锡林河流域不同利用方式草地风速廓线及地表粗糙度特征分析

2015-02-28娜仁格日勒崔向新

中国水土保持 2015年5期

关键词：廓线锡林人为

张琪，娜仁格日勒，葛楠，张静，王颖，崔向新

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010010；2.锡林郭勒盟镶黄旗苗圃，内蒙古镶黄旗 013250)

锡林河流域不同利用方式草地风速廓线及地表粗糙度特征分析

张琪1，娜仁格日勒2，葛楠1，张静1，王颖1，崔向新1

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010010；2.锡林郭勒盟镶黄旗苗圃，内蒙古镶黄旗 013250)

草地；土壤风蚀；风速廓线；地表粗糙度；锡林河流域

以锡林河流域典型草原上天然草地、围封草地和人为干扰草地3种不同利用方式的草地为研究对象，通过对区域风速廓线与地表粗糙度的测定，研究了不同利用方式草地的防风效能。试验结果表明，流域内3种不同土地利用方式的草地近地表风速总体呈现随测量点距离地表的高度增加而增加的规律，风速廓线符合指数规律和实际情况，但不同土地利用方式草地之间存在差别；围封草地地表粗糙度最大，人为干扰草地的地表粗糙度最小，表明在天然草地、围封草地和人为干扰草地中，围封草地的防风效能最好。

1 研究区概况

锡林河流域位于内蒙古高原东部，东毗大兴安岭山麓，南接昭盟玄武岩高原，地理坐标东经115°32′—117°12′、北纬43°26′—44°39′，总面积约10 786 km2[1]。该流域在我国北方典型草原区具有代表性，生态环境呈现局部好转、整体恶化的态势，作为我国北方重要的生态保护屏障，是京津风沙源区综合治理工程的重点地区。

1.1 土壤与植被

锡林河流域的土壤类型受到地理位置和气候条件的影响，自上游到下游呈现规律性分布，以黑钙土和栗钙土为主。黑钙土主要分布在锡林河上游的丘陵和岗地；栗钙土是锡林河流域分布面积最广且具有代表性的土壤[2]，除上游丘陵、岗地及南部高台地外，其余地方几乎全部被栗钙土所占据。

流域内的植被有羊草〔Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.〕、针茅(StipacapillataLinn.)、线叶菊〔Filifoliumsibiricum(Linn.) Kitam.〕、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)、裂叶蒿(ArtemisiatanacetifoliaLinn.)、小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)、木地肤〔Kochiaprostrate(L.) Schrad.〕等[3]，植物群落结构较简单，草层低矮、稀疏，平均高度为5～10 cm[4]。

1.2 气候与水文

锡林河流域属大陆性温带草原气候，春季大风，夏季湿润温暖，冬季干燥寒冷[5]。受降水和地形的影响，光照和热量在地理分布上自东向西有规律地变化，即热量升高，湿度降低。在四季分配上，受四季云量变化的影响，表现出春季长、冬季短的特征。

本流域的降水量自上游至下游逐渐减少，降水量主要集中在7—9月，4—6月缺水[5]，这不利于牧草的生长和发育。4、5月份植物尚能利用秋冬季的雨雪水分维持其生长需要，但进入6月，4、5月份的底墒蒸发殆尽，温度升高又加剧了蒸发，较低的降水量不能满足牧草生长需要，因此该时期降水量的多少在很大程度上影响着牧草的整体长势。

1.3 地质与地貌

流域主要由低山丘陵、熔岩台地和河谷平原三大地貌组成，东岸为低山丘陵区，西岸为熔岩台地，丘陵河谷间夹带着固定沙地，总体地势为东南高、西北低。

在地质构造上，本流域位于内蒙古海西褶皱带的东南部，区域大体构造方向从北向东绵延，主要是由华力西期—燕山晚期花岗岩及中生代变质岩组成，山丘顶部有岩石裸露于地表，风化剥蚀较强烈[5]。

1.4 社会经济情况

流域内共有18个牧业点和19家旅游点，从业人员达到300人，牲畜4 000头(只)左右。日均旅游人数为500人，高峰期日旅游人数可达2 000人，车辆(大车、小车、摩托车)可达1 000辆[5]。

2 研究方法

2.1 样地选取

在锡林河流域的典型草原上选择天然草地、围封草地和人为干扰草地3种利用方式的草地作为研究对象进行测试。其中：天然草地利用方式为放牧；围封草地自2003年封育，禁止放牧，至今围封10年；人为干扰草地是2006年修建公路时将工程土倾覆在该草地上，然后进行自然恢复。测试小区内植被状况见表1。

表1 测试小区植被状况

2.2 风速廓线的测定

风速廓线是指风速随高度的分布曲线。本研究关于风况信息的测定是采用HOBO小型气象站进行风速和风向数据的采集，该仪器主要由数据采集器、风杯、风向标和支架构成。观测时将HOBO小型气象站架设在试验样地中，风杯分别设置20、50、100、150和200 cm高度进行风速数据的测定，同时设置风向标测定风向，数据采集器设置数据采样间隔为2 s。

2.3 地表粗糙度的测定

地表粗糙度是指下垫面平均风速为零处的高度，它能反映出不同下垫面的固有性质[6]，也是衡量防沙治沙效益的一个重要指标。地面粗糙度的确定，通常都是以风速按对数规律分布为依据，从其风速廓线推算的。对于一个固定地点来说，如果地面的性质不变，常可以假设是一个常数[7]。它可以直接通过对数公式计算得出，即

lnZ0=(lnZ2-AlnZ1)/(1-A)

(1)

式中：Z0为地表粗糙度，cm；Z1、Z2为任意两个高度，cm；A为Z2、Z1高度处对应风速U2、U1的比值。

本次试验中，分别取各试验区内距地表50和200 cm两个高度的风速计算地表粗糙度。

3 结果分析

3.1 不同利用方式草地近地表风速廓线特征

风速廓线是反映近地表气流特征非常重要的指标之一，遵循对数或者幂指数规律，它是气流和运动中的沙土相互作用而产生的。但是多数情况下下垫面的波伏状况对气流有很严重的影响，因此不同立地条件下的风速及流场分布存在着很大的差异，不单纯地服从对数或者幂指数规律[8]。为了解锡林河流域内不同土地利用方式草地的风速廓线特征，对近地表风速实测数据进行了分析拟合，绘制出了3种草地的风速廓线图，见图1。

图1 3种草地的风速廓线

如图1所示，3种利用方式的草地其风速值都是随着测量点距离地表高度的增加而增加的，这符合近地面层风的基本特性[9]。但是，3种利用方式草地的风速廓线存在着明显的差异。

围封草地的风速廓线形态复杂，呈现出“S”形的变化趋势。之所以产生这种趋势，是因为从20 cm层至200 cm层，平均风速依次为2.03、3.12、5.28、5.71、6.70 m/s,故各层间风速增长率依次为53.69%、69.23%、8.14%和17.34%。即由20 cm层至50 cm层风速增长率较大，但并非最大增幅，在50 cm层至100 cm层区间风速增长率最大，而后由100 cm层至150 cm层风速增长率逐渐减小，在150 cm层至200 cm层区间风速增长率再次增大。

天然草地和人为干扰草地的风速廓线形态较简单，呈现出指数函数的变化规律。在天然草地中，50 cm层的平均风速为4.96 m/s，较20 cm层平均风速2.91 m/s增长了2.05 m/s，即50 cm层风速较20 cm层风速的增长率为70.45%；而100 cm层的平均风速为6.41 m/s，较50 cm层风速的增长率为29.23%；同理150 cm层的平均风速为7.72 m/s，较100 cm层风速的增长率为20.44%，200 cm层风速较150 cm层增加了10.10%。即在天然草地中，从20 cm层到200 cm层，各层间的风速增长幅度逐渐下降，从而使天然草地的风速廓线呈现“J”形增长趋势。而人为干扰草地中，地表风速变化稳定增加，并且各层增长速率大致相同，故人为干扰草地的风速廓线呈现指数函数变化规律，但该曲线较天然草地风速廓线的曲线更趋向风速轴，且风速范围较窄。

产生以上差别，是因为风速的变化情况受到地表植被生长状况与植被覆盖度因素的影响[10]。结合样地内植被调查情况，可以看出：围封草地由于采取围封措施，近10年内禁止放牧及人为破坏，植被恢复较好，植被高度和盖度均高于天然草地和人为干扰草地，当近地表气流经过时，地表的植被起到一个阻碍作用，能有效降低风速；而天然草地和人为干扰草地植被破坏较为严重，地表植被高度未能起到降低风速的作用。同时，由于各草地内植被高度不同，使得各层风速降低幅度存在差异：围封草地内植被高度为54 cm左右，故在地表50 cm层内可以有效地降低过境风速，其增长率最高值出现在100 cm层；而天然草地内的植被由于受到牲畜践踏啃食，高度仅为8 cm左右，故对距离地表20 cm以上的风速起不到很好的阻挡作用，50 cm层风速急剧上升。

对比发现，在距离地表200 cm层的风速值中，人为干扰草地的平均风速值大于围封草地的平均风速值，天然草地的平均风速值介于二者之间。同时，在天然草地、围封草地和人为干扰草地中，围封草地20 cm层的平均风速较200 cm层的平均风速降低了69.70%，50 cm层的平均风速较200 cm层的平均风速降低了53.43%，围封草地这两层的平均风速降幅均是三者中最高的，这也说明围封草地的防风效果是三者中最好的。

3.2 不同利用方式草地地表粗糙度特征

下垫面对风速与风的结构的影响主要体现在几何方面，因此地表形态的波伏和波伏程度可以划分到粗糙性的范畴当中去。地表粗糙度是表征下垫面粗糙性的一个最重要的指标，增加地表粗糙度可以有效减弱、控制风沙流[11]。本试验使用距离地表50和200 cm的风速对锡林河流域内不同利用方式下草地的地表粗糙度进行计算，结果见表2—4。

表2 天然样地地表粗糙度测定结果

表3 围封样地地表粗糙度测定结果

表4 人为干扰样地地表粗糙度测定结果

对锡林河流域内不同土地利用方式下草地的地表粗糙度研究发现，围封草地的地表粗糙度最大，是人为干扰草地地表粗糙度的1.46倍，明显高于人为干扰后自然恢复草地的地表粗糙度；天然草地的地表粗糙度次之，是人为干扰草地地表粗糙度的1.05倍；人为干扰草地的地表粗糙度最小。产生这种状况是因为人为干扰草地受到了外界干扰，虽经历了自然恢复阶段，但时间较短，加之破坏时工程土覆盖较厚，严重破坏了原地表的植被，使得人为干扰草地的植被盖度和高度均较低，当风沙流过境时，不能有效地减小风速、降低风沙的侵害。围封草地由于受到了禁牧围封措施的保护，植被生长良好，植被的盖度及高度均较高，使其下垫面的波伏程度增加，可对过境的风沙流起到较好的阻碍作用。同理，天然草地内的植被长期经受牲畜的践踏及啃食，其植被的盖度及高度均低于围封草地，所以地表风速略大于围封样地，地表粗糙度略小于围封样地。

4 结论

(1)锡林河流域内3种不同利用方式的草地，近地表风速总体呈现随测量点距离地表的高度增加而增加的规律，这符合近地面层风的基本特性。在设定的5个近地表高度层内，不同层间风速增长的快慢情况在不同利用方式的草地之间存在差别。围封草地在100 cm层风速增长幅度最大，达到了69.23%；天然草地在50 cm层风速的增长率最大，达到了70.45%；而人为干扰草地各层间的增长率在14.07%～27.35%之间，增长幅度较为均一。

(2)对锡林河流域内3种不同利用方式的草地风速廓线的研究表明，风速廓线符合指数规律和实际情况，不同土地利用方式下草地的风速廓线存在差异。其中，围封草地的风速廓线较为复杂，呈现“S”形走势；天然草地与人为干扰草地的风速廓线形态简单，呈现出指数函数的变化规律，但是人为干扰草地风速廓线的曲线较天然草地风速廓线的曲线更偏向于风速轴，这与其植被状况有着密切的关系。

(3)通过对地表粗糙度的计算，得出围封草地粗糙度最大，是人为干扰草地地表粗糙度的1.46倍。这也表明，在天然草地、围封草地和人为干扰草地中，围封草地的防风效能最好。

[1] 洪立国.锡林河流域草原利用现状与保护对策研究[D].呼和浩特:内蒙古大学,2009:1.

[2] 汪久文,蔡蔚祺.锡林河流域土壤的发生类型及其性质的研究[J].草原生态定位研究,1988(3):23-83.

[3] 刘爱军.锡林郭勒盟草地资源特征研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2002:10-16.

[4] 赵献英,姚彦臣,杨汝荣.锡林河流域天然草场资源的生态地理特征及其展望[C]//中国科学院内蒙古草原生态系统定位站.草原生态系统研究(第3集).北京:科学出版社,1988:184-226.

[5] 李玉兰,贾国华.锡林河水库水土流失现状及成因分析[J].安徽农学通报,2012,18(21):185-188.

[6] 李晓丽.阴山北麓土壤风蚀的影响因素及运动特性的试验研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2007:42-43.

[7] 张洪江.土壤侵蚀原理[M].北京:中国林业出版社,2008:90-92.

[8] 田庆明,马廷德,刘晓云,等.强沙尘暴过程高空温湿风结构和大气稳定度分析[J].干旱区研究,2008,25(5):700-704.

[9] 潘守文.小气候考察的理论基础及其应用[M].北京:气象出版社,1989:84-97.

[10] 董治宝,陈渭南,董光荣,等.植被对风沙土风蚀作用的影响[J].环境科学学报,1996,16(4):437-443.

[11] 海春兴.河北坝上土地利用与土壤风蚀的动力学过程研究[D].北京:北京师范大学,2003:23.