兩種不同配置灌木林防風固沙效益

劉虎俊, 袁宏波, 王多澤, 劉淑娟, 郭春秀,馬 瑞, 李學敏, 劉開琳, 萬 翔, 李菁菁

(1.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省部共建國家重點實驗室培育基地 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農業大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070)

兩種不同配置灌木林防風固沙效益

劉虎俊1,2, 袁宏波1, 王多澤1, 劉淑娟1, 郭春秀1,馬 瑞2, 李學敏1, 劉開琳1, 萬 翔1, 李菁菁1

(1.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省部共建國家重點實驗室培育基地 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農業大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 探討退化梭梭(Haloxylonammodendron)林和仿真灌木+梭梭灌木林對風沙流的風速、輸沙通量及其沙粒的分布影響，為干旱區退化的防風固沙林功能恢復和建立提供參考。[方法] 同時測定不同高度下裸沙地、仿真灌木+梭梭林和梭梭林的風速、輸沙通量及其沙粒徑，比較分析其風速消減率、輸沙通量變化及沙粒度隨高度分布。[結果] 在風速3.0～8.9 m/s范圍，仿真灌木+梭梭林內的20 cm高度的風速平均削減率達到61.35%。梭梭林的輸沙通量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍，裸沙地平均輸沙通量是仿真灌木+梭梭林輸沙通量的4.13倍。梭梭林與仿真灌木+梭梭林的輸沙通量隨高度變化都呈指數遞減，其風沙流含沙量及沙粒度的空間變化在10 cm以下較大。[結論] 仿真灌木+梭梭林降低了林地風沙流中黏粉粒(≤0.02 mm)向空氣中輸送量，改變了風沙流的沙粒度空間結構，迫使風沙流的輸沙集中在較低層。

防風固沙灌木林結構; 風沙流結構; 輸沙通量; 沙粒度

文獻參數： 劉虎俊, 袁宏波, 王多澤, 等.兩種不同配置灌木林防風固沙效益[J].水土保持通報，2017,37(3)：63-66.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.011； Liu Hujun, Yuan Hongbo, Wang Duoze, et al. Benefits of windbreak and sand fixation from two kinds of shrubs[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：63-66.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.011

風沙活動是中國干旱區重要的自然災害之一[1]，控制風沙危害對于工農業生產和人居環境改善具有重要意義。建立防風固沙林是一種有效的防治風沙危害方法，但受水資源限制，干旱區的治沙灌木林密度達不到固定流沙的數量[1-2]，因此在退化防風固沙灌木林設置沙障等，以提高防風固沙效能，達到防治風沙危害目標[3]。防治沙害的有效措施是抑制或削弱風沙流的強度[1-3]，風沙流研究是防風固沙工程研究的基礎內容之一。國內外學者對風沙流的研究已從其能量分布[4]、沙粒軌跡[5-6]、風沙流的垂向濃度分布及沙顆粒帶電效應[7]等多個角度進行了深入的探討。除了風和沙決定風沙流特征，下墊面性質也是決定風沙流結構與變化的重要因素[7]。灌木林的防風固沙效益通常應用風速變化、地表粗糙度及風沙流變化來表示，其影響作用取決于灌木林特征[3]。國內外對風沙流的特征研究多集中于流動沙地[4-8]，對其空間結構的研究較多。對于不同結構的灌木林以不同下墊面模式影響風沙流的變化及沙粒度的空間分布的研究相對較少。輸沙通量和沙粒空間分布模式是風沙流研究的重要內容，我們將仿真灌木[9-11]設置到退化梭梭(Haloxylonammodendron)林，以期提高退化梭梭林的防風固沙效能，并對建立的仿真灌木+梭梭林和梭梭林的風沙流進行觀測，探討兩種灌木林對風沙流的輸沙通量及其沙粒的空間分布影響，為干旱區退化防風固沙林功能恢復和建立提供參考。

1 試驗區概況

試驗觀測地設在中國西北干旱荒漠區的甘肅省民勤縣治沙綜合試驗站。該區年平均降水量116.2 mm，年平均蒸發量2 643.9 mm；年平均有風的記錄占99.23%，≥5.0 m/s起沙風占全年有風日數的13.08%，4和5月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1～3 m下降到2007年的22.66 m[12]。在地下水位不斷下降的背景下，防風固沙林退化，植被覆蓋度降低，防風固沙林功能下降，調節防風固沙林結構以提高其功能是該區域防治風沙危害的重要研究內容。

2 研究方法

2.1 試驗地選擇

在2015年9月，選擇“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)作為野外觀測試驗場。試驗布設在半固定沙丘上，沙丘高約3 m，頂部較平坦，寬200 m，沙丘上分布梭梭林，覆蓋度為13.0%～18.0%，林內70.0%區域覆蓋流沙，沙面半流動。觀測場周圍建有永久性氣象站，設有高50 m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 試驗設計

試驗設在民勤縣治沙站的東南部半固定沙丘上，人工梭梭林的株高為2～2.5 m，平均冠幅覆為2.5×3.0 m2，生長不良，中間加有死株，覆蓋度為17.8%左右。原有梭梭林的株行距(1 m×3 m)，因部分植株死亡，植株密度為3株/100 m2。將仿真灌木[11]配置到梭梭林中，仿真灌木的株行距為1 m×3 m，形成等株行距結構的仿真灌木+梭梭林，組成2層結構灌木林，覆蓋度為34.3%。以沒有灌木的裸沙地為對照，進行風沙流觀測比較。

仿真灌木(也可以稱之為“灌木形沙障”)無主干型，地下與地上部分總長度為80 cm，地上高度為40 cm，冠幅為40 m×40 cm，冠幅覆蓋度為0.5 m2。地上枝分為3級枝序，各級枝序內枝等長，3級枝有20枝，長度為40 cm，自基部向枝梢逐漸變細，枝的直徑為2～3 mm，3級枝上連接2級枝，2級枝等長，長度為15 cm，枝的直徑為1～2 mm；1級枝長5 cm，枝的直徑為1 mm；每枝3級枝上有3枝2級枝，每枝2級枝上有9枝1級枝，形成無主干，3級枝系的仿真灌木。第3級枝全部集中到一起，凝結于根部；根沒有2級根，沒有任何側根，根直徑為3～4 cm。

使用野外便攜式風速廓線儀(ZL 02261931.3)觀測記錄風速，觀測高度為0～100 cm，每10 cm設置一組風杯，觀測位置設在株后下風向0.5 H(H為仿真灌木高度)處。在仿真灌木+梭梭林和梭梭林內分別設置觀測點，對照設在相應沙丘中部的裸沙地上，觀測期的風速區間為3.0～8.9 m/s，當地起沙風速約為5.0 m/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 s/次，數據處理應用軟件Excel進行對比分析。

2.3 計算指標

(1) 風速削減率(UΔ)

式中：UΔ——被測林內相對風速變率； Us——林中或株后的風速； Uso——對照風速，此試驗為裸沙地的風速。

(2) 風沙流結構系數(S)

2.4 觀測方法

2.4.1 風速 林內觀測點設置，在距灌木0.5H(H為株高)的株前、株后、株間，將風杯按照10，20，50 cm的高度固定于同一根固定桿上測定100 cm高度范圍的風速梯度值。在林前和林后1H設置相同高度和梯度的對照觀測。

2.4.2 輸沙量 野外瞬時輸沙通量利用10孔階梯式集沙儀收集0—20 cm高度處輸沙量，在風速觀測的同時，同步收集輸沙量，收集輸沙量的時間為5 min時段。

3 結果分析

3.1 防風效應

所有觀測的風速削減率分析結果表明，無論是20 cm高度還是50 cm高度，仿真灌木+梭梭林削減風速率均是隨風速的增大而增加(圖1)。在風速3.0～8.9 m/s范圍，20 cm高度的風速削減率始終大于50 cm高度風速。但隨著風速增大，風速削減率的差異量減小。在50 cm高度，風速平均削減率為31.08%，不同風速的風速削減率的變異系數為43.26%。在20 cm高度，風速平均削減率為61.35%，不同風速的風速削減率的變異系數為6.43%。在20 cm高度，仿真灌木+梭梭林平均風速削減率較大，且不同風速的削減程度差異不顯著。在50 cm高度的風速為3.0～3.3 m/s時，仿真灌木+梭梭林平均風速削減率是8.1～8.9 m/s的風速削減率的64.17%。當風速為5.6～7.9 m/s時，仿真灌木+梭梭平均削減風速及其變異系數最大。

圖1 仿真灌木+梭梭林的風速削減率比較

3.2 固沙效應

在20 cm高度，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林輸沙通量都隨高度變化呈指數遞減(圖2)，相關系數R2都大于0.9。在10 cm高度內，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林輸沙通量分別占總輸沙通量的79.62%，83.21%，86.76%，梭梭林的輸沙量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍，裸沙地平均輸沙通量是仿真灌木+梭梭林輸沙通量4.13倍。

比較不同高度輸沙通量比值，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林平均輸沙通量分別為45.15，24.17，16.24 g/(cm·s)，而它們的風沙流結構系數則分別是1.89，2.68，4.14，其中0—2 cm高度的輸沙通量由此可見，梭梭林和仿真灌木+梭梭林底層。仿真灌木+梭梭林降低了林地輸沙高度，具有固沙作用。

圖2 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的風沙流結構

隨著高度變化，裸沙地、梭梭林和仿真灌木+梭梭林的累積輸沙通量梯度不同(圖3)。仿真灌木+梭梭林累積曲線的截距(53.95)大于梭梭林的輸沙通量累積曲線截距(41.32)，裸沙地的輸沙通量累積曲線截距最小(29.68)，仿真灌木+梭梭林(變異系數為74.67%)的輸沙通量隨高度變化小于裸沙地(變異系數為457.92%)。在10 cm高度內，仿真灌木+梭梭林、梭梭林和裸沙地輸沙通量分別占總輸沙通量的86.75%，83.21%，79.62%。在12 cm高度范圍，仿真灌木+梭梭林的總輸沙通量達到90.28%。仿真灌木+梭梭林的迫使風沙流的輸沙通量集中在較低層，底層含沙量大于裸沙地。

圖3 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的輸沙量累積

3.3 粒度特征

在20 cm高度，裸沙地和仿真灌木+梭梭林的不同粒度的沙含量的差異主要在5～10 cm高度，裸沙地的風沙流含黏粒量是仿真灌木+梭梭林的3倍多，黏粉粒總含量則是2倍多，裸沙地和仿真灌木+梭梭林的風沙流黏粒分別占56.75%和84.61%(圖4)；0～5 cm高度的裸沙地的黏粒含量是仿真灌木+梭梭林的1.6倍。仿真灌木+梭梭林的粗沙粒含量是裸沙地的4倍多。仿真灌木+梭梭林的風沙流中黏粒量小于裸沙地的，仿真灌木+梭梭林降低了林地黏粉粒向空氣中輸送量，改變了風沙流的沙粒度的空間結構。

圖4 梭梭+仿真灌木、梭梭林和裸沙地的輸沙量累積

4 討論與結論

仿真灌木+梭梭林降低了林內風速，無論是20 cm高度還是50 cm高度，削減風速率均是隨風速的增大而增加，且20 cm高度的風速削減率大于50 cm高度的。植物能夠增加地表粗糙度，改變近地面流場，降低風速[13]。

梭梭林和仿真灌木+梭梭林降低了林內輸沙量，其風沙流的輸沙通量都隨高度變化呈指數遞減，這和其他研究結果[1-5,9,10]一致。但是0—2 cm層的仿真灌木+梭梭林的含沙量大于裸沙地，輸沙集中在較低層。風沙流是風沙物理研究的重要內容，國內外學者提出了頗多輸沙通量模型，均認為風沙流中沙量的垂直分布呈指數分布[7]。大量研究結果表明[13-20]，氣流搬運的沙量絕大部分(80%)集中分布在0—10 cm高度內。本研究觀測的裸沙地的輸沙通量(79.62%)接近該值，而仿真灌木+梭梭林(86.75%)、梭梭林(83.21%)的輸沙通量略大于上述研究的結果值。

仿真灌木+梭梭林降低了林地風沙流中黏粉粒向空氣中輸送量，改變了風沙流的沙粒度的空間結構。植物具有降低近地層風速的作用，因此，在固沙的同時，并可使風沙流中的沙粒下沉堆積[13]。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[13-14]，不僅植被覆蓋度影響風沙流，植被結構也決定起沙、風沙流攜沙量及其空間結構[15-20]。通常引用植物周圍沉積沙量及其風沙流的輸沙通量衡量植物單株與群落的阻沙能力[1,13]。植物單株及群落具有阻沙固沙效應主要是因為風速降低，流場結構改變和植被覆蓋度等。由于仿真灌木+梭梭林結構的空間梯度增加了灌木林層間數量，比梭梭林結構復雜，因此仿真灌木+梭梭林不僅降低了輸沙通量，而且改變了風沙流的沙粒級空間結構，降低了20 cm高度以上黏粒的空氣中含量，具有防塵作用。

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Benefits of Windbreak and Sand Fixation from Two Kinds of Shrubs

LIU Hujun1,2, YUAN Hongbo1, WANG Duoze1, LIU Shujuan1,GUO Chunxiu1, MA Rui2, LI Xuemin1, LIU Kailin1, WAN Xiang1, LI Jingjing1

(1.GansuDesertControlResearchInstitute&StateKeyLaboratoryofDesertificationandAeolianSandDisaster,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.DepartmentofForestry,GansuAgricultureUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The benefits from two kinds of sand fixing shrub,HaloxylonammodendronandH.ammodendronplus imitative shrub with regard to wind velocity, transported sand volume and transported sand diameter were illustrated to provide references for functional recovery and reestablishment of windbreak and sand fixation forest in arid region. [Methods] Wind speed, transported sand and sand diameter were observed simultaneously in stands of bare sandy land,H.ammodendronshrub andH.ammodendronplus imitative shrub. Their variations caused by the two shrubs were analyzed. [Results] The average reduction rate of wind velocity was 61.35 % at the height of 20 cm when wind velocity was 3.0 to 8.9 m/s. The sand transporting quantities ofH.ammodendronshrub and bare sandy land were 1.5 and 4.13 times ofH.ammodendronplus imitative shrub. The sand transport rates ofH.ammodendronforest andH.ammodendronplus imitative shrub both reduced with the height by exponential function. The wind-transported volume of sand and sand diameter grade shifted by wind in the two shrubs was both greater under 10 cm shrub height. [Conclusion] As resulted from the change of spatial distribution of wind-sand flux, the content of fine sandy grain (diameter≤0.02 mm) was reduced, it was mainly concentrated in lower layer.

shrub windbreak structure, wind-sand flux structure, transport flux of sand, sand parameter

2016-11-06

2016-11-27

國家自然科學基金項目“仿真固沙灌木構型及配置的防風固沙效應(31260201)， “干旱內陸沙區丘間地植被生態過程及其驅動機制”(31460223)， “基于土壤水分承載力的防風固沙林密度配置格局與防護效應研究”(31460221)； 中央財政林業科技推廣示范項目([2015]ZYTG5)

劉虎俊(1965—),男(漢族),甘肅省禮縣人,博士，研究員,主要從事荒漠化防治研究。E-mail:hujunliu66@163.com。

袁宏波(1978—),男(漢族),甘肅省慶陽市人,碩士，副研究員,主要從事荒漠生態研究。E-mail:piceayhb@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0063-04

X171.4, S157.1