民勤防沙治沙新技术和新材料试验研究
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摘要：通过固沙植物材料选育和新型机械沙障的研制开展民勤防沙治沙新技术、新材料研究，结果表明：①民勤梭梭（Haloxylon ammodendron）种源种子质量好，育苗造林成活率高，生长良好，苗木耐盐性较强，可作为民勤沙区固沙造林首选的种源梭梭材料；②固沙小灌木沙蒿（Artemisia arenaria）种子萌发期抗旱性较强，沙土出苗率最高，是沙区飞播造林较为理想的固沙伴生植物新材料；③研发的棉杆沙障具有良好的防风固沙效果，且沙障就地取材、无污染，设置形式灵活多样，可根据需要制成不同结构和规格的沙障进行设置。因此，棉杆沙障以其独有的特性成为干旱区工程治沙措施的有力补充。
关键词：民勤；防沙治沙；棉秆沙障
中图分类号：X43 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）03-0548-04
沙漠化是当前世界干旱地区共同面临的严重问题之一，我国有沙漠化土地约53.25万km2，沙化面积仍在持续扩大，生态环境日益恶化，沙患不断，严重威胁着绿洲的存在[1]。目前我国防沙治沙技术、材料较多，其中机械固沙材料如粘土沙障、草方格沙障、柴草沙障、砾石沙障等各有缺陷[2-7]，需要进一步研发新的固沙材料弥补这些不足，植物固沙技术通过多年的应用，发挥着主要防护作用，但随着沙漠生态环境的不断恶化，已完全不能发挥应有的功能，需开展固沙植物新材料选育，完善防沙治沙技术体系，发挥更大的效益。因此，本研究通过新型机械沙障研制和植物固沙新材料选育试验，开展民勤防沙治沙新材料和新技术试验研究与示范，为完善我国防沙治沙技术体系提供理论指导。
1 试验区概况
试验区位于甘肃民勤县，地理坐标为38°05′- 39°06′N，103°02′-104°02′E，东、西、北三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠所包围。该区具有西北干旱荒漠区的典型特征：气候干旱、光照充足、降水稀少、风大沙多。年平均降水量116.2 mm，蒸发量2 643.9 mm；年平均有风的记录占99.23%，当地的大风风向主要为NW，其次是NE，风速大于5.0 m/s起沙风占全年有风日数的13.08%，4月和5月为大风和沙尘暴多发月份；湖区年均风沙日数达139 d，最多时达150 d， 8级以上大风日数70多天，年均强沙尘暴日数达29 d。区内地下水位降低，植被退化，沙尘暴频繁，生态环境严重恶化。
2 材料与方法
2.1 植物固沙材料选育试验
固沙植物梭梭（Haloxylon ammodendron）种源分别为新疆塔木苏格、吉木萨尔、吐鲁番、内蒙阿右旗和甘肃民勤本地，采集的种子在民勤沙生植物园进行梭梭种子萌发试验、育苗造林试验及苗木抗盐性试验，通过常规方法测定种子萌发率、发芽势、出苗率、保苗率、造林成活率、盐害指数、盐害率等指标[8，9]。固沙伴生植物盐爪爪（Kalidium foliatum）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.）、苦豆子（Sophora alopecuroides L.）、黄花矶松（Limonium aureum）、红砂（Reaumuria soongorica）、沙蒿（Artemisia arenaria）和油蒿（Artemisia ordosica）均采集自当地。种子萌发对干旱胁迫的响应试验采用培养皿纸上发芽床，模拟干旱溶液（聚乙二醇，相对分子质量6 000）渗透势采用Michel 等[10]的方法配制。干旱胁迫设置0（对照）、-0.3、-0.6、-0.9、-1.2、-1.5和-1.8 MPa渗透势溶液共7个处理[11]。不同土壤质地、沙埋条件下的种子萌发与出苗试验设置沙土、沙壤土和粘土3种土壤类型，土壤埋深设置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 cm 7个试验处理[12]。
2.2 沙障新材料研发试验
利用棉花副产品棉秆为原材料，试验研制出不同工艺和结构的棉秆沙障[13]。风洞试验验证：棉秆沙障具有防风固沙能力，沙障空隙度设计为30%、35%和40%的横排沙障，沙障结构设置为1 m×1 m的方格状，分别在7 m/s和10 m/s的饱和风沙流条件下测定障后1 m处0～20 cm高度的输沙量。野外设置不同结构和规格的棉秆沙障，对其防风固沙效应进行观测，沙障类型为植入式沙障、栅栏式沙障和集束式沙障3种结构，其中栅栏式沙障设置高度为40 cm和20 cm，40 cm高栅栏为行列式沙障，障间距1 m；20 cm高栅栏为障间距1 m的行列式沙障和规格为1 m×1 m的方格状沙障两种形式；集束式沙障设置为方格状，规格分别为1 m×1 m和0.5 m×0.5 m[14]。
3 结果与分析
3.1 固沙先锋植物梭梭种源选育
3.1.1 不同种源梭梭种子萌发特征 不同种源的梭梭在千粒重、发芽率、发芽势、种子含水率等方面存在着一定的差异性，以吐鲁番白梭梭种子千粒重、发芽率、种子含水率为最高。各个种源千粒重变幅为3.289～4.229 g，新疆塔木素格梭梭最低，吐鲁番白梭梭最高。梭梭种子发芽速度很快，如果温度适宜，7 h后种子就开始发芽，2 d后发芽过程基本结束，发芽率以新疆吐鲁番白梭梭最高，塔木素梭梭最低，其他3种梭梭居中；种子含水率以阿右旗梭梭最低，吐鲁番白梭梭最高。
3.1.2 不同种源梭梭育苗造林成活状况及生长表现 不同种源的梭梭育苗造林成活及生长均较好，但存在一定的差异。吐鲁番白梭梭种源成活表现最好，出苗率达到了92%，造林成活率为100%；而当地种源民勤梭梭出苗率和保苗率达到80%以上，造林成活率100%；阿右旗梭梭和塔木素格梭梭出苗及造林成活状况差异不大，出苗率在76%～78%，保苗率只有72%，造林成活率在97%～98%。不同种源梭梭生长以吐鲁番白梭梭为最高，高度达到了（70.95±2.74） cm，新梢生长量也达到了43.70 cm，民勤梭梭和塔木素格梭梭生长基本相似，株高生长达57.50 cm左右，新梢生长量在35.00 cm左右，阿右旗梭梭生长相对较差。
3.1.3 不同种源梭梭苗木耐盐性 不同种源梭梭在盐分胁迫下随盐分浓度的增加，盐害指数和盐害率也在增加。当盐分含量达8%时，吐鲁番白梭梭盐害率和盐害指数均达到了100%，说明白梭梭耐盐性最差，当盐分浓度达到10%时，其盐害指数达到了85%以上，盐害指数与盐害率同步，均反映了不同浓度条件下的抗盐能力。从表3可见，塔木素格梭梭和民勤梭梭具有较强的抗盐能力。
3.2 固沙伴生植物萌发条件及其抗旱性分析
3.2.1 固沙伴生植物种子萌发对干旱胁迫的响应及其抗旱性评价 以不同渗透势的PEG-6000溶液（0～-1.8 MPa）模拟干旱胁迫条件，研究了盐爪爪、黑果枸杞、沙蒿和油蒿4种荒漠植物种子萌发及幼苗生长对干旱胁迫的响应。
结果表明，干旱胁迫对4种荒漠植物种子萌发有显著的影响（P
用模糊函数隶属法对4种植物的相对发芽率、相对萌发数、相对胚芽长度、相对初生根长度、相对幼苗鲜重、抗旱指数及相对活力指数进行综合评价，得到4种植物的隶属函数总平均值（表4）。依照隶属函数值法，可排出4种植物种子萌发期抗旱性强弱的位次为：盐爪爪居第一，其余依次是沙蒿、油蒿和黑果枸杞。
3.2.2 固沙伴生植物种子萌发及出苗条件筛选 选择典型沙地植物苦豆子、黄花矶松、沙蒿、油蒿和红砂作为研究对象，研究不同土壤质地和土壤埋深对沙地植物出苗的影响。结果表明，不同土壤质地与埋深处理下的出苗率以苦豆子最高，说明苦豆子种子出苗能力最强。其中沙土地出苗率沙蒿最高，达到41.5%。沙壤土黄花矶松高达33.5%；黏土出苗率红砂高达31.5%（图2）。
综合分析认为，苦豆子种子出苗能力虽然最强，但由于苦豆子种子为中颗粒种子，需要较大埋深，因此苦豆子并不适合在干旱区大面积撒播（飞播），而小颗粒种子植物沙蒿和红砂更为适宜。以不同土壤质地下各埋深的出苗率为判断依据，沙土质地首选沙蒿，由于有自然的风蚀沙埋条件，在干旱区可进行大面积撒播（飞播）造林。沙壤土质地几种伴生植物均可选择，宜采用条播或穴播方式造林；而粘土质地首选红砂，有一定覆沙区可选择苦豆子和沙蒿，宜采用条播或穴播方式造林。
3.3 棉秆沙障的研制及其固沙效果
利用棉秆为原材料研发出栅栏式棉秆沙障和集束型可移动棉秆沙障，并成功申报国家实用新型专利2项。通过对不同结构棉秆沙障风洞试验分析发现，不同孔隙度棉秆沙障分别在7 m/s和10 m/s的饱和风沙流条件下障后1 m处0～20 cm高度的输沙量很小，认为30%～40%沙障疏透度设计较为合理；竖排沙障由于孔隙度较小，透风能力降低使得沙障出现倒伏现象，由棉秆编扎的不同类型的横排沙障具有良好的防风固沙效果，并且结构稳固，抗风蚀性能好。
棉秆沙障野外风速观测结果表明，不同结构和规格的棉秆沙障对风速均有减弱作用。带枝叶的植入式棉秆沙障内风速变异系数和风速降幅均大于其他规格的棉秆沙障，且省去了编制沙障的前期工作。但因风蚀作用，沙障容易倒伏，组建的沙障稳固性差。对于栅栏式沙障而言，20 cm高度的格状沙障的风速降幅高于行列状沙障，近地表10 cm处风速仅为流沙上风速的33%，沙面形态相对稳定，能起到较好的防风固沙作用，且沙障稳固，维护量小。因此，沙障结构与规格选择可根据当地风沙流场性质确定，在风沙活动强烈区可采用格状沙障，风沙流活动较弱地区宜采用行列状沙障或植入式沙障。
4 结论与讨论
1）梭梭作为干旱区固沙造林先锋树种，在国家防沙治沙中发挥着重要的作用[15，16]。由于梭梭分布区域、生境变化的差异，不同种源梭梭抗性也存在着一定的分异，因此，梭梭种源的优化选择也将成为固沙植物材料选育的必要途径。通过不同种源梭梭种子萌发试验、育苗造林成活和生长表现及苗木耐盐性试验，认为民勤梭梭种子质量好，育苗造林成活率高，生长良好，苗木耐盐性较强，可作为民勤沙区固沙造林首选的梭梭种源。
2）荒漠小灌木植物具有较强的生长更新能力，虽以固沙植物的伴生物种而存在，但对维持固沙植物群落结构的稳定性具有重要作用[17]，因此固沙伴生种筛选也显得尤为重要。通过对荒漠植物种子萌发的干旱胁迫响应及其萌发出苗条件筛选试验，综合分析认为，盐爪爪种子萌发最低阈值-1.5 MPa，黑果枸杞、沙蒿和油蒿种子萌发的最低阈值均为 -0.9 MPa。种子萌发期抗旱性依次为盐爪爪、沙蒿、油蒿、黑果枸杞，剔除盐生植物外，沙蒿为种子萌发期抗旱性较强的沙生植物；而且沙蒿在沙土中出苗率最高达到41.5%，并且具备自然的风蚀沙埋条件，在干旱区可进行大面积撒播（飞播）造林。
3）棉秆沙障与其他沙障材料相比具有一定的优点。如塑料沙障固沙效果好，寿命长，但成本费用高，因使用化工材料还可能带来环境污染；黏土沙障、麦草沙障固沙效果相对不高，寿命短，布设费用高；棉秆沙障就地取材，设置形式灵活多样，可根据需要编制成不同结构和规格的沙障进行设置。另外，从示范区试验结果分析，棉秆沙障要比麦草沙障耐风蚀，使用寿命应在5～7年，且棉杆沙障成本费与同规格的麦草沙障接近。目前，由于沙区封育使得麦草多用于家畜饲草，在麦草沙障原材料日益短缺、收购价增高的现实条件下，棉秆沙障以其独有的特性成为干旱区工程治沙措施的有力补充。
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