民勤绿洲边缘积沙带植物群落健康分析

常兆丰,朱淑娟,段晓峰,赵 鹏,张剑挥,丁爱强

1 甘肃省治沙研究所, 兰州 730070 2 中国林业科学研究院, 北京 100091

在我国西北沙区,几乎所有的防沙治沙措施都实施在绿洲边缘,尤其是绿洲边缘上风向。新中国成立以来,经过几十年的防沙治沙,在沙区绿洲边缘尤其上风向流沙大量堆积[1-6],形成了一条流沙堆积带,即积沙带[7-8]。

甘肃河西走廊经过60多年的防沙治沙,在绿洲上风向边缘形成了长达1000 km的积沙带。作为绿洲边缘防沙治沙的副产物,积沙带究竟具有怎样的生态效应？截止目前,国内外尚没有关于绿洲边缘积沙带提法及其研究。鉴于此,笔者等先后开展了甘肃河西绿洲边缘积沙带的形成所表征的环境信息、甘肃河西绿洲边缘积沙带形成与环境因子的关系以及积沙带的生态效应等研究[7-9]。

研究结果表明,积沙带既有正向生态作用,亦有负向生态作用[7,9]。其正向生态作用是：作为一种防风阻沙的障碍物,具有明显的防风作用和阻沙固沙作用[9],亦即“以沙治沙”的功能[10]。其负向生态作用是：由于大量流沙堆积在绿洲边缘,形成了距离绿洲农田更近的新的沙源[9]。甘肃河西走廊绿洲边缘积沙带在保护绿洲农田方面已经和正在发挥着正向作用[9],而且,积沙带越高大越稳定,其防护作用越强[11]。

积沙带是绿洲边缘造林固沙和沙障固沙过程中的副产物。河西走廊绿洲边缘积沙带目前虽然未出现明显的风蚀、活化现象[9],然而维持其积沙带发育和稳定的植被状况各不相同。以民勤绿洲边缘积沙带为例：1)有的地段以人工植被为主,有的地段以天然植被(当地称柴湾)为主；2)优势种植物不同,有的地段以人工梭梭Haloxylonammodendron林为主,有的地段以天然灌木柽柳Tamarixlaxa及天然白刺Nitrariatangutorum为主；3)植被的退化程度亦不相同,其中柽柳退化最为严重,人工梭梭林亦普遍枯梢,有的地段最初形成积沙带的乔灌木混交林带中的杨树早已枯死。民勤绿洲上风向边缘积沙带长达110 km,气候环境条件也有较大差异。植被不仅是积沙带的形成因素,更是维持积沙带稳定的重要因素,从一定意义上说,积沙带上的植被健康状况,反映了积沙带的稳定性。前期的研究表明,积沙带的高度与植被盖度存在相关关系[8]。那么,能不能且怎样通过分析植被的健康状况来揭示或预测积沙带的稳定性或潜在的危险呢？这就是本文试图回答的问题。

目前,有关生态系统健康评价都是针对生态系统的[12-22],国内外尚无以积沙带为背景的植被健康状况的研究,更没有关于植被健康状况与积沙带稳定性的关系研究。那么,怎么借用生态系统健康评价方法对积沙带上的荒漠植被群落的健康状况进行评价呢？在河西走廊绿洲边缘积沙带中,民勤绿洲边缘积沙带最完整、最典型,民勤的荒漠化过程亦最为严重,因此,本文以民勤绿洲边缘积沙带为研究对象,运用健康分析中的指标体系法[15,23]就其植被健康状况做一探索性分析,以资讨论。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

民勤县位于河西走廊东北部,地处石羊河下游即腾格里沙漠西部边缘,北和西北侧与巴丹吉林沙漠接壤,地理位置在101°49′E—103°12′E、38°05′N—39°28′N之间,总土地面积为16016 km2,境内海拔多在1300—1350 m之间。民勤县的生态环境退化大致可分为3个历史景观,即汉代以前为自然生态景观,西汉(公元前206—公元25)至民国年间为退化生态景观,1950年以来为人工生态景观。民勤县多年平均降水量116.52 mm,蒸发量2351.79 mm,年平均风速2.8 m/s,主风向NW,年平均≥17 m/s,大风28.2 d,沙尘暴25.8 d,扬沙天气37.8 d,浮尘天气30.2 d。民勤县统计部门提供的资料,目前境内沙漠、戈壁、盐碱滩地和低山残丘占总土地面积的94.2%,其中沙漠面积占总面积的55.03%。

1.2 观测调查方法

本文在陆凡、李文龙等[24-25]的健康评价指标体系基础上,结合当地积沙带上植被状况,确定了民勤绿洲边缘上风向积沙带植被健康评价指标体系(表1)。在民勤绿洲上风向边缘大体每10 km设置一条观测样线,共选择了11条观测样线(图1)。在每个样线上沿垂直农田边缘方向从农田边缘到沙漠平缓处设置样点,每条样线上设置了5—9个植被调查样方。表1中,盖度为投影盖度。投影盖度是在测量植株冠幅计算冠幅盖度后在冠幅内用目测法测得。结实状况分：0—停止,1—较少,2—正常；枯梢情况分：0—枯梢很少,1—枯梢较多,2—严重枯梢。

表1 民勤绿洲边缘上风向积沙带植物群落健康评价指标体系

图1 民勤绿洲边缘积沙带观测样点Fig.1 Observation points on sand-accumulation belt along the Minqin oasis

1.3 数据处理方法

由于是11条样线,因而确定健康序列为：Y1>Y2>Y3>Y4>Y5>Y6>Y7>Y8>Y9>Y10>Y11。分别每个指标11等分,即各指标等分为11个判别区间,然后分别优势种和伴生植物(表1),先用以下(1)式计算隶属度,用(2)式计算加权隶属度,之后再用(3)式进行归一化处理,按其最大值进行一级判别。

(1)

式中,Rij为x的健康隶属度,其中i为健康序列(i=1,2,…m),j为植物健康指标(j=1,2,…n)；aij和bij分别为第i健康序列第j指标的判别区间上限和判别区间下限,k为系数,设k=0.5[26]。

(2)

(3)

在获得一级判别结果的基础上,用以下(4)式进行二级模糊综合判别,确定健康序列。

(4)

2 判别分析

2.1 一级判别

从西南向东北11条样线,样线间距约10 km(图1)。11条样线分布有：梭梭Haloxylonammodendron、梭梭H.ammodendron+白刺Nitrariatangutorum、柽柳Tamarixlaxa、梭梭H.ammodendron+红砂Reaumuriasongarica、柽柳T.laxa+白刺N.tangutorum、柽柳T.laxa+梭梭H.ammodendron6种植物群落,伴生植物主要有沙蒿Artemisiaarenaria、沙米Agriophyllumsquarrosum、五星蒿Bassiadasyphylla、碱蓬Suaedaglauca、沙拐枣Calligonummongolicum、沙地旋复花Inulasalsoloides和花棒Hedysarumscoparium等(表2),植被总投影盖度6%左右,其中优势种植物的投影盖度在3%左右(图2),植物总种数在4—6种之间(图3)。

表2 民勤绿洲边缘积沙带植物群落特征

图2 植被投影盖度Fig.2 Projection coverage of vegetation

图3 物种总数及结实、枯梢情况Fig.3 Species, bear fruit and dry branches

分别表1 中优势种和伴生植物用以上(1)式计算隶属度后,再分别给优势种的高度、盖度、结实情况、枯梢、新枝长度和植物总种数以0.1、0.3、0.2、0.2、0.1、0.1的权重和伴生植物的灌木高度、灌木盖度、草本高度、草本盖度和伴生植物种数以0.1、0.3、0.1、0.3、0.2的权重,用以上(2)式计算加权隶属度,用(3)式分别优势种及伴生植物进行归一化处理,得优势种和伴生植物的健康序列(表3)。由表3可以看出,1、2、4、5号样本优势种植物的健康状况位居较前,9、10、11号样本优势种植物的健康状况最差；伴生植物前后两端的样本健康状况相对较差。

2.2 二级判别

分别给优势种和伴生植物以0.7和0.3的权重,用以上(4)式进行二级模糊综合判别,得到以上11条样线植被健康序列为：5号>4号>1号>2号、3号、7号>6号>8号>9号、10号>11号(表3)。

民勤绿洲边缘上风向边缘积沙带按主要成因自西南至东北可分为人工固沙林积沙带、天然灌丛积沙带和单行乔灌混交林积沙带3种,1—5号样线在人工固沙林积沙带上,6—8号样线在天然灌丛积沙带上,9—11号样线在单行乔灌混交林积沙带上,由此可见,人工固沙林积沙带上的植被健康状况相对较好,而乔灌混交林积沙带上的植被健康状况最差(表3)。

表3 民勤绿洲边缘积沙带植物群落健康序列

3 灵敏度分析

本文在做二级模糊综合判别时,分别给优势种和伴生植物以0.7和0.3的权重。那么,当优势种和伴生植物的权重发生变化时,会不会影响健康序列呢？为此,本文进一步做了灵敏度分析。结果表明：1)当优势种的权重由0.9向0.5减小时,只影响健康序列的分类,而并不影响11条样线的健康排序(表4)；2)优势种和伴生植物权重分别取0.7和0.3时,分类数最大(8类),由此优势种的权重向上或向下,判别结果为分类数减小,此时各样线的分异最明显；3)第4类的样本最集中,第5类无样本分布,第6类只有一个样本；4)优势种的权重从0.7向上增大时,样线的归类推后；而当优势种的权重从0.7向下减小时,样本的归类提前,表明其优势种的优势度相对较弱。

4 讨论

1)民勤绿洲边缘积沙带上的植被普遍是不健康的,积沙带上的优势种植物柽柳、梭梭、白刺普遍枯梢,有的年份停止开花、结实,尤其是柽柳。8号、9号、10号和11号样线优势种主要是柽柳,由(图3)可以看出其枯梢十分严重,甚至停止展叶。由一级判别结果(表3)可以看出,其健康状况最差。9、10、11号样线处于乔灌混交林积沙带上,其中乔木林带积沙带是在杨树林带的株距间为种植的柽柳灌木,目前杨树已枯死故而优势种以柽柳灌木代之,但由于沙漠边缘农田弃耕,农田边缘积沙带上的柽柳枯死现象十分严重(图4)。

2)到目前为止,国内外尚积沙带的研究,作者等首次提出了积沙带的概念并开展了相关的研究[7-9,11],因此尚无有关积沙带的研究以及以积沙带为背景的植被健康状况的研究报道,更没有植被健康状况与积沙带稳定性的关系研究。目前,民勤绿洲边缘积沙带上的植被普遍不健康,尤其是农田弃耕后,沙区农田边缘防护林及其积沙带的保护是一个新的值得考虑的问题。面对这些问题,其对策建议：一是保护绿洲边缘积沙带上的植被,严禁人畜破坏；二是在条件许可时可进行人工补灌,从农田灌溉用水中挤出部分生态用水,并适度补设一些沙障；三是对农田弃耕后,农田边缘积沙带的稳定性进行监测、预警和预防研究。

表4 民勤绿洲边缘积沙带植物群落健康序列灵敏度分析

图4 西渠乡西臣村西北农田边缘积沙带 Fig.4 Sand-accumulation belt at the edge of northwest farmland in Xichen village of Xiqu township

3)划分较多的区间则有利于样本之间的细分。从分析结果(表4)可见,以0.7进行二级判别比较合理,此时各样线之间的分异性最大,样本之间的差异体现得更充分。虽然无法确定哪些群落是健康的,哪些群落是不健康的,但总可以对其健康状况做出一个排序,这就是本文的主要结果,这样的结果也显得更加科学合理。由(表3)可见,不论是优势种还是伴生植物,其第5区间(序列)无样本分布,而第4区间分布的样本最多。在优势种权重0.5—0.9范围内,二级模糊综合判别结果亦均为第5区间(序列)无样本分布,第4区分布的样本最多(表4)。积沙带上的植物群落居本序列中等偏上的较多,中等偏下的次多,而居两端的最少。

4)在健康序列分析中,确定一个合理的指标体系显得十分重要。指标过少,既不能反映出样本真实的健康状况,也不能充分体现样本之间的分异；反之,如果指标过多,分析过程可能会出现病态。首先确定一个合理的指标清单[23],才能最后转化得到一个明晰的样本的健康序列。在确定健康指标时,本文首先考虑到盖度在荒漠生态系统中的重要地位[27],给植被投影盖度以最高的权重。另外,荒漠植物枝条稀疏程度差异很大,如沙蒿,其投影盖度往往不到冠幅盖度的1/3,再如麻黄Ephedraprzewalskii,投影盖度上可达冠幅盖度的80%以上。用冠幅计算的盖度不难准确反映植物实际覆盖地面的情况,因此本文采用了植被的投影盖度即纯盖度[28]。在做样本的统计分析时,如果只给出某种统计结果,而不对这种统计的可信程度做任何说明,则这样的统计是没有多大意义的。本文在做优势种和伴生植物的模糊判别排序时,给了优势种0.7的权重。灵敏度分析结果(表4)表明,优势种的权重在0.5—0.9范围内,只改变健康序列的归类,而不改变样本的健康序列。

5)由于农田弃耕,失去了农田边缘水分补给,9、10、11号样线所处的积沙带上的优势植物柽柳枯死严重,沙丘迎风坡梭梭也严重枯梢。但由于农田弃耕时间不长,枯死植株及其枝条目前尚存,沙带尚未出现明显活化,而植被死亡后积沙带的活化则是必然的。农田弃耕后,沙区农田边缘防护林及其积沙带的保护是一个新的值得考虑的问题。另外,5号样线在梭梭林内,由于梭梭林营造时间(2013年)不长,密度较大,盖度相对较高(图2),但从民勤沙区人工梭梭林的情况看,当梭梭林龄在5年之后就会大量自然稀疏,实际能保存的密度为600株/hm2左右,投影盖度不会超过6%。

6)民勤县位于石羊河下游,绿洲边缘积沙带长约100 km。越靠近下游水资源条件越差,下游已有约1330 hm2耕地因缺水弃耕。积沙带上植被健康状况与水资源条件是相一致的,即靠近下游的积沙带上植被盖度越低,植物枯梢越严重(图2、图3)。相对靠近上游的积沙带植被盖度较高,积沙带亦相对较高大,稳定性较好[7,9]。

5 结论

积沙带形成于绿洲边缘的人工植被和天然植被,植被的健康状况决定着积沙带的稳定性。相对本文的健康序列,民勤绿洲边缘人工固沙林积沙带上的植被健康状况相对好于天然灌丛积沙带上的植被健康状况,而乔灌混交林积沙带上的植被健康状况最差。民勤绿洲下游积沙带上的优势种植物柽柳严重枯死,健康状况最差,积沙带潜在风蚀活化的危险。但目前尚未出现积沙带风蚀活化现象。农田弃耕后,沙区农田边缘防护林及其积沙带的保护是一个新的值得考虑的问题。