沙質(zhì)海岸風(fēng)口區(qū)風(fēng)障阻沙特征及初步治理試驗

朱煒

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院,350012,福州)

沙質(zhì)海岸風(fēng)口區(qū)風(fēng)障阻沙特征及初步治理試驗

朱煒

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院,350012,福州)

為了研究沙質(zhì)海岸風(fēng)口區(qū)風(fēng)障配置和堆積沙丘治理模式,為防沙治沙提供理論依據(jù)。在沙質(zhì)海岸前沿風(fēng)口地段設(shè)置15%、30%、45%和60%4種不同透風(fēng)率的風(fēng)障,開展其風(fēng)速變化規(guī)律及阻沙特征研究,并選擇黃花月見草、厚藤和單葉蔓荊3種草本植物在形成沙丘進(jìn)行種植嘗試。結(jié)果表明:1)透風(fēng)率15%的風(fēng)障最大防風(fēng)效能達(dá)到89.23%,風(fēng)速減半的防護(hù)距離為5H(H為風(fēng)障高度),因堆沙效果顯著,適合設(shè)置為堆沙風(fēng)障;2)透風(fēng)率30%與45%的風(fēng)障最大防風(fēng)效能分別為76.70%和71.53%,防護(hù)距離最大為6H,可在堆沙風(fēng)障后設(shè)置為防風(fēng)風(fēng)障;3)透風(fēng)率60%的風(fēng)障最大防風(fēng)效能為59.47%,由于堆沙能力較弱,防護(hù)距離較短而不適宜采用,在風(fēng)障形成的堆沙上,種植的厚藤具有良好的生存能力和蔓延速度,是閩東南沿海前沿裸露沙地固沙的先鋒草本。

沙質(zhì)海岸;風(fēng)障;阻沙特征;防風(fēng)效能

福建省海岸線長3 752 km,其中沙質(zhì)海岸線長565.28 km,占總長度的15.07%,橫跨28個沿?？h、市、區(qū)[1],新中國成立后,通過引種木麻黃(Casuarina equisetifolia)已在海岸線上營建起以木麻黃為主的防護(hù)林綠色生態(tài)屏障,在防風(fēng)固沙、抵御海潮、臺風(fēng)等自然災(zāi)害方面發(fā)揮了重要作用,具有巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益[2]。

由于木麻黃樹種成熟期較早,30年左右就趨于衰老,現(xiàn)有的第一代木麻黃防護(hù)林大多已進(jìn)入防護(hù)成熟末期[2],林木老化、枯死嚴(yán)重,防護(hù)功能衰退,而在風(fēng)口地段由于受大風(fēng)、流沙和嚴(yán)重干旱等惡劣生態(tài)條件的影響,導(dǎo)致基干林帶前缺口、斷帶長期存在,飛沙不斷侵蝕,沙化現(xiàn)象嚴(yán)重,降低了基干林帶的防護(hù)功能[3];因此,風(fēng)口地段的防沙治沙是目前沿海防護(hù)林體系建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

沙質(zhì)海岸前沿裸露沙地治理主要運(yùn)用人工輔助工程措施與植被恢復(fù)相結(jié)合,人工輔助工程主要有建設(shè)防波堤、風(fēng)障等設(shè)施。防波堤建設(shè)成本高昂,周期較長,需要統(tǒng)一規(guī)劃;而風(fēng)障建設(shè)費(fèi)用相對較低,可就地取材,周期較短。日本的許多研究表明風(fēng)障兼具有降風(fēng)和攔沙的功能,已將其作為治沙的重要手段[4-5],而國內(nèi)風(fēng)口造林出于成本考慮,沒有采用而導(dǎo)致造林失敗或成為低產(chǎn)、低效林分[6],且相關(guān)的試驗研究少見報道;因此,筆者在沙質(zhì)海岸前沿風(fēng)口地段設(shè)置不同透風(fēng)率風(fēng)障,探討風(fēng)障前后的風(fēng)速變化規(guī)律及堆沙特征來確定配置模式,選擇不同草本植物在形成沙丘上的適生性表現(xiàn)和生物量分布等確定治理方式,為科學(xué)布局防沙治沙提供參考。

1 試驗地概況

試驗地設(shè)在福建省惠安赤湖國有防護(hù)林場,位于惠安縣崇武半島,靠近海岸線,地勢比較平坦,土壤為風(fēng)積沙土。地理位置為E 118°55′,N 24°35′。屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫20.7℃,最高氣溫36.6℃,最低氣溫3.6℃ ,年蒸發(fā)量2 056.7 mm,干濕季明顯,干旱頻度大,夏季多臺風(fēng),年平均5.1次,年平均風(fēng)速7.1 m/s,秋冬盛行東北風(fēng),7～8級大風(fēng)時間超過100 d。

2 材料與方法

2.1 風(fēng)障材料與設(shè)計方法

風(fēng)障2012年9月底搭建,以2 m間隔立一木樁作為支柱,在2支柱間間隔一定寬度拉3條鐵線,將木麻黃枝條用細(xì)鐵線固定其上,高約1.7 m。設(shè)置15%、 30%、45%和60%4種透風(fēng)率類型,通過多處實測風(fēng)障后緣的風(fēng)速與空曠處風(fēng)速比值確定透風(fēng)率,每種類型風(fēng)障長度10 m,和海岸線平行,與風(fēng)向垂直。

2.2 風(fēng)速調(diào)查方法

2012 -10 -09 T 08:30—11:30和14:30—17: 30測定風(fēng)速,因風(fēng)障障后苗木高度約為40～50 cm,測風(fēng)高度定為50 cm;每種類型各設(shè)置一條與風(fēng)障垂直的測線,測風(fēng)距離為風(fēng)障障前-1H(H為風(fēng)障高度,正、負(fù)號表示障后與障前,下同),風(fēng)障處為0H,其后測到10H的距離,共計12個測點(diǎn);使用13臺小型手持式風(fēng)速計,空曠處設(shè)置一臺作為基準(zhǔn)風(fēng)速,其余12個測點(diǎn)同時觀測,一次測1 min,重復(fù)3次,取平均值。相對風(fēng)速用測點(diǎn)實測風(fēng)速與基準(zhǔn)風(fēng)速比值計算,防風(fēng)效能=1-各測點(diǎn)相對風(fēng)速[7]。

2.3 堆沙調(diào)查方法

風(fēng)障搭建好后,將每種類型風(fēng)障平均5等分,取中間4個位置用標(biāo)上刻度的插扦按1m間距和風(fēng)障垂直前后設(shè)置4條測線,障前長度為5 m,障后長度為5 m,總長度10 m。從2012年10月—2013年3月每月月底調(diào)查各測點(diǎn)堆沙高度。

2.4 沙丘治理與調(diào)查方法

2013年5月中旬用海邊常見的3種草本植物黃花月見草(Oenothera glazioviana)、厚藤(Ipomoea pes-caprae)和單葉蔓荊(Vitex trifolia),在不同透風(fēng)類型沙障堆積的沙丘進(jìn)行治理試驗。厚藤和單葉蔓荊屬藤本植物,采用枝條扦插;黃花月見草用移植的方法種植,長度約20 cm。每種植物分別在風(fēng)障前后種植,面積2 m×2 m,株數(shù)55株,重復(fù)4次。6月開始每月月底對種植的草本進(jìn)行成活率調(diào)查,并記錄地表蓋度。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)整理和作圖使用Excel 2003軟件,采用SPSS18.0進(jìn)行方差分析和多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同透風(fēng)率風(fēng)障相對風(fēng)速變化

當(dāng)天測量時的風(fēng)速在4.2～5.9 m/s之間,風(fēng)向與風(fēng)障成直角。不同透風(fēng)率風(fēng)障前后相對風(fēng)速變化見圖1。從圖1中曲線的變化趨勢可以看出風(fēng)障具有明顯降低風(fēng)速的效果。不同透風(fēng)率風(fēng)障最大防風(fēng)效能時最低降風(fēng)距離有所差別,透風(fēng)率為15%和60%的風(fēng)障在2H的位置,透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障為3H。透風(fēng)率為15%的風(fēng)障降低風(fēng)速的效果最好,最大防風(fēng)效能達(dá)到89.23%;透風(fēng)率60%的風(fēng)障降風(fēng)效果較差,最大防風(fēng)效能為59.47%;透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障最大防風(fēng)效能分別為76.70%和71.53%。相對風(fēng)速達(dá)到最低值后風(fēng)速逐漸回升,隨著距離的延長,其后風(fēng)速恢復(fù)加快,10H距離相對風(fēng)速表現(xiàn)為透風(fēng)率15%＞透風(fēng)率60%＞透風(fēng)率45%＞透風(fēng)率30%。風(fēng)障設(shè)置的目的之一是保護(hù)其后種植的苗木免受強(qiáng)風(fēng)的危害,試驗地秋冬季常見7～8級大風(fēng),防護(hù)距離以降低風(fēng)速50%風(fēng)力等級[8]為微風(fēng)后進(jìn)行比較,透風(fēng)率15%的風(fēng)障防護(hù)距離在5H,透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障防護(hù)距離在6H,透風(fēng)率60%的風(fēng)障為4H。

圖1 不同透風(fēng)率風(fēng)障前后相對風(fēng)速變化Fig.1 Changes of relative wind velocity of different permeabilities before and after wind fence

3.2 不同透風(fēng)率風(fēng)障月堆沙變化規(guī)律

4種不同透風(fēng)率風(fēng)障6個月堆沙高度變化情況見表1。從總堆沙高度變化趨勢可以看出:風(fēng)障處每月的堆沙高度逐漸增加,透風(fēng)率15%的風(fēng)障堆沙高度最大,達(dá)到1.68 m,即風(fēng)障全部被沙堆埋;透風(fēng)率60%的風(fēng)障總堆沙高度最小,不同透風(fēng)率的風(fēng)障之間堆沙高度差異顯著。不同月份凈堆沙高度以12月的堆沙量最大,說明該月大風(fēng)起沙的時間多于其他月份,或者出現(xiàn)高等級風(fēng)速大風(fēng)的頻率大。通過月份堆沙的累積增長率來看,不同透風(fēng)率的風(fēng)障10—12月都超過50%,堆沙過程主要發(fā)生在這3個月。

表1 不同透風(fēng)率風(fēng)障月堆沙高度變化Tab.1 Monthly changes of heaping sand height of different permeabilities of wind fence

3.3 不同透風(fēng)率風(fēng)障前后堆沙變化

4種不同透風(fēng)率風(fēng)障前后堆沙高度變化情況見圖2,可以看出:在風(fēng)障障前,堆沙高度總體趨勢是隨著距離接近風(fēng)障逐漸升高,且表現(xiàn)為透風(fēng)率15%＞透風(fēng)率30%＞透風(fēng)率45%＞透風(fēng)率60%;障后透風(fēng)率15%的風(fēng)障在頂部形成一個平臺后高度迅速下降,5 m處堆沙高度表現(xiàn)為透風(fēng)率60%＞透風(fēng)率45%＞透風(fēng)率30%＞透風(fēng)率15%。將圖2各點(diǎn)與x軸垂直相交形成的堆沙縱斷面積進(jìn)行計算,數(shù)據(jù)見表2,透風(fēng)率15%的風(fēng)障無論前后堆沙縱斷面積最大,說明堆沙量最多,面積總和為11.45 m2;透風(fēng)率30%與45%的風(fēng)障總面積相差不大,分別為7.78 m2和7.55 m2;透風(fēng)率60%的風(fēng)障堆沙總面積最小,為7.28 m2,且風(fēng)障障后堆沙面積大于30%和45%的風(fēng)障,大量飛沙穿過風(fēng)障在背風(fēng)面堆積,阻沙效果較差。

圖2 不同透風(fēng)率風(fēng)障前后堆沙高度變化Fig.2 Changes of heaping sand height of different permeabilities before and after wind fence

3.4 風(fēng)障前后堆積沙丘初步治理試驗

堆沙風(fēng)障形成的沙丘需要及時治理,以免形成新的沙源對后方防風(fēng)風(fēng)障內(nèi)的苗木造成危害。黃花月見草、厚藤、單葉蔓荊均是海岸前沿常見連片分布的草本植物,通過研究它們的成活率、地表蓋度等指標(biāo),探討其在風(fēng)口的配置方式來達(dá)到比較理想的固沙效果。根據(jù)每月調(diào)查風(fēng)障前后3種草本植物成活率和蓋度見表3和表4。

表3 風(fēng)障障前3種草本植物月成活率和蓋度Tab.3 Monthly survival rate and coverage of three kinds of herbaceous plant before wind fence %

表4 風(fēng)障障后3種草本植物月份成活率和蓋度Tab.4 Monthly survival rate and coverage of three kinds of herbaceous plant after wind fence %

由于透風(fēng)率15%的風(fēng)障幾乎被沙掩埋,相當(dāng)于裸露沙丘,因此將其數(shù)據(jù)并入風(fēng)障障前沙丘治理進(jìn)行統(tǒng)計分析。從表3可看出:厚藤4個月時間成活率均達(dá)到100%,9月已完全覆蓋地表;黃花月見草成活率呈下降趨勢,第3個月穩(wěn)定扎根后地上部分才迅速分枝生長,但種植初期死亡率過高,至9月成活率僅為40.61%,導(dǎo)致群落不均勻分布;單葉蔓荊在同等條件下表現(xiàn)最差,9月只有32.12%的成活率,且蓋度最低(21.67%),因不能覆蓋地表,樣地內(nèi)大風(fēng)引起的溝蝕、沙埋現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)障障后沙丘厚藤仍能保持100%成活率;由于沙丘上殘留的風(fēng)障起到防護(hù)作用,黃花月見草和單葉蔓荊的成活率8月已穩(wěn)定,與風(fēng)障障前沙丘相比有較大提高,分別達(dá)到74.55%和63.64%,蓋度提高近1倍。

4 結(jié)論與討論

1)透風(fēng)率為15%的風(fēng)障最大防風(fēng)效能最好,透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障接近,透風(fēng)率60%的風(fēng)障最差,透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障風(fēng)速減半防護(hù)距離最大,透風(fēng)率60%的風(fēng)障最小。4種透風(fēng)率類型的風(fēng)障達(dá)到最大防風(fēng)效能后隨著距離的延長風(fēng)速逐漸回升,防風(fēng)效能遞減,這與國內(nèi)學(xué)者[9]針對防風(fēng)網(wǎng)在同一高度的研究結(jié)果相符。

2)不同透風(fēng)率的風(fēng)障之間堆沙高度差異顯著,表現(xiàn)為透風(fēng)率15%＞透風(fēng)率30%＞透風(fēng)率45%＞透風(fēng)率60%,透風(fēng)率15%的風(fēng)障前后堆沙量最多甚至被掩埋;透風(fēng)率30%與45%的風(fēng)障堆沙總面積相差不大,位于其次;透風(fēng)率60%的風(fēng)障堆沙總面積最小,阻沙效果較差。

3)厚藤具有良好的生存能力和蔓延速度,能迅速覆蓋地表減少起沙的幾率,并且樣地覆蓋面積擴(kuò)大近1倍,是前沿裸露沙地固沙的先鋒草本;黃花月見草和單葉蔓荊在風(fēng)障迎風(fēng)面成活率和地表蓋度較低,應(yīng)配置在風(fēng)障背風(fēng)面形成覆蓋地表穩(wěn)定的群落再觀察其固沙效果。

風(fēng)障是一種防風(fēng)固沙效果很好的治沙措施[10],透風(fēng)率15%的風(fēng)障堆沙效果顯著,建議將其作為堆沙風(fēng)障設(shè)置為第1道防線,主要功能是堆沙和防止風(fēng)障障后種植的苗木被埋而導(dǎo)致造林失敗;透風(fēng)率30%和45%這2種類型風(fēng)障風(fēng)速減半的防護(hù)距離最大并且相等,建議作為防風(fēng)風(fēng)障設(shè)置為第2道防線,主要功能是降低風(fēng)速減少強(qiáng)風(fēng)對苗木的侵害;透風(fēng)率60%的風(fēng)障由于堆沙能力較弱,防護(hù)距離較短不適宜采用。根據(jù)已有研究[11],堆沙風(fēng)障應(yīng)與主風(fēng)向垂直搭建,根據(jù)試驗結(jié)果風(fēng)障障后5 m的堆積距離再加上1 m安全距離,6 m后搭建防風(fēng)風(fēng)障,中間形成堆沙帶,同時考慮到風(fēng)向的變化會導(dǎo)致起沙和風(fēng)害方向不同,防風(fēng)風(fēng)障以方格的方式搭建。以1.7 m高的風(fēng)障為例,透風(fēng)率30%和45%的風(fēng)障風(fēng)速減半的防護(hù)距離為6H,因此,防風(fēng)風(fēng)障的長寬以10 m×10 m連片搭建,主風(fēng)向第1排不開缺口,各方格內(nèi)可開與主風(fēng)向平行的缺口便于撫育作業(yè)。本試驗是在平坦的沙地上實施,如果地形有一定的傾斜角度,日本田中一夫等[12]的研究大約10°的傾斜角則防風(fēng)風(fēng)障的長寬需要減半,建議今后將針對不同地形地貌進(jìn)一步試驗研究。同時,對于堆沙高度與距離而言,試驗所采用的障前障后各5 m范圍內(nèi)的監(jiān)測距離可能偏小,特別是障后的監(jiān)測距離太小,今后應(yīng)繼續(xù)延長距離做進(jìn)一步觀測。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Characteristics of heaping sand and initiative research on sand fixation with wind fence on coastal sandy land

Zhu Wei
(Fujian Academy of Forestry,350012,Fuzhou,China)

In order to provide scientific reference for desertification combating,it is necessary to study the configuration of wind fence and governance model of sand dunes on coastal sandy land and in the drought conditions.We designed four permeabilities of wind fence(including 15%,30%,45%and 60%)on sandy land in drought conditions,and investigated wind velocity variation and heaping sand characteristics in this study.Three kinds of sand-fixing herb,namely Oenothera glazioviana,Ipomoea pes-caprae and Vitex trifolia were selected to stabilize sand dunes.The results indicated that 15% permeability was best fit for setting as sand-heaping wind fence with the highest windproof efficiency reaching 89.23%and the protection distance halving wind speed of 5H(H means the height of wind fence).And windproof efficiencies of 30% and 45% permeabilities were 76.70% and 71.53%, respectively,and could be set up as reducing wind fence after sand-heaping wind fence,and their protection distance that halves wind speed was 6H.The windproof efficiency of 60%permeability was the lowest,59.47%,and was unsuitable to be set up as wind fence for its weak sand-arresting function and short protection distance.The sand dunes formed by sand-heaping wind fence should be stable over time, and Ipomoea pes-caprae is an optimum pioneer herbaceous plant for fixing sandy at frontier bare sandy land because of its strong survival ability and spreading speed in the southeast coastal areas of Fujian.

coastal sandy land;wind fence;characteristics of heaping sand;windproof efficiency

S728.6

A

1672-3007(2015)01-0054-05

2014- 04- 02

2014- 09- 29

項目名稱:福建省科技廳公益類科研院所專項“海岸風(fēng)口困難立地飛沙控制技術(shù)研究”(2011R1013- 7);國家林業(yè)局南方山地用材林重點(diǎn)實驗室,福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實驗室資助

朱煒(1971—),男,高級工程師。主要研究方向:森林生態(tài)與培育。E-mail:forestry@163.com