2.山东省烟台市经济技术开发区高级中学，山东省烟台市 264006
3.山东省济南外国语学校，山东省济南市 250108
4.江苏南京金陵中学中美班，江苏省南京市210005
摘要 宁夏沙坡头固沙植被区是中国沙漠治理的典范，对其区域内以草本植物为代表的植被的研究有助于更好的了解人工固沙工程内固沙植被生长状况。本文通过以空间带时间进行草本植物的长期演替变化研究，以1956建立的固沙植被区、1987年建立的固沙植被区、以及未经治理的流沙区（作为空白对照组）作为样地，用样方法和实地调查法探究了固沙植被区内草本植物的生长状况。研究结果表明，随着时间推移，草本植物快速数量增加后呈现轻微下降趋势；草本植物物种丰富度随时间持续攀升；草本植物盖度由1%-3%跃升至10%左右并趋于稳定。
关键词:草本植物，固沙工程，演替变化，沙坡头，沙漠植被
引言
草本植物对恶劣环境有着较强的适应能力。作为干旱区生态系统中极其重要的一环，其生长对对草本植物的研究有助于了解在人工固沙工程的条件下固沙植被的生长发育状况。宁夏沙坡头是中国西北地区腾格里沙漠防沙治沙的第一线，其草木盖度已稳定在9%-10%，远高于其治理前的1%-3%。沙坡头固沙植被区记录了近63年来人工固沙工程中植被生长状况，近世纪为我国和世界提供了宝贵的治沙经验和方法。
研究区域的情况
本次野外调查的主要区域地处宁夏中卫境内的腾格里沙漠南部的沙坡头地区，经纬度为37°27’N，104°57’E，气候主要类型为草原化荒漠带，同时也是干旱区的沙漠到半干旱区的绿洲的过渡地带。地区海拔平均约为1500米，年平均气温约为9.6℃，冬季最低气温低至-25℃，夏季气温最高可达38℃，同时沙漠地区以网格状的新月形沙丘为主，土壤的基质由松软的流沙构成。
自1956年起，中国科学院及有关单位为使包兰铁路顺利通车而在铁路两边建立了以1m×1m的草方格为主的固沙屏障，使得土壤更加稳定，从而能够种植不同的植物。建成之后，该体系长约为16km,，南北宽度各为200m与500m。虽然此体系初始的主要种植目标为灌木，但是其仍然对沙坡头地区的周边环境造成了极大的影响与改善，为许多草本植物提供了更加稳定的土壤结构，创造出适合其生长的生态条件并显著的提高了植物的多样性。
研究方法
1.样地介绍
本次实验主要调查了在三种样地迎风坡上的草本植物的基本情况，分别为流动沙丘（固定年限为0）、1987年的固沙区（固定年限为32年）以及1956年的固沙区（固定年限为63年）。其中流动沙丘主要被疏松的流沙层所覆盖，恶劣的环境致使草本植物种类单一，覆盖面积较小；1987年固沙区的大部分地表已被结皮覆盖，草本植物生长状况良好，主要体现在种类的、覆盖面积以及高度的增加；相比较1987年的固沙区，1956年固沙区中的固定年限时长增加了一倍，草本植物也得到了较好而稳定的生长条件，各项指标也较第二块样地有所增长。
2.调查指标以及方法
本次试验以空间代替时间研究了草本植物在不同年限实的固沙措施下的主要变化，流沙样地代表实施前的环境，因为该地区环境状态在几十年内基本保持不变，1987年的代表固沙实施后32年草本植物的情况，1956年的则代表固沙实施后64年草本植物的情况。
实验的调查指标主要分为五类，依次为草本植物在各个样地中的种类、盖度与生物量以及每种草本植物的株数与高度。通过1m×1m的塑料方格随机在每种样地中选择三个样方，对每个样方中的草本植物进行细致调查，使调查结果具有随机性与普适性。
其中每块样地中草本植物的种类为方格所包括的植物品种，盖度则通过估算得出草本植物在各个样地中的覆盖率，其中每块样地的覆盖率取三个样方的平均值（单位：百分比）。每块样地中草本植物的生物量通过对各自三块样方中的所有存活的草本植物进行取样、烘干、称重得出（单位：克）。每种植物在每一个样方中的株数通过人眼观察得到，而每种植物的高度则通过卷尺对在每个样方中随机选取的三株测量得到（单位：厘米）。最后由这五个量对每一块样地中的草本植物生长情况及其演变规律进行总体的评估。
结果与分析
1.沙坡头固沙植被区草本植物数量变化规律
沙坡头固沙植被区通过63年的长期观察研究为研究沙漠固沙工程后草本植物的演替变化规律提供了宝贵的材料信息。通过图1可见，在草方格固沙工程实施后，固沙植被区中草本植物的数量有了明显的增加：1987年样地三块1m×1m样地中的60株，117株，45株和1956年样地的57株，52株，27株；远高于流沙区的23株，4株，11株。在草方格沙障建立初期，草本植物数量急速上涨，但在三十余年后数量呈现微弱的下降。随着时间推移草方格固沙工程中草本植物数量呈远大于治理之前，总体呈现快速上升后略微下降的趋势。
2.沙坡头草固沙植被区草本植物物种多样性变化规律
沙坡头固沙植被区为多种草本植物提供了适宜生活的环境，多种生物又互为协同和拮抗作用，因而研究物种多样性随时间的变化具有重要意义。由图2可见，人工固沙工程中草本植物物种多样性一直呈现明显的增长趋势。治理前流沙区草本植物种类非常单一，表中流沙区三块样地均只有沙米；而在1987年的样方中共有3种草本植物（雾冰黎，狗尾草，虫实）；在1956年的三块样方中跃升至5种（雾冰黎，小画眉草，狗尾草，砂蓝刺头，刺蓬），较固沙工程实施前翻了五倍，并在沙漠极缺水条件下保持物种数量增长趋势。
3.沙坡头固沙植被区草本植物盖度变化规律
沙坡头固沙植被区建立后草本植物盖度多年来一直保持上升趋势。通过图3可见，流沙区草本植物盖度仅有1%-5%；在沙坡头固沙植被区建立32年后，于1987年的三个样方可看出草本植物盖度已攀增至6%左右，但是仍有较大波动，小部分区域草本植物盖度甚至低至1%-3%；而在1956年三个样方中草本植物盖度已稳定在10%左右。从图表可以清晰看出，草本植物盖度随着时间呈上升趋势，并最终维持在10%，同一区域不同样方内盖度波动逐渐减小，体现出草本植物系统的适应性和稳定性。
4．沙坡头固沙植被区草本植物中优势种变化规律
最值得一提的是，在本研究中各样区内的草本植物皆为自然生长而非人工栽培，因此研究在各个年代样区内优势种对了解固沙植被区内草本植物的演替和今后的固沙植物的种植有着重要的指导性意义。通过图4可见，人工固沙工程建立后，随着时间的推移固沙植被区内的优势种有着较大变化：在流沙区草本植物物种单一，仅有沙米一种；在固沙植被区建立32年后雾冰藜代替沙米成为固沙植被区内优势种，并产生大量矮小幼苗，而沙米则从种间竞争中失去优势并退出，同时固沙植被区内出现了少量的狗尾草；在沙坡头固沙植被区建立63年后，植株最高的狗尾草成为固沙植被区内的最大优势种，其他植株较高的草本植物如砂蓝刺头也开始出现，而这一阶段雾冰藜植株则呈现出较为稀疏的状态。
5.沙坡头固沙植被区草本植物生物量变化规律
研究固沙植被区中草本植物生物量的变化有助于了解其在区域内生长效率，间接的反映了生态环境对草本植物生长条件的改善过程，以及草本植物在生态系统中的地位变化。通过图5可见，随着时间的推移，草本植物的生物量总体呈现出加速上升的趋势。在流沙区空白对照组中，平均生物量约为7.22g；固沙工程建立32年后，平均生物量涨至约10.88g；而在1956年建立的固沙植被区的样方中，平均生物量已攀升至约18g。但在各个样方中，生物量并不稳定，在流沙区样方中，有的生物量达到13.14g，而在1956年有样方的生物量仅为8.85。总体来说，固沙植被区中草本植物的生物量大体上保持持续增加，体现了其有机质产量和在生态系统中的地位也在不断提升。
总结
调查显示草本植物随样区形成后年限增加，植物株数呈先增后减趋势。草本植物的株数在1987年样区达到最大值，其中雾冰藜（B. dasyphylia）为1987年样区内优势种，约占样区草本植物总株数的89.64%。1987年样区草本植物种类数量相对较少，以狗尾草（Setaria viridis），虫实（C. hyssopifolium）与雾冰藜为主。1956年样区内草本植物株数明显减少，但物种数量增多。除雾冰藜与狗尾草外，又发现猪毛菜（Salsola collina），砂蓝刺头（Echinops gmelinii），小画眉草（Eragrostis minor）等三种一年生草本植物，其中雾冰藜株数有明显减少，禾本科植物呈现代替藜科的趋势。流沙沙丘样区草本植物种群最为单一，仅沙蓬（Agriophyllum squarrosum）一种。在盖度方面该地区草本植物呈现逐年上升趋势。流沙沙丘样区植物盖度仅为1%~5%，1987年样区草本植物盖度可达到6%~10%，而在1956年样区植物盖度已稳定在10%左右。
讨论
沙坡头固沙工程以治理恢复流沙区生态闻名，为国内外解决荒漠化问题提供了宝贵的途径和经验。固沙工程的固沙植被区有助于拦沙阻沙，增加地表摩擦力，减少风蚀和掩埋作用，截流降水和凝结水，有助于固沙植被生长。通过研究草本植物的演变规律，不难发现沙漠环境在人工固沙工程的条件下逐渐改善: 植被数量，物种丰富度，盖度，生物量，以及在生态系统中的地位都有极大的改善和提升，整体生态系统呈现出明显的向草原演变的趋势。
在研究固沙植被区草本植物的演替规律时我们发现：草本植物的生长于地表的生物土壤结皮有着密不可分的关系。在流沙区地表沙粒松散几乎没有生物结皮，风蚀作用强烈，对水分的截留作用差，草本作用生长数、种类、盖度以及生物量均非常有限；1987年固沙植被区和1956年固沙植被区的样地中，地表已基本被生物土壤结皮覆盖，其粗糙的表面有利于草本植物种子着床，呼吸作用产生的热量有利于种子的萌发，同时，生物土壤结皮能够截留降水及凝结水，减缓水分下渗，使土壤水浅层化，为草本植物生长提供了水分条件。但是在1956年的样方中，结皮厚度已达到1cm时，可能由于草本植物萌芽难以钻透过厚的生物土壤结皮层接触土壤，我们发现部分过厚隆起的结皮会阻碍草本植物的生长，同时，部分藻类结皮表面光滑，也会对草本植物种子萌发产生不利影响。
本实验中最值得一提的是，沙坡头固沙工程仅栽培了灌木，而的固沙植被区中的草本植物都为未经人工栽种自然生长演替出的沙坡头本地沙漠植被，反映出草本植物对恶劣环境极强的快速适应能力。以草本植物为代表的植被作为生态系统中的高效率生产者，对生态系统的恢复和进化有着本质性的影响，通过草本植物在固沙植被区中的不断繁荣的趋势可看出沙坡头固沙工程对本地沙漠生态系统的恢复和发展都有着极其关键的作用，且对地区适应性好，有极大潜力应用于其他地区和领域，如在世界其他地区的防沙治沙工程以及对沙漠交通线和农田防风林的保护。
论文作者:郭嘉欣1, 孟圆2, 尹枢楷3, 蒋凯越4
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/25
标签：草本植物论文; 植被论文; 生物量论文; 流沙论文; 沙坡头论文; 工程论文; 沙漠论文; 《科学与技术》2019年第11期论文;