風水復(fù)合侵蝕區(qū)植物防風作用的研究

張欣　尹瑞平　劉靜　王成龍　吳永勝　姚喜軍　 何京麗　邢恩德　郭建英　劉鐵軍　姍丹　劉艷萍　李澤坤

摘要 對風水復(fù)合侵蝕區(qū)兩種常見植物的四年生同齡沙棘和檸條植株采用人工移植的方法，利用HTSW18多通道風向風速監(jiān)測儀觀測林帶在不同株距和行距配置方式下的防風作用。結(jié)果表明，兩種植物林帶均能有效降低風速。在相同的株距和行距的情況下，檸條林帶防風效果明顯優(yōu)于沙棘林帶。兩種植物林帶均是隨著株距的減小，林帶的防風效果逐漸增大。隨著行距的增大，植物林帶的防風效果逐漸減小。兩種植物均增大地表粗糙度，檸條林帶對粗糙度的影響是對照點的25倍，沙棘是對照的17倍。

關(guān)鍵詞 風水復(fù)合侵蝕區(qū)；株距；行距；防風效果；地表粗糙度

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼A 文章編號 0517-6611（2015）11-235-03

風水復(fù)合侵蝕是在干旱、半干旱地區(qū)的一種侵蝕類型，該類侵蝕是在水力和風力兩種自然外營力的作用下，在某一特定區(qū)域內(nèi)形成水力侵蝕和風力侵蝕在時間上交替、在空間上疊加的侵蝕類型，其危害程度也常常大于單獨的風蝕與水蝕[1]。對于該類侵蝕地區(qū)而言，生物措施是最積極最有效的防治措施。因為植物的根系發(fā)揮著良好的固體抗蝕作用[2-4]，同時當氣流通過植被覆蓋的地表時，在植株的阻擋作用下，氣流穿越植株枝條時的摩擦和引起枝條搖晃擺動消耗了一些動能，使風速減弱，起到防治風蝕的作用；另外由于植物樹干及枝條的阻擋，氣流形成無數(shù)不定向的紊流，不同方向的紊流相互緩沖、抵消，使風力減弱或降低流動速度[5-6]。植被分解了運動氣流的剪應(yīng)力，減弱氣流對地表土壤的吹蝕，從而起到保護地表土壤防治風蝕的作用[8]。以往的研究表明，灌木防護林行帶式配置方式的防護效益優(yōu)于等行距配置林帶及隨機配置[9]，但具體的配置模式是生產(chǎn)實際中需進一步解決的問題。筆者針對這一問題設(shè)計了野外模擬試驗，為風水復(fù)合侵蝕區(qū)進行灌木防護林防護體系建設(shè)提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)境內(nèi)（108°41′ E，40°32′ N），海拔1 050 m左右。該地區(qū)氣候?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶约撅L氣候，降雨較少且集中，年平均降水量281 mm左右。年平均風速2.3 m/s，每年沙暴日數(shù)在21～55 d之間。年平均日照時數(shù)3 129.5 h，多年平均氣溫為5.6 ℃，全年無霜期為122～144 d。該地區(qū)主要植物種有油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）、沙柳Salix psammophila C.Wang et C.Y.Yang）、檸條錦雞兒（Caragana intermedia Kuang et H.C.Fu）、沙地柏（Sabina valgaris Ant.）、白沙蒿（Artemisia sphaerocephala Krasch.）等。

2 研究材料與方法

2.1 試驗場地及試驗材料該試驗場地選擇在內(nèi)蒙古億利公司獨貴塔拉鎮(zhèn)園區(qū)內(nèi)進行。為了克服常規(guī)野外測風試驗尋找理想試驗場地和被測林帶的困難，筆者采用模擬試驗的方法，即從人工大面積種植區(qū)把試驗樣株挖出，移栽到試驗場地，人工移動變化來達到不同配置的試驗要求。該方法具有布設(shè)靈活方便的特點，比較容易實施，同時造價也遠低于風洞模擬試驗。風速觀測場地選擇在一塊地勢平坦開闊的沙地上，沙地上無其他植被的生長。在風速觀測之前進行地形平整，使風速受地形影響較小。

在園區(qū)內(nèi)，試驗樣株選擇分布均勻、生長良好、無病蟲害的沙棘和檸條種植樣地，均為四年生植株。在樣地內(nèi)每種植物隨機選擇120株，采用整株挖掘。挖掘出植株后，人工移運到試驗場地，按試驗需求模擬種植成行帶狀。為了消除邊緣效應(yīng)對林帶觀測點上觀測數(shù)據(jù)的影響，模擬種植的生長林帶需長于50 m。

2.2 風速觀測風速測定儀器使用HTSW18多通道風向風速監(jiān)測系統(tǒng)，所測出的風速為瞬時風速和平均風速。測定儀器瞬時風速測量范圍0～70 m/s，啟動風速0.1 m/s，風速觀測精度±0.3 m/s，試驗儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)置間隔為1 min，每次觀測時間1 h。

風速野外觀測的時間在4月25日～5月5日，因為這個時期是研究區(qū)大風季節(jié)，是風水復(fù)合侵蝕區(qū)發(fā)生風力侵蝕最嚴重時期。在這個時期灌木林帶起到明顯的抗風蝕作用，也是風速觀測的最佳時期。

2.3 風速分析方法防風效果用相對風速來表示。采用下式計算防風效果：Exz=（uoz- uxz）/uoz[10]，式中，Exz為防風效果，即林內(nèi)x處、高度為z處的風速占曠野對照風速的百分數(shù)，uoz為同一高度曠野的平均風速，uxz為林內(nèi)x處、高度為z處的平均風速。

地表粗糙度是近地表風速為零的高度，它是反映地表對風阻抗的重要參數(shù)。計算粗糙度公式如下[11]：logz0 = （v1logz2-v2logz1）/（v1-v2）。式中z1、z2為觀測高度值（cm），u1、u2為高度z1、z2處的風速（m/s），z0為地面粗糙度（cm）。該研究中z1、z2分別取200和50 cm高度。

3 林帶株距對防風作用的影響

3.1 植株的布設(shè) 為了研究不同株距對風速影響作用，采用單帶一行的種植方式，設(shè)定株距D=0.5、1.0、1.5和2.0 m。模擬的4 種不同株距植物林帶的疏透度采用

數(shù)碼相機正面拍照，照片用Photoshop 軟件處理求得。結(jié)果表明，沙棘株

距為0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分別為72%、78%、85%和88%；檸條株距為0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分別為60%、67%、75%和80%。在布設(shè)的林地后和曠野對照分別

布設(shè)觀測點，風杯觀測高度為0.5和2.0 m，具體布設(shè)方法如圖1。

3.2 株距對防風效能影響對兩種植物不同株距的布置方式進行1 h的風速觀測，計算出風速平均值，并根據(jù)防風效能計算公式計算出林帶的防風效果，結(jié)果見表1。

通過方差分析（ANOVA），不同株距的2種植物的防風效應(yīng)，樹種之間差異性極顯著（α<0.000 1），說明植物種對防風效能有著重要的影響；株距的差異性顯著（α=0.000 1），說明植株株距不同，變化規(guī)律也不同，株距對防風效能的影響顯著。測點間防風效能有較大差異，因為隨著林帶后距離的增大，風速逐漸恢復(fù)到曠野的風速值，各個測點間的防風效能差距較大。

由表1可知，兩種植物不同株距的單帶布設(shè)方式均能有效降低風速，均在林帶后1H處防風效能最大，隨著林帶后距離的增大，防護效能逐漸降低，風速值也逐漸恢復(fù)到曠野風速。在相同的株距條件下，檸條的防風效果優(yōu)于沙棘。對于不同的株距，總體趨勢為隨著株距的減小，防風效能逐漸增大。

3.3 株距對粗糙度的影響研究 在每個測點根據(jù)200和50 cm高處風速值，利用粗糙度公式計算出不同株距下林帶背后的粗糙度。計算粗糙度時，風速統(tǒng)一選擇曠野對照風速在2 m高處為6 m/s時的風速值。粗糙度在一定程度上反映林帶的抗風蝕作用，結(jié)果見圖2。由圖2可知，兩種植物均顯著增大了粗糙度，均明顯大于曠野對照的粗糙度，其中檸條增大幅度最明顯，在株距為0.5 m時，林帶后1H處增大幅度最大，是對照數(shù)值的25倍；沙棘增大幅度較小，林帶后1H處曠野粗糙度是對照的11倍。

4 林帶行距對防風作用的影響

4.1 植株的布設(shè)為了研究不同行距對風速的影響，筆者采用雙行一帶的種植方式。為了消除株距對風速的影響，模擬的雙行一帶林帶株距均為1 m，設(shè)定行距L=1、2和3 m，兩帶植株帶與帶之間的個體布設(shè)呈“品”字型配置。在布設(shè)的林地后和曠野對照分別布設(shè)觀測點，具體布設(shè)方法如圖3。

4.2 行距對防風效果影響對2種植物3種行距林帶的布置方式進行1 h的風速觀測，計算出風速平均值，并根據(jù)防風效能的計算公式計算出林帶的防風效果，結(jié)果見表2。

方差分析（ANOVA）表明，林帶行距、植物種類和試驗測點位置對植株林帶防風效果影響差異性極顯著（α<0.000 1），說明在3種行距布設(shè)方式下兩種植物防風效果變化規(guī)律顯著不同。由表2可知，每種植物在林帶背風面1H～7H范圍內(nèi)，防風效果均隨著林帶行距的增大而減弱，在林帶背風面7H～9H的范圍內(nèi)，行距大的林帶背風面防風效果大于行距小的林帶，說明林帶行距大的配置能夠延緩林帶背風面防風效能的衰減。對于兩種植物，隨著行距逐漸增大，林帶的防風效果逐漸減弱。在相同的行距下，檸條林帶的防風效果大于沙棘林帶。

4.3 行距對粗糙度的影響研究 由圖4可知，兩種植物林帶對地表粗糙度明顯增大，隨著林帶行距增大，林帶背風面的地表粗糙度影響逐漸減小。兩種植物林帶在3種行距下均在背風面1H處的粗糙度為最大，隨著距林帶距離增大而逐漸減小。行距為1 m時，兩種植物林帶對地表粗糙度的增大最明顯。兩種植物林帶當行距為1 m，林帶后1H處地表粗糙度最大，其中檸條林帶是對照的42倍，沙棘林帶是對照

的17倍。

5 結(jié)論與討論

在4種株距的單行單帶布設(shè)方式下，兩種植物林帶均能有效降低風速，均在林帶后1H處防風效能最大。隨著株距

的減小，防風效能逐漸增大。在相同的株距情況下，檸條的防風效果優(yōu)于沙棘。不同株距林帶均有效增加粗糙度，檸條林帶后1H的粗糙度是對照的25倍，沙棘1H處的粗糙度是對照的11倍。兩種植物在3種行距配置下，隨著行距的增大，林帶背風面的防風效果和地表粗糙度逐漸減小；行距為1 m的林帶后1H處地表粗糙度最大，其中檸條林帶是對照的42倍，沙棘林帶是對照的17倍。

林帶的防風效能主要影響因子是林帶的透風系數(shù)，影響林帶透風系數(shù)的因素也很多，主要有密度、覆蓋度、株型、冠幅、株高、分枝數(shù)[12-13]等，其中株距不同，林帶的透風系數(shù)不同。由于透風系數(shù)較難觀測，株距間接反映植物的透風系數(shù)，不同植物株距與其透風系數(shù)的關(guān)系有待進一步的研究。根據(jù)試驗可知，林帶防風作用總體規(guī)律基本為株行距越小，防風效能越大。但在實際的生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程中，不僅要考慮林帶起到的防風效能作用，同時也應(yīng)考慮林帶的耗水量。

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責任編輯 宋平 責任校對 李巖