沙质草原风蚀坑发育及防治技术研究综述.pdf

科技园地内蒙古林业2 0 2 3 年第8 期风蚀坑治理（沙障铺设3 个月后）黄海广沙质草原风蚀坑发育及防治技术研究综述郭子玥海春兴解云虎1.内蒙古师范大学地理科学学院2.内蒙古科技大学包头师范学院资源与环境学院中国北方沙质草原风蚀坑多发生于锡林郭勒草原和呼伦贝尔草原等沙质草原。锡林郭勒草原位于内蒙古自治区中部，由东至西依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原，在人为和自然因素的复合作用下出现了荒漠化，并且呈阶梯式变化。呼伦贝尔草原位于内蒙古自治区东北部，植物群落众多、物种丰富度高，受人为和自然因素的影响，风蚀沙化日渐严重，现有三条沙带：北部沙带位于海拉尔河沿岸，中部沙带从鄂温克族自治旗莫和尔图嘎查至新巴尔虎左旗罕达盖苏木，南部沙带从新巴尔虎左旗阿木古郎镇到鄂温克族自治旗辉苏木。风蚀坑的出现是固定沙丘开始活化的重要标志，其形成和发展与草原沙化联系密切，形成原因、现状及防治措施具有相似性。目前，针对沙质草原风蚀坑的发育阶段、防治技术已开展了大量的研究和实践工作。本文对已有相关研究成果进行了综述，对风蚀坑在裸地沙斑阶段、活化发展阶段、固定阶段、消亡阶段和重新活化阶段的特征，以及机械和生物防治技术进行了总结，可为后期风蚀坑修复治理提供理论依据。、风蚀坑的发育阶段1.裸地沙斑阶段在干旱多风的环境下，由于翻耕、弃耕等人类活动造成地表植被破坏，在强风的作用下沙粒吹扬，形成裸地，在风沙流的磨蚀推进和地表径流的冲刷下，土层的松散处出现破口，露出散沙，形成裸地沙斑，诱发风蚀坑发展（张德平等，2 0 0 7）。该阶段是风蚀坑形成的最初阶段，其他部位尚未发育，形态参数之间相关性小，方向性尚不明显，受表层物质吹蚀的影响，风蚀坑呈短轴型形态，坑长的增长速度加快。随着风蚀坑的发展，裸露造成的沙斑34|INNERMONGOLIAFORESTRY科技园地内蒙古林业2 0 2 3 年第8 期呈现出底面较平、整体不规则的形态，深度通常不超过1米，现存植被较少；翻耕形成的沙斑呈椭圆状，其他部位不明显，植被保留较好，基本不受影响。输沙量趋于向上层移动，总输沙量是未风蚀草地的7.8 7 倍，植被盖度降低，风速迅速加快，高度达到2 0 0 厘米时，风速已超过每秒10 米，风速廓线呈对数分布，无植被覆盖的区域气流呈对数分布（张惜伟等，2 0 18）。与其他阶段相比，土壤粒度分形维数和细砂含量在此阶段数值最大，细砂含量可达63.46%，粉粒和极细砂含量与未风蚀草地相比有所降低（张惜伟，2 0 17）。有学者将高原地区风蚀坑发育初期称为胚胎期至幼年期，该阶段风蚀坑面积小于10 0 平方米，长宽比约为1：1，发育有不同方向的风蚀斑，这是对影响因素的直接响应，地表以下开始受到侵蚀，生成小尺度的碟形或碗形坑（LUOwY,etal.，2 0 19)。2.活跃发展阶段风力掏蚀造成土层崩塌和风沙堆积，风蚀坑开始形成，并逐步扩大规模。经过长时间的发育，风蚀坑已达到一定规模，进入活跃发展阶段，又称青年期。坑长与坑宽快速增加，沙气流到达坑时经过较长的距离后侵蚀能力下降，坑长的增长速度减缓，风蚀坑的下蚀作用增强，侵蚀搬运的沙粒物质在坑后沉积。各形态间的相关系数增加，形态发育表现出更强的规律，呈碟形或槽形。坑后积沙长、宽、深的增长主要受坑的深度制约，与坑长和坑宽的增长速度基本一致。由于坑后植被不断减少，风沙流作用增强，坑后积沙长的增长速度快于坑长（HesppA.，19 9 6）。在该阶段，风力侵蚀基准面会限制向下的侵蚀，侵蚀方向发生改变，侧向侵蚀增强，坑底逐渐变平，形成侵蚀洼地。活跃发展阶段的风沙活动强烈，风速达到最大值，风廓线遵循对数分布。共和盆地的中尺度槽形坑在高于坑底的0.3 0.5米处因存在涡流，在此高度会出现拐点，拐点以上的风廓线不符合对数规律。输沙量趋于向高层移动，总输沙量是未风蚀草地的16.0 3 倍，沙粒浓度随着高度增加衰减速率达到最快，近地表移输沙量和跃移高度在所有阶段中最大。在颗粒分布方面，由于风力分选较强，颗粒分布最为集中，表层土壤中细砂和中砂分布集中含量高达9 2.6 7%，极细砂和粉粒的含量降至最低，粗砂的含量与其他阶段相比最高，平均粒径明显较小。风蚀坑对周围草地的含水量影响较为显著，在边缘地区出现了一条近3 米宽的“干燥带”，为风蚀坑的扩张提供了条件（袁立敏等，2 0 2 2）。3.固定阶段在侵蚀基准面的控制下，植被开始发育，风蚀坑被固定下来，进入成熟期，发展相对稳定。固定阶段的放牧踩踏活动存在双重性，一方面会使固定后的风蚀坑发生活化，出现新的破口，重新进入活化阶段，加剧风蚀坑的发展；另一方面会使风蚀坑边缘物质落在坑底，使风蚀坑更加平滑，有利于气流速度降低、侵蚀减弱，牲畜排放的粪便可以增加土壤养分，促进种子传播，加快植被的生长，促进风蚀坑的消亡（王帅等，2 0 0 7）。风力侵蚀造成侧壁塌，边缘侵蚀显著，中尺度的风蚀坑继续合并形成巨型槽形坑，风蚀坑坑长、宽、深的增长速度为坑长 坑宽 坑深。风蚀活动减弱，风速降低，输沙量开始减少，是未风蚀草地的5.0 6 倍，细砂和粉粒的含量开始恢复，风沙流趋于贴近地表，风廓线仍呈对数分布规律。坑后植被开始缓慢发育，侵蚀和沉积作用基本达到平衡，充足的水分条件对植被的生长具有促进作用，优先形成微型生态环境，加快风蚀坑的消亡。在呼伦贝尔沙质草原风蚀坑的部面土层中可以观察到，经过固定阶段后，坑后沙丘会发育一层古土壤，当再次活化后埋藏于背风坡。4.消亡阶段由于植被覆盖、群落演替或风蚀沙坑作用下，风蚀坑变小直至消亡，翻耕型和道路型风蚀坑基本消失。由于人类和牲畜活动或沙丘移动对风蚀坑坑底的填补，使坑的宽度增加，坑的深度变浅，形态趋向于椭圆形，风蚀坑的其他部位不易区分（张惜伟，2 0 18）。植被逐渐恢复，风力侵蚀作用降低，气流活动受到影响，风廓线呈“S”形分布，输沙量降低为未风蚀草地的1.7 2 倍。在消亡阶段，极细砂和粉粒的含量继续增加，接近未风蚀草地中的含量，沙粒分布集中程度在所有阶段中最低。5.活化阶段在发育过程的任何一个阶段中，风蚀坑都可能活化，重新进入活跃发展阶段。活化的初始位置通INNERMONGOLIAFORESTRY|35科技园地内蒙古林业2 0 2 3 年第8 期常位于风蚀坑的边缘区域，或在迎风坡面叠加新的风蚀坑，再次完成整个发育过程。坑长和坑宽的发育与裸地沙斑阶段相似，以表层物质的侵蚀为主，生长模式与活跃发展阶段相似，由于气流、植被覆盖等因素，表现出坑长增长快于坑后积沙长度增长的特点，坑长、坑宽和坑深的相关系数基本一致，向下侵蚀的作用减弱，以水平方向的扩展为主。气流活动受植被的影响减弱，风蚀活动增强，输沙量增大为未风蚀草地的7.5 4倍，风廓线符合对数分布。表层土壤中的极细砂和粉粒的含量再次降低，细砂含量继续增高，平均粒径仅次于活跃发展阶段，沙粒分布最为集中。二、风蚀坑的防治技术1.风蚀坑的机械防治技术沙质草原风蚀坑治理的机械防治技术，主要包括平整土地、埋置沙障和铺设枯草，实现防风固沙的效果。在作业面积小于10 亩的情况下，根据风蚀面与地面的角度，选取挖掘机（大于45）或装载机（小于45）平整沙地，面积大于10 亩且角度大于45时，应同时选择两种机械装备。沙地平整后，沙地的风蚀面与地面的角度小于3 0，为设置机械沙障和生物沙障创造条件。受极端天气影响形成的风蚀坑，采用麦秸草和芦苇条，做成2 米2 米的菱形网格沙障或1米1米的麦秸网格沙障，地上和地下各保留3 0 厘米，枯草铺设于网格中，分别用于防风和固定沙地（陈翔等，2 0 19）。由固定半固定沙丘活化形成的风蚀坑，应沿迎风坡垂直于风向设置间隔为3 米的芦苇、麦秸草，埋藏深度和留高均为5 0 厘米。当周围存有较为丰富的种子时，铺设间距为2 4米的枝条沙障、纱网沙障等透风型沙障，透风型沙障具有较好的拦截能力，可将通过风蚀坑侧边或者随风沙飘落进入风蚀坑内的种子截留在风蚀坑内部，有利于坑内植物的自然恢复（闫德仁等，2 0 19）。针对风蚀坑不同部位的不同风蚀程度，采取相应的机械防治技术，在受风蚀严重的坡面铺设聚乙烯（PE）纱网带状沙障；在风沙危害最严重的积沙区，36INNER MONGOLIA FORESTRY风蚀坑治理（沙障铺设2 年后）黄海广科技园地内蒙古林业2 0 2 3 年第8 期铺设3 米3 米、4米4米、6 米6 米的PE纱网网格沙障，或1米1米、4米4米的聚乳酸（PLA）纤维沙袋网格沙障和1米、4米带间距的带状沙障；在风蚀坑的边坡上部采用削坡处理减缓坡度，铺设PE纱网沙障与坡面的沙障连接，或在表层土壤和下伏沙土之间设置PE纱网沙障，防止土层崩塌造成风蚀坑的快速发展（曲娜等，2 0 2 0）。2.风蚀坑的生物防治技术植苗造林和灌木直播造林、人工植被建立和天然植被恢复相结合的风蚀坑生物防治技术，具有成本低、作用时间长和促进植被自然修复效果好的明显优势。其中，选择适宜的种子是关键。一般选择一年生禾本科、多年生禾本科和豆科植物种子进行机械播种，如谷子、莜麦等一年生植物可以快速生长、固定沙地，植物生长环境可在短期内得到改善，为多年生植物的生长做好保障。在雨季选择羊柴、沙打旺和柠条种子，以人工撒播的方式调整播种量，增加植物盖度，建立灌木种群在群落中的优势。选择黄柳和小红柳等易成活植物造林，可以同时达到防风固沙和提升经济效益的目的。植物沙障选取灌木型目的树种和燕麦或小麦作为伴生植物种，按照一定比例播种，可提升风蚀坑内的植被盖度和物种丰富度，加快植被的正向演替（薛博等，2 0 2 0）。在风蚀坑的不同部位采取不同的生物措施，风蚀坑边沿设置大麦的生物沙障，补播柠条和羊柴种子；在风蚀坑底部和背风处，风蚀程度较弱，直接混播柠条和羊柴；风蚀坑内种植牧草沙打旺，借助沙打旺的固氮作用提升土壤肥力，待3 5 年土壤肥力逐渐恢复后，种植灌木和乔木，治沙效果显著。在风蚀严重且植被覆盖度极低的风蚀沙堆顶部，应采取综合防治技术。不同区域形成的风蚀坑应采取相应的治理措施，在平坦开阔的流沙区域，设置4米4米的直播植物沙障，将冰草、羊柴、柠条和沙蒿的种子进行丸衣化处理，增大种子体积保证落粒均匀，采取人工播种或飞播方式混播。在路堤迎风侧的风蚀坑，设置以黄柳和小红柳为主的高立式柳条沙障，使起沙风速快速降低，粗糙度增加，防风效果明显。针对天然樟子松林内的风蚀坑，可在雨季直播羊柴，设置生物复合沙障进行治理，风蚀坑坡中部的治理效果最为显著，沙化得到控制，樟子松可以天然更新（张宝珠等，2 0 14）。随着生物技术的发展，在鄂尔多斯高原的毛乌素沙地东部的风蚀坑治理中加入了克隆植物治理技术，在以赖草和沙鞭为主的植物群落人工模拟风蚀坑，以观测修复状态，由于在风蚀坑中有良好的光照条件，与自然条件相比，风蚀坑中均产生了更多的植株分株，但受到养分的限制，植株的其他指标低于自然环境中形成的分株，总体表明植被修复能力均有所提高。合轴型克隆草本赖草通过周围根茎的扩展方式，可以产生多于沙鞭的植株，对风蚀坑的修复能力更强（叶学化，2 0 11）。三、结论与展望在现有的沙质草原风蚀坑发育阶段的研究中，按照发育过程对裸地沙斑阶段、活化发展阶段、固定阶段、消亡阶段和重新活化阶段的形态变化、输沙量和土壤粒度等因素已进行了详细的研究，但是在这五个阶段之间，缺乏明显界限，不利于针对不同发育阶段的风蚀坑采取相应的治理措施。在今后的研究中应在发育阶段的划分上给出更详细、明确的界限区分。风蚀坑的防治技术以机械防治和生物防治为主，目前的研究集中于呼伦贝尔沙质草原和锡林郭勒沙质草原的风蚀坑防治。不同区域、不同原因导致的风蚀坑，治理时设置沙障的高度、埋深和网格或带状的规格，也可在今后的研究中继续丰富。在风蚀坑不同部位的治理中，已有基础性的研究，今后可以考虑按照风蚀坑不同部位进行防治措施布局，同时要更关注独立和呈片状分布的风蚀坑的治理。目前针对风蚀坑不同发育阶段的治理技术较为缺乏。在对发育阶段进行明确的界限划分后，对不同发育阶段采取相应的措施，尽可能在裸地沙斑阶段及时遇制风蚀坑的进一步发展，或在其他阶段加速风蚀坑向消亡阶段转变，并考虑如何阻止固定消亡的风蚀坑再次活化。资助项目：锡林郭勒草原风蚀坑修复治理配套技术应用与示范（2 0 2 2 YFDZ0027）INNERMONGOLIAFORESTRY|37