內蒙古巴圖灣水庫庫區不同沙障設置初期植物與土壤特征研究

展秀麗，嚴 平，楊典正，齊 彪

（1.北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學防沙治沙教育部工程研究中心，北京 100875）

在干旱地區，隨著水土資源的開發利用不斷擴大，引起了生態環境的變化，使土地沙漠化程度增長，長期以來，風沙危害嚴重威脅著干旱地區水庫庫區的生態環境及水資源利用［1－4］。國內外在防沙治沙方面取得了較豐富的成果，但針對干旱地區水庫風沙危害與防沙治沙綜合效益評價方面的研究工作，相對薄弱。目前，國內對干旱地區一些水庫已經實施了相應的防沙治沙措施，如龍羊峽水庫、金塔水庫及巴圖灣水庫［1－3］，采用較多的依然是機械沙障＋植被措施，機械措施與生物措施相結合是流沙治理行之有效的重要途徑和方法［5，7］。當前，流沙固定已不僅僅是沙害防治問題，而是作為生態環境治理、脆弱生態恢復的重要組成部分［6］，防沙治沙措施除了具有防風固沙、調節氣候的作用，還可以促進土壤肥力的恢復［7］，近年來，對防沙治沙實施地區生態恢復研究開展了許多，也取得了一定的成果［8－10］，但是對庫區防沙治沙過程中的植被與土壤恢復研究工作較少。

本研究選取巴圖灣水庫庫區，2006年開始在水庫西南部的北岸，采用防沙治沙新材料和新技術，開展庫區沙源固定試驗與示范研究，尼龍網作為一種新型的防沙材料，在風沙危害比較嚴重的地區，防護效果明顯［11］，目前，庫區防沙治沙措施已實施3a，本文旨在對水庫庫區防沙治沙措施實施以來的土壤及植被特征進行調查研究，以期為干旱區水庫防沙治沙效益監測及評價提供一定的基礎數據。

1 研究區概況

巴圖灣水庫地處內蒙古烏審旗河南鄉境內無定河干流上，處于毛烏素沙地腹地，地理坐標為108°38′38″－108°46′45″E，37°58′34″－37°53′46″N。該區屬于溫帶半干旱與干旱區過渡地帶，年均氣溫6～8℃，年均降雨量360mm，年蒸發量2100 ～2600 mm，干燥度1.6～2.0，年平均風速3.3m／s，以西北風與東南風為主，年均大風日數40～50d。巴圖灣水庫建成于1976年，控制流域面積3421 km2，由西南向東北方向延伸，水面面積8.67km2，長23km，平均水深8.7m，總庫容1億m3，為內蒙古西部地區最大的一個蓄水庫。

水庫周圍沙漠化土地廣布，庫區西北部有流沙斷面總長8.4km，流動沙丘入侵水庫較為嚴重。據初步測定［3］，在風速9.7m／s條件下，1m 斷面上每分鐘輸沙量達到274g，初步估算每年入庫風沙量為54.13萬t，10a內產生的泥沙淤積量達到總庫容的5%，對水庫的正常運行及庫區旅游業的發展構成嚴重威脅。

2006年開始在水庫西南部的北岸選擇6.67hm2流動沙丘，采用防沙治沙新材料和新技術，開展庫區沙源固定試驗與示范研究，主要包括:新型HDPE尼龍網沙障2hm2、“正光”營養基植物沙障（草繩沙障）3.33 hm2和常規草方格沙障1.33hm2。并在沙障間播種沙蒿2hm2、沙打旺1.33hm2、花棒0.67hm2、草木樨0.66hm2、檸條0.33hm2，同時開展工程固沙效益觀測、植被恢復動態監測和庫區風沙災害評價等工作。

2 調查研究內容和方法

2009年8月，確定了巴圖灣水庫庫區觀測區:2006年設置的防沙工程措施區，包括尼龍網沙障、草方格沙障及草繩沙障，區內人工栽植的植被主要是沙蒿（Artemisia desterorumspreng）、花棒（Hedysarum scoparium）等沙地植物。根據三種不同沙障保存狀況選擇樣方，保存狀況分為優、中、差三個級別，并進行植被調查及土壤采樣。

表1 樣方概況

植物調查選取不同沙障的方格100個，調查植物的成活率、高度、冠幅及地上生物量的測定。生物量測定用稱重法，其中生物量的測定選取每個樣方里長勢中等的植株，使用枝剪剪下，立即裝入塑封袋里，標記并稱重。

在樣方中進行土壤樣品采集，采樣深度0－30 cm和30－50cm。所有樣品分別過1.00mm和0.25mm的篩分后，送至北京林業大學土壤實驗室進行分析測定。其中0－30cm樣品用來分析土壤養分、有機質及鹽分和pH值。30－50cm樣品分析鹽分和pH值。土壤水分的測定采用鋁盒取樣，分層取樣:0－5cm、5－10cm、10－15cm、15－20cm、20－30cm、30－50cm，容重取樣深度分為兩層，表層和30cm深處。土壤水分和容重測定均采用烘干法測定，試驗設計中數據無重復。

土壤粒度分析使用馬爾文激光粒度儀進行測定，對樣品首先進行預處理，自然風干土樣后加10%雙氧水（H2O2）去除有機質，加入10%鹽酸去除碳酸鹽物質，反應完全后加過濾水，除去過量酸，反復數次至中性加入濃度為4% （NaPO3）6分散劑，開始測量樣品。通過Mastersizer2000激光粒度儀輸出所需的參數，根據福克和沃克公式，計算得出中值粒徑、平均粒徑及分選系數等。

3 結果分析

3.1 植被特征

從現場調查的結果看，尼龍網沙障一部分被人為破壞，同時也被沙埋，草方格沙障設置地帶，方格被沙積滿，已看不見麥草，沙障內生長的植物主要是沙蒿，草繩區及低洼處生長有花棒等植物，長勢良好。由表2可以看出，不同程度的尼龍網沙障內的植被長勢不同，沙障（BTW01）保存較好，植被高度平均為64cm，每株生物量達865.29g，沙障沙埋及人為破壞嚴重（BTW02），幾乎無植被，高度為40cm，每株生物量307.82g。草方格沙障（BTW04），植被平均高度為43.8cm。草繩沙障保存較好（BTW06），低洼處水分較好，植被長勢也較良好，其中，花棒高度有1m多，沙蒿平均高度為52cm，沙蒿生物量每株達586.27g，花棒每株245.07g。

表2 主要植被特征

3.2 土壤特征

3.2.1 土壤粒度特征 尼龍網沙障內沙土的粒度分析結果（表3）表明，三種不同現存程度的沙障內均以中沙、細沙為主，細沙含量高于中沙。其中保存較好的尼龍網沙障（BTW01）內，0－30cm和30－50cm層的中沙、細沙的比重占 31.75%、55.19% 和25.72%、64.35%。現存較差的（BTW02）0－30cm和30－50cm 層的中沙、細沙的比重占36.03%、54.77%和 35.55%、56.20%。現存中等的沙障（BTW03）0－30cm和30－50cm層的中沙、細沙的比重占28.24%、56.56%和34.16%、60.03%。各樣方內的沙土粒度組成差異較小。從平均粒徑看出，BTW01上層較30－50cm層粗，BTW02內兩層粗細程度相近，BTW03上層較30－50cm層細。由分選系數得出，各樣方沙土分選均較好。

草方格內沙土的粒度分析結果（表3）表明，0－30cm中沙和細沙含量最高，30－50cm是細沙含量最高，中沙次之。0－30cm和30－50cm的中沙、細沙含量分別占44.66%、45.82% 和 32.69%、62.02%，平均粒徑為2.06（Φ）、2.3（Φ），分選系數1.21（Φ）、1.17（Φ），數據結果均顯示出上層較深層沙粒粗。

草繩沙障內的沙土的粒度結果（表3）顯示，與尼龍網沙障結果相似，沙粒細沙含量最高，中沙次之。現存較好的草繩區，0－30cm和30－50cm的細沙、中沙含量占62.83%、26.12%和61.77%、36.56%。現狀較差的0－30cm和30－50cm的細沙、中沙含量占63.29%、23.13%和58.92%、36.74%。從平均粒徑看，上層較深層沙粒細，分選程度相似。

表3 土壤粒度特征

3.2.2 土壤含水率、容重 各樣方內土壤含水率隨深度變化（圖1）顯示，尼龍網沙障:BTW01的表層水分含量較BTW02、BTW03高，往下逐漸降低，10cm以下低于BTW02、BTW03，而BTW02、BTW03的土壤含水率隨深度變化較平緩。草方格沙障區（BTW04）土壤含水率表層較低，隨著深度增加逐漸升高。保存較好的草繩沙障（BTW06）土壤含水率表層高于BTW04、BTW07，隨深度增加土壤含水率上升，在15cm處達到最高，之后開始下降，20－30cm處土壤含水率均高于其他。通過對三種沙障內土壤容重的測定，如表4所示，各樣方均表現為表層的容重高于30cm深處的，其中表層的容重變化為1.589～1.752g／cm3，30cm 深的 容重變 化為 1.554～1.645g／cm3，不同沙障之間差異較小。

圖1 土壤含水率隨深度變化

表4 土壤容重 g／cm3

3.2.3 土壤養分、有機質、鹽分和pH值 從測得的數據結果來看（表5），尼龍網沙障、草方格和草繩沙障內的土壤全N、全P、全K的含量均較低，不同沙障之間無明顯區別。

表5 土壤養分含量平均值（0－30cm）

目前，巴圖灣水庫沙區的土壤有機質變化為0.10～0.45%之間，含量較低，各樣方結果（圖2）對比得出:BTW01＞BTW06＞BTW02＞BTW03＞BTW04＞BTW07。鹽堿度狀況（圖2），土壤pH值0－30cm層表現為7.50＜pH＜8.00，呈弱堿性，各區差異較小，30－50cm 層為7.45＜pH＜8.74，BTW01和BTW06的pH值較其他樣方小，而這兩樣方植被長勢較好，也說明了植被恢復有利于土壤的pH值減小［12］，本研究中的BTW03和BTW04的pH值0－30cm的明顯低于30－50cm的，其他點兩層pH值差異不大。從土壤飽和浸出液的電導率（圖2）來看，兩層土壤電導率均在0～2mS／cm之間，土壤屬于非鹽化狀態，另外可看出，0－30cm層的值略高于30－50cm層。

3.3 植物與土壤有機質之間的關系

從圖3中可以看出，各樣方的沙蒿生物量BTW01＞BTW06＞BTW04＞BTW02＞BTW03，有機質的變化BTW01＞BTW06＞BTW02＞BTW03＞BTW04，二者趨勢變化基本一致，說明沙蒿生長與土壤有機質含量有關，有機質越高，生物量越高，因為有機質含量的多少，反映土壤肥力的高低，進而直接影響生物量［13］。

圖2 各沙障內土壤有機質、鹽分和pH值

圖3 沙蒿生物量與有機質的關系

3.4 不同沙障植物生長和土壤水分、養分之間的關系

從前面的分析看出，本研究中的尼龍網沙障（BTW01）的表層水分含量較BTW02、BTW03高，植被高度平均為64cm，每株生物量達865.29g。草方格沙障區（BTW04）土壤含水率表層較低，隨著深度的增加逐漸升高，植被平均高度為43.8cm。草繩沙障（BTW06）于低洼處，土壤含水率表層較高，植被長勢也較良好。尼龍網沙障、草方格和草繩沙障內的土壤全N、全P、全K的含量均較低，各沙障之間無明顯區別。

植物的生長不僅僅與土壤水分有關，土壤養分對植物生長也有很大的影響，而且植物、土壤水分與養分三者之間也是相互影響的。研究表明，固沙植被對沙地土壤水分狀況影響較明顯［14－15］，人工植被的恢復對土壤養分具有明顯的表聚作用，而且對土壤養分的空間變化特征具有一定的影響［16］。本研究數據結果顯示，植被、土壤水分與土壤養分三者之間關系不明顯，主要是因為沙障設置年限較短，植被栽植期也較短，還沒有完全形成植被－土壤－水分相互作用的系統，三者之間的關系還不明顯，還需要進行較長年限的監測。另外，本研究采樣為雨季，采樣前期有過降雨，對沙地土壤水分也產生了影響。

4 結論與討論

4.1 結 論

（1）尼龍網沙障內，不同保存程度沙障的植被長勢存在差異，保存較好的沙障植被高度平均為64 cm，被沙埋及人為破壞嚴重的沙障內植被平均高度為40cm。草方格沙障植被平均高度為43.8cm，草繩沙障保存較好，植被長勢也較好。可見，防沙治沙措施設置初期，沙障保護好壞與植物的生長有著重要作用。

（2）尼龍網沙障區內均以中沙、細沙為主，細沙含量高于中沙。草方格區上層中沙和細沙含量最高，下層細沙含量最高，中沙次之，上層較深層沙粒粗。草繩沙障與尼龍網相似，沙粒細沙含量最高，中沙次之，上層較深層沙粒細。土壤容重表層均高于30cm。沙障設置初期，各沙障內風沙土的機械組成差異較小，相對穩定。

（3）尼龍網沙障、草方格和草繩沙障內的土壤全N、全P、全K的含量均較低，不同沙障之間無明顯區別，養分元素相對穩定。沙蒿地上生物量與有機質的變化趨勢基本一致。土壤pH值顯示，土壤均為弱堿性。沙障設置初期，巴圖灣水庫庫區沙地的土壤改良一般，隨著植物的增長，將會逐漸提高。

4.2 討 論

本文從土壤與植被恢復的角度，來探討干旱地區水庫防沙治沙工程措施實施初期的生態效應，通過野外調查與室內分析，對巴圖灣水庫防沙工程措施區目前土壤與植被的基本特征有了初步的了解，總體看來，尼龍網沙障＋植物措施的土壤與植被恢復效果稍優于其它兩種沙障。植物沙障和尼龍網沙障相結合可將尼龍網沙障的功效發揮到最大，沙障布設后，可以防止沙障間種子播種后遭受風力侵蝕裸露而降低成活率，經過一定的年限后，尼龍網沙障將不能發揮防風固沙效益，植物沙障此時代替尼龍網沙障，使其達到持久性固沙。在野外調查中發現，尼龍網沙障除了被沙埋，較大一部分被人為抽掉，損壞較嚴重。

草繩沙障區的草繩，大部分被吹蝕裸露沙面，已中斷成一段一段地，人工種植的植物生長較少，保存效果較差。草繩較尼龍網和麥草壽命短，容易腐爛，某一部位草繩被風蝕裸露后可能會加速相鄰區域草繩的裸露，因此草繩所起的保持水分和增加營養的作用隨之減弱，植物種子在很短時間內難以生長，草繩沙障無法起到預期的效果，這些均可能是導致草繩沙障植被恢復能力較差的原因，因此對于草繩沙障的布設適于選擇風蝕速率較小的沙地，或者表面已有一定植被覆蓋的半流動沙地，布設時應該對草繩間隔一定距離進行固定，布設后采取一定的滴灌措施，使植被能夠快速生長，防止風蝕裸露。

從以上分析看來，巴圖灣水庫庫區的防沙體系還需要進一步健全，需要及時更新，首先應對積沙較滿的沙障進行維修及更新，人為破壞的沙障應及時補充。機械措施與生物措施相結合是目前公認的流動沙丘有效固定的方法，機械措施是生物措施得以有效治理沙地的必要輔助，最終依然是植物固定沙丘。因此，在沙障實施后需要加強對沙障的修復與保護，禁止人畜進入治理區。另外，在調查中還發現，自然植被長勢較好，但是多度較低，沙障在被人為破壞后，人工栽植植物生長較一般，建議定期補栽鄉土物種。一般地，生態恢復的時間越久，效益也越顯著，因此，巴圖灣水庫沙區植被的恢復與重建還需進一步實施，防沙治沙采取措施的年限較短，亟需進一步治理與監測。

致謝:本研究野外工作得到了內蒙古薩拉烏蘇旅游文化發展有限公司的大力支持，特此表示感謝！

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