沙漠公路防護林影響下近地表風沙流粒度特征的空間分異

俞祥祥，李生宇，馬學喜，賈文茹

（1.中國科學院 新疆生態與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國科學院大學，北京100049）

沙漠公路防護林影響下近地表風沙流粒度特征的空間分異

俞祥祥1，2，李生宇1，馬學喜1，2，賈文茹1，2

（1.中國科學院 新疆生態與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國科學院大學，北京100049）

利用BSNE集沙儀對沙漠公路兩側灌木混交防護林影響下的近地表風沙流粒度特征進行了研究，結果表明：在水平方向上，風沙流粒度沿主風向從林帶上風側到下風側鄰近林帶流沙地，平均粒徑減小，分選變差，而且越向下風向變化越大，但兩條阻沙林帶間風沙流粒度受沙丘影響不同于其他點，其平均粒徑增大，分選性變好；在垂直方向上，風沙流平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上略有增大。受防護林影響，風沙流粒度的垂直分異減緩，而不同觀測點之間的季節變化增大。防護林影響范圍內近地表風沙流粒度的時空變化特征與防護林垂直疏透度、季節以及防護林內具體位置的微環境有關。

沙漠公路；防護林；風沙流；粒度特征

風沙流中沙粒的粒度分布是風沙運動研究的重要內容之一[1]。風沙流粒度組成不僅反映了風對沙源物質的搬運和分選情況，還體現了下墊面狀況對風沙流移動過程的影響，同時還是風沙形成過程中風力強度的重要體現。通過對風沙流粒度的分析可以判斷沙物質的運移方式，有助于分析風沙危害形成演變過程中的環境條件[2]。一般認為，離地表越近的氣流所含沙粒越粗[3]。但近年來，國內外學者通過野外觀測和風洞模擬對風沙流粒度隨高度的變化特征進行了一些研究，認為除沙粒粒徑隨高度增加而減小外[3-6]，還存在以下3種情況：第一，粒徑隨高度增加而增大[7]；第二，沙粒粒徑隨高度無變化[8]；第三，沙粒粒徑隨高度先減小后增加[9]。由此可見，盡管以往對沙粒粒徑隨高度的變化進行了大量研究，但并沒有統一的規律。

公路是沙漠地區重要的運輸通道，也是經濟社會可持續發展的動脈。然而沙漠地區風力強勁，沙源豐富，具備公路沙害形成的風動力和沙物質基礎，極易發生風蝕、沙埋等公路沙害，影響公路的正常運營。目前，防治公路風沙危害的措施很多，生物措施以其投資少、防護效益好、環境污染小而被廣泛采用，特別是在沙源豐富而又無法大面積控制的情況下，營造防沙林帶便成為一種行之有效的沙害治理方式[10]。這主要是因為植被能通過增加地表粗糙度、降低近地表風速從而改變風沙流結構來達到防沙阻沙的目的[11-12]。長期以來，國內外學者關于植被對風沙流的影響研究多通過數值模擬、室內風洞模擬或野外觀測得出 ，并 取 得 了 一 些 研 究 成 果[3，6，13-18]。 研 究 結 果 表明，植被對風沙流的影響不僅與植被蓋度、植被類型、排列方式等因素有關，還與沙粒特征、下墊面狀況以及風況有關[19]。但這些研究主要針對不同植物之間、不同蓋度之間或不同排列方式之間風沙流結構的差異而言，關于完整的植物防護體系內外對風沙流粒度的影響的報道不多，而且由于研究方法、沙粒特征、下墊面狀況及氣流特征不同，造成研究結果具有區域性差異，很難確定一種普遍規律[12，20]。因此，對于不同地區防護林體系影響下的風沙流應在野外觀測的基礎下加以確定。

本文以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區的沙漠公路防護林為研究對象，通過野外實地觀測及室內試驗分析，研究風沙流粒度特征對沙漠公路防護林體系的響應模式以及空間差異，旨在說明防護林體系下的風沙流粒度的時空變化，彌補植被對風沙流影響研究中的不足，為新疆地區公路沙害治理提供理論依據。

1 研究區概況與試驗布設

1.1 研究區概況

試驗區位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中四油田基地路 K9路段東北側（39°00′N，83°40′E，1 099 m），距塔中四作業區約3 km。該區主要的風沙地貌格局是高大縱向復合沙壟和寬廣的壟間地相間分布[21]。本試驗布設在寬1～3 km、長2～5 km、地勢平坦的壟間地內，區內沙物質機械組成以細沙和極細沙為主[22]。根據塔中氣象站觀測資料研究，該區年平均氣溫12.1℃，氣溫年較差平均在33.0～39.0℃，極端最高氣溫可達40.0～46.0℃，極端最低氣溫達-25.0～-20.0℃；年均降水量在25.9 mm左右，且90%以上集中在春夏兩季；區內蒸發量強烈，年均潛在蒸發量可達3 812.3 mm；年均風速為1.5～3 m/s，風向以E，ENE，NE為主；大風日數年平均為10.5 d；該區還是塔里木盆地沙塵暴的高發中心，年沙塵暴日數可達68～88 d[23-24]。

1.2 試驗布設

試驗區位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中四油田基地路K9處的壟間平沙地。該處油田公路建有阻固結合的防護林體系，見圖1，上風側有兩條阻沙林帶和一條固沙林帶，下風側有一條固沙林帶，各林帶的間距均為10 m，固沙林帶距公路路肩3 m；阻沙林帶主要樹種為怪柳和沙拐棗，偶有蘆葦生長，林帶寬度7 m，林帶高度1 m左右；固沙林帶主要樹種為怪柳、梭梭和沙拐棗林，林帶中密集生長著高約2 m的蘆葦，植被蓋度可達60%～80%，上風側固沙林帶寬29 m，下風側固沙林帶寬13 m。

本試驗采用BSNE集沙儀來采集風沙流輸沙。集沙口安裝高度分別為0.1，0.3，0.5，1.0，1.5，2 m。沿公路防護林體系縱斷面布設在公路兩側，集沙儀相對位置見圖1，從上風向到下風向分別為流沙地、林間、上風側固沙林帶、下風側固沙林帶和林帶下風側，分別標記為A，B，C，D和E，A為對照。

圖1 試驗地防護林結構及集沙儀布設位置

本研究共進行6次風沙流觀測及采樣，本文選擇其中3次進行粒度分析，分別為2013年5月、8月和10月，主要考慮這3個月收集到了足夠進行粒度分析的樣品，采樣頻率為1個月。在觀測期間，防護林體系內外試驗觀測斷面地形見圖2。

在A測點附近布設有自動氣象觀測站，風速、風向數據采用16方位自動風速儀記錄，風速儀風杯距地面高度為10 m，觀測頻率為2 min，記錄頻率為1 h。

圖2 試驗觀測斷面地形及集沙儀布設位置

1.3 數據處理

粒度分析采用BT—2001型激光粒度分布儀（濕法）測量樣品粒度。粒度分析結果以體積百分含量表示，根據溫德華粒級標準劃分方法統計了各輸沙樣品的顆粒級配[25]，并根據Folk-Ward圖解法[26]計算粒度參數（平均粒徑Mz、分選系數στ、峰度KG、偏度SKτ）。

2 結果與分析

2.1 沙粒級配變化

如圖3所示，各觀測點和各高度不同粒徑組分含量存在較大差異。在0.1 m高度，A點風沙流輸沙以極細沙和細沙為主，平均含量分別為62.82%和21.72%，粉沙為15.23%，中沙為0.23%，不含黏土；而B至E點基本以極細沙和粉沙為主，其中極細沙含量多大于A點（E點略小于A點），粉沙含量均大于A點，細沙含量均小于A點；B和E點的中沙含量小于A點，C點含有微量黏土[（0.02±0.03）%]。

在其他觀測高度，各點均以極細沙和粉沙為主，細沙其次，部分含有微量的黏土，均不含中沙；從0.3 m到2.0 m，B點和C點的極細沙含量多大于A點（1.5 m高度C點小于A點），D點和E點多小于A點（0.3 m高度D點略大于A點）；從0.3 m到2.0 m，E點粉沙含量均大于A點，B，C點多小于A點（0.3 m高度C點略大于A點），D點從0.3 m到0.5 m小于A點，而從1.0 m到2.0 m大于A點；從0.1 m到0.3 m A點不含黏土，而B，C，D，E含有一定量的黏土，從0.5 m到2.0 m A點含有黏土，而C，D，E含的黏土含量大于A點，B點不含黏土或含量小于A點。

圖3 各點不同高度不同粒徑組分含量變化

綜上，公路防護林體系對近地表風沙流輸沙的沙粒級配產生了很大影響，沙漠公路防護林內外的近地表風沙流輸沙均以極細沙為優勢組分，其含量可達44.78%～67.98%；粉沙和細沙多為第二、三優勢組分，其含量分別為20.65%～40.94%，4.30%～14.76%（部分點在部分觀測時段0.1 m高度細沙和粉沙為第二、三優勢組分）；多數不含中沙和黏土，僅部分點、部分觀測時段和高度含有微量中沙和黏土，含量分別為0.06%～0.41%，0.02%～1.49%。不同粒徑組分含量隨高度而變化，其中極細沙含量隨高度增加而降低，而粉沙和黏土含量則隨高度增加而增大，細沙含量則隨高度增加先降低后增加。

2.2 粒度參數變化

不同測點風沙流輸沙的粒度參數平均值見圖4。不同觀測點粒度參數存在較明顯的差異。在0.1 m觀測高度上，從A點到E點平均粒徑呈先減小后增加的變化規律，其中C點和D點平均粒徑最小，E點與B點相近；但在0.3 m至2.0 m觀測高度上，平均粒徑呈先增加后減小的變化規律，E點平均粒徑均最小，而0.3 m觀測高度B點最大，0.5 m至2.0 m高度C點最大。在各觀測高度上，從A點到E點分選系數呈先減小后增加趨勢，B點分選系數最小，E點分選系數最大，該點1.0 m以上均屬中等分選。在0.1 m觀測高度上，從A點到E點峰度值呈先增加后降低變化，C點峰度值最大，A點峰度值最小；從0.3 m到2.0 m，從A點到E點峰度值先減小后增加，B點峰度值最小。偏度值變化模式與峰度值相似。在0.1 m觀測高度上，C點偏度值最大，從0.3 m到2.0 m，B點偏度值最小。

圖4 不同測點不同高度的粒度參數

綜上，防護林內外風沙流沙平均粒徑為0.070～0.094 mm，多為較好分選（部分為中等分選），均呈中等峰態，多呈近對稱分布（部分呈正偏分布）。隨觀測高度增加，平均粒徑Mz呈減小趨勢，分選系數στ、峰度值KG、偏度值SKτ均呈增大趨勢，表明近地表風動力逐漸降低，分選性變差，中位數向細顆粒方向偏移（正偏），顆粒組成整體細化。

粒度參數在垂直和水平方向的變差系數見圖5，各粒度參數垂直變化程度不同，其中峰態最小，偏度最大，平均粒徑和分選系數居中。這種變化程度在各觀測點之間也有差異，但差別多未達到顯著程度（圖5A）。B，C，D觀測點各粒度參數的垂直變差系數多小于A觀測點，而E觀測點多進一步增大（偏度減?。辉贑觀測點，平均粒徑、峰態、偏度垂直方向上的變差系數最小，其中平均粒徑和偏度達到顯著水平（p＜0.01）?？梢?，受防護林影響，近地表風沙流輸沙粒度參數的垂直分異得到一定程度減緩，上下層之間趨同性增強。

在同一觀測高度，粒度參數在各觀測點之間存在明顯的水平變化，而變化程度也因觀測高度而不同，但差別多未達到顯著程度（圖5B）。在6個觀測高度中，0.5 m高的水平變差系數最小，其中平均粒徑差異達到了顯著水平（p＜0.01）；0.1 m高平均粒徑和偏度變差系數最大，1.0 m高分選系數和峰度變差系數最大，但都沒有達到顯著水平（p＞0.01）。

從3個時段間的風沙流輸沙粒度參數的變差系數來看，各觀測點的季節變化也不同，防護林內觀測點變化程度都大于A點，尤其以C點表現最為明顯，其中偏度、峰度和分選系數的變異系數差異達到顯著水平（p＜0.01），而平均粒徑變異系數差異不明顯（p＞0.01）（圖6A）；從各觀測點間粒度參數變差系數來看，3個觀測時段也存在較明顯差異，8月份各粒度參數均小于5月份和10月份，只有峰度變異系數達到顯著水平（p＜0.01），而其他參數差異不明顯（p＞0.01）（圖6B）?？梢?，防護林使近地表風沙流輸沙的粒度參數變化增大，尤其以夏季表現最為明顯。

圖5 粒度參數在垂直和水平方向的變差系數

圖6 粒度參數的季節、測點變差系數

2.3 概率累積曲線變化

防護林內外各點不同高度的風沙流輸沙的概率累積曲線均為四段式（圖7），第一段左端點粒徑為0.179 7～0.275 8 mm，第一、二段的截點粒徑為0.116 9～0.150 3 mm，第二、三段的截點粒徑為0.031 0～0.039 1 mm，第三、四段的截點粒徑為0.003 8～0.012 6 mm，第四段右端點粒徑為0.000 5～0.001 0 mm。第二組分含量最高（73.58%～87.29%），屬于粗粉沙、極細沙或細沙，第一組分含量（5.47%～21.87%）其次，屬于極細沙、細沙或中沙，第三組分含量（1.63%～8.44%）么三，屬于粗粉沙、中粉沙、細粉沙、極細粉沙或黏土，第四組分含量最低（0.14%～0.29%），屬于細粉沙、極細粉沙或黏土。概率累積分布圖上左邊兩個組分屬于兩個躍移組分，右邊兩個組分屬于懸移組分。根據累積頻率曲線的斜率，第一躍移組分和第二懸移組分分選最好，而第二躍移組分分選其次，第一懸移組分分選最差。

由圖7可知，各觀測點概率累積曲線均有一定差異，主要表現為各段的斜率以及段間截點橫坐標值的大小，其中第一組分、第四組分較第二組分和第三組分差異明顯；在1.0 m高度以上，各觀測點概率累積曲線差異明顯，而在0.3 m和0.5 m高度，差異最小；各觀測點曲線多在第一、二段截點處相交（0.1 m高度除外），且曲線在截點左右相對排列順序相反。在交點右側，從A到E點，各段截點均向右偏移（粒徑減?。欢诮稽c左側，從A到E點，各段截點均向左偏移（粒徑增加）；B點較特殊，在0.5 m高度以上，第二、三、四段粗化明顯，而第一段細化明顯；E點在0.1 m高度上粗化明顯，而在其他高度細化明顯。

3 討論

3.1 風沙流輸沙粒度的水平分異及影響因素

風沙流輸沙的粒度主要與沙源和風況有關。一般認為，沙源區地表沙物質在風力作用下被吹蝕起動，并向下風向搬運，在這一過程中沙物質被重新分選，不同粒徑范圍的沙粒運動方式不同，向下風向搬運的距離也不同，一般表現為沿主導風向沙粒變細、分選變好[2]。觀測期間，研究區起沙風的風向較為單一，變化幅度較小，主要以NE，ENE，E三個方向為主，占所有起沙風的75.63%（圖8）。因此，在單一風向的影響下，風沙流中沙粒應該存在沿風向粒徑變細、分選變好的趨勢。

A點在林帶上風側較遠距離處，基本不受防護林帶的影響，可代表自然流沙地表風沙流輸沙的特征：粒徑較粗，分選性較好，中等峰度，偏度近對稱至正偏分布。作為風沙輸移路徑上的較大障礙物，防護林能強烈影響局地的風沙流輸沙的粒度特征。與A點相比，B點至E點風沙流輸沙均受到防護林的影響，粒度參數變化有兩種情況，見圖9：C，D，E點，平均粒徑依次逐漸降低，分選系數、峰度值、偏度值均依次逐漸增加，E點變化程度最大；而B點則相反，平均粒徑略有增加，而分選系數、峰度值、偏度值均降低。可見，各觀測點的具體位置與其受影響程度有關。本文與張正偲等[1]對人工卵石床面模擬戈壁下墊面情況下風沙流、董玉祥等[3，5]對海岸沙丘表面風沙流、馮大軍等[6]對粗沙和細沙兩種床面上的風沙流研究成果不同，造成這種差異的主要原因是本研究中下墊面的復雜程度不同，植被對風沙流粒度的影響更大＼更復雜。

圖7 5月各點不同觀測高度概率累積曲線觀測

圖8 觀測期間起沙風風向頻率玫瑰圖

C點和D點處于防護林體系中，防護林植被阻斷了風對地表的直接作用，減少就地起沙，地表基本呈凈堆積狀態，因而地表風沙流輸沙均為上風側搬運來細粒物質，同時防護林植被能增加地表粗糙度，大幅降低近地表風速，使風沙流攜沙能力下降，較粗沙粒迅速沉降[27-29]，因而沿風向平均粒徑減小，粒度分布趨于正偏，峰度變窄，分選性變差，而且越向下風向深入防護林體系，變化程度越大。雖然E點位于防護林下風側相鄰的流沙地，但其風沙流路徑最長，受防護林影響最大，因此變化程度有一定加強。

B點處于公路迎風側兩條阻沙林帶之間的林間地（寬度約10 m），地表裸露，無植被生長，沙物質活動較強，觀測時，第一條阻沙林帶攔截了大量流沙，形成了形體高大（3 m左右）的壟狀積沙體，積沙體的落沙坡已前移至B點所在的林間。高大積沙體迎風坡引起氣流輻合抬升加速，氣流作用于地表沙粒的剪切力增大，使較粗沙粒更易進入風沙流中[2]，而在背風坡由于地形驟然變化，附面層分離，氣流減速，渦流發育，風沙流卸載堆積；隨著遠離落沙坡腳，風速一定程度恢復增加，風沙流侵蝕搬運能力增強，地表有一定程度風蝕，導致更多的粗顆粒進入氣流中[4]。處于積沙體落沙坡前區的B點必然受此過程影響，風沙流輸沙的粒級范圍更廣，平均粒徑更粗，顆粒分布更趨于負偏，分選性更好。

圖9 B至E點粒度參數相對于A點的變化率

3.2 風沙流輸沙垂直分異及植物的影響

董玉祥[3，5]、馮大軍[6]、王翠[29]、Leys[30]和Zobeck[31]等在均勻或非均勻流沙地表的研究表明：風沙流輸沙在垂直方向上有較大分異，離地表越高平均粒徑越細，粒級分布越窄、越趨向正偏，分選性越差，與本文中流沙地對照點A的規律基本符合。受防護林影響，B至E點粒度的垂直分異性較A點低，尤其以C點最為明顯；垂直方向上，在1.5 m高度以下，各粒度參數變化規律同A點，但到2.0 m高度處驟然改變，相對1.5 m高度，平均粒徑變粗、分選性變好，粒級分布范圍變寬，粒級趨于負偏。這顯然與防護林植被垂直疏透度不均勻分布有關。防護林種植的梭梭、怪柳、沙拐棗均為灌木，生長高度約2 m，上部（0.5～1.5 m）冠層枝葉茂密，疏透度小，對風沙流的攔截作用很大；地表層（0.1 m）受地表微起伏和枯枝落葉等影響較大，對風沙流的攔截作用也很大；而樹冠頂部（2.0 m）疏透度相對較小，風沙流較易通過，而且防護林帶使氣流發生垂直抬升加速繞流，下層較粗顆?？杀粩y帶到上層[32]。因此，在2.0 m高度處，風沙流粒度參數發生了與前人研究成果不同的變化。

同時，自然條件的改變對風沙流粒度特征變化也有影響，相對A點，B至E點粒度的季節變化增大，各點之間粒度差異在夏季（8月）最小，而春（5月）秋（10月）相對較大。顯然，這與植物的季相變化有關：夏季植物生長旺盛，枝葉茂密，對風沙流攔截作用達到最強，進入防護林體系內的風沙顆粒多為懸移的細小顆粒，不同點之間差異較??；而春秋季節植物枝葉剛萌發生長或已部分凋落，對風沙流攔截作用相對較小，不同粒級的沙粒均可進入防護林體系中，而躍移沙粒搬運距離小于懸移，不同點之間差異較大。

由此可見，人工林帶對林帶內部及其下風側一定范圍內風沙流粒度有明顯影響，表現為平均粒徑沿風向減小，分選變差（公路上風側林間平均粒徑增大、分選變好）；受植被垂直疏透度變化的影響，平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上粒徑略有增大；季相變化對植被生長的影響使各月風沙流粒度特征變化不同。

4 結論

綜上分析可知，在沙漠公路防護林影響下，近地表風沙流輸沙粒度產生了較明顯的變化，并具有一定的空間分異規律：在水平方向上，風沙流粒度沿主風向從林帶上風側到下風側鄰近林帶流沙地，平均粒徑減小，分選變差，而且越向下風向變化越大，但兩條阻沙林帶間風沙流粒度受沙丘影響不同于其他點，其平均粒徑增大，風選性變好；在垂直方向上，風沙流平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上略有增大。受防護林影響，風沙流粒度的垂直分異減緩，而不同觀測點之間的季節變化增大。防護林影響范圍內近地表風沙流粒度的時空變化特征與防護林垂直疏透度、季節以及防護林內具體位置的微環境有關。

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Spatial Variation of Grain-size Characteristics of Near Surface Aeolian Sand Transport Under Desert Highway Shelterbelt

YU Xiangxiang1，2，LI Shengyu1，MA Xuexi1，2，JIA Wenru1，2
（1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi830011，China；2.University of Chinese Academy of Science，Beijing100049，China）

BSNE sampler was used to monitor the grain-size characteristics of near surface aeolian sand transport under desert highway shelterbelt.The results showed that in the horizontal direction，along the main wind direction from windward to leeward moving sand nearby the shelterbelt，the mean grain-size of aeolian sand transport decreased and the sorting coefficient became poor，and that the more downward the wind，the greater the changes.But between the two belts of sand-resisting forest，the grain-size characteristics of aeolian sand transport affected by the sand dunes were different with other points，its mean grain-size increased and the sorting coefficient became large.In the vertical direction，the main grain-size of aeolian sand transport firstly decreased and then increased，and the grain-size slightly increased above the plant canopy.Affected by the shelterbelt，the grain-size of near surface aeolian sand transport decreased in the vertical variation，but the grain-size of aeolian sand transport increased between different points in different seasons.Within the influence of shelterbelt，the spatial variation of grain-size characteristics of near surface Aeolian sand transport were relevant with the vertical porosity of the shelterbelt，season and the micro environment at specific location in the shelterbelt.

desert highway；shelterbelt；aeolian sand transport；grain-size characteristics

P931.3

A

1005-3409（2017）01-0334-08

2015-12-25

2016-03-17

新疆維吾爾自治區重大科技專項“新疆沙區交通水利工程沙害綜合防治新技術新材料研發與應用”（201130106-3）

俞祥祥（1990—），男，新疆奎屯人，碩士研究生，研究方向為風沙地貌與荒漠化防治。E-mail：harry.0506＠qq.com

李生宇（1975—），男，河北宣化人，副研究員，主要從事風沙地貌和荒漠化防治研究。E-mail：lishy-hb＠163.com