青土湖干涸湖底風(fēng)沙區(qū)植被特征與地表輸沙量關(guān)系

郭樹江, 楊自輝,3, 王強(qiáng)強(qiáng), 王多澤,王 飛, 樊寶麗, 張逸君, 李易珺, 王明國

(1.甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070; 2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 民勤 733300; 3.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地), 甘肅 武威 733000)

風(fēng)沙運(yùn)動是伴隨地表土壤風(fēng)蝕和沙塵暴出現(xiàn)的一種地表過程，會對生態(tài)環(huán)境與人類生存造成嚴(yán)重危害[1]。風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律是治沙理論基礎(chǔ)，它能直接表征沙粒的運(yùn)動形式，判斷地表蝕積狀況[2]。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于風(fēng)沙運(yùn)動的研究多通過數(shù)值模擬[3]、室內(nèi)風(fēng)洞模擬[4-6]或野外觀測[7-8]得出，并取得了一系列研究成果。風(fēng)沙運(yùn)動最普遍的形式就是風(fēng)沙流[9]，而植被狀況是下墊面中影響近地面風(fēng)沙流輸沙量的重要因素之一[10]，關(guān)于植被特征對風(fēng)沙運(yùn)動的影響，部分學(xué)者也開展了相關(guān)研究[11-14]，結(jié)果表明，植被可阻斷風(fēng)對植被所覆蓋地表的直接作用，降低近地表風(fēng)速，增加地表粗糙度，削弱風(fēng)沙流強(qiáng)度，減小就地起沙，降低風(fēng)沙流攜沙能力使沙粒沉積。

青土湖是石羊河流域下游的尾閭湖泊，在1959年完全干涸后，濕地植被演化為鹽堿化荒漠，成為新的沙塵暴起沙源[15-16]，在極端干旱的環(huán)境和惡劣的自然條件影響下，地表風(fēng)蝕和沙漠化嚴(yán)重，細(xì)小的鹽堿粉塵被卷入空氣中，嚴(yán)重影響著周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[17]。為了改善石羊河下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境，2010年石羊河上游來水量增加，干涸51 a之久的青土湖人工濕地逐步形成，對于調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持沙漠生態(tài)環(huán)境、保護(hù)生物多樣性、減小鹽堿沙塵對環(huán)境的污染、促進(jìn)沙區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活質(zhì)量起到了重要意義，但由于上游來水量有限、蒸發(fā)強(qiáng)烈、入滲補(bǔ)給地下水等因素，大面積湖床常年處于裸露狀態(tài)，鹽堿風(fēng)沙危害依然嚴(yán)重[18]。郭樹江等[19]對石羊河流域下游青土湖近地層0～50 m鹽塵的分布規(guī)律及風(fēng)速的變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明研究區(qū)年內(nèi)平均風(fēng)速最大為5月，最小為11月，鹽塵水平通量的空間分布隨高度的增加而增加。而對于青土湖干涸湖底植被特征與風(fēng)沙活動之間的關(guān)系并未進(jìn)行研究，因此開展該區(qū)植被特征與風(fēng)沙流輸沙量之間相互關(guān)系研究，既可闡明湖底風(fēng)沙區(qū)植物種群及群落的動態(tài)特征，還可以揭示不同立地條件風(fēng)沙流輸沙量與植被數(shù)量特征之間的關(guān)系。研究成果可補(bǔ)充和完善干涸湖底風(fēng)沙環(huán)境資料，并對內(nèi)陸河干涸尾閭湖泊風(fēng)蝕沙漠化形成機(jī)理具有重要的參考價值，同時也為湖底植物多樣性保育和鹽堿化荒漠治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青土湖位于石羊河流域下游，地理位置為39°08′N,103°35′E，海拔高度為1 292～1 310 m，該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊祷哪畾夂颉Ｄ昶骄鶜鉁貫?.8℃，大于10℃的有效積溫3 289.1℃;年降水量110 mm左右，蒸發(fā)量達(dá)2 640 mm以上;無霜期168 d，日照時數(shù)3 181 h，太陽輻射630 kJ/cm2;全年盛行西北風(fēng)，危害風(fēng)向主要為西北風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)勁，年均風(fēng)速4.1 m/s。區(qū)域地形地貌為湖相沉積基質(zhì)上相互交錯分布流動、半固定、固定沙丘和丘間低地，沙丘高度3～10 m。地帶性土壤為灰棕漠土，非地帶性土壤為草甸沼澤土和風(fēng)沙土。研究區(qū)白刺灌叢土壤可溶生鹽分含量達(dá)9.0 g/kg，流動沙地梭梭林含量為1.5 g/kg左右。植被類型為典型的荒漠植被，主要植被類型為唐古特白刺灌叢(Form.Nitrariatangutorum)、人工梭梭林(Haloxylonammodendron)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)群落和蘆葦群落(Form.Phragmitesaustralis)，白刺沙堆呈斑塊狀分布，面積相對較大，蘆葦群落主要分布在地下水位較淺的區(qū)域。草本植物有豬毛菜(Salsolacollina)，駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)，戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)，沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)，砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelinii)，碟果蟲實(shí)(Corispermumpatelliforme)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

青土湖自2010年上游來水量增加，湖底人工濕地逐漸形成，本研究只對湖底風(fēng)沙區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)、研究，而對于人工濕地區(qū)未進(jìn)行觀測。2018年9月對湖底風(fēng)沙區(qū)開展調(diào)查，湖底不同植被群落呈片狀集中分布，主要分布有天然白刺灌叢、人工梭梭林、天然鹽爪爪群落，各群落灌木植物優(yōu)勢種明顯，且每個植物群落立地條件差異明顯。因此根據(jù)植被群落類型和立地類條件，將研究區(qū)內(nèi)劃分為9個類型，分別為流動沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢(丘間地和沙包表面完全被鹽結(jié)皮覆蓋)、穩(wěn)定沙丘白刺灌叢(位于濕地區(qū)下風(fēng)向，無沙源補(bǔ)充，丘間地和沙包表層砂粒較粗，沙包表面結(jié)皮覆蓋少)、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落、荒地鹽爪爪群落、湖底灘地(表1)，樣地的選擇中在每種類型中心區(qū)域沿主風(fēng)向每隔100 m設(shè)置10 m×10 m的植被調(diào)查樣方3個，共設(shè)置樣方27個，調(diào)查植物群落植物種類、數(shù)量、株高、冠幅、新梢生長量，并計(jì)算密度、各種植物蓋度、多樣性指數(shù)等。同時測定并記錄各樣地經(jīng)緯度等。

表1 觀測樣地基本情況

2.2 風(fēng)沙流的觀測方法

在研究區(qū)9種立地類型，每種類型設(shè)置觀測樣地2個，在每個樣地中選擇地勢平坦，四周無明顯遮擋物的位置安裝風(fēng)沙流流量計(jì)1套開展觀測，分別在2018年12月5日—2019年1月3日,2019年1月3日—2月27日,2019年2月27日—3月19日,2019年3月19日—4月16日,2019年4月16日—5月15日,2019年5月15日—6月15日,2019年6月15日—7月15日分別采集了樣品，并帶回實(shí)驗(yàn)室在105℃條件下烘12 h后進(jìn)行稱重。本研究風(fēng)沙流輸沙量測定利用甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站研制的“風(fēng)沙流流量計(jì)”(專利號:ZL2006110105285.0)收集近地表0—50 cm高度內(nèi)的風(fēng)沙流，采集沙樣烘干后稱量。風(fēng)沙流在強(qiáng)風(fēng)的作用下向下風(fēng)向堆積搬運(yùn)，危害性大，與防沙措施關(guān)系密切，通過對不同立地地表流輸沙量的觀測和對比分析，研究不同立地條件地表輸沙量與植被特征之間的關(guān)系，確定湖底鹽塵的主要起塵區(qū)及其影響地表輸沙量主要植被特征因素，為湖底植被恢復(fù)和鹽塵的防治提供技術(shù)支撐和理論參考。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel軟件分析和統(tǒng)計(jì)野外采集的各樣方的數(shù)據(jù)，計(jì)算蓋度、密度、多樣性指數(shù)、及均勻度指數(shù)，利用SPSS 17.0進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，Origin 2017繪制變化圖。

2.4 物種多樣性測度

利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(D)來全面地反映群落或生境的物種結(jié)構(gòu)信息及組成的復(fù)雜程度的高低;用Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(H′)來表征群落或生境遭破壞后修復(fù)能力和對抗干擾能力的強(qiáng)弱;用Pielon均勻度指數(shù)(E)來反映物種分布情況。其計(jì)算公式分別為:

(1) 物種多樣性指數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(2) 均勻度指數(shù)(Jsw)計(jì)算公式為:

Pielou指數(shù):E=H′/lnS

(3)

式中:S表示樣地各層次物種的數(shù)目;pi表示整個群落總體中第i種的個數(shù)與物種總個數(shù)之比。

3 結(jié)果與分析

3.1 干涸湖底風(fēng)沙區(qū)植被特征

3.1.1 植被數(shù)量特征 對湖底植物群落的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，研究區(qū)群落稀疏，建群種單一，植被覆蓋度低。在調(diào)查的27個樣方中，灌木層植物4種，隸屬4科4屬;草本層植物11種，隸屬4科11屬。主要為唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、梭梭(Halxylonammodendron)、蘇枸杞(Lyciumruthenicum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum));草本植物包括:沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)、蝶果蟲實(shí)(Corispermumpatelliforme)、阿拉善堿蓬(Suaedaprzewalskii)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、畫眉草(Pugioniumcornutum)、砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelini)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)。研究區(qū)平均蓋度14.90%，其中灌木層蓋度最高為固定沙丘白刺灌叢22.86%，其次為穩(wěn)定沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、鹽堿沙地梭梭林、流動沙地梭梭林、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、湖底鹽爪爪群落，最小為湖底灘地僅為0.04%。草本層蓋度最大為流動沙地梭梭林為41.07%，其次為穩(wěn)定沙丘白刺灌叢7.56%，其他類型草本蓋度均很小。而灌木個數(shù)較多的僅為固定沙丘白刺灌叢和荒地鹽爪爪群落。穩(wěn)定沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林種群密度較大。

表2 湖底不同群落、立地植被數(shù)量特征

3.1.2 植物群落物種多樣性特征 物種多樣性是表征生物群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的重要指標(biāo)[20]，體現(xiàn)了群落結(jié)構(gòu)類型、組織水平、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度和生境差異，反映了生物群落在組成、結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)等方面的異質(zhì)性。本文采用多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)來描述不同植物群落的特種多樣性特征。

通過對不同立地條件各植物群落的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)及均勻度平均值作圖，比較其差異性。從圖1可以看出，隨著生境和地理位置變化，各植物群落表現(xiàn)出不同的多樣性特征。物種豐富度最高為穩(wěn)定沙丘白刺灌叢，其次為半固定沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林，最小為湖底鹽爪爪群落;通過對研究區(qū)不同立地條件下植被物種多樣性指數(shù)的計(jì)算，9種立地類型Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H′)中固定沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢多樣性指數(shù)較高，而湖底鹽爪爪群落、半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林多樣性指數(shù)較低。而均勻度指數(shù)則表現(xiàn)為固定沙丘白刺灌叢、流動沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、鹽堿沙地梭梭林相對均勻。Simpson指數(shù)湖底灘地、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落之間存在顯著差異(p<0.05)，而湖底灘地、荒地鹽爪爪群落與穩(wěn)定白刺群落之間也存在顯著差異(p<0.05)。Shannon-wiener指數(shù)表現(xiàn)為流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、湖底灘地、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落、穩(wěn)定沙丘白刺灌叢之間存在顯著差異(p<0.05)，且湖底灘地、荒地鹽爪爪群落與流動沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落存在顯著差異(p<0.05)。Pielou指數(shù)中流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢、湖底灘地與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪、穩(wěn)定沙丘白刺灌叢之間存在顯著差異(p<0.05)。

圖1 不同立地條件物種多樣性變化特征

3.2 不同立地類型風(fēng)沙流輸沙量變化特征

青土湖干涸湖底植被稀疏，植物種單一，不同立地類型輸沙量也存在一定差異(圖2)，而且變化幅度也不一致。測定了9種立地類型地表輸沙量，通過對觀測數(shù)據(jù)整理分析，結(jié)果顯示，在2018年12月5日至2019年7月15日期間，在單位寬度(1 m),50 cm高度的斷面上平均輸沙量從大到小依次為:湖底灘地>湖底鹽爪爪群落>流動沙丘白刺灌叢>荒地鹽爪爪群落>鹽堿沙地梭梭林>半固定沙丘白刺灌叢>流動沙地梭梭林>穩(wěn)定沙丘白刺灌叢>固定沙丘白刺灌叢。湖底灘地在觀測試驗(yàn)期內(nèi)，累計(jì)輸沙量達(dá)2 808.2 kg/m，湖底鹽爪爪群落為2 388.2 kg/m，流動白刺灌叢為2 281.6 kg/m，且4月中旬至5月中旬輸沙量明顯高于其他監(jiān)測時間段。經(jīng)方差分析顯示，湖底灘地、湖底鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢輸沙量與其他6種立地類型輸沙量存在顯著差異(p<0.05)。

圖2 不同立地類型0-50 cm高度風(fēng)沙流輸沙量變化

3.3 風(fēng)沙流輸沙量與植被各數(shù)量特征之間關(guān)系分析

下墊面性質(zhì)決定了近地面風(fēng)沙流輸沙量，而植被狀況是下墊面中影響風(fēng)沙流的重要因素之一[10]。

利用湖底不同立地類型植物數(shù)量特征值與輸沙量進(jìn)行了相關(guān)分析，表3為不同立地類型輸沙量、灌木蓋度、草本蓋度、總蓋度、豐富度、灌木數(shù)、密度、平均高、Shannon-wiener指數(shù)(H′)、Simpson指數(shù)(D)、Pielou指數(shù)(E)之間相關(guān)系數(shù)表。分析結(jié)果顯示，平

表3 風(fēng)沙流輸沙量與植被各數(shù)量特征之間相關(guān)系數(shù)

均輸沙量與灌木蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，與總蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被總蓋度與草本層蓋度呈正相關(guān)關(guān)系。湖底僅有流動沙地梭梭林、穩(wěn)定白刺灌叢草本層蓋度較大，而植物數(shù)量特征指標(biāo)中影響輸沙量最顯著的是灌木層蓋度，表明植被蓋度越大輸沙量越低。

4 討 論

在干旱區(qū)干涸湖底影響植被群落的諸多因素中，土壤鹽分是影響物種多樣性的決定性因素之一[21]，青土湖屬于干涸鹽湖，多為耐鹽植物構(gòu)成的單優(yōu)勢種群落，通過測定流動沙丘白刺灌叢含鹽量達(dá)到9.0 g/kg，湖底土壤含鹽量高是湖底植被稀疏、植物群落結(jié)構(gòu)簡單、物種多樣性低的重要影響因素。通過對青土湖湖底2018年12月至2019年7月風(fēng)沙流輸沙量數(shù)據(jù)的分析，湖底4月、5月、6月地表0—50 cm高度風(fēng)沙流輸沙量較高，說明研究區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動活躍期存在季節(jié)性分布，主要發(fā)生在春末夏初時間段，這與青土湖湖底風(fēng)速呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化特征且年內(nèi)較大風(fēng)速分布在4—6月[19]有密切關(guān)系。其次，研究區(qū)降水甚少，植被稀疏，春季地表異常干燥松散，抗風(fēng)蝕能力很弱，在較在風(fēng)力條件下地表更容易形成風(fēng)沙流。

通過對青土湖干涸湖底9種不同立地類型植被特征和地表風(fēng)沙流平均輸沙量的監(jiān)測，并進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明平均輸沙量與灌木蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與總蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與草本層蓋度相關(guān)性不顯著，這主要是由于草本層植被在干旱區(qū)4—6月才開始萌發(fā)、生長，或在降雨少的年份，未能萌發(fā)，而在風(fēng)季4—6月草本層植被未能發(fā)揮較大的防風(fēng)固沙效能。而物種豐富度與輸沙量的關(guān)系不顯著，主要原因是湖底植物種類少，物種豐富度低，特別是每個植物群落中灌木植物數(shù)量少，且優(yōu)勢種明顯，因此豐富度對輸沙量影響較小。在試驗(yàn)區(qū)9種類型中雖然不同立地條件植物種平均高度差異性較大，但是人工梭梭林、白刺灌叢、鹽爪爪植物群落物種高度與地表輸沙量相關(guān)關(guān)系不顯著，是由于湖底大面積人工梭梭林造林后地表還處于流動狀態(tài)，風(fēng)蝕較為嚴(yán)重。

研究結(jié)果表明青土湖干涸湖底灌木層植被發(fā)揮著重要的防風(fēng)固沙效能，灌木層蓋度的增加顯著影響了風(fēng)沙流輸沙量變化。這一研究結(jié)果與韓旭嬌[22]、汪季[11]、余沛東[23]、董治寶[24]、邢恩德[25]、劉芳[26]等研究的在相同風(fēng)速條件下，植被蓋度是影響風(fēng)沙流輸沙量的重要影響因素的結(jié)論是一致的，但是本研究分析結(jié)果表明灌木層蓋度大小是影響湖底地表風(fēng)沙流輸沙量的主要因素之一，比上述研究結(jié)果更進(jìn)了一步。

5 結(jié) 論

青土湖干涸湖底風(fēng)沙區(qū)植被覆蓋度較低，建群種單一，灌木層植物4種，隸屬4科4屬;草本層植物11種，隸屬4科11屬。各立地類型物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)波動變化特征且存在差異性。受風(fēng)速的季度分布特征影響，青土湖干涸湖底地表風(fēng)沙活動危害主要集中在4—6月，期間地表風(fēng)沙流輸沙量較大。在9種立地類型中，湖底灘地累計(jì)輸沙量最大，次之為湖底鹽爪爪群落和流動沙的白刺灌叢。

植被蓋度是影響地表輸沙量的重要影響因素，本研究結(jié)果表明青土湖湖底灌木層蓋度與平均輸沙量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而草本層蓋度與輸沙量相關(guān)性不顯著，因此灌木層蓋度是影響青土湖湖底地表風(fēng)沙流風(fēng)蝕、堆積的重要因素之一，對草本層植被蓋度影響較小。

在干旱區(qū)干涸湖底土壤鹽分是影響物種多樣性的決定性因素之一。隨著石羊流域綜合治理工程的實(shí)施，青土湖內(nèi)蘆葦濕地面積逐年增加，但是部分區(qū)域仍然被沙丘和鹽堿風(fēng)沙土覆蓋，鹽堿化問題嚴(yán)重，造成大部分植被不能生長，風(fēng)沙危害依然存在。在下一步的觀測研究中將對湖底風(fēng)沙區(qū)土壤鹽分含量對植被群落變化和鹽堿風(fēng)沙土運(yùn)動的影響進(jìn)一步開展相關(guān)研究。