擋風墻設計及其在呼倫貝爾沙地治理中的應用

田美榮，傅馨逸，楊偉超，馮朝陽，高吉喜

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院 2.蘭州大學生命科學學院 3.山東省人民政府人工影響天氣辦公室 4.生態環境部衛星環境應用中心

土地沙化威脅著人類的生存，阻礙自然環境和社會經濟的可持續發展[1-2]。為遏制土地沙化帶來的風沙危害，沙障作為一種治沙工程手段被廣泛應用[3-6]。我國針對典型生態脆弱區流動沙丘及斑塊狀風蝕，已開展了一系列基于沙障的植被恢復技術試驗研究與示范[7-9]。

沙障具有見效快、不需水源、較耐沙埋等優點，適用于無灌溉條件的流動沙丘地區，是最主要的非生物防沙治沙措施，對植被恢復起著重要作用[10]，是植物治沙的前提[11-12]。沙障有多種類型[13]，根據不同材料可分為傳統生物質材料(作物秸稈、灌木、多年生草本植物等)，礦物質材料(黏土、礫石)，高分子化工材料(塑料網、尼龍網等)和新型材料(以石油化工產品為原料或以農作物經發酵生成產品為原料)。生物質材料成本低廉[7,14]、應用廣泛，但易腐爛，防護年限短(3～5年)[7,15]；礦物質材料運輸困難、耗費勞動成本較高，適宜就地取材；高分子化工材料的穩定性和時效性優于普通生物質材料沙障，但材料自身會給沙漠帶來一定的二次污染[7]。聚乳酸纖維(PLA)是一種新型生物可降解固沙材料，可在自然條件下降解為水和二氧化碳，對沙化地區無二次污染，具有廣闊的應用前景且環境友好[16-17]。此外，還有生物模塊沙障[13]、人工多交棱柱型裝置[18]、高密度聚乙烯沙障等多種新型沙障設置模式，為風沙災害防治及沙漠化防治提供新的技術方法。

沙障設置應因地制宜，針對局部生態環境脆弱、大風天氣頻發地區，傳統生物質沙障難以有效防風阻沙，因此擋風墻應運而生。擋風墻是一種高立式沙障[19]，為鐵路、公路軌道兩旁常用的阻沙工程措施[20-24]。筆者自主研發設計了5種類型的擋風墻，對其降低風速等性能進行對比研究，綜合考慮防風效能、對表層土壤含水量的影響等生態效益，結合其制作成本，篩選出最優擋風墻結構參數，探索沙化嚴重的斑塊狀區域生態修復的治理模式，以期為大風口或大風頻發地區的擋風墻設置提供參考依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗地位于內蒙古自治區呼倫貝爾市呼倫湖國家級自然保護區。呼倫湖是我國第五大淡水湖、內蒙古自治區第一大湖，是東北地區重要的生態系統，也是我國北方生態安全屏障的重要部分，在維持當地生態系統穩定中具有特殊的地位。研究區屬于中溫帶，為溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候。春季干旱，多大風；夏季溫和，降水集中；秋季氣溫急降，無霜期短[25]。多年平均降水量為237.18 mm，年平均氣溫為0.56 ℃。全年盛行西北風，年大風天數為20～40 d，平均風速為4～5 m/s，是我國著名的大風區之一[26]。呼倫湖周邊地區沙化土地分布范圍包括呼倫貝爾市7旗(市、區)，分布區域面積為831.6萬hm2[27]。

1.2 研究方法

2016年4—10月在呼倫湖國家級自然保護區開展試驗研究，選取代表性較強且地形平坦開闊的湖邊沙地作為試驗區，并將試驗區用網圍欄圍封。以3個高度、3種孔隙類型的擋風墻作為研究對象，以空曠沙地為對照，分析不同高度和孔隙類型擋風墻的防風效能和對沙地土壤保水能力的影響。使用SPSS Statistics 20.0軟件進行防風效能隨距離變化擬合及方差分析等數據處理。

1.2.1擋風墻試驗設計

擋風墻為自主設計，采用鋼制材料，共有5種類型，其參數見表1，實地架設情況如圖1所示。

表1 5種自主設計擋風墻的參數

圖1 自主設計擋風墻照片Fig.1 Photos of self-designed wind-break walls

1.2.2野外觀測指標

1.2.2.1瞬時風速

風速的觀測點為每架擋風墻背風側1、3、6、9 m距離處。分別測定每個觀測點距地表0.5、1.0 m高度處的風速，每個點觀測1 h，每1 min記錄1次，取平均值。測定時保持觀測點的位置在同一條直線上并與風向平行。瞬時風速觀測使用Kestrel?4500手持式風速測量計，其操作范圍為0.4～60 m/s，精度誤差為±3%，即±0.1 m/s，以曠野沙地同一觀測高度的風速為對照。

防風效能的計算公式[28]如下：

Eh=(uh0-uh)/uh0×100%

(1)

式中：Eh為擋風墻背風側觀測點距地表高度h處的防風效能，%；uh0為對應曠野沙地距地表高度h處的風速，m/s；uh為擋風墻背風側觀測點距地表高度h處的風速，m/s。

1.2.2.2表層土壤含水量的測定

以對角線取樣法在樣地內選取多個點混合取樣，每個樣點做3個重復。用小鐵鏟取表層土壤(0～5 cm)，裝入鋁盒并稱重，帶回室內采用烘干法測定土壤含水量。

2 結果與分析

2.1 近地表防風效能比較

擋風墻設置后能顯著增大地表粗糙度，削弱近地表風速，增強地表穩定性[7]。各種高立式沙障對地表的保護作用首先表現為對風速的削弱作用，而降低風速是直觀評價防風效能的指標[29-30]。

2.1.1不同高度擋風墻的防風效能

條形孔3個高度擋風墻防風效能隨距離變化擬合公式如表2所示。由R2可知，擬合效果較好。

表2 3種條形孔擋風墻防風效能隨距離變化擬合公式Table 2 Fitting formula of windproof efficiency of 3 stripe-shaped holes wind-break walls with different distances

條形孔3個高度擋風墻在0.5和1.0 m觀測高度的防風效能隨觀測距離的變化如圖2所示。由圖2 可知，擋風墻背風側相同距離、不同觀測高度的防風效能差異顯著(P<0.05)，擋風墻Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ各觀測點距地表0.5 m高度處的防風效能均高于1.0 m高度處。隨著觀測距離增加，3個高度擋風墻防風效能均呈減小趨勢。在觀測距離為1 m時，距地表0.5 m高度處，擋風墻Ⅰ、Ⅱ的防風效能分別為83.91%、83.29%，優于擋風墻Ⅲ(74.66%)；距地表1.0 m高度處，防風效能為擋風墻Ⅰ(79.84%)>Ⅱ(71.11%)>Ⅲ(51.54%)。在觀測距離3和6 m處，由于開放大氣環境中不穩定的流向和流速導致了試驗結果的不確定性。觀測距離為9 m 時，防風效能明顯降低，距地表0.5 m高度處的防風效能為擋風墻Ⅰ(71.14%)>Ⅱ(65.15%)>Ⅲ(52.29%)，距地表1.0 m高度處的防風效能為擋風墻Ⅰ(65.03%)>Ⅱ(61.87%)>Ⅲ(50.47%)。可見，擋風墻高度越高，防風效能越好。

圖2 條形孔3個高度擋風墻在0.5和1.0 m觀測高度防風效能隨觀測距離的變化Fig.2 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 stripe-shaped holes wind-break walls

2.1.2不同孔隙類型擋風墻的防風效能

3種孔隙類型擋風墻防風效能隨距離變化擬合公式如表3所示。由R2可知，擬合效果較好。

表3 3種孔隙類型擋風墻防風效能隨距離變化擬合公式Table 3 Fitting formula of windproof efficiency of 3 hole types wind-break walls with different distances

3種孔隙類型擋風墻在0.5和1.0 m觀測高度的防風效能隨觀測距離的變化如圖3所示。由圖3可知，3種孔隙類型擋風墻在其背風側相同距離處防風效能差異顯著(P<0.05)，各觀測點距地表0.5 m 高度處的防風效能均高于1.0 m高度處。距地表0.5 m高度時，隨著觀測距離的增加，3種孔隙類型擋風墻防風效能均呈減小趨勢；距地表1.0 m高度時，隨觀測距離增加，3種孔隙類型擋風墻的防風效能均呈先增大后減小的趨勢。觀測距離為1 m時，距地表0.5 m高度處的防風效能為擋風墻Ⅴ(87.30%)>Ⅳ(80.20%)>Ⅲ(74.66%)，距地表1.0 m 高度處的防風效能為擋風墻Ⅴ(69.33%)>Ⅳ(59.80%)>Ⅲ(51.54%)；觀測距離為3 m時，距地表0.5與1.0 m高度處的防風效能均為擋風墻Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ；觀測距離為6和9 m時，距地表0.5和1.0 m 高度處，擋風墻Ⅳ與Ⅴ防風效能相近，且均優于擋風墻Ⅲ。因此，相同高度擋風墻中，Ⅳ和Ⅴ型(方形孔與圓形孔)擋風墻的整體擋風效果較好。

圖3 3種孔隙類型擋風墻在0.5和1.0 m觀測高度防風效能隨觀測距離的變化Fig.3 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 hole types wind-break walls

2.2 表層土壤含水量對比分析

土壤濕度與氣候因子(如氣溫、降水量)密切相關，對氣候變化的響應十分敏感[31]。沙障的設置在一定程度上可保持土壤含水量，進一步促進植被恢復[32]。本試驗中，擋風墻背風側各觀測位置表層土壤含水量極低，均低于1%。在相同觀測距離時，不同類型擋風墻背風側表層土壤含水量不同；隨著觀測距離的變化，同一擋風墻背風側各觀測點表層土壤含水量呈波動性變化(圖4)。隨著觀測距離的增加，擋風墻背風側表層土壤含水量差異顯著(P<0.05)，均呈先增加后減小的變化趨勢，最高值均出現在觀測距離1 m處。不同類型擋風墻背風側的表層土壤保水能力差異顯著(P<0.05)。與對照點對比分析可知，不同擋風墻背風側表層土壤保水能力大小順序為擋風墻Ⅴ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ。

圖4 不同類型擋風墻背風側各觀測點表層土壤含水量隨距離變化Fig.4 Variation of topsoil moisture content at the observation points on the leeward side of different types of wind-break walls with distances

2.3 擋風墻制作成本分析

擋風墻所用材料均為鋼材，其制作成本如表4所示。由表4可知，5種類型擋風墻制作成本為擋風墻Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ。

表4 5種類型擋風墻的制作成本Table 4 Cost of 5 types of wind-break walls 元/個

3 討論

本研究設計了不同高度、不同孔隙類型的擋風墻，通過測量其背風側防風效能以及土壤表層含水量指標，綜合考慮制作成本等因素，篩選出可直接應用到沙化草地修復中的最優擋風墻設計。不同高度、不同孔隙類型的擋風墻均可在有限距離內降低地表風速，且越靠近地面削弱作用越明顯。條形孔3個高度擋風墻(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)隨著背風側距離增加，防風效能均呈減小趨勢，在觀測距離1 m處出現明顯的絕對低速區，之后風速逐漸恢復，該觀測結果與李凱崇等[33]的研究結果一致。研究[34]表明，在擋風墻高度以上風速會增大，而1.0 m高度擋風墻與觀測高度持平，有效防護距離會降低。因此，條形孔不同高度擋風墻防風效能為2.0 m(Ⅰ)和1.5 m(Ⅱ)高度優于1.0 m(Ⅲ)高度。

由于試驗條件所限，本研究仍存在一些不足：1)試驗的觀測周期為一年中的植物生長季，未能進行長期跟蹤監測，在下一步的研究中將開展長期、非生長季期間的觀測，通過被觀測植被的修復速度來確定擋風墻設置的合理時間周期；2)應增加試驗中測量風速的梯度、擋風墻架設排數等，以便更精確地篩選出針對特定區域的擋風墻高度、孔隙類型及布設方式；3)擋風墻設計的目的是在風沙治理過程中在最大限度防止風蝕的同時，盡量減小土壤水分過度消耗，目前研究試驗點僅針對局部小范圍沙化草地，未針對不同類型區域同步設計擋風墻類型進行比較分析，以及開展擋風墻措施下物種生長情況觀測分析等。因此，下一步將繼續加強擋風墻設計觀測研究，為該地區退化草地恢復提供理論依據和實踐參考。

4 結論

(1)5種類型擋風墻背風側各觀測位置距地表0.5 m 高度處的防風效能均高于1.0 m高度處。條形孔3個高度擋風墻(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)在距地面0.5及1.0 m高度處，隨著背風側距離增加，防風效能均呈減小趨勢，其中2.0、1.5 m高度擋風墻(Ⅰ、Ⅱ)優于1.0 m高度擋風墻(Ⅲ)。

(2)同一高度不同孔隙類型擋風墻(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)在距地表0.5 m高度處，隨著背風側距離增加，防風效能均呈減小趨勢；在距地表1.0 m高度處，隨背風側距離增加，3種孔隙類型擋風墻防風效能均呈先增大后減小的趨勢，其中圓形孔(Ⅴ)和方形孔(Ⅳ)擋風墻優于條形孔(Ⅲ)擋風墻。

(3)隨著擋風墻背風側距離的增加，擋風墻背風側表層土壤含水量均呈先增加后減小趨勢，最高值均出現在觀測距離1 m處。表層土壤保水能力較好的為圓形孔擋風墻(Ⅴ)、2.0 m高度條形孔擋風墻(Ⅰ)。

(4)綜合考慮不同擋風墻的防風效能、對表層土壤含水量的影響以及制作成本，條形孔3種高度擋風墻以1.5 m高度擋風墻較為適宜，3種孔隙類型擋風墻以圓形孔擋風墻較為適宜。

筆者自主設計的擋風墻采用鋼制材料制作，具有可移動、易拆裝特點，待沙化區域植被恢復后，可移動至其他區域重復利用，克服了常用生物質材料防護時間短、不能重復利用的弊端，且不會對沙區造成二次污染。通過試驗篩選出的1.5 m條形孔擋風墻和1.0 m圓形孔擋風墻可直接應用到草原生態系統退化嚴重地區的修復中。