譚立海, 張偉民, 邊 凱, 高 揚, 鐘 帥

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 蘭州 730000; 2.億利資源集團, 內(nèi)蒙古 東勝 017000)

礫石覆蓋固沙措施水土保持作用研究
——以庫布齊沙漠北緣為例

譚立海1, 張偉民1, 邊 凱1, 高 揚1, 鐘 帥2

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 蘭州 730000; 2.億利資源集團, 內(nèi)蒙古 東勝 017000)

庫布齊沙漠發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)，風沙防護是必要舉措。通過風洞試驗與野外觀測探討了礫石覆蓋固沙措施的風沙防護效益及其對土壤溫濕度的影響，旨在為礫石覆蓋在庫布齊沙漠防風固沙中的應用提供科學依據(jù)。研究表明：3 cm粒徑礫石床面具有顯著的防風固沙效應：10～16 m/s試驗風速下，10%～90%覆蓋度礫石床面風蝕防護效應介于49.4%～100%，其中，50%覆蓋度礫石床面空氣動力學粗糙度達到最大值，風蝕防護效應在96%以上，已達到理想的防風固沙效果。鑒于庫布齊沙漠風況特征，從工程防護角度講，40%覆蓋度礫石覆蓋固沙措施能夠達到防風蝕的目的，風蝕防護效應在93%以上，且能起到白天降溫、夜間保溫的作用，減少極端氣溫對作物的傷害，還能提高土壤含水量。本研究可為礫石覆蓋固沙措施在干旱區(qū)風蝕防護中的應用提供借鑒作用。

礫石覆蓋; 風蝕; 土壤溫濕度; 庫布齊沙漠

庫布齊沙漠是中國第七大沙漠，地處中國北方農(nóng)牧交錯帶，是中國北方重要的生態(tài)屏障，也是生態(tài)脆弱帶和荒漠化發(fā)展嚴重帶[1]。經(jīng)過40 a各方面的努力，庫布齊沙漠治理取得了巨大的成就，通過發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)帶動沙漠治理和生態(tài)恢復是庫布齊沙漠治理的基本經(jīng)驗和突出特色[2]。植物固沙是庫布齊沙漠荒漠化治理的重要措施[3]，而機械固沙措施是植物固沙的重要輔助措施，使固沙植物免受風蝕與沙埋，同時可以改善沙地的水分狀況，有利于植物的成活與生長[4]。礫石覆蓋是一種重要的機械防沙措施[5-6]。礫石對風沙活動的抑制作用早為人所知，礫石面對底層水分和細沙物質(zhì)具有保護作用，被稱為“黑色植被”[7]；我國西北風蝕較嚴重的地區(qū)如甘肅中部地區(qū)很早就采用礫石覆蓋的方式栽培作物[8-9]。嘗試將礫石覆蓋固沙措施應用于庫布齊沙漠治理開發(fā)中，例如在種植甘草、苦豆子等中蒙藥材沙地進行礫石覆蓋，防風蝕的同時還有助于提高藥材產(chǎn)量，能更好地促進該區(qū)沙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

礫石作為天然不可蝕粗糙元能夠顯著地抑制風蝕的發(fā)生，這主要通過增加地表粗糙度，吸收和分解地表風動量，降低可蝕床面上的剪切力來抑制風蝕，即增大了礫石間沙粒的起動風速[10-13]。另外，礫石覆蓋還可減少風和地表土壤的直接作用面積，對可蝕地表形成保護[14]。礫石覆蓋度是評價礫石覆蓋防沙工程防護效益的一個重要因子[6,15-16]。Dong等[17]從空氣動力學角度探討了礫石覆蓋的防護效益，得出當?shù)[石覆蓋度在40%～50%以上時戈壁蝕余面達到穩(wěn)定。不少學者探討了礫石覆蓋度對風蝕強度的影響，研究表明，風蝕強度隨礫石覆蓋度增加呈指數(shù)規(guī)律遞減[7,18-19]。王訓明等[20]研究了阿拉善高原戈壁地表風蝕強度與礫石覆蓋度的關系后認為，40%蓋度以下的戈壁地表其風蝕強度隨著礫石覆蓋度的增加而增大，這可能與低礫石蓋度下，礫石周圍的渦流侵蝕作用較強有關。風洞試驗結果表明，礫石粒徑對風蝕強度也會產(chǎn)生影響，小粒徑礫石(如2 cm)要比大粒徑礫石(如10 cm)風蝕防護效益要好[21-22]。此外，礫石的排列方式也會對風蝕強度產(chǎn)生影響：劉連友等[7]風洞試驗表明，隨機排列的礫石床面具有更好地抑制風蝕效應；然而，Brown等[23]認為不可蝕粗糙元密度是風蝕防護的主控因子而不受排列方式的影響。綜上所述，以往研究主要探討礫石覆蓋特征參數(shù)如礫石覆蓋度、粒徑和排列方式等對風蝕的影響，礫石覆蓋防護效益主要是從防風固沙角度來考慮。雖然在中國西北地區(qū)礫石覆蓋廣泛應用于農(nóng)田土壤保墑中，但關于礫石覆蓋水土保持作用的系統(tǒng)研究較少[24]。

本文對礫石覆蓋防風固沙效益以及對土壤溫濕度的影響進行試驗研究，來綜合分析礫石覆蓋固沙措施的水土保持作用，旨在為礫石覆蓋應用于庫布齊沙漠開發(fā)治理中的風蝕防護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線的北部，西、北、東三面均以黃河為界(圖1)。庫布齊沙漠以流動沙丘為主，面積占80%，類型以沙丘鏈和格狀沙丘為主，一般高10～15 m[25]。研究區(qū)位于鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風氣候特征，年降水量150～250 mm，主要集中于7、8兩個月；年蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年平均氣溫6～7.5℃，積溫3 000℃，無霜期122～144 d；沙塵暴天氣日數(shù)在21～55 d，主要集中于春季[26]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位示意圖和2014年研究區(qū)輸沙勢

通過對區(qū)域內(nèi)所架設氣象站2014年風況資料的分析，結果表明，該區(qū)年輸沙勢為269.03 VU，屬中風能環(huán)境，合成方向為245.13°，合成輸沙勢與總輸沙勢比值(RDP/DP)為0.19，表明該區(qū)域為鈍雙峰風況(圖1)。2014年2 m平均風速為3.4 m/s，最大風速達16.6 m/s；起沙風頻率占24.18%，其中，偏東風(ENE和E；116.22 VU)與偏西風(SW，WSW，W，WNW和NW；104.71 VU)為主要起沙風風向(圖1)。

2 研究方法

2.1 風蝕防護風洞試驗

風洞試驗在中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院敦煌戈壁荒漠研究站直流閉口吹氣式可移動式風洞中進行，洞體總長12.9 m，工作段長6 m，橫斷面為0.6 m×0.6 m(內(nèi)壁尺寸)，電機功率為13 kW，洞內(nèi)風速0～16 m/s連續(xù)可調(diào)。通過對下墊面風速廓線的測量，風洞邊界層厚度可達20 cm左右。

床面風蝕速率變化過程采用稱重傳感器來測量。該傳感器臺面面積為30 cm×30 cm，采用2通道數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，每2秒鐘采集1個數(shù)據(jù)，精度為1 g。在試驗中，將面積為0.4(長)×0.4(寬)m2，深度為2 cm的方形鐵盤放置于上，鐵盤內(nèi)加滿沙顆粒，并刮平沙面與自然地面齊平，作為風蝕速率變化測量樣方(圖2)。在進行風蝕速率觀測前，先對不同覆蓋度礫石床面風速廓線進行測量，來分析床面的空氣動力學效應。

試驗礫石采用塊狀礫石，經(jīng)篩分后，平均粒徑為3 cm。選用10%～90%(間隔10%)9組蓋度礫石床面。以30%礫石覆蓋度床面為例，說明礫石覆蓋度的測量方法：礫石覆蓋風洞底面面積Sw是固定的，30%蓋度礫石總底面積為0.3Sw，利用一張與礫石底面積相同的坐標紙，在上面鋪滿3 cm粒徑礫石，則這些礫石就是用在30%蓋度礫石床面風蝕速率測量試驗中的礫石。床面礫石按照叉排式結構鋪設在風洞底面面板上，鋪設總長度為4.8 m(圖2)。

圖2 風洞試驗布局

2.2 土壤溫濕度實地觀測

礫石覆蓋土壤溫濕度觀測試驗在庫布齊沙漠杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)開發(fā)沙地中進行，選取觀測樣方，設置礫石覆蓋機械防護措施處理(圖3)，并設置一空白對照，利用HOBO溫濕度探頭對0—5，10，30，50，100 cm深度土壤溫濕度進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集間隔為15 min。礫石覆蓋度在40%左右，礫石粒徑約3 cm，均勻鋪設礫石，鋪設面積200 m2。

3 結果與分析

3.1 礫石覆蓋防風固沙效應

3.1.1 防風效應 不同覆蓋度礫石床面防風效應(WR)用以下公式表示：

(1)

式中：uz為礫石床面不同高度風速；u0z為無礫石覆蓋床面不同高度風速。WR值越大表示礫石床面風速相對于無礫石覆蓋床面衰減越大，防風效應越好。WR隨礫石覆蓋度的變化見圖4。由圖4可以看出，隨著礫石覆蓋度的增加風速衰減逐漸增大，礫石床面防風效應增強。在10～16 m/s時，當?shù)[石覆蓋度從10%增加到40%或50%時，風速衰減隨礫石覆蓋度的增加顯著增大，防風效應增強，而該臨界蓋度以上風速衰減基本趨于穩(wěn)定，表明礫石床面防風效應無顯著變化。風速衰減主要發(fā)生地表以上0.9～2.2 cm 高度范圍內(nèi)，2.2 cm以上高度礫石床面防風效應隨礫石覆蓋度增加而增強的變化趨勢越來越小，到地表以上8.3 cm高度處礫石床面的防風效應已不明顯。因此，10～16 m/s風速下，3 cm粒徑礫石當?shù)[石覆蓋度達到40%或50%時，礫石床面即可取得較好的防風效應。

圖3 庫布齊沙漠沙地礫石覆蓋處理

圖4 不同試驗風速(U)下防風效應WR隨礫石覆蓋度的變化

空氣動力學粗糙度是表征氣流與地表相互作用的重要參數(shù)之一，對風沙活動產(chǎn)生重要影響[27]。通過對不同試驗風速下不同覆蓋度礫石床面空氣動力學粗糙度的計算，計算方法采用Wiggs等[28]計算空氣動力學粗糙度方法，結果表明，在10～16 m/s試驗風速下，空氣動力學粗糙度隨礫石覆蓋度增加先增大后減小并趨于穩(wěn)定(圖5)。具體而言，10%～50%覆蓋度范圍內(nèi)，空氣動力學粗糙度隨礫石覆蓋度的增大而顯著增大，到50%蓋度達到最大值，50%蓋度后，空氣動力學粗糙度隨礫石覆蓋度增大而減小并趨于穩(wěn)定。因此，從空氣動力學的角度講，增加礫石覆蓋對空氣動力學粗糙度的增大是有一定極限的，50%蓋度后再增加礫石所起的防護作用不大，即3 cm粒徑礫石床面在50%蓋度時達到空氣動力學上的穩(wěn)定。風速衰減達到最大時，空氣動力學粗糙度同樣達到最大，這表明空氣動力學粗糙度增大是同高度風速隨礫石覆蓋度增大而衰減的內(nèi)在原因，礫石床面隨礫石覆蓋度增大而風速衰減是床面粗糙度增大的直接表現(xiàn)。

3.1.2 防風蝕效應 不同覆蓋度礫石床面防風蝕效應(ER)用以下公式表示：

ER=(1-er/es)×100%

(2)

式中：er為礫石床面風蝕速率；es為對照沙床風蝕速率。ER值越大表示防風蝕效應越好。ER值隨礫石覆蓋度的變化過程見圖6。由圖可見，10～16 m/s試驗風速下，10%～90%覆蓋度礫石床面風蝕防護效果明顯，防風蝕效應達49.4%～100%。當?shù)[石覆蓋度從10%增加到50%時，ER值顯著增大，50%覆蓋度以上礫石床面風蝕速率隨礫石覆蓋度增大而趨于穩(wěn)定。具體而言，當?shù)[石蓋度達到40%時，各試驗風速下礫石床面風蝕防護效應達93.8%～99.2%；50%蓋度礫石床面風蝕防護效應達96.4%～100%?？梢?，理論上，10～16 m/s風速下，3 cm粒徑礫石在50%覆蓋度時即可達到理想的風蝕防護效果。

圖5 空氣動力學粗糙度隨礫石蓋度的變化

3.2 礫石覆蓋對土壤溫濕度的影響

3.2.1 土壤溫度 以2016年4月14日—27日和2016年7月2日—15日各15 d礫石覆蓋沙地與無礫石覆蓋沙地0—5 cm和10 cm土壤溫度隨監(jiān)測時間變化過程為例，來分析礫石覆蓋對土壤溫度的影響(圖7)。由圖7可見，礫石覆蓋沙地相比無礫石覆蓋對照沙地具有白天降溫、夜間保溫的作用。在4月份監(jiān)測時間段內(nèi)，礫石覆蓋沙地相比于無礫石覆蓋對照沙地0—5 cm土壤白天最大降溫達5.1～12.8℃，夜間最大增溫可達1.3～5.2℃；而10 cm土壤溫度白天最大降溫達1.1～2.0℃，夜間最大增溫可達0.05～0.2℃。

圖6 風蝕防護效應(ER)隨礫石覆蓋度的變化

相應的，7月份礫石覆蓋沙地0—5 cm土壤溫度白天最大降溫達0.1～9.7℃，夜間最大增溫可達0.7～6.0℃；而10 cm土壤溫度白天最大降溫達0.6～2.6℃，夜間最大增溫可達0.6～4.2℃。以上結果表明，礫石覆蓋沙地后，在白天土壤表層溫度顯著降低：7月份觀測期間無礫石覆蓋沙地土壤表層最高溫度為41.3℃，而礫石覆蓋沙地相應土壤溫度為32.1℃，降低9.2℃；礫石覆蓋層在夜間起保溫作用，具有儲熱功能，防止低溫對沙生植物的傷害：4月份觀測期間無礫石覆蓋土壤表層(0—5 cm)夜間最低溫度為3.8℃，而礫石覆蓋后夜間最低氣溫為6.3℃，提高2.7℃?？梢姡[石覆蓋使沙地土壤溫度在白天與夜間的波動幅度降低，且隨著土層深度的增加波動幅度減小。

3.2.2 土壤含水量 圖8說明了2016年4月14日—27日礫石覆蓋與無礫石覆蓋對照沙地10 cm和30 cm深度土壤含水量隨監(jiān)測時間的變化過程。結果表明，礫石覆蓋能顯著的抑制蒸發(fā)，與無礫石覆蓋沙地相比，礫石覆蓋沙地土壤含水量變化速率明顯降低。4月份在無降水的影響下，礫石覆蓋沙地和無礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量都隨時間的推移逐漸降低，而對照沙地土壤含水量衰減速率明顯大于礫石覆蓋沙地，前者是后者衰減速率的1.9倍；相同時間段內(nèi)，無礫石覆蓋沙地30 cm土壤含水量隨時間變化逐漸降低，而礫石覆蓋沙地土壤含水量隨監(jiān)測時間延長基本保持不變。此外，無礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量受蒸發(fā)影響具有明顯的日變化規(guī)律，每日出現(xiàn)一波峰和波谷，而礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量日變化規(guī)律相對不明顯，這與礫石覆蓋使地表蒸發(fā)減弱有關。

礫石覆蓋3個月后，選取7月17日—31日時間段，對其30 cm與50 cm土壤含水量與無礫石覆蓋對照沙地進行比較，結果表明，礫石覆蓋沙地30 cm深度土壤含水量是無礫石覆蓋沙地的1.1～1.5倍；礫石覆蓋沙地50 cm深度土壤含水量是無礫石覆蓋沙地的1.0～2.3倍(圖9)?？梢?，礫石覆蓋能夠顯著地提高土壤含水量。

圖7 4月(A-B)與7月(C-D)礫石覆蓋沙地與無礫石覆蓋沙地土壤溫度變化過程

圖8 2016年4月14日-27日礫石蓋度沙地與無礫石覆蓋沙地10 cm和30 cm土壤含水量變化趨勢

圖9 2016年7月17日-31日礫石覆蓋沙地與無礫石覆蓋沙地30 cm和50 cm土壤含水量變化過程

4 討 論

礫石覆蓋風蝕防護機理可以由剪切壓分解理論來解釋，即作用在不可蝕粗糙元覆蓋地表的剪切壓可以分解為作用在不可蝕粗糙元上和不可蝕粗糙元之間的可蝕地表上兩部分[10]。剪切壓的分解使作用在礫石間可蝕地表的剪切壓減小，相應增大了礫石間可蝕地表的沙粒起動風速，從而抑制風蝕作用。研究表明，10%～90%覆蓋度礫石使沙粒起動剪切風速增大了1.8～4.5倍[19]。此外，礫石覆蓋使可蝕床面的暴露面積直接減小，即減小了風與躍移沙粒對可蝕床面的直接作用和沖擊作用面積，從而直接減少風蝕量。從理論上講，本研究結果表明，3 cm粒徑礫石在達到50%礫石覆蓋度時就可取得理想的防風固沙效果，此蓋度下風速消減與空氣動力學粗糙度達到最大值，且風蝕防護效應在96%以上。礫石覆蓋風蝕防護最優(yōu)蓋度一直是風沙物理和風沙工程學研究的熱點問題。富寶鋒等[21]對礫石覆蓋沙床風蝕防護效益進行了風洞試驗研究，結果表明，55%礫石覆蓋度后礫石床面風蝕防護效益趨于穩(wěn)定。Wang等[29]，張偉民等[30]和王志強等[22]認為60%礫石覆蓋度后礫石床面風蝕防護效益趨于穩(wěn)定。以上研究結果中最優(yōu)礫石覆蓋度的差異受試驗風速影響較大，而且也受集沙儀收集效率的影響。因此，將礫石覆蓋固沙措施應用于風蝕防護時，要充分考慮所應用地區(qū)的局地風況如最大風速。本研究中，應用稱重傳感器使地表風蝕速率實現(xiàn)了定量化測量，因而不受集沙儀收集效率問題的影響，且試驗風速與庫布齊沙漠基本一致。此外，風沙防護工程上，防護措施在達到有效的風沙防護效果的同時還要使工程成本降到最低。40%覆蓋度礫石床面風蝕防護效應在93%以上，從40%礫石覆蓋度增加到50%，風蝕防護效應只提高3%。因此，兼顧風沙工程成本和防護效益，筆者認為3 cm粒徑礫石、40%覆蓋度礫石覆蓋固沙措施應用于庫布齊沙漠風蝕防護能夠起到較好的效果。

礫石覆蓋除消減風速、降低風蝕量外，其還具有蓄熱功能，好比天然的塑料薄膜，減少低溫傷害，有利于作物根系生長；并能使土壤結凍期推遲，解凍期提前，這對喜溫作物來說，不僅能豐產(chǎn)，還能提前成熟，改善其品質(zhì)。礫石覆蓋割斷了土壤通向大氣的毛細管，毛管作用被破壞，抑制土壤蒸發(fā)；沙地表層減少了毛管上升水，蒸發(fā)方式主要為蒸汽擴散以及植物蒸騰[31]。此外，礫石覆蓋能夠增加降雨入滲量，減小徑流和改善土壤結構，從而有效的提高土壤含水量[32]。Li等[24]研究表明，礫石覆蓋能夠顯著地提高土壤含水量，特別是20—60 cm深度土壤。本研究土壤溫濕度觀測中礫石覆蓋度的設置主要從防風蝕角度來考慮，今后需深入研究不同粒徑、覆蓋度礫石床面對土壤溫濕度的影響。

5 結 論

沙地開發(fā)必須有一定的風沙防護措施，礫石覆蓋不僅能夠防風固沙，而且對土壤具有保濕保溫作用。風洞試驗表明，理論上3 cm粒徑礫石在50%蓋度時即可達到理想的防風固沙效果：空氣動力學粗糙度達到最大值，風蝕防護效應在96%以上。結合庫布齊沙漠風況特征以及礫石覆蓋應用成本，3 cm粒徑礫石在40%覆蓋度時，風蝕防護效應在93%以上，能夠起到較好的風蝕防護效果，同時對土壤具有較好的保墑作用。

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EffectofGravelMulchonSoilandWaterConversation—ACaseStudyintheNorthernEdgeofHobqDesert

TAN Lihai1, ZHANG Weimin1, BIAN Kai1, GAO Yang1, ZHONG Shuai2

(1.DunhuangGobiDesertResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.ElianResourcesGroup,Dongsheng,InnerMongolia017000,China)

The control of wind erosion is crucial to the development of deserticulture in the Hobq Desert. This study discussed the protective effect of gravel mulch against wind erosion as well as its influence on soil temperature and humidity through wind tunnel experiments and field observation, aiming to provide the scientific basis for the application of gravel mulch to wind erosion control in the Hobq Desert. The results show that gravel beds composed of gravels in 3 cm diameter have significant effect of wind-reducing and erosion control, and the inhibition ratio of wind erosion ranges 49.4%～100%. Under experimental wind speeds of 10 to 16 m/s and as gravel coverage reaching 50%, gravel beds are aerodynamically stabile, and the inhibition ratio of wind erosion is more than 96%. In aeolian engineering, gravel mulch in coverage of 40%, with a wind erosion inhibition ratio of more than 93%, can achieve the purpose of preventing wind erosion in the Hobq Desert. Meantime, it can play a role of cooling in daytime and preserving heat at night, thus reducing the damage of extreme temperature to crops and also improving soil moisture content. This study can provide reference for the application of gravel mulch to wind erosion protection in the other arid areas.

gravel mulch; wind erosion; soil temperature and moisture; Hobq Desert

S157

A

1005-3409(2017)06-0172-07

2016-12-07

2017-01-10

國家科技支撐計劃項目(2015BAC06B01-02);中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院青年人才成長資助基金(51Y651K41)

譚立海(1985—),男,山東臨朐人,博士,助理研究員,主要從事風沙物理與風沙工程學研究。E-mail:tanlihai18@163.com