半隱蔽式沙柳沙障的防風阻沙效益

蒙仲舉，任曉萌，高 永

（1.內蒙古農業大學 生態環境學院，內蒙古 呼和浩特010019；2.內蒙古氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特010051）

在流沙的治理措施中，工程措施治標，生物措施治本，工程措施和生物措施有機地結合，可以從根本上達到治理流沙的目的。機械沙障是最主要的工程措施之一［1－3］。

近年來，沙障防風阻沙效益的研究取得了很大進展［4－5］。高永等［6］對沙柳沙障的防風固沙效益研究結果表明，不同規格沙障防護效益，在大風條件下，小規格沙障的成本效益高于大規格的沙障；在小風條件下，大規格沙障的成本效益高于小規格的沙障。屈建軍等［7］對半隱蔽式格狀沙障綜合防護效益的研究表明，半隱蔽式格狀沙障不僅對沙地土壤改良有顯著作用，而且還可以調節局部地區小氣候，半隱蔽式格狀沙柳沙障的防護效益由其材料性質、成本、勞務和風沙流場性質、地形條件以及防沙功能等多種因素決定，同時其高度、規格、緊密性、設置方法等直接影響防沙體系的穩定［7－9］。

為此，充分考慮到風沙流場特性以及不同地形部位的影響，本試驗于2006年4—5月，在毛烏素沙地進行。試驗設置了15，25，35cm這3種高度，1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m 這5種規格的半隱蔽式格狀沙柳沙障，旨在通過對比分析不同高度、不同規格的方格沙柳沙障的防風阻沙效益，篩選出適宜當地的沙障規格，以期對沙區的機械沙障防沙治沙提供技術支撐。

1 試驗區概況

試驗地位于毛烏素沙地的東北緣內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮納林塔境內，地理坐標為110°04′06″—110°04′11″E，39°50′54″— 39°50′60″N。該區廣泛分布著固定、半固定沙丘，沙丘形態有新月型沙丘、新月型沙丘鏈、格狀沙丘以及平沙地，平均海拔1 100～1 300m。屬干旱、半干旱大陸性季風氣候。年均氣溫為5.5～9.1℃，極端最高氣溫為31～39℃，最低為－33℃，氣溫年較差為33℃，有效積溫為3 200～3 800℃，無霜期為164～180d，年降水量為370～410mm，年日照時數為2 600～2 900h。風大且頻繁，以西北風為主，持續時間長，年平均風速3.6m／s，最大風速為24m／s，年大風日數為13～15d，年沙塵暴日數約為11～25d，最多可達37d。土壤類型為風沙土。該區沙地植被占絕對優勢，主要植物種有沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia arenaria）、沙 竹 （Psammochloa villosa）、沙 米〔Agriophyllum Squarrosum〕、叉 子 圓 柏 （Sabina vulgaris）、小葉楊（Populus simonii）、旱柳（Salix matsudana）、中間錦雞兒（Caragana intermedia）、華北白前（Cynanchum mongolicum）等。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗設計

根據地形選擇較為平緩的Ⅰ，Ⅱ號兩個大沙丘，沙丘高度、走向、面積等參數基本相似。在沙丘迎風坡分別設置1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m這5個不同規格的沙柳沙障。沙障孔隙度控制在45%，沙障外露高度分別設置15，25和35cm這3種高度，每一種規格的沙障都是從沙丘的基部一直設置到沙丘的頂部，方格沙障的長邊走向與當地的主害風向（NW）垂直。以裸沙丘作為對照（CK）。

沙障設置完成后，在自然狀態下 ，大于起沙風速（5m／s）的風對試驗區的沙障吹蝕7d，致使障格內形成較為穩定的凹曲面，之后進行觀察。

2.2 測定方法

2.2.1 機械組成測定 設置沙障前，在沙丘坡中取0—5cm表層沙樣作為背景值。待障格內形成穩定的凹曲面后，分別在沙丘迎風坡沙障障格中心和4個邊角取表層土樣進行混合。

采用篩分法與比重計法測定其機械組成，粒徑劃分標準采用中國沙物質粒徑劃分標準（表1）［10］。

表1 中國沙物質粒徑劃分標準 mm

2.2.2 風沙流測定 在不同處理的坡底、坡中和坡頂等位置，使用多路風速風向自動采集儀測定2，0.5m兩個垂直高度風速。輸沙量觀測的時間視風速大小、輸沙強度而定，一般3～10min。帶回室內用1／1 000的天平稱重，計算輸沙率。根據2和0.5m高度處風速的實測資料，利用統計的方法舍去離散較大的數據后用以分析不同下墊面的地表粗糙度［4］。

2.3 沙障成本效益分析

結合當地的實際情況對其防護效益進行分析，單位面積內的延長米用沙障兩個相鄰邊長的和（L）除以沙障的面積（S）來計算［6］：

式中：L——沙障兩個相鄰邊長的和（m）；a，b——沙障的邊長（m）。下同。

式中：S——沙障面積 （m2）；a，b——沙障的邊長（m）；M——單位面積內的延長米。下同。

沙障的成本效益（即：單位延長米的防護效益）用式（4）計算：

式中：D——成本效益；Q1——裸沙丘表面的輸沙率；Q2——沙障內的輸沙率。

3 結果與分析

3.1 沙柳沙障內土壤機械組成分析

風沙流是一種貼近沙面的沙物質搬運過程，它是風沙活動的最基本形式，又是各種風沙地貌形成和演變的主要動力條件［10］。圖1是不同規格沙柳沙障內土壤0—5cm層機械組成分析結果。與對照相比，鋪設沙障后0.5～0.25mm沙粒含量增加7.22%～18.60%，＜0.05mm 粉沙含量增幅較緩，而0.25～0.1mm的細沙含量減少9.72%～21.60%。從圖1可以看出，1m×2m和1m×1m兩種規格沙柳沙障中，粗沙含量減少0.19%～0.21%，中沙含量降低10.82%～13.30%，細沙含量增加6.80%～8.90%。當沙柳沙障外露高度為15cm時，中沙含量與對照相比減少0.39%～4.56%，粉沙含量減少2.78%～4.47%，而細沙含量增加1.08%～8.95%。

綜上所述，沙障高度不同，改變過境氣流的運動狀態，從而在沙表面產生侵蝕、堆積現象，導致地表沙物質機械組成發生變化。

3.2 沙柳沙障對風速的影響

在流動沙丘設置半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系，既可增加地面粗糙度，阻止風沙流風蝕公路邊坡，又可降低地面風速，從而達到防風阻沙的目的。從表2可以看出，所設的5種規格的沙障，1m×0.5m沙柳沙障的地表粗糙度最大，其中2m×3m規格沙障的粗超度最小，粗糙度變化規律整體呈現出隨著沙障規格增大而減小，并且規格之間的差異在沙柳沙障外露高度越低表現越為明顯。多重均值檢驗結果顯示，規格越大，地表粗糙度越低，其中2m×2m規格可以視作一個轉折點，低于此規格粗糙度急劇降低。

3.3 沙柳沙障的防護效益分析

沙柳沙障的成本效益分析結果見表3。由表3可以看出，沙障規格越小，沙障的輸沙率越小，1m×0.5m規格沙障的輸沙率僅為78.86kg／（h·m2），而2m×3m規格的沙柳沙障的輸沙率高達629.77kg／（h·m2）。與對照相比，5種規格的半隱蔽沙柳沙障均表現出了較好的阻沙效應。同時可以看出，1m×2m和2m×2m兩種規格的輸沙率較為接近。在此，兼顧防風阻沙和成本等方面綜合考慮，對沙障的成本效益進行分析，結果顯示：沙障規格越小，防風阻沙效應越大，然而成本效益越低。因此，結合當地的自然條件和經濟狀況，2m×2m規格的半隱蔽式格狀沙柳沙障防護效益較好，是適合于當地的一種設障規格。

表2 不同規格沙障的粗糙度

表3 不同規格沙柳沙障的防護效益計算

4 結論

設置沙柳沙障初期，對地表沙物質的機械組成產生不同程度的影響，鋪設沙障后地表土壤中細粒物質含量也在增加，土壤的物理性質得到改善。

沙障規格越小，防風阻沙效應越大，然而成本效益越低。結合研究區的自然條件和經濟狀況，2m×2m規格的半隱蔽式格狀沙柳沙障是適合于當地的一種設障規格。

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