3類(lèi)典型株型草本植物對(duì)沙面風(fēng)蝕抑制作用的研究

程鋒梅， 李生宇， 鄭 偉， 趙淳宇， 范敬龍，王世杰， 王海峰， 俞祥祥

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，國(guó)家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000）

植物能有效抑制地表風(fēng)蝕［1］，是沙質(zhì)荒漠化防治的主要措施［2］。植物地上部分可以通過(guò)多種方式對(duì)地表形成保護(hù)，其作用機(jī)理在于覆蓋部分地表、分解部分風(fēng)動(dòng)量、阻攔被蝕物質(zhì)使其沉降［3］。植物對(duì)地表風(fēng)蝕的防控作用主要取決于植物特征，如高度、寬度、株型、疏透度、枝條彈性［4］、根系特征［5］，也與覆蓋度、排列方式［4］等分布格局［6］有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于喬灌木［7-8］、作物殘茬［9］和耕作方式［10］及排列方式［11］等與風(fēng)蝕的關(guān)系做了大量研究。

對(duì)于草本植物以及植物不同株型與風(fēng)蝕關(guān)系的相關(guān)研究相對(duì)較少，并主要集中在單株植物對(duì)風(fēng)速的影響。張文等［12］通過(guò)對(duì)4種不同形態(tài)的模型和圓木棒進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2 種上大下小的柔性植物形態(tài)具有較好的阻沙作用，2 種具有樹(shù)冠和樹(shù)干的樹(shù)狀植株形態(tài)的防風(fēng)效應(yīng)和防護(hù)距離相對(duì)較大，而圓木棒單株模型對(duì)風(fēng)速以及風(fēng)蝕防治效應(yīng)的影響相對(duì)較小。Cheng等［13］利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了8種單株植物的背風(fēng)側(cè)氣流變化，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)或孔隙率植物對(duì)風(fēng)速的影響不同。王成龍［14］通過(guò)研究4種植物對(duì)風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)4種植物單株對(duì)氣流影響最明顯的高度存在顯著差別。Gillies 等［15］通過(guò)對(duì)3 種植物形態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)對(duì)風(fēng)速阻力系數(shù)有很大差別。現(xiàn)有研究增強(qiáng)了人們對(duì)單株植株形態(tài)防風(fēng)作用的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于不同形態(tài)植物群體的防風(fēng)作用，以及草本植物防治風(fēng)蝕的效果有必要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

雖然在沙質(zhì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，草本植物生物量占比很小，但對(duì)物種豐富度和多樣性貢獻(xiàn)很大，而且在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［16］。在0～30 cm高度范圍內(nèi)，地面風(fēng)速大，沙粒移動(dòng)能力強(qiáng)，草本植物可以有效地抑制沙粒蠕動(dòng)和躍移運(yùn)動(dòng)［17］。短命和類(lèi)短命草本植物可以利用春季融雪水，迅速完成生活史，對(duì)春季風(fēng)蝕防治發(fā)揮了重要作用［18］，雖然生長(zhǎng)季后植物地上部分枯萎凋落，但是枯立地上部分仍能發(fā)揮一定的防風(fēng)固沙作用［19］。株型是影響植物防護(hù)效應(yīng)的重要因素，不同株型植物的防護(hù)效率存在顯著差異。本文采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)3 類(lèi)典型株型草本植物的風(fēng)蝕防治作用進(jìn)行研究，旨在揭示不同株型草本植物對(duì)風(fēng)蝕抑制作用的差異，促進(jìn)防沙和生態(tài)恢復(fù)工程設(shè)計(jì)對(duì)植物株型的重視。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞為直流吹氣式低速風(fēng)洞，全長(zhǎng)為16.2 m；由動(dòng)力段、穩(wěn)定段、收縮段和實(shí)驗(yàn)段組成，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)8 m，其中可放置模型段長(zhǎng)4 m、截面寬1.3 m、高1 m；側(cè)壁擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁擴(kuò)散角0.2°；氣流穩(wěn)定性系數(shù)低于1%，紊流度小于1%，氣流橫向均勻性在2.5%以?xún)?nèi)，邊界層厚度約15 cm，滿(mǎn)足低速環(huán)境風(fēng)洞要求［20］；風(fēng)速在0～20 m·s-1厚度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，來(lái)流風(fēng)速由熱線(xiàn)儀實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速由皮托管采集后，通過(guò)微差壓變送器傳給數(shù)據(jù)采集器計(jì)算出風(fēng)速并保存。

研究站周?chē)鷱V泛生長(zhǎng)著不同株型沙質(zhì)荒漠草本植物，以匍匐狀、叢狀和球狀株型居多，如蒺藜（Tribulus terrestris）、爪瓣山柑（Capparis himalayensis）、狗牙根（Cynodon dactylon）等為匍匐狀，花花柴（Karelinia caspia）、堿蓬（Suaeda glauca）、頂羽菊（Acroptilon repens）等為叢生狀，角果藜（Ceratocarpus arenarius）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、刺沙蓬（Salsola tragus）等為球狀，它們具有很強(qiáng)的耐旱和耐高溫特性。選取蒺藜、花花柴、角果藜為各株型模型參照，通過(guò)測(cè)量它們的株高與冠幅，并計(jì)算其平均值，為實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。由于不同株型植物尺寸差異較大，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，故根據(jù)測(cè)量結(jié)果和風(fēng)洞邊界層厚度（約15 cm），對(duì)匍匐狀、叢狀和球狀植物分別采用不同的縮尺比（匍匐狀1:5、叢狀1:6.5，球狀1:1）進(jìn)行模型制作（圖1）。縮尺后，叢狀和球狀株型模型的冠幅分別是12 cm和14 cm，而高度均為10 cm，匍匐狀株型因其貼地生長(zhǎng)的特性，僅取冠幅數(shù)據(jù)為20 cm。匍匐狀和叢狀模型根據(jù)購(gòu)買(mǎi)的塑料草加工而成，而球狀則使用天然的角果藜植株。

圖1 參試3類(lèi)株型草本植物模型的側(cè)視圖和俯視圖Fig.1 Side view and overlook view of three herbaceous plant type models in experiment

實(shí)驗(yàn)于2021年7月進(jìn)行，由于各株型植物的冠幅大小不同，所以覆蓋度按照植被所有冠層及其枝葉的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)域面積的百分比進(jìn)行測(cè)算［21］。將各株型植物依據(jù)比例制作的模型，取單個(gè)實(shí)驗(yàn)植株模型進(jìn)行垂直拍照，用Image J軟件測(cè)算單個(gè)模型的枝葉垂直投影覆蓋面積，計(jì)算得到單個(gè)模型覆蓋度（不同株型的高度差異暫不考慮）；根據(jù)所得數(shù)值結(jié)果分別計(jì)算不同覆蓋度（25%、30%、35%、40%和45%）所需的模型個(gè)數(shù)數(shù)量，在沙盤(pán)（長(zhǎng)×寬×高：87.5 cm×80 cm×5 cm）中填充干燥天然流沙5 cm 厚，將上述匍匐狀、叢狀、球狀3種株型草本植物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎眯辛惺骄鶆蚺帕杏谏潮P(pán)，沙盤(pán)置于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段底板中央，長(zhǎng)邊平行與風(fēng)洞側(cè)壁；分別設(shè)置5 個(gè)覆蓋度（25%、30%、35%、40%、45%），并設(shè)置沒(méi)有植物的空白對(duì)照（CK，0%）（圖2），將各株型模型依次在不同覆蓋度條件下開(kāi)展吹蝕實(shí)驗(yàn)，分別記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后將風(fēng)蝕情況進(jìn)行匯總對(duì)比。據(jù)文獻(xiàn)所述，在植物的旺盛生長(zhǎng)階段，4～5級(jí)的風(fēng)就能給植物帶來(lái)一定危害［22］，故選取中間值8 m·s-1的指示風(fēng)速進(jìn)行凈風(fēng)吹蝕實(shí)驗(yàn)，吹蝕時(shí)長(zhǎng)3 min；每個(gè)設(shè)置實(shí)驗(yàn)前后，分別用電子天平稱(chēng)量沙盤(pán)重量M1和M2。

圖2 各草本植物株型模型不同覆蓋度實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)Fig.2 Experimental sand boards with different coverage of three herbaceous plant type models

吹蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重新布設(shè)沙盤(pán)模型，并用固沙劑將沙盤(pán)的沙面固定，利用皮托管測(cè)量沙盤(pán)中央部位9 個(gè)高度（1 cm、2 cm、3 cm、5 cm、7 cm、10 cm、15 cm、30 cm、50 cm）的風(fēng)速。

1.2 分析方法

根據(jù)董治寶等［23］的研究，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)情況得出，高度10～15 cm之間的風(fēng)速變化可代表整個(gè)植被層特征，故分別選取10 cm、15 cm 高度的風(fēng)速，來(lái)計(jì)算不同株型植物下墊面的粗糙度（Z0）。

式中：V1、V2分別為Z1、Z2高度的風(fēng)速。

風(fēng)蝕率（P）是指單位時(shí)間、單位面積實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)沙樣質(zhì)量減少量，即：

式中：P為風(fēng)蝕率（%）；M1為實(shí)驗(yàn)前沙盤(pán)總重（kg）；M2為實(shí)驗(yàn)后沙盤(pán)總重（kg）；S為沙盤(pán)表面積；T為吹蝕時(shí)間。

風(fēng)蝕抑制效率（K）是空白對(duì)照的風(fēng)蝕量（F1）和不同覆蓋度下的風(fēng)蝕量（F2）的差值，除以空白對(duì)照的風(fēng)蝕量（F1）的比值，即：

式中：K為風(fēng)蝕抑制效率（%）；F1為空白對(duì)照的風(fēng)蝕量（kg）；F2不同覆蓋度下的風(fēng)蝕量（kg）。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)場(chǎng)和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

3 種植物株型在8 m·s-1的指示風(fēng)速下，不同株型植物沙盤(pán)表現(xiàn)的地表空氣流場(chǎng)相對(duì)于空?qǐng)觯?%）發(fā)生了較大變化（圖3），10 cm高度以下風(fēng)速整體被削弱，而10 cm以上則有一定程度增加；匍匐狀植物沙盤(pán)植物高度較小，對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響較小，隨著高度增加，風(fēng)速不斷增大直至趨于穩(wěn)定；而叢狀和球狀植物高度較大，在植物高度范圍（10 cm）內(nèi)風(fēng)速衰減大，廓線(xiàn)較為紊亂，在10 cm高度以上風(fēng)速廓線(xiàn)逐漸恢復(fù)正常。

圖3 各實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)的風(fēng)廓線(xiàn)Fig.3 Wind profiles of each experimental sand boards

粗糙度是反映下墊面對(duì)風(fēng)速影響的重要參數(shù)。如圖4所示，隨覆蓋度的增加，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度逐漸增大，尤其是叢狀和球狀株型增加快速；而匍匐狀植物緊貼地面，隨著高度的增加，摩擦阻力減小，匍匐狀植物粗糙度較小。在同等植被覆蓋度下，叢狀株型植物粗糙度最大，球狀其次，匍匐狀最小。粗糙度隨植被覆蓋度增加而線(xiàn)性增大（R2＞0.91），且兩者關(guān)系顯著（P＜0.011），由趨勢(shì)線(xiàn)斜率可知，增加速率為：叢狀＞球狀＞匍匐狀（圖4），這與董治寶等［24］在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)果一致。

圖4 各實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Fig.4 Aerodynamic roughness of various plant types

2.2 風(fēng)蝕率分析

如圖5所示，在8 m·s-1的指示風(fēng)速下，3種植物株型的風(fēng)蝕率（單位時(shí)間和單位面積的風(fēng)蝕量）變化隨覆蓋度增加呈線(xiàn)性減少，相關(guān)系數(shù)R2＞0.87。從擬合趨勢(shì)線(xiàn)斜率（叢狀＞匍匐狀＞球狀）來(lái)看，覆蓋度越低，三者的風(fēng)蝕率差異越大，覆蓋度越高，差異越小，且兩者呈顯著相關(guān)（P＜0.02）。當(dāng)覆蓋度為45%時(shí)，匍匐狀株型風(fēng)蝕率僅為0.48 g·m-2·min-1，而球狀和叢狀的風(fēng)蝕率分別為0.62 g·m-2·min-1和0.72 g·m-2·min-1。在同等植被覆蓋度條件下，叢狀株型風(fēng)蝕率大于球狀和匍匐狀；在覆蓋度為35%時(shí)，球狀和匍匐狀風(fēng)蝕率非常接近（0.73 g·m-2·min-1）；覆蓋度＜35%時(shí)，匍匐狀大于球狀，而覆蓋度＞35%時(shí)，球狀大于匍匐狀。

圖5 各實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)風(fēng)蝕率隨覆蓋度的變化Fig.5 Variation of wind erosion rate with coverage of each experiment sand boards

2.3 風(fēng)蝕抑制效率

如圖6所示，在8 m·s-1的指示風(fēng)速下，3種株型的風(fēng)蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而線(xiàn)性增大，并呈顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.02）。當(dāng)覆蓋度為25%時(shí)，3 種株型植物具有一定的風(fēng)蝕抑制效率，其中球狀株型（46.11%）和匍匐狀株型（44.10%）可達(dá)40%～50%，而叢狀株型（20.48%）僅為20%左右；當(dāng)覆蓋度為45%時(shí)，風(fēng)蝕抑制效率均快速增加，其中匍匐狀株型最高（71.54%），球狀株型次之（63.20%），叢狀株型最?。?6.94%）。

圖6 各實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)風(fēng)蝕抑制效率隨覆蓋度的變化Fig.6 Variation of wind erosion Inhibition efficiency with coverage of each experiment sand boards

從擬合函數(shù)趨勢(shì)線(xiàn)的斜率（叢狀＞匍匐狀＞球狀）來(lái)看，覆蓋度越大，叢狀與匍匐狀、球狀的風(fēng)蝕抑制效率差異越小，而覆蓋度越小，則差異越大；匍匐狀和球狀相對(duì)來(lái)說(shuō)差異不大，尤其在覆蓋度為35%時(shí)，差異最?。?6%），隨著覆蓋度增大，差異越大，當(dāng)覆蓋度＜35%時(shí)，球狀大于匍匐狀，當(dāng)覆蓋度＞35%時(shí)，匍匐狀大于球狀。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 種株型植物的風(fēng)蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，但在同一覆蓋度條件下，3 種株型的抗風(fēng)蝕效率存在較大差異。由圖7 可知，覆蓋度較低時(shí)，3 種株型植物風(fēng)蝕抑制效率的變異系數(shù)較大，而隨覆蓋增加變異系數(shù)呈線(xiàn)性減小，覆蓋度與變異系數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.003）。

圖7 3種株型植物風(fēng)蝕抑制效率變異系數(shù)隨覆蓋度的變化Fig.7 Variation coefficient of wind erosion inhibition efficiency with coverage of three plant types

3 討論

3.1 不同植物株型固沙能力差異

植物是下墊面的重要組成因素，發(fā)揮著重要的對(duì)陸表的調(diào)節(jié)作用［25］，對(duì)干旱區(qū)水土保持與沙質(zhì)荒漠防治尤為重要，通過(guò)改善植被條件來(lái)防治風(fēng)蝕是沙質(zhì)荒漠化防治的重要技術(shù)手段，前人已進(jìn)行了大量研究［26-28］，其中植被覆蓋度是最為常用的重要指標(biāo)［29］，而株型作為植物的重要參數(shù)之一，對(duì)其防風(fēng)固沙能力有很大影響［30］。通常學(xué)者采用“等間距分級(jí)法”［31］，將植被覆蓋度分為5 個(gè)等級(jí)［32］，本實(shí)驗(yàn)的植被覆蓋度范圍為25%～45%，涵蓋了半固定沙地（丘）和固定沙地（丘）的植被。

由實(shí)驗(yàn)可知，三者固沙能力差異與自身株型密切相關(guān)。風(fēng)蝕率和風(fēng)蝕抑制效率均隨覆蓋度的變化而變化，覆蓋度越小，三者差異越大，覆蓋度越大，差異越小。在相同覆蓋度條件下，球狀和匍匐狀風(fēng)蝕率在覆蓋度35%時(shí)非常接近，覆蓋度＜35%時(shí)，匍匐狀大于球狀，而覆蓋度＞35%時(shí)，球狀大于匍匐狀，叢狀株型風(fēng)蝕率始終大于球狀和匍匐狀。在覆蓋度較低時(shí)，不同植物株型之間的風(fēng)蝕抑制效率差異較大，如在覆蓋度30%時(shí)，匍匐狀和球狀植物的風(fēng)蝕抑制效率分別為47.55%、55.70%，分別接近叢狀植物40%（48.46%）和45%（56.94%）的風(fēng)蝕抑制效率。因此，球狀和匍匐狀植物株型固沙能力相對(duì)較高，而叢狀植物株型固沙能力相對(duì)較低，利用較高風(fēng)蝕抑制效率的株型可以達(dá)到較低風(fēng)蝕抑制效率株型在較高覆蓋度條件下的固沙效果。

3.2 不同株型固沙能力差異的原因分析

本文通過(guò)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)表明，各株型植物空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的變化趨勢(shì)基本一致，均隨覆蓋度的增加而增大，其中，叢狀和球狀株型的粗糙度始終高于匍匐狀植物，各株型植物對(duì)風(fēng)速的削減程度不同，但范圍較為一致。不同植物株型的風(fēng)蝕抑制效率存在較大差異，并隨覆蓋度而變化。球狀株型植物的枝葉較密集，植株迎風(fēng)剖面透風(fēng)系數(shù)較小，對(duì)地表風(fēng)速有較好的削弱作用，尤其風(fēng)影區(qū)風(fēng)速降低較大，并在風(fēng)影區(qū)形成風(fēng)影堆積。叢狀株型植物枝條分布稀疏，并隨風(fēng)搖擺，對(duì)地表風(fēng)速的削弱能力較低，風(fēng)蝕抑制能力大幅降低。叢狀和球狀株型之間的差異與馬全林等［33］研究的沙蒿和油蒿的防風(fēng)阻沙作用的結(jié)果較為一致。對(duì)于匍匐狀株型植物來(lái)說(shuō)，雖然株型矮小，對(duì)近地表風(fēng)速削弱能力較低，但枝條幾乎緊貼地面生長(zhǎng)，有效阻隔了氣流與地面沙物質(zhì)顆粒的接觸，沙源供給能力下降，風(fēng)蝕量較小，此研究結(jié)果與王晗生等［34］的結(jié)論一致。

球狀和匍匐狀株型植物的風(fēng)蝕抑制效率對(duì)比關(guān)系因覆蓋度而變化，35%時(shí)彼此接近，小于35%時(shí)，球狀高于匍匐狀，大于35%時(shí)，匍匐狀高于球狀。這可能與球狀植物層內(nèi)氣流的風(fēng)蝕作用有關(guān)。覆蓋度小于35%時(shí)，球狀株型植物在冠層風(fēng)影區(qū)形成風(fēng)沙堆積［35］，但是冠層底面與地面之間的枝下空間對(duì)氣流削弱能力較弱，甚至隨著覆蓋度增加和植株間距減小，枝下空間和株間可因“狹管效應(yīng)”而形成局部風(fēng)蝕［36］，從而一定程度削弱風(fēng)影堆積。

綜上所述，匍匐狀株型植物具有向四周伸展的柔韌枝條并緊貼地面，可以有效隔離風(fēng)與沙的直接作用，地面受到植物枝條庇護(hù)，受風(fēng)力影響小，可以保持較高的風(fēng)蝕抑制效率；球狀株型植物具有枝葉密集的冠體和強(qiáng)度較大的莖干，其透風(fēng)系數(shù)小，固沙能力較好；而叢狀植物的枝條相對(duì)較為稀疏且柔軟，在風(fēng)的作用下擺動(dòng)幅度較大，因而阻沙、固沙能力相對(duì)較弱。因此，從固沙角度來(lái)看，匍匐狀和球狀株型更適于生物固沙工程；從抗沙埋程度來(lái)看，叢狀和球狀植物更加適宜外來(lái)沙源豐富地區(qū)。

4 結(jié)論

草本植物在生物防沙工程中具有重要作用。在植物高度以下，3種株型地表風(fēng)速整體被削弱；隨覆蓋度的增加，粗糙度線(xiàn)性增加，增加速率為：叢狀＞球狀＞匍匐狀。風(fēng)蝕率和風(fēng)蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而變化，覆蓋度越小，三者差異越大，覆蓋度越大，則差異越小。整體上，叢狀株型植物風(fēng)蝕抑制效率相對(duì)較低，而球狀和匍匐狀株型風(fēng)蝕抑制效率較高，球狀和匍匐狀的差異隨覆蓋度而變化，35%時(shí)接近，＜35%時(shí)球狀大于匍匐狀，＞35%時(shí)，匍匐狀大于球狀。三者固沙能力差異與自身株型的生長(zhǎng)特性密切相關(guān)，球狀和匍匐狀植物株型的生長(zhǎng)高度較矮且枝條密度相對(duì)較大，氣流在通過(guò)時(shí)經(jīng)枝條阻擋、摩擦，使風(fēng)動(dòng)能減小挾沙能力大幅下降，所以固沙能力相對(duì)較高；而叢狀植物株型的枝條相對(duì)柔軟且分布較為稀疏，對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響效果較差，所以叢狀植物株型固沙能力相對(duì)較低。