民勤防沙治沙新技術和新材料試驗研究

摘要：通過固沙植物材料選育和新型機械沙障的研制開展民勤防沙治沙新技術、新材料研究，結果表明：①民勤梭梭（Haloxylon ammodendron）種源種子質量好，育苗造林成活率高，生長良好，苗木耐鹽性較強，可作為民勤沙區(qū)固沙造林首選的種源梭梭材料；②固沙小灌木沙蒿（Artemisia arenaria）種子萌發(fā)期抗旱性較強，沙土出苗率最高，是沙區(qū)飛播造林較為理想的固沙伴生植物新材料；③研發(fā)的棉桿沙障具有良好的防風固沙效果，且沙障就地取材、無污染，設置形式靈活多樣，可根據需要制成不同結構和規(guī)格的沙障進行設置。因此，棉桿沙障以其獨有的特性成為干旱區(qū)工程治沙措施的有力補充。

關鍵詞：民勤；防沙治沙；棉稈沙障

中圖分類號：X43 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）03-0548-04

沙漠化是當前世界干旱地區(qū)共同面臨的嚴重問題之一，我國有沙漠化土地約53.25萬km2，沙化面積仍在持續(xù)擴大，生態(tài)環(huán)境日益惡化，沙患不斷，嚴重威脅著綠洲的存在[1]。目前我國防沙治沙技術、材料較多，其中機械固沙材料如粘土沙障、草方格沙障、柴草沙障、礫石沙障等各有缺陷[2-7]，需要進一步研發(fā)新的固沙材料彌補這些不足，植物固沙技術通過多年的應用，發(fā)揮著主要防護作用，但隨著沙漠生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，已完全不能發(fā)揮應有的功能，需開展固沙植物新材料選育，完善防沙治沙技術體系，發(fā)揮更大的效益。因此，本研究通過新型機械沙障研制和植物固沙新材料選育試驗，開展民勤防沙治沙新材料和新技術試驗研究與示范，為完善我國防沙治沙技術體系提供理論指導。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅民勤縣，地理坐標為38°05′- 39°06′N，103°02′-104°02′E，東、西、北三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠所包圍。該區(qū)具有西北干旱荒漠區(qū)的典型特征：氣候干旱、光照充足、降水稀少、風大沙多。年平均降水量116.2 mm，蒸發(fā)量2 643.9 mm；年平均有風的記錄占99.23%，當地的大風風向主要為NW，其次是NE，風速大于5.0 m/s起沙風占全年有風日數的13.08%，4月和5月為大風和沙塵暴多發(fā)月份；湖區(qū)年均風沙日數達139 d，最多時達150 d， 8級以上大風日數70多天，年均強沙塵暴日數達29 d。區(qū)內地下水位降低，植被退化，沙塵暴頻繁，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化。

2 材料與方法

2.1 植物固沙材料選育試驗

固沙植物梭梭（Haloxylon ammodendron）種源分別為新疆塔木蘇格、吉木薩爾、吐魯番、內蒙阿右旗和甘肅民勤本地，采集的種子在民勤沙生植物園進行梭梭種子萌發(fā)試驗、育苗造林試驗及苗木抗鹽性試驗，通過常規(guī)方法測定種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、出苗率、保苗率、造林成活率、鹽害指數、鹽害率等指標[8，9]。固沙伴生植物鹽爪爪（Kalidium foliatum）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.）、苦豆子（Sophora alopecuroides L.）、黃花磯松（Limonium aureum）、紅砂（Reaumuria soongorica）、沙蒿（Artemisia arenaria）和油蒿（Artemisia ordosica）均采集自當地。種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應試驗采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽床，模擬干旱溶液（聚乙二醇，相對分子質量6 000）滲透勢采用Michel 等[10]的方法配制。干旱脅迫設置0（對照）、-0.3、-0.6、-0.9、-1.2、-1.5和-1.8 MPa滲透勢溶液共7個處理[11]。不同土壤質地、沙埋條件下的種子萌發(fā)與出苗試驗設置沙土、沙壤土和粘土3種土壤類型，土壤埋深設置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 cm 7個試驗處理[12]。

2.2 沙障新材料研發(fā)試驗

利用棉花副產品棉稈為原材料，試驗研制出不同工藝和結構的棉稈沙障[13]。風洞試驗驗證：棉稈沙障具有防風固沙能力，沙障空隙度設計為30%、35%和40%的橫排沙障，沙障結構設置為1 m×1 m的方格狀，分別在7 m/s和10 m/s的飽和風沙流條件下測定障后1 m處0～20 cm高度的輸沙量。野外設置不同結構和規(guī)格的棉稈沙障，對其防風固沙效應進行觀測，沙障類型為植入式沙障、柵欄式沙障和集束式沙障3種結構，其中柵欄式沙障設置高度為40 cm和20 cm，40 cm高柵欄為行列式沙障，障間距1 m；20 cm高柵欄為障間距1 m的行列式沙障和規(guī)格為1 m×1 m的方格狀沙障兩種形式；集束式沙障設置為方格狀，規(guī)格分別為1 m×1 m和0.5 m×0.5 m[14]。

3 結果與分析

3.1 固沙先鋒植物梭梭種源選育

3.1.1 不同種源梭梭種子萌發(fā)特征 不同種源的梭梭在千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、種子含水率等方面存在著一定的差異性，以吐魯番白梭梭種子千粒重、發(fā)芽率、種子含水率為最高。各個種源千粒重變幅為3.289～4.229 g，新疆塔木素格梭梭最低，吐魯番白梭梭最高。梭梭種子發(fā)芽速度很快，如果溫度適宜，7 h后種子就開始發(fā)芽，2 d后發(fā)芽過程基本結束，發(fā)芽率以新疆吐魯番白梭梭最高，塔木素梭梭最低，其他3種梭梭居中；種子含水率以阿右旗梭梭最低，吐魯番白梭梭最高。

3.1.2 不同種源梭梭育苗造林成活狀況及生長表現 不同種源的梭梭育苗造林成活及生長均較好，但存在一定的差異。吐魯番白梭梭種源成活表現最好，出苗率達到了92%，造林成活率為100%；而當地種源民勤梭梭出苗率和保苗率達到80%以上，造林成活率100%；阿右旗梭梭和塔木素格梭梭出苗及造林成活狀況差異不大，出苗率在76%～78%，保苗率只有72%，造林成活率在97%～98%。不同種源梭梭生長以吐魯番白梭梭為最高，高度達到了（70.95±2.74） cm，新梢生長量也達到了43.70 cm，民勤梭梭和塔木素格梭梭生長基本相似，株高生長達57.50 cm左右，新梢生長量在35.00 cm左右，阿右旗梭梭生長相對較差。

3.1.3 不同種源梭梭苗木耐鹽性 不同種源梭梭在鹽分脅迫下隨鹽分濃度的增加，鹽害指數和鹽害率也在增加。當鹽分含量達8%時，吐魯番白梭梭鹽害率和鹽害指數均達到了100%，說明白梭梭耐鹽性最差，當鹽分濃度達到10%時，其鹽害指數達到了85%以上，鹽害指數與鹽害率同步，均反映了不同濃度條件下的抗鹽能力。從表3可見，塔木素格梭梭和民勤梭梭具有較強的抗鹽能力。

3.2 固沙伴生植物萌發(fā)條件及其抗旱性分析

3.2.1 固沙伴生植物種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應及其抗旱性評價 以不同滲透勢的PEG-6000溶液（0～-1.8 MPa）模擬干旱脅迫條件，研究了鹽爪爪、黑果枸杞、沙蒿和油蒿4種荒漠植物種子萌發(fā)及幼苗生長對干旱脅迫的響應。

結果表明，干旱脅迫對4種荒漠植物種子萌發(fā)有顯著的影響（P<0.05），鹽爪爪種子萌發(fā)的最低滲透勢閾值為-1.5 MPa，黑果枸杞、沙蒿和油蒿種子萌發(fā)的最低閾值均為-0.9 MPa；種子的絕對萌發(fā)率受種子本身特性的影響，而相對萌發(fā)率可以從一個側面客觀地反映其種子萌發(fā)期相對耐旱性，相對萌發(fā)率越大的物種抗旱性越強。因此，鹽爪爪相對萌發(fā)率顯著高于沙蒿、油蒿和黑果枸杞，表明其種子萌發(fā)期抗旱性較強。

用模糊函數隸屬法對4種植物的相對發(fā)芽率、相對萌發(fā)數、相對胚芽長度、相對初生根長度、相對幼苗鮮重、抗旱指數及相對活力指數進行綜合評價，得到4種植物的隸屬函數總平均值（表4）。依照隸屬函數值法，可排出4種植物種子萌發(fā)期抗旱性強弱的位次為：鹽爪爪居第一，其余依次是沙蒿、油蒿和黑果枸杞。

3.2.2 固沙伴生植物種子萌發(fā)及出苗條件篩選 選擇典型沙地植物苦豆子、黃花磯松、沙蒿、油蒿和紅砂作為研究對象，研究不同土壤質地和土壤埋深對沙地植物出苗的影響。結果表明，不同土壤質地與埋深處理下的出苗率以苦豆子最高，說明苦豆子種子出苗能力最強。其中沙土地出苗率沙蒿最高，達到41.5%。沙壤土黃花磯松高達33.5%；黏土出苗率紅砂高達31.5%（圖2）。

綜合分析認為，苦豆子種子出苗能力雖然最強，但由于苦豆子種子為中顆粒種子，需要較大埋深，因此苦豆子并不適合在干旱區(qū)大面積撒播（飛播），而小顆粒種子植物沙蒿和紅砂更為適宜。以不同土壤質地下各埋深的出苗率為判斷依據，沙土質地首選沙蒿，由于有自然的風蝕沙埋條件，在干旱區(qū)可進行大面積撒播（飛播）造林。沙壤土質地幾種伴生植物均可選擇，宜采用條播或穴播方式造林；而粘土質地首選紅砂，有一定覆沙區(qū)可選擇苦豆子和沙蒿，宜采用條播或穴播方式造林。

3.3 棉稈沙障的研制及其固沙效果

利用棉稈為原材料研發(fā)出柵欄式棉稈沙障和集束型可移動棉稈沙障，并成功申報國家實用新型專利2項。通過對不同結構棉稈沙障風洞試驗分析發(fā)現，不同孔隙度棉稈沙障分別在7 m/s和10 m/s的飽和風沙流條件下障后1 m處0～20 cm高度的輸沙量很小，認為30%～40%沙障疏透度設計較為合理；豎排沙障由于孔隙度較小，透風能力降低使得沙障出現倒伏現象，由棉稈編扎的不同類型的橫排沙障具有良好的防風固沙效果，并且結構穩(wěn)固，抗風蝕性能好。

棉稈沙障野外風速觀測結果表明，不同結構和規(guī)格的棉稈沙障對風速均有減弱作用。帶枝葉的植入式棉稈沙障內風速變異系數和風速降幅均大于其他規(guī)格的棉稈沙障，且省去了編制沙障的前期工作。但因風蝕作用，沙障容易倒伏，組建的沙障穩(wěn)固性差。對于柵欄式沙障而言，20 cm高度的格狀沙障的風速降幅高于行列狀沙障，近地表10 cm處風速僅為流沙上風速的33%，沙面形態(tài)相對穩(wěn)定，能起到較好的防風固沙作用，且沙障穩(wěn)固，維護量小。因此，沙障結構與規(guī)格選擇可根據當地風沙流場性質確定，在風沙活動強烈區(qū)可采用格狀沙障，風沙流活動較弱地區(qū)宜采用行列狀沙障或植入式沙障。

4 結論與討論

1）梭梭作為干旱區(qū)固沙造林先鋒樹種，在國家防沙治沙中發(fā)揮著重要的作用[15，16]。由于梭梭分布區(qū)域、生境變化的差異，不同種源梭梭抗性也存在著一定的分異，因此，梭梭種源的優(yōu)化選擇也將成為固沙植物材料選育的必要途徑。通過不同種源梭梭種子萌發(fā)試驗、育苗造林成活和生長表現及苗木耐鹽性試驗，認為民勤梭梭種子質量好，育苗造林成活率高，生長良好，苗木耐鹽性較強，可作為民勤沙區(qū)固沙造林首選的梭梭種源。

2）荒漠小灌木植物具有較強的生長更新能力，雖以固沙植物的伴生物種而存在，但對維持固沙植物群落結構的穩(wěn)定性具有重要作用[17]，因此固沙伴生種篩選也顯得尤為重要。通過對荒漠植物種子萌發(fā)的干旱脅迫響應及其萌發(fā)出苗條件篩選試驗，綜合分析認為，鹽爪爪種子萌發(fā)最低閾值-1.5 MPa，黑果枸杞、沙蒿和油蒿種子萌發(fā)的最低閾值均為 -0.9 MPa。種子萌發(fā)期抗旱性依次為鹽爪爪、沙蒿、油蒿、黑果枸杞，剔除鹽生植物外，沙蒿為種子萌發(fā)期抗旱性較強的沙生植物；而且沙蒿在沙土中出苗率最高達到41.5%，并且具備自然的風蝕沙埋條件，在干旱區(qū)可進行大面積撒播（飛播）造林。

3）棉稈沙障與其他沙障材料相比具有一定的優(yōu)點。如塑料沙障固沙效果好，壽命長，但成本費用高，因使用化工材料還可能帶來環(huán)境污染；黏土沙障、麥草沙障固沙效果相對不高，壽命短，布設費用高；棉稈沙障就地取材，設置形式靈活多樣，可根據需要編制成不同結構和規(guī)格的沙障進行設置。另外，從示范區(qū)試驗結果分析，棉稈沙障要比麥草沙障耐風蝕，使用壽命應在5～7年，且棉桿沙障成本費與同規(guī)格的麥草沙障接近。目前，由于沙區(qū)封育使得麥草多用于家畜飼草，在麥草沙障原材料日益短缺、收購價增高的現實條件下，棉稈沙障以其獨有的特性成為干旱區(qū)工程治沙措施的有力補充。

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