崔 健, 高君亮,3,4, 喬靖然, 于 猛, 許亞欣

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200;2.國家林業(yè)草原防沙治沙工程技術(shù)研究中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200; 3.烏蘭布和沙漠綜合治理國家長期科研基地,內(nèi)蒙古 磴口 015200; 4.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

由于干旱、半干旱區(qū)局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,加之區(qū)域內(nèi)風(fēng)大沙多、春冬季風(fēng)沙活動頻繁[1]。在風(fēng)力的作用下,沙物質(zhì)被吹蝕、搬運和沉積,劇烈的風(fēng)沙活動會對耕地、建筑和交通運輸線路等公共設(shè)施造成毀壞和破壞[2]。隨著我國西北大開發(fā)和“一帶一路”倡議的陸續(xù)實施,越來越多的沙區(qū)公路投入運營,沿線風(fēng)沙危害,部分線路的行車安全已受到影響。風(fēng)沙災(zāi)害對沙區(qū)公路主要形成路基風(fēng)蝕和沙埋形式的沙害[3-6],其中,沙埋是路基沙害的主要表現(xiàn)形式[7]。沙埋不但會造成路面磨蝕,增大養(yǎng)護成本,而且會產(chǎn)生揚沙引發(fā)交通事故,甚至?xí)斐傻缆方煌ㄖ袛?大大增加建設(shè)成本[8]。因此,隨著交通建設(shè)逐步拓展,道路防沙治沙工作將面臨更加復(fù)雜的環(huán)境和挑戰(zhàn)。

自20世紀(jì)50年代包蘭鐵路成為我國首個流動沙漠區(qū)道路風(fēng)沙防治成功案例起,便為我國沙區(qū)道路修筑與防護積累了寶貴經(jīng)驗[9-10]。隨著時代進步,交通線路防沙治沙經(jīng)驗與技術(shù)水平得到不斷提高。眾多學(xué)者通過風(fēng)洞試驗[11-12]、野外觀測[13]和采用固、阻、輸、導(dǎo)、擋風(fēng)輸沙型等多種道路防沙體系結(jié)構(gòu)模式[14-16]對道路沙害防治技術(shù)已作出詳細(xì)研究;借助野外定位監(jiān)測、三維激光掃描以及無人機航測技術(shù),評價交通公路沿線風(fēng)沙防護體系的防護效益,并利用計算機技術(shù)基于孔隙度、高度、防護間距等工程參數(shù),選擇適當(dāng)?shù)姆郎炒胧┎⑦M行優(yōu)化組合[17-18];同時為解決公路風(fēng)沙防護體系以單一的機械防護為主的問題,沙區(qū)抗逆植物種篩選培育、節(jié)水技術(shù)以及微生物材料在風(fēng)沙防治中日益成熟,形成了生物、機械和化學(xué)相結(jié)合的綜合防護模式[19-20]。麥草沙障和梭梭作為最常見的機械沙障和防沙治沙先鋒樹種,在烏蘭布和沙漠防沙治沙方面發(fā)揮重要作用,而沙漠東北部一直以來是沙化土地治理與開發(fā)的主要區(qū)域,從目前來看,在開發(fā)過程中需要修建公路,而為了避免公路沙害問題,當(dāng)?shù)鼐痛┥彻穬蓚?cè)構(gòu)建的“麥草沙障—梭梭林”防風(fēng)固沙體系取得顯著成效,但對于此防風(fēng)固沙體系所產(chǎn)生的防護效益還并未作出明確研究,因此,我們目前開展的研究主要是對當(dāng)前以產(chǎn)生防護作用的防護體系進行科學(xué)研究。

基于此,本研究以磴—額線磴口縣工業(yè)園區(qū)穿沙公路兩側(cè)設(shè)置的“麥草沙障—梭梭林”防護體系為研究對象,運用野外觀測和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,分析風(fēng)速、輸沙量及土壤粒度變化情況,從而探究該防護體系的防風(fēng)固沙效益,以期為該區(qū)域內(nèi)其他公路風(fēng)沙災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部,行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊导撅L(fēng)氣候[20],年均氣溫為7.6℃,年平均降雨量為144.5 mm,年平蒸發(fā)量2 397.6 mm。年均風(fēng)速為3.7 m/s,瞬時風(fēng)速可高達(dá)24 m/s,3—5月易出現(xiàn)揚沙天氣,平均年揚沙日數(shù)77 d;土壤類型包括風(fēng)沙土、棕鈣土、灰漠土等,其中,風(fēng)沙土面積最大。植被多以旱生及超旱生灌木和草本為主,天然灌木類植物有白刺(Nitrariatangutorum)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等;草本植物有沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、豬毛菜(Kalicollinum)、霧冰藜(Gruboniadasyphylla)、沙鞭(Psammochloayillosa)等;人工灌木類植物主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、花棒(Cotethrodendronscoparium)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與樣點布設(shè)

選擇磴—額線磴口縣工業(yè)園區(qū)穿沙公路為研究對象,該公路于2018年建成通車后,為了防止公路兩側(cè)流沙上路產(chǎn)生沙害,當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門在公路兩側(cè)的流動沙丘上鋪設(shè)了草方格沙障(規(guī)格約為1 m×1 m),并在障格內(nèi)栽植了梭梭(行距約為2 m×2 m),目前,整體防護效益比較顯著。

于2022年4月20日大風(fēng)天氣下,對公路防風(fēng)固沙體系的防護效益進行監(jiān)測。

如圖1所示在公路兩側(cè)布設(shè)了3個監(jiān)測點,分別為公路上風(fēng)向流動沙丘(A點),公路上風(fēng)向距離公路近20 m的防護體系內(nèi)(B點),公路下風(fēng)向距公路近20 m的防護體系內(nèi)(C點);分別在A,B,C點布設(shè)風(fēng)速儀和集沙儀,風(fēng)速儀測量高度分別為20,100,200 cm,集沙儀高度為50 cm高,共25層,每層積沙口規(guī)格為2 cm×2 cm,本研究中只收集到0～30 cm高度范圍內(nèi)沙物質(zhì)。根據(jù)劉芳等[21]的研究表明,該區(qū)域流動沙丘風(fēng)速達(dá)到5.1 m/s時集沙儀可收集到風(fēng)蝕物,而本試驗進行風(fēng)沙觀測時風(fēng)向為270°～290°,與當(dāng)?shù)刂骱︼L(fēng)向垂直,輸沙勢與前人研究相一致,風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速,因此對此區(qū)域選擇2個具有典型代表性的時間段進行風(fēng)沙活動同步監(jiān)測,每次監(jiān)測時間20 min,風(fēng)速采樣間隔2 s。每次記錄觀測起止時間,觀測結(jié)束后,將集沙儀各層沙樣取出并倒入塑封袋中,袋上標(biāo)記樣品采集時間、位置以及高度信息,同時計算輸沙量及輸沙率。并將各測點位置處集的沙儀內(nèi)沙物質(zhì)帶回實驗室使用激光粒度儀測量垂直方向的沙粒含量分布,并分別采集A,B,C點處表層土壤裝入塑封袋,并使用激光粒度儀測量表層土壤顆粒粒度情況。

圖1 樣點布設(shè)圖

2.2 樣品處理

(1) 土壤粒度特征。用激光粒度儀(型號:EYE-TECH,產(chǎn)地:荷蘭,量程:0.1～3 400 μm)測量土壤粒徑體積分?jǐn)?shù),本試驗土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)采用美國制分級標(biāo)準(zhǔn)[22]。將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細(xì)砂(0.05～0.10 mm)、細(xì)砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、極粗砂(1.00～2.00 mm)和砂石(>2.00 mm)。

采用伍登—溫德華粒級標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)克魯賓對數(shù)轉(zhuǎn)化法,分別將先前輸出的各土壤顆粒累積體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的顆粒直徑進行轉(zhuǎn)換,有利于計算Φ值[23],見公式(1)

φ=-log2D

(1)

式中:D代表顆粒直徑(mm)。

通過克倫拜因和?？擞嬎憷塾嬵l率曲線圖上累計百分含量5%,10%,16%,25%,50%,75%,84%,95%所對應(yīng)粒度對數(shù)值φ5,φ10,φ16,φ25,φ50,φ75,φ84,φ95,據(jù)此計算粒度特征參數(shù)平均粒徑(d0)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ0)、偏度(S0)、峰態(tài)值(K0)[23]。

(2) 粗糙度的計算。粗糙度是衡量下墊性質(zhì)的重要指標(biāo),即地面風(fēng)速為零的高度,用下式計算[24]:

(2)

式中:Z1,Z2表示地面任意兩個高程(cm);u1,u2表示Z1,Z2兩個高程上的風(fēng)速(m/s);Z0表示該地表的粗糙度(cm);A=u2/u1;Z1=200 cm,Z2=20 cm。

(3) 風(fēng)沙流特征值。根據(jù)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)函數(shù),計算0～10 cm各高度的風(fēng)沙流輸沙量,根據(jù)吳正提出的判斷地表蝕積狀況的風(fēng)沙流特征值的計算公式(3)[25],計算得到各測點的風(fēng)沙流特征值(λ),公式如下:

(3)

式中:Q0～2為0～2 cm高度內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙率〔g(/cm·min)〕;Q2～10為2～10 cm各高度風(fēng)沙流輸沙率的總和〔g(/cm·min)〕。當(dāng)λ>1時,表明下層沙量處于不飽和狀態(tài),氣流尚有較大搬運能力,有利于吹蝕;當(dāng)λ<1時,表明搬運沙物質(zhì)多貼近地面,在地表易形成堆積;當(dāng)λ=1時為蝕積平衡狀態(tài)。

(4) 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。半固定沙地的輸沙率一般隨高度呈指數(shù)函數(shù)或者冪函數(shù)關(guān)系變化(式4),但也隨著區(qū)域、下墊面條件及天氣狀況而變化,而固定沙地一般服從多項式關(guān)系(式5),但擬合程度不高,沒有明顯規(guī)律[26]。對各測點集沙儀10個高度的水平輸沙通量進行擬合,公式如下:

q(x)=a(x)b

(4)

q(x)=ax2+bx+c

(5)

式中:q(x)表示某一高度范圍的輸沙量(g/cm2);x表示沙物質(zhì)所在集沙儀采集層的高度(cm);a,b,c為擬合系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理主要使用Origin 2019b和Excel 2010軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速變化情況

觀測點不同高度處平均風(fēng)速變化圖(圖2)可知,各觀測點風(fēng)速和變化情況均表現(xiàn)出隨著高度的增加風(fēng)速逐漸增大的趨勢;且在不同測點位置處平均風(fēng)速大小出現(xiàn)明顯變化,均表現(xiàn)為A點(流動沙丘)>B點(梭梭林上風(fēng)向)>C點(梭梭林下風(fēng)向),在15∶55—16∶15時間段A點位置平均風(fēng)速依次為8.61 m/s,9.91 m/s和10.08 m/s;B點位置平均風(fēng)速依次為5.54 m/s,5.80 m/s和7.80 m/s;C點位置平均風(fēng)速依次為2.93 m/s,5.16 m/s和7.47 m/s;在16∶45—17∶05時間段內(nèi)A點位置平均風(fēng)速依次為8.33 m/s,9.13 m/s和9.81 m/s;B點位置平均風(fēng)速依次為5.63 m/s,5.69 m/s和7.99 m/s;C點位置平均風(fēng)速依次為2.81 m/s,4.68 m/s和7.74 m/s。因此綜合分析可以得出,風(fēng)沙流由B點經(jīng)過C點,風(fēng)速迅速降低,在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低了48.7%,14.4%和3.9%,由此可以看出近地表風(fēng)速降低明顯,但隨著高度的增加對于風(fēng)速的削弱作用逐漸減小,風(fēng)速降低程度減少;但通過對比A點和B點、C點發(fā)現(xiàn),B點風(fēng)速較A點在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低34.0%,39.6%和22.4%;C點風(fēng)速較A點在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低66.1%,52.5%和23.5%,在B點、C點兩點位置處風(fēng)速較A點風(fēng)速均有不同程度的降低,但降低程度略有不同,表現(xiàn)出C點風(fēng)速降低程度高于B點風(fēng)速降低程度,說明該防護體系可以有效降低過境風(fēng)沙流,從而達(dá)到保護公路免受沙埋。

圖2 觀測點不同高度風(fēng)速變化

由各觀測點地表粗糙度(cm)可知(表1),A點地表粗糙度平均值約為0 cm,B點地表粗糙度平均值為0.078 5 cm,C點地表粗糙度平均值為4.92 cm;由此表明B,C兩點地表粗糙度均顯著大于A點,即在此防護體系下能有效降低近地表風(fēng)速并且增大地表粗糙度。因此可以看出防護體系防風(fēng)效益顯著。

表1 不同觀測點地表粗糙度Table 1 Surface roughness at different observation points

由同一高度不同觀測點位置風(fēng)速變化圖(圖3)可知,在20 cm高度處不同測點位置處的風(fēng)速變化呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象,風(fēng)速變化大小表現(xiàn)出A點>B點>C點,且由A點平均風(fēng)速為8.5 m/s到B點平均風(fēng)速為5.6 m/s,風(fēng)速有減小的趨勢,但變化不大,由此說明再由A點到B點的過程中由于距離較遠(yuǎn)受到其他沙丘的影響,風(fēng)速有所降低;但在經(jīng)過阻擋后降低至C點平均風(fēng)速為2.9 m/s,風(fēng)速迅速降低,降低至A點風(fēng)速的2倍,由此可見能有效降低地表風(fēng)速,對近地表風(fēng)速有較強的削弱作用;在100 cm高度處,仍然表現(xiàn)出A點>B點>C點,但B點和C點兩點風(fēng)速變化較為接近,無明顯變化。

圖3 相同高度不同觀測點風(fēng)速變化

3.2 地表蝕積變化

由各觀測點風(fēng)沙流特征值(λ)可知(圖4),A點λ平均值為1.62,表明該位置風(fēng)力強勁,流動沙丘地表沙源供給相對不足,地表呈現(xiàn)風(fēng)蝕狀態(tài);B點λ平均值為1.05,表明該位置位于梭梭林上風(fēng)向,由于受到梭梭林對風(fēng)沙流的攔截,導(dǎo)致風(fēng)沙流處于不飽和的狀態(tài),地表同時出現(xiàn)風(fēng)蝕的狀態(tài);C點λ平均值為0.94,表明該位置在梭梭林的固定作用下沙物質(zhì)迅速沉降,達(dá)到堆積狀態(tài);并且C點λ值小于B點,說明梭梭林下風(fēng)向沙源供給比梭梭林上風(fēng)向更加豐富。

圖4 不同觀測點的風(fēng)沙流特征值

3.3 輸沙率變化

圖5為不同觀測點輸沙率變化圖。由圖可知,不同觀測點輸沙率均有所不同且均呈現(xiàn)出隨著高度的增加輸沙量逐漸減少,輸沙量整體上表現(xiàn)出A點>B點>C點,不同觀測點總輸沙率依次為10.5 g/cm/min,1.43 g/cm/min,0.18 g/cm/min,B點、C點總輸沙率依次較A點總輸沙率降低86.4%和98.3%,由此可以看出,在梭梭林的攔截和固定下,地表沙源供給不充分,風(fēng)沙流可搬運沙物質(zhì)量大幅降低,從而表現(xiàn)為輸沙量減小,并在一定程度上減小風(fēng)沙對公路的侵害。由圖可以看出,輸沙量最大值均在0～2 cm范圍內(nèi),而且輸沙量主要集中在0～10 cm高度內(nèi),A點在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為9.7 g/cm/min,約占總輸沙量的90%,B點在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為1.37 g/cm/min,占總輸沙量的95%,C點在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為0.14 g/cm/min,占總輸沙量的78%。

圖5 不同觀測點輸沙率變化

3.4 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖6為各觀測點不同高度水平輸沙通量擬合曲線,在防風(fēng)固沙體系公路上風(fēng)向流動沙丘(A點),公路上風(fēng)向距離公路近10 m的防護體系內(nèi)(B點)水平輸沙通量隨著高度的增加而下降,水平輸沙通量與高度符合冪函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù)R2分別為0.89,0.95;公路下風(fēng)向距公路近20 m的防護體系內(nèi)(C點),水平輸沙通量雖然也隨著高度的增加而減小,但不符合冪函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù)R2為0.81。在相同高度下,C點水平輸沙通量均遠(yuǎn)小于A點和B點,但隨著高度的增加,差異逐漸減小,在10～20 cm高度范圍內(nèi)非常接近。

圖6 各觀測點水平輸沙通量的垂直分布

對各觀測點風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(圖7)分析可知,A點和B點在8 cm以下的水平輸沙總量分別占總輸沙量的89.18%和94.54%,而C點占比僅為75.27%;三者在10 cm高度處的輸沙比例非常接近分別是A點為3.25%、B點為1.29%和C點為4.86%。然而在12～20 cm高度范圍內(nèi),C點占總輸沙量19.87%的比例均高于A點和B點,占比分別為9.62%和4.18%。由此分析可以得出,在流動沙丘A點和防護體系上風(fēng)向B點沙源供給相對豐富,風(fēng)沙搬運量隨著距離地表越近而逐漸增加,但同時搬運量卻隨著高度的增加而逐漸減少;而在防護體系下風(fēng)向的C點,由于防護體系內(nèi)的梭梭林和草方格沙障具有很好的固沙作用,輸沙量大幅降低,因此呈現(xiàn)出與固定沙地相似的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征,由此證明,在本研究內(nèi)此防護體系具有很好的防風(fēng)固沙作用。

圖7 各觀測點風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

3.5 不同觀測點表層土壤沉積物粒度特征

圖8為不同觀測點表層土壤沉積物顆粒分布圖。由圖可以看出,3個測點位置表層土壤顆粒分布存在明顯差異。A點位置土壤粒級最大值為654 μm,而B點和C點位置土壤粒級最大值僅為409 μm,由此說明土壤顆粒粒級變小,土壤顆粒向著細(xì)?；较虬l(fā)展。具體來看,A點和B點呈現(xiàn)單峰式分布,其波峰分別出現(xiàn)在255 μm和227 μm附近;C點呈現(xiàn)雙峰式分布,其波峰分別在202 μm和255 μm出現(xiàn);進一步分析可以看出在202 μm～255 μm范圍內(nèi)土壤顆粒含量出現(xiàn)明顯差異,同時在227 μm處出現(xiàn)明顯的分界點,A點表現(xiàn)出隨著土壤粒級增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢并在255 μm處達(dá)到最大值12.71%;B點表現(xiàn)出隨著土壤粒級增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在227 μm處達(dá)到最大值13.45%;C點表現(xiàn)出隨著土壤粒級增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢,在227 μm處達(dá)到最小值為11.33%,在255 μm處達(dá)到最大值為12.34%。

圖8 不同觀測點表層土壤沉積物顆粒頻率分布

土壤顆粒累積頻率分布曲線能反映土壤顆粒的分布情況,通常表現(xiàn)為曲線越陡,土壤顆粒分布越均勻。分析各測點位置表層土壤的分布均勻程度發(fā)現(xiàn),在100～400 μm范圍內(nèi)斜率最大,說明各位置表層土壤顆粒粒徑大部分集中在100～400 μm,且斜率大小依次為C點>B點>A點,由此說明C點位置土壤顆粒分布最均勻,B點次之,A點土壤顆粒分布均勻程度最差。

不同測點土壤粒度累積頻率百分量反映出顆粒差異變化情況,即定性描述顆粒在一定范圍內(nèi)受到風(fēng)蝕的影響。由圖8可知,各測點位置土壤粒度累積頻率間平均距離粒徑最大值出現(xiàn)在180～200 μm區(qū)間內(nèi),說明各測點位置整體顆粒粒徑在180～200 μm區(qū)域間較大,因此可認(rèn)為研究區(qū)易風(fēng)蝕顆粒范圍在180～200 μm。

由表2可知,3個觀測位置表層土壤粒度參數(shù)平均粒徑由大到小依次為B點>A點>C點;標(biāo)準(zhǔn)偏差由大到小依次為A點>C點>B點;偏度等級依次為負(fù)偏、近于對稱和近于對稱;3各觀測點峰態(tài)均屬于中等。即B點土壤分選性相比于其他位置較差,B點土壤顆粒分布最均勻,同時B點平均粒徑最大,其細(xì)粒物質(zhì)含量最多,這與圖8中B點土壤顆粒百分含量分布情況相符。

表2 不同觀測點表層土壤沉積物粒度參數(shù)特征

4 討 論

風(fēng)沙災(zāi)害防治工程在實際應(yīng)用中很少使用單一措施進行防護,多依據(jù)生物措施與工程措施相結(jié)合的方式,而工程措施作為生物措施的基礎(chǔ),它的配置同樣講究“固、阻、輸(導(dǎo))”的相互搭配[27]?？刂粕吃词欠乐紊澈Φ闹伪敬胧?機械防沙措施見效快、效果好,而且造價低[28]。防沙體系中機械沙障的應(yīng)用迅速提高了研究區(qū)對風(fēng)沙流的攔截能力,防沙植物的種植則可以彌補破損機械的功能損失,還可以對風(fēng)沙流進行再次攔截;植被種植和灌溉可以提高土壤的有機質(zhì)含量和含水率,表層土壤鹽分含量增加,提高了地表起沙風(fēng)速,可降低土壤風(fēng)蝕[29-30]。而通過實踐證明,流動沙丘上設(shè)置機械沙障后,風(fēng)沙活動強度下降,影響植物生長的風(fēng)蝕沙埋作用減輕,為沙生先鋒植物的定居創(chuàng)造了良好條件。因此,設(shè)立道路工程防沙體系要盡量促進植被的恢復(fù),在適宜植物生長的地方,應(yīng)選擇一些耐旱、耐鹽、耐風(fēng)蝕沙埋的植物進行飛播或者人工種植;以補充機械沙障防護效益方面的不足或缺陷,同時延長機械沙障的使用年限,并逐步形成以生物措施為主的防沙體系,從根本上解決沙害問題[31]。在本研究中,在機械措施和生物措施相結(jié)合的工程防護體系下,風(fēng)速變化情況由初始的8.47 m/s,9.52 m/s和9.94 m/s減小到2.87 m/s,4.92 m/s和7.60 m/s,風(fēng)速降低程度最大約能達(dá)到初始的2倍,最小的為初始的30%,這與李生宇等[15]在研究新疆S214省道防沙體系中得到的部分結(jié)論相似。粗糙度是描述下墊面對氣流的阻礙作用,防護體系的構(gòu)建使得近地表粗糙度增大,對過境氣流起到削弱作用,本研究顯示流動沙地粗糙度約為0 cm,該結(jié)果與吳曉旭[32]觀測結(jié)果相似,防護體系上風(fēng)向和下風(fēng)向粗糙度為流動沙地的數(shù)倍以上,可知在防護體系的干擾下地表粗糙度增大,地表風(fēng)蝕潛力降低。

風(fēng)沙流活動集中在地表一定高度內(nèi),由于防護體系的建設(shè)使得下墊面和風(fēng)速發(fā)生改變,導(dǎo)致沙物質(zhì)輸移出現(xiàn)差異。本研究中各個測點位置集中在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量分別占各位置總輸沙量的92.7%,94.4%和79.5%,這與張華等[33]指出科爾沁沙地80%以上的輸沙量集中在0～10 cm高度層內(nèi)相一致。輸沙量的變化情況在很大程度上能夠很好地反映防護體系的固沙效益,通過觀察不同測點位置的輸沙量情況,過境攜沙氣流由流動沙地經(jīng)過防護體系后輸沙量降低,且隨著深入防護體系內(nèi)部,輸沙量呈現(xiàn)降低的趨勢,本研究顯示上風(fēng)向輸沙量為流動沙地輸沙量的13.7%,下風(fēng)向輸沙量為流動沙地輸沙量的1.7%,而且處于防護體系下風(fēng)向的輸沙量顯著低于在流動沙丘處的輸沙量,這與李生宇等[15]對于新疆S214省道防沙體系的風(fēng)沙觀測結(jié)果相似。由此可見,該區(qū)域的防護體系可以較好地控制地表流沙輸移,使風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)在2～6 cm高度范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。風(fēng)沙流中沙物質(zhì)粒徑的垂直分布與風(fēng)沙流搬運量和沙粒運動方式關(guān)系密切,隨著下墊面微地形發(fā)生變化,地表氣流狀況發(fā)生改變,而沙粒分布情況隨之改變。如表3所示本研究中只收集到0～30 cm高度范圍內(nèi)的風(fēng)沙流,結(jié)果顯示風(fēng)沙流優(yōu)勢粒級為細(xì)砂,流動沙地(A點)0～20 cm高度細(xì)砂占47.16%～70.48%,防護體系上風(fēng)向(B點)0～20 cm高度細(xì)砂占50.27%～74.24%;防護體系下風(fēng)向(C點)0～20 cm高度細(xì)砂占62.29%～73.19%,B點和C點中砂含量較A點明顯降低,細(xì)砂含量明顯升高。由此看出,在防護體系作用下,可有效降低風(fēng)速,削弱風(fēng)沙流攜沙能力,這與包巖峰等[34]研究結(jié)果相似。

表3 不同觀測點垂向沙物質(zhì)粒度特征Table 3 Plasmid density characteristics of vertical sand at different observation points

地表沉積物粒度特征是研究沙漠風(fēng)沙和沉積環(huán)境極其重要的指標(biāo)之一,與局部分風(fēng)力條件、沉積環(huán)境、地形和植被等因素關(guān)系密切[35]。本區(qū)域研究結(jié)果顯示,防護體系表層土壤沉積物顆粒中細(xì)砂含量最多,為54.74%～61.42%,粉砂含量最少,為0.1%～0.23%,這與羅鳳敏等[36]研究得到的變化趨勢相似,但具體數(shù)值有所區(qū)別。吳正[37]發(fā)現(xiàn)粒徑70～500 μm的砂粒是躍移運動的主體,20～70 μm的砂礫可做短期懸浮。本研究中得到各測點位置表層土壤粒度累積頻率平均距離最大值出現(xiàn)在180～200 μm處,指明土壤顆粒主要以躍移方式運動,從沉積物頻率分布曲線和粒度參數(shù)來看,證明土壤粒徑有減小趨勢,土壤顆粒變細(xì),粒徑較大的顆粒以躍移的方式被吹蝕。同時由此可表明,在此區(qū)域范圍內(nèi),運用機械措施和生物措施相結(jié)合方式構(gòu)建的公路防沙體系,能有效降低風(fēng)速,減少輸沙量,能有效避免揚沙上路,交通線路免受沙埋沙害。

5 結(jié) 論

(1) 有效降低地表風(fēng)速和輸沙量,增大地表粗糙度,風(fēng)沙流經(jīng)過防護措施后,防護體系上風(fēng)向(B點)和下風(fēng)向(C點)風(fēng)速由高到低較A點分別降低48.7%,14.4%和3.9%;總輸沙量分別較A點降低86.3%和98.3%,地表粗糙度由約為0 cm增大到4.92 cm。

(2) 沙物質(zhì)粒徑的垂直分布表現(xiàn)出中砂含量顯著降低,細(xì)砂含量顯著增加,風(fēng)沙流攜沙能力明顯削弱。

(3) 表層土壤沉積物顆粒粒級變小,沉積物顆粒頻率分布曲線部分波段變窄,分選性變差,顆粒分布均勻且顆粒向著細(xì)?；较虬l(fā)展,易風(fēng)蝕顆粒范圍在180～200 μm。

綜上所述,在本研究區(qū)域內(nèi),應(yīng)當(dāng)以機械措施與生物措施相結(jié)合的方式,逐步構(gòu)建“以阻為主,阻固結(jié)合”的公路防沙體系建設(shè)思想。