兩種不同配置灌木林防風(fēng)固沙效益

劉虎俊, 袁宏波, 王多澤, 劉淑娟, 郭春秀,馬 瑞, 李學(xué)敏, 劉開琳, 萬 翔, 李菁菁

(1.甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

兩種不同配置灌木林防風(fēng)固沙效益

劉虎俊1,2, 袁宏波1, 王多澤1, 劉淑娟1, 郭春秀1,馬 瑞2, 李學(xué)敏1, 劉開琳1, 萬 翔1, 李菁菁1

(1.甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 探討退化梭梭(Haloxylonammodendron)林和仿真灌木+梭梭灌木林對風(fēng)沙流的風(fēng)速、輸沙通量及其沙粒的分布影響，為干旱區(qū)退化的防風(fēng)固沙林功能恢復(fù)和建立提供參考。[方法] 同時(shí)測定不同高度下裸沙地、仿真灌木+梭梭林和梭梭林的風(fēng)速、輸沙通量及其沙粒徑，比較分析其風(fēng)速消減率、輸沙通量變化及沙粒度隨高度分布。[結(jié)果] 在風(fēng)速3.0～8.9 m/s范圍，仿真灌木+梭梭林內(nèi)的20 cm高度的風(fēng)速平均削減率達(dá)到61.35%。梭梭林的輸沙通量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍，裸沙地平均輸沙通量是仿真灌木+梭梭林輸沙通量的4.13倍。梭梭林與仿真灌木+梭梭林的輸沙通量隨高度變化都呈指數(shù)遞減，其風(fēng)沙流含沙量及沙粒度的空間變化在10 cm以下較大。[結(jié)論] 仿真灌木+梭梭林降低了林地風(fēng)沙流中黏粉粒(≤0.02 mm)向空氣中輸送量，改變了風(fēng)沙流的沙粒度空間結(jié)構(gòu)，迫使風(fēng)沙流的輸沙集中在較低層。

防風(fēng)固沙灌木林結(jié)構(gòu); 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu); 輸沙通量; 沙粒度

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉虎俊, 袁宏波, 王多澤, 等.兩種不同配置灌木林防風(fēng)固沙效益[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：63-66.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.011； Liu Hujun, Yuan Hongbo, Wang Duoze, et al. Benefits of windbreak and sand fixation from two kinds of shrubs[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：63-66.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.011

風(fēng)沙活動(dòng)是中國干旱區(qū)重要的自然災(zāi)害之一[1]，控制風(fēng)沙危害對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人居環(huán)境改善具有重要意義。建立防風(fēng)固沙林是一種有效的防治風(fēng)沙危害方法，但受水資源限制，干旱區(qū)的治沙灌木林密度達(dá)不到固定流沙的數(shù)量[1-2]，因此在退化防風(fēng)固沙灌木林設(shè)置沙障等，以提高防風(fēng)固沙效能，達(dá)到防治風(fēng)沙危害目標(biāo)[3]。防治沙害的有效措施是抑制或削弱風(fēng)沙流的強(qiáng)度[1-3]，風(fēng)沙流研究是防風(fēng)固沙工程研究的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)沙流的研究已從其能量分布[4]、沙粒軌跡[5-6]、風(fēng)沙流的垂向濃度分布及沙顆粒帶電效應(yīng)[7]等多個(gè)角度進(jìn)行了深入的探討。除了風(fēng)和沙決定風(fēng)沙流特征，下墊面性質(zhì)也是決定風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與變化的重要因素[7]。灌木林的防風(fēng)固沙效益通常應(yīng)用風(fēng)速變化、地表粗糙度及風(fēng)沙流變化來表示，其影響作用取決于灌木林特征[3]。國內(nèi)外對風(fēng)沙流的特征研究多集中于流動(dòng)沙地[4-8]，對其空間結(jié)構(gòu)的研究較多。對于不同結(jié)構(gòu)的灌木林以不同下墊面模式影響風(fēng)沙流的變化及沙粒度的空間分布的研究相對較少。輸沙通量和沙?？臻g分布模式是風(fēng)沙流研究的重要內(nèi)容，我們將仿真灌木[9-11]設(shè)置到退化梭梭(Haloxylonammodendron)林，以期提高退化梭梭林的防風(fēng)固沙效能，并對建立的仿真灌木+梭梭林和梭梭林的風(fēng)沙流進(jìn)行觀測，探討兩種灌木林對風(fēng)沙流的輸沙通量及其沙粒的空間分布影響，為干旱區(qū)退化防風(fēng)固沙林功能恢復(fù)和建立提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)觀測地設(shè)在中國西北干旱荒漠區(qū)的甘肅省民勤縣治沙綜合試驗(yàn)站。該區(qū)年平均降水量116.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 643.9 mm；年平均有風(fēng)的記錄占99.23%，≥5.0 m/s起沙風(fēng)占全年有風(fēng)日數(shù)的13.08%，4和5月為大風(fēng)和沙塵暴多發(fā)月份。其境內(nèi)沒有地表水，通過大量開采地下水來維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成了區(qū)內(nèi)地下水位降低，已經(jīng)由建國初期的1～3 m下降到2007年的22.66 m[12]。在地下水位不斷下降的背景下，防風(fēng)固沙林退化，植被覆蓋度降低，防風(fēng)固沙林功能下降，調(diào)節(jié)防風(fēng)固沙林結(jié)構(gòu)以提高其功能是該區(qū)域防治風(fēng)沙危害的重要研究內(nèi)容。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)地選擇

在2015年9月，選擇“甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”的近地面風(fēng)沙觀測場附近(38°37′44″N，102°55′10″E)作為野外觀測試驗(yàn)場。試驗(yàn)布設(shè)在半固定沙丘上，沙丘高約3 m，頂部較平坦，寬200 m，沙丘上分布梭梭林，覆蓋度為13.0%～18.0%，林內(nèi)70.0%區(qū)域覆蓋流沙，沙面半流動(dòng)。觀測場周圍建有永久性氣象站，設(shè)有高50 m的沙塵暴觀測塔，地面布置垂直集沙儀和風(fēng)速梯度觀測系統(tǒng)等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在民勤縣治沙站的東南部半固定沙丘上，人工梭梭林的株高為2～2.5 m，平均冠幅覆為2.5×3.0 m2，生長不良，中間加有死株，覆蓋度為17.8%左右。原有梭梭林的株行距(1 m×3 m)，因部分植株死亡，植株密度為3株/100 m2。將仿真灌木[11]配置到梭梭林中，仿真灌木的株行距為1 m×3 m，形成等株行距結(jié)構(gòu)的仿真灌木+梭梭林，組成2層結(jié)構(gòu)灌木林，覆蓋度為34.3%。以沒有灌木的裸沙地為對照，進(jìn)行風(fēng)沙流觀測比較。

仿真灌木(也可以稱之為“灌木形沙障”)無主干型，地下與地上部分總長度為80 cm，地上高度為40 cm，冠幅為40 m×40 cm，冠幅覆蓋度為0.5 m2。地上枝分為3級枝序，各級枝序內(nèi)枝等長，3級枝有20枝，長度為40 cm，自基部向枝梢逐漸變細(xì)，枝的直徑為2～3 mm，3級枝上連接2級枝，2級枝等長，長度為15 cm，枝的直徑為1～2 mm；1級枝長5 cm，枝的直徑為1 mm；每枝3級枝上有3枝2級枝，每枝2級枝上有9枝1級枝，形成無主干，3級枝系的仿真灌木。第3級枝全部集中到一起，凝結(jié)于根部；根沒有2級根，沒有任何側(cè)根，根直徑為3～4 cm。

使用野外便攜式風(fēng)速廓線儀(ZL 02261931.3)觀測記錄風(fēng)速，觀測高度為0～100 cm，每10 cm設(shè)置一組風(fēng)杯，觀測位置設(shè)在株后下風(fēng)向0.5 H(H為仿真灌木高度)處。在仿真灌木+梭梭林和梭梭林內(nèi)分別設(shè)置觀測點(diǎn)，對照設(shè)在相應(yīng)沙丘中部的裸沙地上，觀測期的風(fēng)速區(qū)間為3.0～8.9 m/s，當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速約為5.0 m/s。當(dāng)沙面有明顯流沙活動(dòng)時(shí)進(jìn)行風(fēng)速記錄，記錄間隔為每2 s/次，數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件Excel進(jìn)行對比分析。

2.3 計(jì)算指標(biāo)

(1) 風(fēng)速削減率(UΔ)

式中：UΔ——被測林內(nèi)相對風(fēng)速變率； Us——林中或株后的風(fēng)速； Uso——對照風(fēng)速，此試驗(yàn)為裸沙地的風(fēng)速。

(2) 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)系數(shù)(S)

2.4 觀測方法

2.4.1 風(fēng)速 林內(nèi)觀測點(diǎn)設(shè)置，在距灌木0.5H(H為株高)的株前、株后、株間，將風(fēng)杯按照10，20，50 cm的高度固定于同一根固定桿上測定100 cm高度范圍的風(fēng)速梯度值。在林前和林后1H設(shè)置相同高度和梯度的對照觀測。

2.4.2 輸沙量 野外瞬時(shí)輸沙通量利用10孔階梯式集沙儀收集0—20 cm高度處輸沙量，在風(fēng)速觀測的同時(shí)，同步收集輸沙量，收集輸沙量的時(shí)間為5 min時(shí)段。

3 結(jié)果分析

3.1 防風(fēng)效應(yīng)

所有觀測的風(fēng)速削減率分析結(jié)果表明，無論是20 cm高度還是50 cm高度，仿真灌木+梭梭林削減風(fēng)速率均是隨風(fēng)速的增大而增加(圖1)。在風(fēng)速3.0～8.9 m/s范圍，20 cm高度的風(fēng)速削減率始終大于50 cm高度風(fēng)速。但隨著風(fēng)速增大，風(fēng)速削減率的差異量減小。在50 cm高度，風(fēng)速平均削減率為31.08%，不同風(fēng)速的風(fēng)速削減率的變異系數(shù)為43.26%。在20 cm高度，風(fēng)速平均削減率為61.35%，不同風(fēng)速的風(fēng)速削減率的變異系數(shù)為6.43%。在20 cm高度，仿真灌木+梭梭林平均風(fēng)速削減率較大，且不同風(fēng)速的削減程度差異不顯著。在50 cm高度的風(fēng)速為3.0～3.3 m/s時(shí)，仿真灌木+梭梭林平均風(fēng)速削減率是8.1～8.9 m/s的風(fēng)速削減率的64.17%。當(dāng)風(fēng)速為5.6～7.9 m/s時(shí)，仿真灌木+梭梭平均削減風(fēng)速及其變異系數(shù)最大。

圖1 仿真灌木+梭梭林的風(fēng)速削減率比較

3.2 固沙效應(yīng)

在20 cm高度，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林輸沙通量都隨高度變化呈指數(shù)遞減(圖2)，相關(guān)系數(shù)R2都大于0.9。在10 cm高度內(nèi)，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林輸沙通量分別占總輸沙通量的79.62%，83.21%，86.76%，梭梭林的輸沙量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍，裸沙地平均輸沙通量是仿真灌木+梭梭林輸沙通量4.13倍。

比較不同高度輸沙通量比值，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林平均輸沙通量分別為45.15，24.17，16.24 g/(cm·s)，而它們的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)系數(shù)則分別是1.89，2.68，4.14，其中0—2 cm高度的輸沙通量由此可見，梭梭林和仿真灌木+梭梭林底層。仿真灌木+梭梭林降低了林地輸沙高度，具有固沙作用。

圖2 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

隨著高度變化，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林的累積輸沙通量梯度不同(圖3)。仿真灌木+梭梭林累積曲線的截距(53.95)大于梭梭林的輸沙通量累積曲線截距(41.32)，裸沙地的輸沙通量累積曲線截距最小(29.68)，仿真灌木+梭梭林(變異系數(shù)為74.67%)的輸沙通量隨高度變化小于裸沙地(變異系數(shù)為457.92%)。在10 cm高度內(nèi)，仿真灌木+梭梭林、梭梭林和裸沙地輸沙通量分別占總輸沙通量的86.75%，83.21%，79.62%。在12 cm高度范圍，仿真灌木+梭梭林的總輸沙通量達(dá)到90.28%。仿真灌木+梭梭林的迫使風(fēng)沙流的輸沙通量集中在較低層，底層含沙量大于裸沙地。

圖3 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的輸沙量累積

3.3 粒度特征

在20 cm高度，裸沙地和仿真灌木+梭梭林的不同粒度的沙含量的差異主要在5～10 cm高度，裸沙地的風(fēng)沙流含黏粒量是仿真灌木+梭梭林的3倍多，黏粉?？偤縿t是2倍多，裸沙地和仿真灌木+梭梭林的風(fēng)沙流黏粒分別占56.75%和84.61%(圖4)；0～5 cm高度的裸沙地的黏粒含量是仿真灌木+梭梭林的1.6倍。仿真灌木+梭梭林的粗沙粒含量是裸沙地的4倍多。仿真灌木+梭梭林的風(fēng)沙流中黏粒量小于裸沙地的，仿真灌木+梭梭林降低了林地黏粉粒向空氣中輸送量，改變了風(fēng)沙流的沙粒度的空間結(jié)構(gòu)。

圖4 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的輸沙量累積

4 討論與結(jié)論

仿真灌木+梭梭林降低了林內(nèi)風(fēng)速，無論是20 cm高度還是50 cm高度，削減風(fēng)速率均是隨風(fēng)速的增大而增加，且20 cm高度的風(fēng)速削減率大于50 cm高度的。植物能夠增加地表粗糙度，改變近地面流場，降低風(fēng)速[13]。

梭梭林和仿真灌木+梭梭林降低了林內(nèi)輸沙量，其風(fēng)沙流的輸沙通量都隨高度變化呈指數(shù)遞減，這和其他研究結(jié)果[1-5,9,10]一致。但是0—2 cm層的仿真灌木+梭梭林的含沙量大于裸沙地，輸沙集中在較低層。風(fēng)沙流是風(fēng)沙物理研究的重要內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者提出了頗多輸沙通量模型，均認(rèn)為風(fēng)沙流中沙量的垂直分布呈指數(shù)分布[7]。大量研究結(jié)果表明[13-20]，氣流搬運(yùn)的沙量絕大部分(80%)集中分布在0—10 cm高度內(nèi)。本研究觀測的裸沙地的輸沙通量(79.62%)接近該值，而仿真灌木+梭梭林(86.75%)、梭梭林(83.21%)的輸沙通量略大于上述研究的結(jié)果值。

仿真灌木+梭梭林降低了林地風(fēng)沙流中黏粉粒向空氣中輸送量，改變了風(fēng)沙流的沙粒度的空間結(jié)構(gòu)。植物具有降低近地層風(fēng)速的作用，因此，在固沙的同時(shí)，并可使風(fēng)沙流中的沙粒下沉堆積[13]。植物的阻沙作用與覆蓋度相關(guān)，當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到40%～50%時(shí)，風(fēng)沙流中99%以上的沙粒被阻截沉積[13-14]，不僅植被覆蓋度影響風(fēng)沙流，植被結(jié)構(gòu)也決定起沙、風(fēng)沙流攜沙量及其空間結(jié)構(gòu)[15-20]。通常引用植物周圍沉積沙量及其風(fēng)沙流的輸沙通量衡量植物單株與群落的阻沙能力[1,13]。植物單株及群落具有阻沙固沙效應(yīng)主要是因?yàn)轱L(fēng)速降低，流場結(jié)構(gòu)改變和植被覆蓋度等。由于仿真灌木+梭梭林結(jié)構(gòu)的空間梯度增加了灌木林層間數(shù)量，比梭梭林結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此仿真灌木+梭梭林不僅降低了輸沙通量，而且改變了風(fēng)沙流的沙粒級空間結(jié)構(gòu)，降低了20 cm高度以上黏粒的空氣中含量，具有防塵作用。

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Benefits of Windbreak and Sand Fixation from Two Kinds of Shrubs

LIU Hujun1,2, YUAN Hongbo1, WANG Duoze1, LIU Shujuan1,GUO Chunxiu1, MA Rui2, LI Xuemin1, LIU Kailin1, WAN Xiang1, LI Jingjing1

(1.GansuDesertControlResearchInstitute&StateKeyLaboratoryofDesertificationandAeolianSandDisaster,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.DepartmentofForestry,GansuAgricultureUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The benefits from two kinds of sand fixing shrub,HaloxylonammodendronandH.ammodendronplus imitative shrub with regard to wind velocity, transported sand volume and transported sand diameter were illustrated to provide references for functional recovery and reestablishment of windbreak and sand fixation forest in arid region. [Methods] Wind speed, transported sand and sand diameter were observed simultaneously in stands of bare sandy land,H.ammodendronshrub andH.ammodendronplus imitative shrub. Their variations caused by the two shrubs were analyzed. [Results] The average reduction rate of wind velocity was 61.35 % at the height of 20 cm when wind velocity was 3.0 to 8.9 m/s. The sand transporting quantities ofH.ammodendronshrub and bare sandy land were 1.5 and 4.13 times ofH.ammodendronplus imitative shrub. The sand transport rates ofH.ammodendronforest andH.ammodendronplus imitative shrub both reduced with the height by exponential function. The wind-transported volume of sand and sand diameter grade shifted by wind in the two shrubs was both greater under 10 cm shrub height. [Conclusion] As resulted from the change of spatial distribution of wind-sand flux, the content of fine sandy grain (diameter≤0.02 mm) was reduced, it was mainly concentrated in lower layer.

shrub windbreak structure, wind-sand flux structure, transport flux of sand, sand parameter

2016-11-06

2016-11-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“仿真固沙灌木構(gòu)型及配置的防風(fēng)固沙效應(yīng)(31260201)， “干旱內(nèi)陸沙區(qū)丘間地植被生態(tài)過程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制”(31460223)， “基于土壤水分承載力的防風(fēng)固沙林密度配置格局與防護(hù)效應(yīng)研究”(31460221)； 中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目([2015]ZYTG5)

劉虎俊(1965—),男(漢族),甘肅省禮縣人,博士，研究員,主要從事荒漠化防治研究。E-mail:hujunliu66@163.com。

袁宏波(1978—),男(漢族),甘肅省慶陽市人,碩士，副研究員,主要從事荒漠生態(tài)研究。E-mail:piceayhb@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0063-04

X171.4, S157.1