駱駝刺和白花柴灌木沙堆形態特征及其阻沙能力

綠洲是沙漠地區社會和經濟的中心。受自然因素和人類活動的共同影響，綠洲通常面臨干旱、沙堿、鹽堿、土壤貧瘠、污染等環境問題，引起人們的關注。綠洲內部的穩定性在很大程度上取決于其外圍——綠洲與沙漠過渡帶的狀態。在過渡帶受綠洲化和沙漠化兩種生態過程的影響,往往出現灌叢沙堆和荒漠植被共存的景觀。灌叢沙堆是風沙流遇到灌叢阻攔,沙物質在灌叢及其周圍堆積從而形成的一種地貌景觀,對于防治流沙入侵綠洲、保護綠洲環境的穩定具有重要意義。多數學者認為,灌叢沙堆的形成與發育是植被與環境相互作用的結果,植被、風況和沙源是影響其形成演化的主要因子。在外界條件基本相同的情況下,植被可以成為沙堆形態發育的決定性因素,植物的外形、密度和生長特性影響灌叢沙堆的形態和發育過程。一定環境條件下,可以通過植物周圍沉積的積沙量(即沙堆體積)及群落輸沙率來衡量植物單株與群落的阻沙能力,但受植物冠層形態、莖枝柔韌性、葉面積以及生物量分配模式等因素的影響,相同區域環境條件下不同植物種類及同種植物不同物候期內其阻沙能力存在一定差異。疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)和花花柴(Kareliniacaspica)是策勒綠洲-沙漠過渡帶的兩個建群種草本植物,在過渡帶防沙固沙功能中發揮著重要作用。近50a來,由于過渡帶自然植被遭到嚴重破壞,綠洲生態系統受到沙漠化的嚴重威脅。研究植物阻沙能力的差異狀況,對于理解不同物種與風沙活動的相互作用過程及實現區域生態恢復與重建具有重要意義。本文以此區域內疏葉駱駝刺和花花柴為研究對象,分析兩個建群種植物和沙堆形態特征及其相互關系,揭示兩種植物阻沙能力的差異及其對綠洲的保護作用。1區域剖面與研究方法1.1過渡帶自然植被組成研究區位于塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲-沙漠過渡帶,介于80°03′～82°10′E,35°17′～39°30′N。氣候類型屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候,多年平均氣溫11.9℃,1月平均氣溫-11.7℃,7月平均氣溫25.2℃,極端最高氣溫41.9℃,極端最低氣溫-23.9℃,≥10℃積溫4340℃;多年平均降水量35.1mm,年潛在蒸發量2595.3mm,干燥度20.8。這里風沙活動頻繁,以偏西風為主,占62.43%～76.25%,年平均風速1.9m·s-1,春夏多大風,大于8級大風日數40d。土壤以風沙土和棕漠土為主,物質組成以極細砂和粉砂為主,質地輕,粒徑細,易形成風沙流。過渡帶自然植被種類組成單調,主要為疏葉駱駝刺、花花柴和多枝檉柳(Tamarixramosissima)。疏葉駱駝刺為豆科多年生木質化草本植物,多分枝,莖枝灰綠色,有針刺;單葉互生,寬倒卵形或近圓形;多成叢生長,外形近半球狀。花花柴為菊科多年生草本植物,莖粗壯,多分枝;葉基部抱莖,卵形或長圓形,具肥厚肉質化特點。由于風沙干擾頻繁,兩種植物均伴有大小不等的灌草叢沙堆發育。1.2計算參數結果在野外調查的基礎上,于2011年10月初在策勒綠洲西北部的過渡帶確定500m×100m樣地,隨機選取相對獨立的疏葉駱駝刺沙堆和花花柴沙堆各67個,用卷尺分別測量了灌草叢株高(h)、冠幅長度(l)、冠幅寬度(w)、沙堆高度(SH)、沙堆長度(SL)、沙堆寬度(SW),其中冠幅長(l)為沿主風向的灌叢長度,冠幅寬(w)為垂直主風向的灌草叢寬度。在以上參數的基礎上,計算植株高度(H)、冠幅面積(a)、灌叢體積(v)、沙堆底面積(SA)、沙堆體積(SV)、單位冠幅面積阻沙體積(Va)。其中植株高度(H)為沙堆高度(SH)與灌叢地面株高(h)之和,冠幅面積(a)以橢圓估算,灌叢體積(v)以橢球體估算,沙堆底面積(SA)以橢圓估算,沙堆體積(SV)以半橢球體估算。分析不同植物類型灌叢沙堆特征參數間的相關關系,對各參數之間的關系根據相關系數|r|的大小進行分級:當|r|﹤0.3時,為微弱線性相關;當0.3≤|r|≤0.5時,為低度線性相關;當0.5﹤|r|≤0.8時,為顯著線性相關;當|r|﹥0.8時,為高度線性相關。最后對沙堆底面積SA和沙堆體積SV分別與植株高度H和冠幅面積a進行回歸,分析相應灌叢植物的阻沙效應。數據計算分析在Excel及SPSS16中進行,分析結果在Excel中繪制成圖。2結果與分析2.1兩種植物生長的形態特征統計分析結果顯示(表1),疏葉駱駝刺灌叢平均高度為56.8cm,平均冠幅135.8cm×140.5cm,平均灌叢體積796893.3cm3;花花柴灌叢平均高度為60.8cm,平均冠幅108.7cm×109.0cm,平均灌叢體積443845.2cm3。總體而言,兩種灌叢植物的地面株高相差不大,但駱駝刺灌叢的冠幅及灌叢體積較花花柴灌叢大很多。另外,駱駝刺灌叢特征參數的變異程度也較花花柴灌叢大。從兩種植物形成的沙堆形態特征看,駱駝刺沙堆平均高度為38.4cm,長軸平均長度為139.4cm,短軸平均長度為118.5cm,沙堆基座的長短軸之比為1.18∶1的近橢圓形,沙堆底面積為15158.7cm2,沙堆體積平均為606600.4cm3;花花柴沙堆平均高度為40.1cm,長軸平均長度為115.1cm,短軸平均長度為98.3cm,沙堆基座的長短軸之比為1.17∶1的近橢圓形,沙堆底面積為9156.7cm2,沙堆體積平均為300784.9cm3。兩種灌叢植物形成的沙堆基座均為近橢圓形,且沙堆平均高度相差不大,但駱駝刺沙堆的底面積及沙堆體積顯著大于花花柴沙堆,這在一定程度上表明駱駝刺灌叢的阻沙防護效應要大于花花柴灌叢。2.2株高、冠幅面積及沙堆體積的線性關系從相關分析的結果來看(表2),灌叢沙堆和植物形態特征參數中,灌叢植物地面植株高度與沙堆的形態參數之間的相關關系較弱,駱駝刺和花花柴分別表現為低度和微弱的線性關系,其他參數與沙堆形態參數之間的相關關系顯著。其中,駱駝刺灌叢沙堆底面積與植株高度、冠幅面積、冠幅體積的相關系數分別為0.776、0.880、0.819,表現為顯著或高度線性相關,沙堆體積與植株高度、冠幅面積、冠幅體積的相關系數分別為0.808、0.871、0.869,表現為高度線性相關;花花柴灌叢沙堆底面積與植株高度、冠幅面積、冠幅體積的相關系數分別為0.488、0.721、0.677,表現為低度或顯著線性相關,沙堆體積與植株高度、冠幅面積、冠幅體積的相關系數分別為0.619、0.740、0.685,表現為顯著線性相關。灌叢植物單位冠幅面積的阻沙體積與植被特征參數間的相關性因植物而異,駱駝刺灌叢表現為顯著相關,花花柴灌叢則表現為不相關。2.3冠幅面積變化在相關分析的基礎上,對兩種植物灌叢沙堆底面積SA及體積SV分別與植株高度H和冠幅面積a進行回歸分析,得出擬合方程(圖1)。可以看出,兩種植物灌叢沙堆的底面積隨植株高度和冠幅面積的增加均呈線性增加;沙堆體積隨植株高度的增加呈冪指數增加;隨冠幅面積的增加呈線性增加。為了進一步分析沙堆底面積及體積隨灌叢植株高度和冠幅面積的增長趨勢,對擬合方程進行求導,對比沙堆底面積及體積的增加幅度,結果表明,駱駝刺灌叢沙堆的底面積及體積的增長幅度較花花柴大,但不同植物生長階段,兩種灌叢植物的阻沙能力具有一定的差異,當植株高度小于60cm,冠幅面積小于1.0m2時,駱駝刺的阻沙效應較花花柴小,當植株高度大于65cm,冠幅面積大于1.6m2時,駱駝刺灌叢的阻沙能力較花花柴而言顯著增大。3植物阻沙特性極端干旱區綠洲-沙漠過渡帶是最脆弱、最不穩定的生態系統類型之一,其中灌叢植物對于抵御和減少綠洲內部風沙、干熱風等自然災害,防止流沙向綠洲內部侵襲起著十分重要的作用。風沙環境條件下,植被對灌叢沙堆形態建成具有決定性作用,植被通過覆蓋地表、分解風力以及阻截風沙等途徑,改變近地面流場,影響近地表沙物質的重新分配,進而影響沙堆形態。從植物形態以及形成沙堆形態的差異,可以初步衡量不同植被阻沙能力的強弱。策勒綠洲-沙漠過渡帶疏葉駱駝刺和花花柴地面植物冠幅平均高度相差不大,約為60cm,但冠幅面積和冠幅體積均表現為駱駝刺大于花花柴;在灌叢沙堆形態方面,兩種植物沙堆平均高度(約為40cm)相近,但沙堆底面積及體積存在顯著差異。已有研究表明,植物阻沙能力是植物地上部分與地下部分共同作用的結果,受地上形態結構、粗糙元密集度及群落配置等多種因素的影響。區域環境條件下,不同物候期植物體的冠層形態、莖枝柔韌性、葉面積等的差異也會影響到植物的阻沙性能。駱駝刺植物根冠比大,根系呈網狀分布,地上部分分枝叢狀密集分布,莖枝柔韌性好,受風力作用時不易折斷,阻滯風沙作用大、范圍廣。花花柴植物的資源分配絕大部分給了地上器官,其葉呈肉質肥大而莖稈粗壯質脆,強的風打沙割會輕易折損地上部分。在其生長早期具有較強的阻沙效果,但是隨著冠幅的持續增大,往往會形成密不透風的“墻堵”效應,而加劇樹冠下及旁側的地表風蝕,加上其根系固著力差,進而影響阻沙效果。這也是兩種植物在不同生長階段阻沙能力不同的主要原因。對單個灌草叢而言,駱駝刺的平均冠幅面積(18198.5cm2)及側影面積(7980.4cm2)均大于花花柴(分別為10244.3cm2和6627.2cm2),由植被覆蓋和粗糙元密集度與風蝕輸沙率的定量關系可知,駱駝刺對地表風蝕輸沙的防護效應較花花柴好。灌叢沙堆是灌叢植物與風沙環境相互作用的產物,大量研究表明,灌叢植物和沙堆形態之間存在緊密的聯系。Hesp認為,沙堆高度主要取決于草叢寬度和沙子休止角,沙堆長度主要取決于草叢寬度和風速,而與草叢高度的關系不大。El-Bana等發現,沙堆高度、沙堆寬度、沙堆底面積與植物密度、冠幅面積存在顯著線性相關關系。Tengberg等發現,棗蓮(Ziziphuslotus)沙堆水平尺度與整個灌木高度間存在顯著線性關系,沙堆高度與冠層高度間無明顯關系。Zhang等發現,藏錦雞兒(Caraganatibetica)沙堆體積與灌叢體積之間存在顯著線性關系,唐艷等在對毛烏素沙地南緣3種灌草叢阻沙能力的研究也得到了類似的結果,并且發現不同植被灌叢形態與沙堆形態之間的相關關系存在差異。賈麗娜等發現,沙生植物群落主要形態參數與沙堆長度和攔沙面積顯著相關,不同植物種的阻沙能力隨著冠幅面積和植株高度的增加呈不同增加趨勢。本研究中,兩種植物灌叢與各自沙堆形態參數間的相關關系具有一定的差異性,駱駝刺沙堆高度與地面冠幅高度間表現為顯著線性相關,而花花柴僅表現為低度線性相關;沙堆底面積和體積與植物冠幅面積和灌叢體積之間,駱駝刺沙堆表現為高度線性相關,花花柴表現為顯著線性相關;沙堆底面積和體積與植株高度之間,駱駝刺分別表現為顯著和高度線性相關,花花柴表現為低度和顯著線性相關。沙堆底面積隨植株高度和植物冠幅面積的增加呈線性增加,