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中国沙漠, 2026, 46(1): 199-208 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00004

人工防风固沙生态系统中的植被结构研究进展

马登科,, 赵文智,, 何志斌

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/临泽内陆河流域研究站,甘肃 兰州 730000

Research progress on vegetation structure in artificial windbreak and sand-fixation ecosystem

Ma Dengke,, Zhao Wenzhi,, He Zhibin

State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands / Linze Inland River Basin Research Station,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 赵文智(E-mail: zhaowzh@lzb.ac.cn

收稿日期: 2025-11-23   修回日期: 2026-01-11  

基金资助: 国家自然科学基金重点项目.  42230720
2023年度青海省“昆仑英才·高端创新创业人才”计划项目

Received: 2025-11-23   Revised: 2026-01-11  

作者简介 About authors

马登科(1995—),男,甘肃会宁人,博士,主要从事干旱区土壤生态方面的研究E-mail:madengke@nieer.ac.cn , E-mail:madengke@nieer.ac.cn

摘要

植被结构是决定人工防风固沙体系生态效应及稳定性的关键要素,是科学构建植被防护体系的核心。本文基于现有文献研究成果,全面梳理了表征人工防风固沙植被结构的主要指标概念及其意义,重点探讨了植物形态特征、植被覆盖度、疏透度、配置方式与防风固沙效应之间的关系,分析了人工防风固沙植被结构的演变规律及其主要驱动机制,总结了植被结构对防风固沙生态系统稳定性的影响,在此基础上提出了未来相关研究的主要方向。本文有助于深入理解人工植被结构与防风固沙效益之间的关系,可为科学构建防风固沙生态系统提供理论参考,同时为未来人工防风固沙植被结构的研究提供思路。

关键词: 防风固沙植被 ; 结构指标 ; 生态效应 ; 稳定性 ; 干旱区

Abstract

Vegetation structure is a key determinant of the ecological effectiveness and stability of artificial windbreak and sand-fixation systems, serving as the core of scientifically establishing vegetation-based protective mechanisms. Based on existing literature, this paper comprehensively reviewed the concepts and significance of the main indicators used to characterize the structure of artificial windbreak and sand-fixation vegetation. It focused on exploring the relationships between plant morphological characteristics, vegetation coverage, porosity, configuration patterns, and their effects on windbreak and sand fixation. The paper also analyzed the evolutionary patterns of artificial windbreak and sand-fixation vegetation structures and their primary driving mechanisms, summarized the influence of vegetation structure on the stability of windbreak and sand-fixation ecosystems, and proposed future research directions accordingly. This study contributes to a deeper understanding of the relationship between artificial vegetation structure and windbreak and sand-fixation benefits, provides theoretical references for scientifically constructing windbreak and sand-fixation ecosystems, and offers insights for future research on artificial vegetation structures in this context.

Keywords: windbreak and sand-fixing vegetation ; structural indicators ; ecological effects ; stability ; arid zone

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马登科, 赵文智, 何志斌. 人工防风固沙生态系统中的植被结构研究进展. 中国沙漠[J], 2026, 46(1): 199-208 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00004

Ma Dengke, Zhao Wenzhi, He Zhibin. Research progress on vegetation structure in artificial windbreak and sand-fixation ecosystem. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(1): 199-208 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00004

0 引言

中国是世界上受风沙危害最严重的国家之一,风沙危害区广泛分布于西北、华北和东北,横跨干旱、半干旱和半湿润等不同生物气候带1。风沙防治一直是中国北方生态治理中的重点和难点,自1979年实施“三北防护林工程”以来,中国又陆续实施了退耕还林和一些区域性的风沙防治工程,沙化土地面积整体上持续减少2-5。尽管已开展的风沙防治工作取得了显著的生态效益,但风沙危害依然是中国北方生态安全和经济发展中面临的严重威胁6-7

目前实施的风沙防治措施主要包括物理、化学和生物措施,其中以人工防风固沙植被为主的生物措施是当前风沙防治的核心手段。植被通过抬升气流、增大地表粗糙度和分解风力等发挥防风固沙效应8。此外,防风固沙植被还能有效提升沙地土壤肥力、改善区域微气候和促进物种多样性,因而被认为是治理风沙危害的根本措施9-12。然而,在气候变化、水分限制及病虫害等因素的影响下,人工防风固沙植被体系普遍存在退化风险,严重降低了其生态效益的可持续性。因此,构建具有可持续防风固沙功能的人工植被体系是防护区尤其是干旱半干旱区生态恢复的重要目标。

植被结构是影响防风固沙效益的关键因素,是风沙防治相关研究领域中的核心问题。前人针对防风固沙植被结构开展了大量研究,研究内容主要聚焦于不同植被结构的防风固沙效益对比及植被结构指标与防风固沙效益的关系,研究结果为认知生态防护体系中的植被结构效应做出了重要贡献13-17。本文在前人研究成果的基础上系统梳理了人工防风固沙植被结构相关指标的基本概念,总结了盖度、疏透度和配置方式等与防风固沙效应的关系,讨论了植被结构对生态防护体系可持续性的影响,并据此提出了未来研究应关注的重点。

1 植被结构相关的主要指标

植被结构是指植被在空间上的组成与分布特征,包括物种组成、密度、层次、覆盖度等要素,是防风固沙、水文调节、小气候改善及生物多样性维护等植被生态系统功能的重要基础。在人工防风固沙植被体系中,包括植物个体的结构特征、林带结构及林网格局等均对系统的防风固沙效益有显著影响1318-20

1.1 植物个体结构特征

植物个体水平上表征结构特征的指标主要包括株高、冠幅、胸径、生物量、分枝率、根系结构、侧影面积、叶面积指数等,其中株高和冠幅是评估植物个体防风效应的常用指标,较高的株高和较大的冠幅通常更有利于减缓风速和沉降沙粒1721。越接近防风林中部,植株高度对风速的影响越大22。生物量及其分配是体现植物个体生长状况的关键要素,直接关系到植株的地面覆盖程度和抗风蚀能力。植株分枝率在防风固沙研究中的应用相对较少,但其与冠幅关系密切,因此也是评估植物个体防风固沙能力的重要指标。植物根系结构是防风固沙生态系统中最基础和最关键的要素,主要体现在根系类型(直根系、须根系)、根系深度、根系密度等方面,其不仅是影响防风固沙植物生存和生长的关键因素,还通过固定沙粒和增强土壤团聚体结构等直接影响固沙效益23。一些常用的固沙植物如梭梭(Haloxylon ammodendron)、柽柳(Tamarix chinensis)、白刺(Nitraria tangutorum)等均有发达的根系结构24。尽管植物根系结构在防风固沙中作用突出,但现有研究在探究植被结构和防风固沙效益的过程中大都忽视了根系结构的影响,这在未来研究中应引起注意。植株侧影面积由株高和冠幅等结构特征共同决定,是风沙区植被形成真正防风效应的关键因素25-26。叶面积指数是综合反映植被生长状况、冠层结构及覆盖程度的关键参数,因而是体现植物防风固沙效能的重要指标27-28。较高的叶面积指数通常意味着较大的植被盖度和较少的太阳直射,因此其在植物个体尺度、林带尺度、林网尺度及更大的区域尺度上均可作为评价植被防护效应的关键综合指标28。除上述表征植物个体结构的常用指标外,一些基于分形几何方法的指标如树冠分维数、分枝分维数等近年来也逐渐得到关注,由于这些指标可实现对复杂树冠结构的量化分析,因而在未来风沙防治相关研究中有较大的应用潜力29-30

1.2 林带结构

林带结构指标包括林带宽度、林带高度、林带行数、株行距、林带密度、郁闭度、植被盖度、林带疏透度、垂直结构层次和配置方式等16。林带宽度通常与林带行数、株行距等密切相关,是表征林带结构的基础指标,直接影响林带对风速的调控能力和对沙粒的拦截效率31。防护林有效防护面积通常与林带宽度正相关32。林带高度是影响林带有效防护距离的关键因素,主要受植物种类及林带构建年限的影响,乔木林带平均高度通常高于灌木,栽植年限较长的林带高度通常高于同种类植物构建的幼年林带33。林分密度与林带防风效应密切相关,当种植密度较低时,消耗气流能量的枝叶量大幅减少,防风效应变差,但林分密度与风速递减率并不呈线性关系,林分密度越大,林带后近地层风速的恢复越快13。郁闭度和盖度均能体现林带植被的覆盖情况,但郁闭度侧重于树冠层的覆盖程度,而盖度则体现了所有植被在地上部分的总覆盖程度,在防风固沙效应相关研究中,植被盖度为最常用的指标34-35。林带疏透度或孔隙度为林带透光孔隙面积占林带纵断面总面积的百分比,是表征林带结构特征的综合指标,体现了林带宽度、株行距、密度等指标的所有信息,是林带结构相关研究中最常用的指标36-37。依据疏透度大小可将林带结构分为紧密型(<30%)、疏透型(30%~60%)和通风型(>60%)38。一般认为,宽度和总面积密度等是宽林带的重要结构参数,而光学特性如孔隙度和疏透度是窄林带的重要结构特征39。垂直结构层次反映的是林带植被在垂直方向上的分布情况,是不同高度层植物种类、密度及覆盖度等植被特征的体现,在防风固沙生态体系中,林带垂直结构层次通常包含乔木层、灌木丛、草本层。垂直结构层次对整个林带的盖度、郁闭度、疏透度等有重要影响,多层次的植被结构通常具有更强的防护能力。林带配置方式主要包括林带内植物种类组成和植被空间布局等,其中根据物种组成可分为单物种林带和多物种复合林带,根据空间布局可分为单行林带、多行林带和网格状林带等。林带配置方式综合体现了林带宽度、高度、行数及株行距等多个指标的信息,对林带疏透度有重要影响,因而是决定防风固沙生态系统效应及可持续性的关键因子40-41

1.3 林网结构

林网是由多条相互连接或平行分布的防护林带组成的系统性植被网络。因此,林网水平上表征植被结构的指标与林带的空间分布格局密切相关,这些指标主要包括林带条数、林带间距、林带总面积、带斑比、林网连接度和环度等,其中带斑比体现了防护林带在整个防护区域内的优势度,而林网连接度和环度则表征了林网结构的完整性36。此外,树种多样性也是影响防护林网结构的重要因素,其不仅决定林网内植被在垂直方向上的结构层次,还影响植被整体的盖度、疏透度及叶面积指数。在区域尺度上,遥感植被指数如归一化植被指数(NDVI)、叶面积指数(LAI)等可有效描述林网植被的冠层结构,从而可实现对跨尺度的固沙植被动态及其生态效益的研究42

表1总结了当前防风固沙相关研究中常用植被结构指标的概念及测定方法。

表1   防风固沙生态系统中表征植被结构的主要指标

Table 1  Main indicators used to characterize vegetation structure in windbreak and sand-fixation ecosystems

指标定义测定/计算方法
株高植物从地面到顶端的高度直接测量、投影测量
冠幅植物冠层在水平方向上伸展的宽度直接测量、投影测量
分枝率单位长度内植物主干上形成侧枝的数量计数法
胸径地面起1.3 m高度处的树干直径立木测定法
生物量单位面积内的植物干重或鲜重称重法、标准枝法等
侧影面积植株在迎风方向上的投影面积(不包括枝叶间空隙的投影面积)[26,43]数字图像法、高宽法、分段求和法[26]
根系结构包括植物根系在土壤中的垂直分布深度及密度等根系分析仪法
枝下高从地面到树冠最下方一级显著侧枝的垂直高度直接测量、投影测量
植被盖度单位水平地表面积上的植被地上部垂直投影面积[44]数字图像法
叶面积指数单位地面面积上的叶片总表面积[28]扫描法、传感器法、遥感技术
疏透度林带纵断面上透光孔隙的投影面积与林带纵断面面积之比[45-46]数字图像法
孔隙度单位面积内林带中未被植物枝叶遮挡的空间比例数字图像法
株行距同一行内相邻两棵树之间的距离(株距),以及不同行之间或树列之间的距离(行距)直接测量法
林带宽度从林带迎风面到背风面之间的水平距离标准带法
林带密度单位面积内的植物个体数量计数法
林带高度林带内树木高度的平均值直接测量、投影测量
垂直结构层次林带垂直方向上的空间结构和层次分布
配置方式防护林在空间上的组织形式
带斑比林网在所庇护斑块上的覆被率,体现林带在景观中的丰盛程度[36]带丰度和斑丰度之比
连接度林网系统中各林带之间在空间上的联系程度,体现林网的成型状况[36]林网节点数、林网最多林带连边数的函数[36]
环度林网系统中林带在空间上的闭合程度[36]林网节点数、林网环路数的函数[36]
种类组成防护系统中的物种构成及丰富度计数法
归一化植被指数(NDVI)综合反映植被生长状况及生物量的遥感指标[47]基于遥感影像的近红外反射率(NIR)和红光反射率(Red)计算[48]

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2 植被结构特征对防风固沙效益的影响

植被结构是决定人工防风固沙生态系统防护效应的关键因子,从体现植物个体结构特征的指标到林网结构指标,均对防风固沙效应有重要影响。植物个体水平上结构特征指标与物种类别密切相关,因此在不同种类植物防风固沙效应对比研究中应用广泛。一些植被结构指标如植被盖度、疏透度、叶面积指数等可涵盖防风固沙系统物种组成的影响,综合体现系统的防护效应,因此在林带及更大尺度的研究中应用较多。

2.1 植株形态特征的影响

作为组成防风固沙生态系统的基本元素,植物个体的形态特征对整个防风固沙系统的效益有显著影响,不同种类植物的防风固沙效应通常差异显著49-51。在黑河中游荒漠绿洲过渡带的调查研究表明,与沙拐枣(Calligonum mongolicum)和泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)相比,梭梭的防风效果更加显著,风速降幅可达62.9%,有效防护距离更大;梭梭的阻沙效率达60.7%,显著高于泡泡刺(51.0%)和沙拐枣(46.3%)50。尽管梭梭的防风效果显著优于泡泡刺和沙拐枣,但其近地表防风蚀效果一般,而泡泡刺因其低矮密集的植株结构表现出较好的防风蚀性,但有效防护距离最小,且在较高空间中防风效果较差50。对沙拐枣、白刺、杨柴(Hedysarum mongolicum)和梭梭单株防风固沙效益的研究结果表明,形态低矮的白刺有更显著的防护作用,固沙率可达56.0%,梭梭、沙拐枣和杨柴的平均固沙率分别为40.1%、38.5%和31.1%,且梭梭、沙拐枣和杨柴因较大的枝下高度导致近地表流场空间产生“狭管效应”,在一定程度上加速了地表的风蚀52。在乌兰布和沙漠东北缘的研究表明,油蒿(Artemisia ordosica)、霸王(Zygophyllum xanthoxylum )、梭梭和四合木(Tetraena mongolica)群落的防风效应差异主要来源于植株构型的不同,在0~100 cm高度,固沙效果以梭梭最优,防风固沙效果与植株高度、盖度和侧盖度线性关系显著53。基于风洞原位观测的试验结果发现,茎秆硬度大、茎多数且数个丛生的植物有更强的防风固沙效应,因此沙打旺(Astragalus laxmannii)的防风固沙效能明显强于羊草(Leymus chinensis18。可以看出,株高较高且结构密集的植物有更优的防风固沙效益,因此,在构建防风固沙植物体系时应以该类物种为主,或根据株高和冠幅进行不同构型植物的组合配置,以实现防风固沙效能的最大化。此外,单株植物的防风固沙能力可能还受到植物物候期的影响,不同物候期植物在形态结构上通常呈现出明显差异,如枝叶密集程度随物候期的变化而发生显著改变,进而影响植物个体及群落的防风固沙效应5154。因此,在探究植物防风固沙生态效益时,应综合考虑植物结构特征及物候期带来的影响。

2.2 植被覆盖度的影响

在相同的风力条件下,盖度是影响植被防风效应的关键因素。研究表明,梭梭植株盖度与其防风效能的相关性系数达0.94,盖度的增加可显著提高梭梭林的整体防风效益55。植被覆盖较低时不能够完全起到防风固沙的作用,防风固沙效应通常随植被盖度的增大而增强56。基于植被与生物土壤结皮耦合动力学模型的模拟结果显示,在输沙势高而降雨量低的条件下,植物固沙的最低盖度为2%~12%34。在裸地风速为7.46 m·s-1时,盖度为10%、20%和40%的均匀分布的红柳林25 cm高处的防风效应分别为64.48%、81.77%和87.13%57。但风洞试验的研究结果表明,盖度为25%的林带防风效果高于盖度为30%的林带58。由此可见,植被固沙效益与盖度之间并非线性相关,最大固沙效益对应的植被盖度受植物种类、配置模式、地形特征及测量时的风速等要素的影响15。因此,在构建植被覆盖度与防风固沙效应之间的关系模型时,应综合考虑固沙植被自身的特性及生境环境特征。

2.3 疏透度的影响

疏透度是体现人工防护林结构特征的关键指标,是影响防护林防风固沙效益的重要因素。在塔克拉玛干沙漠的研究表明,与疏透度为32.80%和11.92%的林带相比,疏透度为17.83%的林带有更好的固沙效率,固沙效率可达58.39%59。风洞试验表明,平均疏透度为39%的仿真灌木的阻沙效益显著优于疏透度为50%和29%的仿真固沙灌木60。风滚植物沙障的风洞模拟研究表明,密型沙障防风效果最佳,疏型沙障效果最差61。不同疏透度的梭梭、柠条、白刺的防风阻沙效果呈现明显差异,疏透度与固沙效应的关系受植被类型和风速的影响,但整体上以疏透型林带的效益最佳62。对叶城县新疆杨防护林的研究表明,紧密型、疏透型、通风型结构林带背风面的有效防风距离分别为15、40、12 m,接近旷野风速的距离分别为170、60、40 m,林带背风面1.5 m高处平均防风效率为疏透型(80.60%)>通风型(70.79%)>紧密型(63.51%),疏透型和通风型结构林带背风面风蚀累计总量减少70.41%和46.23%,紧密型结构林带背风面风蚀累计总量增加了13.80%63。整体上疏透型结构林带固沙效率最佳,为58.39%,通风型结构林带为57.99%,紧密型结构林带固沙效率最差,为39.20%63。在新疆地区的研究表明,疏透度为35%的林带防护效益最好,当林带疏透度>35%时,防风固沙能力随着防护林疏透度的增加出现急剧下降,而当疏透度<35%时,防风固沙效应随疏透度的减小变化缓慢64。当疏透度太小时,林带下风向会产生回流,从而对林带和防护对象产生危害15。综上,疏透型防护林较紧密型和通风型结构防护林有更高的防风固沙效益,因此可作为防护林构建中首选的结构类型。值得注意的是,防风固沙植被疏透度不仅受植被类型、种植密度、配置方式等因素的影响,还与防护林的构建年限、植被物候期密切相关。因此,在探讨防护林疏透度与防风固沙效应的关系时,应关注林带在不同物候期的效应差异及长时间尺度上固沙效益的变化趋势。

2.4 植被配置方式的影响

植被配置方式对防护林盖度、疏透度等结构特征有直接影响,因此不同配置方式下植被防风固沙效应往往呈现出较大差异。在毛乌素沙地针对行带式、均匀式和随机式3种配置格局沙蒿灌丛的防风固沙效应的研究表明,在覆盖度相同的情况下,行带式配置的沙蒿林地表粗糙度最稳定,平均防风效应最高,且风速越大,行带式配置灌丛的防风效应越显著65。同样,盖度为20%的行带式油蒿灌丛的防风固沙效应明显优于同盖度随机分布的油蒿灌丛,前者地表粗糙度和平均摩阻速度分别是后者的4倍和1.3倍66。在较低的种植密度或盖度下,行带式结构林分不仅有显著高于均匀式和随机分布林分的防风固沙效益,而且能实现水分的高效利用67。风洞试验表明,随机不均匀配置模式的防护林内局部有风速抬升的现象20。在裸地风速为6.02 m·s-1时,盖度均为30%的均匀分布式红柳林和丛状分布式红柳林20 cm高处的防风效应分别为50.66%和44.68%,均匀分布式灌丛表现出明显的防风优势,这主要是丛状分布格局降低了固沙植被的局部盖度,从而增大了局部的土壤风蚀率,导致固沙效益整体上降低57。此外还有研究认为,两行一带式配置模式的防护林有最高的防风效应20。尽管学者针对植被配置模式已开展了大量研究,但这些研究主要集中于同一植被在不同分布模式下的防风固沙效益对比,而缺少针对多种植被类型(如乔木和灌木、草本等)组合下的生态效益探讨。此外,乔木和灌木及不同灌木之间在株型等结构特征上往往存在较大差异,因此其最佳防风效应对应的配置模式可能不尽相同,在划分不同植被类型的前提下探讨配置模式与防风固沙效能的关系,可能更有利于得出普适性的结论,这是未来该领域研究中值得关注的课题。

3 植被结构演化及其对人工固沙生态系统稳定性的影响

3.1 人工固沙植被结构的演化

自然植被群落结构会随环境条件及植被自身的生长、不同物种间的竞争等发生演替。对人工固沙植被而言,其结构特征受构建年限、土壤特性和气候条件等因素的综合影响68。植物个体结构特征会随生长年限发生变化,如固沙树种灰叶杨的叶片长度、宽度及叶面积随着生长阶段的推进显著增加69。在区域尺度上,防护林结构也会随构建年限出现明显变化,对长春市北部防护林的研究表明,1985—2020年研究区防护林林网结构总体上趋于优化,但闭合成型林网较少,环度分级为优的林网仅占14%左右70。在干旱区,水文过程是驱动固沙植被结构变化和群落格局演替的关键因素71。在降水量低于200 mm的荒漠区,人工固沙植被在建立初期虽然具有相对规则的空间分布格局,但经过多年演变后多呈斑块状或者不规则条带状格局,最大斑块面积、斑块密度、斑块聚集度出现在防护林体系构建后的20~30 a,但种群自疏过程并未遵循随植被发育年龄变化的规律,而与生境地下水埋深等水文要素显著相关72。在干旱区生态系统中,自然植被常以高覆盖度的斑块形式散布于低植被覆盖的基质中,形成了相对稳定的斑块状空间格局73。因此,干旱区人工固沙植被结构及分布格局的演替过程是其对环境条件尤其是水文条件长期适应的结果,其稳定状态具有相对性和不确定性,外界环境条件的改变可能引起植被结构发生重新调整。在古尔班通古特沙漠南缘,固沙植被在1977—2010年呈现恢复-退化-恢复的年际交替变化趋势,高覆盖度植被破碎化程度增加,而低覆盖度植被破碎化程度降低,植被总体表现为正向演替74。土壤水分运移对浅根系和深根系固沙植被的影响不同,大降水事件对灌木等深层根系植被的影响更大,从而导致固沙植被群落结构发生变化。固沙植被格局与土壤水分存在明显的正反馈机制,植被通过调整斑块大小分布来适应土壤水分的变化,土壤水分增加引起固沙植被的气孔导度和光合速率增加,最终使固沙植被NPP增加74。上述研究结果强调了水文要素在驱动固沙植被结构演变过程中的关键作用,但综合考虑降水、地表径流、土壤水及地下水的固沙植被结构演变的水文机制研究仍然十分缺乏,这应在未来该领域的研究中引起关注。除水文过程外,生物因素也可能引起固沙植被群落结构发生变化,如毛乌素沙地中多年生草本植物能够侵入固定沙丘生境中的油蒿群落,导致油蒿群落呈现向典型草原植被演替的趋势75。因此,在探讨固沙植被结构演变机制过程中,应综合考虑水文条件和生物因素的独立及耦合效应。

3.2 植被结构对人工防风固沙生态体系稳定性的影响

防风固沙植被体系的稳定性是保障其持续发挥生态效益的核心要素,其受立地条件、自身结构特征及人为活动等因素的共同影响。已有研究普遍表明,防风固沙植被体系的构建对其生境环境条件有明显的改善作用,植被与环境的正反馈效应保证了固沙植被体系的正向演化及稳定性(图1)。防风固沙植被具有巨大的涵养水源及防侵蚀作用,其冠层可拦截蓄水,枯落物可向土壤输入有机质,从而改善土壤腐殖层和其他发生层的透水性76。防风固沙植被覆盖会降低沙丘表层沉积物中的沙粒含量,显著增加黏粉粒含量,使沙地土壤质地发生明显改善,从而更有利于养分和水分的储存77。此外,防风固沙植被对土壤理化性质的改善还会促进土壤微生物群落结构和功能发生转变,进而加速整个生态系统中的养分循环78

图1

图1   固沙植被结构与防护效应、防护体系稳定性之间的关系示意图

Fig.1   Schematic diagram of the relationship between sand-fixing vegetation structure and protection effect and stability of protection system


除上述正向反馈外,人工防风固沙植被体系的构建可能对生态系统稳定性产生负面影响,最终导致固沙植被退化和生境环境恶化,这主要体现在植被体系对有限水资源的消耗方面。在干旱区,水分是植被群落结构和分布格局状态及演变的决定性因素79-81。降水是干旱区荒漠生态系统重要的土壤水分补给源,防风固沙植被的冠层截留效应会截持可以直接到达土壤表面的部分降水,从而减少土壤水分的补给,如盖度为34%的油蒿群落,当单株植物平均投影面积为3 900 cm2时,其冠层截留容量可达0.7 mm,群落截留损失水量可占年降水量的27%;盖度达30%的柠条群落,单株植物平均投影面积为4 070 cm2时,冠层截留容量约为0.3 mm,截留损失水量占年降水量的17%82。这表明防风固沙植被的定植可能引起土壤水分状况的恶化,并且这种负面效应与植被结构特征密切相关,植被盖度越大,土壤补给水的损失越大。研究表明,即使流沙被固沙灌木林固定以后,由于沙地水分环境的恶化,植被盖度也会逐渐下降,但沙丘的稳定性由于沙面结皮的发生和发展而得到进一步加强76。尽管如此,防风固沙植被对水资源的消耗仍是影响整个生态系统稳定性的关键原因。在石羊河流域中下游的研究表明,杨树人工林的建设会大大增加水资源的消耗,人工林土壤蒸发平均损失率可达21%,尽管其增加了绿洲区深层土壤的蓄水量,但耗水速率也相应增加83。在莫索湾垦区北部,种植密度过高、水分供应不足及强烈的风沙侵蚀是导致防护林出现大面积退化的主要原因84。由此可见,植被结构对整个固沙体系的稳定性有重要影响,这种影响在长时间尺度上主要体现在环境特性的变化和植被结构自身的演替上。因此,在固沙植被体系构建过程中,应该充分考虑区域气候、水文、土壤及植被特性,恰当选用固沙树种,合理配置植被结构,使其充分发挥持续性的防护效应。目前,对防风固沙植被结构特性与防护体系稳定性关系的研究相对较少,尤其是长时间尺度上的监测研究十分缺乏,这在未来该领域的研究中亟须加强。

4 总结与展望

已有研究涵盖了众多的防风固沙植被结构指标,其中植物个体水平上的结构指标主要有株高、冠幅、侧影面积、生物量、盖度、叶面积指数等,林带水平上主要有行间距、疏透度、林带高度、密度等,林网水平上主要有带斑比、连接度等。株高、疏透度、盖度及配置模式是现有研究中最常用的结构指标,这些指标与防风固沙植被体系的防护效应密切相关,但它们之间的关系在不同研究结果间存在差异。整体上,防风固沙效应随株高和覆盖度的增大而增大,疏透度方面则以疏透型结构的防护效应最佳,配置模式中的行带式结构具有最高和最稳定的防风固沙效果。防风固沙植被结构受人为因素和自然因素的综合影响,其通常随构建年限的增加而发生演变,相对稳定的结构状态是植被体系对气候水文等环境要素长期适应的结果。植被结构不仅决定其防风固沙效应,同时对整个植被体系的稳定性有重要影响,密度过高或盖度过大的固沙植被会大量消耗水资源和减少土壤水分补给,最终可能导致生态系统退化。已有研究深入揭示了防风固沙植被结构特征与其防护效应之间的关系,为构建高效可持续的植被防护体系提供了科学参考,但仍有一些方面在未来研究中有待加强。

(1) 将一些综合类的指标如叶面积指数、NDVI纳入植被结构指标体系中,结合遥感技术构建区域范围和长时间尺度上植被防风固沙效应与这些包容性综合指标之间的关系模型。

(2) 在探讨植被盖度、疏透度、叶面积指数等与防风固沙效应的关系时,应考虑不同物候期的效应差异,结合风沙活动强度变化对比不同类型植被体系在长时间尺度上的累积固沙效益。

(3) 开展不同结构人工植被防护体系的长期监测,探究防风固沙植被结构特征及防护效应随构建年限的演变规律,结合水文条件和生物因素的独立及耦合效应揭示防风固沙植被结构演变的关键驱动机制。

(4) 开展人工防风固沙植被结构特性与防护体系稳定性之间的关系研究,对比分析不同结构固沙植被群落在长时间尺度上的稳定性差异及其形成原因,确定不同生境条件下的最优结构类型,为可持续防风固沙植被体系的构建提供理论依据。

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