吉兰泰盐湖绿洲柽柳灌丛生长与沙堆形态特征的关系

迟 旭，崔向新，党晓宏，蒙仲举，翟 波，张 格

(1内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018; 2中国林业科学研究院 沙漠林业试验中心，内蒙古 磴口 015200)

土地荒漠化是当今全球面临的最为严重的社会、经济和生态问题，荒漠化的科学治理对于改善人类生存环境、保障社会经济可持续发展至关重要。植物作为一种经济有效的防风阻沙材料，是荒漠化治理的有效手段之一[1]。由于荒漠地区干旱缺水、植被稀少，营建防护林在防沙治沙方面扮演了重要的角色[2-3]。柽柳灌丛防护林带位于吉兰泰盐湖绿洲，该地具有沙区集中、风沙活动强烈、沙源充足的特点；同时也面临土地沙化面积扩大、生态环境脆弱、风沙危害严重等问题。

柽柳(Tamarixchinensis)是干旱区主要耐盐植物，独立的柽柳灌丛可通过拦截过境风沙，借助自身凋落物及根部分泌物将灌丛周围的土壤颗粒及养分向灌丛中心聚集[4-5]，形成明显的资源岛特征[6]，并且在灌丛周围堆积形成一种类似沙包的特殊地貌类型，称为灌丛沙堆[7]。灌丛沙堆是衡量土壤风蚀与土地退化的重要标志,柽柳灌丛沙堆对于维持吉兰泰盐湖区域生态环境稳定发挥了重要作用[8]。已有研究表明，植物本身的阻沙能力是植物地上部分与地下部分共同作用的结果[9]，植物地上部分的高度、冠幅面积等与沙堆长度、沙堆底面积、沙堆体积之间呈明显正相关关系[10-11]。阿依努尔·艾尼等[12]的研究表明，柽柳灌丛对其周围地表风速和输沙量具有显著影响。但是关于柽柳灌丛生长发育过程中灌丛形态与其所形成的沙堆形态之间的相关性研究却鲜有报道。

为此，本研究以内蒙古阿拉善盟吉兰泰盐湖绿洲防护林带柽柳灌丛沙堆为对象，通过对研究区内柽柳灌丛形态与灌丛所形成沙堆之间相关性的系统分析，探明同一建植年限柽柳灌丛形态大小与阻沙能力之间的差异，确定制约沙堆形成的灌丛形态参数，以期揭示同一建植年限柽柳灌丛生长差异的影响因素，为吉兰泰盐湖绿洲防护林带防沙治沙及环境改善提供理论依据与数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古阿拉善盟吉兰泰盐湖绿洲防护林带(105°42′56.48″E，39°47′29.66″N)，平均海拔为1 012 m。研究区属于典型温带大陆性季风气候，具有气候炎热、干旱少雨、风大沙多等特点。年降水量107 mm，年平均蒸发量2 956.8 mm，为年降水量的27倍。主导风向为西北风，年平均风速3.4 m/s，昼夜温差大，年平均气温8.6 ℃，主要土壤类型为风沙土、灰漠土[13]。

试验地设在盐湖防护林带内部，柽柳灌丛为1983年人工栽植，株行距为2.0 m×2.0 m，与盐湖湖心的盐爪爪灌丛相邻，受水分和盐碱条件限制，植被分布格局大尺度上呈条带状分布，小尺度上呈斑块状，由于植被多年定居，因此不同灌丛防护林带之间边界不明显。试验地内柽柳为建群种，植被盖度约为37.08%。中间零星分布有白刺灌丛(Nitrariatangutorum)、多年生草本植物芦苇(Phragmitesaustralis)和一年生草本兴安虫实(Corispermumchinganicum)。靠近盐爪爪灌丛的柽柳灌丛沙堆表面有盐结皮覆盖，结皮较完整，结皮面积占沙堆表面积的80%以上。研究区位于封育地带，结皮无破损和风蚀现象。防护林带内部柽柳灌丛未形成盐结皮，灌丛沙堆以流沙为主。

1.2 试验设计

在吉兰泰盐湖附近选取柽柳灌丛防护林带，经实地勘察后设置100 m×100 m样方(图1)，对样方内218株柽柳灌丛及其沙堆形态指标进行测定：用钢卷尺(精度0.1 cm)测量柽柳灌丛高度(H)、冠幅长度(L)、冠幅宽度(W)、沙堆长度(SL)、沙堆宽度(SW)和沙堆高度(SH)。

在野外调查基础上，根据以上参数计算柽柳灌丛的冠幅面积(A)、灌丛体积(V)以及沙堆底面积(SA)和沙堆体积(SV)。冠幅面积(A)与沙堆底面积(SA)以椭圆计算，灌丛体积(V)与沙堆体积(SV)以椭球体估算。参考Liu等[14]对柠条锦鸡儿灌丛的等级划分方法，构建灌丛个体指数(SSI)，SSI=∏C1C2H/4，其中C1、C2分别为植株冠幅长度、冠幅宽度，H为灌丛高度。依据SSI将柽柳灌丛分为大型灌丛(SSI>40)、中型灌丛(10≤SSI≤40)和小型灌丛(SSI<10)3个等级。

不同大小圆圈代表样地内灌丛的大小Sizes of circles represent sizes of shrubs图1 柽柳灌丛样方示意图Fig.1 Sampling map of Tamarix chinensis shrubs

1.3 数据分析

用Excel 10.0整理数据，用SPSS 22.0软件对试验数据进行统计与分析。采用单因素分析法(One-way ANOVA)比较不同等级灌丛之间植株与沙堆形态特征的差异。以5 m2为单位将沙堆划分为底面积不同的小组[15]，绘制不同类型柽柳灌丛沙堆底面积频率分布图和累积频率分布图。柽柳灌丛结构与其沙堆间的关系用Person相关分析方法[16]进行分析。最后对灌丛指标与其沙堆指标进行回归分析，研究柽柳灌丛的阻沙效应，采用Origin 2019软件制图。

2 结果与分析

2.1 吉兰泰盐湖柽柳灌丛及其沙堆概况

吉兰泰盐湖柽柳灌丛及其沙堆基本情况的调查结果见表1。由表1可见，3种类型柽柳灌丛及其沙堆在灌丛总数、平均高度、平均冠幅和SSI方面均具有明显差异。试验地小型灌丛总数为177株，较中型灌丛多141株，而大型灌丛总数仅为5株。大型灌丛平均高度为2.27 m，较中型灌丛高0.08 m，较小型灌丛高1.04 m。小型灌丛SSI为3.39,大型灌丛SSI为53.81,大型和小型灌丛植株均单株生长，中型灌丛以多株生长为主， SSI为20.74。

表1 不同等级柽柳灌丛及其沙堆概况Table 1 Overview of different levels of Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.2 吉兰泰盐湖柽柳灌丛及其沙堆的空间分布与形态特征

吉兰泰盐湖柽柳灌丛植株与沙堆形态指标间关系密切。由表2可见，样地内柽柳灌丛与沙堆形态参数间均呈极显著正相关关系(P<0.01)，仅灌丛高度与沙堆高度之间相关系数较小(R=0.320)。

表2 柽柳植株及其沙堆形态指标间的相关系数(R)Table 2 Correlation coefficients (R) between morphological indexes of Tamarix chinensis plants and sand piles

对吉兰泰盐湖柽柳灌丛及沙堆形态关系的分析(图2)可知，不同类型灌丛的灌丛长度、灌丛宽度、灌丛高度、沙堆长度、沙堆宽度和沙堆高度间的差异均达显著水平(P<0.05)，且平均值均表现为大型灌丛>中型灌丛>小型灌丛。大型柽柳灌丛高度为2.49～3.03 m，灌丛高度平均值较中型灌丛高24.20%，是小型灌丛高度的3.21倍，三者之间有显著差异(P<0.05)。小型灌丛的沙堆高度平均值较中型灌丛低65.00%，较大型灌丛沙堆低165.00%。

图中不同小写字母表示各类型灌丛间差异显著(P<0.05)，箱线图中5条线从上到下依次为灌丛及其沙堆指标的最大值、第三四分位数值、中位数值、第一四分位数值和最小值；正方形空心方点表示平均值Different lowercase letters in the graph indicate significant differences between different shrub types(P<0.05),from top to bottom,the five horizontal lines in the boxplot are the maximum,the third quartile,the median,the first quartile and the minimum of shrub and sand pile indexes.Square hollow square points represent the average value图2 不同等级柽柳灌丛及其沙堆形态指标的箱线图Fig.2 Box diagram of morphological indexes of different grade Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.3 吉兰泰盐湖柽柳灌丛与沙堆形态参数的相关关系

由表3可见，吉兰泰盐湖柽柳大型灌丛的高度与沙堆宽度间存在显著相关关系(R=0.931，P<0.05)，沙堆高度与沙堆宽度也呈显著相关(R=0.952)，其余指标间相关性均不显著。说明灌丛高度是制约大型灌丛沙堆形态的主要因素。

表3 大型柽柳灌丛与沙堆形态参数的相关系数(R)Table 3 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of large Tamarix chinensis shrubs and sand piles

由表4可见，中型柽柳灌丛的灌丛高度与其他灌丛、沙堆形态参数之间均无明显相关关系；中型灌丛的沙堆高度与灌丛形态参数间无相关性，但与沙堆长度和宽度呈极显著或显著相关；灌丛长度和宽度与沙堆长度和宽度之间均呈极显著线性相关(P<0.01)。

表4 中型柽柳灌丛与沙堆形态参数的相关系数(R)Table 4 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of medium Tamarix chinensis shrubs and sand piles

由表5可见，小型柽柳灌丛的灌丛高度除与沙堆高度间无显著相关关系外，与其他指标均呈极显著相关(P<0.01)，沙堆高度与沙堆宽度间显著相关(P<0.05)，而冠幅长度和宽度与沙堆长度、宽度和高度间均呈极显著相关(P<0.01)。

表5 小型柽柳灌丛与沙堆形态参数的相关系数(R)Table 5 Correlation coefficients (R) of morphological parameters of small Tamarix chinensis shrubs and sand piles

2.4 吉兰泰盐湖柽柳灌丛形态特征与沙堆形态参数的回归分析

由图3可见，吉兰泰盐湖大型柽柳灌丛长度和宽度仅与灌丛形态参数间相关关系较高，灌丛长度随灌丛宽度与灌丛高度的增加均呈先增加后降低的趋势；灌丛高度与沙堆形态指标间相关系数(R2)均大于0.53。说明大型灌丛沙堆的形态特征仅受灌丛高度的制约。

图3 大型柽柳灌丛植株与沙堆形态参数的拟合关系Fig.3 Fitting relationship between large Tamarix chinensis shrub plants and morphological parameters of sand piles

由图4可见，吉兰泰盐湖中型柽柳灌丛的长度和宽度与沙堆的长度和宽度间均呈正相关关系，灌丛长度与沙堆长度间的相关系数(R2)为0.47，灌丛宽度与沙堆长度间的相关系数(R2)为0.49，灌丛宽度与沙堆宽度间的相关系数(R2)为0.48，灌丛长宽与沙堆长宽的拟合方程均为线性相关关系，表明中型灌丛沙堆形态特征主要受灌丛长度和宽度的制约。

图4 中型柽柳灌丛植株与沙堆形态参数的拟合关系Fig.4 Fitting relationship between medium Tamarix chinensis shrub plants and morphological parameters of sand piles

由图5可见，吉兰泰盐湖小型柽柳灌丛长度与除沙堆高度外的其他指标间的相关系数(R2)均较高，其相关系数R2均大于0.42；灌丛宽度与沙堆长度和宽度间相关系数R2均大于0.63，具有较高的相关性。小型灌丛沙堆形态参数间的拟合方程的斜率均为正，其中灌丛高度与沙堆形态参数间的相关关系相对较小，说明小型灌丛沙堆形态参数受灌丛长度和宽度的影响较为明显。

图5 小型柽柳灌丛植株与沙堆形态参数的拟合关系Fig.5 Fitting relationship between small Tamarix chinensis shrub plants and morphological of parameters sand piles

2.5 吉兰泰盐湖柽柳灌丛及其积沙体的形态特征

不同个体指数(SSI)柽柳灌丛的积沙情况如图6所示。

图6 不同个体指数(SSI)柽柳灌丛的积沙情况Fig.6 Sediment accumulation in Tamarix chinensis shrubs with different individual sizes

由图6可见，随着吉兰泰盐湖柽柳灌丛个体指数(SSI)的增加，沙堆底面积与沙堆体积均具有类似的变化趋势，总体呈正相关关系，沙堆底面积为0.12～31.64 m2，随SSI的增加呈线性增长，且拟合度相对较好，其拟合方程的R2为0.78；沙堆体积为0.01～16.33 m3，且随灌丛SSI的增大呈增加趋势，说明柽柳灌丛SSI越大，其积沙能力越强。

从图7可知，灌丛沙堆投影面积逐渐增大，不同等级柽柳灌丛沙堆出现频率均不相同。85.32%小型灌丛的沙堆投影面积小于5 m2，沙堆大小分布比较集中；中型灌丛沙堆投影面积为0～30 m2，分布较均匀，累积频率中值对应面积小于10 m2；大型灌丛在样地内零星分布，且均分布在柽柳防护林带的边缘，大型灌丛沙堆投影面积为20.61～31.64 m2，累积频率中值对应面积小于30 m2。3类柽柳灌丛沙堆投影面积均小于35 m2，说明随着柽柳灌丛SSI的增大，其积沙能力增强。

图7 3类柽柳灌丛沙堆投影面积的频率和累积频率的分布Fig.7 Frequency and cumulative frequency distribution of sand piles in 3 types of Tamarix chinensis shrubs

3 讨 论

灌丛沙堆作为干旱及半干旱地区的特殊地貌形态，是因植物覆盖地表、阻截风沙等方式改变气流结构、降低近地表风速[17]，使得近地表沙物质重新分配而形成的形态各异的沙堆[18]，利用沙堆形态特征可以初步衡量植被的阻沙能力。在一定区域内，植被类型及其生长条件与沙堆各形态参数之间具有一定的相关性[19]。本研究发现，随着柽柳株高和冠幅的逐渐增大，其防风阻沙能力逐渐增强，导致到达地面的近地表风沙流强度逐渐减弱，使沙粒沉降堆积，柽柳周围形成的沙堆发育速度加快。灌丛沙堆由上部透风的植被和下部不透风的风积沙体组成，且植被空间占有率越高，其防风阻沙能力越强，形成的沙堆也越大[20]。本研究还发现，植物生长状态与沙堆底面积、沙堆体积之间呈正相关关系，与前人研究结果[21-22]一致；小型、中型灌丛植株高度与其他灌丛及沙堆形态参数之间不相关，沙堆高度与其他灌丛及沙堆形态参数间相关性较差[23]。柽柳灌丛生长到一定大小后，由原来的椭球体开始向上生长，大型柽柳灌丛中下部冠幅形态不再生长，在顶部形成正三角形突出体，此时植株高度成为沙堆形态特征的主要响应参数。

气候干旱与植被稀少等环境特点为沙堆的形成提供了条件[24-25]，灌丛沙堆在防止风沙侵蚀和养分流失方面发挥着重要作用[26]。充足的沙源与强烈的风沙活动是吉兰泰盐湖绿洲防护林带柽柳灌丛沙堆形成的必要条件[27]。研究表明，植物地上形态结构是影响其阻沙能力的重要因素[28]，灌丛形态与灌丛积沙量大小间存在显著相关性[2]。不同等级灌丛沙堆在小尺度上倾向于均匀分布，在大尺度上呈随机分布[29]。本研究中，大型柽柳灌丛位于防护林带边缘，与盐爪爪灌丛相邻，由于无高大灌丛拦截风沙，因此沙源充足，为沙堆的发育提供了条件。大型柽柳灌丛株间距较大，植株可利用的空间资源充足，这为其形态生长及沙堆的形成提供了条件；大型灌丛沙堆表面有盐结皮覆盖，且结皮较完整，因此大型灌丛沙堆抗风蚀性良好[30]。小型灌丛位于防护林内部，株间距较小，且有大型、中型灌丛阻挡，沙源相对不够充足，且小型灌丛沙堆表面未形成结皮，沙堆易风蚀，因此，小型灌丛形成的沙堆较小。

柽柳灌丛是多年生灌木，由于环境影响，不同等级灌丛虽建植年限相同，但其生长发育速度并不相同。柽柳植株在防护林中的位置、所处生境是制约其生长的重要因素。由于柽柳冠幅表层幼枝柔韧度较高，风沙流经过时，枝叶变形、摆动幅度大，而老枝透风系数较大，风沙流过后对沙堆造成侵蚀，导致沙堆的形态发育相对不规则[31]。小型灌丛植株与沙堆形态之间相关性较强，这是由于小型灌丛沙堆处于防护林带内部，且小型灌丛沙堆表面未形成盐结皮，沙堆表面为流沙。因此，小型灌丛形成的沙堆是灌丛植株与风沙环境共同作用的结果。

4 结 论

在吉兰泰盐湖绿洲防护林带柽柳防护林营建与演替过程中，无论柽柳灌丛沙堆长度(0.63～7.80 m)、沙堆宽度(0.32～6.20 m)、沙堆高度(0.05～0.80 m)，还是积沙面积(0.12～31.64 m2)、沙堆体积(0.01～16.33 m3)，均随柽柳灌丛植株个体指数(SSI)的增大而变大，形成盐结皮之前冠幅长度和宽度是影响积沙效果和沙堆形态的主要因素。柽柳灌丛形态指标与沙堆形态参数之间存在极显著正相关关系，大型灌丛沙堆形态主要受植株高度制约，中型、小型灌丛沙堆形态主要受灌丛长度和宽度制约。随着灌丛生长及SSI的增大，植株高度逐渐成为沙堆形态的主要制约因素。