四合木灌丛构型对风沙过程及沉积特征的影响

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四合木(Tetraena mongolica Maxim)作为地中海时期的孑遗植物,耐寒耐旱的优良基因使其成为鄂尔多斯高原草原化荒漠区的重要建群种植物。长期的适应性生存使四合木呈现出特定的构型特征,构型的改变也使其冠层下形成大小各异的稳定沙堆。荒漠灌丛沙堆的沉积和消亡将直接影响灌丛的生长和群落的保护,当前亟需明确四合木植株构型对风沙过程和沉积特征的影响机理。本文以鄂尔多斯高原西北部草原化荒漠区的四合木灌丛为研究对象,通过野外调查方法探明四合木灌丛构型与沙堆形态的潜在关系。采用野外风速测定结合室内风洞试验的方法从风蚀机理明确四合木灌丛对沙堆沉积过程的影响。在此基础上对灌丛沙堆沉积物进行采集,结合室内测定揭示四合木灌丛沙堆形成过程对沉积物特性的影响。主要研究结论如下:(1)四合木灌丛和沙堆均呈现水平生长速率大于垂直生长速率的半椭球型发育策略。灌丛形态和沙堆形态参数之间具有显著正相关关系,冠层面积与沙堆底面积和体积的拟合方程R~2分别为0.9382和0.8056。不同体量灌丛的迎风面侧影面积之间具有显著性差异(P<0.05),其中10-30cm高度层侧影面积与沙堆体积相关系数为0.81。四合木灌丛近地表枝系的分枝率(SBR3:4)随灌丛体量的变大而显著增加(P<0.05)。小灌丛和大灌丛近地层的枝径比(RBD4:3)分别为2.46和1.76。4级枝的分枝长度和3级分枝角度也随灌丛体量变大而呈现增加趋势。通径分析和相关性热图的结果表明,对四合木生长和灌丛沙堆发育起直接作用的枝系构型根据决策系数大小排序依次为SBR3:4>4级分枝长度>3级分枝角度>RBD4:3。其中近地表分枝率对灌丛发育的直接作用最强,决策系数为0.5154。(2)研究区旷野处的风速廓线整体均呈现“J”型分布。不同枝条密度下的四合木灌丛对过境气流产生了不同程度的扰动进而影响灌丛周边的风速变化。旷野2m高度风速为4m/s时,灌丛左绕一侧的中间位置10cm和20cm高度处的风速增幅分别为18.25%和11.09%,随着枝条密度的降低其加速水平逐渐降低。紧挨灌丛后的位置会形成明显的风速降低区域,降幅随着测点高度的增加呈现减小的趋势,灌丛后的风速衰减区域面积随着灌丛枝条密度的减少而逐渐缩小。灌丛50cm高度处各测点的风速变化差异明显减小。(3)风洞内四合木灌丛周围流场与野外呈现的规律基本一致。枝条密度的增加增强了阻沙效能。未清除枝条(0%)、清除25%枝条数和清除50%枝条数的灌丛后的输沙量整体表现为CK>50%>25%>0%,12m/s风速下高密度到低密度枝条灌丛后的总输沙量分别占CK处的26.52%、59.61%和88.35%。不同枝条清除强度灌丛后的输沙量随着测定高度的增加差异逐渐减小。四合木枝条对风沙流的拦蓄使灌丛下形成了有效的沉积物堆积。灌丛枝条密度较大时,灌丛下的沙堆体量也随之增加,其中6m/s-12m/s风速下未清除枝条的灌丛沉积物堆积高度较沙床高度分别增加了8%、10%、18%和32%。当枝条密度变少时灌丛下的沉积物的堆积高度显著降低。(4)随着四合木灌丛扩张和所形成沙堆高度的增加,灌下沉积物质地均呈现细粒化趋势。其中小灌丛沙堆的0-10cm、10-20cm和20-30cm土层粉粒含量分别为18.4%、20.2%和23.7%。灌丛沙堆顶部到沙堆外部沉积物平均粒径逐渐减小。中型和大型灌丛沙堆的顶部和腰部的敏感组分集中在122μm和322μm附近,灌丛沙堆底部和外部的敏感组分多为细粒物质,灌丛内部更易拦截粗砂物质,这也进一步解释了灌丛沉积物的分布特征。灌丛下随着沉积物的不断堆积其土壤养分含量逐渐形成富集的规律,大、中、小灌丛的沙堆表层碱解氮含量与冠层指数之间的拟合直线斜率依次为-7.9255、-6.3137和-3.7626。随着土层深度增加,养分富集斜率呈现增加趋势。四合木的扩张增加了灌丛沙堆内部的土壤含水量,垂直方向上10-20cm土层深度的体积含水量最大。冗余分析发现,灌丛沙堆沉积物中的主要细砂组分(100-250μm)和土壤体积含水量对土壤养分含量的增加具有明显的促进作用。
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