不同年限退耕地植被与风沙流之间的关系研究

李得禄，满多清，刘有军，严子柱，汪媛艳

(甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站/甘肃省治沙研究所，甘肃 武威 733000)

风沙活动是气流和沙质地表相互作用而形成的气固两相流，是风沙物理学研究的核心内容之一[1]。风沙活动研究常以近地面颗粒运动特征、风沙流结构及特征来进行。其中对风沙流的研究较多，风沙流结构是指在风力作用下，沙粒运动速度、浓度以及输沙量等沿高度的分布[2]。风沙运动规律是治沙的理论基础，它能直接表征沙粒的运动形式，判断地表的蚀积状况[3]。影响风沙流结构的因素有很多，如风速、下垫面特性(土壤容重、地表紧实度、土壤含水量、植被盖度等)，但是由于研究方法、下垫面状况和气流性质不同，结果存在一定的差异性[4-5]。风沙流运动明显而强烈地受地形地貌和下垫面结构的影响，因此不同地区的风沙流运动有着特定的流量和表现形式[6]。已有学者就有关风沙流在风洞试验、野外观测、理论分析方面开展了大量的研究，取得了丰硕的成果[7-9]。

我国北方干旱荒漠区风沙活动异常频繁,严重影响了风沙活动区域人们正常的工农业生产及日常生活。为了防止其危害，人们往往通过造林种草提高地表植被盖度，增加粗糙度，从而改变风沙流结构达到防沙阻沙的目的[3]。近年来，随着民勤石羊河流域综合治理项目的实施，在民勤涌现出了大量的退耕地，在水分短缺、风沙危害严重的退耕地上，土地退耕后会形成新的风沙源，进而危害农田、村庄、交通等。目前，对退耕地研究仅限于不同年限退耕地植被演替规律[10-13]、土壤水分变化[14]、土壤养分变化规律[15]，而土地退耕后地表植被会逐渐演替，地表风沙流也因植被演替及季节变化产生一定的变化，不同年限退耕地风沙流特征与植被之间的关系研究尚未见相关报道。本研究通过石羊河流域下游退耕地植被与风沙流之间的关系研究，以期为退耕地植被恢复与治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于石羊河流域下游民勤治沙综合试验站，站区内耕地与林地交错分布，星罗棋布。20世纪90年代末，风沙危害严重，土壤瘠薄地段的土地开始陆续退耕，2008年政府实施关井压田以来，又有部分土地进行了退耕，因此在站区内形成了不同年限的退耕地。以不同年限退耕地为试验对象，安装积沙仪进行风沙流观测。试验地概况见表1。

表1 退耕地概况

1.2 试验方法

试验所用积沙仪是由原中国科学院兰州沙漠研究所研制的20/2型阶梯式积沙仪。该积沙仪高100 cm，单口断面2.0 cm×2.0 cm，共分50层(图1)。安装时积沙仪下口底部与地面平齐，积沙口正对主风向。观测开始时记录时间并同时打开各个积沙仪的口盖，观测结束时记录时间并同时关闭各个积沙仪的口盖。2014年4月安置仪器，取样前将自封袋进行称重，然后分层(以2 cm高为梯度)收集近地表0～100 cm的沙尘，烘干后在1/10 000 g电子称上称重。风速数据来源于甘肃省民勤荒漠草地生态系统野外科学观测站，试验采用1 m高度处的风速数据，数据采集频率为5 min。

植被调查于2015年7月底进行，在不同年限退耕地上开展调查，样方面积为10 m×10 m，每个样地设置3个样方。调查指标主要包括物种生境、数量、高度、冠幅、新梢生长量，对优势物种进行每木调查，其余物种抽样调查5株。同时记录周边地貌状况等环境因子等指标。

1.3 统计分析方法

起沙风速(Ut)是沙粒在一定强度风的作用下开始移动时的风速。起沙风速是一个相对概念，是鉴定不同风力的风是否为害风的一个风速临界值。民勤起沙风速为5.0 m·s-1，所以，本试验统计风速≥5.0 m·s-1的时间作为计算输沙率的时间。风沙流观测过程中的平均风速用起沙风开始到结束的平均风速代替。

注：1.可移动的盖；2.楔形前沿；3.底座；4.入口；5.积沙室

试验数据采用Excel 2003和SPSS Statistics 21数据处理软件进行统计分析，用Excel 2003进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同年限退耕地植被及年输沙量特征

植被盖度、物种丰富度随退耕年限的增加呈下降趋势，在退耕初期土壤水分较好，有利于1年生植物的生长，无论是植物种类还是数量都相对较多，随着土壤水分的消耗，草本植物慢慢退出群落，群落物种逐渐被灌木植物代替，而草本植物随降水数量年际间变化较大。在9月份，随着退耕时间的增加，群落总盖度呈下降趋势，退耕2 a群落盖度达到了79.46%，退耕17 a仅为4.69%，极值差值达到了74.77%，而灌木盖度基本呈增加趋势。退耕2 a，土壤水分较好，1年生植物较多，而退耕17 a的地表风蚀严重，植被仅为白刺灌丛沙堆类型。物种丰富度随退耕年限的增加呈下降趋势，灌木层呈增加趋势，草本层逐渐减少。物种平均高度来看，在退耕2 a后为最高，退耕8～17 a的高度差异不显著。而年输沙量总体上表现为随着退耕年限的增加逐渐增加(表2)。

表2 不同年限退耕地植被状况及年输沙率

2.2 不同年限退耕地输沙量与植被数量特征之间的关系

表3为不同退耕年限、样地总盖度、灌木盖度、物种丰富度、灌木丰富度、物种数量、平均高度之间的相关系数表。从表中可以看出退耕年限与植被总盖度、物种丰富度、植被平均高度呈显著负相关，退耕年限与年输沙量呈显著正相关，退耕越早，年输沙量越大；植被总盖度与物种丰富度、植被平均高度呈正相关。土地退耕初期因前一年的灌溉作用，土壤含水量较大，植被总盖度较大，物种也丰富，随着水分的消耗，总盖度下降，植被高度也逐渐下降；物种丰富度与平均高度呈正相关，物种越丰富，植被也越旺盛；输沙量与植被总盖度呈显著负相关，表明植被盖度越大，输沙量越低。

2.3 相同风速不同植被生长阶段输沙率的差异性

将同一退耕地上不同植物生长期，大于起沙风速的平均风速与持续时间相近的输沙率进行比较，分析不同植被生长阶段对输沙率的影响。总体上表现为随着退耕年限的增加，风沙流输沙率呈增加趋势，在垂直梯度上随着高度的增加，输沙率呈下降趋势，越接近地表输沙率越大。从植被不同生长季来看，同一风速条件下，7月份积沙仪各层次输沙率均>9月份，其主要原因是7月份1年生植被尚未长出，群落植被盖度较低，9月份1年生草本在群落中占据一定地位，盖度增加，下垫面性状的改变对风沙流输沙率产生了影响(图2)。退耕17 a的7月和9月各层次输沙率差异不显著，其主要原因是退耕17 a后植被主要以灌木白刺为主，1年生草本数量少，植被盖度变化小。退耕10 a的灌木数量较少，而草本植物在降雨后迅速生长，群落盖度增加幅度较大，对风沙流输沙率影响也最为显著。

表3 各指标之间的相关系数

注:*表示在0.05水平(单侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

图2 不同年限退耕地上不同植被条件下的输沙率变化

2.4 不同植被条件下不同年限退耕地输沙率变化规律

干旱荒漠区植被稀疏，类型单一，构成群落的灌木种数量稀少，而受降雨季节的影响，草本植物会随降雨量的大小有明显的变化，对植被盖度影响也较大。不同植被盖度条件下不同年限退耕地输沙率存在一定差异，而且变化幅度也不一致。图3为退耕17 a、13 a和10 a 7月和9月输沙率随高度增加的百分比图。可以看出，随着高度的增加，植被对风沙流降低的作用在逐渐增加，退耕10 a的退耕地输沙率随高度增加降幅最大，退耕13 a的次之，退耕17 a的最低，这是由于植被生长季节不同1年生草本植物对植被盖度的影响不同造成的，退耕10 a的灌木盖度仅为2.4%，而草本植物盖度可达13.56%，雨季后草本植物增加数量较多，对输沙率的降低程度也最大，而退耕13 a的灌木盖度为9.69%，草本盖度为3.78%，由于草本增加对群落的盖度增加幅度较小，输沙率降低幅度比退耕10 a的低，而退耕17 a的灌木盖度是4.15%，草本盖度仅为0.54%，草本对群落盖度的贡献较小，风沙流下降的值也最低。

图3 不同高度范围内输沙率降低百分比

3 结论与讨论

土地退耕后土壤水分、植被类型随时间而不断发生变化，退耕地输沙量也因植被而发生变化。通过测定不同年限退耕地上植被群落总盖度、灌木盖度、物种丰富度、物种数量、植物平均高度、年输沙量等指标，测算了他们之间的相关系数。表明退耕年限与植被总盖度、物种丰富度、植被平均高度呈显著负相关，土地退耕初期，土壤水分较好，物种丰富度较高，尤其是1年生植被发育较好，植被生长旺盛，群落盖度大，随着退耕时间的增加，土壤水分的消耗，植被盖度下降，1年生草本植物开始退出群落，群落逐渐被灌木代替。退耕年限与年输沙量呈显著正相关，退耕时间越长，年输沙量越大。植被总盖度与物种丰富度、植物平均高度呈正相关，退耕地退耕初期土壤水分较大，植被总盖度较大，物种也丰富，随着水分的消耗，总高度下降，植物平均高度也逐渐下降；物种丰富度与植物平均高度呈正相关，物种越丰富，植被也越旺盛；输沙率与植被总盖度呈显著负相关，表明植被盖度越大，输沙率越低。

影响地表蚀积的因素主要有风速和下垫面状况，其中植被是下垫面中影响蚀积状况的主要因素。在干旱荒漠区植被稀疏，类型单一，灌木树种属于植被稳定层片，但是数量有限，而1年生草本随降水量变化较大，尤其是7-9月雨季过后，为1年生植物提供了水分条件，能够迅速生长，植被盖度显著增加，对群落植被盖度产生了显著的影响。从群落植被来看，随着退耕年限的增加，植被盖度逐渐下降，草本植物盖度在7-9月因降雨量增加对其影响较大。退耕时间越短，土壤水分较好，1年生植物较多，而退耕时间越久植被仅以白刺灌丛、红柳等植物为主，地表风蚀严重。灌木植被盖度随退耕时间的增加基本呈增加趋势，物种丰富度呈下降趋势，灌木层增加，草本层减少。从物种平均高度来看，在退耕2 a后为最高，退耕8～17 a的高度差异不显著。而年输沙量总体上表现为随着退耕年限的增加逐渐增加。

群落盖度的增加影响了风沙流输沙率。随着退耕时间的增加，植被盖度呈下降趋势，输沙率呈增加趋势，输沙率与植被盖度显著相关。黄富详[16]等研究了毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率定量关系，由于植被覆盖的影响,产生风蚀的风速有所降低,当植被覆盖率达到50%～60%时,植被覆盖对风速的降低还十分显著,这就是植被覆盖减少风蚀输沙的一条重要途径。因此增加植被盖度可以显著降低风沙流输沙率，达到抑制风沙流的目的。邢恩德[17]等研究了不同植被盖度条件下典型草原区地表风沙流结构及风蚀量特征，近地层的输沙率随植被盖度的增加而减小；不同植被盖度下，风速与总输沙量之间均呈幂函数关系，各风速下总输沙量随着植被盖度的增加而减少。本研究测定了植被不同生长阶段下的风沙流输沙率，研究结果与其相一致。

影响退耕地风沙流的因素较多，如周边地形地貌、地表植被状况等等，因此不同退年限退耕地风沙流受多种因素的影响，尽管通过该研究取得了一定的研究结果，但是，在样地的选择中如何避开周边地貌环境的影响以及适宜梯度退耕年限样地的选择相对较难，对试验结果也产生了一定的影响，在今后的研究中需要改进研究方法，以获得更为理想的研究结果。

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