林业科学  2015, Vol. 51 Issue (4): 103-109   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150413
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文章信息

闫守刚, 沈自彬, 李晓东, 许清涛
Yan Shougang, Shen Zibin, Li Xiaodong, Xu Qingtao
流动沙丘与丘间低地过渡带的时空格局对植被恢复的影响
Effects of Spatial and Temporal Pattern of Transition Zones between Active Dunes and Interdune Lowlands on Vegetation Restorations
林业科学, 2015, 51(4): 103-109
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(4): 103-109.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150413

文章历史

收稿日期:2013-12-19
修回日期:2015-01-10

作者相关文章

闫守刚
沈自彬
李晓东
许清涛

流动沙丘与丘间低地过渡带的时空格局对植被恢复的影响
闫守刚1, 沈自彬2, 李晓东1, 许清涛    
1. 白城师范学院地理科学学院 白城 137000;
2. 山东省泗水县环境保护局 泗水 273200
摘要:【目的】 研究流动沙丘与丘间低地过渡带的生态过程,探讨过渡带的时空格局及其对流动沙丘-植被面积的关系的调控作用。【方法】在科尔沁沙地西部乌兰敖都地区,利用样带法在所选择的流动沙丘背风坡迎风坡与丘间低地的连接处,测量沙埋高度、宽度以及风蚀深度,并在生长季末调查样方内植物的丰富度和多度。【结果】 1)流动沙丘背风坡在风力作用下,沙子埋压丘间低地植被,导致部分沼泽-草甸植物退出丘间低地; 沙丘迎风坡底部的裸沙带,每年生长季初有沙丘先锋植物侵入,在生长季末形成建植种群,最终形成迎风坡过渡带。迎风坡过渡带的宽度为3~5 m,背风坡过渡带的宽度为4~6 m,因此,流动沙丘与丘间低地过渡带属于小尺度过渡带。 2) 流动沙丘背风坡-丘间低地过渡带的宽度与丘间低地面积及其垂直风向宽度都呈显著负相关(P<0.05),而迎风坡过渡带的相关性不显著(P>0.05),但与丘间低地植被扩展宽度呈显著正相关(P<0.05)。3)流动沙丘区的植被覆盖面积呈增加趋势。4)面积大于5 hm2的丘间低地,垂直风向宽度大,且植被密度大、植株高,容易形成风障,降低风速,致使背风坡沙埋速度慢,而且迎风坡植物入侵速度快,导致丘间低地植被宽度和面积增加。【结论】 在自然条件下,流动沙丘区的植被恢复开始于迎风坡过渡带; 迎风坡过渡带和背风坡过渡带的权衡直接调控丘间低地植被的覆盖面积和格局。另外,大面积的丘间低地对于流动沙丘区的植被恢复具有重要作用。
关键词风蚀    沙埋    过渡带    丘间低地    植被恢复    
Effects of Spatial and Temporal Pattern of Transition Zones between Active Dunes and Interdune Lowlands on Vegetation Restorations
Yan Shougang1, Shen Zibin2, Li Xiaodong1, Xu Qingtao    
1. College of Geographical Sciences, Baicheng Normal University Baicheng 137000;
2. Environmental Protection Agency of Sishui County of Shandong Province Sishui 273200
Abstract: [Objective] In active dune fields, the transition zones between active dunes and interdune lowlands, which have high temporal and spatial heterogeneity and complex ecological processes, can indicate or coordinate the relative relationship between vegetation and sand dune and regulate the area and structure of vegetation in the whole active sand dunes. In the last few decades, much attention has been paid to the vegetation processes in active sand dunes or interdune lowlands, while researches on how vegetation establishes and develops in transition zones between active dunes and dune slacks are still scarce. Most of all, study on temporal and spatial patterns, vegetation composition, plant adaptation mechanism and the restrictive factors in transition zones between active dune and interdune lowland is not still reported. [Method] In this paper, by means of the belt transect method in the field investigation, we measured the height and width of sand burial on leeward slopes of active sand dunes as well as the depth of wind erosion on windward slopes of active sand dunes at Wulanaodu region, the western Horqin Sandy Land, and examined the plant richness and abundance in the quadrats by the end of growing seasons. We especially investigated the effects of transition zone dynamics on vegetation areas and patterns in interdune lowlands. Through this study, we aim at answering two questions that how aeolian erosion and sand burial influence the temporal and spatial patterns of the transition zones between active dunes and interdune lowlands and that how the transition zone dynamics affect vegetation areas and patterns in whole active dune fields. [Result] The result showed that (1) part of Limnocryptophyte-meadow and Steppe species in interdune lowlands retreated from the transition zones in leeward slopes and part of pioneer vegetative propagation was dominant in frequency and density in the transition zones of windward slopes due to the dynamic changes of the transition zone between active dune and interdune lowland. The width of the transition zones on leeward slopes was 4-6 m, and the width of the transition zones on windward slopes was 3-5 m, indicating that the transition zones belonged to fine-scale ones. The transition zones on leeward slopes formed in late May, and the ones on windward slopes formed in late September. (2) There were significant and positive (P <0.05) correlations between the widths of transition zones from leeward slopes of active sand dunes to interdune lowlands and the areas of interdune lowlands or the perpendicular widths to the wind direction; the the widths of transition zones from windward slopes of active sand dunes to interdune lowlands were not significantly (P > 0.05) correlated with the areas of interdune lowlands or the perpendicular widths to the wind direction, but was significantly and positively (P <0.05) correlated with the widths of increased vegetation of interdune lowlands. (3) In the active sand dune field, the vegetation-covered areas had an increasing trend. (4) In the large area (> 5 hm2) of the interdune lowland, the width of the vertical wind direction was large, and vegetation had high density and was high, and thus was able to form large-area windbreaks and lower wind speeds, leading to low speeds of sand burial in the leeward slope and rapid speeds of plant invasion in the windward slope, hence, increase the vegetation width and area in the interdune lowlands of active sand dune fields. [Conclusion] This study indicated that in natural conditions, vegetation restoration of active sand dune fields generally commences with revegetation of transition zones between windward slopes of active sand dunes and interdune lowlands; and the interdune lowlands of large area play an important role during vegetation restoration of active sand dune fields.
Key words: aeolian erosion    sand burial    transition zone    interdune lowland    vegetation restoration    

沙区是特定的地质和气候条件以及人为干扰的产物,以沙丘和丘间低地交错分布为主要景观标志(朱震达等,1998Yan et al.,2005; Yan et al.,2010)。风沙活动是沙丘系统的主要特征,主要包括沙埋(s and burial)和风蚀(aeolian erosion)(蒋德明等,2003)。在风力作用下,流动沙丘背风坡每年以一定的速度前移(蒋德明等,2003),埋压邻近沙丘背风坡的丘间低地植被,形成流动沙丘背风坡-丘间低地过渡带;流动沙丘迎风坡的风蚀导致地下水位升高、土壤含水量增加,沙丘先锋植物入侵,丘间低地植被前移侵占裸沙带(曹成有等,2000; Yan et al.,2007),形成流动沙丘迎风坡-丘间低地过渡带。

流动沙丘-丘间低地过渡带,时空变异大,生态过程复杂(曹成有等,2000; Yan et al.,2007; 闫守刚等,2014),能指示或调节植被-沙丘相对关系。在流动沙丘区,植被自然恢复不仅受沙丘先锋植物繁衍、丘间低地植物种群扩展制约,还受沙丘和丘间低地之间过渡带的植被过程制约(闫守刚等,2014)。沙丘迁移造成的沙丘先锋植物与丘间低地植物间的此消彼长能调整整个流动沙丘区的植被面积和格局:如果流动沙丘前移埋压丘间低地植被的速度超过丘间低地前移侵占裸沙的速度,则流动沙丘区植被覆盖面积将呈衰减趋势,反之呈增加的趋势(图 1)。

图 1 流动沙丘前移埋压背风坡过渡带植被与丘间低地前移侵占迎风坡过渡带裸沙的权衡关系 Fig. 1 The trade-offs between leeward slope ecotones and windward slope ecotones

目前,人们对流动沙丘和丘间低地之间过渡带的生态过程还知之甚少,对诸如本过渡带的时空格局及其对流动沙丘-植被面积关系的调控作用等问题尚不清楚。

本研究以科尔沁沙地流动沙丘-丘间低地过渡带为研究对象,通过野外监测流动沙丘与丘间低地过渡带的时空动态,研究流动沙丘与丘间低地过渡带的时空格局对流动沙丘-丘间低地单元植被面积的影响,探讨沙埋和风蚀如何影响流动沙丘与丘间低地过渡带时空格局,过渡带变化如何影响流动沙丘-丘间低地单元的植被面积。

1 研究方法

研究区位于科尔沁沙地西部乌兰敖都地区,该区是科尔沁沙地的典型地段,流动沙丘和丘间低地相间分布。

1.1 野外监测与调查

1)选择二片相邻沙丘区,根据群落结构或面积、形状,在沙丘区选择7处典型丘间低地(为了消除沙丘高度的影响,背风坡沙丘高度均在20~25 m之间),调查地貌、土壤和植被状况,用GPS测量丘间低地面积和周围沙丘高度,确定沙丘与丘间低地过渡带(包括迎风坡、背风坡与丘间低地过渡带)可能出现的位置。根据刘媖心(198519871992)文献确定丘间低地的植物种类。

2)2008年11月初,在7处流动沙丘背风坡与丘间低地的连接处,每处按相同间隔距离设立4条样带,在样带上每隔1 m设立一根高150 cm的测钎,共设置7根,记录其初始位置。2009年和2010年4—9月,每月测量1次沙埋距离,确定沙丘移动距离和形成的背风坡过渡带的季节、位置变化。

3)2008年11月初,在7处流动沙丘迎风坡与丘间低地连接处,每一处都按相同间隔距离设立4条样带,在样带上每隔1 m设立一根高100 cm的测钎,共设置7根,记录其初始位置。2009年和2010年的4—9月,每月量测1次风蚀深度和沙丘移动距离,确定形成的迎风坡过渡带的季节、位置变化。

4)2008年11月初,在新形成沙丘背风坡的所有测钎附近设置1 m×1 m的样方,调查样方内植物的丰富度、多度和高度。

5)2009年和2010年9月底,在每一处形成的沙丘迎风坡过渡带的所有测钎附近设置1 m×1 m的样方,调查样方内植物的丰富度、多度和高度。

1.2 数据分析

2009年和2010年9月底,根据流动沙丘背风坡沙埋距离确定流动沙丘背风坡-丘间低地过渡带的宽度,取2年背风坡沙埋距离的平均值作为背风坡过渡带的宽度。

2009年和2010年4月和9月底,根据迎风坡裸沙带的植被建植状况,测量并确定流动沙丘迎风坡-丘间低地过渡带的宽度,取2010年4月和9月迎风坡裸沙带的植被建植宽度的平均值作为迎风坡过渡带的宽度。

利用SPSS11.5和Excel 进行数据处理。利用双变量相关分析,分析流动沙丘-丘间低地过渡带宽度与丘间低地面积、植被扩展宽度及其垂直风向宽度的相关性,P < 0.05为相关性显著。

2 结果与分析 2.1 过渡带的时空格局

二片相邻沙丘区的7处丘间低地植被与地形和地貌状况如表 1所示。根据地形和地貌,确定沙丘迎风坡与背风坡与丘间低地之间过渡带的位置。

表 1 丘间低地概况 Tab.1 The general situation of the interdune lowland

沙埋导致流动沙丘背风坡与丘间低地过渡带形成,背风坡过渡带在每年5月底风季结束时基本形成,在6月有些较小的发展,在此后的7—9月基本保持不变(图 2a)。2009和2010年,流动沙丘背风坡与丘间低地过渡带沙埋宽度分别为0.83~5.45 m和1.25~5.35 m。

图 2 流动沙丘背风坡与丘间低地过渡带沙埋(a)、迎风坡与丘间低地过渡带风蚀(b)的时间动态 Fig. 2 Burial (a) or erosion(b) temporal patterns of transition zones between leeward or windward slopes of active sand dunes and interdune lowlands

风蚀导致流动沙丘迎风坡与丘间低地过渡带形成,迎风坡过渡带在每年4月底基本形成,在5—6月有微弱波动,在此后的7—9月基本保持不变(图 2b)。2009和2010年,流动沙丘迎风坡与丘间低地过渡带风蚀深度分别为2.9~25.8 cm和4.0~22.1 cm。

植被侵入流动沙丘迎风坡裸沙带并形成建植种群标志着迎风坡过渡带的最终形成,所以可根据生长季末植被建植状况确定迎风坡过渡带的宽度。2009年和2010年9月底,沙丘迎风坡过渡带的宽度分别为1.5~8.0 m和2.0~9.5 m(表 2)。由于强烈的风沙活动,迎风坡过渡带在年际间出现波动,2010年4月底生长季开始前,迎风坡过渡带的宽度(0~1.5 m)远远小于2009年9月底生长季结束时的宽度(过渡带2除外)(表 2)。

表 2 沙丘迎风坡与丘间低地过渡带宽度和侵入植物种类 Tab.2 The width and vegetation forms of transition zone between the windward slope of active sand dune and the interdune lowlands
2.2 沙丘-植被面积的相对关系

背风坡过渡带沙埋宽度(即背风坡过渡带宽度)2年监测的平均值为1.04~5.49 m,迎风坡植被建植宽度(即迎风坡过渡带宽度)2年调查的平均值为1.00~7.92 m(表 3)。

表 3 丘间低地植被扩展宽度和面积 Tab.3 The increased vegetation width and area of the interdune

总体来看,研究区内流动沙丘前移埋压丘间低地植被的速度超过了丘间低地前移侵占裸沙带的速度,丘间低地植被扩展宽度的代数和是-3.5 m,但是植被扩展面积代数和是238 m2。这是因为植被扩展面积除了与植被扩展宽度有关外,还与丘间低地主风向宽度有关。过渡带7的面积大(5.3 hm2),主风向宽度也大(240 m),导致其丘间低地植被扩展面积大(528 m2),因此,虽然7处丘间低地植被扩展宽度为负值,但是植被扩展面积代数和却为正值。这也表明大面积丘间低地对过渡带植被恢复乃至沙丘区植被恢复的重要性。

2.3 丘间低地面积、宽度与过渡带宽度的关系

流动沙丘背风坡-丘间低地过渡带宽度与丘间低地面积及其垂直风向宽度都呈显著负相关(P < 0.05),与迎风坡过渡带宽度和丘间低地植被扩展宽度的相关性不显著(P>0.05);流动沙丘迎风坡-丘间低地过渡带宽度与丘间低地面积及其垂直风向宽度的相关性不显著(P>0.05),但是与丘间低地植被扩展宽度呈显著正相关(P < 0.05)(表 4)。

表 4 丘间低地面积、宽度与过渡带宽度之间的相关性 Tab.4 The correlation between area, width of interdune lowlands and width of transition zone
3 讨论 3.1 风沙活动对过渡带时空格局的影响

流动沙丘背风坡在风力作用下,沙子埋压丘间低地植被,导致部分沼泽-草甸植物退出丘间低地,在每年5月底风季结束时形成背风坡过渡带(图 2a)。

流动沙丘在冬春季西北向主风和夏季的西南向主风的共同吹蚀下,在沙丘迎风坡底部前沿,每年4月底形成一条沿沙丘下部边缘走向的裸沙带,这个宽度也就是该地区流动沙丘每年前移的距离(曹成有等,2000)。5月初,沙生植物沙蓬、乌丹蒿、芦苇和黄柳等幼苗侵入裸沙带,在生长季末形成建植种群,最终形成迎风坡过渡带(图 2b)。

迎风坡过渡带的宽度为3~5 m,背风坡过渡带的宽度为4~6 m(表 3),因此,流动沙丘与丘间低地过渡带属于小尺度过渡带。风蚀和沙埋导致流动沙丘向前移动,每年都会产生新的过渡带,其生命周期是1年或数年,因此,其动态变化过程属于快速变化类型,在空间上属于锐变类型。

根据常学礼等(1999)邬建国(19912007)对尺度效应和等级理论的解释:空间尺度越小,等级越低,其组成要素的变化速率越快,流动沙丘-丘间低地过渡带作为小尺度过渡带,处于最低等级,具有尺度效应,符合等级规律。

3.2 丘间低地面积对过渡带空间格局的影响

丘间低地的植被恢复在沙丘区的植被恢复中也起重要作用,因为沙丘区的植被恢复多数情况下开始于丘间低地的植被恢复(闫守刚等,20122014)。流动沙丘的前移对丘间低地植被恢复过程的影响主要有2个方面:背风坡过渡带沙子掩埋丘间低地的植被,迎风坡过渡带风蚀导致新生植被的建植和扩展。二者的权衡调节丘间低地植被覆盖面积,进而调节整个流动沙丘区植被覆盖面积。因此,降低沙丘背风坡沙埋速度和增加新生植被入侵迎风坡过渡带裸沙带的速度在沙丘植被自然恢复过程中至关重要。

面积大的丘间低地(如过渡带7),垂直风向宽度大,且植被密度大、植株高,容易形成风障降低风速,致使背风坡沙埋速度小,而且迎风坡植物入侵速度大,导致丘间低地植被宽度和面积增加(表 34);多年生植物如芦苇利用营养繁殖快速入侵迎风坡过渡带(如过渡带2),导致丘间低地植被宽度和面积增加(表 3)。过渡带6和3的多年生植物芦苇和黄柳有性繁殖速度虽然很大,但对土壤水分要求较高,2年监测期内只有1年出现有性繁殖苗,所以其在过渡带植被建植宽度低于背风坡沙埋宽度,导致丘间低地植被面积减少。因此,在沙丘区恢复实践过程中,一方面应该重点保护大面积丘间低地;另一方面,可以采用在丘间低地迎风坡前缘挖沟种植芦苇的方式,利用芦苇营养繁殖快速入侵的特点,增加丘间低地植被面积,达到沙丘植被恢复的目的。

4 结论

1)流动沙丘背风坡-丘间低地过渡带的宽度与丘间低地面积及其垂直风向宽度都呈显著负相关;流动沙丘迎风坡-丘间低地过渡带的宽度与丘间低地面积及其垂直风向宽度的相关性不显著,但与丘间低地植被扩展宽度呈显著正相关。

2)流动沙丘区植被覆盖面积呈增加趋势。

3)大面积(>5 hm2)的丘间低地对于流动沙丘区的植被恢复具有重要作用。

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