沙质海岸风口区风障阻沙特征及初步治理试验

朱炜

(福建省林业科学研究院,350012,福州)

沙质海岸风口区风障阻沙特征及初步治理试验

朱炜

(福建省林业科学研究院,350012,福州)

为了研究沙质海岸风口区风障配置和堆积沙丘治理模式,为防沙治沙提供理论依据。在沙质海岸前沿风口地段设置15%、30%、45%和60%4种不同透风率的风障,开展其风速变化规律及阻沙特征研究,并选择黄花月见草、厚藤和单叶蔓荆3种草本植物在形成沙丘进行种植尝试。结果表明:1)透风率15%的风障最大防风效能达到89.23%,风速减半的防护距离为5H(H为风障高度),因堆沙效果显著,适合设置为堆沙风障;2)透风率30%与45%的风障最大防风效能分别为76.70%和71.53%,防护距离最大为6H,可在堆沙风障后设置为防风风障;3)透风率60%的风障最大防风效能为59.47%,由于堆沙能力较弱,防护距离较短而不适宜采用,在风障形成的堆沙上,种植的厚藤具有良好的生存能力和蔓延速度,是闽东南沿海前沿裸露沙地固沙的先锋草本。

沙质海岸;风障;阻沙特征;防风效能

福建省海岸线长3 752 km,其中沙质海岸线长565.28 km,占总长度的15.07%,横跨28个沿海县、市、区[1],新中国成立后,通过引种木麻黄(Casuarina equisetifolia)已在海岸线上营建起以木麻黄为主的防护林绿色生态屏障,在防风固沙、抵御海潮、台风等自然灾害方面发挥了重要作用,具有巨大的生态、经济和社会效益[2]。

由于木麻黄树种成熟期较早,30年左右就趋于衰老,现有的第一代木麻黄防护林大多已进入防护成熟末期[2],林木老化、枯死严重,防护功能衰退,而在风口地段由于受大风、流沙和严重干旱等恶劣生态条件的影响,导致基干林带前缺口、断带长期存在,飞沙不断侵蚀,沙化现象严重,降低了基干林带的防护功能[3];因此,风口地段的防沙治沙是目前沿海防护林体系建设的关键环节之一。

沙质海岸前沿裸露沙地治理主要运用人工辅助工程措施与植被恢复相结合,人工辅助工程主要有建设防波堤、风障等设施。防波堤建设成本高昂,周期较长,需要统一规划;而风障建设费用相对较低,可就地取材,周期较短。日本的许多研究表明风障兼具有降风和拦沙的功能,已将其作为治沙的重要手段[4-5],而国内风口造林出于成本考虑,没有采用而导致造林失败或成为低产、低效林分[6],且相关的试验研究少见报道;因此,笔者在沙质海岸前沿风口地段设置不同透风率风障,探讨风障前后的风速变化规律及堆沙特征来确定配置模式,选择不同草本植物在形成沙丘上的适生性表现和生物量分布等确定治理方式,为科学布局防沙治沙提供参考。

1 试验地概况

试验地设在福建省惠安赤湖国有防护林场,位于惠安县崇武半岛,靠近海岸线,地势比较平坦,土壤为风积沙土。地理位置为E 118°55′,N 24°35′。属于南亚热带海洋性季风气候,年平均气温20.7℃,最高气温36.6℃,最低气温3.6℃ ,年蒸发量2 056.7 mm,干湿季明显,干旱频度大,夏季多台风,年平均5.1次,年平均风速7.1 m/s,秋冬盛行东北风,7～8级大风时间超过100 d。

2 材料与方法

2.1 风障材料与设计方法

风障2012年9月底搭建,以2 m间隔立一木桩作为支柱,在2支柱间间隔一定宽度拉3条铁线,将木麻黄枝条用细铁线固定其上,高约1.7 m。设置15%、 30%、45%和60%4种透风率类型,通过多处实测风障后缘的风速与空旷处风速比值确定透风率,每种类型风障长度10 m,和海岸线平行,与风向垂直。

2.2 风速调查方法

2012 -10 -09 T 08:30—11:30和14:30—17: 30测定风速,因风障障后苗木高度约为40～50 cm,测风高度定为50 cm;每种类型各设置一条与风障垂直的测线,测风距离为风障障前-1H(H为风障高度,正、负号表示障后与障前,下同),风障处为0H,其后测到10H的距离,共计12个测点;使用13台小型手持式风速计,空旷处设置一台作为基准风速,其余12个测点同时观测,一次测1 min,重复3次,取平均值。相对风速用测点实测风速与基准风速比值计算,防风效能=1-各测点相对风速[7]。

2.3 堆沙调查方法

风障搭建好后,将每种类型风障平均5等分,取中间4个位置用标上刻度的插扦按1m间距和风障垂直前后设置4条测线,障前长度为5 m,障后长度为5 m,总长度10 m。从2012年10月—2013年3月每月月底调查各测点堆沙高度。

2.4 沙丘治理与调查方法

2013年5月中旬用海边常见的3种草本植物黄花月见草(Oenothera glazioviana)、厚藤(Ipomoea pes-caprae)和单叶蔓荆(Vitex trifolia),在不同透风类型沙障堆积的沙丘进行治理试验。厚藤和单叶蔓荆属藤本植物,采用枝条扦插;黄花月见草用移植的方法种植,长度约20 cm。每种植物分别在风障前后种植,面积2 m×2 m,株数55株,重复4次。6月开始每月月底对种植的草本进行成活率调查,并记录地表盖度。

2.5 数据统计分析方法

外业调查数据整理和作图使用Excel 2003软件,采用SPSS18.0进行方差分析和多重比较。

3 结果与分析

3.1 不同透风率风障相对风速变化

当天测量时的风速在4.2～5.9 m/s之间,风向与风障成直角。不同透风率风障前后相对风速变化见图1。从图1中曲线的变化趋势可以看出风障具有明显降低风速的效果。不同透风率风障最大防风效能时最低降风距离有所差别,透风率为15%和60%的风障在2H的位置,透风率30%和45%的风障为3H。透风率为15%的风障降低风速的效果最好,最大防风效能达到89.23%;透风率60%的风障降风效果较差,最大防风效能为59.47%;透风率30%和45%的风障最大防风效能分别为76.70%和71.53%。相对风速达到最低值后风速逐渐回升,随着距离的延长,其后风速恢复加快,10H距离相对风速表现为透风率15%＞透风率60%＞透风率45%＞透风率30%。风障设置的目的之一是保护其后种植的苗木免受强风的危害,试验地秋冬季常见7～8级大风,防护距离以降低风速50%风力等级[8]为微风后进行比较,透风率15%的风障防护距离在5H,透风率30%和45%的风障防护距离在6H,透风率60%的风障为4H。

图1 不同透风率风障前后相对风速变化Fig.1 Changes of relative wind velocity of different permeabilities before and after wind fence

3.2 不同透风率风障月堆沙变化规律

4种不同透风率风障6个月堆沙高度变化情况见表1。从总堆沙高度变化趋势可以看出:风障处每月的堆沙高度逐渐增加,透风率15%的风障堆沙高度最大,达到1.68 m,即风障全部被沙堆埋;透风率60%的风障总堆沙高度最小,不同透风率的风障之间堆沙高度差异显著。不同月份净堆沙高度以12月的堆沙量最大,说明该月大风起沙的时间多于其他月份,或者出现高等级风速大风的频率大。通过月份堆沙的累积增长率来看,不同透风率的风障10—12月都超过50%,堆沙过程主要发生在这3个月。

表1 不同透风率风障月堆沙高度变化Tab.1 Monthly changes of heaping sand height of different permeabilities of wind fence

3.3 不同透风率风障前后堆沙变化

4种不同透风率风障前后堆沙高度变化情况见图2,可以看出:在风障障前,堆沙高度总体趋势是随着距离接近风障逐渐升高,且表现为透风率15%＞透风率30%＞透风率45%＞透风率60%;障后透风率15%的风障在顶部形成一个平台后高度迅速下降,5 m处堆沙高度表现为透风率60%＞透风率45%＞透风率30%＞透风率15%。将图2各点与x轴垂直相交形成的堆沙纵断面积进行计算,数据见表2,透风率15%的风障无论前后堆沙纵断面积最大,说明堆沙量最多,面积总和为11.45 m2;透风率30%与45%的风障总面积相差不大,分别为7.78 m2和7.55 m2;透风率60%的风障堆沙总面积最小,为7.28 m2,且风障障后堆沙面积大于30%和45%的风障,大量飞沙穿过风障在背风面堆积,阻沙效果较差。

图2 不同透风率风障前后堆沙高度变化Fig.2 Changes of heaping sand height of different permeabilities before and after wind fence

3.4 风障前后堆积沙丘初步治理试验

堆沙风障形成的沙丘需要及时治理,以免形成新的沙源对后方防风风障内的苗木造成危害。黄花月见草、厚藤、单叶蔓荆均是海岸前沿常见连片分布的草本植物,通过研究它们的成活率、地表盖度等指标,探讨其在风口的配置方式来达到比较理想的固沙效果。根据每月调查风障前后3种草本植物成活率和盖度见表3和表4。

表3 风障障前3种草本植物月成活率和盖度Tab.3 Monthly survival rate and coverage of three kinds of herbaceous plant before wind fence %

表4 风障障后3种草本植物月份成活率和盖度Tab.4 Monthly survival rate and coverage of three kinds of herbaceous plant after wind fence %

由于透风率15%的风障几乎被沙掩埋,相当于裸露沙丘,因此将其数据并入风障障前沙丘治理进行统计分析。从表3可看出:厚藤4个月时间成活率均达到100%,9月已完全覆盖地表;黄花月见草成活率呈下降趋势,第3个月稳定扎根后地上部分才迅速分枝生长,但种植初期死亡率过高,至9月成活率仅为40.61%,导致群落不均匀分布;单叶蔓荆在同等条件下表现最差,9月只有32.12%的成活率,且盖度最低(21.67%),因不能覆盖地表,样地内大风引起的沟蚀、沙埋现象严重。风障障后沙丘厚藤仍能保持100%成活率;由于沙丘上残留的风障起到防护作用,黄花月见草和单叶蔓荆的成活率8月已稳定,与风障障前沙丘相比有较大提高,分别达到74.55%和63.64%,盖度提高近1倍。

4 结论与讨论

1)透风率为15%的风障最大防风效能最好,透风率30%和45%的风障接近,透风率60%的风障最差,透风率30%和45%的风障风速减半防护距离最大,透风率60%的风障最小。4种透风率类型的风障达到最大防风效能后随着距离的延长风速逐渐回升,防风效能递减,这与国内学者[9]针对防风网在同一高度的研究结果相符。

2)不同透风率的风障之间堆沙高度差异显著,表现为透风率15%＞透风率30%＞透风率45%＞透风率60%,透风率15%的风障前后堆沙量最多甚至被掩埋;透风率30%与45%的风障堆沙总面积相差不大,位于其次;透风率60%的风障堆沙总面积最小,阻沙效果较差。

3)厚藤具有良好的生存能力和蔓延速度,能迅速覆盖地表减少起沙的几率,并且样地覆盖面积扩大近1倍,是前沿裸露沙地固沙的先锋草本;黄花月见草和单叶蔓荆在风障迎风面成活率和地表盖度较低,应配置在风障背风面形成覆盖地表稳定的群落再观察其固沙效果。

风障是一种防风固沙效果很好的治沙措施[10],透风率15%的风障堆沙效果显著,建议将其作为堆沙风障设置为第1道防线,主要功能是堆沙和防止风障障后种植的苗木被埋而导致造林失败;透风率30%和45%这2种类型风障风速减半的防护距离最大并且相等,建议作为防风风障设置为第2道防线,主要功能是降低风速减少强风对苗木的侵害;透风率60%的风障由于堆沙能力较弱,防护距离较短不适宜采用。根据已有研究[11],堆沙风障应与主风向垂直搭建,根据试验结果风障障后5 m的堆积距离再加上1 m安全距离,6 m后搭建防风风障,中间形成堆沙带,同时考虑到风向的变化会导致起沙和风害方向不同,防风风障以方格的方式搭建。以1.7 m高的风障为例,透风率30%和45%的风障风速减半的防护距离为6H,因此,防风风障的长宽以10 m×10 m连片搭建,主风向第1排不开缺口,各方格内可开与主风向平行的缺口便于抚育作业。本试验是在平坦的沙地上实施,如果地形有一定的倾斜角度,日本田中一夫等[12]的研究大约10°的倾斜角则防风风障的长宽需要减半,建议今后将针对不同地形地貌进一步试验研究。同时,对于堆沙高度与距离而言,试验所采用的障前障后各5 m范围内的监测距离可能偏小,特别是障后的监测距离太小,今后应继续延长距离做进一步观测。

[1] 李宝福,叶功富.沙质海岸木麻黄防护林水肥耦合效应研究[J].中国生态农业学报,2008,16(2):351-358

[2] 林武星,叶功富,谭芳林,等.沙岸木麻黄防护林不同更新模式土壤结构分形特征及其效应[J].中国生态农业学报,2008,16(6):1352- 1357

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[4] Tsukamoto Y,Kosaka I,Uchiyama K,et al.Characteristics of sand distribution flying into the shaman coastal pine forest[J].Japanese Forestry Society,2001,83(1): 40- 46

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[6] 徐俊森.流沙海岸风口地段营建防护林的配套技术[J].浙江林学院学报,2005,22(2):139- 143

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(责任编辑:程 云)

Characteristics of heaping sand and initiative research on sand fixation with wind fence on coastal sandy land

Zhu Wei
(Fujian Academy of Forestry,350012,Fuzhou,China)

In order to provide scientific reference for desertification combating,it is necessary to study the configuration of wind fence and governance model of sand dunes on coastal sandy land and in the drought conditions.We designed four permeabilities of wind fence(including 15%,30%,45%and 60%)on sandy land in drought conditions,and investigated wind velocity variation and heaping sand characteristics in this study.Three kinds of sand-fixing herb,namely Oenothera glazioviana,Ipomoea pes-caprae and Vitex trifolia were selected to stabilize sand dunes.The results indicated that 15% permeability was best fit for setting as sand-heaping wind fence with the highest windproof efficiency reaching 89.23%and the protection distance halving wind speed of 5H(H means the height of wind fence).And windproof efficiencies of 30% and 45% permeabilities were 76.70% and 71.53%, respectively,and could be set up as reducing wind fence after sand-heaping wind fence,and their protection distance that halves wind speed was 6H.The windproof efficiency of 60%permeability was the lowest,59.47%,and was unsuitable to be set up as wind fence for its weak sand-arresting function and short protection distance.The sand dunes formed by sand-heaping wind fence should be stable over time, and Ipomoea pes-caprae is an optimum pioneer herbaceous plant for fixing sandy at frontier bare sandy land because of its strong survival ability and spreading speed in the southeast coastal areas of Fujian.

coastal sandy land;wind fence;characteristics of heaping sand;windproof efficiency

S728.6

A

1672-3007(2015)01-0054-05

2014- 04- 02

2014- 09- 29

项目名称:福建省科技厅公益类科研院所专项“海岸风口困难立地飞沙控制技术研究”(2011R1013- 7);国家林业局南方山地用材林重点实验室,福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室资助

朱炜(1971—),男,高级工程师。主要研究方向:森林生态与培育。E-mail:forestry@163.com