不同林草治沙模式對鹽堿沙地沉積物粒度特征的影響

張瑜 徐子棋 陳光明 張志軍 楊獻坤 崔斌 王大中 蘆貴君

［關鍵詞］ 林草治沙模式；樟子松；沙棘；蒙桑；風沙沉積物；粒度特征；鹽堿沙地；吉林省

［摘 要］ 為探究吉林省西部鹽堿沙地不同林草措施的防風固沙效果，以樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）+沙棘（Hippophae rhamnoides）+沙打旺（Astragalus laxmannii）（模式1）和樟子松+蒙桑（Morus mongolica）+沙打旺（模式2）兩種治沙模式為研究對象開展野外試驗，分析其植被恢復狀況和沉積物粒度特征，結果表明：①模式1和模式2的喬灌草生長狀況良好，第4年木本存活率達到74.0%～88.0%，總覆蓋度分別達到86.6%和76.5%，具有較好的植被改善作用；②模式1、模式2均能夠改變沉積物粒度特征，減少黏粒、粉粒、極細砂的風蝕量，且模式1的作用優于模式2；③該區域1.17～＜157.90 μm為環境敏感細組分，157.90～＜630.50 μm為環境敏感粗組分；④兩種林草治沙模式均能夠顯著改變鹽堿沙地下墊面風動力條件，削弱風蝕作用，使風蝕帶走的細組分減少，且模式1的改善效果優于模式2。綜上，模式1和模式2均對吉林省西部風蝕沉積特征有顯著影響，具有較好的防風固沙效益，適宜在半干旱區沙地推廣。

［中圖分類號］ S157.9[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.009

［引用格式］ 張瑜，徐子棋，陳光明，等.不同林草治沙模式對鹽堿沙地沉積物粒度特征的影響[J].中國水土保持，2024（3）：29-33.

土地沙化是吉林省西部主要的生態環境問題之一，且該區域土壤均具不同程度的蘇打鹽堿化，加劇了土壤的劣質化，這不僅導致生態結構退化，而且直接導致可利用土地面積減少和耕地地力下降，阻礙了人類的生存和發展^[1]。近年來，經過大力治理，該區域土地沙化得到一定控制，但部分區域仍有擴展和加劇的趨勢^[2]。2016年，當時的環境保護部印發的《全國生態功能區劃》指出，吉林省西部屬科爾沁沙地，為防風固沙生態系統服務功能區，尤其是科爾沁沙地內的吉林省通榆縣，屬國家重點生態功能區的科爾沁草原生態功能區，具有防止荒漠化范圍擴大和降低沙塵暴危害等作用。因此，優化區域鹽堿沙地防護植被配置技術，提高其生態效益顯得尤為重要。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、蒙桑（Morus mongolica）和沙棘（Hippophae rhamnoides）具有較強的抗旱性、抗寒性和耐貧瘠性，是我國北方防風固沙的理想植物種^[3-6]。前人對樟子松、桑和沙棘在防風固沙、改善旱區生態環境方面的作用做了大量相關研究。多位學者研究了不同林齡沙地樟子松林對下墊面風動力特征、土壤物理性質的改良作用和對地下水埋深季節變動的影響^[7-12]，以及樟子松固沙林配置的優化方式^[13]。有關蒙桑防風固沙效果的研究較少，對于桑屬的研究主要集中在桑林對土壤理化性質和風蝕機理的影響^[14]，以及沙地優質桑選育、管理和桑樹防護林高效配置方式^[15-17]等方面。此外，眾多學者研究了沙地沙棘對土壤溫度、養分等方面的改良作用，對風動力特征和風沙流的影響機理，以及防風固沙效益^{[6，11，18-19]}。然而，以往有關于植被固沙的研究主要集中于毛烏素、渾善達克地區，有關吉林省西部沙地防護效益好、針對性高的林草措施配置方式卻鮮有研究^[6]。

風沙沉積物的粒度分布特征是能夠很好地反映積蝕特征和植被防風固沙效果的指標^[20]。本研究參考楊文斌等^[21]低覆蓋度治沙理論，選擇吉林省西部鹽堿沙地，營造樟子松+沙棘和樟子松+蒙桑疏林，在林下撒播優質多年生牧草沙打旺（Astragalus laxmannii），建立林草復合治沙模式，用近自然生態修復的方式建立人工植被，并通過觀測兩種治沙模式植被生長、覆蓋狀況和沉積物粒度特征，分析兩種治沙模式的適用性和對粒徑沉積特征的影響機理，以期為該區域治沙措施優化配置和效果提升提供理論支持。

1 研究區概況

研究樣地位于吉林省白城市通榆縣鴻興鎮，地理坐標122°02′～123°30′E、44°13′～45°16′N。研究區地形起伏較小，地勢為西北高東南低，海拔140～180 m。該區域屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年均日照時數2 900 h，年均氣溫5.5 ℃，年均降水量350 mm，無霜期約164 d，最大凍土深125 cm，年主導風向為西南風和西北風。主要土壤類型有風沙土、鹽堿土和淡黑鈣土等。

2 材料與方法

2.1 供試材料

研究樣地為地形平緩的固定沙地，土壤為蘇打鹽堿風沙土，具體理化性狀見表1。本研究所選林草治沙模式為樟子松+沙棘+沙打旺模式（模式1）、樟子松+蒙桑+沙打旺模式（模式2），對照地（CK）為措施地旁原狀沙地。模式1、模式2林草于2017年5月初種植，所用喬木、灌木苗齡為3 a，尺寸較小，結合楊文斌等^[21]關于半干旱區低覆蓋度治沙樹種栽植密度的要求，設定株行距均為4 m×4 m，待苗齡較大時根據情況進行間伐；喬灌混交方法為行間混交（1行喬木1行灌木），每種模式各栽植2帶，每帶各栽植10行（5行喬木、5行灌木）10列，行與主風向垂直，帶間距40 m；兩種模式的水平間距為300 m，中間為空地，故兩種模式間互不干擾。林間均勻撒播沙打旺草籽，播種量12 kg/hm²。

2.2 測定方法

2.2.1 植物指標

植物指標觀測時間為2017年10月初和2020年10月初。成活率調查所有植株，其余指標每行隨機選5株長勢具有代表性的植株固定觀測，取平均值。覆蓋狀況利用相機在2 m高處拍攝，并用PCOVER軟件進行處理、分析而得，取5個重復。

2.2.2 土壤指標

土樣采集時間為2020年10月初。采樣方法參考前人研究^[21]，在選定觀測植物指標的植株東、西、南、北各方向0.5 m處，取0～20 cm深土樣（本區域為農牧交錯帶，該深度受人為影響較大）并混合，帶回室內用GSL-101BL激光顆粒分布測量儀測定其各粒徑顆粒占比。根據沉積物類別劃分需要，粒徑組別劃分見表2。

2.3 數據處理及分析

利用Excel進行數據整理和圖表繪制，利用SPSS19.0進行方差分析（ANNOVA單因素分析）。

3 結果與分析

3.1 不同林草治沙模式木本植物生長狀況及覆蓋狀況

由表3可知，在研究區鹽堿風沙地，栽植第4年樟子松存活率平均達85.0%、沙棘存活率達78.0%、蒙桑存活率達74.0%，存活率均能達到74.0%及以上，兩種灌木存活狀況近似。栽植第4年時，沙棘的株高、地徑和冠幅分別為蒙桑的1.35倍、0.95倍和1.25倍，即兩種灌木的地徑近似，但沙棘植株顯著較蒙桑高大。

由表4可知，模式1的木本郁閉度比模式2高5.4個百分點（即沙棘比蒙桑枝葉更加繁茂），總覆蓋度比模式2高10.1個百分點，兩種模式均顯著改善了植被覆蓋狀況，分別比對照地覆蓋度提高了44.3和34.2個百分點，差異顯著（P＜0.05）。這說明模式1改善植被覆蓋狀況的效果優于模式2。

3.2 不同林草治沙模式對沉積物粒度分布的影響

由圖1可知，對照地、模式1和模式2的沉積物粒徑組分布曲線均呈單峰型，模式1和模式2的沉積物粒徑體積百分比的波峰明顯比對照地前移，體積百分比峰值出現時的粒徑大小為模式1＜模式2＜對照地，且對照地峰值顯著高于模式1和模式2。這說明模式1和模式2的林草措施能夠使研究區沉積物粒徑整體減小，且粒徑分布更為均勻化。

由表5可見，研究區對照地土壤主要粒級組成為極細砂、細砂、中砂，占比分別為16.24%、66.33%和12.56%，在土壤中總占比達到95.13%。研究區鹽堿風沙地采用模式1、模式2后，土壤中黏粒、粉粒、極細砂含量顯著增加，細砂、中砂和粗砂含量顯著減少。例如，模式1和模式2的粉粒體積百分比分別比對照地多8.97和4.96個百分點，差異顯著（P＜0.05）；模式1和模式2的細砂體積百分比分別比對照地減少7.87和2.86個百分點，差異顯著（P＜0.05）。且除中砂、粗砂外，其他組分體積百分比變幅均為模式1＞模式2。

由表6的粒度參數分析可知，人工植被體系使沉積物粒度標準差顯著降低，即分選性變差，偏度向正向發展，即粒度整體細化，沉積物顆粒峰度降低，即原為眾數的粗顆粒占比減少，各指標差異顯著（P＜0.05），且人工植被所有的粒度參數的改善幅度均為模式1＞模式2。這說明模式1、模式2均具有較好的攔風蓄沙能力，且能夠改變沉積特征，減少黏粒、粉粒、極細砂的風蝕量，使土壤顆粒細化，同時兩種灌木中沙棘的防護作用優于蒙桑。

3.3 不同林草治沙模式對鹽堿沙地敏感粒度組分的影響

風沙環境地表沉積物粒徑組成及其變化能夠很好地表征該區域風蝕、風積特征，而標準差值能夠反映相應粒徑組對研究區風沙環境的敏感度^[21]。由圖2、表2及測定結果可知，研究區粒度標準差曲線粒徑范圍為1.17～＜630.50 μm，曲線有兩個峰值，分別出現在第44組（64.97～＜71.35 μm）和第57組（219.58～＜231.44 μm），即為環境最敏感粒度；第53組（150.96～＜165.78 μm，加權中值為157.90 μm）為標準差谷值，即為敏感粒度粒徑分界線，1.17～＜157.90 μm為細組分，157.90～＜630.50 μm為粗組分。各處理試驗樣地沉積物環境敏感組分占比見圖3。不同植被條件下細組分占比范圍為52.72%～72.56%，粗組分占比范圍為27.44%～47.28%。模式1、模式2第4年細組分分別比對照地增加了37.6%和28.6%，說明本研究兩種林草治沙模式均能顯著改變鹽堿沙地下墊面風動力條件，削弱風蝕作用，使風蝕帶走的細組分減少，且模式1的改善效果優于模式2。

4 討論

吉林省西部氣候干旱，土地風沙化與鹽堿化協同進行，干旱、風蝕露根、鹽堿脅迫等逆境致使植被退化，加劇了風蝕^[22]。本研究結果表明，吉林省西部在pH值8.08、電導率0.14 mS/cm的鹽堿沙地上采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式時，植被生長茂盛，栽植第4年總覆蓋度分別達到86.6%和76.5%，說明這兩種林草治沙模式均適宜在鹽堿沙地推廣利用。

沉積物粒度組成特征是反映該區域下墊面條件、風動力狀況和風蝕特征的重要因子^[23]。前人研究稱，植被能夠改變風沙流場，對侵蝕起到阻礙作用，使較小的顆粒得以沉積，從而改變沉積物粒度^[24]。本研究表明，吉林省西部鹽堿風沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均具有較好的防風固沙作用，能夠改變侵蝕、沉積特征，使沉積物粒徑整體減小，粒徑分布更為均勻化，增加土壤黏粒、粉粒、極細砂的含量。本研究區沉積物粒度標準差曲線粒徑范圍為1.17～＜630.50 μm，曲線有兩個峰值，1.17～＜157.90 μm為細組分，157.90～＜630.50 μm為粗組分，研究區鹽堿風沙地采用樟子松+沙棘+沙打旺模式和樟子松+蒙桑+沙打旺模式均能夠顯著提高土壤環境敏感細組分的占比，且模式1的改善效果優于模式2。有學者認為，風沙流中躍移質的占比較大，粒徑范圍為70～500 μm，而粒徑＜70 μm的顆粒多為懸移質^[25]。因此，本研究的細組分包括懸移質和躍移質，而粗組分主要為躍移質。不同下墊面躍移質含量差別較大^[26]，因此模式1和模式2在研究區改變風場條件的能力差異較大，這可能與兩種灌木植物（沙棘和蒙桑）的地上形態不同有關，沙棘植株上下疏透度均勻，蒙桑植株屬上密下疏型，且本研究沙棘的株高、覆蓋度、疏透度狀況都優于蒙桑。

此外，兩種林草治沙模式林齡不同對土壤水分、養分和林下草被多樣性等方面的影響差異還需進一步研究。

5 結論

1）模式1和模式2喬灌草生長狀況良好，第4年木本存活率達到74%～88%，總覆蓋度分別達到86.6%和76.5%，具有較好的植被改善作用。

2）模式1、模式2均能夠改變沉積物粒度特征，減少黏粒、粉粒、極細砂的風蝕量，且模式1的作用優于模式2。

3）該區域1.17～＜157.90 μm為環境敏感細組分，157.90～＜630.50 μm為環境敏感粗組分。

4）兩種林草治沙模式均能顯著改變鹽堿沙地下墊面風動力條件，削弱風蝕作用，使風蝕帶走的細組分減少，且模式1的改善效果優于模式2。

[參考文獻]

[1] 高戰武，許清濤，黃翠.吉林省西部生態環境問題分析與對策[J].白城師范學院學報，2012，26（5）：64-67.

[2] 王桂君，許振文，陸炳華.吉林省西部土地沙化及其修復措施研究進展[J].長春師范大學學報，2016，35（10）：82-84，148.

[3] 趙哈林，李瑾，周瑞蓮，等.風沙流持續吹襲對樟子松幼樹光合蒸騰作用的影響[J].生態學報，2015，35（20）：6678-6685.

[4] 李靜，杜宏志，畢淑榮.黑龍江省西部沙地桑產業發展空間和前景[J].黑龍江科技信息，2016（16）：266.

[5] 閆晶秋子，李鋼鐵，王月林，等.鹽脅迫對蒙桑種子萌發及幼苗生長的影響[J].中國農業科技導報，2020，22（1）：28-37.

[6] 吳汪洋，張登山，田麗慧，等.青海湖克土沙地沙棘林的防風固沙機制與效益[J].干旱區地理，2014，37（4）：777-785.

[7] 朱教君，康宏樟，宋立寧，等.科爾沁沙地南緣樟子松人工林地下水埋深季節變化[J].生態學雜志，2009，28（9）：1767-1772.

[8] 陳宇軒，張飛岳，高廣磊，等.科爾沁沙地樟子松人工林土壤粒徑分布特征[J].干旱區地理，2020，43（4）：1051-1058.

[9] 段民福，廖超英，孫長忠，等.毛烏素沙地樟子松人工林土壤物理性質的時空變異規律[J].西北農業學報，2012，21（3）：188-192.

[10] 賈樹海，王薇薇，張日升.不同林型土壤有機碳及腐殖質組成的分布特征[J].水土保持學報，2017，31（6）：189-195.

[11] 吳汪洋，張登山，田麗慧.高寒沙地人工林的氣流場特征與防風功能[J].西北植物學報，2020，40（8）：1396-1406.

[12] 任悅，高廣磊，丁國棟，等.沙地樟子松人工林葉片—枯落物—土壤有機碳含量特征[J].北京林業大學學報，2018，40（7）：36-44.

[13] 郭學斌，梁愛軍，郭晉平，等.晉北風沙特點、防風林帶結構及效益[J].水土保持學報，2011，25（6）：44-48，54.

[14] 李曉娜，宋進庫，張微微，等.延懷盆地葡萄種植區不同土地利用方式表土風蝕特征分析[J].水土保持學報，2019，33（6）：86-91.

[15] 王子玲，萬子俊，楊偉.陜北風沙區栽桑養蠶技術開發研究[J].水土保持通報，1994，14（增刊1）：77-82.

[16] 甄占萱，李慶國，楊貴明，等.冀北地區桑牧糧間作防風固沙生態模式探析[J].安徽農業科學，2008（9）：3599-3600，3602.

[17] 胡衛民.果桑在防風固沙與護坡中豐產栽培技術[J].中國生態農業學報，2003，11（3）：54.

[18] 吳汪洋，張登山，田麗慧，等.近10年青海湖東沙地人工植被群落特征[J].生態學報，2019，39（6）：2109-2121.

[19] 楊越，吳才武，武智勇，等.冀北壩上地區3種人工灌木林地防風蝕效果的比較[J].水土保持學報，2020，34（1）：54-57，63.

[20] 高永，丁延龍，汪季，等.不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力[J].農業工程學報，2017，33（22）：135-142.

[21] 楊文斌，王濤，馮偉，等.低覆蓋度治沙理論及其在干旱半干旱區的應用[J].干旱區資源與環境，2017，31（1）：1-5.

[22] 李昂，王媛，徐國梅.吉林省西部地區生態環境狀況變化調查與評估：以向海國家級自然保護區為例[J].綠色科技，2020（4）：5-7.

[23] 王鳳林，畢慶玲，張健秋，等.吉林省西部干旱瘠薄沙地樟子松引種造林試驗苗期初報[J].吉林林業科技，1994（3）：8-10.

[24] 汪季.烏蘭布和沙漠東北緣植被抑制沙塵機理的研究[D].北京：北京林業大學，2004：10-28.

[25] PYE K.Aeolian Dust and Dust Depositions[M].London：Academic Press，1987：49.

[26] 劉芳，郝玉光，辛智鳴，等.烏蘭布和沙區不同下墊面的土壤風蝕特征[J].林業科學，2017，53（3）：128-137.

收稿日期： 2023-04-29

基金項目： 長春市科技局項目（21ZGM07）；吉林省財政廳基本科研經費項目（吉林省西部固沙植物種選擇與植被配置研究與示范，吉林省西部平緩沙地地力提升及植被構建技術體系研究）

第一作者： 張瑜（1980—），女，山東煙臺人，高級工程師，碩士，研究方向為黑土區水土保持。

通信作者： 徐子棋（1990—），女，吉林白山人，工程師，碩士，研究方向為水土保持生態修復。

E-mail： 235175758@qq.com

（責任編輯 徐素霞）