民勤荒漠區(qū)4種植物的防風(fēng)固沙功能對(duì)比分析

常兆豐，李易珺，張劍揮，王強(qiáng)強(qiáng)，韓福貴，仲生年，張應(yīng)昌，楊敏

（1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，甘肅民勤733300；2.甘肅省荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070；3.甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州730070）

民勤荒漠區(qū)4種植物的防風(fēng)固沙功能對(duì)比分析

常兆豐1，2，3，李易珺1，2，3，張劍揮1，2，3，王強(qiáng)強(qiáng)1，2，3，韓福貴1，2，3，仲生年1，2，3，張應(yīng)昌1，2，3，楊敏1，2，3

（1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，甘肅民勤733300；2.甘肅省荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070；3.甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州730070）

梭梭（Haloxylonammodendron）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、白刺（Nitrariatangutorum）和膜果麻黃（Ephedraprzewalskii）是民勤荒漠區(qū)主要的牧草，分布面積較大。為了研究荒漠區(qū)牧草植物的防風(fēng)固沙功能，在牧草利用的同時(shí)兼顧防風(fēng)固沙功能。本研究用民勤荒漠區(qū)4種主要防風(fēng)固沙植物樣方調(diào)查資料，通過計(jì)算單株植物的縱斷面積和單位面積上的縱斷面積，以及單株植物的固沙沙堆體積和單位面積上的固沙沙堆體積，對(duì)4種主要植物群落的防風(fēng)功能和固沙功能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，單株（叢）的防風(fēng)功能的排序?yàn)榘状蹋舅笏螅旧齿锖湍す辄S，單株（叢）的固沙功能白刺＞膜果麻黃，單位面積上防風(fēng)功能的排序?yàn)樯齿铮舅笏螅景状蹋灸す辄S，單位面積上的固沙功能白刺＞膜果麻黃；單位面積上防風(fēng)固沙功能的排序?yàn)榘状蹋旧齿铮舅笏螅灸す辄S。如果只選擇防風(fēng)，則應(yīng)選用沙蒿；如果側(cè)重點(diǎn)是固沙，則應(yīng)選用白刺；如果二者兼顧，則應(yīng)選用白刺和沙蒿。

防風(fēng)固沙林；樹冠縱斷面積；防風(fēng)功能；固沙功能；民勤荒漠區(qū)

我國的草地面積占國土總面積的23.1%，在中國自然資源中名列第一，草地面積居世界前列，其中荒漠草地面積約64.6萬km2。荒漠草地植物不僅是一種自然資源，而且在防風(fēng)固沙方面發(fā)揮著極其重要的作用［1-4］。荒漠植被以多種方式保護(hù)地表土壤，減少風(fēng)蝕和輸沙量［5-6］，因而植物固沙是目前最主要的防風(fēng)固沙措施之一［7］。

國內(nèi)有關(guān)防風(fēng)固沙植物的研究成果很多［8-12］，而有關(guān)荒漠草地植被防風(fēng)固沙功能的研究相對(duì)較少，大體包括3個(gè)方面：一是防風(fēng)固沙林系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)，如莫宏偉等［13］運(yùn)用他人的研究模型［14］對(duì)陜西省榆陽區(qū)北部風(fēng)沙草灘區(qū)的潛在輸沙率、實(shí)際輸沙率、植被減沙率進(jìn)行了測算，進(jìn)而對(duì)榆陽區(qū)北部風(fēng)沙區(qū)的植被防風(fēng)固沙量進(jìn)行估算。二是防風(fēng)固沙功能，如楊麗雯和王大勇［15］計(jì)算了沙坡頭地區(qū)固沙植被和機(jī)械沙障的攔截流沙量，并指出人工植被單位面積單位時(shí)間阻沙量數(shù)據(jù)0.074g·cm-2·min-1，人工植被一年的阻沙量=人工植被單位面積單位時(shí)間阻沙量×人工植被面積×年起沙風(fēng)時(shí)間平均值；符亞儒等［16］對(duì)陜北榆林風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)固沙林體系結(jié)構(gòu)研究指出，固阻沙量與造林密度、近地表林木分枝數(shù)和草本植物蓋度關(guān)系密切，樹高和冠幅對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)極小；防風(fēng)效益與樹高、冠幅則具有極顯著的相關(guān)性；程皓等［17］測定了50%、25%、10%三種覆蓋度灌木對(duì)降低風(fēng)速作用。王繼和等［18］分析了灌木在近地面0～50cm層的阻風(fēng)阻沙作用效果，發(fā)現(xiàn)由強(qiáng)到弱依次為油蒿（Artemisiaordosica）＞沙蒿（A.desertorum）＞檸條（Caraganakorshinskii）＞花棒（Hedysarumscoparium）；廖空太等［19］對(duì)混交林的防風(fēng)固沙效益進(jìn)行了比較研究。三是單種植物的防風(fēng)效益，如科爾沁沙地小葉錦雞兒（C.microphylla）人工林不同年齡固沙林降低風(fēng)速和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征不同［20］；檉柳（Tamarixchinensis）灌叢可以降低迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)風(fēng)速，使沙粒在植被底部沉積，積沙體積與檉柳各形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性大小順序?yàn)楣诜救~干質(zhì)量＞地上生物量＞株高＞基徑＞枝數(shù)［21］。有關(guān)不同植物防風(fēng)固沙功能的比較研究則很少見到。

由于不同植物的構(gòu)形不同，客觀的情況是有的植物防風(fēng)功能強(qiáng)，而有的固沙功能強(qiáng)。防風(fēng)治沙的實(shí)踐，有時(shí)可能需要側(cè)重于防風(fēng)，有時(shí)則可能需要側(cè)重于固阻流沙。那么，哪些植物群落防風(fēng)功能強(qiáng)，哪些群落固沙效果好呢？解決這一問題，一方面可以根據(jù)需要有目的地選擇培育和保護(hù)荒漠植物群落，兼顧牧草利用和防風(fēng)固沙兩種功能；另一方面也是植物形態(tài)學(xué)與防風(fēng)固沙關(guān)系的研究內(nèi)容之一。梭梭（Haloxylonammodendron）、沙蒿、白刺（Nitraria tangutorum）和膜果麻黃（Ephedraprzewalskii）是民勤荒漠區(qū)主要的牧草植物，分布面積較大［3-4］，因此，本研究對(duì)這4種植物群落的防風(fēng)固沙功能進(jìn)行比較分析。

1 研究區(qū)概況

民勤縣位于甘肅河西走廊東北側(cè)，河西內(nèi)陸河流域石羊河下游，屬于騰格里沙漠的西部邊緣，地理位置為102°03′～104°03′E，38°05′～39°06′N。在紅崖山-阿拉古山一線以北屬于阿拉善高原東南邊緣，以南屬于河西走廊東北側(cè)。目前的民勤縣三面環(huán)沙，只有南面沿石羊河一條綠色通道與武威綠洲相連，民勤綠洲已經(jīng)完全是一個(gè)人工綠洲。至2006年，境內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地占據(jù)了全縣總土地面積的94%，其中，沙漠面積7 407.2km2，占總土地面積的46.25%，戈壁面積213.9km2，占總土地面積的1.33%，鹽堿灘地1 124.0km2，占總土地面積的7.02%，已成為我國典型荒漠化地區(qū)。民勤縣1961-2006年年均降水量115.56mm，蒸發(fā)量達(dá)2 396.7mm，20世紀(jì)50年代當(dāng)?shù)氐叵滤簧?～2 m，目前綠洲內(nèi)部及其外圍已下降為20m深左右。

當(dāng)?shù)赜?0世紀(jì)50年代末從新疆準(zhǔn)葛爾地區(qū)引進(jìn)梭梭在沙丘上造林獲得成功，60年代以來開始在沙丘上大面積種植，是當(dāng)?shù)匚ㄒ坏纳城鸸躺吃炝謽浞N，目前民勤縣有梭梭人工固沙林約4.4×104hm2［22］。當(dāng)?shù)胤植嫉奶烊还嗄局饕猩齿铩状毯湍す辄S，小灌木荒漠沙蒿在當(dāng)?shù)胤植紭O為普遍，有半固定沙丘、流動(dòng)沙丘、低平沙堆和覆沙地的地方都有沙蒿分布。白刺是一種典型荒漠植被，是民勤沙區(qū)保存面積最大的天然灌叢，據(jù)2002年統(tǒng)計(jì)，境內(nèi)有白刺灌叢6.642×104hm2，主要分布于固定沙丘和半固定沙丘上。膜果麻黃是分布于粘礫質(zhì)灘地上的一種典型荒漠植被，在民勤西沙窩粘礫質(zhì)灘地上分布面積較大。

2 材料與方法

2.1 材料與調(diào)查方法 本研究選擇當(dāng)?shù)赜写硇缘乃笏蟆⑸齿铩状毯湍す辄S4種植物群落類型作為研究對(duì)象，在群落內(nèi)植物分布均勻處設(shè)置樣方，樣方大小為10m×10m。每種植物群落各選定4個(gè)樣方。在樣方內(nèi)逐個(gè)測定每個(gè)植株的高度、冠幅長軸、冠幅短軸、冠內(nèi)蓋度、斷面郁閉度、枯枝情況、開花和結(jié)實(shí)情況等，并取土樣化驗(yàn)土壤水分，土壤取樣深度30cm；白刺沙包和膜果麻黃積沙沙堆底面積近似于橢圓，測定底面橢圓的長軸和短軸以及堆高度以計(jì)算沙堆橢圓錐體的體積；冠內(nèi)蓋度和斷面郁閉度目估測得。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法 本研究將植物的防風(fēng)固沙功能分解為防風(fēng)功能和固沙功能。防風(fēng)功能定義為植株迎風(fēng)面斷面積與斷面郁閉度的乘積，即在橢圓面積公式上乘以斷面郁閉度，用P表示功能值（式1），單位面積總防風(fēng)功能值即為P與單位面積上株數(shù)的乘積。

植株的固沙功能定義為由于阻截和固定流沙形成的沙堆的體積大小，用V表示其功能值（式2），單位面積的固沙功值能即為V與單位面積上株數(shù)的乘積。

由于植物縱斷面積和固沙沙堆大小的量綱不同，故在計(jì)算防風(fēng)固沙功能時(shí)分別以每種植物的縱斷面積和固沙沙堆大小用下式（式3）［23］進(jìn)行正規(guī)化處理。

式中，X′ij為xij人為正規(guī)化值，max（j）和min（j）分別為第j列觀測值的最大值和最小值。

數(shù)據(jù)分析用SPSS 13.0軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

4種群落中伴生植物蓋度所占比例很小，優(yōu)勢種的優(yōu)勢度相當(dāng)明顯（表1）。梭梭植株相對(duì)高大，冠幅亦相對(duì)較大，但植株密度相對(duì)較小。沙蒿的密度最大，但冠內(nèi)郁閉度相對(duì)最小。白刺的冠幅系指一個(gè)白刺灌叢的長和寬，雖然密度小，但其蓋度最大。在4種植物群落間，伴生植物的蓋度差異不顯著（P＞0.05），物種數(shù)差異顯著（P＜0.05），其他指標(biāo)差異均極顯著（P＜0.01）（表1）。

表1 樣方植物調(diào)查資料Table 1 Information of plants in quadrate

梭梭和沙蒿基部不會(huì)形成沙堆，而白刺和膜果麻黃一般都會(huì)形成沙堆。白刺沙埋后會(huì)產(chǎn)生不定芽，長出新枝，沙埋越快株高增加越快，所以白刺沙堆相對(duì)較大。而膜果麻黃沙埋后不會(huì)增高生長，因而所形成的沙堆相對(duì)較小。30cm深層土壤水分沙蒿群落最高，其次是白刺沙包，梭梭林地最差。在4種植物群30cm土層，土壤差異及結(jié)皮面積差異均為極顯著（P＜0.01）（表2）。

表2 樣方土壤水分調(diào)查資料Table 2 Content of water in soil in quadrate

3.1 防風(fēng)功能 單株植物防風(fēng)縱斷面積白刺最大，其次是梭梭，沙蒿最小；單位面積總的防風(fēng)縱斷面積則是沙蒿最大，梭梭次之，膜果麻黃最小，不同植物的防風(fēng)固沙差異為極顯著（P＜0.01）（表3）。梭梭由于樹形相對(duì)高大，是其他植物的3～4倍，所以樹冠縱斷面積大。但因密度小，樣方內(nèi)總的樹冠縱斷面積并不是最大。沙蒿雖然縱斷面積最小，但因植株密度最大，因而樣方內(nèi)總的樹冠縱斷面積最大。膜果麻黃的縱斷面積亦屬最小，加之植株密度也很小，所以樣方內(nèi)總的樹冠縱斷面積也最小。

3.2 固沙功能 植物基部的積沙堆是該植株長期阻截流沙堆積的結(jié)果，沙堆越大，表明該植株阻截流沙的功能越強(qiáng)。單株植物固沙體積白刺最大，雖然膜果麻黃的植株密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白刺，但單位面積白刺沙堆的總體積平均仍是膜果麻黃沙堆體積的5.5倍（表3）。

3.3 綜合功能 白刺防風(fēng)固沙效果最好，其次是沙蒿，人工梭梭林的防風(fēng)固沙效果次于白刺和沙蒿，膜果麻黃最差（表3）。4種植物群落的防風(fēng)功能、固沙功能和防風(fēng)固沙功能都是有差別的。單位面積內(nèi)沙蒿和膜果麻黃防風(fēng)功能以及白刺和膜果麻黃的防風(fēng)功能均為顯著（P＜0.05）；單位面積內(nèi)白刺沙堆和膜果麻黃沙堆的體積差異為極顯著（P＜0.01）；單位面積內(nèi)沙蒿和白刺的防風(fēng)固沙功能以及沙蒿和膜果麻黃的防風(fēng)固沙功能差異為顯著；梭梭和白刺的防風(fēng)固沙功能以及白刺和膜果麻黃的防風(fēng)固沙功能差異為極顯著（表4）。

表3 4種植物防風(fēng)功能與固沙功能比較Table 3 Comparison of function of wind break and sand fixation of 4plant species

表4 4種植物的防風(fēng)固沙功能的方差分析的顯著值Table 4 Analysis of variance of function of wind break and sand fixation of 4plant species

4 討論

不同植物的防風(fēng)固沙功能主要受兩方面的限制，一是單株的縱斷面積及其枝條稠密程度（斷面郁閉度），二是受植株密度的影響。同一種植物的植株密度和條稠密程度（斷面郁閉度）主要受土壤水分條件的影響［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同植物群落的土壤水分狀況存在一定差異。

群落的分布受制于地貌條件。調(diào)查樣地的梭梭為人工林，梭梭在沙丘上和低平沙地上都可種植。其他3種天然分布的植物的分布土壤地貌各不相同，沙蒿一般分布在低平覆沙地上，白刺種子萌發(fā)一般發(fā)生在粘土灘地上，形成白刺沙包，膜果麻黃分布在平緩石礫灘地上［25］，即這3種植物的分布受土壤地貌條件的限制。

植株地上部分距離地面高度決定固沙量。梭梭為小喬木或大灌木，當(dāng)?shù)厝斯に笏罅忠话銥閱棠緺睿椿坑忻黠@的主桿，因而基部有10～30cm的空隙，不能積沙成堆。沙蒿雖然冠部距離地面很近，一般空隙0～10cm，但一般枝條稀疏，因而也不能固沙形成沙堆。白刺在地面上生長，所以具有固沙形成白刺沙包的功能，且可產(chǎn)生不定根，隨著沙包增大，植物的冠幅也增大。膜果麻黃最高只有50cm左右，所以形成的沙堆較小。

5 結(jié)論

單株（叢）的防風(fēng)功能的排序是白刺＞梭梭＞沙蒿和膜果麻黃，單株（叢）的固沙功能白刺＞膜果麻黃，單位面積上防風(fēng)功能的排序是沙蒿＞梭梭＞白刺＞膜果麻黃，單位面積上的固沙功能白刺＞膜果麻黃；單位面積上防風(fēng)固沙功能的排序是白刺＞沙蒿＞梭梭＞膜果麻黃。如果只選擇防風(fēng)，則應(yīng)選用沙蒿，其次可選用梭梭；如果側(cè)重點(diǎn)是固沙，則應(yīng)選用白刺；如果二者兼顧，則應(yīng)選用白刺和沙蒿。

白刺群落的植被蓋度最大，最容易形成積沙，所以土壤水分條件也較好，其防風(fēng)固沙效果最好。沙蒿群落內(nèi)一般不會(huì)形成沙面結(jié)皮，因而土壤水分條件相對(duì)最好，植株密度相對(duì)最大，因而防風(fēng)固沙效果較好。人工梭梭林雖然單株防風(fēng)效果好，但單位面積上的防風(fēng)功能次于沙蒿。

沙蒿在當(dāng)?shù)貫樘烊环植迹灿猩倭康娜斯わw播種植，當(dāng)?shù)剡m宜沙蒿生長的地段均有沙蒿生長，但從已有的研究成果看，土壤種子庫中存在大量沙蒿種子，因而人工飛播的意義并不很大。白刺幼苗一般首先出現(xiàn)在粘土灘地或者粘礫質(zhì)灘地上，從現(xiàn)有的群落看，除個(gè)別生長在農(nóng)田邊緣上的，一般生長都不太旺盛。膜果麻黃只生長在粘礫質(zhì)灘地上，即生長的適宜范圍很小。而梭梭在當(dāng)?shù)刂饕侨斯ち郑狙芯拷Y(jié)果顯示，梭梭的防風(fēng)固沙功能并不理想，加之目前已有的人工梭梭林普遍退化，因而在當(dāng)?shù)貞?yīng)當(dāng)限制營造梭梭人工林。

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Comparison on functions of wind break and sand fixation four plant species in Minqin desert

CHANG Zhao-feng1，2，3，LI Yi-jun1，2，3，WANG Qiang-qiang1，2，3，HHAN Fu-gui1，2，3，ZHONG Sheng-nian1，2，3，ZHANG Ying-chang1，2，3，YANG Min1，2，3
（1.Minqin National Station for Desert Steppe Ecosystem Studies，Minqin 733000，China；2.Gansu Key Laboratory of Desertification Combating，Lanzhou 730070，China；3.Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China）

Haloaylonammodendron，Artemisiadesertorum，NitrariatangutorumandEphedraprzewalskiiare widely distributed in Minqin desert，which are the major forages in this area.In the present study，we examined the functions of wind prevention and sand-fixing of these plants.We calculated the vertical section per crown and the vertical section per unit area.We also calculated the volume of sand fixed by each crown and the volume of sand fixed per unit area.Then the functions of wind prevention and sand fixing of these plants were compared.The results showed that the function of wind prevention of a single crown was decreased in the following order：N.tangutorum＞H.ammodendron＞A.desertorum＞E.przewalskii.The function of sand-fixing of a single crown wasN.tangutorum＞E.przewalskii.The functions of wind prevention and sand-fixing per unit area were decreased in the following order：N.tangutorum＞A.desertorum＞H.ammodendron＞E.przewalskii.If wind prevention is the main purpose，A.arenariashould be chosen.If sand-fixing is focused，N.tangutorumshould be chosen.If both of these functions are considered，N.tangutorumandA.desertorumwill be a good choice.

forage；vertical section of crown；function of wind prevention；function of the sand-fixing；Minqin desert area

CHANG Zhao-feng E-mail：czf123＠sina.com

S812.2；Q945.7

A

1001-0629（2012）03-0358-06

＊收稿時(shí)期：2011-04-20 接受日期：2011-08-17

國家973前期——“甘肅河西綠洲邊緣積沙帶的形成及其生態(tài)效應(yīng)”（2011CB411912）；白刺沙包積沙層所表征的氣候環(huán)境信息（1010RJZA133）

常兆豐（1957-），男，甘肅會(huì)寧人，研究員，碩士，長期從事荒漠生態(tài)研究。E-mail：czf123＠sina.com

李易珺 E-mail：czf123＠sina.com