物沙障固沙（Miao et al.，2015；2018；Zhang et al.，2004）。机械沙障固沙主要是在固沙初期通过设置机械沙障来改变下垫面状况，增加地表粗糙度，以控制风沙流的方向、速度、结构和风蚀沙积情况，从而达到快速固定沙丘的目的（王文彪等，2011）。然后在沙障内实施灌木栽植，可以使植物在机械沙障腐烂前生长起来，达到长期持续固定沙丘，使其快速向恢复的方向演变并达到稳定状态（Miao et al.，2018；常兆丰等，2001；张继义等，2004）。生物沙障固沙是在流动沙丘上以生物活体材料进行栽植，主要有白柠条（Caragana korshinskii）、沙枣（Elaeaanus angustifolia）、五角枫（Acer ginnala）、山竹子（Garcinia mangostana）和白榆（Ulmus pumila）等乡土植物，营造活体沙障（史小栋，2008；孙荣华等，2006）。沙障主要有网格状沙障和带状沙障两种，带状沙障一般行间距为1～4 m，在4月中下旬和 10月下旬进行栽植，栽植植物通常为当年生或二年生的灌木枝条，栽植后进行封育排除人畜干扰。生物沙障不但能起到机械阻沙、有效控制沙丘流动的作用，而且能通过自身发育形成群落，从而加速沙丘植被的恢复与重建，因而具有机械沙障和灌木栽植的双重作用（刘博等，2010；诺民达来，2010）。然而，目前有关沙障固沙措施在植被恢复和沙丘固定中所起的作用研究仍处于初步研究阶段，对固沙后植被恢复情况缺乏认识，且对于沙障材料的固沙效果缺乏系统的比较研究，因此，亟需开展不同生物材料固沙对植物群落恢复影响的比较研究。

科尔沁沙地在景观上是由流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘及丘间地组成的镶嵌体。流动沙丘是该地区植被恢复和沙丘固定的重点和难点。随着中国治沙工作的持续进行，对生物沙障植物种类的适应性以及其固沙效果的研究日益增多，但对不同材料沙障固沙效果的比较研究较缺乏。因此，研究该地区不同材料生物沙障对流动沙丘的植被恢复和沙丘固定，有利于筛选出最适合该地区沙丘固定的材料，对沙丘区的植被恢复和土地治理具有重要意义。

1 研究地区概况

研究地点位于科尔沁沙地西部，内蒙古翁牛特旗的乌兰敖都地区（119°39′～120°02′E，42°29′～43°06′N，480 m a.s.l.）。乌兰敖都是科尔沁沙地的典型代表地区，具有大面积的流动沙丘。该地区属于大陆性气候，长期的年均温度为(7.3±0.7) ℃，最冷月（1月）均温为(-11.5±0.5) ℃，最热月（7月）均温为(23.7±0.2) ℃，10 ℃以上积温为(3435±24.0) ℃。年均降雨量为(303.7±20.4) mm，平均风速为4.4 m·s-1，主要风向为西北风（3—5月）和西南风（6—9月）。土壤类型为风沙土，其表层（0～20 cm）含水量为3.17%（干季）～3.33%（雨季），土壤易发生风蚀。本地区的植被主要有：狗尾草（Setaria viridis）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、画眉（Garrulax canorus）、小叶锦鸡儿（C. microphylla）等。

2 研究方法

选择当地乡土固沙植物白柠条、沙枣、五角枫、山竹子和白榆为生物沙障材料，沙障植物均选择一年生植物幼苗。2014年4月选择一处流动沙丘进行放牧排除，该沙丘区自1950年起放牧强度为4.5～5.0 sheep·hm-2，所选沙丘高度为 20～25 m，长为 500 m，沙丘坡度约 10°。所选流动沙丘土壤电导率为 52.2 μs·cm-1，pH 为 6.3，有机质含量为 0.04 g·kg-1，全氮 0.013 g·kg-1，速效磷 0.016 mg·kg-1。在该流动沙丘迎风坡中部随机设置 5个小区进行带状沙障设置，每个小区内设置5种生物沙障。每种沙障设置5行，沙障长25 m，宽2 m，沙障埋深15 cm，行间距50 cm，沙障带间距2 m，沙障的设置方向与当地主风向垂直。沙障设置后，在沙障周边设置5 m的稻草方格沙障（规格1 m×1 m）作为缓冲带并对其进行围栏封育。

沙障设置3年后，于2016年8月在每种带状沙障的沙障内和沙障间分别随机设置5个1 m×2 m的样方研究沙障植被的成活率和生长情况、沙障内及沙障间草本植物群落及土壤湿度特征。在每个样方内选取3株有代表性植物（长势良好、个体适中）用米尺测量并计算平均高度；植物盖度采用目估法测定；使用土壤水分速测仪 TDR200测量 0～5、5～10、10～20 和 20～30 cm 的土壤湿度。

采用SPSS 16.0中的单因素方差分析比较沙障内植物的成活率、高度、土壤湿度和草本植物的盖度及沙障间植物的盖度。

3 研究结果

3.1 生物沙障的植物成活率

沙障设置3年后，5种生物沙障的植物成活率不同。白柠条和白榆的成活率显著高于山竹子、沙枣和五角枫（P＜0.05），山竹子的成活率显著高于沙枣和五角枫（P＜0.05），白柠条与白榆的成活率及沙枣与五角枫的成活率之间无显著差异（P＞0.05；图 1）。

3.2 生物沙障的植物高度

图1 不同生物沙障的植物成活率Fig. 1 Plant survival rates of different sand barriers不同字母表示处理间存在显著差异，相同字母表示处理间差异不显著。下同Different letters represent significant differences among sand barriers,the same letters indicate no difference at the level of 0.05. n=5. The same below

不同生物沙障的植物高度明显不同。其中，白柠条最高，其次依次是山竹子、白榆、沙枣、五角枫。方差分析（图2）表明，这5种沙障间的植物高度均达到显著差异（P＜0.05）。

图2 不同生物沙障的植物高度Fig. 2 Plant height of different sand barriers

3.3 生物沙障内植物的组成和盖度

不同生物沙障内植物种类组成存在很大差异，除山竹子沙障外，其余沙障内均出现了沙米和狗尾草。沙枣和五角枫沙障中均出现了沙蒿，白榆、五角枫沙障中出现了芦苇（Phragmites australis），画眉、雾冰藜（Bassia dasyphylla）仅在沙枣沙障中出现，鸭子食（Lactuca indica）仅出现在白榆沙障中，虎尾草（Chloris virgata）、小叶锦鸡儿仅出现在五角枫沙障中，同时另一类型的沙障材料山竹子也出现在了五角枫沙障中。各生物沙障内植物种主要为流动沙丘的先锋植物沙米、沙蒿、狗尾草等。沙枣、白榆和五角枫沙障内植物物种丰富度较高，白柠条和山竹子沙障内植物种类较少。不同生物沙障内植物盖度表现为，沙枣沙障内植物盖度最高，五角枫沙障内植物盖度次之，白榆、白柠条和山竹子沙障内植物盖度较小。并且，沙枣沙障和五角枫沙障的植物盖度显著高于其他 3种沙障的植物盖度（P＜0.05；表 1）。

3.4 生物沙障间植物的组成和盖度

不同生物沙障间的植物组成存在较大差异，所有沙障间侵入植物种均含有沙米，白柠条-白榆、白榆-山竹子和五角枫-白榆生物沙障间出现了沙蒿，白柠条-白榆、五角枫-白榆间出现了画眉。狗尾草、雾冰藜仅出现在白柠条-白榆沙障间。芦苇、鸭子食、狗尾草仅出现在五角枫-白榆沙障间。各生物沙障间主要植物为流动沙丘先锋植物沙米、沙蒿等。白柠条-白榆沙障间及五角枫-白榆沙障间的植物物种丰富度较高，其他沙障间的物种丰富度较低。五角枫-白榆沙障间的植物盖度显著高于其他组合沙障间的植物盖度，白柠条-白榆沙障间的植物盖度显著高于白榆-山竹子沙障间和白柠条-山竹子沙障间的植物盖度（P＜0.05；表2）。

3.5 生物沙障内的土壤湿度

不同土壤深度不同材料生物沙障内的土壤湿度不同，且不同材料生物沙障的土壤湿度随土壤深度的变化而变化。在土壤深度为0～5 cm和5～10 cm时，5种沙障间的土壤湿度无明显差异；在土壤深度为10～20 cm时，沙枣沙障内的土壤湿度显著高于山竹子、白榆和五角枫沙障内的土壤湿度（P＜0.05），而山竹子、白榆和五角枫沙障内的土壤湿度又显著高于白柠条沙障的土壤湿度（P＜0.05）；在土壤深度为20～30 cm时，白榆、沙枣和五角枫沙障内的土壤湿度显著高于白柠条沙障内的土壤湿度（P＜0.05），其他生物沙障间的土壤湿度无差异（P＞0.05；图 3）。

表2 主要生物沙障间植物的组成和盖度Table 2 Plant composition and cover between main sand barriers

4 讨论

4.1 不同生物沙障的植物生长情况

本研究中。不同生物沙障植物材料的成活率和高度均有显著差异。白柠条和白榆的成活率最高，沙枣和五角枫的成活率最低。这主要受植物自身生物学特性和当地的土壤环境条件影响。白柠条的主根明显，各分枝侧根向土壤周围延伸以便吸收水分及养料，并且不怕风沙埋深，被沙子埋得越多，生长越旺盛（杨慧玲等，2012）。所以，即使在降雨量很低、肥力很差的沙丘内，白柠条也能正常生长。白榆的植物根系发达，是喜光的树种，对生长环境的适应性很强，而且可以有效减少叶面灰尘对自身的影响（王晓霞等，2016）。因此，白柠条和白榆的成活率较高。山竹子具有发达的根茎，以此进行无性繁殖。山竹子根茎上的不定芽大部分又发育成根茎，很少一部分发育成实生株丛（曹成有等，2007），这可能是山竹子成活率低于白柠条和白榆的原因之一。虽然沙枣和五角枫生长对土壤要求不高，但是它们喜温凉、潮湿的环境，因此在流动沙丘上沙枣和五角枫的成活率远低于白榆、山竹子的成活率。

研究发现，生物沙障白柠条的高度最高、山竹子和白榆次之、沙枣和五角枫的高度较低。沙障植物自身的生长特性明显影响沙障植物的生长状况。带状沙障的防风作用主要是由枝条遮挡和缓冲气流完成的。当气流经过沙障时，在枝条的阻碍下，气流穿过枝条造成其摇摆并且产生摩擦，因而能消耗部分动能，降低风速（贾丽娜等，2010）。同时，由于树枝的阻挡，气流产生很多不定的紊流，这些不同方向的作用力相互抵消共同起到降低风速的作用（张晋英，1999；范志平等，2002）。

4.2 不同生物沙障内植物的组成和盖度

流动沙丘植物种类和盖度是反映流动沙丘固定程度的重要因素之一（闫德仁等，2012）。侵入植物种数目的不同，表明不同沙障内适合植物生存的程度不同。沙枣、五角枫、白榆沙障的植物种类较多，说明种植这3种沙障植物有助于天然种的侵入和定居，促进植被的恢复，而白柠条和山竹子由于自身盖度较大，抑制了其他植物的侵入。沙枣、五角枫沙障内植物盖度较大，白榆盖度次之，而山竹子内无其他植物生存，可能是由于山竹子发达的根茎阻碍了其他植物对土壤水分和养分的吸收。由此可见，沙枣、五角枫及白榆沙障较有利于其他植物的侵入，而不断增多的侵入物种能发挥不同的生态功能（Shachak et al.，1987；Gitay et al.，1996；赵平等，2001），进而促进沙丘植被恢复。

图3 不同土壤深度下生物沙障内的土壤湿度Fig. 3 Soil moisture of different sand barriers in different soil depth

4.3 主要生物沙障间植物的组成和盖度

不同沙障材料的组合对发挥其植被恢复与沙丘固定作用具有重要意义。五角枫-白榆及白柠条-白榆沙障间的植物组成及盖度均较高，说明这两种沙障组合有利于促进沙丘区的植被恢复。因此，当不同材料的沙障进行设置时，可以采取五角枫-白榆和白柠条-白榆相接的方式设置沙障。这样不仅可以提高沙障群落的物种多样性，还可以增加地上植被的盖度，从而更好地发挥防风固沙功能。

4.4 不同土壤深度下生物沙障内的土壤湿度

研究表明，不同土壤深度下不同沙障内的土壤湿度具有较大差异。沙枣、白榆和五角枫沙障内土壤湿度较高，这主要是由不同植物的根系生长情况、植物的蒸发散热情况和水分利用效率等特征决定的。研究表明，生物沙障对沙地土壤水分状况影响较明显（李玲等，2009；苏广实等，2009）。同时，较高的土壤湿度可以促进植物的生长和繁殖，进而促进沙丘植被的恢复与沙丘的固定，因此，沙障内土壤湿度高的生物沙障材料（沙枣、白榆和五角枫）更有利于流动沙丘的植被恢复。

5 结论

通过研究不同沙障植物的成活率及高度，得知白柠条、白榆和山竹子3种植物是生长较好的沙障类型。五角枫和沙枣沙障内的植被盖度较高；沙障间的植被组成和盖度以白柠条-白榆和五角枫-白榆沙障组合表现较好；沙枣、白榆和五角枫沙障内的土壤湿度较高。综合比较而言：五角枫-白榆是科尔沁地区流动沙丘固定和植被恢复较为理想的的沙障组合类型。