莫高窟顶防风固沙林带群落结构及防风固沙功能演变特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00132

莫高窟顶防风固沙林带群落结构及防风固沙功能演变特征

赵元^,¹, 詹鸿涛²^,³^,⁴, 贾荣亮⁵, 邱飞²^,³^,⁴, 张萍¹, 张国彬^,²^,³^,⁶

1.宁夏大学林业与草业学院/林木资源高效生产全国重点实验室，宁夏银川 750021

2.甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃敦煌 736200

3.国家古代壁画与土遗址保护工程技术中心，甘肃敦煌 736200

4.敦煌研究院文物保护技术服务中心，甘肃兰州 730000

5.中国科学院西北生态环境资源研究院干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室/沙坡头沙漠研究试验站，甘肃兰州 730000

6.敦煌研究院，甘肃敦煌 736200

Community characteristics and windbreak-sand fixation effectiveness of the shrub shelterbelts atop the Mogao Grottoes

Zhao Yuan^,¹, Zhan Hongtao²^,³^,⁴, Jia Rongliang⁵, Qiu Fei²^,³^,⁴, Zhang Ping¹, Zhang Guobin^,²^,³^,⁶

1.College of Forestry and Prataculture / State Key Laboratory of Efficient Production of Forest Resources，Ningxia University，Yinchuan 750021，China

2.Gansu Provincial Research Center for the Protection of Dunhuang Cultural Heritage，Dunhuang 736200，Gansu，China

3.National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites，Dunhuang 736200，Gansu，China

4.Dunhuang Academy Preservation Technology Service Center，Lanzhou 730000，China

5.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands / Shapotou Desert Research and Experiment Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

6.Dunhuang Academy，Dunhuang 736200，Gansu，China

通讯作者: 张国彬（E-mail： zhanggb@dha.ac.cn）

收稿日期: 2025-06-04 修回日期: 2025-08-28

基金资助:

中国敦煌石窟保护研究基金会（2024年）项目

甘肃省科技重大专项. 24ZDFF001
甘肃省自然科学基金项目. 23JRRA650

Received: 2025-06-04 Revised: 2025-08-28

作者简介 About authors

赵元（2000—），女，山西大同人，硕士研究生，主要从事干旱区生态学研究E-mail：12023131625@stu.nxu.edu.cn , E-mail：12023131625@stu.nxu.edu.cn

摘要

为探究风沙环境下防护林带的结构演变及其对文物保护的长期效益，本文以莫高窟顶典型防护林带为对象，采用“空间代时间”方法，系统调查了建植于1993年（建植31 a）、1999年（建植25 a）、2011年（建植13 a）的林带及对照流沙区（以建植0 a计），评估其群落结构、防护效益与植被特征的时序演变规律。结果表明：（1）随着建植年龄延长，林带结构趋于复杂，灌木多样性增加，草本植物呈先增后减趋势，群落多样性（Shannon-Wiener指数）依次为31 a > 25 a > 13 a > 0 a；（2）林带高度、盖度、多度表现为先升后降，以建植25 a林带最优，疏透度则持续下降，表明其防风能力增强；（3）防护效益呈先强后弱趋势，建植25 a林带在小气候改善、防风能力和抑沙效果方面表现最佳；（4）主成分分析显示林带高度与盖度与防护效益正相关，疏透度与积沙高度负相关，表明林带结构对生态功能的决定作用。研究揭示了防护林演替过程中的关键转折点，应依据建植年龄和结构特征，优化物种配置，适时开展抚育管理，以延缓退化、增强稳定性和持续性。

关键词： 莫高窟 ; 防护林演变 ; 林带结构 ; 防风固沙效益

Abstract

This study investigates the structural evolution of protective forest belts and their long-term benefits in safeguarding cultural relics within wind-sand environments. Focusing on the protective forest belt atop the Mogao Grottoes， the research employs the "space-for-time substitution" method to systematically examine forest belts and their quicksand control areas established in 1993， 1999， and 2011. The study evaluates the temporal evolution of community structure， protective benefits， and vegetation characteristics. The findings revealed several trends in the development of the forest belt over time. （1） As the planting years increased， the forest structure became more complex， with an increase in shrub diversity and a pattern of initial increase followed by a decrease in herbaceous plant diversity. The community diversity， as measured by the Shannon-Wiener index， was highest in the 31-year-old forest， followed by the 25-year-old， 13-year-old， and shifting sand areas. （2） The height， coverage， and abundance of the forest belt first increased and then decreased， with the 25-year-old forest exhibiting the optimal characteristics. The porosity of the forest belt continued to decrease， suggesting an enhancement in its wind-blocking capabilities. （3）The protection benefits exhibited a temporal pattern of initial strength followed by diminished effects. The 25-year-old forest belt demonstrated the most robust performance in enhancing microclimate， providing windbreak， and suppressing sand movement. （4）Principal component analysis revealed that the height and coverage of the forest belt were positively associated with the protection benefits， while porosity was negatively correlated with the height of sand accumulation. These findings underscore the critical role of forest belt structural characteristics in determining its ecological functions. The study identified pivotal moments in the succession of shelter forests and suggested optimising species allocation based on planting years and structural traits. It emphasised timely management to delay degradation and enhance stability and sustainability.

Keywords： Mogao Grottoes ; evolution of shelter forest ; shelterbelt structure ; effect of wind-breaking and sand-fixation

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本文引用格式

赵元, 詹鸿涛, 贾荣亮, 邱飞, 张萍, 张国彬. 莫高窟顶防风固沙林带群落结构及防风固沙功能演变特征. 中国沙漠[J], 2025, 45(5): 350-359 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00132

Zhao Yuan, Zhan Hongtao, Jia Rongliang, Qiu Fei, Zhang Ping, Zhang Guobin. Community characteristics and windbreak-sand fixation effectiveness of the shrub shelterbelts atop the Mogao Grottoes. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(5): 350-359 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00132

0 引言

在干旱半干旱地区，人工防护林带的建设有效地减弱风速、固定流沙、改善土壤、调节小气候，提升生态稳定性和土地利用效率^［1-2］。在文物保护区内，防护林带通过阻挡风沙入侵、调节微气候，有效减缓风蚀与气候波动对壁画和彩塑的破坏，构建起文物安全的重要生态屏障^［3-4］。当前，全球约有20%的文物古迹处于风沙侵蚀严重的干旱与半干旱地区，受气候变化与人类干扰双重影响，文物保护面临严峻挑战^［5-6］。风沙侵蚀不仅直接损毁文物结构，还通过改变局地热湿环境，加速壁画与建筑材料的老化与劣化^［7-10］。为应对上述问题，防护林带作为稳定生态因子的长期防线，已成为文物区防风固沙的关键手段^［7］。1992—1993年，针对莫高窟窟顶风沙入侵问题，选用耐寒抗旱乡土灌木构建两条人工防护林带，年积沙量超7 000 m³，入沙量减少约60%^［11-12］。2011年进一步增设3条林带，结合滴灌系统建成植物固沙面积达110 160 m²，防护成效显著提升。然而，现有研究集中于林带早期防护能力评估，较少关注防风林防风固沙功能的时空演变过程以及防护林带防效的长期稳定性。这是文物区生态保护系统构建中亟须深入研究的核心问题^{［7-8，13］}。

已有研究主要关于林带的基础防风效果与土壤风蚀控制^［13-19］，并在林带密度、树种组合和空间布设等方面提出优化策略^［20-23］。例如，风洞实验显示紧密型林带在近地层防风效果优于疏透型结构，而复合型林带则可在兼顾防风与导沙之间实现较优平衡^{［20，24-25］}。部分研究还从林带对微气候的调节角度出发，指出林带可降低区域风速与温度波动，为文物营造更稳定的保存环境。尽管如此，文物保护区林带在不同演替阶段的结构动态及其对防护效益的反馈机制仍缺乏系统探讨，特别是关于林带结构与其防护功能之间的耦合关系尚未明确。事实上，林带防护能力具有明显的时间演变特征。建植初期，由于植株尚小、结构稀疏，其防护效能有限^{［9，26-28］}。随着林木生长，林带逐步形成稳定的垂直层次结构，可增强对风沙的阻挡与削减作用^［28-29］。但在长期自然演替与人为干扰影响下，林带可能出现生长退化、病虫害、缺口等问题^［30］，致使其结构完整性与生态功能同步下降^{［29，31-32］}。即防护林带的空间结构和防护效益会随时间演变发生相应变化，这一过程为文物保护成效带来了许多未知^［33-34］。因此，开展林带结构参数的长期量化研究，并结合风沙动力学原理评估其防护效益变化，对提升文物保护林带的稳定性与持续性具有重要意义。

本研究聚焦于干旱区文物保护区的防风固沙林带生态功能，以敦煌莫高窟顶林带为例，系统分析了随着演替时间延长林带结构特征（如高度、疏透度）与防护效益（如风速削减、小气候调节）之间的关联机制，探讨了林带在不同发育阶段的结构演变及其生态响应，旨在为文物区林带的结构优化与生态管理提供科学依据与技术支撑。

1 研究区概况与方法

1.1　研究区概况

研究区位于敦煌盆地东南缘莫高窟顶防护体系内，属温带大陆性沙漠气候，年平均气温10.6 ℃，降水稀少。年平均风速3.67 m·s^-1，最大风速达15.46 m·s^-1（2月），风速超过6.99 m·s^-1的频率为4.86%。主要输沙风向为偏南、偏西北和偏东北，输沙势在201.83~360.98 VU。莫高窟防护林带自1992年试种，1993年建成首条800 m林带，主要灌木为梭梭、柠条、花棒、沙拐枣及柽柳。1999年扩展为两条1 850 m林带，每条6行，株行距2 m×2 m，每公顷167.01株。2011年增建3条2 100 m林带，采用梭梭、柠条、花棒和沙拐枣，每条4行，行距1.5 m、株距2 m，每公顷222.51株（图1）。林带采用滴灌方式，每株配2个流量为4 L·h^-1的喷头，每次灌溉2.5 h，单株灌水量为20 L。老林区年灌溉期为4月20日至10月10日，每7天轮灌一次，共24次；新林区为4月20日至10月15日，每10天轮灌一次，共18次。

图1

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图1 研究区概况及样地布设

Fig.1 Overview of the study area and sample plot layout

1.2　研究方法

1.2.1　研究区林带设置

根据固沙林带建植年龄的差异，选取3条具有代表性的防护林带作为研究对象，分别为1993年建植林带（建植31 a）、1999年建植林带（建植25 a）和2011年建植林带（建植13 a），同时以未进行人工干预的流动沙丘作为对照（CK，建植年龄按0 a计）。在每一建植年龄林带中，沿林带长度方向设置30条随机样带（其中1993年建植林带分为5个样带，1999年建植林带分为15个样带，2011年建植林带分为10个样带），每条样带长度为100 m，用以开展相关生态与防护效益的调查与监测。

1.2.2　样地调查

灌木层调查采用样带法，记录样地内所有灌木的种类、株数、灌高和冠幅，胸径使用胸径尺测量（精确至0.01 m）。草本层调查采用“五点取样法”，设置1 m×1 m样方，记录各草本物种的种类、株数、高度及盖度，平均高度用卷尺测量（精确至0.1 m）。疏透度测定采用Photoshop软件。将迎风方向拍摄的群落照片导入软件，选取灌木群落区域，灰度处理后用魔棒工具识别孔隙，计算孔隙像素数与总像素数的比值，得出群落疏透度。防护效益监测于2021年在莫高窟顶设4个气象站（图1E），分别位于1993、1999、2011年建植林带及流动沙丘区域，观测高度为2 m，每10 min自动采集风速、温湿度数据，监测点位设于林带前缘2 m处。积沙高度测定采用塔尺法，在样方东、南、西、北4个边界处竖立塔尺，于沙堆最高点（不含植被高度）拉绳测距，记录绳与塔尺交点高度，取四方向均值作为积沙平均高度。

1.2.3　数据分析方法

灌木物种的重要值通过综合其在样地内的相对高度、相对盖度和相对频度计算，反映该物种在群落中的综合优势：

灌木物种重要值=（相对高度+相对盖度+相对频度）/3（1）

草本植物的重要值计算方式与灌木类似，但将相对盖度替换为相对多度：

草本物种重要值=（相对高度+相对多度+相对频度）/3（2）

丰富度指数（R）反映了样地物种的多样性，尤其关注物种的总数。丰富度指数越高，代表样地中物种的种类越多，生态系统的复杂性也越大。

R = S

（3）

Shannon-Weiner多样性指数（H）是一种衡量物种多样性的方法，综合考虑了物种的种类数（S）和各物种在样地中的相对丰度。这个指数越高，表示物种多样性越大。

H = - \sum_{i = 1}^{S} P_{i} l n P_{i}

（4）

式中：S是指各样地内的物种数； $P_{i}$ 为样方第 $i$ 种物种的重要值，i=1，2，…，S。

防风效能（E）用于量化林带减风能力，是衡量其防风固沙作用的关键指标：

E=（V₀-V₁）/V₀×100%（5）

式中：V₀为林带外特定高度处的风速；V₁为林带内对应高度的风速。E值越大，表明林带防风效果越显著。

1.2.4　统计方法

使用Excel对数据进行初步处理，计算出各物种的重要值，以及林带结构（包括高度、盖度、密度、疏透度）的平均值和误差。同时计算Shannon-Weiner多样性指数和防风效能。随后使用SPSS 27.0.1（IBM公司，美国）进行双总体t检验，检验各样地在生长情况、生物多样性和其他指标上的差异是否显著。最后，将处理后的数据导入Origin 2021（OriginLab公司，美国）进行绘图。

2 结果

2.1　不同建植年龄固沙林带组成特征

莫高窟顶的固沙林带物种组成相对简单，仅包含23种植物，归属于10个科和23个属，其中禾本科的占比最高，约为26%（表1）。在建植13 a的防护林带中，草本植物仅有3科4种，而建植25 a的防护林带物种明显增加，草本植物增至6科14种。然而，建植31 a的防护林带物种略有减少，草本植物为6科13种。总体来看，人工建植的防护林带内物种丰富度普遍高于流沙区的天然植被，后者仅有5科5属的植物。

表1 不同建植年龄调查样地物种组成

Table 1 Species composition of sample plots established in different planting years

建植年龄/a	灌木树种	科	属	种	草本物种	科	属	种
0	梭梭、沙拐枣、泡泡刺	3	3	3	羽状三芒草、沙蒿	2	2	2
13	梭梭、柠条、花棒、沙拐枣	3	4	4	羽状三芒草、河西菊、鹅绒藤、沙蒿	3	4	4
25	梭梭、柽柳、柠条、泡泡刺、花棒、沙拐枣	5	6	6	羽状三芒草、河西菊、鹅绒藤、沙蒿、盐生草、苦苣菜、虎尾草、雾冰藜、甘青铁线莲、骆驼刺、狗尾草、假苇拂子茅、赖草、沙生针茅	6	14	14
31	梭梭、柽柳、柠条、泡泡刺、花棒、沙拐枣	5	6	6	鹅绒藤、沙蒿、盐生草、苦苣菜、虎尾草、雾冰藜、甘青铁线莲、骆驼刺、狗尾草、假苇拂子茅、刺沙蓬、肉苁蓉、乳苣	6	13	13

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样地植物群落组成及其重要值见表2。除人工栽植的梭梭、柠条、沙拐枣、花棒和柽柳外，各林带均有自然入侵植物分布。建植13 a林带共记录8种植物，自然入侵草本4种，以羽状三芒草为主（重要值15.62%）。建植25 a林带有20种植物，入侵种占15种，多为多年生草本，鹅绒藤和盐生草重要值分别为13.55%和12.15%。建植31 a林带记录19种植物，入侵种14种，多年生草本占57.1%，一年生草本占33.3%。泡泡刺在建植25 a和31 a林带均有分布，建植25 a林带中重要值达23.59%，仅次于梭梭。流沙区以梭梭、沙拐枣、泡泡刺等为主，沙拐枣重要值最高（16.84%）。总体上，群落草本植物由喜湿型向耐旱、耐盐碱型演替。

表2 不同建植年龄林带下固沙植物重要值

Table 2 Importance values of sand-fixing plants under different planting years

植物种	生活型	不同建植年龄群落重要值/%
植物种	生活型	0 a	13 a	25 a	31 a
梭梭(Haloxylon ammodendron)	灌木	13.48	22.38	23.70	19.34
柽柳(Tamarix chinensis)		—	―	16.88	17.30
沙拐枣(Calligonum mongolicum)		16.84	17.41	22.25	17.78
泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)		9.97	―	23.59	13.34
柠条(Caragana korshinskii)		—	17.95	26.74	18.60
花棒(Hedysarum scoparium)		—	22.69	15.24	12.12
苦苣菜(Sonchus oleraceus)	多年生草本植物	—	―	3.21	6.17
乳苣(Lactuca tatarica)		—	―	―	3.05
河西菊(Launaea polydichotoma)		—	5.47	3.25	―
沙蒿(Artemisia frigida)		5.35	7.12	6.31	6.57
骆驼刺(Alhagi camelorum)		—	―	2.71	3.12
假苇拂子茅(Calamagrostis pseudophragmites)		—	―	4.21	3.89
赖草(Leymus secalinus)		—	―	3.08	―
羽状三芒草(Aristida pennata)		3.75	15.62	5.63	―
鹅绒藤(Cynanchum chinense)		—	6.21	13.55	14.31
甘青铁线莲(Clematis tangutica)		—	―	4.08	3.17
肉苁蓉(Cistanche deserticola)		—	―	―	3.97
沙生针茅(Slipa glareosa)	一年生草本植物	—	―	3.57	―
狗尾草(Setaria viridis)		—	―	4.11	7.21
虎尾草(Chloris virgata)		—	―	5.52	4.27
雾冰藜(Grubovia dasyphlla)		—	―	4.71	8.21
刺沙蓬(Salsola tragus)		—	―	―	4.98
盐生草(Halogeton glomeratus)		—	―	12.15	11.15

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2.2　不同建植年龄固沙植物多样性

Shannon-Wiener多样性指数值越大，群落中生物种类越多，代表群落的复杂程度越高。随演替时间的增加，Shannon-Wiener多样性指数逐渐增大。建植31 a林带物种多样性指数最大，为2.81；建植25 a林带物种多样性指数为2.74；其次为建植13 a林带，为1.99；流沙地多样性指数最低，为1.52，群落多样性最小（表3）。

表3 不同建植年龄Shannon-Wiener多样性指数

Table 3 Shannon-Wiener diversity index in different planting years

指标	建植年龄/a
指标	0	13	25	31
Shannon-Wiener多样性指数	1.52	1.99	2.74	2.81

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2.3　不同建植年龄固沙林带结构

不同建植年龄的防护林带群落特征存在明显差异，防护林带的高度、盖度和多度在各建植年龄间表现出变化趋势，且疏透度差异显著（P<0.01，图2），呈下降趋势。固沙防护林带的高度、盖度和多度在建植13、25、31 a时，整体呈现先增加后减少的趋势。建植13 a林带与建植25 a林带和建植31 a林带在高度上差异较小，但在盖度和多度上与较老林带区差异较大。建植31 a林带的高度、盖度和多度均低于建植25 a林带。相比之下，流沙的各项指标均小于建植防护林区域。建植25 a林带植被群落表现出良好长势，固沙植物的生长和繁殖能力显著增强。

图2

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图2 林带结构随防护林建植年龄的演变

Fig.2 The evolution of forest belt structure with the age of shelter forest establishment

2.4　不同建植年龄防护林带防护效益

我们在2021年对不同建植年龄的防风固沙林带在200 cm高度处的气候特征及风速进行了长期监测。结果显示，冬季林带内温度高于流沙区。春夏季建植13 a林带和建植25 a林带温度相近，秋冬季建植13 a林带温度高于建植25 a林带。不同建植年龄的林带相对湿度趋势一致，建植25 a和13 a的防护林带冬季相对湿度低于流沙区，其他三季相对湿度高于流沙区。监测的月平均风速显示，建植25 a林带的防护效益最佳，月平均风速均低于2 m·s^-1，而建植13 a林带在春夏季的风速下降与建植31 a林带相似（图3）。

图3

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图3 不同建植年龄防风固沙林带200 cm高度处小气候特征

Fig.3 Microclimate characteristics of windbreak and sand-fixing forest belts across different planting years

2.5　防风效能和积沙高度随防护林带建植年龄的演变规律

图4展示了防护林带在不同建植年龄下的积沙高度与防风效能变化情况。从积沙高度的变化趋势来看，随着林带建植年龄的增长，积沙高度整体呈增长趋势。在建植初期（建植13 a），平均积沙高度相对较低，约为60 cm，但随着建植时间推移，特别是到达25 a时，平均积沙高度接近120 cm，显示出林带逐步固沙能力的增强。与此同时，防风效能也呈现出随时间整体呈增长的变化规律。随着林带年龄的增长，防风效能由初期的约20%逐渐提高至40%。这一变化显示，林带的防风能力随着林带结构的稳定和密度的增加得到了有效增强，但在建植年龄较长时，林带防风效能有所下降。

图4

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图4 防风效能和积沙高度随防护林带建值年龄的演变

Fig.4 The evolution of windbreak efficiency and sand height with the age of shelter forest agent construction value

2.6　不同建植年龄林带结构与防风固沙指标的主成分分析

主成分分析（PCA）结果显示，防护林带的结构参数与防护效益之间存在显著关联，它们沿PC1轴分离解释了84.6%的变异，沿PC2轴分析解释了15.4%的变异。其中，林带高度、疏透度、盖度与防风效能正相关，而与积沙高度负相关，表明结构参数的优化（如增加高度、合理调控疏透度）可显著提升防风能力（图5）。

图5

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图5 不同建植年龄林带结构与防风固沙指标的主成分分析

Fig.5 Principal component analysis of forest belt structure and windbreak and sand fixation index in different planting years

3 讨论

3.1　莫高窟顶防风固沙林带结构演变特征

防风林带和固沙林带的结构与效能受树叶、枝条及树干的密度、空间分布和排列方式影响，这些又与树种选择、孔隙度、林带密度和覆盖率密切相关^［35-36］。本研究选取建植13、25、31 a的3条防护林带，通过系统调查其结构与植物群落特征，揭示了林带结构随建植年龄演变的规律性。在树种组成上，不同年龄林带存在明显差异。建植13 a林带以花棒、梭梭为主；而建植25 a和31 a林带中，柠条与梭梭逐渐占据优势地位（表2）。其中，花棒作为先锋树种，生长迅速，耐风蚀、耐沙压，具备较强的固沙能力^［37］；柠条前期生长缓慢，后期适应性强，成活率高，逐渐成为稳定群落的主力物种^［38-39］。草本层以多年生物种为主，种类稳定，主要为禾本科和菊科植物，具备良好的耐旱性与环境适应性（表1，表2）。其种子多靠风力传播，繁殖能力强，适合干旱多风的生境^［40］。群落结构指标表现出显著的时间演变特征。林带高度、盖度和多度总体呈先升后降趋势：建植13 a林带处于快速生长期，群落结构简单但活力强；建植25 a林带结构趋于成熟，固沙与适应能力最强，高度、盖度和多度达峰值；建植31 a林带出现老化现象，群落更新缓慢，生长趋于停滞^［41］。疏透度随建植时间延长显著下降（P<0.01），说明林带封闭性增强、阻风效应提升^［42］。其中建植25 a林带在植物生长与群落发育方面表现最优，建植约25 a为本区固沙林带结构优化的关键期。

3.2　莫高窟顶防风固沙林带防护效益变化

防风固沙林带是防治沙漠化的重要生态屏障，具备显著的降低风速、减轻风蚀和改善小气候的作用^［43-44］。莫高窟顶部防护林可有效阻挡风沙，形成围绕灌丛的积沙带，构成典型风积生物地貌^［45］。其形成受植物类型、沙源条件和风力等共同影响，积沙高度与沙源距离、植被盖度正相关，沙脊高度则反映其稳定性^［45］。研究表明，积沙带高度随林带演化呈先升后降趋势（图4）。与建植25 a林带相比，建植31 a林带的积沙高度、植被盖度和丰富度均有所下降，反映出其已进入亚健康阶段。尽管仍具防护效能，但需加强动态监测与植被管理，以维持生态系统稳定性。一般而言，防护林生态服务能力在中龄阶段达到峰值，随后趋于下降^［46］。林带防风效能取决于其空间结构^［44］，科学合理的结构设计可显著提升防护能力^［47］。监测结果表明，老林区整体防护效果优于新林区，但建植31 a林带的防风效能低于建植25 a林带。在莫高窟区域，窄行多带的灌木结构表现出更佳的固沙效果；其中林带密度与防护效能密切相关。已有研究指出，影响风蚀的关键因素依次为植被盖度、植被高度与林带宽度^［48］，当植被盖度为35%~40%时，地表风蚀显著减弱^［49］。

3.3　莫高窟顶防风固沙林带结构-防护效益关系演变规律

本研究系统探讨了防风固沙林带结构对莫高窟顶生态恢复与防护效益的作用。主成分分析表明，林带结构参数与防护效益密切相关，PC1解释84.6%的方差，说明林带高度、盖度和疏透度对防护功能具有决定性作用；PC2解释15.4%的方差，揭示物种多样性虽对短期防护贡献有限，但对系统稳定性至关重要^［50］。疏透度与积沙高度负相关，适度透风有助于减少林内积沙^［24］。建植初期应选用花棒、柠条、梭梭等耐旱先锋种，后期物种多样性提升，生态效益增强，但随植被演替，部分草本消失，耐旱盐生种占优，反映出水分受限。建植30 a后林带出现草本盖度下降、透风度增大、防护功能退化，原因涉及群落老化、土壤养分耗竭、病虫害积累及微生物群落退化等^［51］。养分消耗过快与有益微生物向病原菌转变会削弱植被更新与抗逆性^［52］；风蚀和沙流叠加加速退化，形成负反馈循环，导致林带稳定性下降^［53］。因此，应加强对土壤养分与病虫害的监测，实施阶段性抚育管理：初建期以灌草混交、适度密植促进建群；成熟期通过结构调控维持防护效益；衰退期则需间伐或平茬更新，恢复群落功能。全过程应结合小气候、防风减沙与积沙动态监测，构建结构调控—补植修复—养护管理一体化机制，以保障林带长期稳定与文物保护效益。

系统分析莫高窟不同建植年龄防护林带结构与防护效益差异的基础上，提出了分阶段抚育管理策略，旨在提升林带长期稳定性与文物保护功能。然而，仍存在一定局限性：采用“空间代时间”方法可能无法完全排除建植背景差异对结果的影响；对地下根系与土壤微生物等地下生态过程关注不足，尚难全面揭示其对林带稳定性与土壤系统的长期反馈机制；防护效益评估主要关于短期小气候和防护效益等指标，尚缺乏对文物本体潜在影响的深入分析；此外，所提管理策略虽具有针对性，但在其他地区的适应性与可推广性仍需进一步实践验证和优化。

4 结论

本研究系统分析了莫高窟顶防风固沙林带群落结构及其防护功能的时序演变特征与稳定性。结果表明，林带建植显著提升了物种多样性，促进群落向稳定演替发展。林带高度、盖度和物种多度随建植时间增长而上升，约在建植25 a达到峰值，随后略有下降；疏透度持续降低，封闭性增强。林带改善林内小气候，降低风速与温度，提升湿度，增强植被生长与控沙效能，其防护功能随时间呈先增强后趋稳趋势，反映出生态结构与功能存在时滞响应。研究认为，建植约25 a为林带结构与功能的最佳阶段，之后可能因群落老化、防护力下降而需干预。应将中龄林带作为管理参照，加强对老化林分的结构调整与补植，延长林带防护功能周期，实现其长期稳定与可持续利用。

参考文献

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被引期刊影响因子

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卢建男，李玉强，赵学勇，等.

半干旱区典型沙地生态环境演变特征及沙漠化防治建议

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