榆林沙柳沙障的防風固沙效益分析*

宋海燕

(榆林市定邊縣馬蓮灘苗圃,陜西榆林 718600)

沙障是荒漠化防治的一種重要手段和措施,主要是采用各種材料通過不同工程設施在沙面上設置障礙物,以控制風沙流動的方向、速度、結構來改變風蝕積沙狀況,達到防風阻沙,改變風的作用力及地貌狀況等目的。沙障有機械沙障與生物沙障,在我國北方各沙區(qū)應用最廣,是固定流沙、穩(wěn)定沙面最經濟有效地措施之一[1-3]。沙柳沙障的優(yōu)點在于沙柳沙障枝條能成活,長成沙柳灌叢,設置沙柳沙障的一次施工能夠同時達到工程治沙及生物治沙的雙重目的[4]。作者根據多年林業(yè)基層工作的經驗,并通過參閱大量文獻,分析了沙柳資源的發(fā)展現狀、不同沙柳沙障防風固沙效益以及沙柳沙障對地表粗糙度、輸沙率和風沙流結構的影響,以便為毛烏素沙地榆林沙區(qū)乃至我國的防沙治沙提供實踐參考。

1 榆林定邊縣自然概況

榆林市定邊縣地處陜西省西北角,位于毛烏素沙地南緣,是黃土高原與內蒙古鄂爾多斯荒漠草原過渡地帶,位于東經 107°15′～ 108°22′,北緯36°49′～ 37°53′,系陜、甘、寧、蒙四省區(qū)交界地。氣候屬溫帶半干旱大陸性季風氣候,主要特點是春多風、夏干旱、秋陰雨、冬嚴寒,日照充足,年均氣溫7.9℃,年均日照 2 743.3 h,年均降雨量316.9mm,年均無霜期 141 d左右。該縣南部為白于山區(qū)丘陵溝壑區(qū),北部為毛烏素沙漠南緣風沙灘區(qū),區(qū)內有大量流動沙丘、半流動沙丘。該地段以沙柳為材料,在流動沙丘、半流動沙丘建成2 m×2m,2 m×4m,3m×3m等不同規(guī)格的沙柳沙障防沙體系。

2 榆林沙區(qū)沙柳資源的發(fā)展現狀

沙柳作為毛烏素沙地主要的防風固沙樹種,是毛烏素沙地的獨特風景。利用其獨特的抗風蝕沙埋特性,可在流動沙丘的上中下不同部位及丘間低地營造防風固沙林和沙柳沙障,防止沙丘的風蝕和移動。沙柳新栽植3～4年內可形成枝葉繁茂的灌叢,發(fā)揮其阻沙效益,沙柳防風阻沙林則形成縱橫交錯的防護林帶,具有獨特的防風固沙效益。隨著沙柳的生長,地表粗糙度增加,流沙被固定,植物種類、植物覆蓋度等逐漸得到改善。據有關資料,2010年全市沙柳面積現有33.33多萬hm2,主要分布在毛烏素沙地榆林北部風沙區(qū)[5]。由于缺乏相應的保護措施,沙柳固林已經出現大面積退化、枯死現象。

3 沙柳沙障的防風固沙效益分析

3.1 沙柳沙障的防風阻沙效應

沙障是一種防風固沙效果很好的治沙措施,其防風作用主要是通過枝條阻擋或減緩氣流而實現的,一是當氣流經過疏林或沙障時,在枝條的阻擋作用下,氣流穿越枝條時的摩擦和引起枝條擺動而消耗了部分動能,從而風速減弱;二是由于樹干及枝條的阻擋,氣流形成無數不定的紊流,這些不同方向的紊流之力相互緩沖、抵消,使風力減弱或降低流動速度[6]。從而削弱地面風力、固定沙面、減少和防止就地起沙,為栽植或播種固沙植物創(chuàng)造穩(wěn)定的生長發(fā)育環(huán)境。在自然條件惡劣的地區(qū),機械沙障是治沙的主要措施,在自然條件較好的地區(qū),機械沙障是植物治沙的前提和必要條件。

3.1.1 不同規(guī)格沙柳沙障的防護效益 不同規(guī)格沙柳沙障,其防護效益不盡相同。沙柳沙障高度一定的情況下,其形狀和大小直接影響沙障的防護效果[7]。沙柳沙障的高度過低,沙障易被沙埋,起不到防護作用;高度過高,不僅沙障易被風吹倒,而且會使沙障的成本增加。相同高度的沙障,隨著沙障規(guī)格的增大,其防護效果在逐漸減小,單位面積的成本也在減小。沙障的規(guī)格越小防護效果越好,但沙障的成本會逐漸增加。因此,在生產實踐中,要研究某一地區(qū)特定環(huán)境條件下具有最佳防護效益的沙障規(guī)格。高永[6]等人的研究表明,不同規(guī)格沙障內輸沙率隨著風速的變化其變化趨勢不同,小規(guī)格沙障內輸沙率隨著風速的變化呈對數曲線趨勢,大規(guī)格沙障內輸沙率隨風速的變化呈指數曲線趨勢。

3.1.2 高立式沙柳沙障的防風阻沙效益 沙柳機械沙障類型、高度、規(guī)格和設置方式等直接影響著工程防沙體系的穩(wěn)定性。高立式沙柳沙障作為一種機械沙障,其風速流場變化復雜多樣,風沙流遇沙柳沙障遇阻后,在沙障背風面較高處出現強風渦流區(qū),而在較低處則出現了弱風區(qū),部分沙物質便在此范圍內沉降,而較高處的風沙流繼續(xù)攜帶沙物質前行[8]。隨后又遇沙障后,由于風沙流遇阻,又一次形成渦流,在渦流區(qū)和弱風區(qū)高度之間造成一個風速梯度,致使在沙障前上方形成強風渦流,下方形成弱風區(qū),仍有部分沙物質遇阻沉降,當風沙流第二次受阻躍過沙柳沙障后,風沙流的動能逐漸減小,挾沙能力減弱,最后沉降堆積,達到防風阻沙作用。

3.2 沙柳沙障對風沙區(qū)地表的影響

3.2.1 沙柳沙障對地表粗糙度的影響 粗糙度是反映地表對風阻抗的重要參數,其大小影響著氣流的阻抗作用[9]。根據楊明元等人[10]的研究,地表覆蓋物能有效地增大地表粗糙度,減緩土壤風蝕。目前采取的各種防沙固沙措施,主要是改變地表性質,增加下墊面粗糙度,進而有效地控制風沙流,達到防風治沙的目的[11]。眾多學者研究表明,地表覆蓋物能夠增大地表粗糙度。沙柳沙障前后粗糙度變化較大,沙丘近地表風沙流結構發(fā)生變化,過境風沙流在沙丘基部遇到沙障時,近地表層的風速被降低,風沙流中的沙粒開始下沉,隨著沙粒的連續(xù)沉積,氣流中的含沙量不斷減少,致使下層氣流動量向上傳輸的很快,較高處風速變化明顯,從而使粗糙度的增加更為顯著。

3.2.2 沙柳沙障對近地表輸沙率的影響 風蝕是風沙流對地表土壤的大量搬運和堆積,是導致干旱半干旱區(qū)土地沙化和荒漠化進程最直接的作用過程之一。輸沙率是衡量沙區(qū)沙害程度的主要指標[11],也是防沙工程設計的主要依據,它決定著沙質地表的吹蝕或堆積過程的發(fā)展態(tài)勢,可用來判斷地表風蝕、沙積狀況,掌握風成地貌的形態(tài)、發(fā)育和演變規(guī)律。

在沙柳沙障布設區(qū),由于沙柳沙障的阻遏防護作用,有效地降低了近地表的風速,風沙流的搬運能力也隨之降低,風沙流中的沙粒開始下沉。隨著沙障連續(xù)阻遏,阻斷了沙粒繼續(xù)前進的動力,出現連續(xù)沉積現象,沙障固定了附近地表沙塵,風沙流無法獲得沙塵,地表輸量大幅度降低,地表輸沙率遠遠小于曠野輸沙率。

3.2.3 沙柳沙障對近地表風沙流結構的影響

大量研究表明,在同一風速條件下,即使在相同位置,沙柳沙障內近地表和流動沙丘表面風沙流結構表出明顯的不同。沙丘下部在風速以8.4m/s的條件下,流沙表面和3 m×4m沙柳沙障內近地表風沙流中相對含沙量的分布情況。由于沙柳沙障的阻遏作用,近地表風速顯著減弱,使風沙流的結構發(fā)生變化,與流沙相比含沙量下層相對增加,上層相對減少。0～1 cm范圍內,沙柳沙障的相對含沙量為23.4%～28.6%,流動沙丘表面的相對含沙量為15.2%～18.1%。0～4 cm范圍內的相對含沙量比較高,沙柳沙障為 71.6%～75.3%,流動沙丘表面為55.1%～58.2%,說明沙柳沙障內因風速減弱導致其搬運能力降低,沙柳沙障可以使近地表風沙流結構發(fā)生顯著的變化。

通過在大沙丘設置2 m×4 m沙柳沙障后,觀察其不同部位近地表相對含沙量的分布情況。在沙柳沙障下層0～4 cm范圍內,沙丘下部相對含沙量明顯大于沙丘中部和上部含沙量,尤其在0～1 cm層更加明顯,這說明沙柳沙障會導致沙丘不同部位近地表風沙流結構發(fā)生不同的變化。分析其原因,主要在于過境風沙流在沙丘基部遇到沙柳沙障時,近地表層的風速將因沙障阻遏而降低,風沙流中攜帶的沙粒出現下沉,隨著沙障的連續(xù)阻遏導致風沙流中的沙粒連續(xù)沉積,氣流中的含沙量逐漸減少,從沙丘下部往上風沙流變得更不飽和,開始具備風蝕能力。但由于沙柳沙障作用,地表沙塵被固定,切斷了沙塵源,使風沙流無法獲得沙塵,因此,沙丘不同部位近地表相對含沙量的分布不同,沙丘下部相對含沙量明顯大于沙丘中上部含沙量。

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