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(duì)風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)林帶在不同株距和行距配置方式下的防風(fēng)作用。結(jié)果表明，兩種植物林帶均能有效降低風(fēng)速。在相同的株距和行距的情況下，檸條林帶防風(fēng)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(fēng)效果逐漸增大。隨著行距的增大，植物林帶的防風(fēng)效果逐漸減小。兩種植物均增大地表粗糙度，檸條林帶對(duì)粗糙度的影響是對(duì)照點(diǎn)的25倍，沙棘是對(duì)照的17倍。

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

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）11-235-03

風(fēng)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(fēng)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(fēng)力侵蝕在時(shí)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(dú)的風(fēng)蝕與水蝕[1]。對(duì)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?yàn)橹参锏母蛋l(fā)揮著良好的固體抗蝕作用[2-4]，同時(shí)當(dāng)氣流通過植被覆蓋的地表時(shí)，在植株的阻擋作用下，氣流穿越植株枝條時(shí)的摩擦和引起枝條搖晃擺動(dòng)消耗了一些動(dòng)能，使風(fēng)速減弱，起到防治風(fēng)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(fēng)力減弱或降低流動(dòng)速度[5-6]。植被分解了運(yùn)動(dòng)氣流的剪應(yīng)力，減弱氣流對(duì)地表土壤的吹蝕，從而起到保護(hù)地表土壤防治風(fēng)蝕的作用[8]。以往的研究表明，灌木防護(hù)林行帶式配置方式的防護(hù)效益優(yōu)于等行距配置林帶及隨機(jī)配置[9]，但具體的配置模式是生產(chǎn)實(shí)際中需進(jìn)一步解決的問題。筆者針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了野外模擬試驗(yàn)，為風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)進(jìn)行灌木防護(hù)林防護(hù)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(dú)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(fēng)氣候，降雨較少且集中，年平均降水量281 mm左右。年平均風(fēng)速2.3 m/s，每年沙暴日數(shù)在21～55 d之間。年平均日照時(shí)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(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)材料該試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在內(nèi)蒙古億利公司獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行。為了克服常規(guī)野外測(cè)風(fēng)試驗(yàn)尋找理想試驗(yàn)場(chǎng)地和被測(cè)林帶的困難，筆者采用模擬試驗(yàn)的方法，即從人工大面積種植區(qū)把試驗(yàn)樣株挖出，移栽到試驗(yàn)場(chǎng)地，人工移動(dòng)變化來達(dá)到不同配置的試驗(yàn)要求。該方法具有布設(shè)靈活方便的特點(diǎn)，比較容易實(shí)施，同時(shí)造價(jià)也遠(yuǎn)低于風(fēng)洞模擬試驗(yàn)。風(fēng)速觀測(cè)場(chǎng)地選擇在一塊地勢(shì)平坦開闊的沙地上，沙地上無其他植被的生長。在風(fēng)速觀測(cè)之前進(jìn)行地形平整，使風(fēng)速受地形影響較小。

在園區(qū)內(nèi)，試驗(yàn)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(jī)選擇120株，采用整株挖掘。挖掘出植株后，人工移運(yùn)到試驗(yàn)場(chǎng)地，按試驗(yàn)需求模擬種植成行帶狀。為了消除邊緣效應(yīng)對(duì)林帶觀測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，模擬種植的生長林帶需長于50 m。

2.2 風(fēng)速觀測(cè)風(fēng)速測(cè)定儀器使用HTSW18多通道風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所測(cè)出的風(fēng)速為瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速。測(cè)定儀器瞬時(shí)風(fēng)速測(cè)量范圍0～70 m/s，啟動(dòng)風(fēng)速0.1 m/s，風(fēng)速觀測(cè)精度±0.3 m/s，試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)置間隔為1 min，每次觀測(cè)時(shí)間1 h。

風(fēng)速野外觀測(cè)的時(shí)間在4月25日～5月5日，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期是研究區(qū)大風(fēng)季節(jié)，是風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)發(fā)生風(fēng)力侵蝕最嚴(yán)重時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期灌木林帶起到明顯的抗風(fēng)蝕作用，也是風(fēng)速觀測(cè)的最佳時(shí)期。

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

地表粗糙度是近地表風(fēng)速為零的高度，它是反映地表對(duì)風(fēng)阻抗的重要參數(shù)。計(jì)算粗糙度公式如下[11]：logz0 = （v1logz2-v2logz1）/（v1-v2）。式中z1、z2為觀測(cè)高度值（cm），u1、u2為高度z1、z2處的風(fēng)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(duì)防風(fēng)作用的影響

3.1 植株的布設(shè) 為了研究不同株距對(duì)風(fēng)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(jī)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(duì)照分別

布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，風(fēng)杯觀測(cè)高度為0.5和2.0 m，具體布設(shè)方法如圖1。

3.2 株距對(duì)防風(fēng)效能影響對(duì)兩種植物不同株距的布置方式進(jìn)行1 h的風(fēng)速觀測(cè)，計(jì)算出風(fēng)速平均值，并根據(jù)防風(fēng)效能計(jì)算公式計(jì)算出林帶的防風(fēng)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(fēng)效應(yīng)，樹種之間差異性極顯著（α<0.000 1），說明植物種對(duì)防風(fēng)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(duì)防風(fēng)效能的影響顯著。測(cè)點(diǎn)間防風(fēng)效能有較大差異，因?yàn)殡S著林帶后距離的增大，風(fēng)速逐漸恢復(fù)到曠野的風(fēng)速值，各個(gè)測(cè)點(diǎn)間的防風(fēng)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(fēng)速，均在林帶后1H處防風(fēng)效能最大，隨著林帶后距離的增大，防護(hù)效能逐漸降低，風(fēng)速值也逐漸恢復(fù)到曠野風(fēng)速。在相同的株距條件下，檸條的防風(fēng)效果優(yōu)于沙棘。對(duì)于不同的株距，總體趨勢(shì)為隨著株距的減小，防風(fēng)效能逐漸增大。

3.3 株距對(duì)粗糙度的影響研究 在每個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)200和50 cm高處風(fēng)速值，利用粗糙度公式計(jì)算出不同株距下林帶背后的粗糙度。計(jì)算粗糙度時(shí)，風(fēng)速統(tǒng)一選擇曠野對(duì)照風(fēng)速在2 m高處為6 m/s時(shí)的風(fēng)速值。粗糙度在一定程度上反映林帶的抗風(fēng)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(duì)照的粗糙度，其中檸條增大幅度最明顯，在株距為0.5 m時(shí)，林帶后1H處增大幅度最大，是對(duì)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(duì)照的11倍。

4 林帶行距對(duì)防風(fēng)作用的影響

4.1 植株的布設(shè)為了研究不同行距對(duì)風(fēng)速的影響，筆者采用雙行一帶的種植方式。為了消除株距對(duì)風(fēng)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(gè)體布設(shè)呈“品”字型配置。在布設(shè)的林地后和曠野對(duì)照分別布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，具體布設(shè)方法如圖3。

4.2 行距對(duì)防風(fēng)效果影響對(duì)2種植物3種行距林帶的布置方式進(jìn)行1 h的風(fēng)速觀測(cè)，計(jì)算出風(fēng)速平均值，并根據(jù)防風(fēng)效能的計(jì)算公式計(jì)算出林帶的防風(fēng)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(yàn)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)植株林帶防風(fēng)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(fēng)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(fēng)面1H～7H范圍內(nèi)，防風(fēng)效果均隨著林帶行距的增大而減弱，在林帶背風(fēng)面7H～9H的范圍內(nèi)，行距大的林帶背風(fēng)面防風(fēng)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(fēng)面防風(fēng)效能的衰減。對(duì)于兩種植物，隨著行距逐漸增大，林帶的防風(fēng)效果逐漸減弱。在相同的行距下，檸條林帶的防風(fēng)效果大于沙棘林帶。

4.3 行距對(duì)粗糙度的影響研究 由圖4可知，兩種植物林帶對(duì)地表粗糙度明顯增大，隨著林帶行距增大，林帶背風(fēng)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(fēng)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(shí)，兩種植物林帶對(duì)地表粗糙度的增大最明顯。兩種植物林帶當(dāng)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(duì)照的42倍，沙棘林帶是對(duì)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(fēng)速，均在林帶后1H處防風(fēng)效能最大。隨著株距

的減小，防風(fēng)效能逐漸增大。在相同的株距情況下，檸條的防風(fēng)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(duì)照的25倍，沙棘1H處的粗糙度是對(duì)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(fēng)面的防風(fēng)效果和地表粗糙度逐漸減?。恍芯酁? m的林帶后1H處地表粗糙度最大，其中檸條林帶是對(duì)照的42倍，沙棘林帶是對(duì)照的17倍。

林帶的防風(fēng)效能主要影響因子是林帶的透風(fēng)系數(shù)，影響林帶透風(fēng)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(fēng)系數(shù)不同。由于透風(fēng)系數(shù)較難觀測(cè)，株距間接反映植物的透風(fēng)系數(shù)，不同植物株距與其透風(fēng)系數(shù)的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。根據(jù)試驗(yàn)可知，林帶防風(fēng)作用總體規(guī)律基本為株行距越小，防風(fēng)效能越大。但在實(shí)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(fēng)效能作用，同時(shí)也應(yīng)考慮林帶的耗水量。

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責(zé)任編輯 宋平 責(zé)任校對(duì) 李巖