左 忠，潘占兵，張安東,2，余 殿，周景玉

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干旱風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)空間風(fēng)速與地表風(fēng)蝕特征

左 忠1，潘占兵1※，張安東1,2，余 殿3，周景玉3

（1. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，銀川 750002； 2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，成都 610065；3. 寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，鹽池縣 751500）

為準(zhǔn)確了解和評(píng)價(jià)干旱風(fēng)沙區(qū)在典型大風(fēng)環(huán)境下農(nóng)田防護(hù)林空間風(fēng)速分布，以及林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)蝕狀況，分別利用三杯風(fēng)速儀和誘捕法，對(duì)干旱風(fēng)沙區(qū)鹽池縣農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)空間風(fēng)速與地表風(fēng)蝕特征開展了林網(wǎng)內(nèi)不同水平距離內(nèi)的距地表50、200 cm高度風(fēng)速分布與地表風(fēng)蝕狀況監(jiān)測(cè)。研究表明：1) 隨著防護(hù)距離的逐漸增大，風(fēng)蝕量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，而風(fēng)速變化規(guī)律正好相反；50和200 cm高度的風(fēng)速變化規(guī)律均一致，均呈先逐漸降低后逐漸升高的變化，以12處對(duì)風(fēng)力減小作用最明顯，50和200 cm高度的風(fēng)速降幅分別達(dá)到了51%和46%；林帶防風(fēng)效益與距離呈先增加后減小趨勢(shì)，以12（12倍的防護(hù)林帶樹高，下同）處200 cm高度最佳，為53.65%；侵蝕模數(shù)由林帶內(nèi)的輕度、1處的強(qiáng)度到3、7處的劇烈，12處為極強(qiáng)度，以3處最大，為21 944.62 t/km2。2) 沙粒粒徑以73.99、87.99、104.6m區(qū)間為主，其中82.53%～99.93%沙粒均集中在248.9m以下，為細(xì)沙粒，而曠野對(duì)照組沙粒粒徑主要集中在104.6～148m，沙粒明顯較粗。因此，干旱風(fēng)沙區(qū)沙質(zhì)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)在典型大風(fēng)日內(nèi)對(duì)風(fēng)速的減緩非常有效。但由于林網(wǎng)內(nèi)沙物質(zhì)源豐富，風(fēng)蝕現(xiàn)象依然嚴(yán)重，對(duì)當(dāng)?shù)厣硥m暴發(fā)生影響較大。該研究對(duì)準(zhǔn)確掌握當(dāng)?shù)亓志W(wǎng)風(fēng)蝕，科學(xué)評(píng)價(jià)林網(wǎng)防護(hù)功能等有一定的借鑒作用。

土壤；風(fēng)；侵蝕；干旱風(fēng)沙區(qū)；農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)；風(fēng)蝕

0 引 言

防護(hù)林是以發(fā)揮防護(hù)效應(yīng)為基本經(jīng)營(yíng)目的的森林的總稱[1]，既包括人工林，也包括天然林[2]。農(nóng)田防護(hù)林是一種為了改善土壤、水分、小氣候條件，防止自然災(zāi)害而為農(nóng)作物和牲畜的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利環(huán)境的、保證農(nóng)牧業(yè)穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的，并且能為人類社會(huì)提供多種效用的人工森林生態(tài)系統(tǒng)[3]。其主要目的是調(diào)節(jié)農(nóng)田內(nèi)部小氣候、減小風(fēng)速、有效保證農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)豐收。風(fēng)蝕是寧夏主要自然災(zāi)害之一，研究、治理和抵御風(fēng)蝕危害是各級(jí)政府與群眾長(zhǎng)期面臨的共同使命。對(duì)典型大風(fēng)條件下農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)空間風(fēng)速分布特征與風(fēng)蝕程度的研究，是研究決定農(nóng)田防護(hù)林林帶間距、林帶寬度、樹種搭配、疏透系數(shù)等科學(xué)布設(shè)的前提，特別是風(fēng)害嚴(yán)重的干旱風(fēng)沙區(qū)。而針對(duì)干旱風(fēng)沙區(qū)林網(wǎng)內(nèi)典型大風(fēng)日風(fēng)力分布特征與地表風(fēng)蝕相關(guān)性的研究非常少見。前蘇聯(lián)[3]根據(jù)土壤類型采用帶間距離300～400 m（栗鈣土）、400～500 m（南方黑鈣土）、500～600 m（普通黑鈣土）。歐洲（丹麥）[3]以林帶高為15 m計(jì)，則林帶之間的距離應(yīng)在250 m。王仁德等[4]對(duì)山東平原農(nóng)區(qū)研究表明，風(fēng)速降低10%時(shí)對(duì)農(nóng)作物就不產(chǎn)生危害，1～20平均防風(fēng)效益為35.27%，7處防風(fēng)效果最好，防風(fēng)效益達(dá)63.64%。同時(shí)研究表明，單條防護(hù)林帶結(jié)構(gòu)為最優(yōu)結(jié)構(gòu)時(shí)，在30范圍內(nèi)，平均風(fēng)速降低40～50%；在20范圍內(nèi)，平均風(fēng)速降低50～60%。防護(hù)林內(nèi)10距離后，風(fēng)速才明顯增高[5]。朱廷曜等[6]提出在平原地區(qū)，單條防護(hù)林帶結(jié)構(gòu)為最優(yōu)結(jié)構(gòu)時(shí)，減弱風(fēng)速20%的有效防護(hù)距離可達(dá)25~30。劉建勛等[7]觀測(cè)到河西走廊中部單個(gè)農(nóng)田林網(wǎng)的防風(fēng)度為28.2%，18～25處相對(duì)風(fēng)速均在80%以上。左忠等[8-15]對(duì)寧夏、新疆、內(nèi)蒙等地引黃灌區(qū)防護(hù)林體系、農(nóng)田地表風(fēng)蝕、降塵機(jī)理進(jìn)行了較為全面的觀測(cè)。查同剛等[16-18]對(duì)寧夏農(nóng)田防護(hù)林體系、結(jié)構(gòu)、配置、小氣候進(jìn)行了調(diào)查研究。張雷等[19-21]分別針對(duì)沿海與寧夏防護(hù)林效應(yīng)、風(fēng)區(qū)分布、氣場(chǎng)流體學(xué)等開展了研究。鄭波等[22]利用風(fēng)洞研究了種植棗樹等植株高大目標(biāo)作物的防護(hù)林風(fēng)場(chǎng)特征及防風(fēng)效應(yīng)的影響表明，棗樹對(duì)林帶前后流場(chǎng)均具有顯著影響。彭帥[23]研究表明喬灌混交配置是防護(hù)林帶樹種配置的首選。孫欽明[24]研究表明，林帶不同配置結(jié)構(gòu)下近地表流場(chǎng)變化差異較大。于穎等[25-26]分別利用遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能的定量估算和作物產(chǎn)量的評(píng)價(jià)。綜上，目前關(guān)于平原地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林空間風(fēng)速分布研究較為常見，但干旱風(fēng)沙區(qū)灌區(qū)由于生產(chǎn)條件惡劣，區(qū)域間自然環(huán)境差異性大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，生產(chǎn)力水平低下，諸如農(nóng)田風(fēng)蝕特征等基礎(chǔ)研究起步較晚，開展的相關(guān)研究較少，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)需求尚有一定的差距。

風(fēng)害防治是農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)設(shè)置首要作用。由于北方春季風(fēng)害易發(fā)期正是落葉防護(hù)林樹種展葉前期，防風(fēng)效果明顯不佳。同時(shí)，不同地域氣候差異性大，主害風(fēng)力破壞性之間差別非常大，而不同區(qū)域農(nóng)藝耕種習(xí)慣、土壤類型防風(fēng)蝕特性、不同作物對(duì)防護(hù)林網(wǎng)設(shè)計(jì)需求的差異性等，決定了防護(hù)對(duì)象差別較大，不同區(qū)域、不同類型的防護(hù)林空間設(shè)置、功能實(shí)現(xiàn)的差別也較大。對(duì)干旱風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)速空間分布與冬春季農(nóng)田風(fēng)蝕特征研究，是保證農(nóng)田防護(hù)林科學(xué)布設(shè)，保障農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重中之重，據(jù)此開展了本研究。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)地處鄂爾多斯臺(tái)地中南部、毛烏素沙地西南緣，寧夏中東部干旱風(fēng)沙區(qū)，是寧夏中部干旱帶主要組成部分，試驗(yàn)區(qū)年降水量145.3～487.5 mm，蒸發(fā)量1369.9～2 394.7 mm，干燥度3.1；年均氣溫7.0～10.0 ℃，年溫差31.2 ℃，無霜期138 d，≥10 ℃積溫2 944.9 ℃；年均大風(fēng)日數(shù)25.2 d，年均風(fēng)速2.8 m/s，主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)、南風(fēng)次之；主要自然災(zāi)害為春夏旱和沙塵暴[8]。

研究監(jiān)測(cè)區(qū)設(shè)在寧夏鹽池縣王樂井鄉(xiāng)王樂井村揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田，為上茬種植玉米機(jī)械翻耕后并做了平整處理，以備當(dāng)年春耕的揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田。地理位置37°47′04.44″N，107°09′29.70″E。曠野對(duì)照區(qū)域?yàn)橥鯓肪l(xiāng)政府北面、王樂井鄉(xiāng)東溝村正南無任何防護(hù)林分布的旱作農(nóng)田集中分布區(qū)域，地表為上茬種植蕎麥后保持的原始地貌，距離監(jiān)測(cè)區(qū)直線距離2 km左右。

2 研究方法

2.1 防護(hù)林基本特征

防護(hù)林樹種選擇30 a左右榆樹林帶，是當(dāng)?shù)剌^有代表性的抗旱力強(qiáng)、較為常見的防護(hù)林樹種。防護(hù)林平均樹高15 m，林帶規(guī)格3 m×6 m，3行，品字形種植，樹冠冠幅437～556 cm，樹冠大，疏透度35%～40%，垂直于主害風(fēng)向的成熟防護(hù)林帶，生長(zhǎng)緩慢，林木保存率86%，保存完整。林網(wǎng)東西距離350 m，南北距離80 m，監(jiān)測(cè)時(shí)大風(fēng)風(fēng)向按時(shí)風(fēng)向玫瑰圖區(qū)分為315°左右NW向西北風(fēng)。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

2.2.1 風(fēng)速監(jiān)測(cè)

在有沙塵暴發(fā)生的典型大風(fēng)日內(nèi)，以距離監(jiān)測(cè)區(qū)直線距離2 km左右的曠野為對(duì)照，利用武漢新普惠科技有限公司生產(chǎn)的PH-SD2型手持風(fēng)速風(fēng)向儀，將其放置在林帶南北等距離的中心線上，同時(shí)監(jiān)測(cè)距離防護(hù)林1（為防護(hù)林帶高度1代表距離觀測(cè)風(fēng)向后林帶15 m處）、3、7、12（前后林帶中間距離175 m處）、21（距離前林帶320 m、后林帶30 m）不同水平距離50和200 cm垂直高度空間中的平均風(fēng)速。監(jiān)測(cè)時(shí)將風(fēng)速儀利用穩(wěn)定的桿狀固定裝置按照監(jiān)測(cè)高度安裝到指定高度后，每位觀測(cè)者負(fù)責(zé)操作1臺(tái)風(fēng)速儀，按照約定時(shí)間同時(shí)開始記錄風(fēng)速風(fēng)向，記錄者位于風(fēng)速儀1 m以外的下風(fēng)向。每1分鐘記錄一次，連續(xù)記錄15次，取其平均數(shù)。

2.2.2 風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)

利用誘捕法（圖1），在各觀測(cè)地內(nèi)選擇平整且保證具有原始地被物覆蓋的基礎(chǔ)上，同時(shí)放置口徑7 cm的集沙容器，放置時(shí)將保證容器口與地表持平，并且把容器周圍的空隙填平，盡量使其保持原狀，待有風(fēng)蝕現(xiàn)象時(shí)容器對(duì)過境沙粒進(jìn)行收集。期間及時(shí)觀察容器內(nèi)沙粒沉降情況。當(dāng)集沙量體積接近容器容積一半時(shí)及時(shí)收集該容器的沙粒，并稱其質(zhì)量，累加記錄后對(duì)比監(jiān)測(cè)不同立地類型土壤風(fēng)蝕量。

圖1 誘捕測(cè)定法主要試驗(yàn)原理

分別在距離防護(hù)林與主風(fēng)向林垂直的南北走向的林帶內(nèi)（0處）、距離林帶1、3、10、12（林帶中間175 m處）不同水平空間范圍內(nèi)放置的集沙容器埋入地表。分別于2016年3月15日放置，4月17日、5月14日、6月16日第一、二、三次回收，放置時(shí)間均為30d左右。將未被人或動(dòng)物影響或破壞的樣品收回稱其質(zhì)量，每處理重復(fù)5個(gè)，取其平均數(shù)。將收集到的沙粒帶回室內(nèi)，分析沙塵粒徑和集沙量，其中集沙量用感量0.01 g的天平稱質(zhì)量。

2.2.3 沙粒粒徑分析

采用英國(guó)產(chǎn)Malvern牌Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，對(duì)試驗(yàn)采集到的沙粒樣品進(jìn)行了粒徑組成分析。

2.2.4 防護(hù)林距離測(cè)量

防護(hù)林樹高、1、3近距離測(cè)量采用LeicaD510型激光測(cè)距儀測(cè)量，遠(yuǎn)距離采用Australia New Meter(HK) Co.,ltd生產(chǎn)的TM1500型激光望遠(yuǎn)鏡測(cè)距儀進(jìn)行了測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

2.3.1 下墊面的粗糙度測(cè)定

下墊面的粗糙度是反映不同地表固有性質(zhì)的一個(gè)重要物理量，是表示地表以上風(fēng)速為零的高度，是風(fēng)速等于零的某一幾何高度隨地表粗糙程度變化的常數(shù)[27]。而朱朝云等[28]則認(rèn)為下墊面的粗糙度是衡量治沙防護(hù)效益最重要的指標(biāo)之一。按照下墊面粗糙度的公式定義，只要同時(shí)測(cè)得監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同高度風(fēng)速差，就可根據(jù)公式推出供試樣地的下墊面的粗糙度[28]。測(cè)定任意兩高度處1，2及它們對(duì)應(yīng)的風(fēng)速12，設(shè)2/1＝時(shí)，則得方程

例如當(dāng)2＝200，1＝50，將若干平均風(fēng)速比代入方程，則求得下墊面粗糙度0。

2.3.2 防風(fēng)效益計(jì)算

防護(hù)林的防風(fēng)效益主要是通過風(fēng)速削減的程度來度量，即防護(hù)林前或林后的風(fēng)速差與林前初始風(fēng)速的比值[22]。本文計(jì)算時(shí)按照：防風(fēng)效益＝（曠野平均風(fēng)速-待評(píng)價(jià)區(qū)域平均風(fēng)速）/曠野平均風(fēng)速×100%。

2.3.3摩阻速度測(cè)定

摩阻速度*的確定[27]：*同樣可以通過測(cè)定任意兩個(gè)高程上的風(fēng)速，根據(jù)公式來確定（即由直線的斜率得出）

根據(jù)0和*，可以得到風(fēng)速廓線，就可以根據(jù)地面氣象站的風(fēng)速資料推算近地層任一高度的風(fēng)速，或進(jìn)行不同高度的風(fēng)速換算。

2.3.4風(fēng)的速度脈動(dòng)特征分析

風(fēng)的速度脈動(dòng)特征可以用陣性度表示[27]

式中為觀測(cè)層內(nèi)的風(fēng)速，m/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速空間分布特征

距地表50、200 cm高度風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在1～21H區(qū)域內(nèi)防護(hù)林均對(duì)風(fēng)速減小起到了較為明顯的作用。隨著防護(hù)距離的逐漸增大，50和200 cm高度的風(fēng)速變化規(guī)律一致，均呈先逐漸降低、后逐漸升高變化規(guī)律。其中50 cm高度1、3、7、10、1221處的風(fēng)速分別為對(duì)照區(qū)風(fēng)速的0.87、0.67、0.55、0.51、0.73和0.80倍，200 cm高度1、3、7、10、1221處的風(fēng)速分別為對(duì)照區(qū)風(fēng)速的0.71、0.54、0.51、0.46、0.69和0.66倍，特別是3～10處，其中以10處對(duì)風(fēng)力減小作用最明顯，50和200 cm高度風(fēng)速分別為曠野處的0.51倍和0.46倍，降幅分別達(dá)到了51%和46%，隨后風(fēng)速又逐漸抬升。說明即使在樹木展葉前，農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)在典型大風(fēng)日內(nèi)對(duì)風(fēng)速的減小也非常有效。說明農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)對(duì)穩(wěn)定干旱風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。

3.2 防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速及防護(hù)效能等空間分布特征

在沙塵暴發(fā)生的典型大風(fēng)日內(nèi)對(duì)距地表50、200 cm高度風(fēng)速監(jiān)測(cè)表明，50 cm風(fēng)速均明顯低于200 cm高度。風(fēng)速比均在1.17～1.46之間，風(fēng)速相差明顯。防護(hù)林內(nèi)所有粗糙度0，均低于曠野對(duì)照，變化幅度在0.02～2.51 cm之間。風(fēng)脈動(dòng)性也相對(duì)較大，均在0.54～1.29之間。隨著距離增大，防風(fēng)效益呈較規(guī)律的先增加后減小趨勢(shì)，變化幅度呈較規(guī)律的倒拋物線形狀，變化幅度在13.46%～53.65%范圍內(nèi)，以12處200 cm高度最明顯，達(dá)到53.65%，說明防護(hù)林在12處防護(hù)效果最佳。

圖2 典型大風(fēng)環(huán)境不同水平監(jiān)測(cè)距離防護(hù)林網(wǎng)風(fēng)速空間分布特征

表1 典型大風(fēng)環(huán)境下防護(hù)林風(fēng)速及防護(hù)效能等相關(guān)指標(biāo)空間分布特征

3.3 典型大風(fēng)條件下農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)風(fēng)蝕特征

3.3.1 防護(hù)林帶內(nèi)不同水平距離風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)分析

地表風(fēng)蝕量的大小，是沙塵暴發(fā)生發(fā)展程度正相關(guān)指標(biāo)的直接反映。根據(jù)《寧夏通志·地理環(huán)境卷》[29]將寧夏風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度由輕到重依次劃分為微度（<240 t/km2·a）、輕度（240～2 250 t/km2·a）、中度（2 250～4 500 t/km2·a）、強(qiáng)度（4 500～9 000t/km2·a）、極強(qiáng)度（9 000～18 000 t/km2·a）、劇烈（>18 000 t/km2·a）6個(gè)級(jí)別。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)辂}池縣干旱風(fēng)沙區(qū)，地表風(fēng)蝕嚴(yán)重，從大區(qū)域看，一般均屬于強(qiáng)度及劇烈風(fēng)蝕區(qū)域。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，土壤表層風(fēng)蝕量與防護(hù)林距離呈現(xiàn)較規(guī)律的正相關(guān)，以林帶內(nèi)最小，在監(jiān)測(cè)的3個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均風(fēng)蝕量為2.12 g，折合平均月風(fēng)蝕量為550.28 t/km2，累積風(fēng)蝕量1 650.85 t/km2，僅從春季風(fēng)蝕量判斷，為輕度風(fēng)蝕區(qū)域。由于在防護(hù)林內(nèi)，除防護(hù)林減少風(fēng)速具有一定的貢獻(xiàn)外，主要是由于近鄰林帶內(nèi)無農(nóng)業(yè)耕作撓動(dòng)，渠系周邊野生植被保存完好，地表硬度較大，抗風(fēng)蝕能力較強(qiáng)，無充足沙塵來源。隨著監(jiān)測(cè)距離防護(hù)林越遠(yuǎn)，僅從春季風(fēng)蝕量判斷，侵蝕模數(shù)由林帶內(nèi)的輕度到1處的強(qiáng)度到3、7處的劇烈，到12處的極強(qiáng)度，其中以3、7處最大，分別為21 944.62、20 456.69 t/km2，二者相差不大。距離林帶中心12處監(jiān)測(cè)到的月平均風(fēng)蝕量為20.34 g，折合平均月平均風(fēng)蝕量為5 287.06 t/km2，累計(jì)風(fēng)蝕量15 861.17 t/km2，侵蝕模數(shù)減少到了極強(qiáng)度。曠野對(duì)照區(qū)監(jiān)測(cè)到的累積風(fēng)蝕量為16 754.45 t/km2，僅比0、1處風(fēng)蝕量小，侵蝕模數(shù)屬于極強(qiáng)度。Duncan法多重比較表明3與0處理在5％水平上差異顯著。說明在干旱風(fēng)沙區(qū)灌溉農(nóng)田是主要沙源地，在沙害防治中應(yīng)引起足夠的重視。

表2 防護(hù)林帶內(nèi)不同水平距離地表風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3.2 防護(hù)林帶內(nèi)不同水平距離沙粒粒徑分布特征

按照“中國(guó)土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”[30]，250～1 00050～25010～55～22～1<1m分別為粗沙粒、細(xì)沙粒、中沙粒、細(xì)粉粒、粗黏粒、細(xì)黏粒。對(duì)收集到的沙粒粒徑進(jìn)行分級(jí)后表明（表3）：沙粒粒徑主要集中在50～100m之間，≤50m以12處比例最大，達(dá)到了25.38%，3最小，僅為4.48%；≤100m處7處最大，為85.10%，3處也最少，為65.90%。其中99.93%以上的沙粒均小于或等于250m，65.90%沙粒均在100m及以下，為細(xì)沙粒，占絕大多數(shù)。曠野對(duì)照組無50m及以下的粒徑，100 、250m，分別占42.36%和99.82%，屬于細(xì)沙粒中較粗部分，與農(nóng)田相比，顆粒明顯較粗。

從粒徑分析儀測(cè)試結(jié)果（表4）可以看出，各監(jiān)測(cè)樣地沙粒均以沙粒中的細(xì)沙粒（37～248.9m）為主，其中51.58%～71.83%沙粒粒徑均小于或等于87.99m，為細(xì)沙粒中偏細(xì)部分。從不同監(jiān)測(cè)距離來看，其中0處以73.99、87.99m為主，分別占總沙粒的17.99%、17.95%；1、3處以87.99、104.6m為主，分別占總沙粒的18.84%、18.09%和19.10%、19.03%；7、12處均以87.99、104.6m為主，分別占總沙粒的15.82%、17.59%和14.60%、15.13%。82.53%～99.93%粒徑均集中在248.9m以下，為細(xì)沙粒；粗沙粒（248.9～352m）組成只占不到1%。由此可見，在農(nóng)田區(qū)域內(nèi)收集到的各處理間沙粒粒徑差別不大。而曠野對(duì)照組沙粒粒徑在62.22～352m之間，其中104.6～148m占總數(shù)的56.7%，與農(nóng)田區(qū)域相比，沙粒明顯較粗。

表3 地表沙粒粒徑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)結(jié)果

表4 地表沙粒粒徑組成分析

4 結(jié)論與討論

1）隨著監(jiān)測(cè)距離的增大，風(fēng)蝕量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，而風(fēng)速變化規(guī)律正好相反。以林帶內(nèi)最小，隨著監(jiān)測(cè)距離防護(hù)林越遠(yuǎn)，侵蝕強(qiáng)度由林帶內(nèi)的輕度、1處的強(qiáng)度到3、7處的劇烈，12處為極強(qiáng)度，其中以3處侵蝕最大，為21 944.62 t/km2。其中3與林帶內(nèi)（0）處理差異顯著。防風(fēng)效益與防護(hù)林距離呈先增加后減小趨勢(shì)，變化幅度在13.46%～53.65%范圍內(nèi)，以12處200 cm高度防風(fēng)效益最佳，為53.65%。

2）不同防護(hù)林距離收集到的沙粒粒徑以73.99、87.99、104.6m區(qū)間為主，其中82.53%～99.93%粒徑均集中在248.9m以下，為細(xì)沙粒。而曠野對(duì)照組沙粒粒徑在62.22～352m范圍內(nèi)，其中104.6～148m最為集中，占56.7%，沙粒明顯較粗，說明該區(qū)域風(fēng)蝕危害現(xiàn)象嚴(yán)重。

監(jiān)測(cè)表明，干旱風(fēng)沙區(qū)沙質(zhì)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)沙物質(zhì)源豐富，對(duì)當(dāng)?shù)厣硥m暴發(fā)生發(fā)展，以及農(nóng)田風(fēng)蝕、土壤養(yǎng)分流失等影響較大，是主要沙源地之一。由于本次試驗(yàn)是地面較長(zhǎng)時(shí)期的監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)，為便于實(shí)地操作，減少人為破壞，選用了誘捕法，在風(fēng)蝕發(fā)生的主要危害季節(jié)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。由于集沙裝置口徑偏小，風(fēng)蝕量和侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際發(fā)生值相比可能會(huì)偏小。但本研究是在當(dāng)?shù)刂骱︼L(fēng)主要發(fā)生季節(jié)進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。因此，基本可真實(shí)地反映當(dāng)?shù)仫L(fēng)蝕情況，對(duì)準(zhǔn)確掌握干旱風(fēng)沙區(qū)風(fēng)季內(nèi)防護(hù)林網(wǎng)地表風(fēng)蝕現(xiàn)狀，科學(xué)評(píng)價(jià)防護(hù)林防護(hù)功能起到了一定的借鑒作用。

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Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area

Zuo Zhong1, Pan Zhanbing1※, Zhang Andong1,2, Yu Dian3, Zhou Jingyu3

(1.,750002,; 2.,,610065,; 3.751500,)

To accurately understand and evaluate the spatial distribution of wind speed and the erosion characteristics of farm-shelter forest network in a typical strong wind environment, the research on space wind speed and surface wind erosion characteristics of farmland shelterbelts in Yanchi County, Ningxia Hui Autonomous Region in arid sandy area is carried out. The spatial distribution of wind speed within 50 and 200 cm vertical space above the ground and the erosion characteristics have been studied at the different distances from the farm-shelter forest network with portable anemometer and trapping method respectively. The result shows that: With the increase of monitoring distance, the amount of wind erosion increased first and then decreased, while the wind speed changed in the opposite direction. The wind speed changes at 50 and 200 cm height are the same, which show a very regular inverted parabolic linear change of first gradually decreasing and then gradually rising. The effect of wind reduction at 12height (12 times shelter forest height, the same below) is the most obvious. Wind speeds decreased by 51% and 46% at 50 and 200 cm height respectively. With the increase of the distance, the wind-break potency presented the tendency of increasing at first and then decreasing. The wind-break potency was the best at the 200 cm height from 12H, and the value was 53.65%. The amount of wind erosion was positively correlated with the distance from the farm-shelter forest network. The erosion modulus in the farm-shelter forest network was the least, and the order was 1< 12< 3and 7. The value at 3height was the biggest, 21 944.62 t/km2. The sand diameters were about 73.99, 87.99 and 104.6m, 82.53%-99.93% was under 248.9m, and the sand was the fine sand. However, the sand diameters of the bare land were about 104.6-148m. These reflected that the sandy irrigated farmland was the main dust source. So configurating the farm-shelter forest network scientifically and reducing the bare soil could prevent sand disaster effectively in the arid sandy area. Thus, even in the early growth of tree leaves, farmland shelterbelts in arid and sandstorm areas are also very effective in slowing wind speed during typical windy days. However, due to the rich source of sand in the forest network, the wind erosion is still serious and has a great impact on the local sandstorms. The farmland shelterbelt network is set scientifically to minimize the occurrence of wind erosion and sand damage as much as possible during the wind-affected season for farmland. This study can have certain technical reference to accurately grasp the wind erosion of the local forest network, and scientifically evaluate the forest network protection function.

soils; wind; erosion; the arid sandy area; farm-shelter forest network; wind erosion

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018

S424

A

1002-6819(2018)-02-0135-07

2017-06-21

2017-12-18

寧夏回族自治區(qū)十三五重大項(xiàng)目“寧夏多功能林業(yè)分區(qū)域研究與示范”；2015年中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目“寧夏半干旱黃土丘陵區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)示范推廣”（項(xiàng)目編號(hào)2015[09]）；“全國(guó)退耕還林工程生態(tài)效益監(jiān)測(cè)（寧夏）”項(xiàng)目聯(lián)合資助

左 忠，副研究員，主要從事風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)，生態(tài)效益監(jiān)測(cè)研究等工作。Email：nxzuozhong@163.com

潘占兵，男，寧夏惠農(nóng)人，副研究員，主要從事生態(tài)效益監(jiān)測(cè)、荒漠化防治等工作。Email：624151845@qq.com

左 忠，潘占兵，張安東，余 殿，周景玉. 干旱風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)空間風(fēng)速與地表風(fēng)蝕特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：135－141. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org

Zuo Zhong, Pan Zhanbing, Zhang Andong, Yu Dian, Zhou Jingyu. Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 135－141. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org