張 奕， 肖輝杰?， 辛智鳴， 趙廷寧， 蔣方哲， 段媛君

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，015200，內(nèi)蒙古磴口)

植被通過(guò)阻擋輸沙、分解風(fēng)力和覆蓋地表等途徑，起到防風(fēng)阻沙作用[1-2]。其中決定植被防風(fēng)性大小的因素包括：植被密度、覆蓋度、高度、形狀及排列方式等[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究[5-7]表明，植被覆蓋可以有效抑制土壤風(fēng)蝕。Wasson等[8]通過(guò)研究表明: 當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到35%～40%時(shí)，土壤風(fēng)蝕基本不發(fā)生。

由于在干旱、半干旱區(qū)域基本無(wú)法滿足造林條件，所以對(duì)一些稀疏植被和單一灌叢防風(fēng)阻沙效益研究顯得尤為重要，Wolfe等[9]對(duì)單一植株防風(fēng)阻沙效應(yīng)研究表明：?jiǎn)蝹€(gè)粗糙元素，如孤立的樹木或灌木，會(huì)影響風(fēng)流模式。Judd等[10]在風(fēng)洞中使用激光多普勒風(fēng)速測(cè)量法研究了單個(gè)樹木的尾跡，他們發(fā)現(xiàn)，孔隙度以及樹冠和樹干的高度和寬度決定了尾跡區(qū)的范圍。Wasson等[8]的研究表明在植株周圍和植株間風(fēng)沙流會(huì)產(chǎn)生5個(gè)新區(qū)：植物后部微風(fēng)區(qū)、下風(fēng)向尾流區(qū)、植物間受影響區(qū)、植被覆蓋區(qū)、和兩側(cè)加速區(qū)。Leenders等[11]研究了非洲撒哈拉西部灌叢植物對(duì)風(fēng)速和沙物質(zhì)沉積的影響，發(fā)現(xiàn)在灌叢后方近7倍灌叢高度范圍內(nèi)風(fēng)速明顯降低，表現(xiàn)為積沙; 灌叢2側(cè)風(fēng)速增加，表現(xiàn)為風(fēng)蝕。阿依努爾·艾尼等[12]對(duì)胡楊、多枝檉柳、鈴鐺刺和黑刺4種天然荒漠植物周圍進(jìn)行了風(fēng)速以及輸沙量的觀測(cè)，對(duì)比研究其防風(fēng)阻沙效益大小。有研究[13]對(duì)單株植株阻沙能力進(jìn)行了總結(jié)分析，得出其阻沙能力受冠層形態(tài)、莖枝的柔韌性、葉面積以及由此導(dǎo)致的地上生物量分配模式等因素影響較大。

目前，對(duì)于單一植被要素防風(fēng)阻沙作用，主要集中在植株對(duì)風(fēng)速和輸沙量影響研究上，對(duì)于單株植被形態(tài)對(duì)氣流、沙物質(zhì)運(yùn)移以及地表蝕積特征影響的研究較少；因此，本研究選取烏蘭布和沙區(qū)周圍典型4種灌木單株：白刺(Nitrariatangutorum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、楊柴(Hedysarummongolicum)和梭梭(Haloxylonammodendron)，探求植株形態(tài)對(duì)其周圍風(fēng)速流場(chǎng)、輸沙率以及地表微地貌的影響，進(jìn)而選擇最優(yōu)防風(fēng)阻沙植物種。

1 研究區(qū)概況

本研究在中國(guó)林科院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。該中心地處烏蘭布和沙漠東北部，E 106°35′～106°59′，N 40°17′～40°29′,位于我國(guó)內(nèi)蒙古磴口縣境內(nèi)，是我國(guó)西北地區(qū)荒漠與半荒漠的過(guò)渡地帶，屬于亞洲中部溫帶氣候區(qū)，年均降水量50～148 mm，蒸發(fā)量2 350～3 840 mm，光熱資源豐富且晝夜溫差大，日照3 000 h以上，≥10 ℃積溫3 300 ℃，全年無(wú)霜期168 d。

植株樣品采集區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部，屬于草原化荒漠地帶，其中荒漠植被在該區(qū)占主導(dǎo)地位，由于該地區(qū)氣候干旱，降水稀少、植被覆蓋度低，小灌木旱生灌木占優(yōu)勢(shì)[14]。其中灌木類植物有白刺、檸條(CaraganaKorshinskii)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、沙冬青(Hedysarumscoparium)等。半灌木植物代表種有油蒿(Artemisiaordosica)、白沙篙(Artemisiablepharolepis)、楊柴、沙拐棗等。人工植被主要有旱柳(Salixmatsudana)、梭梭、花棒(Hedysarumscoparium)等。

2 研究方法

本研究風(fēng)洞為直流開口吹氣式風(fēng)洞，寬和高均為2 m，實(shí)驗(yàn)段30 m，安裝長(zhǎng)度21 m，由入口段、整流段、導(dǎo)流段、動(dòng)力段、實(shí)驗(yàn)段及過(guò)渡段等組成。風(fēng)洞通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速為18 m/s。本實(shí)驗(yàn)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為10 m/s[15]。

2.1 灌木的選擇與調(diào)查方法

本研究選擇當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘?種沙旱生灌木，分別是：天然植物白刺，人工植物沙拐棗、楊柴和梭梭。在磴口縣西部沙林中心林場(chǎng)植物分布均勻地帶設(shè)置3個(gè)樣方,樣方大小為100 m×100 m。在樣方內(nèi)篩選3～4年生的同齡單株灌木，逐個(gè)測(cè)定4種植株的高度、冠幅、枝下高度、一級(jí)分枝數(shù)、二級(jí)分枝數(shù)、開花和結(jié)實(shí)情況等, 并將具有代表性的植株取回試驗(yàn)地，精確測(cè)其形態(tài)指標(biāo)；通過(guò)水平投影法計(jì)算疏透度大小[16]，并計(jì)算分層側(cè)影面積[17]；進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。植物的形態(tài)指標(biāo)和分層側(cè)影面積分別如表1和表2所示。

表1 單株灌木形態(tài)指標(biāo)

表2 單株灌木的分層側(cè)影面積

2.2 防風(fēng)作用測(cè)定

將采集的灌木單株的根部用空心鐵管固定，垂直插入風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)區(qū)的中軸線，鐵管埋到風(fēng)洞水平面以下，并穩(wěn)固。設(shè)定不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速6、8和10 m/s，用皮托管測(cè)定不同風(fēng)速條件下植物單株的流場(chǎng)分布，并分析其防風(fēng)原理。水平測(cè)點(diǎn)均分布在中軸線上，在植株的前側(cè)2H(H指樹高)和1H布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，背風(fēng)面1H、2H、3H和5H 4個(gè)測(cè)點(diǎn)，水平方向共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)水平測(cè)點(diǎn)在垂直方向包括5、10、20、40、60、80、100和120 cm共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速采集2 s為1個(gè)周期，共采集60 s，取60 s內(nèi)采集數(shù)據(jù)的平均值為測(cè)定的風(fēng)速值。

2.3 阻沙效應(yīng)測(cè)定

采用階梯式積沙儀測(cè)定不同高度層的輸沙量。在灌木單株背風(fēng)面1H處布設(shè)一個(gè)1 m高的階梯式積沙儀，共50層，每層入口截面2 cm×2 cm。在試驗(yàn)段布置厚度為5 cm的沙床，確保沙源充足，試驗(yàn)沙樣經(jīng)70目篩網(wǎng)過(guò)濾。分別在6、8和10 m/s風(fēng)速下進(jìn)行吹蝕試驗(yàn)，每種灌木單株分別在設(shè)定風(fēng)速下吹蝕2 min，每次吹完測(cè)定積沙儀內(nèi)各個(gè)高度層的積沙量，并計(jì)算輸沙率。并設(shè)置空白對(duì)照，對(duì)比分析各灌木單株的阻沙效應(yīng)。

2.4 地表蝕積狀況觀測(cè)

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段鋪設(shè)厚5 cm的沙床，人為平整沙面，在吹蝕試驗(yàn)前，將三維激光掃描儀固定在植株所在位置，將其操作參數(shù)設(shè)定測(cè)定范圍為1 m2，20 mm級(jí)進(jìn)行原始微地貌掃描，測(cè)定完成后，在不破壞沙面的前提下，移出三維激光掃描儀，將植株固定在掃描區(qū)域的中心位置,實(shí)驗(yàn)風(fēng)速設(shè)置為8 m/s，持續(xù)吹沙10 min。再將三維激光掃描儀放入吹蝕試驗(yàn)前的位置，測(cè)定植株周圍的蝕積形態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單株灌木對(duì)風(fēng)速的影響

分別在6、8和10 m/s風(fēng)速條件下，繪制各植株的風(fēng)速流場(chǎng)圖1、圖2和圖3。從圖中可以看出，在不同的風(fēng)速條件下，不同的灌木單株在迎風(fēng)面2H～1H處形成一個(gè)阻滯減速區(qū)，其原因是植株外側(cè)枝條和葉片分散并貼近地表，加快了風(fēng)能的損耗。當(dāng)風(fēng)沙流越過(guò)植物，在渦旋作用下風(fēng)速急劇下降，植株背風(fēng)面形成低速靜風(fēng)區(qū)，風(fēng)速在植株后1H達(dá)到最小值，此后隨著距離的變大，風(fēng)速也逐漸增加，直至恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速[18]。通過(guò)觀察圖2和圖3可知：除白刺之外，其他3種植株在背風(fēng)面0～1H近地表處均出現(xiàn)氣流加速區(qū)，這與枝下高度有很大關(guān)系，梭梭、楊柴和沙拐棗的枝下高度分別是8、10和12 cm，當(dāng)風(fēng)沙流通過(guò)時(shí)，植株枝下及枝系間形成的空間流場(chǎng)產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”[18]，使得周圍風(fēng)速迅速增大。

黑線表示植株所在位置，箭頭表示風(fēng)向，下同。The black line indicates the position of the plant，the arrows indicate wind direction. Unit H of horizontal distance refers to the height of the plant. The same below.圖1 6 m/s風(fēng)速條件下單株灌木流場(chǎng)縱剖圖Fig.1 Profile of flow field of an individual shrub at 6 m/s wind speed

從圖1、圖2和圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，白刺的垂直防護(hù)高度在近地表效果最佳，即0～30 cm處，而梭梭和楊柴在垂直高度30～60 cm防風(fēng)效果最佳，沙拐棗則是在60 cm以上防風(fēng)作用顯著，這主要取決于植物的形態(tài)，白刺形態(tài)低矮，冠形呈壇形，在10～30 cm處側(cè)影面積可達(dá)2 244.56 cm2；梭梭和楊柴冠形上有相似之處，呈梭形，在30～60 cm側(cè)影面積最大，分別是3 058.68和1 728.85 cm2；而沙拐棗冠形呈掃帚型，所以在60～100 cm時(shí)側(cè)影面積最大，為2 371.41 cm2。

圖2 8 m/s風(fēng)速條件下單株灌木流場(chǎng)縱剖圖Fig.2 Profile of flow field of an individual shrub at 8 m/s wind speed

圖3 10 m/s風(fēng)速條件下單株灌木流場(chǎng)縱剖圖Fig.3 Profile of flow field of an individual shrub at 10 m/s wind speed

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的氣流對(duì)沙粒搬運(yùn)的現(xiàn)象[19]，為進(jìn)一步剖析單株灌木的防風(fēng)效應(yīng)，應(yīng)分析其對(duì)近地表水平風(fēng)速作用的變化規(guī)律。在3組風(fēng)速條件下，測(cè)定各點(diǎn)8個(gè)高度的垂直風(fēng)速，取平均值，發(fā)現(xiàn)植株各測(cè)點(diǎn)都對(duì)平均風(fēng)速的降幅影響顯著，如表3所示。在不同風(fēng)速條件下，不同植株在相同測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速降幅趨勢(shì)較為一致，但是在不同測(cè)點(diǎn)上呈現(xiàn)出一定差異。4種灌木單株平均風(fēng)速的最大降幅區(qū)均在植株后1H處，且隨風(fēng)速增大，降幅不同程度減小。白刺在不同風(fēng)速下植株前1H處、植株后1H、2H處均為主要風(fēng)速降低區(qū)，且隨著風(fēng)速增大，其平均降幅下降程度最小；沙拐棗在6 m/s時(shí)，平均降幅可達(dá)25.54%，但當(dāng)風(fēng)速增大到10 m/s，平均降幅降為18.32%，變化程度較大；楊柴的平均降幅變化程度最大，隨著風(fēng)速增大，植株后3H和5H處的降幅較其他植株下降明顯，特別是風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，植株后5H處降幅僅為3.67%，基本失去防護(hù)效能；梭梭主要降幅區(qū)在植株后1H和2H處，隨風(fēng)速增大，平均降幅由25.82%逐漸降低到20.32%，平均降幅的下降程度僅次于白刺，表現(xiàn)出良好的防風(fēng)效益。通過(guò)對(duì)4種灌木單株水平方向風(fēng)速降幅的分析可知白刺和梭梭的防風(fēng)性能要優(yōu)于其他2種灌木。

3.2 單株灌木的阻沙效益

灌木植株可以阻擋和攔截風(fēng)沙流攜帶的物質(zhì)，使其沉降積累[20-21]。由圖4所示，隨著風(fēng)速的增大，4種灌木單株后的輸沙率均顯著增加。在6 m/s時(shí)，各灌木單株后輸沙率(g/(cm2·min))的大小為楊柴(0.328)>梭梭(0.318)>沙拐棗(0.315)>白刺(0.232)；在8 m/s時(shí)，輸沙率大小為楊柴(0.839)>沙拐棗(0.760)>梭梭(0.747)>白刺(0.517)；當(dāng)風(fēng)速到達(dá)10 m/s，植株后輸沙率大小與8 m/s時(shí)的排序一致。比較相同風(fēng)速下不同灌木單株輸沙率的差異性，可以看出：4種植株后的輸沙率與裸沙對(duì)比均有顯著性差異(P<0.05)。在6 m/s和8 m/s的風(fēng)速條件下，沙拐棗、楊柴和梭梭之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)，白刺與其他植株對(duì)比差異顯著(P<0.05)；而風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，沙拐棗與梭梭無(wú)顯著性差異(P>0.05)，白刺和楊柴差異顯著(P<0.05)。

分析圖5可知，隨著高度層的增加，各植株后的輸沙率逐漸減小，這與沙粒運(yùn)移特征和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)[22-23]。各植株后集沙量主要集中在0～30 cm高度內(nèi),其中0～10 cm占比均超過(guò)92%；且不同灌木單株后各個(gè)高度層的輸沙率均小于裸沙,說(shuō)明都起到了不同程度的阻沙作用，白刺作用最為顯著。

相對(duì)于裸沙，各灌木單株阻沙效益的程度可以通過(guò)輸沙率的變化體現(xiàn)出來(lái)。由圖6可知，隨著風(fēng)速的增大，不同的灌木單株的阻沙效益有所不同。白刺在不同風(fēng)速條件下阻沙效益表現(xiàn)平穩(wěn)，無(wú)顯著性差異(P>0.05)，均為55.00%～60.00%。隨著風(fēng)速的增大，沙拐棗的阻沙效益呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，差異顯著(P<0.05)，梭梭在不同風(fēng)速下的阻沙效益表現(xiàn)為小幅度下降趨勢(shì)，楊柴的阻沙效益明顯低于其他植物種，且隨著風(fēng)速增大，降幅明顯，有顯著性差異(P<0.05)。這與各植株后風(fēng)速變化趨勢(shì)一致, 符合風(fēng)速越大，輸沙率越大的規(guī)律。由此可見(jiàn)，各灌木單株的阻沙效果為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴。

表3 單株灌木不同位置對(duì)水平風(fēng)速的降幅大小

不同大寫字母表示不同風(fēng)速條件下輸沙率的差異性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同灌木單株輸沙率的差異性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate under different wind speeds (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among individual shrubs(P<0.05). 圖4 不同風(fēng)速條件下單株灌木輸沙率變化Fig.4 Variation of sediment transport rate of an individual shrub under different wind speed

不同大寫字母表示不同高度層輸沙率的差異性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同灌木單株輸沙率的差異性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate at different heights (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among different individual shrubs (P<0.05).圖5 8 m/s條件下單株灌木不同高度層輸沙率變化Fig.5 Variation of sediment transport rate of an individual shrub at different heights at 8 m/s

3.3 單株灌木對(duì)地表蝕積狀況的影響

單株灌木吹蝕前后地表形態(tài)如圖7所示，在吹蝕前地表為人為整平的沙面。通過(guò)地表形態(tài)變化，可知4種植株前沙粒堆積明顯，說(shuō)明灌木可以對(duì)沙物質(zhì)運(yùn)移起到攔截作用，促進(jìn)沙子堆積。除了白刺之外，其他植株在其后方0～0.5H區(qū)域均發(fā)生一定程度的侵蝕；并且楊柴后方的侵蝕程度最為明顯，分析是由于枝下高度較高和疏透度較大共同引起的；而白刺枝系貼近地表，垂直高度0～30 cm側(cè)影面積達(dá)到2 663.75 cm2，可以迫使風(fēng)速降低，導(dǎo)致風(fēng)中夾帶的沙物質(zhì)沉積，促進(jìn)沙粒在植株的背風(fēng)面堆積。

箭頭表示風(fēng)向。The arrows indicate wind direction.圖7 不同單株灌木周邊吹蝕前后地表蝕積形態(tài)圖Fig.7 Surface erosion morphology before and after erosion around different individual shrubs

由表4可知，在植株周圍1m2的區(qū)域內(nèi)，4種植株對(duì)地表形態(tài)的影響有顯著性差異，其中均值大小關(guān)系為白刺>梭梭>沙拐棗>楊柴，楊柴周圍所測(cè)定范圍內(nèi)的沙粒蝕積狀態(tài)為侵蝕，而其他植株都有不同程度的堆積。分析植株周圍的地表變化程度，可以將所測(cè)范圍的變異性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，白刺和梭梭周圍的變異性系數(shù)較大，說(shuō)明白刺和梭梭被吹蝕后地表形態(tài)的變化程度更大，而沙拐棗和楊柴則相反。這與其周圍的風(fēng)速有很大的關(guān)系，低速區(qū)沙粒堆積作用比較明顯。

4 結(jié)論與討論

在不同風(fēng)速條件下灌木單株周圍的風(fēng)速流場(chǎng)可以分為4個(gè)區(qū)域：植株前方氣流減速區(qū)，植株上方氣流加速區(qū)、植株下方氣流擾動(dòng)區(qū)和植株后方弱風(fēng)速區(qū)。白刺形狀低矮，近地表側(cè)影面積大，因此可以有效降低風(fēng)速，在植株后1H處垂直高度20 cm平均降幅可達(dá)35.24%；梭梭具有一定的枝下高度，底部0～10 cm內(nèi)形成渦旋加速區(qū)，容易引起根部附近侵蝕，不過(guò)由于高大的冠層形態(tài)和較小的疏透度使其具有較好的防風(fēng)效果；而沙拐棗在背風(fēng)面垂直高度60 cm以上表現(xiàn)出一定的防風(fēng)性能，是由于沙拐棗掃帚型的冠層形態(tài)所致[24]，楊柴枝條密度小，疏透度大，總體防風(fēng)效果最差[18]。

表4 植株周圍蝕積形態(tài)變化統(tǒng)計(jì)性分析

從阻沙效益上表明：白刺的阻沙效益最好，平均阻沙率可達(dá)56.03%，梭梭的平均阻沙率次之，為40.06%；沙拐棗的阻沙率為38.50%，楊柴最差，為31.10%。風(fēng)沙流大多集中于0～10 cm高度內(nèi)，白刺低矮多枝的形態(tài)更有利于阻沙。

就植株對(duì)地表微地貌影響，本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了單一植被要素對(duì)沙粒蝕積特征的影響，發(fā)現(xiàn)不同植株對(duì)周圍地表蝕積狀況影響的程度不同，與譚鳳翥等[25]的研究結(jié)果類似。白刺周圍都是積沙區(qū)，而梭梭，沙拐棗，楊柴在植株前為沙粒堆積區(qū)，兩側(cè)和后部為風(fēng)蝕區(qū)，且地表的風(fēng)蝕程度與植株的枝下高度顯著相關(guān)。由于掃描面積的限制，植株后的尾流積沙區(qū)并沒(méi)有展現(xiàn)。

5 建議

單株灌木防風(fēng)功能排序?yàn)榘状?梭梭>沙拐棗>楊柴，阻沙效益排序?yàn)榘状?梭梭>沙拐棗>楊柴，梭梭與沙拐棗較為接近；單株灌木對(duì)地表的蝕積程度，在植株的前側(cè)都有明顯的積沙，在植株后風(fēng)蝕程度楊柴>沙拐棗>梭梭>白刺。如果只選擇防風(fēng)灌木種，則應(yīng)選白刺，其次可選梭梭；側(cè)重點(diǎn)是固沙，則應(yīng)選白刺；二者兼顧，則應(yīng)選白刺。

對(duì)于土壤風(fēng)蝕防治的探究中，不僅要考慮單一植株和灌叢,還要注重灌木林帶的群體防護(hù)機(jī)制。單株灌木由于較大的枝下高度，產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，從而加速土壤侵蝕，因此在今后的植被建設(shè)中,要進(jìn)行合理配置, 防止“狹管效應(yīng)”的發(fā)生，使其發(fā)揮更好的防風(fēng)阻沙效果。