烏蘭布和沙區(qū)典型灌木防風阻沙效益

張 奕， 肖輝杰?， 辛智鳴， 趙廷寧， 蔣方哲， 段媛君

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，015200，內(nèi)蒙古磴口)

植被通過阻擋輸沙、分解風力和覆蓋地表等途徑，起到防風阻沙作用[1-2]。其中決定植被防風性大小的因素包括：植被密度、覆蓋度、高度、形狀及排列方式等[3-4]。國內(nèi)外學者研究[5-7]表明，植被覆蓋可以有效抑制土壤風蝕。Wasson等[8]通過研究表明: 當植被覆蓋率達到35%～40%時，土壤風蝕基本不發(fā)生。

由于在干旱、半干旱區(qū)域基本無法滿足造林條件，所以對一些稀疏植被和單一灌叢防風阻沙效益研究顯得尤為重要，Wolfe等[9]對單一植株防風阻沙效應(yīng)研究表明：單個粗糙元素，如孤立的樹木或灌木，會影響風流模式。Judd等[10]在風洞中使用激光多普勒風速測量法研究了單個樹木的尾跡，他們發(fā)現(xiàn)，孔隙度以及樹冠和樹干的高度和寬度決定了尾跡區(qū)的范圍。Wasson等[8]的研究表明在植株周圍和植株間風沙流會產(chǎn)生5個新區(qū)：植物后部微風區(qū)、下風向尾流區(qū)、植物間受影響區(qū)、植被覆蓋區(qū)、和兩側(cè)加速區(qū)。Leenders等[11]研究了非洲撒哈拉西部灌叢植物對風速和沙物質(zhì)沉積的影響，發(fā)現(xiàn)在灌叢后方近7倍灌叢高度范圍內(nèi)風速明顯降低，表現(xiàn)為積沙; 灌叢2側(cè)風速增加，表現(xiàn)為風蝕。阿依努爾·艾尼等[12]對胡楊、多枝檉柳、鈴鐺刺和黑刺4種天然荒漠植物周圍進行了風速以及輸沙量的觀測，對比研究其防風阻沙效益大小。有研究[13]對單株植株阻沙能力進行了總結(jié)分析，得出其阻沙能力受冠層形態(tài)、莖枝的柔韌性、葉面積以及由此導致的地上生物量分配模式等因素影響較大。

目前，對于單一植被要素防風阻沙作用，主要集中在植株對風速和輸沙量影響研究上，對于單株植被形態(tài)對氣流、沙物質(zhì)運移以及地表蝕積特征影響的研究較少；因此，本研究選取烏蘭布和沙區(qū)周圍典型4種灌木單株：白刺(Nitrariatangutorum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、楊柴(Hedysarummongolicum)和梭梭(Haloxylonammodendron)，探求植株形態(tài)對其周圍風速流場、輸沙率以及地表微地貌的影響，進而選擇最優(yōu)防風阻沙植物種。

1 研究區(qū)概況

本研究在中國林科院沙漠林業(yè)實驗中心進行。該中心地處烏蘭布和沙漠東北部，E 106°35′～106°59′，N 40°17′～40°29′,位于我國內(nèi)蒙古磴口縣境內(nèi)，是我國西北地區(qū)荒漠與半荒漠的過渡地帶，屬于亞洲中部溫帶氣候區(qū)，年均降水量50～148 mm，蒸發(fā)量2 350～3 840 mm，光熱資源豐富且晝夜溫差大，日照3 000 h以上，≥10 ℃積溫3 300 ℃，全年無霜期168 d。

植株樣品采集區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部，屬于草原化荒漠地帶，其中荒漠植被在該區(qū)占主導地位，由于該地區(qū)氣候干旱，降水稀少、植被覆蓋度低，小灌木旱生灌木占優(yōu)勢[14]。其中灌木類植物有白刺、檸條(CaraganaKorshinskii)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、沙冬青(Hedysarumscoparium)等。半灌木植物代表種有油蒿(Artemisiaordosica)、白沙篙(Artemisiablepharolepis)、楊柴、沙拐棗等。人工植被主要有旱柳(Salixmatsudana)、梭梭、花棒(Hedysarumscoparium)等。

2 研究方法

本研究風洞為直流開口吹氣式風洞，寬和高均為2 m，實驗段30 m，安裝長度21 m，由入口段、整流段、導流段、動力段、實驗段及過渡段等組成。風洞通過變頻器調(diào)節(jié)風速，設(shè)計最大風速為18 m/s。本實驗最大設(shè)計風速為10 m/s[15]。

2.1 灌木的選擇與調(diào)查方法

本研究選擇當?shù)鼐哂写硇缘?種沙旱生灌木，分別是：天然植物白刺，人工植物沙拐棗、楊柴和梭梭。在磴口縣西部沙林中心林場植物分布均勻地帶設(shè)置3個樣方,樣方大小為100 m×100 m。在樣方內(nèi)篩選3～4年生的同齡單株灌木，逐個測定4種植株的高度、冠幅、枝下高度、一級分枝數(shù)、二級分枝數(shù)、開花和結(jié)實情況等, 并將具有代表性的植株取回試驗地，精確測其形態(tài)指標；通過水平投影法計算疏透度大小[16]，并計算分層側(cè)影面積[17]；進而進行風洞實驗。植物的形態(tài)指標和分層側(cè)影面積分別如表1和表2所示。

表1 單株灌木形態(tài)指標

表2 單株灌木的分層側(cè)影面積

2.2 防風作用測定

將采集的灌木單株的根部用空心鐵管固定，垂直插入風洞實驗區(qū)的中軸線，鐵管埋到風洞水平面以下，并穩(wěn)固。設(shè)定不同實驗風速6、8和10 m/s，用皮托管測定不同風速條件下植物單株的流場分布，并分析其防風原理。水平測點均分布在中軸線上，在植株的前側(cè)2H(H指樹高)和1H布設(shè)2個測點，背風面1H、2H、3H和5H 4個測點，水平方向共6個測點。每個水平測點在垂直方向包括5、10、20、40、60、80、100和120 cm共8個測點。實驗風速采集2 s為1個周期，共采集60 s，取60 s內(nèi)采集數(shù)據(jù)的平均值為測定的風速值。

2.3 阻沙效應(yīng)測定

采用階梯式積沙儀測定不同高度層的輸沙量。在灌木單株背風面1H處布設(shè)一個1 m高的階梯式積沙儀，共50層，每層入口截面2 cm×2 cm。在試驗段布置厚度為5 cm的沙床，確保沙源充足，試驗沙樣經(jīng)70目篩網(wǎng)過濾。分別在6、8和10 m/s風速下進行吹蝕試驗，每種灌木單株分別在設(shè)定風速下吹蝕2 min，每次吹完測定積沙儀內(nèi)各個高度層的積沙量，并計算輸沙率。并設(shè)置空白對照，對比分析各灌木單株的阻沙效應(yīng)。

2.4 地表蝕積狀況觀測

在風洞實驗段鋪設(shè)厚5 cm的沙床，人為平整沙面，在吹蝕試驗前，將三維激光掃描儀固定在植株所在位置，將其操作參數(shù)設(shè)定測定范圍為1 m2，20 mm級進行原始微地貌掃描，測定完成后，在不破壞沙面的前提下，移出三維激光掃描儀，將植株固定在掃描區(qū)域的中心位置,實驗風速設(shè)置為8 m/s，持續(xù)吹沙10 min。再將三維激光掃描儀放入吹蝕試驗前的位置，測定植株周圍的蝕積形態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單株灌木對風速的影響

分別在6、8和10 m/s風速條件下，繪制各植株的風速流場圖1、圖2和圖3。從圖中可以看出，在不同的風速條件下，不同的灌木單株在迎風面2H～1H處形成一個阻滯減速區(qū)，其原因是植株外側(cè)枝條和葉片分散并貼近地表，加快了風能的損耗。當風沙流越過植物，在渦旋作用下風速急劇下降，植株背風面形成低速靜風區(qū)，風速在植株后1H達到最小值，此后隨著距離的變大，風速也逐漸增加，直至恢復(fù)為標準風速[18]。通過觀察圖2和圖3可知：除白刺之外，其他3種植株在背風面0～1H近地表處均出現(xiàn)氣流加速區(qū)，這與枝下高度有很大關(guān)系，梭梭、楊柴和沙拐棗的枝下高度分別是8、10和12 cm，當風沙流通過時，植株枝下及枝系間形成的空間流場產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”[18]，使得周圍風速迅速增大。

黑線表示植株所在位置，箭頭表示風向，下同。The black line indicates the position of the plant，the arrows indicate wind direction. Unit H of horizontal distance refers to the height of the plant. The same below.圖1 6 m/s風速條件下單株灌木流場縱剖圖Fig.1 Profile of flow field of an individual shrub at 6 m/s wind speed

從圖1、圖2和圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，白刺的垂直防護高度在近地表效果最佳，即0～30 cm處，而梭梭和楊柴在垂直高度30～60 cm防風效果最佳，沙拐棗則是在60 cm以上防風作用顯著，這主要取決于植物的形態(tài)，白刺形態(tài)低矮，冠形呈壇形，在10～30 cm處側(cè)影面積可達2 244.56 cm2；梭梭和楊柴冠形上有相似之處，呈梭形，在30～60 cm側(cè)影面積最大，分別是3 058.68和1 728.85 cm2；而沙拐棗冠形呈掃帚型，所以在60～100 cm時側(cè)影面積最大，為2 371.41 cm2。

圖2 8 m/s風速條件下單株灌木流場縱剖圖Fig.2 Profile of flow field of an individual shrub at 8 m/s wind speed

圖3 10 m/s風速條件下單株灌木流場縱剖圖Fig.3 Profile of flow field of an individual shrub at 10 m/s wind speed

風沙運動是一種貼近地表的氣流對沙粒搬運的現(xiàn)象[19]，為進一步剖析單株灌木的防風效應(yīng)，應(yīng)分析其對近地表水平風速作用的變化規(guī)律。在3組風速條件下，測定各點8個高度的垂直風速，取平均值，發(fā)現(xiàn)植株各測點都對平均風速的降幅影響顯著，如表3所示。在不同風速條件下，不同植株在相同測點對應(yīng)的平均風速降幅趨勢較為一致，但是在不同測點上呈現(xiàn)出一定差異。4種灌木單株平均風速的最大降幅區(qū)均在植株后1H處，且隨風速增大，降幅不同程度減小。白刺在不同風速下植株前1H處、植株后1H、2H處均為主要風速降低區(qū)，且隨著風速增大，其平均降幅下降程度最?。簧彻諚椩? m/s時，平均降幅可達25.54%，但當風速增大到10 m/s，平均降幅降為18.32%，變化程度較大；楊柴的平均降幅變化程度最大，隨著風速增大，植株后3H和5H處的降幅較其他植株下降明顯，特別是風速達到10 m/s時，植株后5H處降幅僅為3.67%，基本失去防護效能；梭梭主要降幅區(qū)在植株后1H和2H處，隨風速增大，平均降幅由25.82%逐漸降低到20.32%，平均降幅的下降程度僅次于白刺，表現(xiàn)出良好的防風效益。通過對4種灌木單株水平方向風速降幅的分析可知白刺和梭梭的防風性能要優(yōu)于其他2種灌木。

3.2 單株灌木的阻沙效益

灌木植株可以阻擋和攔截風沙流攜帶的物質(zhì)，使其沉降積累[20-21]。由圖4所示，隨著風速的增大，4種灌木單株后的輸沙率均顯著增加。在6 m/s時，各灌木單株后輸沙率(g/(cm2·min))的大小為楊柴(0.328)>梭梭(0.318)>沙拐棗(0.315)>白刺(0.232)；在8 m/s時，輸沙率大小為楊柴(0.839)>沙拐棗(0.760)>梭梭(0.747)>白刺(0.517)；當風速到達10 m/s，植株后輸沙率大小與8 m/s時的排序一致。比較相同風速下不同灌木單株輸沙率的差異性，可以看出：4種植株后的輸沙率與裸沙對比均有顯著性差異(P<0.05)。在6 m/s和8 m/s的風速條件下，沙拐棗、楊柴和梭梭之間無顯著性差異(P>0.05)，白刺與其他植株對比差異顯著(P<0.05)；而風速達到10 m/s時，沙拐棗與梭梭無顯著性差異(P>0.05)，白刺和楊柴差異顯著(P<0.05)。

分析圖5可知，隨著高度層的增加，各植株后的輸沙率逐漸減小，這與沙粒運移特征和風沙流結(jié)構(gòu)特點有關(guān)[22-23]。各植株后集沙量主要集中在0～30 cm高度內(nèi),其中0～10 cm占比均超過92%；且不同灌木單株后各個高度層的輸沙率均小于裸沙,說明都起到了不同程度的阻沙作用，白刺作用最為顯著。

相對于裸沙，各灌木單株阻沙效益的程度可以通過輸沙率的變化體現(xiàn)出來。由圖6可知，隨著風速的增大，不同的灌木單株的阻沙效益有所不同。白刺在不同風速條件下阻沙效益表現(xiàn)平穩(wěn)，無顯著性差異(P>0.05)，均為55.00%～60.00%。隨著風速的增大，沙拐棗的阻沙效益呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，差異顯著(P<0.05)，梭梭在不同風速下的阻沙效益表現(xiàn)為小幅度下降趨勢，楊柴的阻沙效益明顯低于其他植物種，且隨著風速增大，降幅明顯，有顯著性差異(P<0.05)。這與各植株后風速變化趨勢一致, 符合風速越大，輸沙率越大的規(guī)律。由此可見，各灌木單株的阻沙效果為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴。

表3 單株灌木不同位置對水平風速的降幅大小

不同大寫字母表示不同風速條件下輸沙率的差異性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同灌木單株輸沙率的差異性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate under different wind speeds (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among individual shrubs(P<0.05). 圖4 不同風速條件下單株灌木輸沙率變化Fig.4 Variation of sediment transport rate of an individual shrub under different wind speed

不同大寫字母表示不同高度層輸沙率的差異性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同灌木單株輸沙率的差異性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate at different heights (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among different individual shrubs (P<0.05).圖5 8 m/s條件下單株灌木不同高度層輸沙率變化Fig.5 Variation of sediment transport rate of an individual shrub at different heights at 8 m/s

3.3 單株灌木對地表蝕積狀況的影響

單株灌木吹蝕前后地表形態(tài)如圖7所示，在吹蝕前地表為人為整平的沙面。通過地表形態(tài)變化，可知4種植株前沙粒堆積明顯，說明灌木可以對沙物質(zhì)運移起到攔截作用，促進沙子堆積。除了白刺之外，其他植株在其后方0～0.5H區(qū)域均發(fā)生一定程度的侵蝕；并且楊柴后方的侵蝕程度最為明顯，分析是由于枝下高度較高和疏透度較大共同引起的；而白刺枝系貼近地表，垂直高度0～30 cm側(cè)影面積達到2 663.75 cm2，可以迫使風速降低，導致風中夾帶的沙物質(zhì)沉積，促進沙粒在植株的背風面堆積。

箭頭表示風向。The arrows indicate wind direction.圖7 不同單株灌木周邊吹蝕前后地表蝕積形態(tài)圖Fig.7 Surface erosion morphology before and after erosion around different individual shrubs

由表4可知，在植株周圍1m2的區(qū)域內(nèi)，4種植株對地表形態(tài)的影響有顯著性差異，其中均值大小關(guān)系為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴，楊柴周圍所測定范圍內(nèi)的沙粒蝕積狀態(tài)為侵蝕，而其他植株都有不同程度的堆積。分析植株周圍的地表變化程度，可以將所測范圍的變異性系數(shù)進行對比研究，白刺和梭梭周圍的變異性系數(shù)較大，說明白刺和梭梭被吹蝕后地表形態(tài)的變化程度更大，而沙拐棗和楊柴則相反。這與其周圍的風速有很大的關(guān)系，低速區(qū)沙粒堆積作用比較明顯。

4 結(jié)論與討論

在不同風速條件下灌木單株周圍的風速流場可以分為4個區(qū)域：植株前方氣流減速區(qū)，植株上方氣流加速區(qū)、植株下方氣流擾動區(qū)和植株后方弱風速區(qū)。白刺形狀低矮，近地表側(cè)影面積大，因此可以有效降低風速，在植株后1H處垂直高度20 cm平均降幅可達35.24%；梭梭具有一定的枝下高度，底部0～10 cm內(nèi)形成渦旋加速區(qū)，容易引起根部附近侵蝕，不過由于高大的冠層形態(tài)和較小的疏透度使其具有較好的防風效果；而沙拐棗在背風面垂直高度60 cm以上表現(xiàn)出一定的防風性能，是由于沙拐棗掃帚型的冠層形態(tài)所致[24]，楊柴枝條密度小，疏透度大，總體防風效果最差[18]。

表4 植株周圍蝕積形態(tài)變化統(tǒng)計性分析

從阻沙效益上表明：白刺的阻沙效益最好，平均阻沙率可達56.03%，梭梭的平均阻沙率次之，為40.06%；沙拐棗的阻沙率為38.50%，楊柴最差，為31.10%。風沙流大多集中于0～10 cm高度內(nèi)，白刺低矮多枝的形態(tài)更有利于阻沙。

就植株對地表微地貌影響，本次實驗重點研究了單一植被要素對沙粒蝕積特征的影響，發(fā)現(xiàn)不同植株對周圍地表蝕積狀況影響的程度不同，與譚鳳翥等[25]的研究結(jié)果類似。白刺周圍都是積沙區(qū)，而梭梭，沙拐棗，楊柴在植株前為沙粒堆積區(qū)，兩側(cè)和后部為風蝕區(qū)，且地表的風蝕程度與植株的枝下高度顯著相關(guān)。由于掃描面積的限制，植株后的尾流積沙區(qū)并沒有展現(xiàn)。

5 建議

單株灌木防風功能排序為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴，阻沙效益排序為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴，梭梭與沙拐棗較為接近；單株灌木對地表的蝕積程度，在植株的前側(cè)都有明顯的積沙，在植株后風蝕程度楊柴>沙拐棗>梭梭>白刺。如果只選擇防風灌木種，則應(yīng)選白刺，其次可選梭梭；側(cè)重點是固沙，則應(yīng)選白刺；二者兼顧，則應(yīng)選白刺。

對于土壤風蝕防治的探究中，不僅要考慮單一植株和灌叢,還要注重灌木林帶的群體防護機制。單株灌木由于較大的枝下高度，產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，從而加速土壤侵蝕，因此在今后的植被建設(shè)中,要進行合理配置, 防止“狹管效應(yīng)”的發(fā)生，使其發(fā)揮更好的防風阻沙效果。