榆林沙柳沙障的防风固沙效益分析*

宋海燕

(榆林市定边县马莲滩苗圃,陕西榆林 718600)

沙障是荒漠化防治的一种重要手段和措施,主要是采用各种材料通过不同工程设施在沙面上设置障碍物,以控制风沙流动的方向、速度、结构来改变风蚀积沙状况,达到防风阻沙,改变风的作用力及地貌状况等目的。沙障有机械沙障与生物沙障,在我国北方各沙区应用最广,是固定流沙、稳定沙面最经济有效地措施之一[1-3]。沙柳沙障的优点在于沙柳沙障枝条能成活,长成沙柳灌丛,设置沙柳沙障的一次施工能够同时达到工程治沙及生物治沙的双重目的[4]。作者根据多年林业基层工作的经验,并通过参阅大量文献,分析了沙柳资源的发展现状、不同沙柳沙障防风固沙效益以及沙柳沙障对地表粗糙度、输沙率和风沙流结构的影响,以便为毛乌素沙地榆林沙区乃至我国的防沙治沙提供实践参考。

1 榆林定边县自然概况

榆林市定边县地处陕西省西北角,位于毛乌素沙地南缘,是黄土高原与内蒙古鄂尔多斯荒漠草原过渡地带,位于东经 107°15′～ 108°22′,北纬36°49′～ 37°53′,系陕、甘、宁、蒙四省区交界地。气候属温带半干旱大陆性季风气候,主要特点是春多风、夏干旱、秋阴雨、冬严寒,日照充足,年均气温7.9℃,年均日照 2 743.3 h,年均降雨量316.9mm,年均无霜期 141 d左右。该县南部为白于山区丘陵沟壑区,北部为毛乌素沙漠南缘风沙滩区,区内有大量流动沙丘、半流动沙丘。该地段以沙柳为材料,在流动沙丘、半流动沙丘建成2 m×2m,2 m×4m,3m×3m等不同规格的沙柳沙障防沙体系。

2 榆林沙区沙柳资源的发展现状

沙柳作为毛乌素沙地主要的防风固沙树种,是毛乌素沙地的独特风景。利用其独特的抗风蚀沙埋特性,可在流动沙丘的上中下不同部位及丘间低地营造防风固沙林和沙柳沙障,防止沙丘的风蚀和移动。沙柳新栽植3～4年内可形成枝叶繁茂的灌丛,发挥其阻沙效益,沙柳防风阻沙林则形成纵横交错的防护林带,具有独特的防风固沙效益。随着沙柳的生长,地表粗糙度增加,流沙被固定,植物种类、植物覆盖度等逐渐得到改善。据有关资料,2010年全市沙柳面积现有33.33多万hm2,主要分布在毛乌素沙地榆林北部风沙区[5]。由于缺乏相应的保护措施,沙柳固林已经出现大面积退化、枯死现象。

3 沙柳沙障的防风固沙效益分析

3.1 沙柳沙障的防风阻沙效应

沙障是一种防风固沙效果很好的治沙措施,其防风作用主要是通过枝条阻挡或减缓气流而实现的,一是当气流经过疏林或沙障时,在枝条的阻挡作用下,气流穿越枝条时的摩擦和引起枝条摆动而消耗了部分动能,从而风速减弱;二是由于树干及枝条的阻挡,气流形成无数不定的紊流,这些不同方向的紊流之力相互缓冲、抵消,使风力减弱或降低流动速度[6]。从而削弱地面风力、固定沙面、减少和防止就地起沙,为栽植或播种固沙植物创造稳定的生长发育环境。在自然条件恶劣的地区,机械沙障是治沙的主要措施,在自然条件较好的地区,机械沙障是植物治沙的前提和必要条件。

3.1.1 不同规格沙柳沙障的防护效益 不同规格沙柳沙障,其防护效益不尽相同。沙柳沙障高度一定的情况下,其形状和大小直接影响沙障的防护效果[7]。沙柳沙障的高度过低,沙障易被沙埋,起不到防护作用;高度过高,不仅沙障易被风吹倒,而且会使沙障的成本增加。相同高度的沙障,随着沙障规格的增大,其防护效果在逐渐减小,单位面积的成本也在减小。沙障的规格越小防护效果越好,但沙障的成本会逐渐增加。因此,在生产实践中,要研究某一地区特定环境条件下具有最佳防护效益的沙障规格。高永[6]等人的研究表明,不同规格沙障内输沙率随着风速的变化其变化趋势不同,小规格沙障内输沙率随着风速的变化呈对数曲线趋势,大规格沙障内输沙率随风速的变化呈指数曲线趋势。

3.1.2 高立式沙柳沙障的防风阻沙效益 沙柳机械沙障类型、高度、规格和设置方式等直接影响着工程防沙体系的稳定性。高立式沙柳沙障作为一种机械沙障,其风速流场变化复杂多样,风沙流遇沙柳沙障遇阻后,在沙障背风面较高处出现强风涡流区,而在较低处则出现了弱风区,部分沙物质便在此范围内沉降,而较高处的风沙流继续携带沙物质前行[8]。随后又遇沙障后,由于风沙流遇阻,又一次形成涡流,在涡流区和弱风区高度之间造成一个风速梯度,致使在沙障前上方形成强风涡流,下方形成弱风区,仍有部分沙物质遇阻沉降,当风沙流第二次受阻跃过沙柳沙障后,风沙流的动能逐渐减小,挟沙能力减弱,最后沉降堆积,达到防风阻沙作用。

3.2 沙柳沙障对风沙区地表的影响

3.2.1 沙柳沙障对地表粗糙度的影响 粗糙度是反映地表对风阻抗的重要参数,其大小影响着气流的阻抗作用[9]。根据杨明元等人[10]的研究,地表覆盖物能有效地增大地表粗糙度,减缓土壤风蚀。目前采取的各种防沙固沙措施,主要是改变地表性质,增加下垫面粗糙度,进而有效地控制风沙流,达到防风治沙的目的[11]。众多学者研究表明,地表覆盖物能够增大地表粗糙度。沙柳沙障前后粗糙度变化较大,沙丘近地表风沙流结构发生变化,过境风沙流在沙丘基部遇到沙障时,近地表层的风速被降低,风沙流中的沙粒开始下沉,随着沙粒的连续沉积,气流中的含沙量不断减少,致使下层气流动量向上传输的很快,较高处风速变化明显,从而使粗糙度的增加更为显著。

3.2.2 沙柳沙障对近地表输沙率的影响 风蚀是风沙流对地表土壤的大量搬运和堆积,是导致干旱半干旱区土地沙化和荒漠化进程最直接的作用过程之一。输沙率是衡量沙区沙害程度的主要指标[11],也是防沙工程设计的主要依据,它决定着沙质地表的吹蚀或堆积过程的发展态势,可用来判断地表风蚀、沙积状况,掌握风成地貌的形态、发育和演变规律。

在沙柳沙障布设区,由于沙柳沙障的阻遏防护作用,有效地降低了近地表的风速,风沙流的搬运能力也随之降低,风沙流中的沙粒开始下沉。随着沙障连续阻遏,阻断了沙粒继续前进的动力,出现连续沉积现象,沙障固定了附近地表沙尘,风沙流无法获得沙尘,地表输量大幅度降低,地表输沙率远远小于旷野输沙率。

3.2.3 沙柳沙障对近地表风沙流结构的影响

大量研究表明,在同一风速条件下,即使在相同位置,沙柳沙障内近地表和流动沙丘表面风沙流结构表出明显的不同。沙丘下部在风速以8.4m/s的条件下,流沙表面和3 m×4m沙柳沙障内近地表风沙流中相对含沙量的分布情况。由于沙柳沙障的阻遏作用,近地表风速显著减弱,使风沙流的结构发生变化,与流沙相比含沙量下层相对增加,上层相对减少。0～1 cm范围内,沙柳沙障的相对含沙量为23.4%～28.6%,流动沙丘表面的相对含沙量为15.2%～18.1%。0～4 cm范围内的相对含沙量比较高,沙柳沙障为 71.6%～75.3%,流动沙丘表面为55.1%～58.2%,说明沙柳沙障内因风速减弱导致其搬运能力降低,沙柳沙障可以使近地表风沙流结构发生显著的变化。

通过在大沙丘设置2 m×4 m沙柳沙障后,观察其不同部位近地表相对含沙量的分布情况。在沙柳沙障下层0～4 cm范围内,沙丘下部相对含沙量明显大于沙丘中部和上部含沙量,尤其在0～1 cm层更加明显,这说明沙柳沙障会导致沙丘不同部位近地表风沙流结构发生不同的变化。分析其原因,主要在于过境风沙流在沙丘基部遇到沙柳沙障时,近地表层的风速将因沙障阻遏而降低,风沙流中携带的沙粒出现下沉,随着沙障的连续阻遏导致风沙流中的沙粒连续沉积,气流中的含沙量逐渐减少,从沙丘下部往上风沙流变得更不饱和,开始具备风蚀能力。但由于沙柳沙障作用,地表沙尘被固定,切断了沙尘源,使风沙流无法获得沙尘,因此,沙丘不同部位近地表相对含沙量的分布不同,沙丘下部相对含沙量明显大于沙丘中上部含沙量。

[1] 孙荣华,刘玉山,刘志和,等.沙质荒漠化土地生物沙障结构与配置技术研究[J].林业科学研究,2006,19(1):125-128.

[2] 姚正毅,陈广庭,韩致文,等.机械防沙体系防沙功能的衰退过程[J].中国沙漠,2006,26(2):226-231.

[3] 张广,武俊瑛,惠彦君,等.浑善达克沙地公路综合防护技术及其效益分析[J].干旱区资源与环境,2006,20(5):189-196.

[4] 高 永,邱国玉,丁国栋,等.沙柳沙障的防风固沙效益研究[J].中国沙漠,2004,24(3):355-370.

[5] 榆林市统计局.榆林统计年鉴2010[R].北京:中国统计出版社,2010.

[6] 范志平,曾德慧.农田防护林生态作用特征研究[J].水土保持,2002,16(4):130-133.

[7] 李生宝,蒋齐.盐池沙地综合治理优化模式的建立及其结构调整[J].农业系统科学与综合研究,1999,15(2):143-148.

[8] 赵国平,胡春元,张 勇,等.高立式沙柳沙障防风阻沙效益的研究[J].内蒙古农业大学学报,2006,27(1):59-64.

[9] 马世威,马玉明.沙漠学[M].呼和浩特:内蒙古人民出版社,1998.

[10] 杨明元.对地表粗糙度测定的分析与研究[J].中国沙漠,1996,16(4):383-387.

[11] 王 涛,赵哈林,肖洪浪.中国沙漠化研究进展[J].中国沙漠,1999,19(4):299-311.