兩種仿真固沙灌木防風效應的野外觀測

劉虎俊，朱國慶，郭春秀，馬 瑞，孫 濤，王多澤，袁宏波，李學敏，劉開琳

我國干旱區面積約占陸地面積的32.8%，風沙是引發該區域自然災害的重要因素之一［1］。控制風沙危害對于干旱區工農業生產和人居環境改善具有重要意義。防風治沙依其所用材料，可分為工程（機械）治沙和生物治沙，而工程（機械）治沙則主要應用沙障防風固沙。植物治沙措施往往需要以工程措施為前提，植物治沙技術的應用必須有工程措施的輔助［1－3］。在干旱缺水地區，生物措施經常無法實施，或強行應用植物治沙，這不但沒能起到防沙治沙的作用，反而大量消耗地下水，成為植被退化、土壤風蝕、環境惡化的隱性因素［4］。國內外對于沙障材料及其防風固沙原理的研究不斷探索與完善，然而因為環境嚴酷性和多樣性，效益高的沙障材料相對還是比較少，國內沙障所用材料主要還是蘆葦、麥草和黏土等，存在易老化、運輸及施工困難等缺點［5－10］，選用新材料替代傳統的固沙材料已經成為防沙治沙中亟待解決的重要問題。現在已有塑料、尼龍網等新型材料沙障應用于防風固沙［11］，但因成本較高，殘留影響環境等問題而無法大面積推廣使用。仿真植物在園林綠化中已經使用，這類仿真植物側重于形態、觀賞和燈光的搭配，運用于防風固沙領域的仿真植物研究則更少［12］。仿真固沙灌木結合多種植物構件優勢組合而成，是化學固沙的立體化，也是植物固沙的工程優化。應用仿真固沙灌木建立防風固沙林，“植株”隨時可以移動，配置結構基本不受立地條件限制，極大方便了防風固沙林效能研究，也為灌木林防風固沙機理的野外模擬研究提供了材料，是一種植物固沙原理與機械固沙方法的嘗試性結合。本研究對所觀測的兩種類型仿真固沙灌木在野外條件下的配置及組合的風速進行分析，探討兩種仿真灌木防風固沙林的作用、影響因子及其相互關系，確定仿真固沙灌木防風固沙功能，為其在干旱區風沙危害防治、固沙林建立與應用研究提供參考。

1 研究區概況

試驗觀測地設在我國西北干旱荒漠區的甘肅省民勤治沙綜合實驗站。該區域年平均降水量116.2 mm，年平均蒸發量2 643.9mm；年平均有風的記錄占99.23%，≥5.0m／s起沙風占全年有風日數的13.08%，4—5月份為大風和沙塵暴多發月份。其境內沒有地表水，通過大量開采地下水來維持農業生產，造成了區內地下水位降低，已經由建國初期的1～3m下降到2007年的22.66m［4］。在地下水位不斷下降的背景下，生物治沙措施的應用受到限制，沙障應用已成為該區域防風固沙的重要而成功的措施。

2 研究方法

2.1 試驗地選擇

野外觀測實驗場設在甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站的近地面風沙觀測場附近（38°37′44″N，102°55′10″E）。實驗布設在兩個流動的新月形沙丘鏈上，處于上風向（NW風）的沙丘高約5m，總寬230m，迎風坡寬約160m，沙丘中部坡度約13°；處于下風向的沙丘高約6m，總寬260m，迎風坡寬約120m，沙丘中部坡度約18°；丘間距寬約300m，分布蓋度約5%的沙蒿（Artemisia sphaerocephala），為假戈壁，地面平坦。觀測場周圍建有永久性氣象站，設有高50m的沙塵暴觀測塔，地面布置垂直集沙儀和風速梯度觀測系統等。

2.2 試驗材料與試驗設計

2.2.1 試驗材料 仿真固沙灌木（也稱為“灌木形沙障”）是以高分子聚合材料，添加抗老化劑加工而成。仿照天然灌木構型，兩種仿真固沙灌木都為無主干型，無主干，所有主枝下部集中到一起，凝結于根部。根部做成獨根，根自上而下，逐漸變細，直徑為3～4cm。

有葉仿真固沙灌木只分成二級枝序，葉充當二級枝，主枝有20～25枝，主枝等長，自基部向梢處逐漸變細，枝的直徑為2～3mm，主枝上不再分二級枝，直接在枝上連接葉，每片葉等長，等寬；葉扁平，長7cm，寬0.6～1.0cm，葉形呈披針形，每根主枝上有4～6片葉，葉充當一級枝。枝葉共同構成仿真固沙灌木構型及枝序結構，形成無主干，枝葉共同組成二級枝系的仿真固沙灌木。在制作時，首先根據設計用鋼絲做成骨架，枝葉內所包裹的鋼絲粗度相同，使仿真固沙灌木的整個植株和枝系能夠按設計開合、挺立，并具有韌性，在風吹過后仍能夠保持原型。然后注塑，枝做成圓形，葉則做成扁平的披針形，整株仿真固沙灌木的骨架為鋼絲，所以可以集束，將其運至應用現場時，可以根據天然灌木的分枝角度，按需要將整體植株分開。參考所觀測分析灌木的分枝角、枝的方向和葉的方向進行組合，可以形成多種構型的“灌木”。為了說明仿真植物的特性，應用植物防風效益參數［12－15］，計算仿真植物的側影面積等參數。有葉仿真固沙灌木為半球形，高0.50m，完全展開的冠幅覆蓋面積為0.79m2，疏透度28.5%。有葉仿真固沙灌木的側影面積等于白刺（Nitraria tangutorum），小于花棒（Hedysarum scoparium）、沙蒿和紅砂（Reaumuria kaschgarica），約是梭梭側影面積的1.19倍，約是沙拐棗（Calligonum mongolicum）的1.04倍（表1）。

無葉仿真固沙灌木構型主要參考沙蒿的結構與枝系格局，但沒有任何葉結構，只用枝構成仿真固沙灌木。無葉仿真固沙灌木為無主干叢形，地下與地上部分總長度為80cm，地上部分高40cm，分為三級枝序，第三級枝全部集中到一起，凝結于根部；根與有葉型仿真固沙灌木相同，做成直根，沒有二級根，沒有任何側根，根直徑為3～4cm；各級枝序內枝等長，三級枝有20枝，長度為40cm，自基部向枝梢逐漸變細，枝的直徑為2～3mm，三級枝上連接二級枝，二級枝等長，長度為15cm，枝的直徑為1～2mm；一級枝長5cm，枝的直徑為1mm；每枝三級枝上有3枝二級枝，每枝二級枝上有9枝一級枝，形成無主干，三級枝系的仿真固沙灌木。在制作時，首先根據設計用鋼絲做成三級枝和二級枝組成的植株骨架，三級枝和二級枝內所包裹的鋼絲粗度相同，鋼絲做成灌木雛形后再注塑，二級枝和三級枝做成圓形、通直，但可以根據需要彎曲成不同形狀，使仿真固沙灌木的整個枝系能夠隨意成形，并可挺立，具有韌性；一級枝內沒有鋼絲，一級枝做成25°的曲度。整株仿真固沙灌木的骨架為鋼絲，可以集束，當將其運至應用現場時，根據天然灌木的分枝角度，按需要將整體植株分開形成相同高度梯度和形狀的仿真固沙灌木。仿真固沙灌木為無主干多分枝灌木形態，具有韌性，在風吹后仍能夠保持原型。無葉仿真固沙灌木地上高度為40cm，冠幅為40cm×40cm，冠幅覆蓋度為0.50m2，疏透度34.5%。無葉仿真固沙灌木的側影面積等于沙蒿的0.78倍，是梭梭的1.85倍，沙拐棗的1.63倍，紅砂的1.18倍，白刺的1.56倍，花棒的0.42倍，有葉仿真固沙灌木的1.56倍（表1）。

表1 沙旱生灌木與仿真固沙灌木的粗糙元密集度及冠幅覆蓋度比較

2.2.2 計算指標 植物真正擋風效應來自于迎風方向的側影面積，垂直投影面積比率（覆蓋度）并不能準確描述植物擋風阻沙效應，基于植物側影面積的粗糙元密集度更適合描述植被覆蓋對地表的保護［15－20］。在野外觀測過程中，發現相對疏透度植物側影面積也更容易測定。因此，本研究主要引用側影面積和粗糙元密集度來描述植被特征，比較分析植物的防風效應。

（1）側影面積（A）。側影面積為植株平均高度與之迎風面寬度乘積，計算公式為：

式中：Hi——植株第i段高度；Wi——第i段迎風面寬度。

（2）粗糙元密集度（Lc）。粗糙元密集度為單位面積內的植物側影面積，計算公式為：

式中：Ps——地表面積S內的植株數目；As——植株的平均側影面積。

（3）相對風速或風速削減率（UΔ）。計算公式為：

式中：UΔ——被測者相對風速或風速削減率；Us——對照風速；Uso——林中或株后風速。

2.2.3 試驗設計 觀測時間為2009年10月和2010年5月，觀測和測定內容包括：使用野外便攜式防沙風速廓線儀（ZL 02261931.3）觀測記錄，觀測高度為0～1m，每10cm設置一組風杯，觀測記錄風速。在沙丘迎風坡下部（距坡腳3m）、中部（距坡腳13m）和上部（距坡腳23m）的沙障內分別設置觀測點，對照設在相應沙丘中部的裸沙地上，觀測期的風速區間為3.00～10.70m／s。當沙面有明顯流沙活動時進行風速記錄，記錄間隔為每2秒1次，數據處理應用軟件Excel進行對比分析。仿真固沙灌木林的設置參考植物防風固沙林相關的研究結果［16－20］，設置成完全固定流沙的林地。根據民勤流沙固定80%所需植被覆蓋度為30%［4］，計算灌木株數，同時計算粗糙元密集度，比較仿真灌木結構特征（表1）。選擇了高度和冠幅及大體形態與仿真固沙灌木相近的沙蒿比較兩者下風向風速與曠野風速變化。因沙蒿有葉，其樹冠密度大于仿真固沙灌木，疏透度約為40.0%。

3 結果分析

為了比較仿真固沙灌木的防風效應，野外觀測了單個仿真固沙灌木周圍的風速變化，選擇沙蒿作為對照植物。在野外選擇高度與仿真固沙灌木相近的沙蒿，將無葉仿真固沙灌木、有葉仿真固沙灌木和沙蒿設置在同一水平線上，在下風向距仿真固沙灌木和沙蒿不同間距觀測不同高度的風速，同時曠野觀測風速作為對照。所觀測風的風向為WN或N風，與當地主風向一致。

3.1 兩種仿真固沙灌木與沙蒿對風速影響比較

通過對兩種仿真固沙灌木和與其高度和冠幅相似的沙蒿上風向與下風向風速觀測，計算風速變化率，分析防風固沙效應。

3.1.1 無葉仿真固沙灌木削減風速 觀測下風向1 H（H為仿真固沙灌木或沙蒿高度，下同）的風速，沙蒿的平均風速變異系數為36.43%，大于仿真灌木。當風速為5.1～6.2m／s和3.0～3.3m／s，40cm 高度的仿真固沙灌木平均削弱風速都大于沙蒿。在風速為5.1～6.2m／s時，20cm高度的仿真固沙灌木平均削弱風速大于沙蒿，最大為1.1倍。當風速為3.0～3.3m／s，40cm高度的沙蒿降低風速是仿真固沙灌木的4.5倍。但兩者降低風速率差異不顯著（圖1）。對于不同的風速等級，無葉仿真固沙灌木和沙蒿都可削弱風速。

圖1 無葉仿真固沙灌木和沙蒿不同高度的風速削減率比較

3.1.2 有葉仿真固沙灌木削減風速 有葉仿真固沙灌木對風速的平均削減率達到了15.79%，最大削減風速率達50.23%。沙蒿最大削減風速率為62.10%。當風速為5.1～5.5m／s，在20cm高度，仿真固沙灌木平均削弱風速分別是3.3～4.8m／s和2.2～3.3 m／s的1.0和0.5倍。在40cm高度，風速為5.1～5.5m／s，3.3～4.8m／s和2.2～3.3m／s，仿真固沙灌木平均削弱風速分別是沙蒿削減風速率的0.67，0.91和0.60倍。在5.1～5.5m／s風速范圍，有葉仿真固沙灌木平均削減風速率最大，是2.2～3.3m／s風速變化范圍削減風速率的2.8倍。在40cm高度，沙蒿降低風速最大的風速等級范圍在3.3～4.8m／s，而仿真固沙灌木降低風速最大的風速等級范圍是5.1～5.5m／s。但統計分析結果顯示有葉仿真固沙灌木和沙蒿降低風速率差異不顯著（圖2）。

圖2 有葉仿真固沙灌木和沙蒿不同高度的風速削減率比較

3.2 兩種仿真固沙灌木對風速影響比較

統計分析有葉和無葉仿真固沙灌木在40cm高度的相對風速，無葉仿真固沙灌木平均削減風速率為15.92%，而有葉仿真固沙灌木削減風速率則為14.95%（表2）。雖然兩種仿真固沙灌木削減風速率有所不同，但統計分析的差異性不顯著（p＜0.05）。在可信度p＜0.1，則兩種仿真固沙灌木減弱風速率的統計分析結果差異性為較顯著。在不同風速等級，無葉仿真固沙灌木和有葉仿真固沙灌木平均削減風速率不同。風速為2.2～3.3m／s，無葉仿真固沙灌木平均削減風速率約為有葉仿真固沙灌木平均削減風速率的2倍，但差異不顯著（p＜0.05）。在風速為3.3～4.8m／s，有葉仿真固沙灌木削減風速率大于無葉仿真固沙灌木，但差異也不顯著（p＜0.05）。有葉仿真固沙灌木和無葉仿真固沙灌木平均削減風速率變異系數相差39.03%，有葉仿真固沙灌木降低風速能力相對比無葉仿真固沙灌木穩定。在風速5.1～5.5 m／s范圍時，有葉仿真固沙灌木削減風速率大于無葉仿真固沙灌木，但是t檢驗結果表明，二者差異不顯著（p＜0.05）。

表2 有葉仿真固沙灌木與無葉仿真固沙灌木削減風速率的差異性檢驗

4 結論

（1）仿真固沙灌木根據植物固沙原理，綜合油蒿、梭梭和花棒等多種灌木結構與形態，采用高分子聚合材料加工而成，兼有機械沙障和灌木優點，是一種新型防風固沙材料。但是目前植物防風固沙體系設置以及效益估算都是以植被覆蓋度［1，16－20］為前提，參考對民勤地區流沙固定的植物覆蓋率進行仿真固沙林設置，結果計算的防風固沙林植株數量偏大。通常植物防風效能都應用疏透度進行比較，近年來應用側影面積和粗糙元密集度等指標進行植物防風效應分析。本研究引用側影面積和粗糙元密集度比較分析仿真灌木防風效益，分析結果表明，疏透度和側影面積變化與防風效能相一致。有葉仿真灌木側影面積小于無葉仿真灌木也小于沙蒿，但風速削減率較大，其疏透度為28.5%小于無葉仿真灌木和沙蒿，這與防護林帶疏透度為30%的防風效能最佳［21］的結論相近。有葉仿真固沙灌木側影面積為0.025m2，應該是相對較優的仿真灌木參數指標。側影面積和粗糙元密集度相對比較容易觀測與計算，應用其分析植物防風效能方便準確。

（2）仿真固沙灌木與沙蒿平均削弱風速率比較相對較低，但統計分析結果差異不顯著。在不同風速條件下無葉仿真固沙灌木降低風速率變異系數較小，較沙蒿更能穩定的降低風速。在40cm高度，有葉仿真固沙灌木削減風速率最大的風速范圍是5.1～5.5m／s。沙蒿降低風速最大的風速范圍是3.0～4.8m／s。在風速為2.2～3.3m／s時，高度和冠幅相近的沙蒿降低風速率小于有葉仿真固沙灌木，這主要是其構型和枝系格局以及冠內分枝密度不同。仿真固沙灌木不同高度和不同風速的降低風速率不同，其構件、枝系結構和形狀與天然灌木比較還有待優化。

（3）無葉仿真固沙灌木的平均防風效能低于有葉仿真固沙灌木，二者消減風速率都隨風速增加而增大。但是，在20cm高度，無葉仿真固沙灌木最大降低風速達75.08%，有葉仿真固沙灌木最大削減風速率達50.23%。無葉仿真固沙灌木和有葉仿真固沙灌木的冠形都是半球體，但兩者的枝系格局不同，在風速較低時，無葉仿真固沙灌木削減風速率高于有葉仿真固沙灌木，而當風速大于5m／s時，有葉仿真固沙灌木削減風速率則較大。有葉仿真固沙灌木只有兩級枝，但二級枝類似于葉，風速降低率較大，其枝葉中都有鋼絲，枝條彈性較低，對風的阻障作用相對較大。證明了唐艷等［20］提出的冠層形態、莖枝的柔韌性、葉片的形態特征種因素導致不同植物類型阻沙能力的差異，植物柔韌性影響其防風固沙功能，也說明阻沙體結構復雜程度決定其防風阻沙能力大小。這與國內外大多研究結果相一致［14，17］。

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