寧夏河?xùn)|沙地植被恢復(fù)防沙效益評價(jià)

寧夏河?xùn)|沙地植被恢復(fù)防沙效益評價(jià)

鹽池縣位于內(nèi)蒙古高原和洛杉磯高原之間的交匯處。屬典型的中溫帶大陸性氣候，多為干燥少雨，多為大沙。全境以荒漠草原和干草原為主,年均降雨量為293.1mm,年均蒸發(fā)總量為2403.7mm,遠(yuǎn)大于年降水量。干旱是鹽池地區(qū)自然災(zāi)害中最常見、影響范圍最廣、損失最大的災(zāi)害。3—5月降水總量僅51mm,占年降水總量的17.4%,是春季干旱、沙塵暴頻發(fā)的主要原因。如果連續(xù)3～5a出現(xiàn)重旱,干草原植被景觀發(fā)生退化性改變,沙化裸露面積大,伴生的沙塵暴天氣增多,對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和恢復(fù)影響很大。遙感調(diào)查顯示,鹽池縣天然草場主要以苦豆子、牛心樸子、甘草、白草、賴草、牛枝子、短花針茅、黑沙蒿、芨芨草、白刺、鹽爪爪等11大群落為主,總面積4023.93km2,占總面積的56.4%,人工草場面積為8.21km2,僅占總面積的0.12%。近年來,鹽池縣大力開展圍欄禁牧政策,開展了圍欄禁牧、草網(wǎng)格固沙、退耕還草、退化草場植被重建、封育+補(bǔ)播改良沙質(zhì)退化草場、適量營建人工檸條固沙飼料林等多項(xiàng)大面積試驗(yàn)與示范。在這些生態(tài)治理措施中,如何從抑制沙塵角度評價(jià)這些治理措施的效果,是本試驗(yàn)研究需要解決的問題。目前在生態(tài)環(huán)境治理評價(jià)中,大多數(shù)采用不同評價(jià)方式開展效益評估,生態(tài)效益價(jià)值化是效益評價(jià)量化的一種思路。有的從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三大效益方面構(gòu)建指標(biāo),有的涉及生物效益、土壤養(yǎng)分效益、小氣候效益、水文效益和經(jīng)濟(jì)效益等。資源的環(huán)境容量評價(jià)方面,有從土壤資源、水資源、氣候資源和經(jīng)濟(jì)因素方面的層次分析。從評價(jià)土壤退化與恢復(fù)角度,如土壤侵蝕與水土保持價(jià)值評估。在評價(jià)不同治理措施的效果方面,主要有土壤、微生物、生物多樣性、群落演替、水文、氣象、災(zāi)害等多個(gè)側(cè)面的研究,有些涉及遙感分類與評價(jià)。如龍健,鄧啟瓊等從土壤肥力演變角度評價(jià)了不同退耕還林方式,李文忠等用基于土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的土壤性質(zhì)函數(shù)評價(jià)不同退耕還林(草)對土壤質(zhì)量的影響。邵玉琴等研究了恢復(fù)草地和退化草地土壤微生物類群數(shù)量的分布特征。肖洪浪等從植被演替和生物多樣性角度研究了固沙42a土壤-植被系統(tǒng)演變。劉剛才等對耕地不同退耕模式的土壤侵蝕量和徑流量進(jìn)行了評價(jià)。張俊等利用SPOT衛(wèi)星遙感監(jiān)測了張北地區(qū)不同退耕還草類型和區(qū)域。在不同還林(草)模式與氣象研究方面,主要集中在降低沙塵暴影響、起沙風(fēng)速動(dòng)力模擬等領(lǐng)域。如草網(wǎng)格治沙的降低沙塵暴危害的事實(shí)。郝成元等研究了毛烏素沙地土地利用類型與沙漠化進(jìn)程的關(guān)系。此外,國內(nèi)多人研究了風(fēng)沙起動(dòng)規(guī)律、啟動(dòng)風(fēng)速。王洪濤等對風(fēng)沙流中風(fēng)速廓線開展了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),張克存等采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了自由沙面和草網(wǎng)格輸沙過程,并對風(fēng)速脈動(dòng)對各高度輸沙量的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。李振山、張琦峰采用理論計(jì)算與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)沙流的輸沙率沿程變化規(guī)律。上述研究從不同側(cè)面研究了不同生態(tài)恢復(fù)措施的效益。但在對沙塵暴的影響方面,雖然在理論上研究較多,也較深入,但各種生態(tài)治理措施難以搬到風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn),即使搬到風(fēng)洞中,也難以保證地表狀況與自然條件的一致性。因?yàn)闆Q定起沙狀況的因素除了土壤粒徑、孔隙度、粗糙度、障礙物等因素外,還與地表植被種類、覆蓋度、地表生物結(jié)皮、土壤濕度等因素有關(guān),移置到風(fēng)洞中難以保持沙面的自然狀況。為此,我們通過人工吹風(fēng)的方式,于2004年5月20—23日把自行設(shè)計(jì)的5個(gè)高度降塵接沙儀(0—200cm高度)和4臺(tái)內(nèi)蒙古農(nóng)牧大學(xué)生產(chǎn)的水平輸沙接沙儀(0—120cm)分別設(shè)置在自然裸露沙丘、低覆蓋度天然草場、圍欄禁牧的自然恢復(fù)草場、人工草方格沙丘治理結(jié)合飛播的生態(tài)恢復(fù)治理草地及原退耕還牧的復(fù)墾農(nóng)田上,開展不同垂直高度和不同距離的降塵試驗(yàn)和不同垂直高度的沙塵粒子截留試驗(yàn)。獲得不同植被覆蓋度下近地層不同垂直高度和水平距離的輸沙和沉降數(shù)據(jù)。證實(shí)了裸露沙丘土壤風(fēng)蝕最嚴(yán)重,防沙治沙以圍欄禁牧效果最好,其次為草網(wǎng)格治理,復(fù)墾農(nóng)田和流動(dòng)沙丘均容易起沙。雖然這些結(jié)果是在自然狀況下取得的,精度低,但各處理均處在自然狀況下,其影響可大部分歸到系統(tǒng)誤差內(nèi),各處理之間的比較具有一定的可信度。1不同環(huán)境帶沙點(diǎn)的人工吹沙試驗(yàn)及結(jié)果試驗(yàn)采用兩種儀器分別測定降塵與水平輸沙。降塵采用自行設(shè)計(jì)的10個(gè)降塵儀,每個(gè)制作成直徑25cm,高度20cm的鐵皮桶,內(nèi)部放置直徑1.2cm的玻璃球100～200個(gè),以防止空氣擾動(dòng)將已落入儀器里的沙塵卷出。水平輸沙采用內(nèi)蒙古農(nóng)牧大學(xué)生產(chǎn)的水平輸沙儀,該儀器在0—1.0m高度上分別設(shè)置24個(gè)高度的輸沙量截留口,后面配置細(xì)棉布袋,各高度和輸沙截留面積分別為5cm×1cm(0.01m、0.03m)、5cm×2cm(0.05m、0.08m、0.11m、0.14m、0.17m、0.20m、0.23m、0.26m、0.29m)、5cm×5cm(0.35m、0.40m、0.45m、0.50m、0.55m、0.60m、0.65m、0.70m、0.75m、0.80m、0.85m、0.90m和1.20m),該儀器可在上部風(fēng)向標(biāo)作用下始終正對著風(fēng)的來向。分別在自然沙丘、圍欄禁牧的自然恢復(fù)草場(自然植被)、人工草網(wǎng)格治沙結(jié)合飛播的生態(tài)恢復(fù)治理沙地及退耕還牧2a的復(fù)墾農(nóng)田上選擇具有代表性景觀的樣點(diǎn),設(shè)置人工吹沙試驗(yàn)。每個(gè)點(diǎn)的風(fēng)機(jī)采用2臺(tái)空中舞星,額定功率550W,轉(zhuǎn)速2800RPB,風(fēng)輪直徑32cm,風(fēng)葉4片,葉軸距地高度設(shè)計(jì)0.4m。塵降儀設(shè)置在風(fēng)機(jī)前方4m處,在距離地面0cm、50cm、100cm、150cm和200cm高度上各安置一個(gè)降塵接沙儀,以測定不同高度的降塵量;輸沙量測定儀也設(shè)置在距離風(fēng)機(jī)4m處,以測定不同高度輸沙量(圖1a)。為了解不同植被覆蓋度的下墊面不同水平距離的塵降量,在距離風(fēng)機(jī)1—5m處分別設(shè)置5個(gè)塵降儀,間隔1m,開口與地面齊平,并分別在每個(gè)塵降儀處設(shè)置手持風(fēng)杯,以確定風(fēng)機(jī)所制造的風(fēng)速(圖1b)。在4種生態(tài)景觀區(qū)域分別進(jìn)行吹沙試驗(yàn),每個(gè)處理連續(xù)吹風(fēng)2h,采用5支手持風(fēng)速儀,固定在相應(yīng)位置,每隔0.5h同時(shí)測定風(fēng)機(jī)至接沙儀之間的風(fēng)速變化。在每種下墊面距風(fēng)機(jī)不同距離的降塵試驗(yàn)設(shè)計(jì)吹沙1h,以研究不同下墊面的沙塵水平輸送距離。吹沙結(jié)束后,將各接沙儀截獲的沙塵用感量0.001g的天平稱重,獲得各處理高度和距離處的塵降量和輸沙量。將樣本帶回室內(nèi)分析沙塵粒子數(shù)和粒徑。2結(jié)果分析2.1野外吹沙試驗(yàn)圖2給出了在自然沙丘、圍欄草場的自然植被、草網(wǎng)格沙地治理和復(fù)墾農(nóng)田上分別開展的吹沙試驗(yàn)中離風(fēng)機(jī)不同距離處平均風(fēng)速的變化。其中,圖2a為塵降試驗(yàn),圖2b為輸沙試驗(yàn)。圖2表明,距離風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn),吹沙試驗(yàn)期間平均風(fēng)速越小,其風(fēng)速衰減與離風(fēng)機(jī)的距離呈非線性衰減。地表粗糙度越小,各處風(fēng)速越大。以自然沙丘吹沙試驗(yàn)為例(圖3),距風(fēng)機(jī)不同距離的風(fēng)速在吹沙期間出現(xiàn)的風(fēng)速脈動(dòng)是由自然風(fēng)速疊加造成的,在野外吹沙試驗(yàn)中,各點(diǎn)風(fēng)速實(shí)際上是風(fēng)機(jī)與自然風(fēng)速的疊加,因此試驗(yàn)選擇在背景風(fēng)速較小的天氣下進(jìn)行,且始終保持吹風(fēng)方向與自然風(fēng)向的一致性,以降低側(cè)風(fēng)造成的誤差。圖4為不同生態(tài)治理區(qū)域0—2m風(fēng)速隨高度的變化廓線。裸露沙丘地表粗糙度小,且沙丘頂部高于其他區(qū)域,風(fēng)速整體偏大。由于風(fēng)機(jī)孔徑較大,距離風(fēng)機(jī)4m處的風(fēng)速廓線接近自然風(fēng)速廓線,即風(fēng)速隨高度增高呈對數(shù)增大。2.2不同混交方式下植草護(hù)坡植被恢復(fù)2.3不同風(fēng)壓下的不同葉片沙門氏菌材平均凈氣粒徑見表12.4不同水平風(fēng)速下墊面為顆粒結(jié)構(gòu)的細(xì)胞性土壤如表2圖7是離風(fēng)機(jī)不同距離的地表降塵分布,可看出,復(fù)墾農(nóng)田和草網(wǎng)格沙地吹起的沙塵降落的較少,漂浮距離遠(yuǎn),而圍欄禁牧和裸露沙丘的地區(qū)塵降較大,漂浮的沙塵許多都降落到地表。一般來說,固定風(fēng)速的風(fēng)機(jī)吹不同的下墊面,沙塵降落的較近的粒徑大,質(zhì)量也較大,移動(dòng)、漂浮距離短,反之,沙塵降落較遠(yuǎn)的粒徑小,移動(dòng)或漂浮距離長。從不同水平距離塵降來看,復(fù)墾農(nóng)田和草網(wǎng)格沙地最大塵降發(fā)生在距離風(fēng)機(jī)1m處,表明這些類型的表層土壤被風(fēng)吹起的大粒徑比細(xì)小粒徑多,受地表粗糙度大的影響,漂浮距離短。而圍欄禁牧的地區(qū)最大塵降發(fā)生在距風(fēng)機(jī)2m處,裸露沙丘則在3m以上,說明隨著地表粗糙度的下降,表土中細(xì)小粒子占的比重加大,風(fēng)速衰減慢,塵降距離遠(yuǎn)。3沙區(qū)主要防治效果從這兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下幾個(gè)結(jié)論:1)裸露沙丘土壤風(fēng)蝕最嚴(yán)重,一旦地表植被遭到破壞,表層疏松土壤極易遭受風(fēng)蝕,成為荒漠化草場最豐富的沙源。農(nóng)田復(fù)耕、亂挖甘草或遭受嚴(yán)重旱災(zāi)等導(dǎo)致地表植被遭到嚴(yán)重破壞,均可引起沙塵源的增加。2)防沙治沙以圍欄禁牧效果最好,其次為草網(wǎng)格治理,復(fù)墾農(nóng)田和流動(dòng)沙丘均容易起沙。3)圍欄禁牧草場吹起的沙塵降落較快,草網(wǎng)格沙地塵降次之,復(fù)墾農(nóng)田塵降較少,大部分漂浮在空中。沙塵漂浮得越高,粒徑越小,質(zhì)量越輕。同樣的風(fēng)力下,圍欄禁牧草場吹起的沙塵粒子粒徑小,自然沙丘吹