裴志永，段廣東，郝少榮，喬敬偉，秦 偉

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基于防風(fēng)效益的毛烏素沙地沙柳灌叢平茬方法優(yōu)選

裴志永1，段廣東1，郝少榮1，喬敬偉1，秦 偉2

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政與路橋工程學(xué)院，呼和浩特 010070）

針對(duì)當(dāng)前毛烏素沙地沙柳灌叢衰退問(wèn)題，設(shè)計(jì)維持叢狀結(jié)構(gòu)特征可持續(xù)的生態(tài)平茬方法，研究不同平茬方法下沙柳灌叢的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與防風(fēng)效益，為今后毛烏素沙地沙柳生態(tài)平茬提供理論指導(dǎo)。試驗(yàn)設(shè)定6種平茬強(qiáng)度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，為灌叢蓬徑），3種平茬模式（模式A：按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢迎風(fēng)面向背風(fēng)面平茬、模式B：按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢兩側(cè)向中間同時(shí)平茬、模式C：按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢中間1/2處同時(shí)向兩側(cè)平茬，下同）來(lái)維持灌叢結(jié)構(gòu)的可持續(xù)存在，分析平茬后灌叢保留結(jié)構(gòu)的自身形態(tài)參數(shù)和防風(fēng)效益的關(guān)系，并依此選出最優(yōu)平茬方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：平茬強(qiáng)度在0～0.4范圍內(nèi)，模式A和B的灌叢形態(tài)參數(shù)和防風(fēng)效益指標(biāo)均無(wú)顯著變化，但模式B防風(fēng)效益優(yōu)于模式A；而強(qiáng)度為0.6及以上，3種平茬模式下，背風(fēng)面的風(fēng)速降幅均明顯減小，防風(fēng)距離逐漸縮短，與原灌叢防風(fēng)效益差異顯著，強(qiáng)度為0.4是防風(fēng)效益發(fā)生突變的臨界點(diǎn)。對(duì)防風(fēng)效益影響最大的形態(tài)參數(shù)是疏透度。研究得出合理的平茬方法為：沙柳灌叢以模式B進(jìn)行平茬，平茬強(qiáng)度為0.4。

風(fēng)；侵蝕；優(yōu)化；沙柳；平茬；防風(fēng)效益

0 引 言

沙柳（）是毛烏素沙地典型的優(yōu)勢(shì)灌木，較耐旱、抗沙埋、萌蘗力強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速，為優(yōu)良的固沙先鋒樹(shù)種，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和防風(fēng)固沙的生態(tài)價(jià)值[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)沙流由于受沙柳灌叢的影響，沙物質(zhì)不斷在灌叢及其周圍堆積[4-5]，沙柳根系互相纏繞固結(jié)沙物質(zhì)而形成沙柳沙丘[6-7]。沙柳灌叢常以單株形式分布，通過(guò)分解風(fēng)力和阻擋流沙來(lái)防風(fēng)固沙[8-9]，并對(duì)沙丘背風(fēng)面中下部區(qū)域草本植物起到防護(hù)作用。

在沙柳的經(jīng)營(yíng)管理中，依據(jù)其自身生物學(xué)特性，需要每3～5年對(duì)其進(jìn)行平茬復(fù)壯，否則沙柳就會(huì)出現(xiàn)衰退和死亡現(xiàn)象[10]。當(dāng)前平茬常以粗放的整株皆伐手段為主，平茬后地表粗糙度降低[11]，在強(qiáng)風(fēng)侵蝕下，沙丘沙物質(zhì)大量流失，導(dǎo)致灌叢根部裸露，從而加劇了沙柳的衰退和死亡，達(dá)不到平茬復(fù)壯的目的。因此，針對(duì)沙柳灌叢，迫切需要設(shè)計(jì)一種可維持沙柳叢狀結(jié)構(gòu)特征的平茬撫育方法，使其在實(shí)現(xiàn)平茬復(fù)壯目的同時(shí)，灌叢保留叢狀結(jié)構(gòu)又可以持續(xù)發(fā)揮其防風(fēng)固沙功能。

沙柳灌叢作為大氣邊界層凸起的障礙物，由于形態(tài)的不同在其周圍形成特定的氣流結(jié)構(gòu)[6]，進(jìn)而影響其防風(fēng)能力。但平茬處理使沙柳灌叢形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而周圍氣流結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。以往有關(guān)于灌木對(duì)氣流結(jié)構(gòu)的影響研究主要集中在原狀整株灌叢。Hesp[12]最早通過(guò)野外考察，研究了海岸帶（草）灌叢附近流場(chǎng)特征；屈志強(qiáng)等[13]應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)原理研究了單株灌木對(duì)氣流結(jié)構(gòu)和土壤風(fēng)蝕的作用；馬士龍等[14]應(yīng)用二維圓柱繞流理論模型，探討了單一白刺灌叢堆周圍風(fēng)速流場(chǎng)和其防風(fēng)效應(yīng)；Wasson等[15]將單株植物及其周圍細(xì)劃為5個(gè)風(fēng)速區(qū)，進(jìn)一步探究了植物周圍風(fēng)速變化規(guī)律。但以往基于原狀整株灌叢所得出的結(jié)論對(duì)于平茬處理后的灌叢保留結(jié)構(gòu)是否仍適用，平茬后調(diào)控氣流結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵灌叢形態(tài)參數(shù)與前人結(jié)論是否一致，仍缺乏深入的實(shí)證研究。

本文以形成沙丘的單株沙柳灌叢為研究對(duì)象，以不同模式和強(qiáng)度進(jìn)行維持沙柳叢狀結(jié)構(gòu)特征的平茬試驗(yàn)，測(cè)定灌叢平茬前后形態(tài)參數(shù)和氣流結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)對(duì)沙柳不同形態(tài)結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的防風(fēng)功能指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最終選出最優(yōu)的平茬處理模式和強(qiáng)度，研究結(jié)果以期為今后毛烏素沙地沙柳生態(tài)平茬提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)選在地處毛烏素沙地腹部的烏審旗烏蘭陶勒蓋國(guó)有林場(chǎng)。地理位置109°12′E，38°52′N，總面積309 km2，流沙面積152 km2。屬溫帶半干旱半荒漠性氣候，年平均氣溫7.5 ℃，有效積溫約2 800 ℃，年溫差30 ℃，平均日溫差13.3 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 800 h，年平均風(fēng)速3.4 m/s，全年風(fēng)向以西北風(fēng)為主，年風(fēng)沙日數(shù)100～252 d，多集中在3～5月，當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速為5.0 m/s。平均降水量300 mm，年平均蒸發(fā)量2 100 mm，干燥度1.9。土壤以栗鈣土為主，伴有少量棕鈣土。當(dāng)?shù)刂饕烊还嗄居校荷沉ǎ?，沙蒿（），檸條（），楊柴（），沙棘（）。

2 研究方法

于2018年4月5日－13日期間進(jìn)行試驗(yàn)，選取沙柳生長(zhǎng)狀況較好的區(qū)域作為試驗(yàn)樣地，面積為200 m× 100 m，樣地地勢(shì)平坦，零星分布著半固定沙丘，沙柳覆蓋度為15%～25%，沙柳種植年份為1987年，曾于2010年進(jìn)行過(guò)平茬復(fù)壯。灌叢下部沙丘形態(tài)特征為球冠狀沙包，縱剖面有兩個(gè)不對(duì)稱的斜坡，迎風(fēng)坡陡而短，背風(fēng)坡緩而長(zhǎng)，其垂直投影接近于橢圓形[8]，沙丘走向均呈NW-SE。為了消除地形、草本等對(duì)風(fēng)場(chǎng)的干擾，對(duì)距試驗(yàn)灌叢20 m以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行平整，去除樣地內(nèi)的天然植被，試驗(yàn)場(chǎng)地滿足風(fēng)速試驗(yàn)要求，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況如圖1。在4月上旬，沙柳灌叢多為硬度很高的枝條，枝葉還沒(méi)有展開(kāi)，沙柳灌叢結(jié)構(gòu)為疏透結(jié)構(gòu)，不用考慮枝葉對(duì)試驗(yàn)的影響，可近似認(rèn)為理想的輕微繞流場(chǎng)[13]。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

2.1 灌叢平茬設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了能保護(hù)叢狀結(jié)構(gòu)可持續(xù)的生態(tài)平茬撫育方法：針對(duì)單株沙柳灌叢，以部分枝條為基本平茬單元，平茬去掉灌叢幾個(gè)單元，保留剩余各單元以維持灌叢的叢狀結(jié)構(gòu)[10]。平茬基本單元?jiǎng)澐忠詥沃旯鄥泊怪蓖队皥A面積直徑（蓬徑）為基準(zhǔn)，設(shè)灌叢蓬徑為，沿主風(fēng)向?qū)⒐鄥才顝?0等分，每一等分長(zhǎng)度為0.1，其所對(duì)應(yīng)的帶狀部分枝條構(gòu)成一個(gè)基本平茬單元，本試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)平茬強(qiáng)度梯度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0），劃分單元時(shí)，對(duì)分界線上的枝條，視枝條直徑總體在哪一基本單元為判定標(biāo)準(zhǔn)[10]。設(shè)計(jì)了3種平茬模式：依照當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向，按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢迎風(fēng)面向背風(fēng)面平茬為模式A、按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢兩側(cè)向中間同時(shí)平茬為模式B、按平茬強(qiáng)度沿主風(fēng)向從灌叢中間1/2處同時(shí)向兩側(cè)平茬為模式C。具體單株沙柳灌叢的基本平茬單元?jiǎng)澐址椒ê推讲缒Ｊ矫枋鋈鐖D2所示。留茬高度為5 cm[3]。

圖2 平茬模式的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 樣株形態(tài)參數(shù)測(cè)量

選取3株生長(zhǎng)狀況均良好且植株大小相似的沙柳灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)灌叢形態(tài)參數(shù)及其下部沙丘形態(tài)參數(shù)使用卷尺進(jìn)行測(cè)量，小組3人各測(cè)量一次，記錄并取平均值，下同。測(cè)量指標(biāo)為沙堆長(zhǎng)（），沙堆寬（），沙堆高（），灌叢高度（），冠幅（），其中沙堆長(zhǎng)（）為沿主風(fēng)向沙堆長(zhǎng)度，沙堆寬（）為垂直主風(fēng)向沙堆寬度，沙堆高（）為沙堆頂部距離地面的高度[16-17]，冠幅（）為垂直于主風(fēng)向的最大灌叢寬度，灌叢高度（）為灌叢最高高度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。在按預(yù)定試驗(yàn)方案實(shí)施完平茬作業(yè)后，測(cè)量計(jì)算各平茬模式下各平茬強(qiáng)度（平茬強(qiáng)度為1.0時(shí)除外）對(duì)應(yīng)的灌叢高度（）、冠幅（）、疏透度（），迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e（），其中疏透度（）是利用數(shù)碼相機(jī)和MATLAB軟件結(jié)合計(jì)算求得；在測(cè)量基礎(chǔ)上，對(duì)迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e（）用扇形面積公式估算（1/2）。

表1 沙丘形態(tài)參數(shù)與沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)

2.3 風(fēng)速觀測(cè)

試驗(yàn)采用QY-05多通道風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)站，該儀器通道數(shù)為23，1個(gè)為風(fēng)向通道，風(fēng)向測(cè)量范圍為16個(gè)方向（360度）；其余都為風(fēng)速通道，風(fēng)速測(cè)量范圍為0～32.4 m/s，測(cè)量精度為±(0.3+0.03) m/s (實(shí)際風(fēng)速)，可以測(cè)實(shí)時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速，本次試驗(yàn)前用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)OFDY-1.2型風(fēng)蝕風(fēng)洞對(duì)風(fēng)速儀進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)以期在同一高度下設(shè)置盡可能多的觀測(cè)點(diǎn)，研究灌叢周圍風(fēng)速變化情況，但受限于儀器數(shù)量（一套）和通道數(shù)，故試驗(yàn)只設(shè)置2個(gè)觀測(cè)高度。本文旨在研究沙柳灌叢對(duì)風(fēng)速的影響，沙丘作為其下部實(shí)體障礙物，水平氣流只能繞過(guò)沙丘兩側(cè)在背風(fēng)面匯合[6]，且由表1中可以看出，試驗(yàn)所選植株形成的灌叢沙丘形態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)小于灌叢自身形態(tài)參數(shù)，對(duì)灌叢周圍整體氣流結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小，故本文對(duì)沙丘周圍氣流結(jié)構(gòu)未做考慮。測(cè)點(diǎn)風(fēng)杯布置時(shí)應(yīng)高于沙丘平均高度，因此，選取50 cm為一測(cè)量高度；對(duì)樣株的形態(tài)參數(shù)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，沙柳灌叢在200 cm左右高度時(shí)冠幅直徑達(dá)到最大，冠幅和氣流結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，因此選取200 cm為另一測(cè)量高度。在曠野距試驗(yàn)所選灌叢20 m處，50和200 cm高度設(shè)置風(fēng)向風(fēng)速對(duì)照組（風(fēng)向高度為200 cm）。此外分別在灌叢的迎風(fēng)面1、2，背風(fēng)面1、3、5、7，側(cè)面1、2處布置測(cè)點(diǎn)（為單個(gè)植株高度）[18]，各測(cè)點(diǎn)在高度為50 cm、200 cm處安置風(fēng)杯[19]。對(duì)選取的3株沙柳灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）分別以設(shè)計(jì)的3種平茬模式，按平茬強(qiáng)度梯度依次平茬，并依次分時(shí)段進(jìn)行風(fēng)速觀測(cè)，各平茬強(qiáng)度下重復(fù)觀測(cè)3次，每次觀測(cè)時(shí)間為20 min，數(shù)據(jù)記錄間隔為5 s，具體布置如圖3。

2.4 數(shù)據(jù)處理

選取儀器軸向布置和來(lái)流風(fēng)向一致的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)組，當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速為5.0 m/s，風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí)風(fēng)沙活動(dòng)明顯[20]，為研究沙丘易風(fēng)蝕狀態(tài)下灌叢周圍風(fēng)場(chǎng)變化，應(yīng)剔除曠野風(fēng)速小于5.0 m/s的數(shù)據(jù)組，將3種平茬模式不同平茬強(qiáng)度下2個(gè)高度對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行平均，利用Origin 9.0軟件繪制3種模式在50和200 cm高度處的水平風(fēng)速變化圖。為了進(jìn)一步研究單株沙柳的防風(fēng)效益，本文引進(jìn)無(wú)量綱指標(biāo)風(fēng)速衰減率（）和風(fēng)速恢復(fù)率（），如下式。

注：H為植株高度。

式中min為風(fēng)速衰減劇烈值；0為來(lái)流風(fēng)速值，m/s。

式中V為背風(fēng)面點(diǎn)處風(fēng)速值；0為來(lái)流風(fēng)速值，m/s。

組織病理學(xué)檢查在肝衰竭診斷、分類及預(yù)后判定上具有重要價(jià)值，但由于肝衰竭患者的凝血功能嚴(yán)重降低，實(shí)施肝穿刺具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，在臨床工作中應(yīng)特別注意。肝衰竭發(fā)生時(shí)（慢性肝衰竭除外），肝臟組織學(xué)可觀察到廣泛的肝細(xì)胞壞死，壞死的部位和范圍因病因和病程的不同而不同。按照壞死的范圍程度，可分為大塊壞死（壞死范圍超過(guò)肝實(shí)質(zhì)的2/3），亞大塊壞死（約占肝實(shí)質(zhì)的 1/2～2/3），融合性壞死（相鄰成片的肝細(xì)胞壞死）及橋接壞死（較廣泛的融合性壞死并破壞肝實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)）。在不同病程肝衰竭肝組織中，可觀察到一次性或多次性的新舊不一肝細(xì)胞壞死病變。

由2個(gè)指標(biāo)含義可知，風(fēng)速衰減率可以衡量沙柳灌叢對(duì)風(fēng)削弱程度，而風(fēng)速恢復(fù)率可以衡量風(fēng)速是否已經(jīng)恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速。利用SAS 9.0將不同平茬強(qiáng)度和模式下灌叢形態(tài)參數(shù)和防風(fēng)效益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用方差分析法檢驗(yàn)差異性。同時(shí)對(duì)灌叢形態(tài)參數(shù)與防風(fēng)效益指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同平茬模式下灌叢形態(tài)參數(shù)變化

灌叢的防風(fēng)功能主要受自身形態(tài)參數(shù)的影響，平茬作業(yè)必然會(huì)使沙柳灌叢結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變，表2是平茬過(guò)程中沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

由表2可知，平茬強(qiáng)度為0（未平茬）時(shí)，3種模式的形態(tài)參數(shù)差異性不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)所選3株灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）結(jié)構(gòu)差異較??；在不同平茬強(qiáng)度下，3種平茬模式的沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)均存在差異（＜0.05），模式A和B在0～0.4平茬強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著平茬強(qiáng)度的增加，形態(tài)參數(shù)與平茬前比狀態(tài)變化不明顯，0.6及以上與平茬前相比差異逐漸明顯，而模式C變化趨勢(shì)與之相反；以不同強(qiáng)度進(jìn)行平茬時(shí)，3種平茬模式對(duì)應(yīng)的沙柳灌叢的高度、冠幅和迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e均為模式B最大，模式A次之；平茬強(qiáng)度為0.2和0.4下，3種模式對(duì)應(yīng)的疏透度與平茬前比差異均不明顯，模式A、B、C在平茬強(qiáng)度0時(shí)，疏透度分別為0.4和0.6時(shí)的43.8%、62.6%、56.8%和29.2%、42.2%、34.7%，0.4與0.6灌叢疏透度差異顯著。

表2 沙柳平茬過(guò)程中形態(tài)參數(shù)變化情況Table 2 Changes in morphological parameters of Salix psammophila during stumping

注：同列標(biāo)有不同大寫(xiě)字母表示不同平茬強(qiáng)度間差異顯著（<0.05），而不同小寫(xiě)字母表示相同平茬強(qiáng)度下不同平茬模式間差異顯著（<0.05）。

Note: Different capital letters in the same column indicate significant difference between different stump intensities at<0.05, and different small letters indicate the difference between different stump modes under the same stump intensities at<0.05.

3.2 風(fēng)速變化特征

本試驗(yàn)所選沙柳植株為疏透結(jié)構(gòu)，從圖4可以看出，3種平茬模式下2個(gè)高度風(fēng)速都呈現(xiàn)出迎風(fēng)面2處風(fēng)速均大于處的風(fēng)速，背風(fēng)面處的風(fēng)速降幅最大，之后在逐漸恢復(fù)到曠野風(fēng)速，而側(cè)面處風(fēng)速大于2處的風(fēng)速。

在背風(fēng)面處，隨著平茬強(qiáng)度的增大，3種平茬模式在強(qiáng)度為0～0.4范圍內(nèi)風(fēng)速降幅逐漸減小，但幅度不太明顯，在平茬強(qiáng)度大于0.4之后，50 cm處降幅出現(xiàn)明顯減小，模式A、B、C的平茬時(shí)強(qiáng)度為0.4時(shí)風(fēng)速分別為對(duì)應(yīng)曠野風(fēng)速的53.7%、52.5%、69%，對(duì)風(fēng)削減能力較強(qiáng)。而0.6時(shí)風(fēng)速分別為對(duì)應(yīng)曠野風(fēng)速的64%、61.8%、78.2%，此時(shí)對(duì)風(fēng)削減能力較弱。兩者在50 cm高度處對(duì)風(fēng)速消減的能力平均相差9.6%。平茬強(qiáng)度大于0.4后，對(duì)風(fēng)削減能力出現(xiàn)相對(duì)明顯的減弱；200 cm處由于沙柳冠層較為開(kāi)放導(dǎo)致對(duì)風(fēng)攔截能力較差而降幅減小不顯著，模式A、B、C在0.4時(shí)風(fēng)速分別為對(duì)應(yīng)曠野風(fēng)速的79.5%、74%、85.7%，而0.6時(shí)風(fēng)速分別為對(duì)應(yīng)曠野風(fēng)速的86.2%、78.3%、89%。

在側(cè)面C點(diǎn)50 cm高度處，3種平茬模式在強(qiáng)度為0～0.4范圍內(nèi)時(shí)風(fēng)速均大于來(lái)流風(fēng)速，灌叢側(cè)面為風(fēng)速加速區(qū)，這意味著在此平茬強(qiáng)度范圍內(nèi)由于灌叢結(jié)構(gòu)的影響，一部分氣流無(wú)法直接通過(guò)灌叢，風(fēng)場(chǎng)中發(fā)生繞流現(xiàn)象，0.4之后，側(cè)面風(fēng)速逐漸減小，繞流現(xiàn)象逐漸減弱，1.0時(shí)的輕微繞流現(xiàn)象可能由灌叢沙丘所引發(fā)；C點(diǎn)200 cm高度處，由于此高度為灌叢的冠層，冠層較為開(kāi)放，3種平茬模式下的繞流現(xiàn)象明顯弱于50 cm高度處，且只在平茬強(qiáng)度為0～0.2范圍內(nèi)繞流現(xiàn)象存在。

在迎風(fēng)面-點(diǎn)處，受灌叢和沙丘的阻擋作用，氣流在此形成減速區(qū)，50 cm高度，模式A、B和C在平茬強(qiáng)度在0～0.4范圍內(nèi)風(fēng)速分別平均降低13.2%、13.4%和11.6%，而在0.4～1.0范圍內(nèi)風(fēng)速分別平均降低7.4%、7.8%和6.8%； 200 cm高度，3種模式下的風(fēng)速降幅顯著較低，模式A、B和C在平茬強(qiáng)度在0～0.4和0.4～1.0范圍內(nèi)風(fēng)速分別平均降低8.4%、8.9%、7.8%和6.2%、6.4%、5.75%，0.4前后風(fēng)速降的降幅區(qū)別明顯。綜合考慮，可以初步推論平茬強(qiáng)度為0.4是風(fēng)場(chǎng)中發(fā)生顯著變化的臨界點(diǎn)。

3.3 防風(fēng)效益比較

單株沙柳的防風(fēng)效益主要體現(xiàn)在防風(fēng)距離和風(fēng)速降幅上[14]。由圖4可以看出，沙柳灌叢在3種平茬模式不同平茬強(qiáng)度下背風(fēng)面點(diǎn)風(fēng)速降到最低，這是由于氣流在其背風(fēng)面的分離使剪切力在此處降至最低值而導(dǎo)致[21]，背風(fēng)面點(diǎn)能有效衡量風(fēng)速的降幅，min取為點(diǎn)處風(fēng)速。之后隨距離增加逐漸恢復(fù)，但直到本試驗(yàn)背風(fēng)面末端測(cè)點(diǎn)7處，各平茬模式和強(qiáng)度下風(fēng)速仍有明顯差異，若7點(diǎn)處恢復(fù)為曠野風(fēng)速，表明防護(hù)距離＜7；反之，則表明防護(hù)距離≥7H，故V選為7點(diǎn)處風(fēng)速。分析不同平茬強(qiáng)度下的風(fēng)速衰減率（）和風(fēng)速恢復(fù)率（），得出表3。

注：A-50 cm指在模式A平茬作業(yè)下，觀測(cè)高度為50 cm處的風(fēng)速水平變化規(guī)律，余同。

表3 防風(fēng)效益指標(biāo)（ANOVA）方差分析Table 3 Variance analysis (ANOVA) of wind control benefit index

注：不同大寫(xiě)字母表示相同高度下不同平茬強(qiáng)度間差異顯著（<0.05）。不同小寫(xiě)字母表示相同高度下不同平茬模式間差異顯著（<0.05）。

Note: Different capital letters indicate significant difference between different stump intensities under the same height , and different small letters indicate the difference between different stump modes under the same height at<0.05.

模式A、B和C的值在不同強(qiáng)度下差異均不顯著；模式C在50 cm高度的值明顯高于模式A和B，與模式A和B有顯著差異，模式B的值最低，模式B所對(duì)應(yīng)灌叢對(duì)風(fēng)削弱程度最大；200 cm高度的值在不同平茬強(qiáng)度下均呈模式C＞模式A＞模式B變化規(guī)律，且模式B與C差異性顯著，模式B與A差異不顯著，但模式B的值在不同強(qiáng)度下均低于模式A。模式B在風(fēng)速降幅上優(yōu)于模式A和C，且模式B有助于沙柳老齡枝條的平茬復(fù)壯。

3.4 灌叢形態(tài)參數(shù)與防風(fēng)效益相關(guān)性分析

植株形態(tài)對(duì)其防風(fēng)效應(yīng)有重要影響[15]。平茬使沙柳灌叢形態(tài)發(fā)生明顯的變化（表2），形態(tài)的變化直接影響著灌叢的防風(fēng)效益，模式B在平茬臨界點(diǎn)的風(fēng)速降幅上優(yōu)于模式A和模式C，模式B在平茬過(guò)程中防風(fēng)效益最有利的形態(tài)指標(biāo)變化幅度較小，為了進(jìn)一步研究并找出對(duì)防風(fēng)效益最有利的灌叢形態(tài)參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)性分析，表4是單株灌叢在平茬模式B的不同平茬強(qiáng)度下的冠幅、灌叢高度、疏透度、迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e與風(fēng)速恢復(fù)率（）和風(fēng)速衰減率（）之間的相關(guān)分析結(jié)果。

表4 防風(fēng)效益指標(biāo)與形態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析Table 4 Correlation Analysis between wind control benefit index and morphological parameters of shrub

Note:**＜0.01；*＜0.05.

從表4得知，各形態(tài)參數(shù)共同作用影響防風(fēng)效益，風(fēng)速恢復(fù)率和風(fēng)速衰減率與灌叢冠幅、灌叢高度、疏透度、迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e之間有著顯著的相關(guān)性，200 cm處的相關(guān)性比50 cm處的相關(guān)性更為顯著；疏透度與風(fēng)速恢復(fù)率和風(fēng)速衰減率有顯著相關(guān)性。在50 cm高度處，疏透度與風(fēng)速恢復(fù)率和風(fēng)速衰減率相關(guān)系數(shù)分別為0.954、0.971（＜0.05），占分析指標(biāo)中最高，灌叢高度和風(fēng)速恢復(fù)率之間也有著較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)2= 0.891（＜0.05），冠幅和迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e與風(fēng)速衰減率的相關(guān)系數(shù)同為0.949（＜0.05）。在200 cm高度處，風(fēng)速恢復(fù)率與疏透度之間相關(guān)性最顯著，迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e相其次；風(fēng)速衰減率與各形態(tài)參數(shù)指標(biāo)之間在＜0.01下相關(guān)性都較高，相關(guān)系數(shù)之間疏透度（0.985）＞灌叢高度（0.977）＞冠幅（0.972）＞迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e（0.971）。

4 討 論

穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)可使灌叢持續(xù)的發(fā)揮其防風(fēng)功能，但平茬必然要破壞灌叢結(jié)構(gòu)，灌叢結(jié)構(gòu)的改變所引起的氣流變化直接影響到灌叢的防風(fēng)效益[21-22]。如何建立起有效維持沙柳灌叢結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定的科學(xué)平茬方法，使其既滿足復(fù)壯平茬量的控制要求，又不至于使防風(fēng)效益受平茬影響而發(fā)生劇烈變動(dòng)，最終通過(guò)平茬調(diào)控實(shí)現(xiàn)灌叢復(fù)壯更新且能持續(xù)發(fā)揮其防風(fēng)功能，這是本研究所確立的科學(xué)問(wèn)題。

研究樣地位于毛烏素沙地南緣，該地近年來(lái)在防沙治沙工程實(shí)施下，有力的提高了植被覆蓋度，地表較穩(wěn)定，2018年4月實(shí)測(cè)起沙風(fēng)速為5.0 m/s，大于以往研究所測(cè)起沙風(fēng)速[13,19]。本研究發(fā)現(xiàn)灌叢周圍風(fēng)速變化趨勢(shì)主要是由其自身形態(tài)變化趨勢(shì)決定的，兩者具有統(tǒng)一性，這與譚鳳翥等[23]在風(fēng)洞下對(duì)檉柳灌叢三維流場(chǎng)分析所得結(jié)果趨勢(shì)一致。屈志強(qiáng)等[13]，馬士龍等[14]，王成龍[24]，烏拉等[25]對(duì)原狀天然灌叢二維流場(chǎng)的研究表明，灌叢迎風(fēng)面存在一個(gè)減速區(qū)，頂部及兩側(cè)為加速區(qū)，背風(fēng)面存在一個(gè)靜風(fēng)區(qū)和一個(gè)尾流區(qū)，風(fēng)場(chǎng)中存在繞流現(xiàn)象；張萍等[26]通過(guò)觀測(cè)單個(gè)獨(dú)立油蒿灌叢氣流結(jié)構(gòu)，得出氣流流速在接近灌叢時(shí)有所降低，在灌叢背風(fēng)側(cè)達(dá)到最小，此后氣流速逐漸回升，與本研究中平茬強(qiáng)度在0～0.4范圍內(nèi)結(jié)果一致，這是由于氣流流經(jīng)灌叢時(shí)，受到沙丘和灌叢的阻擋作用，在迎風(fēng)面形成渦旋，使風(fēng)動(dòng)能少[11]，迎風(fēng)面風(fēng)速有所降低，形成減速區(qū)；之后氣流被分為兩部分，一部分氣流通過(guò)灌叢，通過(guò)灌叢時(shí)，渦旋會(huì)被枝條分解成若干較小的渦旋，小渦旋形成標(biāo)志著湍流能量的減弱，風(fēng)動(dòng)能劇烈衰減，風(fēng)速迅速降低，在背風(fēng)面形成弱風(fēng)區(qū)，隨著距離的增大，逐漸恢復(fù)到曠野風(fēng)速[27]；另一部分氣流發(fā)生輕微繞流現(xiàn)象，從灌叢和沙丘兩側(cè)及頂部繞過(guò)并在背風(fēng)面匯合，灌叢側(cè)面形成加速區(qū)[14,28]。在平茬強(qiáng)度超出0.4后，灌叢結(jié)構(gòu)變化顯著，灌叢結(jié)構(gòu)周圍的氣流有所改變，風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速雖有所衰減，并具有風(fēng)速恢復(fù)區(qū)域，但不存在繞流現(xiàn)象。結(jié)合烏拉等[25]通過(guò)野外試驗(yàn)研究不同形態(tài)結(jié)構(gòu)沙蒿灌叢得到的灌叢氣流結(jié)構(gòu)特征結(jié)果：疏透結(jié)構(gòu)的沙蒿灌叢，氣流雖然受到灌叢的阻擋和摩擦作用，但是大部分氣流不改變運(yùn)行方向，均勻穿過(guò)灌叢，僅存在輕微繞流現(xiàn)象，透風(fēng)結(jié)構(gòu)的灌叢，風(fēng)速也有所衰減，并具有較長(zhǎng)的風(fēng)速恢復(fù)區(qū)域，但不存在繞流現(xiàn)象。沙柳灌叢較沙蒿灌叢高，且枝條剛度也較沙蒿大，理論上，沙柳更容易發(fā)生繞流現(xiàn)象。但對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，繞流現(xiàn)象強(qiáng)弱主要受疏透度這一指標(biāo)所控制，對(duì)不同灌木種來(lái)說(shuō)，只要疏透度相近，繞流強(qiáng)度也基本相近。本文綜合分析灌叢形態(tài)參數(shù)變化、風(fēng)速水平變化和防風(fēng)效益指標(biāo)均表明平茬強(qiáng)度為0.4是灌叢結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生突變的臨界點(diǎn)，在0～0.4范圍內(nèi)存在繞流現(xiàn)象，0.4之后此現(xiàn)象逐漸減弱，這主要是由于各平茬強(qiáng)度下灌叢結(jié)構(gòu)的差異所造成。具體繞流程度可以利用大量觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)做插值作風(fēng)速等值線圖來(lái)直觀反映，但本研究由于試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法在同一高度設(shè)置大量觀測(cè)點(diǎn)，只研究了2個(gè)高度處風(fēng)速水平變化特征，尚不能精確反應(yīng)出灌叢周圍風(fēng)場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。且只選擇3株灌叢作為供試材料，通過(guò)設(shè)定重復(fù)觀測(cè)次數(shù)分析不同平茬作業(yè)間的防風(fēng)效益，不同尺寸大小的灌叢，在同一平茬作業(yè)下，其防風(fēng)效益差異是否顯著，這需針對(duì)每種平茬模式在不同植株大小等級(jí)上設(shè)置足夠的重復(fù)組來(lái)加以對(duì)比驗(yàn)證，本文未就此方面做深入的探討，這些是本試驗(yàn)的不足之處，也是日后急需開(kāi)展的工作。由于野外試驗(yàn)較難控制干擾因素，為更好的利用風(fēng)沙兩相流理論來(lái)客觀分析灌叢流場(chǎng)特性，在今后將借助風(fēng)洞開(kāi)展深入研究。

灌叢防風(fēng)效益受控于灌叢形態(tài)參數(shù)。Wang等[17]對(duì)沙柳灌叢植株形態(tài)與氣流結(jié)構(gòu)野外觀測(cè)研究表明，真正決定植被防風(fēng)效益的因素是植被迎風(fēng)方向的側(cè)影面積，側(cè)影面積的大小由植株高度、冠幅和疏透度等形態(tài)特征綜合決定的；蘇日格嘎等[29]對(duì)科爾沁沙地三種沙蒿植株的研究表明，沙生植物對(duì)擋風(fēng)效應(yīng)的影響主要來(lái)自于植株的大小。而本文相關(guān)分析結(jié)果表明，形態(tài)參數(shù)中的疏透度對(duì)防風(fēng)效益影響最顯著，與蘇日格嘎等的研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，是由于受試材料和研究方法的不同，蘇日格嘎等主要研究已經(jīng)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的3種沙蒿植株特征與防風(fēng)功能之間的關(guān)系，生長(zhǎng)在同一地區(qū)的3種沙蒿在形態(tài)外貌上表現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu)型，不同種沙蒿間疏透度差異不大，防風(fēng)效益主要取決于植株的大小。而本文是通過(guò)細(xì)分沙柳灌叢平茬單元，研究在平茬過(guò)程中不同保留叢狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)參數(shù)與其防風(fēng)效益的關(guān)系，結(jié)果顯示當(dāng)平茬達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，其疏透度與未平茬狀態(tài)時(shí)差異顯著，此時(shí)，相比植株大小，其對(duì)防風(fēng)效益的影響占主導(dǎo)地位。孫濤等[30]以疏透度為控制因子通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了仿真固沙灌木的防風(fēng)效益，結(jié)果表明枝條密度越大的仿真固沙灌木防風(fēng)效益越明顯，本文野外實(shí)測(cè)所得結(jié)果印證了其在風(fēng)洞條件下模擬所得的結(jié)果。

5 結(jié) 論

1）平茬強(qiáng)度在0～0.4（為灌叢蓬徑）范圍內(nèi)時(shí)，平茬后沙柳保留結(jié)構(gòu)的形態(tài)參數(shù)與平茬前的差異不明顯，而當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到0.6時(shí)，與0.4強(qiáng)度平茬下保留結(jié)構(gòu)相比，疏透度具有顯著差異性（＜0.05）；平茬后防風(fēng)效益指標(biāo)的變化也呈現(xiàn)類似的差異規(guī)律；平茬強(qiáng)度為0.4和0.6間相比，保留灌叢對(duì)風(fēng)的消減能力差異明顯，在背風(fēng)面點(diǎn)500 cm高度處兩者平均相差9.6%；因此，平茬時(shí)保留一定枝條量的灌叢能夠起到和原灌叢相近的防風(fēng)效能，相比當(dāng)前整株平茬作業(yè)模式，本研究對(duì)灌叢施以維持其叢狀結(jié)構(gòu)特征可持續(xù)的平茬作業(yè)模式更為科學(xué)合理。

2）防風(fēng)效益受疏透度和灌叢高度的顯著影響（＜0.05），今后應(yīng)綜合考慮這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理的平茬作業(yè)模式。

3）從防風(fēng)效益的角度考慮，在對(duì)當(dāng)?shù)厣沉鄥财讲鐣r(shí)，應(yīng)以模式B（沿主風(fēng)向從灌叢兩側(cè)向中間同時(shí)平茬）進(jìn)行，且最優(yōu)平茬強(qiáng)度為0.4（迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)各平茬1/5灌叢蓬徑對(duì)應(yīng)的帶狀部分枝條）。

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Optimization of stumping method based on wind control benefit forshrub in Mu Us sandy land

Pei Zhiyong1, Duan Guangdong1, Hao Shaorong1, Qiao Jingwei1, Qin Wei2

(1.,010018,; 2.,,010070,)

In order to solve the problem of shrub decline in Mu Us sandy land, ecological flat stumping method was designed to make the shrub stay the characteristic of plexus structure sustainably. The wind field structure and wind control benefit ofin different stump method were studied. Then the theoretical guidance can be provided to Mu Us sandy land in the future. Up to date, few studies are conducted to investigate the wind field structure andwind control benefit of shrub in Mu Us sandy land.The test set includes 6 kinds of flat stump intensity (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, whereis fluffy diameter of shrub), 3 kinds of flat stump model (model A: stump from the shrub windward face to leeward according to the flat stump intensity along the direction, model B: stump on both sides of the shrub at the same time according to the flat stump intensity along the direction, model C: stump on both sides of the shrub at the same time from the shrub’s middle 1/2 faults according to the flat stump intensity along the direction the same below) to stay the exist of the characteristics of the shrub structure sustainably. The morphological parameters of dune were measured, and the redundant natural vegetation will influence the test. The other indexes of the shrub and the wind’s indexes which were also measured relatively. Relationship between morphological parameters and wind control benefit of the shrub after stumping was analyzed, then the best method of stump can be elected according to the result.The test result showed: there were no significant changes for shrub’s morphological parameters and the wind control benefits of both mode A and mode B within the range of 0-0.4of the stumping intensity. However, according to the wind control benefits, mode B is better than mode A when the stumping intensity is 0-0.4. When the stumping intensity was 0.6and above of which, the speed of wind decreased significantly on the leeward side, and the wind control’s distance shortened gradually in all 3 modes. The stumping intensity of 0.4was a critical point of the mutation. According to this research and comparison with the other studies, there were unity between the morphological parameters and wind control benefit of the shrub, and the change of morphological parameters decided the wind control benefit immediately. Flow structure will change obviously when the stumping more than 0.4.In addition, in spring, when the branches and leaves ofwere not yet unfolded, there also was a significant correlation between the wind control benefits and each morphological parameters and the porosity of shrub, but the correlation within the wind control benefits and porosity of shrub was the biggest, which indicated that the morphological parameter that performed the greatest impact on wind control benefits was porosity of shrub. It was also found that a reasonable stumping method was following:shrubs on fixed dunes should be stumped with mode B, and the stumping intensity was recommended to be 0.4.

wind; erosion; optimization;; stumping; protection benefit

裴志永，段廣東，郝少榮，喬敬偉，秦 偉. 基于防風(fēng)效益的毛烏素沙地沙柳灌叢平茬方法優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：153－161. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019 http://www.tcsae.org

Pei Zhiyong, Duan Guangdong, Hao Shaorong, Qiao Jingwei, Qin Wei. Optimization of stumping method based on wind control benefit forshrub in Mu Us sandy land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 153－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019 http://www.tcsae.org

2018-07-24

2019-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金（31400622）；內(nèi)蒙古自然基金（2016MS0337）

裴志永，博士，副教授。主要從事森林資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境工程研究。Email：peizhiyong@imau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019

S753.7

A

1002-6819(2019)-04-0153-09