錫林河流域不同利用方式草地風速廓線及地表粗糙度特征分析

張 琪，娜仁格日勒，葛 楠，張 靜，王 穎，崔向新

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.錫林郭勒盟鑲黃旗苗圃，內(nèi)蒙古 鑲黃旗 013250)

錫林河流域不同利用方式草地風速廓線及地表粗糙度特征分析

張 琪1，娜仁格日勒2，葛 楠1，張 靜1，王 穎1，崔向新1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.錫林郭勒盟鑲黃旗苗圃，內(nèi)蒙古 鑲黃旗 013250)

草地；土壤風蝕；風速廓線；地表粗糙度；錫林河流域

以錫林河流域典型草原上天然草地、圍封草地和人為干擾草地3種不同利用方式的草地為研究對象，通過對區(qū)域風速廓線與地表粗糙度的測定，研究了不同利用方式草地的防風效能。試驗結(jié)果表明，流域內(nèi)3種不同土地利用方式的草地近地表風速總體呈現(xiàn)隨測量點距離地表的高度增加而增加的規(guī)律，風速廓線符合指數(shù)規(guī)律和實際情況，但不同土地利用方式草地之間存在差別；圍封草地地表粗糙度最大，人為干擾草地的地表粗糙度最小，表明在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地的防風效能最好。

1 研究區(qū)概況

錫林河流域位于內(nèi)蒙古高原東部，東毗大興安嶺山麓，南接昭盟玄武巖高原，地理坐標東經(jīng)115°32′—117°12′、北緯43°26′—44°39′，總面積約10 786 km2[1]。該流域在我國北方典型草原區(qū)具有代表性，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)局部好轉(zhuǎn)、整體惡化的態(tài)勢，作為我國北方重要的生態(tài)保護屏障，是京津風沙源區(qū)綜合治理工程的重點地區(qū)。

1.1 土壤與植被

錫林河流域的土壤類型受到地理位置和氣候條件的影響，自上游到下游呈現(xiàn)規(guī)律性分布，以黑鈣土和栗鈣土為主。黑鈣土主要分布在錫林河上游的丘陵和崗地；栗鈣土是錫林河流域分布面積最廣且具有代表性的土壤[2]，除上游丘陵、崗地及南部高臺地外，其余地方幾乎全部被栗鈣土所占據(jù)。

流域內(nèi)的植被有羊草〔Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.〕、針茅(StipacapillataLinn.)、線葉菊〔Filifoliumsibiricum(Linn.) Kitam.〕、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)、裂葉蒿(ArtemisiatanacetifoliaLinn.)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)、木地膚〔Kochiaprostrate(L.) Schrad.〕等[3]，植物群落結(jié)構(gòu)較簡單，草層低矮、稀疏，平均高度為5～10 cm[4]。

1.2 氣候與水文

錫林河流域?qū)俅箨懶詼貛Р菰瓪夂?，春季大風，夏季濕潤溫暖，冬季干燥寒冷[5]。受降水和地形的影響，光照和熱量在地理分布上自東向西有規(guī)律地變化，即熱量升高，濕度降低。在四季分配上，受四季云量變化的影響，表現(xiàn)出春季長、冬季短的特征。

本流域的降水量自上游至下游逐漸減少，降水量主要集中在7—9月，4—6月缺水[5]，這不利于牧草的生長和發(fā)育。4、5月份植物尚能利用秋冬季的雨雪水分維持其生長需要，但進入6月，4、5月份的底墑?wù)舭l(fā)殆盡，溫度升高又加劇了蒸發(fā)，較低的降水量不能滿足牧草生長需要，因此該時期降水量的多少在很大程度上影響著牧草的整體長勢。

1.3 地質(zhì)與地貌

流域主要由低山丘陵、熔巖臺地和河谷平原三大地貌組成，東岸為低山丘陵區(qū)，西岸為熔巖臺地，丘陵河谷間夾帶著固定沙地，總體地勢為東南高、西北低。

在地質(zhì)構(gòu)造上，本流域位于內(nèi)蒙古海西褶皺帶的東南部，區(qū)域大體構(gòu)造方向從北向東綿延，主要是由華力西期—燕山晚期花崗巖及中生代變質(zhì)巖組成，山丘頂部有巖石裸露于地表，風化剝蝕較強烈[5]。

1.4 社會經(jīng)濟情況

流域內(nèi)共有18個牧業(yè)點和19家旅游點，從業(yè)人員達到300人，牲畜4 000頭(只)左右。日均旅游人數(shù)為500人，高峰期日旅游人數(shù)可達2 000人，車輛(大車、小車、摩托車)可達1 000輛[5]。

2 研究方法

2.1 樣地選取

在錫林河流域的典型草原上選擇天然草地、圍封草地和人為干擾草地3種利用方式的草地作為研究對象進行測試。其中：天然草地利用方式為放牧；圍封草地自2003年封育，禁止放牧，至今圍封10年；人為干擾草地是2006年修建公路時將工程土傾覆在該草地上，然后進行自然恢復(fù)。測試小區(qū)內(nèi)植被狀況見表1。

表1 測試小區(qū)植被狀況

2.2 風速廓線的測定

風速廓線是指風速隨高度的分布曲線。本研究關(guān)于風況信息的測定是采用HOBO小型氣象站進行風速和風向數(shù)據(jù)的采集，該儀器主要由數(shù)據(jù)采集器、風杯、風向標和支架構(gòu)成。觀測時將HOBO小型氣象站架設(shè)在試驗樣地中，風杯分別設(shè)置20、50、100、150和200 cm高度進行風速數(shù)據(jù)的測定，同時設(shè)置風向標測定風向，數(shù)據(jù)采集器設(shè)置數(shù)據(jù)采樣間隔為2 s。

2.3 地表粗糙度的測定

地表粗糙度是指下墊面平均風速為零處的高度，它能反映出不同下墊面的固有性質(zhì)[6]，也是衡量防沙治沙效益的一個重要指標。地面粗糙度的確定，通常都是以風速按對數(shù)規(guī)律分布為依據(jù)，從其風速廓線推算的。對于一個固定地點來說，如果地面的性質(zhì)不變，?？梢约僭O(shè)是一個常數(shù)[7]。它可以直接通過對數(shù)公式計算得出，即

lnZ0=(lnZ2-AlnZ1)/(1-A)

(1)

式中：Z0為地表粗糙度，cm；Z1、Z2為任意兩個高度，cm；A為Z2、Z1高度處對應(yīng)風速U2、U1的比值。

本次試驗中，分別取各試驗區(qū)內(nèi)距地表50和200 cm兩個高度的風速計算地表粗糙度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同利用方式草地近地表風速廓線特征

風速廓線是反映近地表氣流特征非常重要的指標之一，遵循對數(shù)或者冪指數(shù)規(guī)律，它是氣流和運動中的沙土相互作用而產(chǎn)生的。但是多數(shù)情況下下墊面的波伏狀況對氣流有很嚴重的影響，因此不同立地條件下的風速及流場分布存在著很大的差異，不單純地服從對數(shù)或者冪指數(shù)規(guī)律[8]。為了解錫林河流域內(nèi)不同土地利用方式草地的風速廓線特征，對近地表風速實測數(shù)據(jù)進行了分析擬合，繪制出了3種草地的風速廓線圖，見圖1。

圖1 3種草地的風速廓線

如圖1所示，3種利用方式的草地其風速值都是隨著測量點距離地表高度的增加而增加的，這符合近地面層風的基本特性[9]。但是，3種利用方式草地的風速廓線存在著明顯的差異。

圍封草地的風速廓線形態(tài)復(fù)雜，呈現(xiàn)出“S”形的變化趨勢。之所以產(chǎn)生這種趨勢，是因為從20 cm層至200 cm層，平均風速依次為2.03、3.12、5.28、5.71、6.70 m/s,故各層間風速增長率依次為53.69%、69.23%、8.14%和17.34%。即由20 cm層至50 cm層風速增長率較大，但并非最大增幅，在50 cm層至100 cm層區(qū)間風速增長率最大，而后由100 cm層至150 cm層風速增長率逐漸減小，在150 cm層至200 cm層區(qū)間風速增長率再次增大。

天然草地和人為干擾草地的風速廓線形態(tài)較簡單，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。在天然草地中，50 cm層的平均風速為4.96 m/s，較20 cm層平均風速2.91 m/s增長了2.05 m/s，即50 cm層風速較20 cm層風速的增長率為70.45%；而100 cm層的平均風速為6.41 m/s，較50 cm層風速的增長率為29.23%；同理150 cm層的平均風速為7.72 m/s，較100 cm層風速的增長率為20.44%，200 cm層風速較150 cm層增加了10.10%。即在天然草地中，從20 cm層到200 cm層，各層間的風速增長幅度逐漸下降，從而使天然草地的風速廓線呈現(xiàn)“J”形增長趨勢。而人為干擾草地中，地表風速變化穩(wěn)定增加，并且各層增長速率大致相同，故人為干擾草地的風速廓線呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，但該曲線較天然草地風速廓線的曲線更趨向風速軸，且風速范圍較窄。

產(chǎn)生以上差別，是因為風速的變化情況受到地表植被生長狀況與植被覆蓋度因素的影響[10]。結(jié)合樣地內(nèi)植被調(diào)查情況，可以看出：圍封草地由于采取圍封措施，近10年內(nèi)禁止放牧及人為破壞，植被恢復(fù)較好，植被高度和蓋度均高于天然草地和人為干擾草地，當近地表氣流經(jīng)過時，地表的植被起到一個阻礙作用，能有效降低風速；而天然草地和人為干擾草地植被破壞較為嚴重，地表植被高度未能起到降低風速的作用。同時，由于各草地內(nèi)植被高度不同，使得各層風速降低幅度存在差異：圍封草地內(nèi)植被高度為54 cm左右，故在地表50 cm層內(nèi)可以有效地降低過境風速，其增長率最高值出現(xiàn)在100 cm層；而天然草地內(nèi)的植被由于受到牲畜踐踏啃食，高度僅為8 cm左右，故對距離地表20 cm以上的風速起不到很好的阻擋作用，50 cm層風速急劇上升。

對比發(fā)現(xiàn)，在距離地表200 cm層的風速值中，人為干擾草地的平均風速值大于圍封草地的平均風速值，天然草地的平均風速值介于二者之間。同時，在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地20 cm層的平均風速較200 cm層的平均風速降低了69.70%，50 cm層的平均風速較200 cm層的平均風速降低了53.43%，圍封草地這兩層的平均風速降幅均是三者中最高的，這也說明圍封草地的防風效果是三者中最好的。

3.2 不同利用方式草地地表粗糙度特征

下墊面對風速與風的結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在幾何方面，因此地表形態(tài)的波伏和波伏程度可以劃分到粗糙性的范疇當中去。地表粗糙度是表征下墊面粗糙性的一個最重要的指標，增加地表粗糙度可以有效減弱、控制風沙流[11]。本試驗使用距離地表50和200 cm的風速對錫林河流域內(nèi)不同利用方式下草地的地表粗糙度進行計算，結(jié)果見表2—4。

表2 天然樣地地表粗糙度測定結(jié)果

表3 圍封樣地地表粗糙度測定結(jié)果

表4 人為干擾樣地地表粗糙度測定結(jié)果

對錫林河流域內(nèi)不同土地利用方式下草地的地表粗糙度研究發(fā)現(xiàn)，圍封草地的地表粗糙度最大，是人為干擾草地地表粗糙度的1.46倍，明顯高于人為干擾后自然恢復(fù)草地的地表粗糙度；天然草地的地表粗糙度次之，是人為干擾草地地表粗糙度的1.05倍；人為干擾草地的地表粗糙度最小。產(chǎn)生這種狀況是因為人為干擾草地受到了外界干擾，雖經(jīng)歷了自然恢復(fù)階段，但時間較短，加之破壞時工程土覆蓋較厚，嚴重破壞了原地表的植被，使得人為干擾草地的植被蓋度和高度均較低，當風沙流過境時，不能有效地減小風速、降低風沙的侵害。圍封草地由于受到了禁牧圍封措施的保護，植被生長良好，植被的蓋度及高度均較高，使其下墊面的波伏程度增加，可對過境的風沙流起到較好的阻礙作用。同理，天然草地內(nèi)的植被長期經(jīng)受牲畜的踐踏及啃食，其植被的蓋度及高度均低于圍封草地，所以地表風速略大于圍封樣地，地表粗糙度略小于圍封樣地。

4 結(jié) 論

(1)錫林河流域內(nèi)3種不同利用方式的草地，近地表風速總體呈現(xiàn)隨測量點距離地表的高度增加而增加的規(guī)律，這符合近地面層風的基本特性。在設(shè)定的5個近地表高度層內(nèi)，不同層間風速增長的快慢情況在不同利用方式的草地之間存在差別。圍封草地在100 cm層風速增長幅度最大，達到了69.23%；天然草地在50 cm層風速的增長率最大，達到了70.45%；而人為干擾草地各層間的增長率在14.07%～27.35%之間，增長幅度較為均一。

(2)對錫林河流域內(nèi)3種不同利用方式的草地風速廓線的研究表明，風速廓線符合指數(shù)規(guī)律和實際情況，不同土地利用方式下草地的風速廓線存在差異。其中，圍封草地的風速廓線較為復(fù)雜，呈現(xiàn)“S”形走勢；天然草地與人為干擾草地的風速廓線形態(tài)簡單，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，但是人為干擾草地風速廓線的曲線較天然草地風速廓線的曲線更偏向于風速軸，這與其植被狀況有著密切的關(guān)系。

(3)通過對地表粗糙度的計算，得出圍封草地粗糙度最大，是人為干擾草地地表粗糙度的1.46倍。這也表明，在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地的防風效能最好。

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(責任編輯 徐素霞)

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301049)

S157；X16

A

1000-0941(2015)05-0050-04

張琪(1989—)，女，內(nèi)蒙古烏海市人，碩士研究生，主要從事荒漠化防治方面的研究；通信作者崔向新(1962—)，女，遼寧本溪市人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治方面的教學(xué)與研究工作。

2014-11-20