錫林郭勒盟公路沿線土壤風蝕風洞模擬研究

關鍵詞：干旱半干旱區(qū)； 公路沿線； 地表土壤； 風蝕； 風洞

中圖分類號：S157；S210 文獻標識碼：A 文章編號：1671-8151（2023）03-0119-10

內蒙古錫林郭勒盟地區(qū)屬于干旱半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年均降水量少、大風和沙塵天氣多，持續(xù)時間長，造成草原土壤荒漠化，加快地表土壤風蝕，生態(tài)系統(tǒng)受損嚴重，直接或間接的威脅著人們的生存和生活［1-2］。

20 世紀中期以來，錫林郭勒盟地區(qū)不合理的農耕、過度放牧、過度樵采和修建公路等，人類生產生活活動使得植被逐年減少，環(huán)境逐年惡化，土地沙化退化加速，沙塵暴的發(fā)生也愈來愈頻繁。在公路的施工場地及周圍便道均造成公路左右兩側天然植被大面積損害，地表缺乏覆蓋層，引起固定沙丘活化及草地沙化，風沙的流動速度加快，草地覆蓋防風護土、涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能減弱，抵抗自然災害的能力嚴重下降，公路沿線地表土壤風蝕沙化使得公路生態(tài)安全難以保證，成為制約區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展的突出問題［3-5］。

20 世紀80 年代以來，我國學者開展了大量的土壤風蝕方面的研究，也在公路沿線風蝕沙化及植被恢復重建，防治措施方面取得了大量的成果。解松芳等［6］在內蒙古西部省區(qū)連接首都的主要交通干線風蝕安全防護模式中提出，生態(tài)防護模式效果最優(yōu)，是高速公路防護的新發(fā)展趨勢；中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的研究者對塔里木沙漠公路風沙危害進行分區(qū)、分級研究風沙環(huán)境的影響因素［7］；藺全林［8］對內蒙古烏錫線鐵路和公路風沙防護研究中采用不同方式的植物風沙防護措施，其效果顯著；李杰等［9］對西藏北寒冷干旱區(qū)公路水土流失、公路沿線土地沙化研究中，使用提高林草覆蓋方式防治凍融侵蝕和風力侵蝕的綠化措施；張瑞強等［11］在內蒙古希拉穆仁草原土壤風蝕研究中提出，植被是控制風蝕的決定性因素，恢復退化草地是防治草原風蝕的最根本途徑；梁會等［12］對寧夏土壤風蝕的研究中提出，主要影響因素有土壤濕度和植被覆蓋度，從而提倡發(fā)展生態(tài)農業(yè)，根本上改善土壤風蝕；李生宇等［13］對蒙古高原交通干線風沙害的研究中高度重視公路沿線生態(tài)系統(tǒng)恢復，充分利用自然生態(tài)的自我修復能力。諸多學者研究北方干旱半干旱區(qū)的草原及公路沿線土壤風蝕時認為，土壤風蝕的影響因素多且復雜，提出了不同的防治措施，并更多結合與自然生態(tài)系統(tǒng)的修復，為保障公路行車安全及地表土壤的保護奠定了科學依據［14-17］。

錫林郭勒盟地區(qū)氣候干旱、年均降水量少，春季頻繁發(fā)生沙塵天氣。2018 年3-5 月共出現了16次沙塵天氣，并大范圍發(fā)生強沙塵；2021 年3 月15日，內蒙地區(qū)遭遇近十年強度最大的沙塵天氣等。人類不合理的經濟活動會加劇區(qū)域土壤風蝕，并會對當地的交通運輸、農牧業(yè)及群眾生活帶來較大影響。針對此問題，結合北方干旱、半干旱地區(qū)性特點，研究公路沿線地表風蝕機理，提出合理、經濟、簡便的防治措施，降低風蝕現象，防風固沙、固定土壤、保護環(huán)境，對保障公路行車安全及發(fā)展區(qū)域經濟、文化起重要作用，且?guī)砬袑嵗妫?8-19］。

本文依據錫林郭勒盟地區(qū)氣候特點和公路沿線地表土壤特征，探究風蝕沙化的關鍵影響因素及影響程度，提出經濟有效的防治措施，為降低公路沿線地表土壤的風蝕強度、穩(wěn)固地表土壤提供理論依據［20-22］。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于內蒙古自治區(qū)中部，地處東經115°13'～117°06'，北緯43°02'～44°52'。其主要氣候特點是風沙大、干旱、寒冷。年平均氣溫0～3 ℃，1月氣溫最低，平均?20 ℃，7 月氣溫最高，平均21 ℃。年平均降水量295 mm，多集中在7、8、9 月內，無霜期為110～130 d。此地區(qū)以高平原為主、兼有多種地貌的地區(qū)，海拔800～1800 m。內蒙古自治區(qū)省際大通道（S105）是中國距離最長的一條省際大通道，全長2515 km，貫穿9 個盟市40 多個旗縣，路基寬25. 5 m，途經錫林郭勒盟桑根達來，橫穿錫林郭勒盟中南部，其對當地的政治、經濟、文化發(fā)展產生重要的影響［23］。

1. 2 儀器設備

風洞機為內蒙古農業(yè)大學研發(fā)的FDY-1. 2 型可移動式風蝕風洞機。該風洞為直流吹氣式，風洞由過渡段、整流段、收縮段和試驗段組成，全長為11. 8 m，試驗段總長為7. 2 m，截面積為高1. 2 m×寬1. 0 m，邊界層厚度可達15 cm，風速通過風洞電機變頻調速器調節(jié)風速。挾沙裝置為Y90S-6 型電動機，通過ARISPEED616PC5 變頻器調節(jié)轉速控制加沙量的增減［24］。集沙儀為BL-DJSQ 方口多路階梯式集沙儀，集沙口寬度2 cm，高度1 cm，在垂直方向可收集30 個點位的風蝕量。

1. 3 試驗設計

正交試驗每因素下設有3 水平，共有4 個因素，且不考慮因素間的交互作用，選擇L₉ （3⁴）正交表安排試驗（表1），采用直觀分析方法分析結果［25］。直觀分析表中引入的2 個符號如下：

K_i：表示任一列上水平號為i（本列中i=1，2 或3）時，所對應的試驗結果之和；

R：稱為極差，在任一列上

R=max｛K₁，K₂，K₃｝-min｛K₁，K₂，K₃｝。

極差越大，表示該列因素的數值在試驗范圍內的變化，會導致試驗指標在數值上更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗結果影響最大的因素。即R 直觀反應各因素影響的主次程度，R 越大時對評價指標的影響就越大。

各因素優(yōu)水平的確定與試驗指標有關，若指標越大越好，則應選取使指標大的水平，即Ki最大的那個值對應的水平；反之，若指標越小越好，則應選取使指標小的水平。K₁、K₂、K₃ 分別表示各因素中的3 種不同水平，直觀反應每個因素中不同水平的影響程度。

1. 4 樣品采集與測定

于2021 年2 月末初春氣候寒冷干旱時期，內蒙古省際大通道S105 省道的錫林郭勒盟境內，正藍旗桑根達來段公路沿線地表上采樣試驗材料。

1. 4. 1 床面與土壤

風洞機風道全長為11. 8 m，試驗床面為1 m×2 m，其距離風道口1 m 以內，土壤覆蓋厚度4～5 cm（圖1c，d）。土樣為春季原位地表風沙土，地表上層0～5 cm 的土壤，經過篩清理塊狀及其它雜物后獲得松散細粒風沙土。

1. 4. 2 植被及覆蓋度

植被選取旱生類型蔥屬植物，具有耐旱特征，適于寒冷、干燥地區(qū)生長。采集錫林郭勒盟桑根達來地區(qū)典型禾本科植物，狗尾草（Setaria viridis）干枯植被的平均高70 cm（圖1C），和牛筋草（Eleusineindica）干枯植被的平均高20 cm（圖1B），狗尾草和牛筋草分別按3∶1 簇比混合使用。在床面上整齊擺放后，目測床面的占比為1/4 和1/2 的覆蓋度來放置植被，將其均勻分散整床面上，用速溶膠固定。在風洞橫截面上，距風洞兩側壁3～5 cm 范圍內不設植被，確保植被模型堵塞橫截面不超過10%。

1. 4. 3 礫石及覆蓋度

選取公路沿線散落的直徑2～8 cm、厚度1～5 cm 范圍內的天然石子和鋪路碎石，組成礫石（圖1A，圖1D）。選取直徑2～8 cm、厚度1～5 cm 范圍內，在床面上整齊擺放后，目測床面占比為1/4 和1/2 的覆蓋度來放置礫石，將其均勻撒在整床面上［26］。

1. 4. 4 集沙儀

集沙儀是收集沙土的重要儀器，通過測試集沙儀收集的沙土量來衡量風蝕程度。其布置位置為風洞軸線方向離風道出口100 cm 距離處，橫向正中間位置，縱向調整為底部與風洞機地表保持平齊固定（圖2）。

1. 4. 5 風速及測試

根據羲和能源大數據平臺氣象數據，以內蒙古錫林郭勒盟正藍旗春季區(qū)域平均風速為依據選取試驗風速為9、12、15 m·s^-1。利用風速采集系統(tǒng)測試風洞中心風速，在風洞的試驗段放置無線風速廓線儀，風速廓線儀采集后通過數據采集卡傳給數據采集處理系統(tǒng)，并在計算機中顯示、記錄、保存，由軟件生成風速廓線獲取。

1. 4. 6 風蝕評價

風蝕量是風蝕評價的一個重要指標，用電子天平測定由集沙儀收集的風蝕沙土質量以表示風蝕量。

2 結果與分析

2. 1 單因素試驗

2. 1. 1 風速

無覆蓋物土壤（即裸地，下同）條件下不同風速對風蝕量的影響規(guī)律（圖3）。風速大小對風蝕量的影響較明顯，但隨著離地表高度的升高差距逐漸變小，當高度至12 測點位及以上時風蝕量均趨于零。

2. 1. 2 覆蓋物

有挾沙、風速15 m·s^-1時，對比50% 礫石覆蓋和50% 植被覆蓋對風蝕量的影響（圖4），植被對風蝕的防治效果明顯好于礫石，但隨著離地表高度的提升差距逐漸變小，當高度至13 測點位及以上時風蝕量均趨于零。

2. 1. 3 挾沙風

在裸地表上、風速15 m·s^-1時，對比挾沙風和凈風（即無挾沙風，下同）對風蝕量的影響（圖5），挾沙風和凈風對風蝕量的影響規(guī)律趨向一致，但挾沙風對風蝕的影響明顯較強，當隨著離地表高度提升至12 測點位及以上時風蝕量均接近于零。

從上述可以看出，風速、覆蓋物和挾沙與凈風等因素對風蝕的影響均比較明顯，且影響規(guī)律及趨勢清晰，但隨著離地表高度的提高，各因素的影響逐漸變弱，直至高度12～13 測點位及以上時，各因素的影響程度趨于零，可忽略不計。

風速愈大時風蝕量愈大；有挾沙時風蝕量顯著增大；覆蓋度50% 時礫石的風蝕量大于植被的風蝕量，即植被的防治風蝕效果比礫石好。

2. 2 正交試驗

在單因素的實驗基礎上，設計正交試驗因素水平表［27-28］，探究各因素的影響主次及影響度的對比評價，確定方案優(yōu)化組合，為保障公路行車安全及生態(tài)系統(tǒng)的保護提供依據。

2. 2. 1 正交因素水平設計

正交試驗設計因素水平如表1 所示。

2. 2. 2 正交試驗結果與分析

正交試驗結果如表2 所示。根據極差值R 判斷風蝕量的影響度從主要到次要的排序為：風速gt;挾沙風gt;植被gt;礫石。即各因素的影響從大到小為：風速影響最大，其次挾沙風，植被排第三，礫石排第四。按指標最大化和最小化的優(yōu)化方案組合結果有：

（1）按風蝕量最大化優(yōu)化方案，因素水平組合為：A₁B₂C₃D₃，即植被0%，礫石25%，風速15 m·s^-1，挾沙風。

（2）按風蝕量最小化優(yōu)化方案，因素水平組合為：A₂ B₁C₁ D₂，即植被25%，礫石0%，風速9 m·s^-1，凈風。

2. 2. 3 直觀分析與趨勢

按風蝕量最大化的方案顯示直觀分析圖（圖6）。根據R 極差趨勢圖判斷，風速的R 最大，即風速對風蝕量的影響最大。挾沙風的R 排第二，表示挾沙風對風蝕量的影響排第二。植被的R 排第三，表示植被對風蝕量的影響排第三。礫石的R 最小，表示礫石對風蝕量的影響最小。根據K 值判斷各因素的不同水平影響度，植被覆蓋度的影響：0%gt;50%gt;25%；礫石覆蓋度的影響：25%gt;50%gt;0%；風速的影響：15%gt;12%gt;9%；挾沙風與凈風影響：挾沙風gt;凈風。

綜合正交試驗結果，風速對風蝕量的影響最大，其次是挾沙風，礫石和植被覆蓋度的影響均小于前兩者，但均對防治地表風蝕起到較明顯效果。按風蝕量最大化的優(yōu)化組合為：植被0%、礫石25%、風速15 m·s^-1、挾沙。此方案中植被覆蓋度為0%，表明風速越大和挾沙風時植被的影響及防治效果更明顯。按風蝕量最小化的優(yōu)化方案組合為：植被25%、礫石0%、風速9 m·s^-1、凈風。此方案中礫石覆蓋度為0%，表明風速越小和凈風時礫石的影響及防治效果更明顯。

2. 3 驗證試驗

通過試驗檢驗單因素與正交試驗，并進一步對比分析植被和礫石覆蓋度對風蝕量的影響差異，結果如圖7～圖9。

2. 3. 1 大風速下的風蝕量變化

在風速15 m·s^-1時，凈風和挾沙風2 種條件下的礫石和植被隨其覆蓋度的變化而發(fā)生的風蝕量的對比分析結果表示，挾沙風時的風蝕量明顯高于凈風時的風蝕量，說明挾沙風對風蝕量的影響更大。而相同條件下礫石的風蝕量高于植被的風蝕量，即大風速下植被的防風蝕效果優(yōu)于礫石（圖7）。

2. 3. 2 中風速下的風蝕量變化

在風速12 m·s^-1時，凈風和挾沙風2 種條件下的礫石和植被隨其覆蓋度的變化而發(fā)生的風蝕量的對比分析結果表示，挾沙風時的風蝕量明顯高于凈風時的風蝕量，此時的風蝕量最大值是15 m·s^-1 風速時風蝕量的0. 38 倍，說明風速對風蝕量的影響非常大。而相同條件下礫石的風蝕量明顯高于植被的風蝕量，即中風速下植被的防風蝕效果優(yōu)于礫石（圖8）。

2. 3. 3 小風速下的風蝕量變化

在風速9 m·s^-1時，凈風和挾沙風2 種條件下的礫石和植被隨其覆蓋度的變化而發(fā)生的風蝕量的對比分析結果表示，挾沙風時的風蝕量明顯高于凈風時的風蝕量，此時的風蝕量最大值是12 m·s^-1 風速時風蝕量的0. 15 倍，說明風速對風蝕量的影響非常大。而相同條件下礫石的風蝕量小于或接近植被的風蝕量，即小風速下植被與礫石防治效果接近或礫石更好（圖9）。

此試驗結果與2.1 和2.2 相似。風速對風蝕量的影響最顯著；有挾沙風時風蝕量會顯著增強；在相同條件下對比礫石和植被覆蓋度對風蝕量的影響程度，風速越大和挾沙風時植被的防風蝕效果顯著高于礫石；風速越小和凈風時植被和礫石防風蝕效果相近或礫石的效果更好，從而說明了礫石和植被覆蓋度的防風蝕效果的差異及植被防風效果的顯著性。

3 討論

內蒙古S105 省道高速公路是穿沙漠，過草原，跨河湖，鉆山嶺的全國距離最長的一條省際大通道。研究區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候，環(huán)境惡劣，土地貧瘠荒涼，風沙大，年平均風速4. 2 m·s^-1，年降水量320 mm 左右，在錫林郭勒草原具有代表性。

據羲和能源大數據平臺統(tǒng)計數據，其來源于歐洲中期天氣中心的內蒙古錫林郭勒盟正藍旗自2021 年1 月1 日至2021 年4 月30 日的區(qū)域平均氣象數據中取每隔10 d 的最高地面風速及氣象數據（表3）。

依據所示氣象數據，本文試驗風速分別設為9、12、15 m·s^-1三種水平進行測試風蝕量，其風速范圍符合區(qū)域自然風速實際情況，風速水平設置合理，能切實反映當地春季自然風速對土壤風蝕的影響。

公路沿線土壤風蝕的主要影響因素有風速、挾沙、礫石覆蓋和植被覆蓋。風速和挾沙是土壤風蝕沙化的最主要因素，而礫石和植被是阻止風蝕的簡單有效措施，礫石選天然散落的小石子和鋪路碎石組成，植物選環(huán)境適生性強、耐旱耐貧瘠的當地一年生草本植物，能穩(wěn)固土壤、快速修復生態(tài)。本文研究結果表明，對風蝕量的主要影響因素排序為：風速gt;挾沙風gt;植被gt;礫石。風速和挾沙風對風蝕量的影響最大，但這是氣象環(huán)境客觀條件造成的，而礫石覆蓋和植被覆蓋的阻止風蝕效果對比分析結果為：挾沙風和50% 覆蓋度下，風速15 m·s^-1時礫石的風蝕量為植被風蝕量的3. 3 倍；風速12 m·s^-1時礫石的風蝕量為植被風蝕量的2. 8 倍；風速9 m·s^-1時礫石的風蝕量為植被風蝕量的0. 9 倍。這表明，在相同條件下風速越大時植被的防治效果顯著高于礫石，風速越小時植被和礫石防治效果相近或礫石效果更好。綜上所述，植被覆蓋的防治效果顯著優(yōu)于礫石覆蓋，且2 因素均隨覆蓋度的增加防治效果也隨之增強。

本文結論與其它相關研究成果基本相吻合。如王訓明等［29］在戈壁礫石覆蓋度與風蝕強度關系的研究中，發(fā)現風速變化比礫石覆蓋度的變化對風蝕強度有更大影響，礫石覆蓋度超過30% 時對風蝕有明顯抑制作用。王志強等［30］在礫石覆蓋與土壤風蝕影響研究中，發(fā)現礫石覆蓋度的增加與風蝕防護效率有對數規(guī)律，當礫石覆蓋度大于60% 時風蝕的抑制作用趨于穩(wěn)定。劉艷萍等［31］在植被對土壤風蝕影響研究中，發(fā)現在不同風速下的研究表明風速越大植被對地表的保護作用越明顯，18 m·s^-1 風速下植被覆蓋度對風蝕量的影響呈極顯著冪函數關系。余沛東等［32］發(fā)現在同一風速下隨植被蓋度的增加風蝕量呈階梯式下降，沙丘中的草本植被蓋度43% 以上時防風固沙效果較好等。諸多研究成果表明，風速對風蝕的影響很大；植被覆蓋和礫石覆蓋能有效防治風蝕；植被覆蓋在大風速下的防風蝕效果更顯著等，與本文研究結論一致。

本文對多發(fā)生挾沙風的北方公路沿線地帶風蝕的主要影響因素的分析及礫石和植被覆蓋2 種措施的防風蝕效果對比結果，為公路沿線土壤風蝕的防治提供理論依據，加入更多影響因素，如礫石的大小、植被的高低及因素之間交互作用等，將是下一步更深入研究重點。

4 結論

本文在風洞模擬環(huán)境下得出公路沿線土壤風蝕的主要影響因素的主次排序，植被和礫石覆蓋的影響程度、對比差異性及指標的最大化和最小化優(yōu)化組合。結果表明，對公路沿線土壤風蝕沙化影響最大的因素是風速，其次是挾沙，礫石覆蓋和植被覆蓋均有明顯影響，但受前2 個因素的影響表現效果有所變化。進一步比較分析后發(fā)現，植被覆蓋的防治風蝕效果優(yōu)于礫石覆蓋，有挾沙和大風速條件下植被防治風蝕效果明顯優(yōu)于礫石，而小風速和凈風條件下礫石防治效果更好或者兩者效果相近?？蔀楣费鼐€土壤風蝕的防治、降低風蝕沙化和穩(wěn)固土壤提供數據支撐和理論依據。在實踐應用中應開展現場實驗結合深入研究，全面驗證和補充，對礫石和植被覆蓋的最佳效益組合及建立模型定量化分析等更多問題有待進一步深入研究和完善。