我国沙坡头地区固沙工程实施后的灌木演替规律

我国沙坡头地区固沙工程实施后的灌木演替规律

张钰 1 曹瑞洋 2 林润峰 3 刘悦如 4

1. 中央民族大学，北京市 100081 2. 山东省济钢高级中学，山东济南 250100 3. 山东省第五十八中学，山东青岛 266000 4. 青岛蒙诺学校，山东青岛 266000

摘要 灌木种植作为防风固沙最重要的环节之一，其随时间的演替规律在人工治理中成为研究重点。本项目以我国包兰铁路沙坡头地段不同年限人工植被防护体系作为研究对象, 以空间替代时间，通过样方法与实地调查法对灌木在人工固沙不同时间点的演化情况进行分析。研究表明: 该区灌木植被经过60多年来的演化，灌木种类逐渐丰富，覆盖度呈现先增加后减少的趋势；同时得出人工固沙前期效果良好的灌木种类，可为灌木植物树种的选择提供科学的数据支持，为其他地区沙化治理提供数据。

关键词：沙坡头、人工固沙、灌木演替规律、优势灌木种群

引言

在我国干旱及半干旱地区，近4亿人口受到荒漠化的危害。荒漠化作为生态环境发生严重退化的重要反映，其危害性主要表现在对社会、经济和生态的影响三方面^[1] 。因此，实现地区经济和生态环境可持续发展的关键在于荒漠化防治。利用人工植被进行沙害防治在我国已有60多年的历史，实践证明，人工固沙能够有效遏制沙漠化的发展、减轻风沙危害和促进局地生境恢复，是沙区生态重建和沙害防治最为有效的方法之一。而灌木植物因其具有很强的抗旱能力，且地上多分枝的茎与近地树冠具有很强的防风固沙和保持水土能力，成为人工固沙措施中广泛采用的植物种^[2]。宁夏中卫沙坡头地区是风沙危害的主要防治区，该地区人工固沙是我国沙漠治理的成功典范，其对于草方格内生物结皮形成与发展趋势已有诸多研究成果，但针对于灌木种的演变规律目前少有发现。通过对沙坡头地区人工固沙措施实施后不同年限样地的灌木有代表性的生物量特征进行研究，不仅可以进一步得知该地区人工植被中灌木种的变化趋势和可持续发展能力，分析得出固沙工程实施前应选择的灌木树种，同时对其他干旱半干旱地区人工固沙工程也具有重要的参考价值。因此，本项研究既有重要的学术研究价值，也可以为我国西北地区沙漠化治理中植物树种的选择提供科学的数据支持，对于生态环境建设具有重要的现实意义。

1. 材料与方法

1.1. 研究区概况

研究区位于宁夏中卫县境内的沙坡头地区，地处腾格里沙漠东南缘（37°27′N , 104°57′E），海拔1300-1500 m，属于中国沙漠带与荒漠草原带交接处，也是沙漠与绿洲的过渡区，属温带大陆性气候，具有干旱少雨、蒸发强烈、冷热温差大、光照充足、风大沙多等特点，年平均降水量在186.6mm，年蒸发量在3000mm，风向多为西北风，当地天然植被以花棒等为主。为了保证包兰铁路顺利通车，有效遏制风沙，防止沙化进一步扩张，1956年沙坡头地区成为重点治沙地区，中国科学院和有关单位建立了“以固为主，固阻结合”的防护体系(赵兴梁, 1988 )：（i）在流动沙丘上垂直于主风的方向扎设机械阻沙栏； (ⅱ) 在阻沙栏后面扎设1 m ×1 m的麦草方格作为固沙屏障, 在无灌溉条件下栽植柠条(Caragana korshinskii Kom)、油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)、花棒等为主的旱生灌木(2 年生幼苗), 其株距与行距为 1 m×2 m 或 2 m×3 m；(ⅲ) 分别于1964， 1973，1982 和 1992 年采用同样的模式和方法, 沿铁路两侧全长16 km的区域进行植被固沙. 不同年代固沙植被带平行分布于铁路两侧, 形成了位于铁路北侧宽为 500-1000 m, 南侧宽为 200-1000 m的植物固沙防护带^[3]。人工植被建立后经过60余年的演变，形成了稳定植被群落，不仅阻止了风沙对铁路的危害, 该区的生态环境也得到改善。

1.2. 样地介绍

本研究分别选取流沙区、1987 年人工固沙区、1956 年人工固沙区三种地区作为采样地点。

流沙区以格状新月形沙丘为主，沙丘高大，由由西北向东南倾斜，迎风坡向西北，坡度约为5 ～10 °，背风坡朝向东南，坡度约为30 ～32 °^[4]。沙丘多为细沙，呈裸露状态，偶有花棒零星分布，覆盖度仅为1 %，该种沙丘是人工固沙的主要研究对象，本研究选其作为人工固沙前样地。

1987 年人工固沙区草本植物与生物结皮出现，灌木植物种类增多，除花棒外，柠条及油蒿出现且幼苗数量较多，灌木覆盖度达到5 %。

1956年人工固沙区植株密度高，草本植物普遍。灌木种类无明显变化，但密度降低，少有灌木幼苗出现，高大灌木多呈枯死状态，灌木覆盖度为3 %。

1.3. 调查方法与指标

本项目采用空间代替时间的研究方法，在不同人工固沙年限区域采集样本，以此模拟灌木植物随时间演变，研究数据采用实地调查法以及样方法获得，在不同年限的人工固沙区（流沙区、1987 年人工固沙区、1956 年人工固沙区）内选择典型的迎风坡设置样方（10 m ×10 m），每种样区3 个样方，共9 个样方。调查灌木植物种类组成及特征，包括种类、数量、基径、高度、冠幅（十字相乘法量得）和盖度，条件允许时每种灌木各取3 个样本。

1.4. 作图与分析

通过对原始数据的处理，Excel作图得到以下图表。

1.4.1 不同种类灌木数量变化规律

图1 不同种类灌木数量变化规律

由图1可知，固沙前（流沙区样地）灌木种类仅有花棒出现，且数量极少，不同固沙年限数量呈现出先上升后缓慢下降的趋势；油蒿及柠条均在固沙后32年样地出现，且油蒿为灌木群落优势种群；固沙后63年样方中，油蒿较固沙32年样地数量呈现下降趋势，柠条数量缓慢增加，但油蒿仍为优势种群。

1.4.2 不同种类灌木基径变化规律

图2 不同种类灌木基径变化规律

固沙前唯一灌木植物花棒基径为39.97 mm，随着固沙年限的增加，花棒基径呈现减小趋势；固沙后32年样地出现的油蒿及柠条随着固沙年限的增加，整体也呈现出减小趋势，但油蒿减小速度相对较缓。

1.4.3 不同种类灌木高度变化规律

图3 不同种类灌木高度变化规律

花棒在固沙前样地高度最高，随着固沙年限增加，高度逐渐降低，前期较为缓慢，后期下降较为明显。固沙32年后样地中的油蒿高度同样呈现下降趋势，但同时期出现的柠条高度随着年限增长逐渐增加。

1.4.4 不同种类灌木冠幅变化规律

图4 不同种类灌木冠幅变化规律

固沙前花棒植株较大，随着固沙年限增加，前期花棒冠幅大幅减小，后期速度减缓但仍呈现减小趋势；油蒿出现后随固沙年限增加冠幅逐渐减小；柠条则相反，冠幅随固沙年限增加而逐渐增大。

1.4.5灌木盖度变化规律

图5 不同固沙年限灌木盖度演变规律

固沙前灌木盖度较低，仅为1 %，覆盖度在人工固沙后显著增加，但在固沙32年后发生改变，灌木盖度逐渐降低，减小率低于前期增长率。

2. 结果与讨论

2.1. 实验结果

固沙前样区仅出现一种灌木植物花棒，属于天然生长植物，在当地灌木群落中其抗旱能力最优，但盖度极低。固沙工程实施后，灌木植株数量随着治沙时间增长而逐渐增加，灌木种类由固沙前单一的花棒种群演变为种类较多的灌木群落。固沙32年样区灌木覆盖率较高，样区内幼苗数量明显增多；固沙工程实施后期，灌木群落植株数量略微减少，有大型灌木植株枯死现象出现，群落整体呈现冠幅减少、高度降低的趋势，盖度降低。

2.2. 实验结果讨论

灌木调查指标结果表明：灌木抗旱能力强，能够适应流沙区复杂的环境条件。人工固沙工程实施前期，灌木种类增多、数量增大、盖度增大，推测其可能因为其防风效果好、不易被沙埋，成为固沙区群落的优势种群；随着固沙年限的增加，后期灌木种类保持不变，但数量减少，盖度减小，推测是由于草本植物及生物结皮逐渐占据优势，消耗大部分土壤中的水分，导致灌木植物所能够利用的水分减少，出现冠幅减小、高度降低，甚至枯死的现象。

3. 实验结论

不同人工固沙年限样地中灌木植物代表性特征的调查显示：花棒在灌木植物中最先出现，其抗旱能力较强，作为人工固沙工程中前期种植的植物种；随着固沙年限的增加，灌木植物整体呈现种类增多、体积减小的趋势，其减小原因可从土壤水分分配实验得出结论。

参考文献

[1]周日平.中国荒漠化分区与时空演变[J].地球信息科学学报,2019,21(05):675-687.

[2]童新风,杨红玲,宁志英,张子谦,李玉霖.科尔沁沙地优势固沙灌木的生物量预测模型[J].中国沙漠,2018,38(03):553-559.

[3]李新荣,张志山,谭会娟,高艳红,刘立超,王新平.我国北方风沙危害区生态重建与恢复:腾格里沙漠土壤水分与植被承载力的探讨[J].中国科学:生命科学,2014,44(03):257-266.

[4]石莎. 沙坡头地区人工植被群落结构及动态[D].中央民族大学,2004.