莫高窟的固沙——莫高窟窟顶的生物固沙

　　(一)地理位置及地质地貌特征
　　莫高窟窟顶向西是一个南北长约3000m、东西宽约800m的砂砾石平滩，再向西和鸣沙山连接。研究结果表明，危害莫高窟洞窟的流沙，主要来自洞窟顶西面的砂砾质戈壁滩地及鸣沙山一带，这一带必然成为植物固沙试验研究的重点区域。根据窟顶地貌形态及地表组成物质等因素，从东到西，可划分为四种地貌类型(图9-27)。
　　固定戈壁带：地表由小砾石组成，此带面积较小，从窟顶边缘开始，向西深入，平均宽度约60m，面积约0.24k㎡，地面覆盖一层以小砾石为主的砂砾层，砂砾层下虽系为10cm左右厚的细沙层，但由于表层小砾石的覆盖，一般风力不易使下部砂粒吹扬，相对稳定，在细砂层下系石膏棕色荒漠土，偶有极耐干旱的泡泡刺零星生长。据测定，15～25cm砂层含水量在1%以下。
　　砂砾质戈壁带：此带面积较大，平均宽度约436m，面积约1.75k㎡，表面组成物质系小砾石和细沙，厚度约15cm，稍大风力，可以带起沙粒的吹扬，为危害洞窟流沙的主要沙源地。砂砾质层下，亦系石膏棕色荒漠土。植被较前更为稀少，仅有零星生长的泡泡刺。
　　平坦沙地：大都为流沙覆盖在砂砾质戈壁上的平沙地，平均宽度约104m，面积约0.37k㎡，流沙覆盖厚度在10～150cm，随距沙山的远近有所不同，逾接近沙山，细沙层逾厚，从南到北亦有差异。经取样分析，0～50cm细沙(<0.25)含量占64%，有机质含量0.075%，pH值7.67(见表9-17～表9-19)。土壤瘠薄，在正常起沙风5m/s(2m高处的风速)时，即可起沙，形成风沙流。同样系危害洞窟的流沙源地，亦是植物固沙试验研究的重点区。其上植被较前两种地带为多，主要有沙拐枣、梭梭、白茨、白沙蒿和羽毛三芒草。
　　沙山：流沙覆盖在基岩上的大沙山。此带系鸣沙山的最东部，距窟区1000m左右，沙山高度在100m以上，为一高大的复合型沙山，沙丘类型主要以格状沙丘、金字塔沙丘、鲸背状沙垄为主，对洞窟的危害起着重大的作用，在丘间低凹地带，有沙拐枣、白沙蒿、梭梭、羽毛三芒草等植被分布，但数量同样甚少。
　　(二)气候特征
　　莫高窟常年受蒙古高压影响，具有典型的沙漠气候特征。气候干燥，气温的年较差和日较差均较大。年均气温10.6℃，极端最高气温为40.6℃(1965年7月27日)、极端最低气温-31℃(1965年12月23日)，最大年较差和日较差分别为34℃和18℃。历年降水量平均为23.2mm，且多集中在6、7、8三个月，占年降水量的58%(表9-20)，蒸发量为3479mm，是降水量的150倍。1939～1940年曾有持续干旱无雨日长达207天的记录。干燥指数K=32，平均相对湿度为32%，全年日照时数为2752.6h，日照率73%。历年平均地温12.4℃，每年10月底开始结冰，翌年3月下旬解冻。
　　(三)天然植被状况
　　莫高窟地区的地貌主要以戈壁、沙地、沙山为主，间有谷地、园林用地等，由于本区属典型的沙漠气候特征，植被种类稀少，盖度低，且又以抗旱、耐寒、耐盐碱的旱生、沙生灌草为主。从鸣沙山东麓及窟顶戈壁滩地残余植被来看，目前不但有残余的指示植被梭梭、沙拐枣分布，同时还有羽毛三芒草残存，足以证明此带，过去有些年份雨量较多，水分条件良好，为植物生长创造了有利条件。据调查，1956年前此带有较好植被，尤以梭梭、羽毛三芒草数量最多，后经自然干枯及人为破坏发展到目前这种状况。
　　莫高窟水沟生长有胡杨、红柳、芦苇等天然乔、灌、草本等多种植物，但曾经一段时间因过度放牧、采樵等人为破坏，植被大面积退化，导致水土流失、水源紧张等不良后果。因而，只有通过封沙育林育草，保护恢复天然植被，才能维护生态平衡。实践证明，封沙育林育草可有效的防止樵柴和放牧，使植被盖度得以恢复，增大了地表粗糙度。对窟顶已植试验林带与鸣沙山之间生长的天然植被，在水源紧缺矛盾相对缓和的情况下，每年浇灌1～2次，盖度可提高25%，新枝生长量提高3～5倍。当植被盖度达到50%～70%时，可使2m高处的风速降低21.7%，0.5m高处的风速降低54.3%，并削弱气流输沙能力，由沙源区逐渐转变为沙粒沉降区，起到防风阻沙作用，减缓了流沙向窟顶戈壁的移动。
　　(四)沙生植物种选择及林带设计
　　1.沙生植物种选择
　　有关沙漠地区固沙植物种选择试验研究前人已做过大量的研究工作，然而莫高窟崖顶植物固沙尚属首例，因而我们在借鉴国内外固沙植物种选择已获成果的基础上，结合甘肃河西地区流沙治理的实践，分别选择乡土固沙植物柽柳(Tamarix chinensis Bge)、花棒(Hedysarum scoparium Fischet Mge)、梭梭(Haloxyion ammodendron(Meg)Bunge)、沙拐枣(Calligonum mongolicum Turce)和柠条(Caragara korshinskii Kom)等五种乡土沙生植物为试材，进行栽培试验。现将五种沙生植物苗木质量规格和一般生长习性分述于下：
　　柽柳(Tamarix chinensis Bge)，又称红柳、沙柳、三春柳、红荆条、西河柳等，属柽柳科柽柳属。一部分是莫高窟大泉河床的天然生苗，约为1～2年生苗；一部分是从甘肃张掖、武威等地引入的一年生假植苗。苗高一般为10～25cm，地径0.2cm，主根长10～25cm，侧根2～5条。红柳多生长在湿润的盐碱地和河滩冲积地。甘肃中部祖厉河苦水碱滩，河西沙荒碱滩地生长茂盛，是盐碱地和阳坡荒山造林的优良树种。
　　花棒(Hedysarum scoparium Fischet Mge)，又称细枝岩黄蓍、花柴、花帽、桦秧等，属蝶形花亚科岩黄蓍属。供试苗木为一年生实生苗，均为从甘肃张掖、武威等地引进。苗高10～15cm，主根长5～40cm，侧根甚少。花棒是西北沙漠地区天然生长的沙生灌木。甘肃河西走廊沙地以及马鬃山、北山的沙漠戈壁地区都有分布。是荒漠、半荒漠及干草原地带固沙优良树种。
　　梭梭(Haloxylon ammodendron(Meg)Bunge)，又称梭梭柴、梭梭树、琐琐、硷树、盐木等，属藜科梭梭树属。苗木来自甘肃张掖临泽、武威民勤，苗高10～15cm，主根长5～25cm，侧根2～5条。梭梭抗旱、抗热、抗寒、耐盐碱性强，根系发达，防风固沙能力强，为我国西北和内蒙古干旱荒漠优良的固沙树种。
　　柠条(Caragana korshinskii Kom)，又称柠条锦鸡儿，属蝶形花科锦鸡儿属，来源于甘肃武威，为一年生假植苗，苗高10～20cm，主根长10～35cm，侧根3～4条。该种适应性强，耐干旱瘠薄，根系发达，保土性较好，在荒漠、半荒漠及草原地带均有分布且能形成单一纯林，在甘肃武威地区民勤县以东有大面积分布，以西则零星或小片状分布。
　　沙拐枣(Calligonum mongolicum Turce)，又称蒙古沙拐枣，属蓼科沙拐枣属。1992年定植的来自张掖地区临泽县合黎山上的约为2年生的天然生苗，1993年定植苗木为甘肃省治沙研究所(甘肃武威)提供，同样属上年10月份出土的一年生假植苗，苗高5～10cm，地径0.1～0.2cm，主根长约15～30cm。
　　选定沙生植物后，再进行栽植试验。栽植是检验植物是否适合某种立地条件的直接方法，也是植物种选择的重要一环。通过栽植试验的成活与生长是判断植物适应性的一个标准。但影响植物成活与生长的因素很多，错综复杂。植物本身有其特性，外界环境条件又随时随地而不同，加之掌握栽植技术程度不同，短时间内很难摸清其真实情况。
　　本次试验研究在采用滴灌技术的前提下，定植上述五种沙生植物，通过借助放大镜观测物候期(表9-21)和进行成活(表9-22)、生长状况(图9-28至图9-32)的比较分析，判断其适应性；以花棒为例，通过苗木根长与造林成活和生长关系(图9-33)的比较分析，为合理确定苗木规格质量提供科学依据；实测苗木固定流沙数量，以确定其固沙优势种。
　　综上分析可知，花棒等五种沙生植物均为该立地条件上的适生树种，但生长速度因产地、苗木种类及不同种植物差异显著。总的来看，以花棒生长最快，红柳(莫高窟水沟)次之，依次为梭梭、柠条、沙拐枣、红柳(武威)。
　　2.防沙林带设计
　　在上述立地条件下，我们于1992年、1993年4月上中旬分别定植花棒等五种沙生植物，面积为8000㎡，总长度800m，宽10m，株(丛)行距为2m×2m。为了能够定株定位研究植物在生长期内的各种物候现象及生长表现，在划区(1992年定植200m长，每40m为一区，共分五区，即A区——红柳(临泽)，B区——花棒，C区——梭梭，D区——1/2花棒+1/2梭梭，E区——1/6沙拐枣+1/6梭梭+2/6红柳(莫高窟水沟)+2/6花棒(图9-34)；1993年定植600m长，每100m为一区，共分六区，即第Ⅰ区——梭梭，第Ⅱ区——花棒，第Ⅲ区——沙拐枣，第Ⅳ区——柠条，第V区——1/4梭梭+1/4花棒+1/4沙拐枣+1/4柠条，第Ⅵ区——花棒、梭梭、沙拐枣、柠条各占1/4，且交叉混栽)的基础上，从现植林带西南角开始，采用坐标法依次编号。如第一行第一株，编号为1-1，第100株为1-100；第二行第一株为2-1，第100株为2-100；依次类推，共植2400株(丛)。
　　林带走向与结构是防风固沙林带设计成败的关键。一般讲，林带走向与该地主害风向垂直，其防护效益(降低风速的程度最大)最佳。对农田防护林来讲，目前国际上多采用疏透结构和通风结构，而不多采用紧密结构林带，而我们是在戈壁滩上建立林带，在要求其林带具有最大降低风速功能的基础上，更重要的是强调其固定流沙的作用。在试验初期，水分供应比较富裕的情况下，认为在裸露的流沙上多栽一些植物，可以更快地起到固沙效果。因此，采用的株行距相对较小，均为2m×2m。在这种思路的前提下，设计并实施了紧密结构林带。同时根据莫高窟崖顶的主害风以偏西风为主，理论上决定了林带走向为偏北或偏南方向。但通过对该地区风沙活动规律的研究，证明该地区又是一个多风向地区，因而在林带的设计上我们确定以地形为准，顺着沙山，距沙山约70m，距三角形尼纶网沙障底边约600m，基本形成一条走向为WS—EN方向的防风固沙试验林带，这样的好处是对来自不同方向的风速均有不同程度的削弱，800m长的防护林带基本上可将沙障包围住，同时也就将重要石窟群保护住。当然这种设计仅是试验阶段，要从根本上解决流沙威胁文物的局面，还得进一步扩大试验面积，增加林带带数和延伸林带长度。
　　1999年，将原来的防沙林带扩大延伸，目前已形成2000m长、12m宽的两条生物固沙林带，通过生长茂盛的枝叶和强大的根系，有力地阻固了来自鸣沙山的大量沙源向窟顶戈壁及窟区移动。
　　(五)固沙效果
　　1.固沙作用
　　固沙主要是指沙生植物根系对沙丘和流沙的固定，特别是灌木的固沙作用更大。现已定植的五种沙生植物特别是梭梭，因其分枝能力强而在灌丛周围形成明显的沙包。测定结果表明，3年生一株(丛)天然梭梭能固定流沙0.01m3，10年生一株(丛)天然梭梭能固定流沙0.25m3。一株柽柳逐渐拦截流沙所形成的沙堆，高5m，直径4.5m，固住和控制的风成沙达2500m3。
　　2.降低风速，阻沙作用明显
　　植被的阻沙作用主要表现在植物的地上部分，形成天然屏障，提高近地面的粗糙度。随着防风固沙林带的建立，当大风接近或进入林带后风速迅速减弱，使气流携带的大量流沙在林带前沿或林内沉积。据设在林带不同断面的积沙监测结果表明，林内积沙厚度在0.2～1.5m之间，使进入窟顶戈壁及窟区的流沙减少了80%以上。
　　(六)结论和建议
　　莫高窟生物固沙项目始于1992年，对其可行性经过1991年、1999年两次专家论证，在1992年、1993年栽培试验的基础上，于1999年国家计委立项并拨出100万元专款扩大生物固沙面积，对莫高窟文物的保护特别是石窟文物遗址的风沙危害防治起到积极作用。通过近10年的试验研究工作，我们可以得出如下结论：
　　1)采用滴灌技术进行莫高窟生物固沙是切实可行的，既能满足植物生长所需水分，又不因超量水而影响文物安全；
　　2)莫高窟生物固沙中植物种选择至关重要，梭梭、花棒、柠条等植物种已表现出极强的适应性和优良的防风固沙性能，只要做到适地适树，因地制宜，就会达到植物枝繁叶茂、生长旺盛，固沙效果明显的预期目标；
　　3)在进行生物固沙的同时，特别是生物固沙初期，要结合草方格、立式沙障等措施的实施来保证沙生植被的正常生长。
　　经过近10年的实践，为更好地保护莫高窟文化遗址，特建议：
　　1)加快莫高窟风沙危害综合防护体系建设，需尽快建成一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系，以从根本上消除风沙对莫高窟的危害；
　　2)进行生物固沙的同时，进行土壤水分和大气水分环境的长期监测；
　　3)生物固沙的位置应在现有林带以西，向沙丘推进。