草原灌木帶空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度研究

薛晶，侯占峰，劉海洋，閆建國(guó)，陳智

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018）

草原灌木帶空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度研究

薛晶，侯占峰，劉海洋，閆建國(guó)，陳智

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018）

為了定量研究灌木帶修復(fù)退化草原的機(jī)理，采用集沙儀和風(fēng)速廓線儀野外采集了不同高度灌木帶及退化草原的風(fēng)蝕物及風(fēng)速廓線，利用最小二乘法對(duì)風(fēng)速廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到了相應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。結(jié)果表明：灌木帶對(duì)草地的防護(hù)機(jī)理在于提升了地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，降低了近地表的風(fēng)速，從而導(dǎo)致灌木帶相對(duì)退化草原的抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，大量風(fēng)蝕物集中在近地表30 cm范圍內(nèi)；距灌木帶的距離越遠(yuǎn)，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；同時(shí)對(duì)不同高度灌木帶的研究發(fā)現(xiàn)，0.3m、0.7m和1.5m高的灌木帶分別在距背風(fēng)面3m、5m和6m處的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度與退化草原的值趨于一致，此距離為該灌木帶的有效防風(fēng)蝕范圍，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及有效防護(hù)范圍均隨灌木高度的增加而增大。

灌木帶；退化草原；風(fēng)速廓線；空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

土壤風(fēng)蝕是發(fā)生在中國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)及半濕潤(rùn)地區(qū)的重要生態(tài)過(guò)程，同時(shí)也是導(dǎo)致這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因［1－2］。陰山北麓地區(qū)草地退化面積占草地總面積的70%以上，不僅已經(jīng)成為制約該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展突出的環(huán)境問(wèn)題，而且嚴(yán)重威脅著內(nèi)蒙古自治區(qū)這道生態(tài)防線功能［3－4］。因此，研究退化草原的生態(tài)恢復(fù)和重建是實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要迫切解決的重大問(wèn)題，對(duì)其科學(xué)研究也應(yīng)該力求做到定量化。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)退化草地植被修復(fù)技術(shù)體系的研究相對(duì)較多，如Hupy等［5］研究了灌草配置草地對(duì)土壤養(yǎng)分及風(fēng)沙輸移的影響作用。Wolfe等［6－7］研究顯示，圍封的草地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷均顯著高于放牧地。程積民等［8－9］研究了不同整地方式與灌草配置對(duì)土壤水分的影響，提出了灌草立體配置可以提高土壤含水量；楊樹(shù)等［10］研究了內(nèi)蒙古中部地區(qū)退耕還林還草后植被與土壤理化性狀的變化。以往的研究側(cè)重于草地修復(fù)技術(shù)對(duì)于土壤理化性質(zhì)的改善，對(duì)于其防風(fēng)蝕機(jī)理和效果未進(jìn)行深層次的分析研究。

空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度對(duì)土壤風(fēng)蝕有著直接、顯著的影響，研究表明，提高植被蓋度和留茬高度等措施，其實(shí)質(zhì)是提高了地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，從而降低了地面風(fēng)速，導(dǎo)致土壤抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)［11－12］。因此，本文將近地表風(fēng)速廓線作為研究重點(diǎn)，定量分析灌木帶配置對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響，從而為研究提高草原抗風(fēng)蝕和自我修復(fù)能力以及灌草立體配置修復(fù)退化草地植被等關(guān)鍵技術(shù)提供準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究主要針對(duì)東西風(fēng)向條件下灌木帶防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行野外實(shí)地觀測(cè)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗境內(nèi)的草原土壤風(fēng)蝕科研試驗(yàn)基地，該基地由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)蝕研究團(tuán)隊(duì)建立。該區(qū)域海拔高度在1 000～2 100m間，年平均降水量均在300 mm左右，由于常年受季風(fēng)影響，大風(fēng)天氣約占全年的50%，地表土壤的風(fēng)蝕相當(dāng)劇烈，大部分草地已嚴(yán)重沙化。退化草地的植物主要是多年生禾本科如針茅、冰草為主。草群高度一般為10～25 cm，總蓋度15%～30%。試驗(yàn)基地每隔一定間距栽植等寬度的檸條灌木作為防風(fēng)護(hù)農(nóng)帶的退化草地修復(fù)地表，其地表的草群總蓋度達(dá)到70%～80%，試驗(yàn)基地可為試驗(yàn)提供不同工程尺度的灌木帶作為試驗(yàn)對(duì)象，如圖1所示。該區(qū)域風(fēng)蝕主要發(fā)生在冬春季節(jié)，全年月平均風(fēng)速為4.5m·s－1，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于2014年11月。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地表狀況Fig.1 The surface condition of test area

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇項(xiàng)目區(qū)以南北方向配置，試驗(yàn)灌木帶的疏透度約為50%，帶間距為6 m，帶寬為1.5m，帶高分別為1.5m、0.7m和0.3m的三種不同工程尺度的灌草帶作為試驗(yàn)對(duì)象，同時(shí)將緊鄰試驗(yàn)區(qū)西側(cè)的退化草原作為試驗(yàn)對(duì)照物。測(cè)試期間大氣平均溫度為7℃，距離地面2 m處的瞬時(shí)風(fēng)速為5 m·s－1，風(fēng)向?yàn)闁|西方向。試驗(yàn)時(shí)，首先利用旋風(fēng)分離式集沙儀收集了高度為0.3 m的灌木帶與退化草原在不同風(fēng)速下的風(fēng)蝕物，集沙儀放置在距防護(hù)帶6 m的下游處，其高度為840mm，沿高度方向分布10個(gè)氣流管收集垂直方向上不同高度的風(fēng)蝕物，采集時(shí)間30min，風(fēng)蝕物由精度為千分之一的電子天平稱質(zhì)量。其次，將多通道自計(jì)式遙測(cè)風(fēng)速儀分別放置在距離三種不同高度灌木帶背風(fēng)面1m、2m、3m、4m、5m和6m位置處的6個(gè)測(cè)點(diǎn)（分別標(biāo)記為T1－T6），并采集記錄風(fēng)速廓線儀2 cm、4 cm、8 cm、16 cm、32 cm和64 cm高度位置上的風(fēng)速。采樣數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為10 s·次－1，風(fēng)速測(cè)量精度≤1.1 m·s－1。每組試驗(yàn)分別測(cè)取5次數(shù)據(jù)，并取5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算

空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是研究不同床面風(fēng)沙活動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制的一個(gè)重要參數(shù)，通常由試驗(yàn)測(cè)試得到的風(fēng)速廓線進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下［13］：

式中，UZ為距地面高度為Z處的風(fēng)速；U*為摩阻風(fēng)速；k為取值0.4的常數(shù)；Z0為研究地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。

為了獲得空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的精確值，利用Zinggs［14－15］等提出的最小二乘法對(duì)風(fēng)速廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，得到擬合方程為：

式中，A、B為擬合系數(shù)。

當(dāng)UZ＝0時(shí)，對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Z0即為地表上平均風(fēng)速為零的高度，此值可用來(lái)評(píng)價(jià)近地表空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和防風(fēng)蝕效應(yīng)。其計(jì)算式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 灌草帶對(duì)風(fēng)蝕量的影響

圖2為利用集沙儀采集到的不同風(fēng)速下退化草原與0.3 m高灌木防護(hù)帶的土壤風(fēng)蝕量在垂直高度上的分布情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，灌木帶風(fēng)蝕量范圍為0～0.018 g·cm－2，而退化草原的風(fēng)蝕量在0～0.14 g·cm－2范圍內(nèi)。試驗(yàn)采集的灌木防護(hù)帶內(nèi)的風(fēng)蝕量遠(yuǎn)小于退化草原的風(fēng)蝕量。當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速＜8 m·s－1時(shí)，試驗(yàn)地表的大量風(fēng)蝕物主要集中在距地表0～30 cm高度內(nèi)，說(shuō)明空氣對(duì)地表的風(fēng)蝕作用主要發(fā)生在近地表區(qū)域。對(duì)于退化草原，其風(fēng)蝕量隨高度的增加而呈現(xiàn)大幅降低的規(guī)律。而灌木防護(hù)帶風(fēng)蝕物收集量隨地表高度有自己獨(dú)特的分布規(guī)律，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是氣流受灌木帶的影響強(qiáng)烈，使近地表氣流的流場(chǎng)發(fā)生改變，從而使風(fēng)蝕物的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了改變。為了了解灌木防護(hù)帶對(duì)空氣流的影響，測(cè)試了不同高度灌木帶在T1－T5測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速廓線，結(jié)果如圖3所示。

3.2 灌草帶狀保護(hù)對(duì)帶內(nèi)近地表風(fēng)速廓線的影響

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)地表風(fēng)速廓線各點(diǎn)處的風(fēng)速均隨著高度的增加而逐漸上升，灌木保護(hù)帶內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均低于退化草原，較小的近地表風(fēng)速減弱了對(duì)草原地表的風(fēng)蝕，這也解釋了圖2中灌木保護(hù)帶內(nèi)風(fēng)蝕量較小的原因。觀察退化草原的風(fēng)速廓線發(fā)現(xiàn)其在4～32 cm范圍內(nèi)的風(fēng)速變化較小，而灌木保護(hù)帶各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速下降幅度明顯高于退化草原。如各測(cè)點(diǎn)2 cm高度處的風(fēng)速較64 cm處的風(fēng)速降低幅度分別為79%、65.7%、55.2%、56.3%和55.7%。灌木帶對(duì)氣流的阻擋作用在垂直高度方向改變了空氣的動(dòng)能分布，因此出現(xiàn)了不同測(cè)點(diǎn)處其風(fēng)速各異的特點(diǎn)。為了進(jìn)一步研究灌木帶的防護(hù)機(jī)理，利用公式3計(jì)算了不同配置的灌草帶間各測(cè)點(diǎn)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度如圖4所示。

圖2 不同類型地表土壤風(fēng)蝕量隨高度的分布Fig.2 Distribution of wind erosion amount with height on different types of land surface soil

圖3 不同地表風(fēng)速廓線Fig.3 Wind velocity profiles of different surfaces

圖4 不同地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Fig.4 Aerodynamic roughness of different surfaces

3.3 灌木帶狀保護(hù)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，在灌草帶的寬度、密度及配置方向等參數(shù)不變的情況下，不同高度灌木帶的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度均隨測(cè)試距離的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，距離灌木帶等距離的測(cè)試點(diǎn)處，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨著帶高的增加而增加。出現(xiàn)該規(guī)律的原因是由于地表受到了種植灌木的防護(hù)，當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)灌木帶時(shí)，近地表的空氣流場(chǎng)發(fā)生了改變，氣流的流動(dòng)方向被抬升，因此，灌木帶相對(duì)于退化草原的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度出現(xiàn)了一個(gè)向上抬升的位移。如圖4中T1測(cè)點(diǎn)處不同帶高灌木帶的位移抬升值分別為1.72、2.45和3.01。此作用在圖2中表現(xiàn)為灌木帶較退化草原風(fēng)速廓線相應(yīng)的發(fā)生了向下的偏移。由此導(dǎo)致灌木帶背風(fēng)面的風(fēng)速低于相同地表高度退化草原上的風(fēng)速，降低的風(fēng)速意味著對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的減小，從而有效地保護(hù)了草原地表，這便是灌木帶對(duì)草原的防護(hù)機(jī)理所在。

0.3 m、0.7 m和1.5 m高灌木帶分別在背風(fēng)面3 m、5 m及6 m處的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度降到了與退化草原相同的水平，表明在此區(qū)域后的范圍內(nèi)，灌木帶將失去對(duì)草原的防護(hù)作用，風(fēng)蝕量將增加。由上述規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著灌木帶高度的增加，灌木防護(hù)帶內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度逐漸上升，即灌木防護(hù)帶的有效防風(fēng)蝕范圍隨著灌木帶高度的增加而擴(kuò)大，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

1）灌木帶提高了退化草原的抗風(fēng)蝕能力，氣流能量受到灌木帶的強(qiáng)烈影響，使其周圍的氣流場(chǎng)重新分布，改變了近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，致使灌木防護(hù)帶內(nèi)風(fēng)蝕物收集量隨地表高度的分布規(guī)律不明顯，風(fēng)蝕物主要集中在30 cm的近地表范圍內(nèi)。

2）灌木帶在一定防護(hù)區(qū)域內(nèi)較退化草原的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度明顯升高，且隨著灌木帶高度的增加，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度呈正相關(guān)上升趨勢(shì)，從而導(dǎo)致灌木防護(hù)帶內(nèi)的風(fēng)速較退化草地明顯降低，充分體現(xiàn)了灌木帶有效防治風(fēng)蝕的機(jī)理。

3）距灌木防護(hù)帶距離越遠(yuǎn)，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度呈下降趨勢(shì)，且距離達(dá)到一定值時(shí)，灌木帶與退化草原的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度值趨于一致。這時(shí)灌木帶對(duì)該地表將失去風(fēng)蝕防護(hù)作用，因此，該測(cè)點(diǎn)距灌木帶的距離即為灌木帶的有效防風(fēng)蝕區(qū)域，該規(guī)律對(duì)于修復(fù)退化草原時(shí)合理配置灌木帶的工程尺度具有十分重要的意義。

［1］陳渭南，董光榮，董治寶.中國(guó)北方土壤風(fēng)蝕問(wèn)題的研究進(jìn)展與趨勢(shì)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1994，9（5）：6-12.

［2］陳智，麻碩士，趙永來(lái)，等.保護(hù)性耕作農(nóng)田地表風(fēng)沙流特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：118-122.

［3］孫悅超.內(nèi)蒙古后山地區(qū)不同地表覆蓋條件下土壤抗風(fēng)蝕效應(yīng)測(cè)試研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［4］孫悅超，麻碩士，陳智，等.保護(hù)性耕作農(nóng)田抗風(fēng)蝕效應(yīng)多因素回歸分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（10）：151-155.

［5］Hupy JP.Influence of vegetation cover and crust type on wind-blown sediment in a semi-arid climate［J］.Journal of Arid Environments，2004，58（2）：167-179.

［6］Wolfe SA，Nickling W G.The protective role of sparse vegetation in wind erosion［J］.Progress in Physical Geography，1993，17（1）：50-68.

［7］Wolfe SA，Nickling W G.Shear stress partitioning in sparsely vegetated desert［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1996，21：607-620.

［8］程積民，萬(wàn)惠娥，王靜，等.半干旱區(qū)不同整地方式與灌草配置對(duì)土壤水分的影響［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2003，1（3）：10-14.

［9］趙舉，鄭大包，妥德寶，等.陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)帶狀留茬間作防風(fēng)技術(shù)研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2002，20（2）：5-9.

［10］楊樹(shù)，溫雨金，劉鴻雁.內(nèi)蒙古中部地區(qū)退耕還林還草后植被與土壤性狀的變化［J］.水土保持研究，2006，13（4）：143-146.

［11］趙云，穆興民，王飛，等.保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影響的室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2012，19（3）：16-19.

［12］范清成，王飛，穆興民，等.保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，19（3）：1-5.

［13］趙永來(lái)，麻碩士，陳智，等.殘茬覆蓋地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度變化規(guī)律［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（4）：118-123.

［14］Wiggs C F S，Livinstone L G，Thomas D S，et al.Air flow and roughness characteristics over partially vegetated linear dunes in the southwest karahari Desert［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1996，21（1）：19-34.

［15］Zingg A W.Wind tunnel studies of the movement of sedimentary material［J］.Proceedings of the Fifth Hydraulics Conference，1952，34：111-136.

Study on the aerodynamic roughness of grassland shrub belt

XUE Jing，HOU Zhan-feng，LIU Hai-yang，YAN Jian-guo，CHEN Zhi
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot，Inner Mongolia 010018，China）

In order to carry out a quantitative research on the mechanism of repairing degraded grassland with shrub belt，the wind erosion sediment and wind speed profile with different heights of shrub belt and degenerated grassland had been collected by sand sampler and wind speed profiler.In addition，the corresponding aerodynamic roughness was calculated using the least squares method to calculate the wind profile data.The results showed that the protective mechanism of shrub for grassland was to enhance the aerodynamic roughness of earth surface and reduce the near－surface wind speed，leading to the improvement of ability to resist wind erosion of shrub compared to degraded grassland.A lot of aeolian deposits were concentrated in the near surface within the scope of 30 cm.Aerodynamic roughness appeared a trend of becoming declined with the farther distance from shrubs.At the same time，through studying shrubs of different heights，it was found that the aerodynamic roughness and the value of degraded grassland tended to agree with each other for shrubs with different heights of0.3m，0.7m and 1.5m high when leeward sides were 3m，5m and 6m，respectively.The distance was an effective wind erosion area of shrub belt，and aerodynamic roughness and effective protective range became enlarged with the increase of the shrub height.This finding has a great significance for the repair of degraded grassland and a reasonable allocation of engineering dimension of shrub belt.

shrub belt；degenerated grassland；wind speed profile；aerodynamic roughness

S157.4

A

1000-7601（2016）06-0253-04

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.38

2015-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40861013），（41361058）

薛晶（1983—），女，內(nèi)蒙古烏海市人，講師，碩士，主要從事測(cè)試與控制技術(shù)方面的研究。E-mail：jingjingtuzi＠163.com。

陳智（1962—），男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士，主要從事測(cè)試與控制技術(shù)方面的研究。E-mail：chz6653＠sohu.com。