生态与环境

河西走廊典型绿洲阻沙固沙带稳定性评价

  • 陈玉皎 , 1 ,
  • 马瑞 , 1 ,
  • 张春来 2 ,
  • 王振亭 3 ,
  • 刘腾 1 ,
  • 田永胜 1 ,
  • 詹仪 1
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  • 1 甘肃农业大学林学院, 甘肃 兰州 730070
  • 2 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室, 防沙治沙教育部工程研究中心, 北京 100875
  • 3 中国科学院西北生态环境资源研究院, 甘肃 兰州 730070
马瑞. E-mail:

陈玉皎(2000-),女,硕士研究生,主要从事荒漠化防治研究. E-mail:

收稿日期: 2025-06-05

  修回日期: 2025-09-23

  网络出版日期: 2026-03-12

基金资助

国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目(U21A2001)

甘肃省自然科学基金项目(1506RJZA016)

甘肃省水利厅技术服务项目(GSAU-JSFW-2025-25)

Evaluation of the stability of sand-blocking and sand-fixing belts in typical oases in the Hexi Corridor

  • CHEN Yujiao , 1 ,
  • MA Rui , 1 ,
  • ZHANG Chunlai 2 ,
  • WANG Zhenting 3 ,
  • LIU Teng 1 ,
  • TIAN Yongsheng 1 ,
  • ZHAN Yi 1
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  • 1 College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 2 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, MOE Engineering Research Center of Desertification and Blown-Sand Control, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
  • 3 Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China

Received date: 2025-06-05

  Revised date: 2025-09-23

  Online published: 2026-03-12

摘要

阻沙固沙带是维护绿洲生态安全的重要屏障,其稳定性直接影响区域可持续发展。针对河西走廊阻沙固沙带人工-自然复合生态系统特征,构建了准则层(包含生物学、生态学和功能三个维度)和指标层(包含36项调查因子)的多尺度评价指标体系,通过层次分析法与专家打分法确定指标权重,将各指标进行量化与分级,最后利用综合指标法计算阻沙固沙带稳定性指数,并进行了实际案例应用。结果表明:张掖市高台县与临泽县交界处的阻沙固沙带为弱不稳定等级,武威市民勤县与敦煌市两个样地的阻沙固沙带评价结果为不稳定等级,稳定性主要受植被退化、沙障破损及管护不足等因素影响。研究提出的评价框架可为风沙区生态屏障建设提供科学依据,并为类似地区阻沙固沙带优化管理提供参考。

本文引用格式

陈玉皎 , 马瑞 , 张春来 , 王振亭 , 刘腾 , 田永胜 , 詹仪 . 河西走廊典型绿洲阻沙固沙带稳定性评价[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(12) : 2303 -2316 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.12.13

Abstract

A sand-blocking and sand-fixing belt serves as a crucial barrier for safeguarding the ecological security of an oasis, and its stability directly impacts the sustainable development of the region. Focusing on the characteristics of the artificial-natural composite ecosystems in the sand-blocking and sand-fixing belts in the Hexi Corridor, in this study we constructed a multiscale-evaluation indexing system consisting of a criterion layer (encompassing the three dimensions: biology, ecology, and function) and an indicator layer (including 36 survey factors). We determined the weights of the indicators using an analytic hierarchy process and expert scoring. We quantified and graded each indicator based on literature reviews and subject-specific books. Finally, we employed this comprehensive indexing method to calculate a stability index for a sand-blocking and sand-fixing belt, and we conducted practical case studies to demonstrate the usefulness of this method. These case-study results classified the sand-blocking and sand-fixing belt at the junction of Gaotai County and Linze County in Zhangye City as being “weakly unstable.” In addition, they categorized the sand-blocking and sand-fixing belts at two sample sites—in Minqin County of Wuwei City and in Dunhuang City—as being “unstable.” The stability of these belts is mainly affected by factors such as the degradation of vegetation, sand-barrier damage, and insufficient management and protection. The evaluation framework proposed in this study thus provides a scientific basis for the construction of ecological barriers in wind-sand areas and provides references for the optimized management of sand-blocking and sand-fixing belts in similar regions.

荒漠绿洲交错区作为典型的生态脆弱区,兼具生态敏感性与服务功能双重特征。该区域作为荒漠与绿洲两大生态系统的自然界面,通过物质循环与能量流动维系着系统间的动态平衡,其生态稳定性直接关系到绿洲的可持续发展[1]。阻沙固沙带是荒漠绿洲交错区最关键的生态屏障,是由防护林带、机械沙障、封育等措施组合而成的防风固沙体系[2]。近年来,受绿洲扩张与人类活动叠加影响,荒漠绿洲交错区土地覆被格局发生显著改变,阻沙固沙带通过“防护林-沙障-封育措施”三位一体的防风固沙体系,在阻滞风沙入侵、调节边缘效应、维持生态系统服务功能等方面发挥核心作用[3];更重要的是,该体系通过增加地表覆盖、促进有机质积累和改善土壤结构,显著提升了沙化土地的持水保肥能力与生产力,为退化土地的生态修复与可持续利用提供了基础。因此,阻沙固沙带的稳定性直接决定了其防风固沙效能的持久性、区域生态屏障的安全性和脆弱生态系统恢复的成效,且这一特殊生态界面具有水-土-气-生-人等多要素的耦合作用,深入探究其稳定性机制对于保障荒漠绿洲交错区生态安全与可持续发展具有至关重要的作用。
生态系统稳定性作为表征系统抵抗力和恢复力的核心属性,是荒漠绿洲交错区生态安全评估的关键指标[4]。而阻沙固沙带稳定性与荒漠绿洲交错区的生态系统稳定性紧密关联,两者通过功能协同、结构互馈和过程耦合形成有机整体。阻沙固沙带通过降低风沙侵蚀、调节微气候和改善土壤理化性质,修复微生态等功能,直接维护绿洲生态系统的结构和功能完整性;同时,其稳定性也依赖于自然植被的恢复力、土壤水盐平衡等生态过程。
现有研究表明,荒漠生态系统具有显著的脆弱特征,在气候变化与人为干扰双重胁迫下,系统结构趋于简化、自我调节能力衰减,呈现出典型的退化阈值效应。目前,稳定性评估主要基于以下五类:(1) 生物多样性关联:从物种多样性-稳定性关系出发,认为多样性通过功能冗余增强系统抗干扰能力,国内外许多学者在多个生态系统中验证了这一机制[5-13];(2) 阈值判定:强调生态系统在临界阈值内的弹性维持能力,如我国学者建立的生态水位理论[14-17];(3) 结构功能指标体系:我国学者针对不同生态系统所展开的评价模型[18-20];(4) 内涵解析:根据稳定性不同维度(抵抗力/恢复力/持久性)开展类型化评估,在农田、森林等系统取得进展[21-23];(5) 三效协同:聚焦绿洲系统特有的自然-社会-经济协同稳定机制,形成张掖、阜康等典型案例研究[24-29]
总体上,当前评估体系仍存在理论分歧与方法局限,特别是针对阻沙固沙带人工-自然复合系统的稳定性研究鲜见报道。与现有技术相比,本研究尝试构建一个基于“结构-功能-可持续性”的多尺度评估框架且对阻沙固沙带宽度及评价范围作出了明确界定,避免了主观因素对评价结果的影响;且评价指标值获取容易,大部分指标数据通过野外实地调查获得,可直接使用或经过简单计算后使用,其余一些指标可通过官方网站或调取行业部门资料获得,极少部分指标需采样后在实验室进行测定;评价方法及模型层次清晰,架构明确,有专业背景的技术人员均可掌握。研究阻沙固沙带稳定性其理论意义在于:一方面,对荒漠-绿洲界面生态稳定性理论进行探讨;另一方面,为荒漠绿洲交错区生态系统评估方法体系提供补充参考。研究成果可为河西走廊生态屏障建设提供量化依据,为同类地区自然保护区管理提供技术,并为阻沙固沙带稳定性评价提供实时预警数据。

1 研究区概况

河西走廊位于我国西北干旱区,是连接青藏高原、蒙古高原和黄土高原的重要生态过渡带。其气候干旱,降水稀少,蒸发强烈,生态系统极度脆弱。此地风沙活动异常频繁且强度大,是土地沙漠化的主要驱动因素之一。本研究选取河西走廊三大典型阻沙固沙带进行验证,研究区域位置如图1所示,选择依据为:一是代表了中国西北荒漠绿洲交错区三大典型生态危机类型,即民勤(水资源枯竭型绿洲萎缩)、高台-临泽(由黑河流域影响下的绿洲可持续)、敦煌(文化遗产保护的生态安全问题);二是地理梯度代表性分别为民勤(东北部)、高台-临泽(中部)、敦煌(西部);三是地理代表性涵盖中国西北三大沙漠(巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库姆塔格沙漠)前沿;四是从胁迫梯度方面出发:水资源压力(敦煌>民勤>高台-临泽)、风沙强度(民勤≈敦煌>高台-临泽);五是调控模式不相同,民勤为高科技节水、高台-临泽水权适应管理、敦煌则是文化遗产优先。本研究所选取的三个典型阻沙固沙带均有15 a以上的建成年限,民勤县红崖山-青土湖综合固沙体系为2000年奠基,局部进行人工施肥;高台-临泽县黑河中游绿洲防护林网2012年竣工,基本不施肥,依赖黑河洪水淤肥;敦煌阳关-玉门关风沙拦截工程2007年完成一期工程、2010年完成二期工程,其他完善工程还在继续建设,旅游区穴施羊粪。不同区域风沙活动强度及方向见表1
图1 研究区位置示意图

Fig. 1 Location map of the study area

表1 研究区风沙活动强度与方向特征

Tab. 1 Characteristics of the intensity and direction of aeolian sand activity in the study area

参数 民勤 高台-临泽 敦煌
年主导风向 NW(西北风) WNW(西西北风) NW(西北风)
年均起沙风日数 110 d 85 d 145 d
输沙势/VU 286 198 412
民勤县位于河西走廊东北部,石羊河下游;水资源极度匮乏,地下水超采,依靠红崖山水库与地下水灌溉,近年来地下水位逐渐下降;三面环沙,土壤沙化与盐碱化十分严重;气候属温带大陆性干旱气候,年降水量不足100 mm,蒸发量却超过200 mm,风沙大,双向沙丘夹击,日照强度大;植被以沙生植物如梭梭(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria tangutorum)、柽柳(Tamarix chinensis)等为主[30]。民勤县水资源短缺与生态保护压力并存,绿洲可持续性依靠人工进行调控。
高台县与临泽县位于黑河中游,水资源较民勤相对丰富,灌溉条件较好,绿洲边缘有芦苇(Phragmites australis)丛生长,但受分水制度约束,依赖黑河水灌溉,季节性缺水明显,近几年黑河一支分流已干涸;南缘分布祁连山、北缘绿洲平原,土壤肥沃,耕地集中,单侧沙垄推移,局部区域存在土壤盐碱化现象;气候属温带干旱气候,降水量约为100~120 mm左右[31];植被以梭梭、白刺、黄花蒿(Artemisia annua)、芦苇(Phragmites australis)为主。
敦煌市深居内陆,气候极度干旱,主要依靠党河(季节性河流)与地下水,水资源严重短缺;敦煌市以戈壁和沙漠为主,戈壁风蚀主导,绿洲面积有限,土壤贫瘠,以风沙土为主,土壤风沙侵蚀形势严峻;气候属温带大陆性干旱气候,年降水量不足50 mm,蒸发量却为2500 mm,风沙活动频繁;生态系统极其脆弱,天然植被以胡杨(Populus euphratica)、柽柳、梭梭等沙生植物为主。敦煌市水资源枯竭与沙漠化问题影响绿洲可持续发展,其区域的生态保护需与旅游开发进行平衡。

2 研究方法

2.1 本底资料

以河西走廊典型的阻沙固沙带为评价对象,利用该区域卫星遥感图像解译识别资料及实地考察样地资料数据,选择阻沙固沙带样地,在现有调查数据的基础之上做其余补充调查,作为该研究的基础资料。

2.2 样地调查

选择河西走廊典型的绿洲边缘阻沙固沙带进行研究,分别在民勤绿洲边缘、临泽与高台交界处绿洲边缘、敦煌绿洲边缘各选择一条典型的阻沙固沙带,将选取的阻沙固沙带从流动沙丘到绿洲方向的长度范围视为一个纵断面,在纵断面上每隔50 m或100 m选择一个横断面,横断面内每隔50 m或100 m选取3个20 m×20 m的样方。主要调查因子有现存密度、盖度、输沙率等36项评价指标。

3 阻沙固沙带稳定性评估指标体系

生态系统稳定性评估涉及多学科交叉,指标体系构建需兼顾理论严谨性与实践可操作性。针对河西走廊典型绿洲阻沙固沙带的特殊性,本研究在生态学、风沙物理学及系统科学的基础上,遵循“科学性与可操作性并重、系统性与层次性统一”的思路,构建多维度评估体系,确保精准刻画系统稳定性,同时便于野外调查与数据获取。

3.1 构建的原则与筛选的标准

稳定性是生态系统的重要特征之一,由于问题十分复杂,涉及内容包括生态系统的类型、结构特征、功能干扰因素,因此,目前尚未形成普适性标准与评价体系。在科学性原则、可持续性原则、代表性原则、实用性原则、综合性原则的构建原则基础上,本研究从生物学、生态学与功能三个维度进行指标的筛选(表2)。
表2 阻沙固沙带评估准则层筛选标准与含义

Tab. 2 Screening criteria and implications of the criterion layer for sand-blocking and sand-fixing belt assessment

筛选标准 具体含义
生物学角度 通过植被生长状况、枯梢率等了解植被状况,用土壤微生物活性、根系裸露程度等衡量固沙保水能力
生态学角度 利用物种多样性指数评估生态平衡,借助水文、气候、土壤等条件了解阻沙固沙带的适应性与可持续性
功能角度 凭借输沙率、机械沙障阻沙率等明确防护效果,衡量防护功能持续性;通过植被配置、管护措施等方面评估防风固沙效果,及时维护防护功能

3.2 评价指标体系

依据阻沙固沙带稳定性评价指标体系的构建原则,并结合河西走廊典型阻沙固沙带具体实际状况,按照图2的构建流程,建立了包括生物学、生态学与功能3个准则层,其中生物学包含8个具体指标;生态学下层包含15个具体指标;功能包含13个具体指标,构建了如图3所示的由36个指标组成的河西走廊典型绿洲阻沙固沙带稳定性评价指标体系。
图2 评价体系构建流程

Fig. 2 Evaluation system construction process

图3 阻沙固沙带稳定性评价指标体系

Fig. 3 Stability evaluation index system of sand control system in sand blocking and sand fixation zone

3.3 评价指标的说明

3.3.1 生物学评价指标说明

河西走廊典型阻沙固沙带的生物学评价指标综合反映了植被防风固沙效能及生态系统的稳定性。人工林现存密度核心功能是物理固沙;枯梢率体现植被抗逆健康状况;根系裸露程度关联植物抗风蚀能力;自然更新能力保障阻沙固沙带的可持续性;植被生长状况〔综合高度与冠幅,通过综合生长指数(GI)来反映,即 GI=0.6\frac{H}{{H}_{max}}+0.4\frac{C}{{C}_{max}}H为实测高度;Hmax为物种理论最大高度;C为实测冠幅;Cmax为物种理论最大冠幅〕来反映其拦截风沙的实效;层片数量通过垂直结构复杂性提升防护效率;白刺(Nitraria tangutorum)灌丛沙堆发育阶段[32](雏形至退化)指示其固沙成熟度(由于所选取的研究区样地中均含有白刺灌丛沙堆,则可作为指标进行评价稳定性);土壤微生物活性则通过驱动养分循环间接强化植被功能。

3.3.2 生态学评价指标说明

河西走廊典型阻沙固沙带的生态学评价指标从物种组成、气候条件、水文特征、土壤性质及风沙活动等方面综合评估阻沙固沙带的稳定性和生态功能。物种丰富度反映生态系统的结构复杂性,均匀度指数衡量物种分布的平衡性;年均降水量和年干燥度决定植被生长的水分条件,地下水位和0~100 cm土壤平均含水量直接影响根系水分供应;年起沙风速[33]和地表流动性表征风沙活动强度,1/3以上灌丛沙堆解体标志固沙结构退化;自然灾害(如鼠害、病虫害、风害)威胁体系稳定性;土壤质地、有机质含量、pH值、紧实度共同影响植被适生性和抗风蚀能力;地表蚀积状况直观反映风沙侵蚀或堆积程度。

3.3.3 功能评价指标说明

河西走廊典型阻沙固沙带的功能评价指标从防护结构、植被配置、管理措施及防护效能等方面综合评估体系的防风固沙效果和可持续性:阻沙固沙带宽度和横向连续性决定阻沙固沙带的整体阻截能力,避免风沙突破防线;树种选择和造林模式影响植被的适生性和抗逆性,种植点配置优化空间利用效率;发育阶段反映阻沙固沙带的成熟度,机械沙障阻沙率[34]和盖度直接影响固沙效果;封育措施和抚育管护(如灌溉、平茬、病虫害防治)保障植被健康生长;林长制执行和生态建设政策宣传强化管理体系与公众参与;输沙率[35]则量化阻沙固沙带对风沙输移的抑制效果。

3.4 评价指标的权重确定

层次分析法是一种定性与量性相结合的系统化、层次化的分析方法,即通过对评价目标逐层分解和细化,评判各项参数重要程度以及确定综合权重。该方法能够确保逻辑性、降低主观上的干扰和纠正不一致观点。具体步骤如下:
(1) 构建判断矩阵
按照图3建立的稳定性评价指标体系,构建判断矩阵,邀请30位专家进行打分,专家依据自身所掌握的理论知识与经验对每一层次指标相对于它所属上层指标的重要程度进行比较,然后根据1~9标度法进行赋值(表3)。
表3 判断矩阵标度值及含义

Tab. 3 Shows the scale value and meaning of the judgment matrix

标度 含义
1 两个指标对比,重要程度相同
3 两个指标对比,前者稍微重要于后者
5 两个指标对比,前者明显重要于后者
7 两个指标对比,前者强烈重要于后者
9 两个指标对比,前者极端重要于后者
2,4,6,8 介于以上相邻两两之间
1~9的倒数 表示相应两指标交换重要程度
(2) 计算各层指标权重
对于判断矩阵,采用方根法计算指标权重,首先计算判断矩阵中每一行的乘积的n次方得到一个n维向量,其公式如下:
${\stackrel{-}{w}}_{i}=\sqrt[n]{\prod _{j=1}^{n}{a}_{ij}} (i, j=1, 2, 3, ···,n)$
式中:aij为矩阵元素,代表第i个因素相当于第j个因素的重要性标度值。
将向量标准化,计算指标相对权重(wi):
${w}_{i}=\frac{{\stackrel{-}{w}}_{i}}{\sum _{i=1}^{n}{\stackrel{-}{w}}_{i}}$
(3) 一致性检验
判断矩阵是根据专家问卷得到,应进行一致性检验,满足一致性检验的数据才有价值,计算判断矩阵最大特征根(λmax),公式如下:
${\lambda }_{max}=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^{n}\frac{{\left(Aw\right)}_{i}}{{w}_{i}}$
式中:Aw为判断矩阵×标准化后的权重按行的累加值;n为矩阵阶数。
计算一致性指标CI,公式如下:
$CI=\frac{{\lambda }_{max}-n}{n-1}$
表4可知,平均随机一致性指标RI的取值,随机一致性比率CR计算公式如下:
$CR=\frac{CI}{RI}$
CR<0.1时,则认为矩阵满足一致性要求;否则需调整判断矩阵,直到CR<0.1为止。
表4 平均一致性指标RI取值

Tab. 4 Average consistency index RI value

矩阵阶数n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49

3.5 指标评价标准及权重

将通过一致性检验的判断矩阵分别求权重,再求平均值得到最终权重,如表5所示。
表5 阻沙固沙带生物学评价指标及评价标准

Tab. 5 Biological evaluation indicators and assessment standards for sand-blocking and sand-fixing belts

准则层指标 生物学 生态学 功能
权重 0.2 0.5 0.3

3.6 稳定性评价方法及标准

评价阻沙固沙带稳定性,采用加权平均算法将多个指标对阻沙固沙带稳定性不同角度的评价综合在一起,得到一个整体的稳定性评价结果,其表达式如下:
${S}_{A}=\sum _{i=1}^{{D}_{36}}{k}_{i}{x}_{i}$
式中:SA为阻沙固沙带稳定性指数;kiD层各指标权重系数;xi为各指标的评分值;依据荒漠生态系统稳定性相关文献[36]进行稳定性等级划分:当SA≥0.8稳定;0.6<SA≤0.8较稳定;0.4≤SA<0.6弱不稳定;SA<0.4不稳定。

4 评价结果

根据表6表7表8所列的指标评价标准和权重,得出各指标的分值,然后按照准则层3项要素的权重根据计算得出综合评分,再根据阻沙固沙带稳定性分级标准,判定所选取的河西走廊典型绿洲阻沙固沙带是否稳定,详细结果见表9
表6 阻沙固沙带生物学评价指标及评价标准

Tab. 6 Biological evaluation indicators and assessment standards for sand-blocking and sand-fixing belts

评价指标 指标权重 评价标准 评价得分 评价等级
现存密度 0.03 现存密度=评估区健康成熟林密度 1
现存密度<评估区健康成熟林密度 0.6
现存密度>评估区健康成熟林密度 0.3
枯梢率 0.04 无枯梢 1
20 cm<枯梢长度<40 cm且枯枝率>50% 0.6
枯梢长度>40 cm且枯枝率>50% 0.3
根系裸露程度 0.03 无裸露 1
20 cm<根系外露<60 cm 0.6
根系外露>60 cm 0.3
植被自然更新能力 0.02 更新苗>20株 1
更新苗>10株 0.6
更新苗<10株 0.3
植被生长状况 0.01 综合生长指数≥0.75 1
0.5≤综合生长指数<0.75 0.6
综合生长指数<0.5 0.3
层片数量 0.02 3层及以上 1
2层 0.6
1层 0.3
白刺灌丛沙堆发育阶段 0.03 雏形阶段 1
发育及稳定阶段 0.6
退化阶段 0.3
土壤微生物活性 0.02 微生物生物量碳含量>50 mg∙kg-1 1
30 mg∙kg-1<微生物生物量碳含量<50 mg∙kg-1 0.6
微生物生物量碳含量<30 mg∙kg-1 0.3
表7 阻沙固沙带生态学评价指标及评价标准

Tab. 7 Ecological evaluation indicators and assessment standards for sand-blocking and sand-fixing belts

评价指标 指标权重 评价标准 评价得分 评价等级
物种丰富度 0.03 物种丰富度≥10 1
5≤物种丰富度<10 0.6
物种丰富度<5 0.3
均匀度指数 0.03 0.75<均匀度指数≤1 1
0.25<均匀度指数≤0.75 0.6
0 <均匀度指数≤0.25 0.3
年均降水量 0.1 年均降水量≥400 mm 1
100 mm≤年均降水量<400 mm 0.6
年均降水量<100 mm 0.3
年干燥度 0.035 年干燥度<1 1
1≤年干燥度<16 0.6
年干燥度≥16 0.3
年起沙风速 0.015 年起沙风速>5 m·s-1 1
6 m·s-1≤年起沙风速<9 m·s -1 0.6
年起沙风速≥10 m·s -1 0.3
地下水位 0.02 地下水位<造林树种根系生物学长度+40 cm 1
地下水位=造林树种根系生物学长度+40 cm 0.6
地下水位>造林树种根系生物学长度+40 cm 0.3
0~100 cm土壤平均含水量 0.075 0~100 cm土壤平均含水量≥4% 1
2%≤0~100 cm土壤平均含水量<4% 0.6
0~100 cm土壤平均含水量<2% 0.3
地表流动性 0.015 强固定状态(形成生物结皮) 1
半固定状态(形成物理结皮) 0.6
流动状态(无结皮形成) 0.3
1/3以上灌丛沙堆解体 0.015 1/3以上灌丛沙堆解体<10% 1
20%<1/3以上灌丛沙堆解体<60% 0.6
1/3以上灌丛沙堆解体>60% 0.3
自然灾害 0.1 自然灾害破坏程度<10% 1
自然灾害破坏程度<60% 0.6
自然灾害破坏程度>60% 0.3
土壤质地 0.01 壤土 1
黏土 0.6
砂土 0.3
土壤有机质含量 0.01 土壤有机质含量>3% 1
1%<土壤有机质含量<3% 0.6
土壤有机质含量<1% 0.3
土壤pH值 0.01 6.5<土壤pH值<7.5 1
7.5<土壤pH值<9.5 0.6
4.5<土壤pH值<6.5 0.3
土壤紧实度 0.01 100 kPa<土壤紧实度<600 kPa 1
土壤紧实度>600 kPa 0.6
土壤紧实度<100 kPa 0.3
地表蚀积状况 0.025 -0.2<净蚀积值<0.2 1
净蚀积值<-0.2 0.6
净蚀积值>0.2 0.3
表8 阻沙固沙带功能评价指标及评价标准

Tab. 8 Functional evaluation indicators and assessment standards for sand-blocking and sand-fixing belts

评价指标 指标权重 评价标准 评价得分 评价等级
阻沙固沙带宽度 0.06 阻沙固沙带宽度>1000 m 1
100 m<阻沙固沙带宽度<1000 m 0.6
阻沙固沙带宽度<100 m 0.3
横向连续性 0.03 横向连续性>600 m 1
100 m<横向连续性<600 m 0.6
横向连续性<100 m 0.3
树种选择 0.012 实践证明的成功造林树种 1
乡土树种 0.6
引进种 0.3
造林模式 0.009 行带式 1
均匀分布 0.6
随机分布 0.3
发育阶段 0.012 幼林-中龄林-成熟林阶段 1
幼苗-幼树阶段 0.6
过熟林阶段 0.3
种植点配置 0.009 三角形配置 1
矩形配置 0.6
植生组配置 0.3
机械沙障阻沙率 0.09 阻沙率>85% 1
50%≤阻沙率<85% 0.6
阻沙率<50% 0.3
盖度 0.024 盖度>10% 1
5%<盖度≤10% 0.6
盖度≤5% 0.3
封育措施 0.0078 封育且安装了视频监控 1
仅封育 0.6
无封育 0.3
抚育管护 0.006 抚育措施全有 1
只有其中一种抚育措施 0.6
无抚育措施 0.3
是否执行林长制 0.0051 有视频监控且发生违禁举止可以及时到场处理 1
发生违禁举止可以及时到场处理 0.6
无林长制 0.3
生态建设政策宣传 0.0051 经常宣传 1
偶尔宣传 0.6
无宣传 0.3
输沙率 0.03 输沙率<5 g·(m·s)-1 1
5 g·(m·s)-1<输沙率<50 g·(m·s)-1 0.6
输沙率>50 g·(m·s)-1 0.3
表9 阻沙固沙带样地评价指标等级统计结果

Tab. 9 Statistical results of evaluation index levels of sand blocking and sand fixing belt plots

指标样地 高台与临泽交界处 敦煌 民勤
生物学 现存密度
枯梢率
根系裸露程度
植被自然更新能力
植被生长状况
层片数量
白刺灌丛沙堆发育阶段
土壤微生物活性
生态学 物种丰富度
均匀度指数
年均降水量
年干燥度
年起沙风速
地下水位
0~100 cm土壤平均含水量
地表流动性
1/3以上灌丛沙堆解体
自然灾害
土壤质地
土壤有机质含量
土壤pH值
土壤紧实度
地表蚀积状况
功能 阻沙固沙带宽度
横向连续性
树种选择
造林模式
发育阶段
种植点配置
机械沙障阻沙率
盖度
封育措施
抚育管护
是否执行林长制
生态建设政策宣传
输沙率
由评价结果可知,张掖市高台县与临泽县交界处的阻沙固沙带为弱不稳定等级,敦煌市与武威市民勤县两个样地的阻沙固沙带评价结果为不稳定等级,评价结果与现场调查情况一致。
本次综合评价结果明确显示,河西走廊典型区域阻沙固沙带稳定性存在显著的空间分异,深刻反映了自然禀赋与社会经济投入及管理效能的共同作用。高台县与临泽县交界区之所以能维持“弱不稳定”等级,核心优势在于相对优越的水分条件。这为该区域植被(包括天然和人工)提供了基本的生存与生长保障,是系统维持一定自我修复能力和生态功能的基础。充足的水分促进了植被覆盖度的提升和生物量的积累,增强了地表抗风蚀能力,形成了正向反馈。相比之下,敦煌与民勤深居内陆,降水稀少,蒸发强烈,水分匮乏成为其阻沙固沙带构建与维持的“先天短板”和限制因子,导致系统基础脆弱性更高。
高台-临泽区域评价结果优于敦煌与民勤,不仅得益于水分,更在于其相对完善的阻沙固沙带封育措施和持续的抚育管护工作。这体现了当地对生态屏障建设的高度重视和有效投入,通过人为干预(如围栏封禁、补植补播、病虫害防治、设施维护等)弥补了自然条件的不足,巩固了生态建设成果,显著提升了系统的稳定性。敦煌在同样严峻的水分限制下,其“不稳定”等级评价结果优于民勤县,关键驱动力在于发达旅游业带来的社会经济优势。旅游业不仅提供了直接的经济收益,更显著提升了全社会(政府、企业、居民)对良好生态环境的依赖性和保护意愿,从而转化为对阻沙固沙带建设更充足的资金投入、更严格的管理要求和更有效的维护行动。这证明了强有力的社会经济驱动可以有效缓解自然条件的劣势。
民勤县的“不稳定”等级评价结果,是其双重劣势(极端干旱的自然条件 + 相对薄弱的阻沙固沙带建设投入与管护)叠加的必然结果。与敦煌相比,缺乏强有力的替代产业(如大规模旅游业)支撑生态投入,可能导致阻沙固沙带建设资金不足、管理粗放、设施老化、管护不到位等问题,使得系统在恶劣自然条件下更易退化。这严重威胁着该区域的生态安全,并对整个河西走廊的阻沙固沙带链条构成“短板效应”。
三地阻沙固沙带作为河西走廊生态屏障的重要组成部分,其稳定性直接关系到区域风沙灾害防治、绿洲保护、生物多样性维持以及可持续发展。高台-临泽的“弱不稳定”是相对较好的状态,但仍需警惕退化风险;敦煌的“不稳定”在积极投入下有望改善;而民勤的“不稳定”则敲响了生态危机的警钟。确保整个走廊阻沙固沙带功能的正常发挥,是维护区域生态安全的战略需求。

5 讨 论

目前,关于生态系统稳定性尚未形成公认且统一的评价指标体系,针对生态系统的稳定性评估相对集中于绿洲、湿地、森林、防风固沙林等稳定性的研究[37-43];王继和等[44-48]对不同沙漠的植物或是沙障的防风固沙效益进行了相关研究与评价,然而对于像河西走廊的阻沙固沙带此类生态脆弱敏感区,如何构建科学、有代表性、实用性的评价指标体系才是问题的关键所在。研究基于河西走廊阻沙固沙带稳定性受植被、土壤、气候与水文等多因子协同影响的背景,系统选取各维度代表性指标,并将其归类为生物学因子、生态学因子和功能因子三大准则层,通过定性与定量相结合的方式,实现对阻沙固沙带稳定性的多维度精准评估。例如在植物群落结构方面,采用物种丰富度、均匀度指数、层片数量及自然更新程度等指标,综合表征植物群落结构与稳定性,进而支撑整体稳定性判断。本研究的核心贡献在于创新性地融合层次分析法(AHP)、专家打分法与实地调查,首次构建了针对河西走廊荒漠绿洲交错区阻沙固沙带的综合稳定性评价指标体系。与何晨晨等[49]对河西走廊绿洲外缘典型风沙防沙体系的功能稳定性评估聚焦于单一维度不同,本研究拓展了评价维度,系统性整合了“水土气生人”(水环境、土壤特性、气候因子、生物因子、人为因子)五大类要素及其复杂的耦合作用机制。通过添加并优化具体指标(如沙障阻沙率、根系裸露度等反映结构和弹性的关键指标),并量化各影响因素的权重关系,最终形成的指标体系不仅指标更为丰富、覆盖更全面,而且通过权重赋值揭示了不同要素对系统稳定性的相对贡献度,具有更强的科学性和针对性。该体系的建立,填补了针对此类特殊生态脆弱敏感区系统性评价工具的空白,为客观、定量地揭示河西走廊典型绿洲阻沙固沙带的现状稳定性提供了有力工具,其评价结果对体系的建设管理、优化调控及成效评估均具有重要的理论指导意义和实践应用价值。
基于评价结果诊断,当前河西走廊的典型阻沙固沙带主要存在三个方面突出问题:(1) 结构完整性方面,一部分样地沙障阻沙率较低;(2) 功能持续性方面,少部分样地植被盖度低于生态阈值;(3) 系统弹性方面,根系裸露度普遍偏高。这些问题深刻揭示了该区域阻沙固沙带在结构稳固性、生态功能发挥及抵抗干扰能力方面的不足,直接威胁着其作为生态屏障的长期有效性。针对这些问题,本研究提出以下优化建议:(1) 工程措施上,可将沙障更新周期适当缩短,深根系植物比例提升至40%以上,以增强结构稳定性和深层土壤锚固能力;(2) 管理模式上,建立“林长统筹、护林员落实”的双轨制,实施基于无人机巡查的差异化管护,如“利用数字化技术”提升管护效率和精准度;(3) 监测预警上,构建黄、橙、红三级响应机制,当关键指标偏离阈值10%、20%、30%时启动相应预案,如“建立基于关键阈值触发的动态响应体系,实现风险早识别、早干预”;这些建议旨在从工程修复、精细管理到风险防控形成系统性解决方案,为实践部门提供可操作的优化路径。
然而需要指出的是,本研究建立的评价体系及其结果的有效性,不可避免地受到荒漠绿洲交错区生态系统固有特性的制约:其一,评价标准的普适性与边界问题有待验证,特别是在极端气候(如持续干旱、强沙尘暴频率增加)情景下的适用性,以及该体系向其他地理或气候类型荒漠绿洲交错区推广的潜力评估;其二,指标体系对微观生态过程(如根系-土壤相互作用、微生物群落对固沙的贡献、种间关系动态)的刻画仍显宏观,难以深入解析系统稳定性的内在生物物理驱动机制;其三,长期、连续监测数据的严重缺乏,使得难以捕捉系统稳定性的动态演变规律(如对干扰的恢复轨迹、阈值突变点等),这极大地限制了评价结果在时间尺度上的外推能力以及对未来情景的预测可靠性。这些局限的核心根源在于生态系统本身的复杂异质性、观测数据的时空分辨率不足以及微观过程量化技术的挑战,它们共同制约了评价结果的时空外推能力和对未来变化的预测精度。

6 结论与展望

本研究构建了一套层次清晰、逻辑严谨的综合评价体系,综合考虑了水、土、气、生、人等要素,明确划分了各指标的评分标准,根据稳定性指数得分,将阻沙固沙带的稳定性划分为稳定、较稳定、弱不稳定、不稳定4个梯度。通过实地调研、专家打分、层次分析等多种方法对河西走廊典型绿洲阻沙固沙带稳定性指标及指标权重进行了讨论与研究,构建了典型绿洲阻沙固沙带稳定性评价模型。经过实践验证,该评价体系能够准确、科学、客观地反映阻沙固沙带的实际稳定性状况,具有一定的适用性与可操作性。研究选取河西走廊不同地区的典型阻沙固沙带样地进行案例验证。该模型由生物学、生态学及功能3种准则(权重分别为0.2,0.5,0.3)构成,各准则下又包含共36个具体评价指标;其中枯梢率,年均降水量与自然灾害,机械沙障阻沙率分别是3个准则层中最大权重的评价指标,对河西走廊典型的阻沙固沙带稳定性起主要影响作用。评价结果显示,张掖市高台县与临泽县交界处的阻沙固沙带为弱不稳定等级,敦煌市与武威市民勤县两个样地的阻沙固沙带评价结果为不稳定等级,评价结果与实地勘察状况保持一致,主要制约因素包括植被结构退化(现存密度不足、枯梢率高)、工程设施破损以及管理措施不到位等。本研究中准则层中生物学所选取的具体评价指标共同构成对阻沙固沙带生态功能与稳定性的多维度科学评估,生态学层下的指标共同揭示阻沙固沙带的生态适应性及长期可持续性,为科学管理提供依据,功能角度下的指标共同揭示阻沙固沙带的结构合理性、功能完备性及管理有效性,为优化防风固沙工程提供科学依据。
基于上述认识,未来的研究亟须在以下方向进行深化和突破,以推动防沙固沙生态屏障建设的科学化、智能化和长效化:
(1) 拓展多尺度观测网络:建立覆盖河西走廊全境、具有环境梯度代表性(如水分梯度、风沙活动强度梯度、利用强度梯度)的长期定位监测站点网络,整合地面自动传感器、遥感(高分辨率卫星、无人机)和实地调查,实现多源数据协同获取。
(2) 构建长期动态数据库:持续获取至少10~15 a以上的连续定位观测数据,重点积累关键指标(如植被动态、土壤理化性质、微气象、沙障状态、人为活动)的高频、高质量时间序列,为揭示稳定性演变规律和验证模型提供坚实基础。
(3) 深化机理解析与模型模拟:重点突破气候变化(温度、降水格局、极端事件)与人类活动(水资源管理、土地利用变化)双重压力下,阻沙固沙带稳定性维持与崩溃的关键生物地球化学循环过程(如水-碳-养分耦合)和反馈机制(如植被-土壤-风沙互馈),发展耦合生态过程与水文过程的机理模型,模拟不同情景下的系统响应。
(4) 发展智能评价与预警平台:深度融合物联网(IoT)、大数据分析、人工智能(AI)及遥感技术,开发生态稳定性实时监测、智能诊断、动态评估和早期预警的综合平台。实现评价从静态现状描述向动态过程预测、从滞后经验判断向数据驱动智能决策的根本性转变。
(5) 强化微观过程与多学科交叉:引入生态生理学、土壤微生物学、根际生态学等微观尺度研究方法,量化根系-土壤-微生物互作对固沙和系统弹性的贡献,深化对“黑箱”过程的理解。
(6) 推动政策与管理协同:将科学评价结果深度融入区域生态保护修复规划、水资源管理决策和沙产业发展政策,建立基于生态稳定性的适应性管理框架,确保优化措施的有效落地和可持续性。
通过以上系统性深化研究,希望将防沙固沙体系稳定性评价提升到一个全新的水平,不仅能更精准地“把脉”现状,更能科学地“预判”未来,从而为构筑更加稳固、智能、可持续的河西走廊生态安全屏障提供科技支撑和决策依据。
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