毛乌素沙地东南缘沙柳（Salix psammophila）群落枯落物抗风蚀特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00138

毛乌素沙地东南缘沙柳（Salix psammophila）群落枯落物抗风蚀特征

袁小琴^,¹, 刘生权², 艾峰³, 张正³, 李强^,³, 蒋晋豫⁴, 石长春⁴

1.榆林市林木种苗工作站，陕西榆林 719000

2.榆林市林业工作站，陕西榆林 719000

3.榆林学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西榆林 719000

4.陕西省林业科学院，陕西西安 710082

Wind erosion resistance of litter of Salix psammophila community in the southeast edge of Mu Us Sandy Land， China

Yuan Xiaoqin^,¹, Liu Shengquan², Ai Feng³, Zhang Zheng³, Li Qiang^,³, Jiang Jinyu⁴, Shi Changchun⁴

1.Yulin Forest Seedling Workstation，Yulin 719000，Shaanxi，China

2.Yulin Forestry Workstation，Yulin 719000，Shaanxi，China

3.Shaanxi Key Laboratory of Ecological Restoration in Northern Shaanxi Mining Area，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi，China

4.Shaanxi Academy of Forestry，Xi’an 710082，China

通讯作者: 李强（E-mail： mr.li_qiang@163.com）

收稿日期: 2021-06-16 修回日期: 2021-10-14

基金资助:

国家自然科学基金项目.  41807521.  41907059.  41867015
陕西省林业科技创新计划专项.  SXLK2020-0205
陕西省青年科技新星基金项目.  2020KJXX-037

Received: 2021-06-16 Revised: 2021-10-14

作者简介 About authors

袁小琴（1975—），女，陕西米脂人，高级工程师，从事樟子松良种繁育和林木种苗生产管理E-mail：444394157@qq.com , E-mail：444394157@qq.com

摘要

地表枯落物是毛乌素沙地生态系统的重要组成部分，风蚀是影响枯落物蓄积量及再分配的重要因素。采用野外调查采样与室内人工模拟风洞试验相结合的研究方法，分析了沙柳（Salix psammophila）群落枯落物组分特征及其对土壤风蚀的影响。结果表明：（1）沙柳枯落物地表物质组成中枝和叶占比分别为56%和30%，且随着距沙柳基部距离的增大，枯落物量呈显著减小趋势；（2）随着沙柳枯落物量的增加，土壤流失量呈指数函数递减趋势，且以处理400 g·m^-2为临界值；（3）与叶相比，沙柳群落枯落物的枝部分在抗风蚀方面起着主导作用。

关键词： 沙柳（Salix psammophila） ; 枯落物 ; 土壤风蚀 ; 毛乌素沙地

Abstract

Surface litter is an important part of the ecosystem in Mu Us Sandy Land， and wind erosion is an important factor affecting litter volume and redistribution. In this paper， the characteristics of litter composition and its response to soil wind erosion of Salix psammophila community were analyzed by field investigation and indoor wind tunnel test. The results showed that：（1） Branches and leaves account for 56% and 30% of the surface material composition of Salix psammophila litter， respectively， and the litter biomass decreases significantly with the increase of the distance from the base of Salix psammophila （30-90 cm）. （2） The soil loss decreases exponentially with the increase of the litter biomass （200-800 g·m^-2）， especially with the treatment of 400 g·m^-2. （3） Compared with the leaves， the branches of Salix psammophila community litter play a leading role in wind erosion resistance. The research is expected to provide some scientific basis for vegetation construction and ecological reconstruction in Mu Us Sandy Land.

Keywords： Salix psammophila ; litter ; soil wind erosion ; Mu Us Sandy Land

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本文引用格式

袁小琴, 刘生权, 艾峰, 张正, 李强, 蒋晋豫, 石长春. 毛乌素沙地东南缘沙柳（Salix psammophila）群落枯落物抗风蚀特征. 中国沙漠[J], 2022, 42(1): 134-138 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00138

Yuan Xiaoqin, Liu Shengquan, Ai Feng, Zhang Zheng, Li Qiang, Jiang Jinyu, Shi Changchun. Wind erosion resistance of litter of Salix psammophila community in the southeast edge of Mu Us Sandy Land， China. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(1): 134-138 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00138

0 引言

毛乌素沙地横跨鄂尔多斯高原南部和黄土丘陵区北部，受西北风的长期作用，形成了丘间地、迎风坡、丘顶和背风坡等生境单元，是中国西北土地沙化的敏感区和生态系统的脆弱区^［1］。沙柳（Salix psammophila）属多年生灌木，根系发达，萌蘖力强，抗逆性强，抗寒抗旱耐贫瘠，固沙保土力强，是“三北”防护林的首选植被物种。据榆林市林业部门统计，以沙柳等为主的灌木林地为96万hm²，已经成为毛乌素沙地东南缘重要的抗蚀型植被群落之一。沙柳生长迅速，枝叶茂密，枯落物蓄积量大，沙柳群落枯落物成为毛乌素沙地生态系统的重要组成部分，并在提高土壤生物活性、防止生境破碎化等方面起着极为重要的作用^［2］。数十年的防沙治沙实践证实，沙生植物枯落物的迁移和再分配是伴随风沙活动同步进行的，是沙漠化正逆过程的体现，受到众多学者的广泛关注^［3-4］。

沙生植物枯落物是地表土壤-植物养分循环及土壤抗侵蚀能力的重要影响因素^［5-6］。毛乌素沙地沙柳地表枯落物分布形成以沙柳基部为中心，类同心圆、扇形或月牙形格局现象^［7］。基于此，研究风蚀区沙质土典型生境单元下沙生植物枯落物组分特征及其对土壤风蚀的影响，对北方风沙区沙生植被恢复及生态建设具有重要意义^［8-9］。为此，以沙柳群落枯落物为研究对象，采用野外调查采样与室内人工模拟风洞试验相结合的研究方法，分析了沙柳群落枯落物组分特征及其对土壤风蚀的响应，以期为北方风沙区沙生植被恢复及生态重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于毛乌素沙地东南缘（图1），属典型大陆性半干旱气候，地貌多为流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘，年降水量 406 mm，海拔1 115—1 200 m，年平均气温 6—8.5 ℃，年蒸发量1 300—2 500 mm。该区以西北风为主，春季风速最大（6.57—8.59 m·s^-1），平均为 7.24 m·s^-1［10］。土壤类型以风沙土为主，黏粒含量 0.83%，粉粒含量8.21%，沙粒含量90.96%，有机质含量2.0—3.5 g·kg^-1。植被以沙柳为主，伴生种有沙蒿（Artemisia ordosica）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、沙米（Agriophllum squarrosa）等。

图1

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图1 沙柳枯落物采样点分布

Fig.1 Distribution of Salix psammophila litters

1.2　样品采集方法

本研究采用条带法实地调查了毛乌素沙地东南缘沙柳群落枯落物分布特征。调查路线分为A、B、C等3条路线（图1）：①A线路鄂托克前旗→盐池→定边一线（西北东南向）；②B线路乌审旗→横山→榆林一线（西北东南向）；③C线路靖边→榆林→神木一线（南北向）。野外调查时间为2016年7月，调查点112个，其中重点采样点（与一般采样点的区别是补增采集对应样方内的土壤样品和生物结皮样品）4个。采样点选取典型沙丘地，调查采用10 m×10 m样带法（3个重复），详细记录采样点的经纬度、海拔、沙柳密度、植物物种等信息。然后，在沙丘的迎风坡的坡间地、坡中和坡上分别选取5—8株沙柳作为标准株。标准株的选择依据植株的株高、茎粗、生长势、分蘖数等指标相似原则进行。然后，基于枯落物空间分布与其性状紧密相关，为了收集代表性枯落物样品，利用20 cm×20 cm PVC材质样方框，沿着树冠由里向外每隔30 cm进行地表枯落物样品采集^［11］。土壤性质多点平均值见表1。收集枯落物样品时，首先将样方放置在选定位置，手掌轻轻压着样方框，而后用锋利的剪刀将斜串在样方框下的枯落物枝干沿着样方内边缘慢慢剪断，采用游标卡尺测定地表枯落物覆盖厚度以及枯落物-土壤复合体厚度，最后用手缓缓收集样方内枯落物，直至收集完全后装入布袋，并依次编号。

表1 采样点土壤性质

Table 1 Soil properties at sampling point

距树冠位置/cm	有机质 /(g·kg^-1)	有效氮 /(mg·kg^-1)	速效磷 /(mg·kg^-1)	速效钾 /(mg·kg^-1)
30	6.49±0.83	45.72±3.57	4.59±0.76	143.6±5.6
60	4.53±0.74	28.16±1.26	1.23±0.12	114.2±3.1
90	4.17±0.42	7.85±0.66	0.68±0.04	63.1±2.8

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1.3　室内土壤风蚀模拟试验

土壤风蚀模拟试验在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟风洞实验室完成（图2）。试验校正风速为11.2 m·s^-1，试验周期为15 min，代表毛乌素沙地的典型风事件^［12］。试验过程中，在集沙段从风洞底部自下而上每隔 3 cm留有一个1 cm×1 cm的采沙口，3个独立充分，共计30个采沙口。通过风蚀模拟前后试验槽的权重差计算土壤风蚀量。试验枯落物带回实验室，及时剔除石块等杂物后分拣出枝、叶、果实和其他4部分，分别称重作为鲜重（g）。然后，将枝、叶、果实及其他装入烧杯，置入80 ℃烘箱 24 h后再次称重，作为枯落物干重（g）。试验枯落物处理参考野外调研结果^［7］，设置为不同生物量（200、400、600、800 g·m^-2）和不同枝叶配比（2∶1、1∶1、1∶2、1∶4，总量均为400 g·m^-2）两部分。每个处理包括3个独立重复。

图2

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图2 风洞及模拟过程示意图

Fig.2 Diagram of wind tunnel and simulated process

1.4　数据分析

在Excel 2010和SPSS18.0软件下进行统计分析。沙柳群落枯落物地表物质组成是通过4个重点采样点，重复测定18个标准株来确定，数据采用平均值±标准误形式表示，差异显著性检验采用LSD法（P<0.05，双尾）。

2 结果与分析

2.1　沙柳枯落物组成特征

由图3可以看出，毛乌素沙地沙柳枯落物地表组成以枝、叶为主，分别占总枯落物的56%和30%，其次为果实和其他部分。此外，随着距沙柳基部距离的增大（30—90 cm），枯落物量呈显著减小趋势（图4）。与采样点30 cm处相比，90 cm处的枝、叶、果和其他分别减少41.9%、20.7%、34.2%和32.1%。

图3

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图3 沙柳枯落物组分占比

Fig.3 Proportion of Salix psammophila litter components

图4

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图4 采样点沙柳枯落物组分特征

Fig.4 Composition characteristics of Salix psammophila litter at sampling point

2.2　沙柳枯落物对土壤风蚀的影响

与对照相比，沙柳枯落物量由200 g·m^-2增加到800 g·m^-2，土壤风蚀量由40.8 kg·m^-2降至1.56 kg·m^-2，呈现出指数函数递减的趋势（图5）。值得注意的是，土壤风蚀量在枯落物量200—400 g·m^-2处理间差异较大，而在枯落物量400—800 g处理间差异不显著，说明枯落物量为400 g·m^-2能显著降低土壤风蚀量。当枯落物量为200、400、600、800 g·m^-2时，土壤风蚀量分别比对照土壤风蚀量减少37.4%、96.2%、96.6%、97.5%。

图5

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图5 枯落物量对土壤风蚀的影响

Fig.5 Effect of litter biomass on wind erosion

2.3　沙柳枯落物枝叶配比对土壤风蚀的影响

由图6可以看出，土壤风蚀量按枝叶比2∶1、1∶1、1∶2、1∶4的顺序逐渐增大。枝叶比2∶1和1∶1时，土壤风蚀量无统计学显著差异，枝叶比从处理1∶1到1∶2、1∶4时，即随着枝部分的减少、叶部分的快速增加，土壤风蚀量从0.02 kg·m²增至14.1 kg·m²，呈指数型快速增加趋势。与叶相比，沙柳群落枯落物的枝部分在抗风蚀方面起着主导作用。

图6

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图6 不同枝叶比处理的风蚀量变化

Fig.6 Variation of wind erosion under different branch leaf ratio treatments

3 讨论

毛乌素沙地的生态修复工作关乎中国北方防风固沙屏障的安全与可持续，也是众多专家学者关注的热点地区^［13-14］。在干旱半干旱地区，风力影响下沙柳枯落物的再分配是物质和营养元素在坡面空间的二次分配，这一过程加剧了不同生境间的空间异质性，在一定程度上影响了区域内植被-土壤系统的物质周转^［15-16］。植物枯落物量是影响地表土壤生态功能发挥的重要因素，尤其在干旱半干旱地区作用更加突出^［17-18］。例如，王乐等^［19］通过分析宁夏荒漠草原1958—2017年生态系统变化，发现灌丛化后生态系统的枯落物碳增加了1.76倍。还有研究表明，植物枯落物与地表土壤持水性显著相关，是草地生态功能发挥的关键要素^［20-21］，枯落物的不同组分对土壤侵蚀的影响也存在差异^［22-23］。笔者前期研究发现枯落物是毛乌素沙地生态系统的重要组成部分，受西北风力的长期作用沙柳枯落物分布以沙柳基部为中心，近似存在同心圆、扇形和月牙形格局现象^［24］。本研究采用野外调查采样与室内人工模拟风洞试验相结合的研究方法，发现沙柳枯落物地表物质组成中枝和叶占比分别为56%和30%，且随着距沙柳基部距离的增大（30、60、90 cm），枯落物量呈显著减小趋势。毛乌素沙地恶劣的生态环境本底与贫瘠的下垫面严重影响了植被自然更新与演替过程，低的生态承载力使得植被呈斑块镶嵌分布格局，多年生植物个体基部常形成隆起的土堆^［25］。本研究通过人工模拟风洞试验，发现随着沙柳枯落物量的增加（200—800 g·m^-2），土壤风蚀量呈指数函数递减趋势，且以处理400 g·m^-2为临界值，这一结果与前人研究认为沙地轻物质果叶的迁移是影响凋落物空间分布的主要因素相吻合^［26-27］。本研究还发现，与叶相比，沙柳群落枯落物的枝部分在抗风蚀方面起着主导作用，随着枝部分的减少、叶部分的快速增加，土壤风蚀量呈指数型增加趋势。可见，从抗蚀角度出发，毛乌素沙地沙柳群落存在最优生物量临界值，且地表的物质组成中与叶相比，沙柳群落枯落物的枝部分在抗风蚀方面起着主导作用，这一结果为北方风沙区沙生植被恢复及生态重建提供一定的科学支撑。

4 结论

毛乌素沙地东南缘沙柳群落枯落物的地表物质组成中枝和叶占比分别为56%和30%，且随着距沙柳基部距离的增大（30、60、90 cm），枯落物量呈显著减小趋势，90 cm处的枝、叶、果和其他与30 cm处相比分别减少41.9%、20.7%、34.2%和32.1%。在模拟风洞试验中，随着沙柳枯落物量的增加，土壤风蚀量呈指数函数递减趋势，枯落物量200、400、600 g·m^-2和 800 g·m^-2的土壤风蚀量分别比对照土壤风蚀量减少37.4%、96.2%、96.6%和 97.5%。以处理400 g·m^-2为临界值；在不同沙柳枯落物组分抗风蚀试验中，与叶相比，沙柳群落枯落物的枝部分在抗风蚀方面起着主导作用。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

闫峰，吴波.

近40 a毛乌素沙地荒漠化过程研究

［J］.干旱区地理，2013，36（6）：987-996.