库布齐沙漠南缘风沙-植被相互作用及其景观效应

殷 婕,安 晶,哈斯额尔敦,*,武子丰,周炎广,胡日娜

1 北京师范大学地理科学学部自然资源学院,北京 100875

2 首都师范大学附属密云中学,北京 101500

干旱区因温差大、降水少而集中且天然植被稀疏,物理风化、暂时性流水和风沙活动成为景观发育的主要地貌过程[1—4],其中主导作用类型及方式变化导致干旱区景观表现出明显的异质性和分带性。在区域尺度上,如风沙侵蚀、搬运及沉积作用的分异导致中国北方戈壁、沙漠和黄土自西北向东南的带状分布；在局地尺度上,主导地貌过程变化使沉积物理化性质和植被格局发生分异,如风沙搬运和沉积作用变化引起沙质草地风蚀坑下风侧沉积物和植物群落的分带性分布[5],与此同时植被格局变化又反过来影响风沙蚀积、搬运模式。在这种地貌-植被相互作用中,当风动力为地貌过程的主导外营力时称为风沙-植被相互作用[6]。

自本世纪初期,国外学者已关注到风沙活动与植物生长的相互作用对干旱、半干旱地区景观变化的影响,并通过野外控制试验、遥感影像比对和实地调查的方法[7—9],报道了奇瓦瓦沙漠等地由于风沙过程引起干旱草原草本植物向灌木演替进而导致区域景观演化的现象。近年来,随着遥感技术、建模手段不断发展,植被格局连续观测和区域输沙通量估算得以实现,在此基础上建立了模拟大尺度风沙-植被互馈关系对景观变化影响的生态模型[10—11]。相对来说,我国在此方面的研究程度较低,大部分仍集中在风洞模拟植物对风沙流或风沙流对植物的单向影响[12—16]、实验探究沙生植物对沙埋的响应机制等单作用过程[17—20]；也有学者对抛物线形沙丘、风蚀坑等典型风沙地貌周围风沙蚀积格局引起植被的分带性规律进行报道[5,21]。但是,这些工作均未系统地对风沙-植被相互作用引起野外风沙流结构、沉积物特征变化开展实地观测等进一步研究。

在沙漠边缘、沙漠绿洲过渡带和草原带草地灌丛化地区,风沙-植被相互作用尤为明显。当风沙输移时,细颗粒物质为植物定植和生长提供养分和水分[7],植物生长到一定程度又以覆盖地表、捕获沙物质和分散气流动能的方式影响风沙蚀积模式[22—23],风沙蚀积模式改变和植被生长状况差异使地表景观表现出明显的空间异质性[8]。因此,探明风沙与植被的相互作用关系,能为揭示沙区景观分异规律提供依据,进而与区域植被恢复和防风治沙工程相结合,为改善生态环境提供理论基础。基于此,本文选择库布齐沙漠南缘顺风向景观具异质性的平坦覆沙地块为研究区,其上依次分布新生油蒿、油蒿灌丛、老龄化灌丛沙堆。通过开展植被调查、风沙及沉积物粒度野外观测和室内分析,以期揭示风沙-植被相互作用,并对其景观效应作初步探讨。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原脊线北侧,西、北、东三面被黄河环绕,其主体呈东西向带状分布在黄河南岸阶地上,西、南部呈片状分布在鄂尔多斯剥蚀高原上(图1)[24—25]。研究区位于沙漠中部南缘季节性河流叭尓洞沟与布日嘎斯太沟之间的平坦覆沙地上,地理坐标为109°7′30″—109°8′10″E、40°14′20″—40°14′35″N,其地表自然景观以片状流沙和油蒿灌丛相间分布为特色[16]。该区属于温带大陆性干旱气候向半干旱气候的过渡带,冬季干冷多风、夏季炎热少雨。根据附近杭锦旗气象站多年(1998—2013年)观测数据统计分析,多年平均气温为7.3℃,且1月份平均气温最低(- 11.3℃),7月份平均气温最高(23℃),气温年较差34.3℃；多年平均年降水量289.9mm,主要集中在6—9月(占全年降水量的78.2%),降水年内分布不均(图2)；全年以偏西风为主,合成输沙风向为111.38°,总输沙势为201.60VU,属中风能环境且春季风沙活动最频繁(图3)。该区地带性土壤为棕钙土,非地带性土壤为风沙土和盐碱土；植被主要为油蒿(Artemisiaordosica)单优势种半灌木群落,还有一年生草本沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。

图1 研究区位置图

图2 研究区气象要素月变化

图3 研究区输沙要素月变化

1.2 试验方法

观测样地为薄层覆沙平坦地表,在部分裸露地表出现小砾石,坡度为2°。样地西侧叭尓洞沟是一条暂时性河流,观测期间为枯水期,形成干河床,有大量流沙滞留。

1.2.1 样方选取及植被、覆沙调查

在干河床下风侧平坦地表,沿顺风向布设调查样方,分别标注为B、C、D、E、F,且在各样方的南北两侧布设2个样方,即3组重复实验。同时,在上风侧裸地处布设一个参考样方,标注为A,样方布设位置如图4所示意。采用常规植被调查方法,用钢卷尺测量各样方内植株的冠幅、高度等指标,并以此计算各样方内植株的平均高度、植被盖度。重复3次使用差分GPS测量上风向裸地A与调查样方B、C、D、E、F的中心点高程,取平均值后将各点相对于A的高程差作为其覆沙厚度。

图4 观测样方布设图

1.2.2 风速及输沙率观测

运用EC9- 1型风杯风速仪开展风向、风速野外观测,数据采集间隔为5s(图5)。输沙量采集使用阶梯式集沙仪,高20cm,前部有10个进沙通道,集沙仪的进沙口中心距地面高度分别为1、3、5、7、9、11、13、15、17cm和19cm,且每个进沙口横截面是2cm×2cm(图6)。

图5 风向、风速观测实地图

图6 输沙观测实地图

在样方A处布设参考站,一组9个风杯和1个风向标测量其距地面0.2、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0m和4.0m的风速及4.0m高度风向。同时,在调查的5个样方内布设2组流动站,轮流观测距地面同样高度的风速,测得所有高度风速均用对应时段参考站4.0m高度处风速进行标准化(U(t,z)/Uc(t,4m))处理,计算公式[26]为：

Ur=U(t,z)/Uc(t,4m)

(1)

式中,Ur为t时段内的标准化风速,Uc(t,4m)为对应时段参考站4m高度无遮挡环境的平均风速(m/s),U(t,z)为各测点的平均风速(m/s)。

在顺风向A、B、C、D、E、F六个样方内同步进行3组输沙观测,每组集沙时间为30min,观测时段分别为15:40—16:10、16:10—16:40和16:40—17:10。采集的风积物用千分之一电子天平(精度0.001g)称重记录,并以观测高度内单位时间单位宽度的总输沙量表示输沙率。

1.2.3 沉积物粒度分析

不仅如此，行业总产值缓慢平稳的上升现象并非只出现在传统电台产业，据调查自2009年起，美国人民使用网络电台的平均时间从每周的6分钟增加到9分47秒，使用人数从2010年到2011年的一年时间里增长了近20%[7]。

采用“十字法”对样方A—F内表层3cm沉积物进行粒度采样,每个样方内均采集5个样品,以求平均。通过Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪对所采样品进行分析,以体积百分比记录。对于样品中粒径大于2mm的砾石,通过筛分法确定其质量百分比并对原始结果进行校正。根据福克-沃德公式[27],计算沉积物粒度参数,包括平均粒径(Mz)、分选系数(Sd)、偏度(Sk)、峰度(Kg)。

2 结果分析

2.1 地形与植被

研究区内地表景观具明显空间异质性且顺风向(西北—东南)呈规律性变化,总体上由无植被分布的裸沙逐渐过渡到零星分布的新生油蒿、均匀分布的多年生油蒿灌丛,再至斑块状的老龄化油蒿灌丛沙堆。图7是各样方(A—F)内相对高程及地表覆被变化,按照植被状况和地表覆沙厚度将各样方所在区域划分为裸沙区、植被区和灌丛沙堆区。裸沙区地表含零星砾石,长58.43m,参考样方A布设在此区；植被区长78.99m,顺风向由零星分布的新生油蒿逐渐过渡为多年生油蒿灌丛,灌丛底部无积沙体,但丛间地有少量砾石。其间,由样方B至D覆沙厚度逐渐增大,油蒿植株的平均高度和植被盖度也沿程增大,且至样方D处覆沙厚度和植被盖度达到整个样线内的最大值(分别为0.38m和38.2%)；灌丛沙堆区长104.75m,其间老龄化油蒿灌丛沙堆呈斑块状分布,丛间地有大片沙土裸露且积沙体被明显风蚀。与植被区均匀分布的油蒿灌丛相比,灌丛沙堆区(样方E、F)内沙堆分布较稀疏,植被盖度约为样方D处一半且由E至F减小,覆沙厚度也逐渐减小,植株平均高度无明显变化。在整个观测样线内,植被盖度呈先增大后减小趋势,植被带可依次划分为新生油蒿带-多年生油蒿灌丛带-老龄化灌丛沙堆带,地表覆沙厚度与植被盖度的变化趋势一致(表1)。

图7 观测样方相对高程及植被状况

2.2 粒度特征

粒度分析结果(图8,表2)显示,参考样方A的粒度频率曲线是宽平双峰态,众数粒径分别是7.5μm 和64μm,粒径级配以粉砂含量最高(49.988%),其次是极细砂(24.481%),平均粒径最细且分选性最差。样方B—F的粒径频率曲线均为呈近正态分布的窄单峰态,众数粒径在样方B—E处为100—160μm,F处为200—250μm。样方B—F各粒级含量均以粉砂为主,绝大部分含量超过87.991%,以细砂和极细砂为主(分别占39.104%—47.140%和26.704%—38.185%),粘土含量很低,仅占0.664%—1.068%。自样方B至样方D,粉砂及极细砂含量增加,中、细砂含量减少,平均粒径趋于变细,分选变好；自样方D至样方F,粉砂及极细砂含量减少,中、细砂含量增加,平均粒径变粗,分选变差。粒度特征的顺风向变化可能是近地表气流对风沙沉积物再分配的结果,且其变化趋势与植被盖度相反。

图8 观测样方沉积物粒径频率曲线

表2 各观测样方沉积物粒径级配和粒度参数

2.3 风向、风速

观测期间,参考样方4.0m高度处风向、风速如图9所示。主要为偏西风,风向集中在290°—310°,风速逐渐增大后趋于稳定,集中在7.0m/s—9.8m/s。

图9 观测期间风向、风速状况

各样方内风速廓线规律大体保持一致(图10)。样方A至D风速随高度增加而逐渐增大且符合对数分布规律,样方E和F在距地表0.3m以下风速随高度反而减小,其上则随高度增加而增大并符合对数分布。在整个观测样线上,除植被盖度最大的样方D以外,其他样方在4.0m高度时均恢复至旷野风速。

图10 观测样方风速廓线

通过对各观测样方的风速廓线拟合后外延至其风速等于零,得各样方地表的空气动力学粗糙度Z0,将其与同时段参考样方Z0相减即为各样方的零平面位移D。由于样方E和F的 0.2m高度处的风速偏离对数分布,故拟合时去除。结果显示(表3),各样方Z0相差很大,且自B至F沿顺风向不断增大(图11),零平面位移也不断增大。值得注意的是,植被区(B—D)和灌丛沙堆区(E—F)的Z0和D在区内逐渐增大,在两区之间急剧增大。

图11 各观测样方空气动力学粗糙度

表3 风速与高度之间对数关系 y=a+b Ln(x)的拟合系数及Z0、D

2.4 输沙率

2.4.1 输沙率垂线变化

根据3次输沙观测,得各样方内输沙率随高度变化图(图12)。总体上,随高度增加,输沙率减小,且在样方A、E、F内高度与输沙率呈良好的指数函数关系,相关系数R2均达到0.97以上,指数关系式为：

y=a·ebx

(2)

式中,y为输沙率,g cm-1min-1；x为高度,cm；a、b为回归系数。

相较于A、E和F,样方B、C、D分别在1—7cm、5—11cm和7—17cm高度范围内偏离指数函数关系,且指数公式相关系数略低(R2分别为0.944、0.865和0.889)。在整个输沙观测高度上,样方C、D的输沙率分别在0.4—1.7g cm-1min-1和0.2—1.7g cm-1min-1,这明显低于其他样方(图12)。

图12 各观测样方输沙率随高度变化

2.4.2 输沙率顺风向变化

图13是同流条件下顺风向不同覆被地表的输沙率变化。在整个观测样线内,输沙率沿程先减小后增大。顺风向由B至D,植被盖度逐渐增大,输沙率逐渐减小,至D处减至最小值7.1g cm-1min-1,表明风沙沉积物沿程堆积。样方C、D处的输沙率明显小于裸地A和新生油蒿零星分布的B处,且裸地A处输沙率(22.4g cm-1min-1)约为D(7.1g cm-1min-1)的3倍。样方D处输沙率最小但其覆沙厚度在整个样线内最大(1.9m),这可能一方面因为油蒿灌丛削弱地表风力,另一方面油蒿根系对沙物质有一定固结作用。

图13 输沙率沿程变化

3 讨论

根据叭尓洞沟道横断面气流场的观测结果显示,气流在东岸底部略微减速后顺陡坎爬升加速,至阶地面上风速最大且处于不饱和状态[28]。同时,气流将从干河床沿输沙沟槽搬运到东岸的沙物质[29]侵蚀并携带向下风向运动,当气流携沙量达到饱和时开始沉降,推测这可能是研究区地表由裸地向覆沙地过渡的主要原因。起初,薄层沙物质为油蒿定植提供条件,适量风沙堆积促进植物生长[30—31],同时均匀分布的油蒿灌丛捕沙能力增强,且有研究表明当植被盖度达到30%时沙物质处于连续堆积状态[32]。因此,此阶段风沙堆积与植物生长相互促进。但是,随沙物质的堆积厚度增加,当其深度超过油蒿耐沙埋限度时开始发生退化[33—34],灌丛出现斑块状分布。此时,风沙流在灌丛植株间堆积、在丛间地处侵蚀,故而风沙与植被间关系由协同增长转为相互抑制。两者作用关系的转变使单优势种油蒿半灌木的群落盖度、生长阶段和地表覆沙厚度沿顺风向变化,从而在景观尺度上表现出明显的空间异质性,在风沙输移和沉积物粒度特征上也呈现出规律性变化。

在植被均匀分布时,盖度增大使其削弱风动力的能力增强,同时增大了地表空气动力学粗糙度[7,35],从而降低了气流对地表的剪切力,并且均匀覆盖使裸露沙物质的面积减少,进而输沙率减小,沙物质沿程堆积；在斑块状分布时,由于丛间地的狭管效应明显,近地表风速增大且裸露丘间地为风沙输移提供物质[36—38],因而输沙率沿程增大,即地表发生侵蚀。此外,整个观测样线的地表沉积物均以细砂和极细砂为主,粉砂较少且几乎无粘土。究其原因可能是风沙与植被相互作用使近地表气流发生变化导致风沙沉积物被重新分配[39—40],较细的粉砂、粘土长距离悬移出样区而较粗的颗粒滞留下来[7,41—42]。这尤其体现在当从植被区向灌丛沙堆区过渡时,细砂和极细砂含量减少而粗砂和中砂含量增加。

除了沙漠边缘,风沙与植被相互作用在沙漠绿洲过渡带以及草原带草地灌丛化地区也较为明显[43—46]。在呼伦贝尔沙地平坦草地风蚀坑后积沙区,从丘间原生草地至坑缘,随覆沙厚度增大,植被由地带性草本植物演替为沙生木本植物且盖度增大[5]；还有学者在奇瓦瓦沙漠开展野外控制试验,多年连续观测结果显示完全清除植被使风蚀加剧的裸露区的下风侧逐渐由草优势种转变为灌木优势种[8—9],使顺风向景观呈现出草地、裸地、灌丛地的依次过渡。在草原生态系统中,因植物多样性丰富,风沙堆积促使植被向适应环境的方向演替,而本文研究区内油蒿半灌木显著优势生长,零星分布的短命植物沙米和虫实影响十分微弱,故仅表现出生长状况不同。由此可见,不同地区风沙流与植被相互作用的具体表现形式可能存在差异。

通过多年航空相片和遥感影像可发现,1998年时研究区被流沙覆盖,经2005至2012年景观发生明显变化并逐渐分异,到2016年这种分异格局未有明显改变(图14)。究其原因,可能一方面是区域风沙活动减弱(图15),一方面是植被发育使风沙和植被开始产生相互作用并维持动态稳定。根据研究区附近杭锦旗的气象数据显示,近20年间区域风速减小、降水增加,除2012和2014年以外未有大降水或大风事件发生,但整体年际间处于波动状态,这与Mason等[47]、Xu等[48]对毛乌素沙地、浑善达克沙地自70年代至今的降水、风况的研究结果一致。因此,推测可能打破这种相互作用关系、促使植被完全固定或流沙大量入侵的阈值还未达到,进而研究区内整体景观分异现象还将保持一段时间。但是,各年间的裸地区、植被区和灌丛沙堆区的相对位置会向上风向或顺风向移动。比如,在干燥、多风年际,充足的沙物质使从沟道爬升的气流在短距离内达到饱和而发生沉降,则裸地区范围缩短,植被区向上风向移动。

图14 研究区景观年际变化

图15 气象及输沙要素年际变化

综上,库布齐沙漠南缘风沙-植被协同增长与相互抑制关系和顺风向景观分异之间存在良好的一致性,但当气候变化时,这种一致性的整体趋向可能改变并对下风向产生影响。当风沙活动或植被盖度达到某一阈值时,风沙-植被相互作用维持的临界状态将可能被打破,进而导致干旱、半干旱地区景观发生演变,并且对于临界值的定量研究将在后续工作中进一步探究。

4 结论

根据分析结果及讨论,得出以下结论：

(1)在库布齐沙漠南缘干河床下风侧,风沙与植被相互作用变化导致顺风向景观的空间异质性,植被特征、风沙流结构和沉积物特征表现出明显的规律性变化,植被盖度和覆沙厚度先增大后减小,空气动力学粗糙度沿程增大,输沙率及沉积物平均粒径先减小后增大。

(2)从地表侵蚀区、风沙-植被相互促进区至抑制区,相应地表景观由裸地过渡为均匀分布的新生油蒿-油蒿灌丛和斑块状分布的灌丛沙堆,即裸地、植被区和沙堆区。

(3)干旱区景观尺度上的风沙-植被相互作用还引起沉积物理化性质及植物群落生态等各方面的异质性变化,有待进一步研究。