PLA沙障對沙丘土壤粒徑的影響分析

黨曉宏，虞 毅，高 永，袁立敏，馬迎賓，高君亮，王 珊，張惜偉

（1.內蒙古農業大學 生態環境學院，呼和浩特010019；2.國際竹藤中心，北京100102；3.中國林業科學研究院 沙漠林業試驗中心，內蒙古 磴口015200）

沙漠化是指干旱、半干旱及部分半濕潤地區由于人地關系不相協調所造成的以風沙活動為主要標志的土地退化［1］。沙漠化已經成為人類可持續發展的嚴重障礙，也是人類在環境問題上面臨的巨大挑戰。我國是世界上受到土地沙漠化危害最嚴重的國家之一，其中沙漠化土地占國土面積18%以上，因此防治土地沙化的任務迫在眉睫［2］。我國沙漠化系統研究及治理工作始于20世紀50年代，目前我國沙漠治理的方法和技術已經取得一定成果［3］。其中設置機械沙障是治理土地沙漠化有效防治措施之一［4］，對其鋪設的規格、防護原理已有許多學者研究探討［4－7］。例如半隱蔽格狀沙障可以增加地表粗糙度，有效降低近地表風速，明顯減弱輸沙強度及形成穩定凹曲面等，同時沙障對土壤具有明顯改良作用［8－9］，還可以改善局部小氣候［10－11］。常用的機械沙障材料以柴草、黏土等為主，而類似于柴草、沙柳沙障在光、熱及微生物的作用下降解，導致壽命縮短，而且有些地方柴草、黏土相對短缺，運輸不方便。因此探索開發一種高效、防護作用時間長、方便運輸的沙障材料已成為目前急待解決的問題。項目組從日本引進PLA（Poly Lactic Acid）纖維制作沙障，具有簡單輕便易運輸、使用壽命長、防護作用久、抗老化、耐高溫、并無二次污染的環保型防沙固沙材料。PLA沙袋沙障是將PLA纖維紡織制成筒狀沙袋，就地取材將沙子灌入其中進行鋪設，省時省力，簡便易行。土壤機械組成是影響土壤水肥狀況的關鍵因子［12－13］。土壤中粒徑大小及組成對養分的吸附強度有很大的影響［14］，研究土壤的顆粒組成對指導土壤改良有著重要的現實意義［15－17］。

本試驗以鋪設PLA沙袋沙障的沙丘為研究對象，對其進行實地采樣，經過對障內、障外地表0—11 cm沙粒的粒徑進行實驗測定，數據對比分析，得出PLA沙袋沙障對沙丘表層土壤粒徑的影響，進而以土壤粒徑為參數確定最優的沙障規格，為PLA沙障在防沙治沙中的應用提供理論依據和技術參數，為新型沙障的研制與發展奠定理論基礎。

1 試驗區概況

本試驗區位于內蒙古自治區阿拉善左旗吉蘭泰鎮，地處烏蘭布和沙漠西南緣，北緯39°48′14″、東經105°42′45″，因氣候干燥，植被破壞，強烈風蝕作用等造成流沙四起，形成沙漠景觀類型：新月形沙丘和沙丘鏈、壟狀沙丘、格狀沙丘、灌叢沙堆、風蝕洼地。海拔1 030～1 045m。沙漠遠離海洋濕潤氣流難以進入，加之賀蘭山和巴音烏拉山阻隔，同時因受蒙古高氣壓冷空氣的影響，造成了該區冬寒夏熱、氣候干燥、光照豐富、降水少蒸發強、風大沙多的溫帶荒漠氣候特征，年均最高氣溫16.7℃，年均最低氣溫4.7℃，年平均降雨量為107.8mm，多集中在6—8月3個月，年平均蒸發量為2 956.8mm。年平均風速為3.4 m／s，主要風向為西南風和東北風，風速最大為西北風，年大風日數平均為33.9d，揚沙日數為85.4d，最大風速為23m／s。

試驗區土壤屬分布在棕鈣土向荒漠土過渡的沙地土壤，主要類型有：灰漠土、鹽漬土、風沙土、間或有鹽化草甸土分布；在植物種類組成上，藜科植物占有最大的數量，沙米（Agriophyllum squrrosum L.Moq.）、豬毛菜（Salsola collina Pall.）是雨季構成沙區植被的主要物種，菊科的蒿屬植物，特別是油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）在此起著明顯的建群作用，白刺屬的種是構成本沙區沙生荒漠植被的重要建種群，檉柳科的紅砂（Reaumuria songarica Pall.Maxim.）在平坦地區構成群叢。由于沙地或覆沙地的廣泛分布以及人為活動的干擾，地帶性植被破壞嚴重，大面積的原始梭梭林被破壞，試驗區周圍有人工種植的籽蒿（Artemisia sphaerocephala Krasch.）、梭梭（Haloxylon ammodendron（C.A.Mey.）Bge.）、阿拉善沙拐棗（Calligonum alaschanicumA.Los.）、胡楊（Populus euphratica Oliv.）。

2 試驗材料及方法

試驗地選擇在距吉蘭泰鎮西北約10km處，試驗選擇在坡度較為平緩的沙丘上，2007年5月在不同沙丘沿沙丘走向在相同部位分別鋪設邊長為1m×1m，2m×2m，3m×3m的三種不同鋪設規格的PLA沙袋沙障（以下簡稱1m×1m，2m×2m，3m×3m），沙障的鋪設垂直于主風向。沙障帶寬約50 m，長40～60m不等（根據地形鋪到沙壟兩側底部），沙障障高約15cm。

在鋪設沙障的沙丘按照不同坡位（迎風坡、坡頂、背風坡）、障格內不同位置（如圖1所示）及不同土層深度分別進行取樣。由于沙丘不是很高，沙障在迎風坡和背風坡兩側跨度不大，故無需在迎風坡和背風坡的坡底、坡中分別取樣，只在迎風坡、坡頂、背風坡上隨機選取3個障格，在每個障格內的5個點（圖1）上分別采用高永等研制出來的風沙土分層取土器［18］，取土厚度1cm，分別采取距地表0—1cm，2—3cm，4—5cm，6—7cm，8—9cm，10—11cm六層土樣，每層約取50g左右，裝入密封袋密封，并標注取樣點信息，同時在該沙丘上的3個坡位未鋪設沙障處取土樣作為對照（CK），每個取樣點設置3次重復。將取完土在實驗室樣風干，采用四分法選取5g試驗樣品利用Rise－2008型激光粒度分析儀測定土壤粒徑，每個樣品3次重復［19］。試驗數據處理采用Excel和SAS 9.0處理。

圖1 土壤樣點采集示意圖

3 結果與分析

3.1 PLA沙袋沙障不同鋪設規格沙丘土壤粒徑總體分析

將3種鋪設規格沙丘土壤粒徑數據取得均值后分析得出：PLA沙袋沙障1m×1m，2m×2m，3m×3m規格沙丘土壤粒徑分別為0.26mm，0.29 mm，0.27mm，比對照沙丘的0.25mm 分別增大4%，16%，8%。2m×2m規格沙丘對土壤粒徑影響最大，3m×3m次之，1m×1m規格對土壤粒徑影響最小。總體來說，沙丘鋪設沙障后，其粒徑有增大趨勢。經分析可知，沙障能改變地表粗超度，使近地表的風速減弱。當風沙流攜帶上游的飽和風沙流遇到沙障后降低風速，在障格內形成小范圍紊流，動力不足導致由于重力作用的較大粒徑沙粒掉落在障格內，而后未飽和的風沙流在動力不足的條件下只能吹走地表細小沙粒。由于鋪設的規格不同，沙障對風的影響程度不同，導致3種鋪設規格沙丘的土壤粒徑有一定的差別。

3.2 不同鋪設規格沙障沙丘不同坡位土壤粒徑分析比較

3.2.1 鋪設沙障沙丘不同坡位土壤粒徑整體分析據測定3種鋪設規格沙障的沙丘迎風坡、坡頂及背風坡的土壤粒徑分別為0.267，0.300，0.253mm；而對照沙丘分別為0.257，0.248，0.247mm。分別對3種規格沙丘土樣平均粒徑對比分析得出，鋪設沙障沙丘的3個坡位土壤粒徑均大于對照沙丘。在背風坡，鋪設沙障沙丘和對照沙丘土壤粒徑都小于迎風坡和背風坡。通過計算可知，鋪設PLA沙袋沙障的沙丘，迎風坡、坡頂、背風坡土壤粒徑分別比對照沙丘土壤粒徑大3.9%，21%，2.4%。

經過分析可知，飽和風沙流在攜帶沙粒遇到沙障阻礙時，風速減小導致風沙流不飽和，而粒徑較大的沙粒由于重力作用會落在沙障內，這樣就表現為有PLA沙障沙丘的土壤粒徑大于未鋪設沙障的對照沙丘。由于坡位不同，受風的影響不同，坡頂當風沙流經過迎風坡時受到抬升作用，風速有所削弱，粒徑較小的細沙會沉降在背風坡，因此沙丘在背風坡的粒徑要小于迎風坡和坡頂。

3.2.2 不同鋪設規格沙丘3個坡位的土壤粒徑比較分析 將1m×1m，2m×2m，3m×3m這3種規格沙障的不同坡位障內土壤粒徑取平均值，分別得到各鋪設規格沙障沙丘不同坡位的土壤平均粒徑，再分別與對照地進行比較分析后得到圖2，可以看出2m×2m規格在沙丘坡頂處對土壤粒徑影響最明顯。由圖2可看出，3種鋪設規格沙障沙丘坡頂的土壤粒徑都大于對照沙丘，1m×1m迎風坡土壤粒徑小于對照沙丘，3m×3m背風坡土壤粒徑小于對照沙丘。其中2m×2m無論在迎風坡、坡頂還是背風坡，土壤粒徑都大于對照。

經分析可知，沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯。由于沙障的影響，風沙流經過沙障帶時風速減小，粒徑較大的顆粒不再隨風移動，落在坡頂障內，導致坡頂土壤粒徑明顯大于迎風坡和背風坡；隨著風沙流的繼續運動，到達背風坡以后，由于風速的減小，攜沙能力也在減小，風沙流中較大粒徑的顆粒落到背風坡障內，同時又帶走了背風坡沙障內地表粒徑較小的沙粒，最終導致背風坡土壤平均粒徑小于迎風坡和坡頂，大于對照。

圖2 不同規格沙障在不同坡位對土壤粒徑的影響

3.3 PLA沙袋沙障障格內不同位置粒徑分析

3.3.1 PLA沙袋沙障障格內5點土壤粒徑總體分析 將所有沙障規格內相同位置的土樣粒徑取平均，可以看出，鋪設PLA沙障后障格內各位置土壤粒徑均較對照顯著增大（除二點處外），其中四點處變化最為明顯，比對照沙丘土壤粒徑大16%，一、三、五點處土壤平均粒徑比對照分別增大7.7%，4%，3.8%（見表1）。

表1 障格內不同位置土壤粒徑比較分析 mm

3.3.2 PLA沙袋沙障不同規格障格內5點土壤粒徑分析 將不同規格沙障障格內各點的所有土樣粒徑取平均，得到各規格內不同位置的土壤粒徑，再與對照沙丘土樣進行對比分析。由圖3可以看出，鋪設PLA沙障后，各規格沙障障格內在一點、四點、五點處土壤粒徑明顯增大，尤其2m×2m在四點更為明顯。在二點和三點處3種規格土壤粒徑都有減小。經分析可知，一點和四點在障格內處于相對背風的位置，當風進入沙障后，容易在這二點形成渦流，對粒徑較小的細粒吹蝕嚴重，而粒徑較大的沙粒容易在此沉積；二點和三點則處于相反的位置，各粒徑沙粒都容易受到風的影響；而五點位于沙障中心，是凹曲面形成的中心位置，土壤粒徑變化較大。由于障格內不同位置受風的影響程度不同，導致土壤粒徑變化不一致。由圖3可以看出風在吹向一點、四點之前受到了沙障的阻礙，此處粒徑較大的沙粒不容易被風搬運，而粒徑較小的顆粒則容易受到風的掏蝕，所以在這二點土壤粒徑增幅較大。

圖3 不同規格障格內不同位置土壤粒徑變化

3.4 PLA沙袋沙障障格內不同深度粒徑分析

3.4.1 PLA沙袋沙障障格內不同深度粒徑總體分析 將所有沙障內同一深度的土樣粒徑取均值后分析得出，由于土層深度不同，受風的影響程度不同，受沙障的作用也不同，鋪設PLA沙障后，0—11cm內土壤粒徑明顯變大。地表處土壤粒徑變化最為明顯，0—1cm內土壤粒徑比對照大16%。3cm以下變化減小，約比對照大12%。到11cm深度僅比對照大4.8%（圖4）。經分析可知，在近地表由于沙障對風的擾動作用較大，導致地表粒徑變化最明顯，其粒徑均大于對照沙丘；隨深度的增加，受風的影響逐漸減弱，因此下層土壤粒徑變化趨于穩定，其變化規律與對照沙丘幾乎相同，但是由于鋪設沙障的作用，其粒徑仍比對照大。

3.4.2 PLA沙袋沙障不同規格不同深度土壤粒徑分析 對各規格沙障內相同深度的土壤粒徑分別取平均，然后與對照沙丘相同深度的土壤粒徑進行對比分析，可以看出不同鋪設規格沙障對沙丘不同深度土壤粒徑的影響。

由圖5可以看出，鋪設不同規格沙障，不同土層深度土壤粒徑變化各異，鋪設沙障后，沙丘0—11cm內土壤粒徑均大于對照。其中2m×2m影響最明顯，在不同深度對土壤粒徑都有明顯改變，平均比對照高出14%。3m×3m在近地表處土壤粒徑變化較大，在3cm深處土壤粒徑略高于2m×2m。在3 cm以下土層，1m×1m和3m×3m沙障作用逐漸減弱，尤其1m×1m，在3cm以下粒徑僅比對照大1.2%，到11cm深處粒徑變化更是微乎其微。經分析知，PLA沙障2m×2m鋪設規格對土壤粒徑的影響最明顯，對0—11cm土層內其它深度土壤粒徑都有明顯的影響。

圖4 障格內不同深度土壤粒徑變化

圖5 不同規格沙障障格內不同深度土壤粒徑變化

4 結論

（1）不同規格PLA沙袋沙障對土壤粒徑均有不同程度的影響，沙障鋪設樣地土壤粒徑不同程度的增加，土壤深度不同，增加趨勢各異，在地表及近地表，土壤粒徑變化最大，較對照高出16%，隨深度增加，土壤粒徑變化相對穩定，大體趨勢與對照一致。3種沙障規格對土壤粒徑的影響效果2m×2m表現最明顯，3m×3m次之，1m×1m最小。

（2）沙袋沙障在坡頂對土壤粒徑影響較明顯，3種規格沙障沙丘坡頂的土壤粒徑均大于對照，2m×2m規格沙障沙丘迎風坡、坡頂、背風坡的土壤粒徑都大于對照樣地相應部位，1m×1m和3m×3m規格沙障隨坡位變化規律不是十分明顯。

（3）沙袋沙障障格內不同位置沙粒粒徑分布不同，障格迎風向第一拐角處土壤粒徑變化最大，障格中心，是凹曲面形成的中心位置，粒徑變化不是很大。

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