庫(kù)布其沙漠綜合防護(hù)體系防風(fēng)改土效益研究

王文彪，馮 偉，張吉樹(shù)

(億利資源集團(tuán)，內(nèi)蒙古東勝017000)

目前，我國(guó)荒漠化治理多以生物措施為主、工程措施為輔，生物措施主要是植被建設(shè)，工程措施主要是設(shè)置沙障［1－2］。設(shè)置沙障不僅對(duì)沙地土壤改良有顯著作用，而且還可以調(diào)節(jié)局部小氣候，增加下墊面粗糙度，有效降低近地表風(fēng)速，使防護(hù)對(duì)象免受沙害［3－4］。近些年，許多研究表明沙區(qū)植被建設(shè)及設(shè)置沙障都影響了沙漠土壤的理化性質(zhì)，改良了沙區(qū)土壤［5－8］。但是，對(duì)生物與工程措施相結(jié)合的綜合體系防護(hù)效益的研究較少。因此，本文對(duì)比分析了庫(kù)布其沙漠內(nèi)兩種綜合防護(hù)體系的防風(fēng)及改土效益，以期為本地區(qū)今后大規(guī)模開(kāi)展防沙治沙提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫(kù)布其沙漠北緣七星湖景區(qū)內(nèi)，隸屬于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市杭錦旗，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征。該區(qū)年平均風(fēng)速為4．4 m/s，最大風(fēng)速24 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)，大風(fēng)日數(shù)多年平均為55 d，最多77 d，年平均發(fā)生沙塵暴累計(jì)日數(shù)高達(dá)27 d，最多57 d，年平均揚(yáng)沙41 d。年平均降水量約306 mm，年平均蒸發(fā)量為2 448 mm，相對(duì)濕度55%;年平均氣溫6．58 ℃，極端最高氣溫40．2 ℃，極端最低氣溫－34．5 ℃;無(wú)霜期130～140 d。土壤主要為風(fēng)沙土，呈東西連續(xù)帶狀分布，還有部分灰漠土、鹽化淺色草甸土。由于干旱缺水，境內(nèi)以流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘為主。有野生植物370 余種，其中木本野生植物稀少，除霸王(Zygophyllum xanthoxylum)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、四合木(Tetraena mongolica)等珍稀植物外，主要有小葉楊(Populus Simonii)、沙棗(Elaeagnus angustifolia)、沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippohae rhamnoides)等。飼用植物300 余種，現(xiàn)有檸條保存面積15．33 萬(wàn)hm2。藥用植物130 余種，以甘草(Glycyrrhiza uralen sis)、枸杞(Lycium chinense)、苦參(Sophora flavescens)儲(chǔ)量最大。礦藏資源豐富，有煤炭、天然氣、食鹽、天然堿、芒硝、石膏等。

2 研究方法

2．1 綜合防護(hù)體系設(shè)計(jì)

蘆葦－樟子松－花棒綜合防護(hù)體系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)花棒綜合體系):沿主風(fēng)(西北)方向開(kāi)始依次設(shè)置蘆葦(Phragmites australis)沙障、樟子松(Pinus sylvestris var)防護(hù)林、花棒(Hedysarum scoparium)防護(hù)林;蘆葦－樟子松－沙柳綜合防護(hù)體系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)沙柳綜合體系):沿主風(fēng)(西北)方向開(kāi)始依次設(shè)置蘆葦沙障、樟子松防護(hù)林、沙柳(Salix psammophila)沙障。綜合體系各防護(hù)帶配置基本情況見(jiàn)表1。

表1 綜合防護(hù)體系內(nèi)各防護(hù)帶基本配置方式

2．2 測(cè)定方法

2011年4月對(duì)裸沙地以及兩種綜合防護(hù)體系中的蘆葦沙障內(nèi)、樟子松防護(hù)林內(nèi)、花棒防護(hù)林內(nèi)及沙柳沙障內(nèi)的20 和200 cm 高度處的風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)定，數(shù)據(jù)使用HOBO 自動(dòng)氣象站采集器采集，每個(gè)樣點(diǎn)測(cè)定時(shí)間為10 min，記數(shù)間隔時(shí)間為2 s。按照公式［2］將風(fēng)速數(shù)據(jù)換算成防風(fēng)效能及地表粗糙度。

同時(shí)采用S 形或直線(xiàn)形方式在選定的每種防護(hù)帶內(nèi)設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)挖取60 cm 深的剖面，分別采集5、30、60 cm 深處土層的土壤;同時(shí)采集裸沙地(3 個(gè)采樣點(diǎn))土壤作為對(duì)照。土壤理化性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)分析方法［10］。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2003 及SAS 9．0 軟件ANOVA 模塊進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3．1 防風(fēng)效益比較

3．1．1 綜合防護(hù)體系防風(fēng)效能比較

植被建設(shè)或設(shè)置沙障后，能夠顯著降低近地表風(fēng)速，而降低風(fēng)速效能是評(píng)價(jià)防風(fēng)效益的重要指標(biāo)之一。從觀(guān)測(cè)資料及表2 可知，兩種綜合體系各配置防護(hù)帶在20、200 cm 高處都起到了降低風(fēng)速的作用，其中風(fēng)速降低最大值在花棒綜合體系中花棒防護(hù)林的20 cm 高處，平均風(fēng)速降到1．65 m/s(裸沙地20 cm 高處平均風(fēng)速6．87 m/s)，防風(fēng)效能為75．98%，其主要原因是花棒綜合體系中花棒防護(hù)林在最后方，且花棒為灌木，對(duì)近地層氣流有較大的阻隔作用;花棒、沙柳兩種綜合體系中的蘆葦沙障200 cm 高處風(fēng)速降低均較小，平均風(fēng)速分別降到7．90、7．76 m/s(裸沙地200 cm 高處平均風(fēng)速9．18 m/s)，防風(fēng)效能分別為13．94%、15．47%，其主要原因是蘆葦沙障位于兩種綜合體系的最前方，且沙障體高度僅有10 cm，對(duì)200 cm 高度的風(fēng)沙流無(wú)阻擋作用，而造成風(fēng)速降低程度、防風(fēng)效能輕微差別的原因是兩種綜合體系的配置不同。從表2 還可以看出，兩種綜合體系在200 cm 高度內(nèi)防風(fēng)效能的平均值為花棒綜合體系大于沙柳綜合體系，但差異不顯著。

表2 兩種綜合體系各配置防護(hù)帶防風(fēng)效能%

3．1．2 綜合防護(hù)體系地表粗糙度比較

地表粗糙度是反映地表起伏變化與侵蝕程度的指標(biāo)，也稱(chēng)為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，是評(píng)價(jià)防風(fēng)固沙效益的重要指標(biāo)之一。以裸沙地為對(duì)照，對(duì)兩種綜合體系的地表粗糙度進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1 中可以看出，兩種綜合體系都明顯地增大了地表粗糙度:花棒綜合體系的地表粗糙度增大到3．63 cm，與裸沙地(0．02 cm)相比增大了3．61 cm;沙柳綜合體系的地表粗糙度增大到1．59 cm，比裸沙地增大了1．57 cm。差異顯著性檢驗(yàn)表明，花棒、沙柳綜合體系差異顯著(P ＜0．05)。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)沙流或氣流通過(guò)兩種綜合體系時(shí)，首先通過(guò)蘆葦沙障，使近地表氣流強(qiáng)度減小，但沙障以上氣流強(qiáng)度依然很大，之后通過(guò)樟子松防護(hù)林，使得200 cm 高度以下氣流強(qiáng)度明顯減小，當(dāng)通過(guò)綜合體系最后一道屏障時(shí)，花棒綜合體系中的花棒防護(hù)林又一次減小了花棒灌叢以下的氣流強(qiáng)度，使得地表粗糙度達(dá)到最大值，而沙柳綜合體系中的平鋪沙柳沙障體高僅為10 cm，對(duì)通過(guò)的氣流影響較小。以上結(jié)果說(shuō)明，兩種綜合體系都明顯提高了地表抗風(fēng)蝕的能力，且花棒綜合體系效果更好。

圖1 兩種綜合體系地表粗糙度比較

3．2 改良土壤效益比較

3．2．1 綜合防護(hù)體系土壤含水率對(duì)比

土壤含水率是沙漠地區(qū)植樹(shù)造林的主要限制因子。降水和植物耗水是土壤水分發(fā)生垂直變化的主要原因，不同類(lèi)型防護(hù)林對(duì)土壤水分的消耗及蓄積也是不同的。同時(shí)，土壤水分狀況對(duì)固沙植被長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展起重要作用，而植被又會(huì)對(duì)土壤水分起到重新分配的作用。從圖2 可以看出，兩種綜合體系5、30、60 cm 深度的土壤含水率均高于裸沙地，說(shuō)明綜合體系的保水能力強(qiáng)于裸沙地。從圖2 還可以看出，兩種綜合防護(hù)體系內(nèi)土壤含水率隨深度的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。差異顯著性檢驗(yàn)表明:綜合體系5、60 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異顯著(P ＜0．05)，30 cm 深度土壤含水率與裸沙地相比差異不顯著，這主要是與地表覆蓋措施以及植物根系分布范圍有關(guān)。與裸沙地相比，0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1．88 百分點(diǎn)，沙柳綜合體系增加了1．59 百分點(diǎn)，說(shuō)明兩種綜合體系都提高了土壤的保水能力，且花棒綜合體系效果更好。

圖2 兩種綜合體系與裸沙地土壤含水率對(duì)比

3．2．2 綜合防護(hù)體系土壤容重對(duì)比

土壤容重的大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量和土壤緊實(shí)度等有關(guān)。從圖3 可以看出，兩種綜合體系內(nèi)5、30、60 cm 深度的土壤容重均小于裸沙地，其中最小值為花棒綜合體系5 cm深度土壤，為1．44 g/cm3。從圖3 還可以看出，裸沙地土壤容重隨深度的增加呈增大的趨勢(shì)，而兩種綜合體系均呈先增大后減小的趨勢(shì)。其主要原因可能是植被根系的活動(dòng)疏松了土壤，而不同植被的根系分布范圍不一樣，所以產(chǎn)生的影響也不一樣。差異顯著性檢驗(yàn)表明:兩種綜合體系各深度土壤容重與裸沙地相比差異都不顯著。綜合以上結(jié)果，與裸沙地相比，兩種綜合體系均降低了土壤容重，花棒綜合體系平均降低了0．071 g/cm3，沙柳綜合體系平均降低了0．064 g/cm3。土壤容重降低，疏松了土壤，增加了孔隙度，對(duì)土壤的肥力狀況及植物的生長(zhǎng)都產(chǎn)生了積極的影響。

圖3 兩種綜合體系與裸沙地土壤容重對(duì)比

3．2．3 綜合防護(hù)體系土壤pH 值對(duì)比

測(cè)定土壤pH 值，對(duì)改良土壤、合理施肥、適地造林有很重要的意義。從圖4 可以看出，裸沙地土壤pH 值隨深度的增加呈升高的趨勢(shì)，兩種綜合體系呈降低的趨勢(shì)，其主要原因是受地表植被的生長(zhǎng)活動(dòng)及枯枝落葉的影響。差異顯著性檢驗(yàn)表明:兩種綜合體系與裸沙地相比，5 cm 深度土壤pH 值差異不顯著;30、60 cm 深度土壤pH 值則顯著小于裸沙地(P ＜0．05)。從圖中還可以看出裸沙地5、30、60 cm 三層土壤pH 值都大于8．60，接近強(qiáng)堿性土壤，極不適宜植物生長(zhǎng)。這說(shuō)明通過(guò)防護(hù)體系建設(shè)降低了土壤pH 值，其中花棒綜合體系降低了0．59，沙柳綜合體系降低了0．32。

圖4 兩種綜合體系與裸沙地土壤pH 值對(duì)比

3．2．4 綜合防護(hù)體系土壤養(yǎng)分含量對(duì)比

土壤養(yǎng)分是植物營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源，植物生長(zhǎng)需要土壤提供養(yǎng)分，同時(shí)植物的生長(zhǎng)也具有改良土壤水、肥、氣、熱的作用。從表3 可以看出，兩種綜合體系與裸沙地相比，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量都高于裸沙地，土壤速效磷含量都低于裸沙地。差異顯著性檢驗(yàn)表明:兩種綜合體系與裸沙地相比，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量差異不顯著，速效鉀含量與裸沙地相比差異極顯著(P ＜0．001)。以上結(jié)果表明，兩種綜合體系對(duì)沙漠土壤都有一定的改良作用，與裸沙地相比，花棒綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0．82 g/kg，堿解氮含量增加了4．93 mg/kg，速效磷含量降低了0．21 mg/kg，速效鉀含量增加了39．32 mg/kg;沙柳綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0．50 g/kg，堿解氮含量增加了3．69 mg/kg，速效磷含量降低了0．23 mg/kg，速效鉀含量增加了36.64 mg/kg;花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

表3 兩種綜合體系土壤養(yǎng)分含量對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)庫(kù)布其沙漠內(nèi)兩種綜合體系防風(fēng)效益及土壤理化性質(zhì)的測(cè)定與分析，得出以下結(jié)論:與裸沙地相比，花棒綜合體系和沙柳綜合體系都起到了防風(fēng)阻沙、改良土壤的作用，其防風(fēng)效能分別為46．53% 和44．18%，地表粗糙度分別增大了3.61、1．57 cm;0—60 cm 深度土壤含水率花棒綜合體系平均增加了1．88 百分點(diǎn)，沙柳綜合體系增加了1．59 百分點(diǎn);兩種綜合體系均降低了土壤容重，花棒綜合體系平均降低了0．071 g/cm3，沙柳綜合體系平均降低了0．064 g/cm3;兩種綜合體系都降低了土壤pH 值，其中花棒綜合體系降低了0．59，沙柳綜合體系降低了0．32;花棒綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0．82 g/kg、堿解氮含量增加了4．93 mg/kg、速效磷含量降低了0．21 mg/kg、速效鉀含量增加了39．32 mg/kg，沙柳綜合體系有機(jī)質(zhì)含量增加了0．50 g/kg、堿解氮含量增加了3．69 mg/kg、速效磷含量降低了0．23 mg/kg、速效鉀含量增加了36．63 mg/kg，且花棒綜合體系改良土壤養(yǎng)分效果更好。

綜上所述，花棒綜合體系在防風(fēng)阻沙、改良土壤方面要優(yōu)于沙柳綜合體系，其原因還需要做進(jìn)一步研究。

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