沙袋沙障對流動沙丘地表風沙及植被恢復的影響

袁立敏， 高 永， 汪 季， 閆德仁， 胡生榮， 張興源， 吳 昊

(1.內蒙古農業大學 生態環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010018； 2.內蒙古自治區林業科學研究院， 內蒙古 呼和浩特010010； 3.內蒙古自治區環境工程評估中心， 內蒙古 呼和浩特 010011； 4.內蒙古興安盟氣象局， 內蒙古 烏蘭浩特 137400)

沙漠化地區干旱、風沙盛行，土壤貧瘠，植被種類稀少且覆蓋度較小，惡劣的自然環境造成區域植被修復及治理任務難度較大。據第4次全國荒漠化和沙化監測結果顯示[1]，截至2009年底，全國沙化土地面積為173.11 km2，占國土總面積的18.03%，與2004年相比，中國沙化土地面積凈減少8 587 km2，年均減少1 717 km2，絕大部分省(自治區、直轄市)沙化土地面積均有不同程度的減少。中國土地沙化整體得到初步遏制，沙化土地面積持續減少，但是局部地區仍在擴展，沙化土地治理任務依然不容忽視。

目前，機械沙障在沙漠化治理中起到了無可替代的作用，特別是在風大、流沙強烈、植被措施無法單一實施的沙區，機械沙障已經成為一種非常實用、有效的治沙措施。例如常見的機械沙障主要有柳條沙障、麥草沙障、黏土沙障及礫石沙障等，相關研究[2-9]認為，不同類型沙障有不同的防護效果，并且同種類型沙障如果工程尺度或規格不同，其產生的防護效果也存在較大差異。沙袋沙障屬于低立式沙障，以方格狀平鋪于裸露沙地上，該類型沙障可增加地面粗糙度，消耗過境近地表氣流或風沙流動能，從而降低氣流挾沙能力，可有效地阻止地表流沙產生，使沙丘表層結構穩定[10]。對沙袋沙障防護效益等方面的研究很少[8,11-13]，為此，本研究從沙袋沙障對風與風沙流及植被恢復影響角度出發，比較研究了3種規格沙袋沙障的防風效能、粗糙度、0—30 cm輸沙率及植被生長差異。旨在了解裸露沙丘受到沙障保護固定后其植被恢復情況，以期為沙袋沙障在沙區植被恢復中推廣利用提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于庫布齊沙漠東北緣，達拉特旗轄區，地理坐標為北緯40°21′30″—40°22′30″，東經109°50′30″—109°51′50″。屬中溫帶大陸性季風氣候，年降水量240～360 mm，年蒸發量2 160 mm，年均氣溫6.1～7.1 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-34.5 ℃，無霜期130～140 d，8級以上大風日數27 d，揚沙日數多達58 d，一般出現在3—5月，年平均風速3.3 m/s，最大瞬時風速可達30 m/s。在該區分布大量的流動沙丘和半固定沙丘，固定沙丘主要有北沙柳(SalixpsammophilaC. Wang et Ch. Y. Yang)、黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)、蟲實(CorispermumhyssopifoliumL.)、沙蓬(AgriophyllumsquarrosumMoq.)、沙鞭〔Psammochloavillosa(Trin.)Borx.〕及豬毛菜(SalsolacollinaPall.)等沙生植被。土壤以栗鈣土、灰漠土、風沙土為主。

2 研究方法

2.1 沙障材料

沙袋沙障外層包裝材料是由聚乳酸纖維(PLA纖維)紡織而成，在自然狀態下類似于袖筒，內徑5～6 cm，材料顏色為白色。PLA纖維材料彈性較強，自然狀態下，灌沙后橫切面直徑可達9～10 cm。為運輸方便，成品材料170 m為一卷，可根據布設需要，用剪刀即可裁剪適當長度。

2.2 沙袋沙障設置

2011年5月在研究區選擇高度為4～6 m，西北走向，大小相似的4個流動沙丘進行PLA沙袋沙障(簡稱沙袋沙障)設置。其中1個沙丘不做任何處理(對照)；在3個沙丘的迎風坡中部分別進行1 m×1 m， 2 m×2 m和3 m×3 m方格狀設置，鋪設面積分別是40 m×18 m， 40 m×20 m和42 m×24 m。

2.3 風沙測定

沙袋沙障布設完畢后，分別在3規格沙袋沙障樣地內架設HOBO風速儀，在沙障方格內中心點設置風杯架，設置風杯高度5個，分別為10，30，50，100和200 cm。同時在對照沙丘對應位置進行相同設置。在大風天氣對沙袋沙障樣地及對照沙丘同時進行測定，數據時間間隔為2 s，測定時間段為30 min，重復3次。

風速風向測定完畢后，將階梯式集沙儀放于風速儀附近(不受風速儀遮擋等影響)進行沙樣采集，采集高度30 cm，共15層，集沙口為方形寬2 cm，集沙儀進沙口與主風向垂直，底部與地面平齊。在對照沙丘相同設置，進行同步采集。記錄采集開始時間，測定時間為10 min，記錄結束時間，重復3次。觀測結束后，將集沙儀的集沙量進行分層稱重。

2.4 指標計算

(1)防風效能采用以下公式[14]計算：

Eh=(Vh1-Vh2)/Vh1×100%

式中：Eh——沙障樣地內高度為h處防風效能(%)；Vh1——對照沙丘高度為h處平均風速(m/s)；Vh2——沙障樣地內高度為h處平均風速(m/s)。

(2)粗糙度Z0采用以下公式[14]計算：

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

式中：Z0——地表平均粗糙度(cm)；Z1，Z2——地面同一位置，不同高度，分別為10和200 cm；A=u2/u1〔u1——高度為Z1處風速(m/s)，u2——高度為Z2處風速(m/s)〕。

2.5 植被調查

2012年9月，在鋪設3種規格沙袋沙障的沙丘迎風坡分別隨機選取5個沙障方格對植被種類、數量、植株密度、平均高度、平均蓋度等進行調查。設置樣方面積與沙障方格面積相等，即在3種規格沙障中調查樣方大小分別為：1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m。相關指標的計算公式：

植株密度=個體數目/樣方面積

植被蓋度=底面積或覆蓋面積總值/樣方面積×100%

3 結果與分析

3.1 沙袋沙障防風效益

3.1.1 防風效能比較 對鋪設沙障和對照沙丘的迎風坡不同高度處風速分別進行平均，并通過公式計算3種規格沙障10，30，50和100 cm處防風效能，結果如圖1所示。風速風向測定時，為西北風。

圖1 3種規格沙袋沙障樣地不同高度處防風效能

注：不同大寫字母表示3種規格沙袋沙障對風速效能的影響差異顯著程度(p<0.05)； 不同小寫字母表示同規格沙障對各高度處防風效能的影響差異顯著程度(p<0.05)。

從圖1中可以看出，3種規格沙袋沙障的防風效能順序為：1 m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m。1 m×1 m規格沙袋沙障防風效能各高度平均值為11.16%，2 m×2 m沙袋沙障為7.63%，3 m×3 m沙袋沙障為6.99%。經單因素方差分析，1 m×1 m規格沙袋沙障防風效能與2 m×2 m和3 m×3 m規格的差異顯著(F=12.68，p<0.05)，2 m×2 m和3 m×3 m規格之間差異不顯著(F=0.58，p=0.60)。另外，隨著高度的增加，3種規格沙袋沙障的防風效能均呈現逐漸降低的趨勢。3種規格沙障樣地10，30，50及100 cm這4個高度處的防風效能平均值分別為20.70%，9.28%，3.88%和1.51%，沙袋整體防風效能均值為8.84%，在10和30 cm高度處防風效能高于整體平均值；在10 cm高度處3種規格沙障防風效能相比，1 m×1 m比3 m×3 m的高47.33%，2 m×2 m的比3 m×3 m的高2.83%；在30 cm高度處，1 m×1 m和2 m×2 m規格沙障的防風效能比3 m×3 m的高23.13%和10.97%，但是在30—100 cm高度處，3種規格沙障防風效能無顯著差異。防風效能是近地表風速強度變化的直觀指標之一，人們能夠利用其大小快速評判沙袋沙障對氣流的削弱能力。沙袋沙障對10 cm高度處防風效能的影響最大，這決定于其本身裸露在沙表面的高度。沙袋沙障灌裝完畢放置于松軟沙表上，其裸露高度僅為5—6 cm，只能起到控制風蝕基準面不變，促使沙丘地表穩定的作用，而對較高處的氣流或風沙流的阻擋不起作用。

3.1.2 粗糙度比較 粗糙度是表征下墊面粗糙程度，衡量防風固沙效益的重要指標。沙袋沙障主要設計原理之一就是提高流沙墊面的粗糙度，從而削弱吹向地表的氣流或風沙流強度。本試驗以200和10 cm高處風速值計算得出沙袋沙障和對照沙丘地表粗糙度(圖2)。

圖2 3種規格沙袋沙障樣地及對照粗糙度

從圖2中可以看出，隨著沙障規格的增大，地表的粗糙程度顯著降低，但是均明顯高于對照的。1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m規格沙袋沙障粗糙度分別比對照的高91.31%，78.88%和76.26%，3者與對照相比差異極顯著(F=30.96，p<0.001)。1 m×1 m規格沙障粗糙度與2 m×2 m和3 m×3 m的差異顯著(F=43.44，p<0.005)，而2 m×2 m和3 m×3 m規格沙障粗糙度之間差異不顯著(F=2.21，p=0.28)。沙袋沙障裸露于沙表，使原本光滑的沙表面凸凹不平，地表粗糙程度增大。并且不同規格方格沙障[15]，不論其是何種材料，經過一定時間、一定強度氣流吹蝕后，便會在沙障方格內形成凹曲面，而且這種地表結構更加穩定。沙袋沙障經過幾次大風之后，1 m×1 m規格沙障形成的凹曲面較深，地表凸凹程度加大，粗糙度增大，從而導致其對地表氣流擾動及阻礙作用增強[16]。

3.2 沙袋沙障對風沙流結構的影響

在同一時間內對1 m×1 m，2 m×2 m，3 m×3 m和對照沙丘樣地內0—30 cm高度的輸沙量進行采集，采集時間10 min，2 m高度處的平均風速為7.1 m/s，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，對照沙丘0—30 cm高度處輸沙率遵循指數函數變化，隨著采集高度的增大，輸沙率呈現逐漸遞減的趨勢，在0—10 cm內，輸沙率遞減趨勢顯著(F=374.64，p<0.001)，在11—30 cm內，輸沙率遞減趨勢減弱(F=1.26，p=0.32)。沙袋沙障防護下沙丘0—3 cm高度輸沙率也呈現遞減趨勢，在10—30 cm內呈現平緩變化趨勢。

圖3 3種規格沙袋沙障與對照(0-30 cm)輸沙率

沙丘鋪設沙障后，其0—30 cm輸沙率與對照沙丘呈現相同的變化趨勢，都是先減小后變平緩，布設沙袋沙障后沙丘輸沙率在3 cm高度處輸沙率已經開始趨于平緩，裸沙丘輸沙率在15 cm高度處才開始趨于平緩。

從圖3中還可以看出，沙袋沙障防護沙丘0—30 cm各層輸沙率均在0.2 g/(min·cm2)以下，每層輸沙率均顯著小于對照(F=4.29，p<0.005)，說明沙袋沙障能夠有效改變地表0—30 cm風沙流結構，并顯著降低了沙粒在氣流中的含量。在地表0—2 cm輸沙率相對較多，是由于沙粒的躍移和蠕移導致，而隨著高度的增加，上層懸移沙粒數量逐漸減小。3種規格沙袋沙障相比，1 m×1 m規格沙袋沙障對30 cm高度內的輸沙率影響程度最大，2 m×2 m次之，3 m×3 m最小(F=10.04，p<0.01)。規格越小，單位面積內出現的沙袋沙障數量越多，對近地表氣流或風沙流有連續的阻礙作用，大大降低了氣流強度，使進入空中的沙粒相對數量減少，最終達到風過而不起沙的效果。

3.3 沙袋沙障防護區植被恢復情況

沙袋沙障對氣流或風沙流能夠產生有效的阻擋，較大程度地降低了流沙表面的風蝕程度，使土壤表層結構穩定，為植被的生長與存活提供了適宜的土壤環境，所以沙袋沙障對植被的恢復也有一定的促進作用。在沙袋沙障鋪設1 a后(2012年6月)，沙障方格內已經有大量的沙蓬(AgriophyllumsquarrosumMoq.)、黑沙蒿、蟲實與豬毛菜等生長。對沙袋沙障和對照沙丘的植被種類、密度、高度和蓋度數據分別進行調查，各項指標的平均值見表1。

表1 3種規格沙袋沙障和對照沙丘各項植被指標

從表1可以看出，鋪設沙袋沙障的沙丘的平均植物種數、高度、密度及蓋度均高于對照沙丘，說明沙障對植被的恢復有一定促進作用。與對照相比，沙袋沙障樣地植物種類比對照多一種，平均高度、密度和蓋度分別比對照的高91.5%，71.1%和125.4%。說明裸沙丘在沙袋沙障防護一段時間后，在自然降雨條件下，沙生植物種子在結構相對穩定的沙土中會很快萌發生長。沙袋沙障屬于平鋪式沙障，主要是防止地表遭到風蝕，對過境風沙流中攜帶沙粒的攔截效果較差。在一般情況下，防護區內很少出現積沙。且經過一段時間氣流作用后最終會形成一種平衡狀態，即在氣流(或風沙流)經過沙丘表面時，由于沙障的阻礙作用，在沙障方格內部會產生旋渦，每個沙障方格先遭到風蝕，經過幾場大風后，方格內最終會形成光滑穩定的凹曲面[17]，只有形成凹曲面，沙丘地表結構才會穩定[15]，從而為植被的生長提供了一個穩定的基質條件。

調查中發現，1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m這3種規格沙袋沙障植物種均為沙米、蟲實、豬毛菜和油蒿，而在對照沙丘上沒有發現油蒿生長；且隨著沙袋沙障規格的增大，植被高度呈現逐漸增大的趨勢，3種規格沙袋沙障植被平均高度分別比對照的高76.0%,85.3%和113.3%，3 m×3 m沙袋沙障的植被高度達到了16.0 cm；3種規格沙袋沙障植被密度分別比對照的高37.3%，88.0%和88.0%；隨著沙障規格的增大，植被蓋度也出現增大的趨勢，2 m×2 m和3 m×3 m均比1 m×1 m的高23.6%,56.1%；3者均比對照的高78.1%，120.1%和178.1%。沙障的規格不同，其防護效果也會出現差異[5,18]。3 m×3 m沙袋沙障防護沙丘植被長勢最好，2 m×2 m次之，1 m×1 m的最差，但是均顯著高于對照。1 m×1 m沙袋沙障的穩定性較差，形成的凹曲面障間蝕積系數最大，迎風坡達到1/10.1[16]，原來存在流沙表土中的沙生植物種子也被氣流吹蝕，隨沙粒而去，而過境的沙粒及種子等無法在沙障方格內堆積，造成植被種子數量急劇減少。另外，規格越小單位面積內沙袋個數較多，所以對過境氣流的擾動也越頻繁，并對植被生長造成影響，致使植被長勢較差。

4 結 論

(1)沙袋沙障能夠有效提高防風效能，在0—30 cm高度處防風效能提高程度顯著，隨著高度的增大，防風效能呈現遞減的趨勢，到100 cm處，平均防風效能僅為0.84%。沙障規格不同，防風效能也存在差異，3種規格沙袋沙障防風效能順序為：1 m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m。

(2)地表粗糙程度隨著沙障規格的增大也呈現顯著降低趨勢。1 m×1 m，2 m×2 m和3 m×3 m規格沙袋沙障地表粗糙度分別比對照高91.31%，78.88%和76.26%，2 m×2 m和3 m×3 m規格沙障粗糙度差異不顯著。

(3)沙袋沙障能夠有效減小0—30 cm輸沙量，各層輸沙率均在0.2 g/(min·cm2)以下，每層輸沙率均顯著小于對照。3種規格沙袋沙障相比，1 m×1 m規格沙袋沙障對30 cm高度內的輸沙率影響程度最大，2 m×2 m次之。

(4)沙袋沙障對植被的恢復也有一定的促進作用，植被平均高度、密度和蓋度分別比對照的高91.5%，71.1%和125.4%。隨著沙袋沙障規格的增大，植被各指標呈現逐漸增大的趨勢。

沙袋沙障設置后，地表先遭受風蝕，經過一段時間沙面最終達到穩定狀態。為沙生先鋒植被的生長提供了保障，經過沙障和沙生先鋒植被的防護，又可以為多年生植被的入侵發展提供適宜生長條件。如果能夠得到沙袋沙障長時間的防護作用，植被多樣性、植被植株長勢均會得到顯著提高，也為沙區后期人工造林等措施的實施提供良好的基礎。所以，沙袋沙障的應用將會提高流動沙丘植被建植與恢復的成功率。

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