科考总结报告之一梭梭林在沙漠地区生态作用.docx
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科考总结报告之一梭梭林在沙漠地区生态作用
阿拉善SEE生态协会“乌兰布和沙漠天然梭梭林科学考察”项目
科考报告之一：
梭梭林在沙漠化地区的生态作用概述
甘肃省治沙研究所
甘肃省荒漠化防治重点实验室
2009.9.25
梭梭林在沙漠化地区的生态作用概述
甘肃省治沙研究所&甘肃省荒漠化防治重点实验室
1梭梭属与梭梭概述
梭梭属（Haloxylon），英文名为Saxaul，属于藜科植物，文献检索到该属植物包括梭梭Haloxylonammodendron（C.A.Mey.）Bge、关节梭梭HaloxylonarticulatatumBoiss、柽柳梭梭HaloxylontamariscifoliumPau、扫帚梭梭HaloxylonscopariumPomel、多花梭梭HaloxylonmultiflorumBge、白梭梭HaloxylonpersicumBge.exBoiss.etBuhse、下弯梭梭HaloxylonrecurvumBge（Haloxylonstocksii）、盐角梭梭HaloxylonsalicornicumBonn.etBarr、施米特梭梭HaloxylonschimittianumPomel、施氏梭梭HaloxylonschweinfurthiiAsch、黑梭梭Haloxylonapphyllum（Minkw）、吉伏特梭梭（Haloxylongriffithii）等12种。
由于在分类上比较混乱，如黑梭梭Haloxylonapphyllum（Minkw）是否是梭梭Haloxylonammodendron（C.A.Mey.）Bge的变种，柽柳梭梭HaloxylontamariscifoliumPau和扫帚梭梭HaloxylonscopariumPomel是否属于关节梭梭HaloxylonarticulatatumBoiss等等，因而各国具体种类统计有一定差异。
国内刘瑛心等学者不认可黑梭梭Haloxylonapphyllum（Minkw），认为我国沙漠地区只有梭梭Haloxylonammodendron（C.A.Mey.）Bge和白梭梭HaloxylonpersicumBge.exBoiss.etBuhse2个种。
但是，也有众多学者持不同意见，并申请立项从中亚、西亚引进黑梭梭Haloxylonapphyllum（Minkw）材料及其栽培技术。
梭梭属中以白梭梭、黑梭梭、梭梭和盐角梭梭的分布范围较广、面积较大，但是在过度放牧与砍伐薪柴的影响下，国内外梭梭属植物遭到严重破坏。
梭梭（Haloxylonammodendron（C.A.MeyBge.），又称为梭梭柴、梭梭树、琐琐、锁锁、盐木等，是一个比较古老的种，在区系地理上属于戈壁—吐兰种。
其植株高度、冠幅度变易很大，高度1~5m不等，最高达10m。
通常具有明显的主干，其主干扭曲粗糙，基径可达70cm，呈小乔木或丛生灌木状。
主干多分枝，当年生嫩枝呈绿色，光滑，多汁，具关节。
叶退化为鳞片，仅用绿色嫩枝进行正常的光合作用和同化作用。
4月下旬至5月初开放小花，花期10~15d左右，子房暂不发育，处于休眠状态，以度过漫长的夏季干旱，直至8~9月，天气变得凉爽，子房开始发育，逐步形成果实，10月底或11月初果实成熟；种子胎生，寿命一般只有几个月时间，最长不超过2年，因而自然繁殖的成功率很低；垂直根系一般深为5m，水平根系一般伸展达10m。
在国外，天然梭梭林分布于土耳其斯坦地区（里海以东地区），包括伊朗、土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古等中亚国家，除哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、蒙古三国外，其他国家的天然梭梭呈零星分布，分布面积不大，发挥生态保护的作用有限。
在我国，天然梭梭林的分布范围西起东径76º10′的新疆塔里木盆地西端，东至东径107º30′的内蒙古乌拉特中旗西北部巴音杭盖苏木的图古日格；南自北纬36º的青海柴达木盆地东部，北到北纬46º50′的新疆准噶尔盆地北部乌伦古湖。
重点分布在准噶尔盆地、塔里木盆地、库姆塔格、巴丹吉林、腾格里和乌兰布和四大沙漠中的湖盆低地和砾石戈壁西部。
按行政区划，分布于我国内蒙的西部、新疆、甘肃的西部和青海的北部，重点分布在新疆的准噶尔盆地和塔里木盆地，内蒙的阿拉善盟和巴彦淖尔盟以及甘肃的河西走廊西端。
因此，梭梭荒漠林是干旱荒漠区“绿色生产线”的主体，既是干旱荒漠区重要的草场资源，更是该地区的天然生态屏障，在防风固沙、改良沙区土壤、改善区域环境、维护荒漠区生物多样性等方面起着重要作用。
2梭梭林的防风作用
2.1梭梭林降低风速作用
黄丕振（1987年）对人工梭梭林5a的效益观测表明，梭梭林有明显降低风速的作用，造林第2年可降低风速15%，而到第5年降低风速可达到70~80%，对近地层气流阻力增加1.2~6.6倍，降低风速12~60%，阻截风沙流含量70~95%。
其他研究表明，人工梭梭林灌草林带降低风速的作用随带宽增加而增加，这是因为随灌草带宽度的增加，下垫面粗糙度在整个灌草带内粗糙度增加1.9~120倍，对近地层气流的阻力增加1.2~6.6倍。
如以空旷地的风速为100%，在30m测点降低风速12.5％~16.7%；在60m测点降低14.7%~29.2%；在120m测点降低风速20.6%~33.3%；在180m测点降低38.5%~45.8%；在240m测点降低52.9%~59.4%。
近地层风速与带宽间呈明显的直线负相关，而且随着梭梭植株年龄和覆盖度的增加，梭梭林对风速的影响将进一步加强。
梭梭疏林地尽管覆被率只有10%，也具有一定的防风效果，其林冠层以下的风速较之空旷地仍降低34.1%~56.9%。
对于带宽约为200m，最大密度为276.8株/hm2的非均匀梭梭林带，当外界风速达到8.0~10.0m/s时，林带内0~400cm高度范围内风速降幅在41.44%~72.22%。
天然梭梭林也具有明显的降低风速作用。
据观测计算，天然梭梭密林地粗糙度为1.6506cm，较空旷地提高217.2倍，因而对近地层风速产生明显的影响，梭梭密林林冠层以下的风速为0.53~2.5m/s，较空旷地相应高度的风速4.25~7.2m/s降低了82.6%~87.5%，使起沙风速降低为微风状态。
2.2退化梭梭林＋机械沙障降低风速作用
严重衰退梭梭林（疏林）中布设塑料沙障、麦草沙障和粘土沙障后，地面粗糙度由0.058cm增加到4.05cm，4.90cm和1.42cm，较对照梭梭林分别增大70、84和24倍，而较对照流沙增大1687、2040和590倍（表1）。
下垫面粗糙度显著增加，大大增大了对近地面层风沙流的阻力，三种机械沙障相比，塑料沙障和麦草沙障改变下垫面的作用更大，粘土沙障较小。
表1布设机械沙障后林地下垫面粗糙度变化
类型
退化梭梭林区
流沙区
塑料
沙障
麦草
沙障
粘土
沙障
CK
塑料
沙障
麦草
沙障
粘土
沙障
CK
粗糙度（cm）
4.05cm
4.90
1.42
0.058
1.502
1.517
0.561
0.0024
CK的倍数
70
84
24
1
626
632
234
1
图1机械沙障＋退化梭梭林内风速
1对照区2退化梭梭林+粘土沙障区3退化梭梭林+塑料沙障区4退化梭梭林+麦草沙障区
2
1
3
4
在退化梭梭林中布设机械沙障后，林内风速特别是近地面层的风速值明显降低。
在2m高度风速在6m/s风速下，退化梭梭林+塑料沙障区近地面层10cm、20cm、30cm的风速为1.55m/s、2.30m/s、3.14m/s，仅占到对照梭梭林的39%、56%和77.1%；退化梭梭林+麦草沙障区为1.55m/s、2.10m/s、2.78m/s，仅占到39%、51%和68.2%；退化梭梭林+粘土沙障区为2.52m/s、2.74m/s、3.37m/s，占到63.6%、66.6%和682.7%；风速达到8m/s时，对照梭梭林内的风速已经达到或超过当地的起沙风速；而布设机械沙障后，在风速达到10m/s时，还没有达到起沙风速。
若按照6~10m/s平均风速下10cm高度层降低比例推算，退化梭梭林＋塑料沙障有效防护风速达到21m/s，退化梭梭林+麦草沙障达到22m/s，退化梭梭林+粘土沙障达到12m/s，而退化梭梭林仅为7.9m/s（图1，表2）。
由于材料的不同，三种机械沙障在布设后的几年，防护作用均有一定的变化，其中塑料沙障变化很小，麦草沙障变化最大，一般5年后作用会消失，粘土沙障在布设后2~3年有变化，之后趋于稳定。
表2不同风速下各退化梭梭林＋机械沙障近地面层风速值
风速及其所占CK同层的百分率
退化梭梭林
+
塑料沙障
退化梭梭
+
麦草沙障
退化梭梭林
+
粘土沙障
退化梭梭林
CK
10cm
20cm
30cm
10cm
20cm
30cm
10cm
20cm
30cm
10cm
20cm
30cm
6m/s
1.55
2.30
3.14
1.55
2.10
2.78
2.52
2.74
3.37
3.97
4.11
4.07
百分率%
39.0
56.0
77.1
39.0
51.0
68.2
63.6
66.6
82.7
100
100
100
7m/s
1.64
2.63
3.57
1.58
2.17
2.93
2.88
3.13
3.85
4.47
4.66
4.69
百分率%
36.6
56.5
76.0
35.3
46.6
62.6
64.3
67.2
82.1
100
100
100
8m/s
2.03
2.97
4.00
1.91
2.61
3.58
3.46
3.78
4.40
4.95
5.24
5.31
百分率%
41.0
56.7
75.3
38.7
49.8
67.4
69.8
72.1
82.9
100
100
100
9m/s
2.08
3.17
4.42
2.00
2.97
3.94
3.54
4.21
4.75
5.54
5.96
6.04
百分率%
37.6
53.1
73.1
36.1
49.9
65.3
63.9
70.6
78.6
100
100
100
10m/s
2.17
3.50
5.17
2.13
3.42
4.67
4.44
4.44
5.22
6.44
6.89
6.72
百分率%
33.6
50.8
76.9
33.0
49.6
69.4
69.0
64.5
77.7
100
100
100
平均风速%
1.89
2.91
4.06
1.83
2.65
3.58
3.37
3.66
4.32
5.08
5.37
5.37
百分率%
37.3
54.3
75.6
36.1
49.4
66.7
66.4
68.1
80.5
100
100
100
占2m高度平均风速的百分率
23.6
36.4
50.8
22.9
33.1
44.8
42.1
45.8
54.0
63.5
67.1
67.1
3梭梭林的固阻沙作用
3.1梭梭林阻截流沙作用
风沙流是一种近地层的沙粒搬运现象，而且风沙流输沙量与风速的三次方成正比。
如前文所述，梭梭有明显的防风效益，因此随风速降低必然会导致气流含沙量减少。
随着梭梭植株年龄和覆盖度的增加，下垫面的粗糙度随之增加，再加上植物本身的阻沙作用，便有效地阻截了外来流沙的前移，这对于保护绿洲，防止沙漠化扩展具有十分重大的意义。
观测结果表明，在0~20cm高程内，如以空旷地的输沙量为100%，在30m宽梭梭灌草带即可阻截风沙流含量的70％左右；60m处阻截流沙量达到85％左右；至120m处之后，风沙流含沙量就仅剩得5％左右，因此要将流沙有效地阻截在绿洲外围，梭梭灌草带的宽度应不少于120m为宜。
梭梭天然林也表现出同样显著的固沙、阻沙效益。
天然梭梭林有效降低风速后，有力地阻止地面风蚀和风沙流的移动，使285m宽片林背风林缘的风沙流含沙量较迎风林缘减少95%。
3.2退化梭梭林＋机械沙障固阻沙作用
退化梭梭林（疏林）中设置不同机械沙障后，0~20cm各层的输沙量均有大幅度下降，在对照区2m高度处的平均风速为6.28m/s时，退化梭梭林＋塑料沙障0~20cm的总输沙率仅为1.752g/cm•h，占到对照梭梭林64.187g/cm•h的2.73%；退化梭梭林＋麦草沙障为0.0741g/cm•h，占0.11%；退化梭梭林＋粘土沙障为12.397g/cm•h，占19.3%。
从0~20cm各层的输沙量分布来看，对照梭梭林主要分布在0~4cm层，占到总输沙量的70%，而且从0cm到20cm各层的输沙量逐渐减少，在10~20cm层的输沙量仅占到总输沙量的7.7%；退化梭梭林+麦草沙障（第一年）在0~4cm没有输沙，主要分布在10~14cm层（占54%）；退化梭梭林+塑料沙障在0~6cm的输沙量较多（58.54%），总体各层的差异较小；退化梭梭林+粘土沙障在0cm到20cm各层的输沙量逐渐减少，同对照梭梭林有相似规律（表3）。
表3退化梭梭林＋机械沙障内不同层次的输沙率
类型
指标
近地面层0-20cm
0~2
2~4
4~6
6~8
8~10
10~12
12~14
14~16
16~18
18~20
0~20
塑料
沙障区
输沙率
0.282
0.211
0.367
0.175
0.085
0.076
0.197
0.0986
0.1657
0.0941
1.752
百分率
19.21
14.33
25.00
11.89
5.79
5.18
13.41
6.71
11.28
6.40
100.00
麦草沙障区
输沙率
0
0
0.0002
0.0029
0.0010
0.0163
0.0239
0.0102
0.009
0.0106
0.0741
百分率
0
0
0.23
3.97
1.40
21.96
32.24
13.79
12.15
14.25
100
粘土
沙障区
输沙率
2.568
1.785
1.520
1.350
1.150
0.958
0.949
0.802
0.669
0.646
12.397
百分率
20.71
14.40
12.26
10.89
9.28
7.73
7.65
6.47
5.39
5.21
100
CK
输沙率
31.714
12.761
7.175
4.709
2.895
1.793
1.257
0.885
0.557
0.443
64.187
百分率
49.41
19.88
11.18
7.34
4.51
2.79
1.96
1.38
0.87
0.69
100
备注：
对照2m高度风速为6.28m/s，输沙率g/cm•h，百分率%。
4梭梭林的调节、改善小气候作用
4.1梭梭林减小太阳辐射作用
梭梭林对近地层光照强度的调节作用是明显的。
如密林地1m高处的光照强度为19155.5Lux时，较空旷地相应时段的44778.6Lux减弱了57.2%，疏林地也较之减弱25.7%。
至于近地层光照强度的垂直分布情况，空旷地1~4m之间因受浮尘的影响，上下差异仅60%，而梭梭林内则因受林木枝叶遮盖，吸收及反射作用，使密林lm高处的光照强度较林冠层以上减弱56.2%，疏林地相应高度之间也减弱了21.7%。
梭梭林承受太阳辐射后，一部分吸收、反射，另一部分透过林冠到达林内。
每天不同时问里，林内各层的辐射强度不同。
林内近地表层辐射强度仅为空旷地同高度的57.4%，而2m高处，由于枝条密集层较低，遮阴少，辐射强度较大，平均为旷野同高度的91.1%。
晴天与阴天辐射的变化情况不同，阴天总辐射强度仅由散射辐射组成，所以，晴天辐射变化较大，林内与旷野相差大。
阴天辐射变化较小，林内外相差小。
如10时，晴天林内比旷野近地层低71%，阴天低46%。
4.2梭梭林调节空气温度作用
由于不同林地下垫面对太阳辐射强度的再分配作用不同，从而影响到下垫面对热量的吸收、反射与散失状况。
梭梭林除将一部分太阳辐射能通过生理生化作用转化成为有机能及蒸腾耗散外，还通过植被枝叶反射散失及地面辐射散失等，改变了荒漠空旷地对太阳辐射吸收与辐射散失的简单过程，达到了调节林区气温的良好效果。
在炎热的夏季，梭梭林与空旷对照区比较，6~8月的平均气温、平均最高气温和7月平均气温分别降低2.2℃、1.4℃和1.6℃；在冬季，1月平均气温、平均最低气温较之提高1.1℃和1.6℃；气温年较差缩小2.1℃。
梭梭林内与旷野地温垂直变化也不同，日出后旷野区由于没有遮挡，地表增温很快，而林内由于遮挡，温度上升慢，所以8时地表温度林内（18℃）低于旷野（19℃），但这时热量还没有传递到地下，加上旷野夜间降温多，除地表外，其余地下各层均比旷野高，到14时热量已传到地下20㎝层，所以旷野0~20㎝各层地温比林内高，林内由于遮荫，升温小。
14时以后，地表温度开始下降，林内由于地表长波辐射被阻挡，降温要比旷野缓慢。
20时，林内0~10cm高于旷野同层次地温。
在降温天，林内各层地温整天都比旷野高，旷野与林内其差均较小，但旷野大于林内。
也有学者研究比较了不同宽度的人工梭梭林灌草带内的温度状况，结果表明对于60m宽度人工梭梭林灌草带，由于植物盖度小和受荒漠气候的强烈影响，灌草带内的温度与空旷地的差异不大；到240m时，在所观测的气温在0~200cm范围内降低了0.9~2℃。
同时，在灌草带内昼夜气温的降低情况有所差异。
白天由于空气不稳定，荒漠和绿洲的空气对流加强，灌草带内气温降低小于日平均值；而在夜间对流减少，使气温降低大于日平均值。
另外，梭梭林内由于白天得到辐射少，晚上失热少，所以地表白天温度上升小，晚上降温少，也必然导致林内各层地温较差要小于旷野。
梭梭林生长季温度变化的特征为：
6月份生长初期，梭梭林内温度平均比林外低0.9℃，且表现出垂直层次上的差异，150cm层低0.4℃，50cm层低1.2℃。
7月，9月，梭梭株型达到最大，但由于枝冠较稀疏，林内空地大，D/H指数往往在临界值范围内，50cm层低0.5℃，150cm层低0.2℃，无多大差异。
林内地温变化较林外小，土层越深，极差越小，每加深5cm，传热要推迟一个小时左右。
4.3梭梭林提高空气湿度作用
在梭梭灌草带内，由于梭梭等植物的蒸腾作用，加之风速降低和湍流交换的削弱，从而使气湿度有所增加。
研究表明，梭梭人工林灌草带的空气相对湿度可提高1.2%~14.5%，绝对湿度可达230~340Pa。
局部小区域气候效益主要体现在湿度效应、水汽蒸腾效应、气温效应等方面。
而在梭梭灌草带内，由于梭梭等植物的蒸腾作用，加之风速降低和湍流交换的削弱，从而使空气湿度有所增加，灌草带内各观测点的空气相对湿度和绝对湿度都比空旷地高，但在120m宽度的人工梭梭林前空气湿度提高的不多，相对湿度最多提高2.5%左右，绝对湿度最多提高70~90Pa。
至180m以后，湿度的提高比较明显，如240m处，相对湿度最多可提高11.2%~14.5%，绝对湿度可达230~340Pa。
梭梭灌草带内湿度的这种分布状况，充分说明保持梭梭灌草带一定的盖度和宽度，对改善梭梭灌草带内空气湿度状况具有重要意义。
在炎热的夏季，梭梭林使6~8月空气绝对湿度和相对湿度分别增加5.3Pa和14%，水面蒸发量减少424.8mm（减少28.5%）。
4.4梭梭林减少蒸发作用
水面蒸发不同于自然条件下的总蒸发量，但是可以相对代表该条件下的蒸发势。
对不同宽度的人工梭梭林观测结果表明，随着梭梭灌草带宽度的增加，水面蒸发量相应减少，如在30m处减少8.1%，60m处减少12.2%，120m处减少13.7%，180m处减少149%，240m处减少16.7%。
由于蒸发是风速、气温和饱和差的函数，梭梭灌草带内蒸发有规律的递减，充分说明小气候综合条件得到了改善。
5梭梭林的改良土壤作用
5.1梭梭林改良风沙土作用
梭梭林分布区的主要土壤类型是以灰漠土、灰棕色荒漠土及风沙土为主。
其中灰漠土是梭梭林生长良好、林分密度大、林龄整齐、更新幼苗多、病虫危害轻的土类。
梭梭林降低了土壤的容重，与流动沙丘相比，梭梭林地的容重较流动沙丘减少3.5%~14%；梭梭林生理生化功能可使土壤的有机质含量提高2.8倍。
在有梭梭分布的盐渍化半固定风沙土，有机质含量0.002%~0.138%之间，pH值7.1~8.4之间，可溶性盐含量在0.33%~0.42%之间。
人工梭梭林地土壤初步调查和测定分析表明，营造梭梭林既可防止风沙危害，也可改变土壤机械组成，提高土壤肥力。
在沙丘上营造人工梭梭林后土壤容重有所变化，向成土方面转化，更有利于植物生长。
造林后，各林龄的林地含盐量及pH值比流动沙丘有所增高。
0~30cm土层内增高l6~84%，30~60cm土层内增高23~86%。
在流动沙丘，由于梭梭林的存在，改变了表土被频繁吹蚀和堆积的状况，加速了表层风沙土的固定和成土过程。
随着时间的推移，表层细粒物质不断积累，粉沙及物理性粘粒含量增加，粗、中沙含量减少，有机质含量增加，风沙土条件得到改善。
5.2梭梭林的“肥岛”效应
梭梭植株结构及其叶子的表面特点为大气降尘在叶及枝干表面积累提供了有利条件，大气降尘或植物叶子分泌物中含有许多营养物质，这些物质由树冠截留的降雨形成的树干径流运至灌木根颈周围的土壤中，从而在灌木根颈周围形成“肥岛”，增加了该区域土壤的养分含量和水分含量。
大梭梭、小梭梭根部土壤养分指标含量与冠幅边缘和株间空地差异显著，冠幅边缘和株间空地差异不显著，含量呈现出梭梭根部>冠幅边缘>株间空地的规律，说明梭梭根部具有较强的“肥岛”效应，而枯死梭梭的这种效应较弱；梭梭根部表层土壤盐分、pH值并无降低，均为梭梭根部>冠幅边缘>株间空地。
冠幅、株高及基径的大小对梭梭根部“肥岛”中土壤养分要素的富集具有重要影响，而对冠幅边缘富集程度的影响则不大；对梭梭根部土壤SO42－、Cl－、总碱度、总盐的富集具有重要影响，而对Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、pH的影响则不大；对冠幅边缘土壤Mg2＋、Cl－的富集具有重要影响，而对其它盐分离子影响不大；梭梭根部“肥岛”效应强于冠幅边缘。
梭梭的有效作用范围在冠幅之内；梭梭林周围土壤速效钾、有机质含量高于其它区域，说明荒漠区梭梭林确实具有“肥岛”效应的特征。
通常，“肥岛”土壤在树冠的保护作用下而风蚀较弱，甚至由于树冠对风尘的捕获而导致一些细颗粒物沉积，且这些细粒物主要源自土壤养分最丰的表层，亦有利于增加“岛”中土壤养分。
相反，几近裸露的灌丛间地表土在风的作用下损失细粒物，从而导致梭梭“肥岛”表土细粒组分多、粗粒组分少。
梭梭有浓密肉质嫩枝，加上其有利于形成树干径流的分枝角度，在有能够形成树干径流的降雨时，它可通过树冠截留雨水，形成树干径流，输送至根颈周围的土壤增加土壤含水量。
梭梭分布区的土壤主要为
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