劉 蕤，高傳宇，韓冬雪，李 曉，王國平

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實驗室，吉林長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

沙漠化是干旱、半干旱地區(qū)普遍存在的現(xiàn)象，全球約有60%以上的國家和地區(qū)被沙漠化所困擾，土地沙漠化是當(dāng)今世界所面臨的亟待解決的問題之一。近年來，隨著氣候變化、干旱、人口迅速增長、水資源過度開采與污染等自然因素和強(qiáng)烈的人類活動干擾，以風(fēng)沙活動為主要標(biāo)志的土地退化過程，即沙漠化過程日益嚴(yán)重，對人類生產(chǎn)生活造成了惡劣的影響[1]。目前，對于如何有效防治沙漠化、如何固定未移動沙丘，從而避免沙漠化持續(xù)擴(kuò)張，已經(jīng)開展了大量研究，湖泊[2-3]、綠洲[4]等天然屏障以及防護(hù)林[5]、沙障[6]等人造屏障對防治沙漠化、防止沙丘擴(kuò)張具有正面效應(yīng)。然而，關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)固沙屏障功能的研究尚且較少。

濕地可提供固碳、調(diào)節(jié)氣候、調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[7]，具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[8]，充分利用濕地的價值對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。發(fā)揮濕地的固沙屏障功能可有效防止沙漠化擴(kuò)張，并固定周圍未移動沙丘使其免成沙源?；跐竦貥?gòu)建區(qū)域生態(tài)屏障，可引導(dǎo)區(qū)域環(huán)境良性循環(huán)，有利于實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

對于遠(yuǎn)距離沙丘或濕地周圍地表沙丘而言，其釋放時的作用力主要是風(fēng)力與地表土壤顆粒之間的相互作用。氣流對于土壤顆粒的作用力有兩大類，一類是與氣流方向一致的拖拽力，一類是沙塵垂直向上的升力。土壤顆粒為了保持穩(wěn)定狀態(tài)，往往會產(chǎn)生與上述兩種力相反的慣性力，其中最重要的就是與垂直向上升力相反的顆粒物自身重力、相鄰顆粒間的作用力以及顆粒與其他表面直接的黏附力3 種慣性力[9]。沙塵搬運(yùn)與沉積的氣候動力學(xué)研究表明，粉砂級沙塵主要通過近地面氣流進(jìn)行短距離懸移，在沙塵暴事件中只能上升到近地表幾厘米或幾米的高度；20～70 μm 粒級組分的沙塵可以完成短距離懸移方式的搬運(yùn)，在近距離的下風(fēng)向區(qū)域形成沉積；黏土級以下的細(xì)粒沙塵，則以高空長距離懸浮為主要搬運(yùn)方式，可能會上升到幾千米以內(nèi)的任意高度而進(jìn)行遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，被高空氣流帶到下風(fēng)向廣泛的區(qū)域進(jìn)行沉積。搬運(yùn)而來的沙塵沉積在濕地中，使得濕地土壤砂粒含量明顯增加，說明濕地承載了一部分遷移而來的沙塵[10]。生態(tài)環(huán)境良好的濕地生態(tài)系統(tǒng)往往抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)，通過濕地植被、土壤和水體以及三者之間的耦合作用，對沙塵進(jìn)行捕獲和沉降，并固定周圍未移動的沙丘，可作為受沙漠化影響區(qū)域中的天然屏障，減緩沙漠化發(fā)展的趨勢，對防止沙漠化發(fā)展具有十分重要的意義[11]。

本文綜述了濕地植被、土壤和水體的固沙屏障功能，研究了近20 年來松嫩平原濕地的面積變化，綜合分析了該區(qū)濕地對于固定周圍未移動沙丘并捕獲遷移沙塵所起到的重要固沙屏障作用。

1 濕地的固沙屏障功能

1.1 濕地植被的固沙屏障功能

在半干旱地區(qū)，濕地植被的存在對于固沙具有正面影響。半干旱區(qū)濕地往往承載著較高濃度的懸沙輸入，因濕地植物具有良好的捕沙能力，使得細(xì)顆粒沙塵更容易在濕地中沉積，典型的濕地植被均可表現(xiàn)出此類現(xiàn)象，例如，蘆葦叢生的鹽沼濕地、紅樹林濕地[12-13]等。濕地植被利用莖、葉攔截并黏附空氣中及懸浮于水中的細(xì)顆粒沙塵，使得顆粒沙塵脫離懸浮狀態(tài)，這一過程可以阻滯一部分沙塵。隨著太陽照射、風(fēng)吹等自然過程，黏附在莖、葉等植物組織上的沙塵含水量下降，自然掉落到濕地的明水面中，形成沉積物。新進(jìn)入的沙塵又會再次重復(fù)黏附脫落的過程，從而實現(xiàn)對沙塵的累積捕獲。同時，濕地植被經(jīng)歷生長死亡的過程也可實現(xiàn)對沙塵的沉積。新生長的植被可以重復(fù)黏附脫落的過程，而植被枯死倒伏后，附著的沙塵可直接隨植被自然沉降，形成沉積物。植被捕獲沙塵是一個動態(tài)循環(huán)過程，相比于沉淀作用，細(xì)顆粒沙塵的沉積主要來自于植被的誘捕作用，由植被主導(dǎo)的沉積機(jī)制可捕獲并沉積較大量的沙塵[14]。由于生長環(huán)境等的區(qū)別，濕地植被具有形態(tài)各異的植被種類和形狀，這使得對沙塵沉積的研究難度大大提升。合理范圍內(nèi)排布植被可對沙塵沉積產(chǎn)生正向作用。在有植被生長的靜水水體中，用植物細(xì)稈總截面積占植被覆蓋區(qū)域面積的比例來描述植被面積密度，當(dāng)植被面積密度大于0.071 m2/m2或沙塵粒徑大于0.2 cm 時，沙塵的沉降速率明顯受到植被的影響，與無植被相比，沙塵的沉降速率出現(xiàn)不同程度的減小，且沙塵粒徑越大、植被密度越大，沙塵沉降速率減小的幅度越大；在相同的植被密度下，細(xì)莖植被對沙塵沉降速率的影響程度稍大一些，泥沙沉速變快[15]。

濕地植被捕獲并沉積沙塵后，會持續(xù)產(chǎn)生消波作用以穩(wěn)定捕獲的沙塵。植株高度和水流對植被單位距離的消波效率均有很強(qiáng)的影響。當(dāng)植株未被淹沒時，水流的入射波越大、植物的生長寬度越寬，對波浪產(chǎn)生的削減作用越強(qiáng)；當(dāng)水深足夠淹沒植物時，植物群落則會直接發(fā)揮高效的消波作用[16-17]。對于水流而言，其受植被類型影響，間接影響消波作用，進(jìn)而影響沙塵顆粒的固定及再懸浮過程。水流紊動是水質(zhì)點(diǎn)做紊亂無序運(yùn)動的一種水流狀態(tài)[18]，不同植被類型對水流波高和流速的影響程度不同，因此對水流紊動的削弱程度不同。濕地中的植被大致可分為剛性植被和柔性植被，剛性植被在水流的沖擊下不易改變原始形態(tài)，對水流的阻力不隨植被柔韌度的改變而改變，可保持相對硬性的條件以抵抗水流，能夠?qū)λ鳟a(chǎn)生較強(qiáng)的阻力；柔性植被在水流沖擊作用下會產(chǎn)生彎曲從而呈現(xiàn)流線型，使得植物對水流的阻力明顯減小[16]。通過影響水流阻力，水流紊動發(fā)生變化，削弱的紊動使已懸浮的顆粒沙塵更易發(fā)生絮凝，并遏制其再懸浮[19]；同時，紊動削弱導(dǎo)致水體容納懸浮泥沙的能力下降，對泥沙的捕獲量降低[20-21]。

除了以消波作用固定捕獲的沙塵外，濕地植被以抗風(fēng)蝕形式固定周圍未移動的沙丘也是其固沙屏障功能的一種表現(xiàn)形式。在自然狀態(tài)下生長的原生植被可以有效抵抗風(fēng)蝕，分散在地面上的灌木與喬木可以為抵御風(fēng)蝕提供幫助[22-23]。生長茂密的植被增加了下墊面的粗糙程度，能防止氣流直接作用于地面，使近地表風(fēng)速下降，削弱了風(fēng)對松散土壤的吹揚(yáng)作用，改變了沙塵流的侵蝕和沉積規(guī)律，植被形態(tài)(株高、孔隙度、冠層寬度、葉面積等)和植被密度是影響風(fēng)蝕的關(guān)鍵因素[24-25]。沙源是發(fā)生沙化的前提[26-27]，植被利用發(fā)達(dá)的根系，促成土壤團(tuán)聚體的形成，改變了土壤的結(jié)構(gòu)和組成，將位于表層的土壤牢牢固定，使土壤更加緊實[28]，裸露土地面積減少[29]，削弱了濕地成為沙源的可能性。孢粉記錄、水文記錄等資料證明，濕地植被演替受當(dāng)?shù)厮臈l件的控制[30]，水文條件變化后，濕地與地下水的水力聯(lián)系受到影響，地下水儲量下降，由于無法對地下水進(jìn)行及時補(bǔ)給，濕地植被逐漸演變成了中生甚至旱生植被，植被覆蓋度降低，地表蒸發(fā)作用大大加強(qiáng)，加劇了土壤沙漠化的進(jìn)程，使得原有能抵御沙地擴(kuò)張的濕地生態(tài)系統(tǒng)變成了沙源，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境[31]。

1.2 濕地水體的固沙屏障功能

除了濕地植被對沙塵具有屏障功能外，濕地水體本身同樣具有固沙屏障功能。對于遠(yuǎn)距離沙丘或者濕地周圍的近距離沙丘，風(fēng)的動力作用可使沙丘的土壤顆粒擺脫慣性力，實現(xiàn)遷移搬運(yùn)(圖1)。由于風(fēng)提供的動力條件有限，短程懸浮和變相躍遷是風(fēng)揚(yáng)粉砂和細(xì)砂常見的搬運(yùn)方式。在風(fēng)力作用下，沙塵被搬運(yùn)至濕地，由于濕地水體上層空氣水汽豐富，沙塵附著于水汽之上，重量增加而自然下降到濕地水體表面，而后在重力作用下自然沉降到濕地底部，形成沉積物?？梢?，濕地水體可通過對沙塵與粉塵產(chǎn)生永久性的捕獲作用[33]，從而達(dá)到固沙效果。

圖1 粉塵風(fēng)力搬運(yùn)與沉積動力模式示意圖[32]Fig.1 Schematic diagram of dynamic mode of dust wind transport and deposition[32]

1.3 濕地土壤的固沙屏障功能

除了濕地水體能直接捕獲沙塵外，濕地土壤本身比較濕潤，可抗擊土壤侵蝕，達(dá)到間接固沙的效果。風(fēng)蝕是導(dǎo)致半干旱區(qū)土地沙漠化的首要因素，濕地土壤水分可直接影響風(fēng)蝕。在對土壤風(fēng)蝕的研究中，學(xué)者們將沙粒開始運(yùn)動的臨界風(fēng)速命名為起動風(fēng)速，其直接影響輸沙量的大小，而輸沙量作為量化風(fēng)沙危害的重要指標(biāo)，對于分析土壤顆粒遷移具有重要意義。據(jù)研究，輸沙量與實際風(fēng)速和起動風(fēng)速之差的三次方成正比[34]，提高起動風(fēng)速，可以大大降低輸沙量。因此，土壤顆粒水分含量越高，其起動風(fēng)速越高，輸沙量越低，土壤越不易發(fā)生風(fēng)蝕。濕地土壤顆粒的含水量對于起動風(fēng)速和輸沙量的影響機(jī)制比較復(fù)雜，常通過分析土壤顆粒的受力情況來評估其起動機(jī)制。野外實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流通過疏松顆粒組成的床面時，土壤顆粒往往會受到來自迎面的阻力，即拖拽力和重力的作用[35-36]。濕地土壤中的水分會使土壤顆粒之間產(chǎn)生黏附力，在毛細(xì)管作用下產(chǎn)生的毛細(xì)管力會增加土壤顆粒之間的黏附力，使顆粒之間出現(xiàn)高內(nèi)聚力，濕地土壤的凝聚力增強(qiáng)，可抵抗住拖拽力與重力的作用，使土壤顆粒不易被風(fēng)吹動[37]，可見，具有高含水量的濕地土壤其抗風(fēng)蝕能力也相應(yīng)較高[38]。對含沙土壤的風(fēng)洞模擬實驗顯示，土壤抗風(fēng)蝕能力變化的含水量閾值為2%，當(dāng)含水量小于2%時，土壤抗風(fēng)蝕能力變化較大；當(dāng)含水量大于2%時，土壤抗風(fēng)蝕能力趨于穩(wěn)定；隨著土壤含水量的變化，土壤的風(fēng)蝕率會出現(xiàn)緩變與陡變交替出現(xiàn)的動態(tài)超穩(wěn)定平衡狀態(tài)[9,39]。當(dāng)水分補(bǔ)給減少，土壤含水量下降，原本可抵抗風(fēng)蝕的土地會變成沙塵源，例如，當(dāng)土地退耕時，人為將土壤水分補(bǔ)給切斷，加之氣候干旱，土壤中原有的水分被快速消耗，地表裸露，空氣中粉塵狀的顆粒物比例上升，逐漸形成了新的沙源與沙塵暴貢獻(xiàn)源[40]。

2 濕地固沙屏障功能的區(qū)域貢獻(xiàn)

松嫩平原位于中國東北部，屬于溫帶大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候[41]，年降水量為350～450 mm[42]，盛行西風(fēng)。基于獨(dú)特的地理氣候條件，松嫩平原西部景觀類型多樣，分布著廣袤的濕地群，其中最主要的濕地類型是蘆葦(Phragmites australis)濕地[43]。蘆葦濕地對于來自內(nèi)蒙古沙地的大部分風(fēng)揚(yáng)沙塵具有固沙屏障作用，當(dāng)沙塵遷移至蘆葦濕地時，被水汽黏附，并在重力作用下自然沉降，形成沉積物。濕地中大面積生長的蘆葦具有較強(qiáng)的固沙屏障功能，蘆葦根莖發(fā)達(dá)堅韌，纖維含量高，屬于剛性植物，遷移而來的沙塵被蘆葦黏附，然后在太陽照射及風(fēng)吹下脫落，形成沉積物，隨著蘆葦?shù)纳L，附著的泥沙也可直接沉降。作為剛性植物的蘆葦還能對水流產(chǎn)生較強(qiáng)的阻力，增強(qiáng)水流的紊動，進(jìn)而提高水體容納及沉降沙塵的能力。同時，茂密的蘆葦增加了下墊面的粗糙程度，其發(fā)達(dá)的根莖使土壤更加緊實，不僅削弱了近地表風(fēng)速，還減輕了風(fēng)對地表土壤的吹蝕。蘆葦種群生長區(qū)域的土壤含水量往往較高，高含水量的土壤凝聚力強(qiáng)，使得土壤抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，避免了成為沙源的可能性，體現(xiàn)了蘆葦濕地的固沙屏障功能。

然而，近20 多年來，伴隨著人口遷移，松嫩平原西部進(jìn)行了大面積的土地開墾活動[44-45]，不合理的土地利用使松嫩平原西部土地沙漠化的程度逐漸加強(qiáng)[46-47]，成為了沙漠化控制的關(guān)鍵區(qū)域[48]，土壤中的細(xì)粒和營養(yǎng)物質(zhì)受到吹蝕，沙粒堆積，肥沃土壤發(fā)生貧瘠化和粗?；痆49]，沙漠化風(fēng)險加劇。利用中國多時期土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集(CNLUCC)中的數(shù)據(jù)[50]，對2000—2020 年松嫩平原土地利用類型的變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，2000—2020 年，旱地面積由113 000 km2增加到115 000 km2，增加了2 000 km2；水田面積由13 700 km2增加到16 900 km2，增加了3 200 km2；沙地面積由246 km2增加到250 km2，增加了4 km2；沼澤濕地面積由13 600km2增加到14 000km2，增加了439 km2(圖2)。隨著國家對沼澤濕地資源和生態(tài)環(huán)境的重視，采取了一系列沼澤濕地及其生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與保護(hù)措施，濕地面積逐步恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到有效治理。濕地面積的增加使?jié)竦亍安都鄙硥m的能力增強(qiáng)，隨著濕地植被覆蓋率的增加，地表粗糙度不斷增加，使得沙塵的起動條件增強(qiáng)，結(jié)束了土壤暴露期，減少了地表沉積物的供應(yīng)時間，在一定程度上固定了周圍未移動沙塵并避免其成為沙源。

圖2 2000年和2020年松嫩平原不同土地利用類型的變化Fig.2 Changes of different land use types in the Songnen Plain from 2000 to 2020

過去20年間，除林地、水域、鹽堿地之外，松嫩平原西部其他土地利用類型均呈現(xiàn)增加趨勢，其中水田面積增加幅度最大。盡管沼澤濕地面積在過去20 年呈波動變化，但濕地的固沙屏障功能對于固定流沙，避免沙漠化擴(kuò)張一直發(fā)揮著重要的作用[42,51]。利用沉積盤實驗對松嫩平原西部沼澤-沙地過渡區(qū)表層沉積物通量、砂和黏土含量以及沉積物的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)泥沙沉積量隨著采樣點(diǎn)與沙丘中心線之間縱向距離的增加而減小，濕地為捕獲沙塵構(gòu)建了一個沙塵陷阱，表明沼澤濕地和沙地的交替分布可能會阻礙土地沙化[51]。選擇位于松嫩平原的烏蘭泡、尖底泡、大布蘇泡和波羅泡4處蘆葦濕地作為研究對象，研究了松嫩平原西部濕地-沙漠過渡區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤特性，并利用判別分析法分析了濕地土壤的歷史來源，發(fā)現(xiàn)濕地-沙漠過渡區(qū)的濕地受到風(fēng)蝕的強(qiáng)烈影響，周圍生態(tài)系統(tǒng)(尤其是沙漠)的沙塵沉積并儲存在這些濕地中，由于蘆葦濕地的存在，沿自西至東與研究區(qū)風(fēng)向相同的方向，土壤砂含量逐漸減少，黏土含量逐漸增加，說明濕地斑塊在其中充當(dāng)了自然緩沖區(qū)，減少了風(fēng)蝕對東部生態(tài)系統(tǒng)的影響，起到了一定的固沙屏障功能[42]。

在松嫩平原，濕地群與黑土帶鑲嵌分布，黑土帶有機(jī)質(zhì)含量豐富，土壤肥力高，適合作物生長，是中國東北地區(qū)最主要的糧食生產(chǎn)和畜牧業(yè)基地之一[52]，是國家糧食安全的“壓艙石”[53]。在松嫩平原西部濕地與沙地相間分布的自然地理條件下，濕地充分發(fā)揮了屏障沙漠化發(fā)展的生態(tài)功能，對東北平原總面積約1 100 萬公頃的黑土帶起到了一定的保護(hù)作用。充分發(fā)揮濕地的固沙屏障功能，將松嫩平原西部生態(tài)環(huán)境導(dǎo)向良性循環(huán)，對于該地區(qū)乃至整個東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

除了松嫩平原，還有部分地區(qū)認(rèn)識到了濕地固沙屏障功能的重要性，并充分利用濕地的固沙屏障功能對當(dāng)?shù)厥苌衬绊懙膮^(qū)域進(jìn)行管理。例如，近年來，隨著內(nèi)蒙古西部居延海濕地的恢復(fù)，居延海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到改善，避免了湖盆干涸成為沙源，在一定程度上減少了起沙量，起到了固定流沙，防止沙漠化的屏障功能[54]。在甘肅省民勤盆地的恢復(fù)研究中也得到了類似結(jié)論，民勤盆地恢復(fù)過程中形成了4塊較大的濕地，并在低洼處形成了一些小面積濕地，在荒漠風(fēng)沙區(qū)，形成了一些以濕地為中心的微域性生態(tài)屏障，對于當(dāng)?shù)貧夂蛘{(diào)節(jié)、改善生態(tài)、阻止沙漠?dāng)U展起到了重要作用[55]。由此可見，濕地的固沙屏障功能對于減輕沙塵入侵，構(gòu)建生態(tài)屏障區(qū)，維護(hù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[56]。

3 結(jié)論與展望

濕地植被、水體和土壤以及三者之間的耦合作用均可產(chǎn)生固沙屏障功能，其能夠沉降沙塵并固定未移動沙丘，防止沙漠化持續(xù)發(fā)展。盡管松嫩平原西部濕地面積在過去20 年間呈波動變化，但其始終具有固沙屏障功能。松嫩平原盛行西風(fēng)，其間鑲嵌分布的蘆葦濕地對于來自西部內(nèi)蒙古地區(qū)的遠(yuǎn)距離沙塵起到了重要的屏障作用，從而保護(hù)東部的草地、耕地等免受風(fēng)沙影響，對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

濕地的固沙屏障功能對于受風(fēng)沙影響區(qū)域的作用逐步被認(rèn)識，但目前的認(rèn)識仍比較薄弱，相關(guān)研究較少。定性了解濕地固沙屏障功能的作用機(jī)制，定量評估濕地中的泥沙沉降通量及對周圍沙丘的固定程度，從而進(jìn)一步衡量濕地生態(tài)系統(tǒng)未來的固沙屏障能力，并結(jié)合生態(tài)屏障區(qū)分析其可產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價值是未來的一個研究方向。同時，修正風(fēng)蝕方程模型(REWQ)在評估生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能的時空變化格局方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，將其與小尺度的實驗室模擬實驗相結(jié)合可以對濕地固沙屏障功能進(jìn)行更好的描述。未來應(yīng)充分利用濕地固沙屏障功能對耕地、草地等產(chǎn)生的保衛(wèi)作用，構(gòu)建小區(qū)域生態(tài)屏障區(qū)，形成微域性生態(tài)屏障，從而達(dá)到調(diào)控區(qū)域氣候，防止沙漠化擴(kuò)張，避免土地進(jìn)一步沙化，引導(dǎo)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境良性循環(huán)的效果。