仿真固沙灌木林與塑料網方格沙障防風固沙效能比較

王多澤,袁宏波,郭春秀,徐先英,劉虎俊,李學敏,劉開琳

(甘肅省治沙研究所,甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室,甘肅 蘭州730070)

我國沙漠化土地約為5.325×106km2,僅甘肅省河西走廊的風沙線就長約1600km,風沙危害是影響當地生態、居民生活和經濟發展的重要因素之一,建立灌木林是持續有效的防風固沙措施[1]。但是,在受水資源限制的干旱區,防風固沙灌木林的覆蓋度往往達不到防治風沙危害要求,因此沙障就成為一種十分必要和不可取代的防風固沙措施[2,3]。其中低立式(半隱蔽式)沙障是防止近地面風沙危害的一種功能獨特、效果顯著而被廣泛用于流動沙丘固定的有效方法。許多文獻對其治沙機制、材料和效益等進行了大量研究[4-7],提出了風蝕平衡的沙障固沙機理。沙障材料多就地取材,以黏土、麥草和蘆葦較為普遍。近年來推廣應用塑料和尼龍網等化學材料沙障,并對其防風固沙原理進行了探索,擴展了沙障治沙的應用,取得了良好效果[9,10]。仿真植物在園林綠化中已被廣泛應用,這類仿真植物側重于形態、觀賞和燈光的搭配。近年來也嘗試將仿真植物應用于治沙,風洞試驗結果表明仿真固沙灌木防風固沙效果良好[12]。我們將仿真固沙灌木加入到退化梭梭(Haloxylon ammodendron)林,形成仿真固沙灌木與梭梭結合的仿真固沙灌木林,達到較優空間結構和覆蓋度,提高灌木林防風固沙作用。對照觀測仿真固沙灌木林和塑料方格沙障防風固沙效能,比較分析兩者防風的異同,為其應用和防風固沙林機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

仿真固沙灌木仿照油蒿(Artemisia ordosica)等構型,以高分子聚合材料,添加抗老化劑加工而成,地上與地下部分總高度為80 cm,地上部分高50 cm,冠幅為50 cm×50 cm,冠幅覆蓋面積為0.79 m2,疏透度為30% ～40% ,高度20 cm以下枝條較密,疏透度為35% 左右。仿真固沙灌木無主干,所有主枝下部集中到一起,凝結于根部。根自上而下逐漸變細,直徑為3～4 cm,沒有任何側根。地上部分只分成二級枝序,主枝有20～25枝,自基部向梢處逐漸變細,枝的直徑為2～3 mm,主枝上不再分二級枝,直接在枝上連接葉,葉形呈披針形,每片葉等長,等寬;葉扁平,長7 cm,寬0.6～1.0 cm,每根主枝上有4～6片葉,葉充當一級枝,枝葉共同組成二級枝系的仿真固沙灌木。枝葉用鋼絲做成骨架,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形。

塑料網以高密度聚乙烯 (HDPE)為主要原料,添加抗氧化劑制作而成,塑料網孔隙度為37% ,寬20 cm。塑料網方格沙障由塑料網和固定樁兩部分組成,根據需要設置成不同規格沙障。塑料網方格沙障材料與結構已有詳細描述[10],在此不再贅述。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗區 野外觀測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 東南半固定沙丘上(38°37′44″N,102°55′10″E),試驗區概況可見文獻[3]。試驗區布設在一個比較大的固定和半固定沙丘鏈上,沙丘高3～5 m,總寬約300 m,沙丘中部坡度約13°;沙丘覆蓋塑料沙障的部分完全固定,約占沙丘總面積的1/4,其余大部分栽植了梭梭,形成稀疏梭梭林。

1.2.2 灌木林和塑料沙障 人工梭梭林的株高為2.0～2.5 m,株行距為3 m×3 m,平均冠幅1.5 m×1.5 m,冠幅覆蓋度約為19.6% ,枝下高0.8～1.5 m,沙面半流動。在梭梭林株間和行間各加入1株和1行仿真固沙灌木,形成株行距1.5 m×1.5 m的仿真固沙灌木為主的仿真灌木+梭梭灌木林,其冠幅覆蓋度平均達到45.8% 。

塑料網方格沙障設置規格為1.0 m×1.0 m,沙障疏透度為37% ,屬于透風結構型沙障,高20 cm,設置于沙丘迎風坡,試驗觀測時期的沙障內積沙平均厚度約10 cm,沙面固定。

1.2.3 觀測指標

(1)風速:在距灌木0.5 H(H為株高)的株前、株后、株間,將風杯按照20 cm、50 cm的高度固定于同一根固定桿上測定風速梯度值。在防護林前設置相同高度和梯度的風速對照觀測點。沙障內風速觀測點設在沙障中間,觀測高度與灌木林內和對照的高度相同。風速觀測使用野外便攜式防沙風速廓線儀(ZL 02261931.3),連續記錄風速變化,觀測高度分別為20 cm和50 cm,風速觀測記錄頻率為2 s,周期為100 min。利用所觀測風速計算相對風速或風速削減率(UΔ),計算公式如下:

式中UΔ為被測相對風速或風速削減率,US為對照風速,USO為障間或株后風速。

(2)輸沙率:在起沙風速下,分別觀測梭梭林、仿真固沙灌木+梭梭灌木林、塑料方格沙障和裸沙地單位時間的輸沙量。在灌木林的植株后100 cm處設置階梯式集沙儀,收集輸沙量,每5 min取一次樣。同時在沙障中間和流沙地,設置相同的集沙儀,收集輸沙量。階梯式集沙儀高100 cm,寬2 cm,共計50孔。輸沙率用下式計算:

式中:Q為輸沙率(g cm-1min-1),W為集沙質量(g),ΔT為觀測時間(min)。

2 結果與分析

2.1 風速削減率

無論是20 cm高度還是50 cm高度,仿真固沙灌木林降低風速率均是隨風速的增大而增加(表1、表2),降低風速值小于塑料網方格沙障。但是,隨著風速增加,仿真固沙灌木降低風速率與沙障降低風速率差異減小。在所觀測風速3.0～8.9ms-1范圍內,50 cm高度的仿真固沙灌木平均風速削減率較20 cm高度小30.27% ,塑料網方格沙障則為17.38% 。仿真固沙灌木林的風速削減率的變異系數(31.08% ～61.35% )小于塑料方格沙障削減風速率的變異系數(50.40% ～67.78% ),也就是說仿真固沙灌木林降低風速率相對塑料網方格沙障的變幅較小,能夠穩定地降低風速,具有防風作用。

在50 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料沙障風速削減率的差異性進行比較,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障風速削減率差異顯著(P＜0.05)(表1)。仿真固沙灌木最大風速削減率達44.97% ,而塑料沙障則可達64.26% 。在不同風速等級,仿真固沙灌木平均風速削減率不同,隨著風速增加,仿真固沙灌木與塑料方格沙障風速削減率的差值縮小。當風速為3.0～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風速率的差異為28.86% ,塑料方格沙障降低風速率的差異為24.89% 。隨著風速增加,塑料沙障降低風速率與仿真固沙灌木的差異變小。當風速從3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木和塑料方格沙障平均削弱風速差異從48.18% 減小為6.56% 。在風速為3.0～3.3ms-1時,仿真固沙灌木削弱風速率為塑料方格沙障的25% 。當風速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風速率是塑料方格沙障的80% 。

表1 50 cm高度的梭梭+仿真灌木林與塑料方格沙障削減風速率比較

在20 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障風速削減率差異不顯著(P＜0.05)(表2)。隨著風速從3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木風速削減率逐漸變大。仿真固沙灌木林與塑料沙障最小風速削減率最大差值為20.23% ,最小為3.35% 。在風速為3.0～3.3ms-1時,仿真固沙灌木風速削減率為塑料方格沙障的74% ;在風速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木風速削減率是塑料方格沙障的90% 。仿真固沙灌木平均風速削減率與塑料方格沙障平均風速削減率相差約6.56個百分點。在風速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木風速削減率較大。而塑料沙障則是風速為3.0～3.3ms-1時,風速削減率最大。

表2 20 cm高度的固沙灌木林與塑料方格沙障削減風速率比較

2.2 仿真固沙灌木林的輸沙率

在塑料網方格沙障、裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭等4種下墊面,除塑料網方格沙障外,裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林輸沙率隨高度變化為指數遞減(圖1),擬合方程的相關系數R2都大于0.9。在10 cm高度內,裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林的輸沙率分別占總輸沙率的79.62% 、83.21% 、86.76% ,而塑料方格沙障的只有41.48% 。梭梭林的輸沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林的1.5倍,裸沙地平均輸沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林輸沙率4.13倍,是梭梭林內輸沙率的2.49倍,是塑料沙障內輸沙率的28.08倍。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地輸沙率,具有防風阻固沙作用。

圖1 仿真固沙灌木+梭梭林、梭梭林、塑料沙障內和裸沙地的輸沙率模型

3 討論與結論

3.1 仿真固沙灌木林與塑料網方格沙障的不同高度的風速削減率差異不同。隨著風速增大,仿真固沙灌木降低風速率與塑料網方格沙障降低風速率差異變小。在風速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風速率達塑料方格沙障的80% 。在觀測高度50 cm處,仿真固沙灌木林的風速削減率和塑料網方格沙障風速削減率差異顯著,20 cm高度處則差異不顯著。這與仿真固沙灌木和塑料網沙障的結構相關,特別是兩者的迎風面疏透度相一致,仿真固沙灌木下部與上部的疏透度不同,20 cm高度以下疏透度約為35% ,其上部的疏透度也約為40% ,而塑料網方格沙障疏透度為37% ,是一種均勻結構的沙障,風速削減率相對較大。仿真固沙灌木的構型類似于植物結構。研究表明:植物增加地表粗糙度,改變地表流場,吸收風的動量,減弱風沙動能,從而起到防風固沙作用,而灌木個體及其林帶結構是影響防護效應的重要因素[11-18]。灌木林結構不同,防風固沙效能存在差異,這個結論已為眾多研究所證實[12-17]。仿真固沙灌木作為沙地上一種具柔性結構的障礙物,它與梭梭結合形成灌木林不僅增大了地表粗糙度,而且改變了灌木林結構,從而減弱風速。目前,國內外主要還是應用植被覆蓋度來確定防風固沙林標準,當植被覆蓋度大于40% ,流動沙地可完全固定[1,18]。而民勤流動沙地固定的植被覆蓋度則是大于30%[3]。本試驗的灌木林覆蓋度為45.8% ,達到了完全固定流沙的覆蓋度。在干旱區,降水量限制了單位面積內的雨養植被之植株數量及其覆蓋率,仿真固沙灌木加入覆蓋率只有19.6% 的梭梭灌木林,仿真灌木+梭梭灌木林的冠幅覆蓋度平均達到45.8% ,防風效益與塑料網方格沙障無統計差異,但仿真固沙灌木與灌木林配置還有待進一步研究完善。

3.2 仿真固沙灌木+梭梭灌木林的輸沙率隨高度變化為指數遞減。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地輸沙率,具有阻沙固沙作用。其輸沙率大于塑料網方格沙障,小于梭梭林和裸沙地。國內外學者研究結果都認為風沙流中沙量的垂直分布呈指數分布,氣流搬運沙量的80% 集中分布在0～10 cm高度內,含沙量的對數與高程之間具有良好的線性關系,即含沙量與高度之間遵循指數函數關系,輸沙量隨高度增加呈指數規律遞減[1,17,18]。仿真固沙灌木林的輸沙率垂直變化模型也是如此,也就是說仿真固沙灌木林的風沙運動與天然灌木林的風沙流運動規律相似,具有防風固沙效能。風沙流經過仿真固沙灌木林時,風速被削弱后,搬運能力下降,輸沙量減少。植物的阻沙作用與覆蓋度相關,當植被覆蓋度達到40% ～50% 時,風沙流中99% 以上的沙粒被阻截沉積[19]。民勤地區流沙固定的植被覆蓋度最小值為30%[2]。雖然,仿真固沙灌木+梭梭灌木林的覆蓋度超過了流沙固定的臨界值,但其輸沙率相對塑料網方格沙障還是較大。這與仿真固沙灌木的結構相關,仿真固沙灌木林+梭梭林的側影面積為0.02% ～39.0% ,變化范圍較大。而塑料網方格沙障側影面積為37% ,而且比較均勻,灌木林阻沙能力小于塑料網方格沙障,主要原因可能是其側影面積和結構不均勻,這需要進一步的觀測研究。灌木結構是三維復雜的,防風固沙功能受其地上形態結構、粗糙元密集度以及群落配置等多種因素影響,阻沙能力應綜合各參數進行評價,至今也沒有形成具有普遍意義的變化規律[11]。

應用仿真固沙灌木建立防風固沙工程不受氣候條件影響,見效快,具有四季防護的特點,并可重復利用。但是,生產成本相對來說較高,生產工藝還有待完善。另外,本研究所用仿真固沙灌木構型僅參考油蒿等灌木,其降低防風固沙效能相對小于塑料網方格沙障。作為一種新型固沙材料,仿真固沙灌木構型還有待深入研究,對其與各類固沙技術的結合還需要深入研究,以便提高其防風固沙效能。

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