基于破损规律及植物保存率的沙障选择

李 镯，汪 季，焦宏远，郭 彧

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

新型生物可降解聚乳酸纤维(PLA)沙障现已作为机械沙障的类型之一，广泛应用于防沙治沙领域实践中[1-3]，其材料聚乳酸(poly lactic acid，PLA)纤维是一种采用玉米(Zeamays)、小麦(Triticumaestivum)、马铃薯(Solanumtuberosum)、甜菜(Betavulgaris)等含淀粉的作物秸秆为原料，经发酵生成可生物降解的新型绿色高分子材料乳酸后，再经缩聚、熔融纺丝制成聚乳酸纤维[4]，该材料具有较好的弹性、防火性、抗菌防霉性、透湿性等特性[5-6]。机械沙障使用聚乳酸纤维制成的沙袋具有可完全降解、材料轻便、施工方便、使用寿命长等优点，能够发挥良好的生态效益，因此具有非常大的发展前景[7]。麦草沙障作为一种较传统的工程治沙措施，通过增大地表粗糙度、减少气流中的输沙量、截留降水等作用来达到防沙治沙目的[8-9]，具有价格低廉，提高沙层含水量的特点。近年来，随着新型环保材料机械沙障的使用频率增加，其防护效益、经济效益及使用年限备受关注。营造植被是防风固沙的主要措施之一，也是保护土壤不被风力侵蚀最有效、最长久、最环保的方法，沙区地表植被(人工林或天然植被)达到一定的覆盖度，才能逐步固定住流沙[10-11]，因此在流动沙丘治理过程中，促进植被恢复是最符合可持续原则的固沙方法。将机械沙障布设与植物措施相结合，对流动沙丘的固定可以达到事半功倍的效果，因此，对不同类型机械沙障、不同规格沙障破损率及沙障内人工植被保存率的研究有非常重要的意义。

本研究以吉兰泰盐湖东北部的流动沙丘布设的机械沙障为研究对象，通过对2种不同沙障材料(PLA、麦草)、4种不同规格(0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m)的沙障破损率及沙障内人工植被的保存率进行对比分析，以明确1个风季后沙障的破损情况及不同规格沙障对植被的保护作用，旨在为沙障规格的合理选择，进而更有效地利用有限资源、提高经济效益提供理论支持。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区阿拉善左旗吉兰泰镇，地理坐标39°46′59″N，105°37′31″E。该地区属于典型的温带大陆性干旱气候，干旱少雨，多年平均降水量为109.9 mm，且多集中于7-9月，多年平均潜在蒸发量3 005 mm，风大沙多，多以西北、东北风为主，风力一般4～5级，平均风速3.6 m/s，土壤类型以风沙土、灰漠土、盐渍土为主[12-14]。常见植被以沙生、盐生植被为主，有梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、沙米(Salsolaruthenica)、虫实(Corispermumhyssopifolium)白刺(Nitrariatangutorum)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)等。

2 材料与方法

2.1 沙障铺设

在研究区选择高3～3.5 m，宽10 m，沙垄走向为西北-东南方向，东侧有白刺灌丛沙堆分布，土壤类型为流动风沙土，土体干燥，结构疏松，以细砂和极细砂为主，极易风蚀，迎风坡坡度40～45°，背风坡坡度25～30°的沙丘作为试验地。

2018年4月，在试验地的沙丘上进行PLA沙障和麦草方格沙障设置。每种沙障各设置4种规格，分别是0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m的方格，PLA沙障在南，麦草沙障在北，中间间隔5 m，4种规格由南到北依次铺设，每种规格相隔5 m；沙障铺设面积覆盖沙丘西坡及顶部，沙丘东坡分布白刺灌丛沙堆之处，无法进行沙障铺设，沙障铺设面积如表1所示。

表1 PLA、麦草沙障铺设面积

2.2 人工植被栽植

2018年4月，选择2年生梭梭幼苗以2 m×2 m株行距随沙障铺设同步栽植，栽植结束后进行灌溉，以保证苗木生长所需的水分充足。

2.3 数据收集

2019年4月，在试验区进行沙障破损率及梭梭保存率调查，将试验沙丘表面划分为迎风坡坡中(MUS)、坡顶(TS)、背风坡坡中(MLS)共3个坡位。通过调查发现，沙障破损类型及破损程度如表2所示。

对沙丘不同坡位的PLA、麦草沙障遭受的不同破损类型的面积(以方格数代替)进行调查，通过式(1)计算。各3个重复，取平均值。

ri=ni/m×100%

(1)

式中，ri：沙丘某一地貌部位第i种类型障格破损率；ni：沙丘某一地貌部位第i种类型障格破损个数；m：沙丘某一地貌部位的总障格数。

对沙障障格内的梭梭幼苗保存数量进行统计，并计算保存率。

2.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Office Excel 2003整理，利用SPSS 24.0软件对沙障破损率指标进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)、显著性检验(LSD)。

表2 沙障破损类型

3 结果与分析

3.1 2种机械沙障的破损率

2种沙障设置初期均完好无损，可以发挥良好的防风固沙效果，随时间推移，2种沙障均有破损，相同沙障材料、不同规格的沙障破损率也不相同。

由图1可知，不同规格的PLA沙障在不同坡位的破损率不同，表现为背风坡坡中沙埋情况多于坡顶，其中，0.5 m×0.5 m规格沙障在背风坡坡中全部被沙埋，已失去防风固沙作用，坡顶及迎风坡坡中以全埋为主，总破损率分别达到79.07%、88.33%；1.5 m×1.5 m规格在背风坡坡中出现半埋情况较另外3种规格严重，达到23.15%，1.0 m×1.0 m(11.11%)与2.0 m×2.0 m(9.72%)半埋破损程度相近；4种规格在坡顶出现半埋破损情况表现为1.0 m×1.0 m(42.76%)>1.5 m×1.5 m(36.9%)>2.0 m×2.0 m(20.83%)；全埋破损表现为背风坡坡中2.0 m×2.0 m(79.86%)>1.0 m×1.0 m(78.28%)>1.5 m×1.5 m(64.35%)，坡顶2.0 m×2.0 m(46.88%)>1.0 m×1.0 m(36.03%)>1.5 m×1.5 m(23.81%)；仅有2.0 m×2.0 m规格出现障格解体，占比为32.29%。从总的破损率来看，1.5 m×1.5 m规格在经历1个风季后保存较完好，1.0 m×1.0 m次之，0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m破损严重。

图1 不同规格PLA沙障破损率

由图2可知，坡顶沙埋情况较背风坡坡中多，其中，背风坡中总破损率表现为0.5 m×0.5 m(93.06%)>2.0 m×2.0 m(86.67%)>1.0 m×1.0 m(52.5%)>1.5×1.5 m(40.28%)，坡顶总破损率表现为2.0 m×2.0 m(100%)>0.5 m×0.5 m(97.46%)>1.0 m×1.0 m(96.25%)>1.5 m×1.5 m(83.33%)，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、2.0 m×2.0 m坡顶基本已经失去防风固沙能力，在0.5 m×0.5 m规格的半埋比例(26.7%)较另外3种规格小，该规格沙障失效以全埋为主，基本失去防风固沙能力；1.5 m×1.5 m规格与1.0 m×1.0 m规格相比，半埋比例更高，且总的破损率较低，因此1.5 m×1.5 m规格经过1个风季后保留的防护能力较另外3种规格强，且仍具有一定防护能力。

图2 麦草沙障不同规格的破损率

由表3可知，在背风坡坡中，4种不同规格的麦草沙障受半埋破损较PLA沙障多，全埋破损较PLA少，因此可见在背风坡坡中，PLA沙障的破损类型以全埋为主，而麦草沙障以半埋为主；在坡顶位置，0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m规格的PLA沙障半埋比例较同规格的麦草沙障高，而全埋比例较麦草沙障低，可得在坡顶，PLA沙障更易发生半埋，而麦草沙障更易发生全埋；沙障破损发生情况，除1.5 m×1.5 m的半埋类型外，均存在显著差异(P<0.05)。

表3 PLA、麦草沙障破损率

3.2 2种机械沙障内梭梭保存率

沙障内植物保存率反映了不同材料、不同规格沙障对其发挥防风固沙作用的影响。由图3可知，梭梭在0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m规格的PLA沙障的保存率较麦草沙障低，而2.0 m×2.0 m的PLA沙障内的梭梭保存率更高；对于同一种材料的机械沙障来说，在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m规格内的梭梭保存率更高；背风坡在所处的地貌部位占有一定优势，表现为梭梭保存率高于坡顶。

图3 2种类型沙障内梭梭保存率

3.3 2种机械沙障成本和有效期

机械沙障的成本和有效期的调查对其材料和规格的选择、提高机械沙障的经济效益有重要作用。表4为2种机械沙障的设障成本和有效期的比较，可得PLA沙障的材料属新型材料，原材料多，制作工艺较复杂，成本较高，但材料使用的有效期较长，运输和设置较容易，布设沙障时可1人单独完成，并且随着治沙技术的发展，可以在PLA沙障填充过程中添加其他材料或者植物种子，提高治沙效率，其发展不可限量；麦草沙障可就地取材，具有成本低的优点，而且麦草本身具有保水的效果，在沙地上对植物生长必需的水分有补充作用，但却容易发生沙埋情况或随风沙过程而吹失，影响沙障方格的完整，进而使防风治沙效果降低，要想保持较好的防风固沙效果，在4 a的时间里就要对麦草沙障进行维护，这样生态功能才能延长[15]，而且麦草体积较大，较高的运输成本给沙障布设也带来了一定的困难。

表4 2种类型沙障成本和有效期比较

4 讨论

4.1 2种机械沙障的破损程度

机械沙障是工程治沙的主要措施之一，其作用是通过改变下垫面的结构和性质来控制风沙流的速度、结构和蚀积状况等，达到防风固沙的目的[16]。在本研究中2种机械沙障在布置1个风季后，由于风蚀、沙埋、日照等自然因素的作用，均出现不同程度的破损状况，防风固沙效应也随之降低。PLA沙障在背风坡坡中破损程度较大，以全埋为主，在坡顶发生半埋破损较多；麦草沙障在坡顶发生全埋更多，而在沙丘背风坡部分破损率较小。孙涛等[15]在民勤治沙综合试验站固定沙丘地带进行试验得出结论，麦草沙障顶部破损程度较大，而在沙丘迎风坡下坡和背风坡部分沙障四周完好。其原因是麦草沙障与PLA沙障自身特性差异而导致其对风沙流分布规律存在明显差异，不同沙障其下垫面结构不同，导致表面粗糙度和地表可风蚀物质含量差异较大[17]，进而增大了风沙流结构的变异。麦草沙障为透风型沙障，部分气流遇到障体后穿过孔隙，风沙流从沙丘下部随着沙丘增高风蚀能力逐渐增强，麦草沙障由于破损率增大，地表粗糙度降低，导致风沙流发育所需的饱和路径减小，因此沙丘上更容易被风吹蚀[18-19]，破损现象较为明显；PLA沙障为实体型沙障，其对气流只有阻挡和抬升作用，在被障体削弱能量的部分气流越过障体后形成紊流和涡旋，产生较小风蚀量，因此PLA沙障较麦草沙障更能增大地表粗糙度，且PLA沙障降低风速比率显著大于麦草沙障[1]。本研究中，仅在2.0 m×2.0 m规格的PLA沙障出现障格解体，其原因是障格规格较大，在风蚀沙埋的过程中，结构不稳定，防风固沙效果差，极易在外力作用下发生变形，结合其全埋比例较大的特点，因此在布设机械沙障过程中，尽量避免2.0 m×2.0 m规格甚至更大规格的障格设计，尽可能提高固沙效率，节约有效资源。

4.2 2种机械沙障内的梭梭保存率

沙障内植物保存率反映了机械沙障对其发挥防风固沙作用的影响。本研究中，麦草沙障内的梭梭保存率高于PLA沙障，其原因是麦草本身具有保水的效果，在沙地上对植物生长必需的水分有补充作用；2种沙障均是在1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m规格内的梭梭保存率更高，说明这2种规格的结构更稳定，有利于保持植物生长的水分，并对风沙的作用体系较完整，更利于布置在沙障内的植物生长。

5 结论

0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m规格PLA沙障、麦草沙障在1个风季后破损严重，基本失去防风固沙能力，1.0 m×1.0 m沙障仍具备微弱的防风固沙能力；1.5 m×1.5 m规格沙障的破损率在4种规格中最低，其中PLA沙障在背风坡坡中、坡顶的总破损率分别为87.5%、60.71%，麦草沙障为40.28%、83.33%。

PLA沙障在背风坡坡中破损程度较大，以全埋为主，在0.5 m×0.5 m规格达到100%，在坡顶发生半埋破损较多，在1.0 m×1.0 m规格达到42.76%；麦草沙障在坡顶发生全埋更多，即在坡顶破损程度较大，而在沙丘背风坡部分破损率较小；除1.5 m×1.5 m规格外，几种破损情况均存在显著差异(P<0.05)。

2年生梭梭在1.0 m×1.0 m规格的PLA、麦草沙障内的保存率较高，在背风坡坡中分别达到34.15%、37.5%。0.5 m×0.5 m、2.0 m×2.0 m规格的机械沙障破损率大，使用年限短；1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m规格沙障成本较低；PLA沙障材料运输较麦草容易且轻便，使用年限更长，但成本更高。

综上所述，从当地的水资源紧缺和长期的生态环境治理角度上看，在布设机械沙障或在沙障内进行植被建设时，选择1.0 m×1.0 m或1.5 m×1.5 m规格的PLA沙障为宜，虽然初次投入较大，但具有良好的防风固沙功效，在减少风沙危害具有良好的使用年限及较好的经济效益。