乌兰布和沙漠东北部麦草沙障防风固沙效果研究

2020-10-20肖巍乔保军范海朋

农业与技术 2020年14期

肖巍　乔保军　范海朋

摘要：机械沙障是主要的固沙措施，也是生物治沙的前提。以乌兰布和沙漠东北部流动沙丘为研究对象，在沙丘迎风坡布设了3种不同规格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麦草沙障，并测定了麦草沙障铺设前、后沙丘不同部位不同高度处的风速、输沙量。结果表明：流动沙丘铺设麦草沙障后，地表粗糙度显著增加;3种不同规格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麦草沙障对沙丘地表粗糙度改变程度不同，障格越小粗糙度改变越明显;综合考虑固沙效果和铺设成本，建议研究区应以1.5m×1.5m的麦草障格为宜;与裸沙丘相比，铺设麦草沙障后相对输沙量在0～4cm层减少，特别是0～2cm层更为显著，在4～30cm层内增多。

关键词：风速;粗糙度;输沙量;风沙流结构;麦草沙障;乌兰布和沙漠

中图分类号：S152.3

文献标识码：A

作者简介：肖巍（1987-），男，工程师。研究方向：生态环境保护和环境影响评价。

我国是世界上受荒漠化影响较大的国家之一，政府历来非常重视荒漠化防治。自20世纪50年代末，我国即开始开展防沙治沙工作，经过近70a的研究，创造了很多世界领先的荒漠化防治技术与模式，也涌现出一批治沙英雄。如宁夏中卫沙坡头包兰铁路“五位一体”防沙固沙模式、塔克拉玛干沙漠穿沙公路防沙治沙技术体系、内蒙古库布其模式、甘肃古浪县八步沙、宁夏白芨滩、山西右玉等。尽管我国的防沙治沙工作已经取得很大的成效，大面积沙化土地被绿化，如塞罕坝林场、陕西榆林毛乌素沙地全面增绿等。但是，在一些自然环境条件比较恶劣的沙区，防沙治沙难度较大，风蚀沙埋对国家大型工程、百姓生产生活仍然影响很大，如交通线路被沙埋、输油管道被吹蚀、风沙入黄等。对于这些自然条件严酷之地，生物措施很难实施、甚至无法实施，因此需通过布设非生物固沙措施来实现防沙固沙。其中，机械沙障是最主要的非生物防沙治沙措施，也是植物治沙的前提和必要条件[1-4]。机械沙障通过改变沙丘下垫面性质，增加地表粗糙程度来降低风速，减弱风蚀，达到防风固沙的效果[5-9]。前人对机械沙障的防风固沙机理、效果等方面开展了大量研究，而且机械沙障的材料目前也是形式多样、结构功能各不相同。如麦草、粘土、砾石、沙柳、土工布、尼龙网、聚乙烯（PE）沙网沙障、聚乳酸纤维（PLA）沙障、防沙栅栏等[5-17]。机械沙障在设置时，考虑防护效果的同时，还要考虑就地取材、价格低廉、施工方便等因素。

地处内蒙古自治区西部的乌兰布和沙漠是中国8大沙漠之一，行政区划隶属于阿拉善盟、巴彦淖尔市、乌海市。众多研究表明，乌兰布和沙漠是单位长度内使黄河含沙量增幅最大的地区之一，目前流动沙丘直入黄河的长度已增至41.5km，总入黄沙量达0.60亿m3·a-1，占黄河输沙量的4.4%[18]。早在20世纪50年代，乌兰布和沙漠周边群众就已开始在乌兰布和沙漠造林治沙，并在沙漠东北边缘营造了长176km、宽300～500m的我国第1条大型防沙林带，有效地阻止了风沙侵入河套绿洲。由于河套平原地区大面积种植春小麦，麦秆为当地设置沙障提供了大量的原材料。截至目前，麦草沙障依然是当地铺设机械沙障的首选材料。然而，尽管麦草沙障在乌兰布和沙漠的防沙治沙当中起到了至关重要的作用，但目前对其防风固沙效果的研究却相对较少，没有量化其防风固沙效果。基于此，本研究选择乌兰布和沙漠东北缘风沙活动较为强烈的刘拐沙头为研究区，在流动沙丘不同部位迎风坡铺设了3种不同规格（1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m）的麦草沙障，并测定沙障铺设前后不同位置的风速和输沙量，计算分析了不同规格麦草沙障的粗糙度、风沙流结构等，以期为该区域今后麦草沙障的进一步研究和推广应用提供理论依据。

1研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠东北缘、黄河西岸的刘拐沙头，风沙活动强烈，流动沙丘与黄河直接接触的地方。此处属于内蒙古阿拉善左旗和磴口县交界地带，行政区划隶属于内蒙古阿拉善左旗。试验点距离磴口县城30km。据“内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站”多年的气象资料显示，乌兰布和沙漠东北部区域的年均降水量140.3mm，年均蒸发量2380.6mm，年均气温7.8℃，年均日照时数3181h，年均风速3～3.7m·s-1，3—5月风速最大，平均达4.8m·s-1，最大瞬时风速24m·s-1，年均大风日数12.5d。土壤以风沙土为主，天然植物以沙旱生为主，如梭梭（Haloxylon ammodendron）、白刺（Nitraria tangutorum）、油蒿（Artemisia ordosica）、沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）、霸王（Sarcozygium xanthoxylon）、沙米（Agriophyllum squrrosum）、沙鞭（Psammochloa villosa）、蓼子朴（Inula salsoloides）等[19]。

2研究方法

2.1試验材料

本研究选择春小麦秸秆为试验材料。在同一沙丘的迎风坡布设了3种不同规格（1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m）的麦草沙障。

2.2风速测定

使用HOBO小型气象站分别测定迎风坡底、迎风坡中、丘顶3个点的风速。风杯距地表分别为10cm、20cm、30cm、50cm、100cm、200cm。

2.3输沙量测定

用阶梯式集沙仪同步测定各测点的输沙量，积沙仪高30cm，分15层，每层高2cm，宽2cm。观测结束后，将积沙仪收集的沙物质装入密封袋带回实验室，用电子天平（精度为1/1000）称重。

2.4粗糙度计算

2.5数据处理

用Excel 2010软件处理数据和绘图，用SAS 9.0软件数理统计分析。

3结果与分析

3.1麦草沙障铺设前后不同坡位的地表粗糙度

地表粗糙度（Z0）是反映机械沙障固沙效益的重要指标之一，地表粗糙度越大，表明机械沙障对气流的阻力越大，防风固沙的效果越好[3]。从图2中可以看出，铺设麦草沙障后，沙丘不同坡位的粗糙度均显著增大（P<0.01），且迎风坡坡底粗糙度最大，可能是受到迎风坡前丘间低地的天然植被的影响所导致，铺设沙障后各坡位各点粗糙度都较裸沙丘大，其中坡顶最明显。裸沙丘铺设麦草沙障后，从迎风坡坡底到丘顶，粗糙度均显著增加（P<0.01），迎风坡坡底、坡中和丘顶的粗糙度分别是裸沙丘的13.96、17.33和41.75倍。因此，认为麦草沙障能明显增加沙丘地表粗糙度，有效提高地表抗风蚀的能力，防风固沙效果明显。

3.2不同规格的麦草沙障对地表粗糙度的影响

从图3可以看出，3种不同规格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麦草沙障障格内地表粗糙度均显著高于裸沙丘（P<0.01），其中，1m×1m障格内地表粗糙度最大，为2.02±0.40cm;1.5m×1.5m障格次之，为1.66±0.24cm;3m×3m较小，为0.48±0.03cm;裸沙丘地表粗糙度最小，仅为0.12±0.01cm。1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m障格内的地表粗糙度分别是裸沙丘的16.35、13.46、3.92倍。由此可以看出，不同规格的麦草沙障均可以显著提高地表粗糙度，且障格越小效果越显著。从3种不同规格障格提高粗糙度的效果来看，1m×1m和1.5m×1.5m效果差距不是很大，综合考虑机械沙障的原材料价格、施工工人费用等方面，建议该区域选择铺设障格大小为1.5m×1.5m的麦草沙障。

3.3裸沙丘与设障后沙丘不同部位的风沙流结构

从表1可以发现，设置麦草沙障后，下层0～4cm范围内的相对输沙量表现为沙丘迎风坡坡底明显小于沙丘迎风坡中部和丘顶。特别是0～2cm层更为显著，沙丘迎风坡下部为30.5%，迎风坡中部为11.4%，坡顶为12.5%，说明麦草沙障使得沙丘上、中、下等部位近地表风沙流结构发生变化，其原因主要是过境风沙流在沙丘迎风坡底部遇到麦草沙障时，近地表层的风速被降低，风沙流中的沙物质开始下沉，随着物质的不断沉积，风沙流中的含沙量不断减少，从沙丘迎风坡底部往上风沙流变得不饱和，开始具备风蚀能力。但是，由于沙障的作用，地表沙物质被固定，切断了沙物质来源，使风沙流无法获得更多的沙物质，因此出现上述结果。

4结论

流动沙丘铺设麦草沙障后，沙丘地表粗糙度增加，3种不同规格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麦草沙障对地表粗糙度改变程度不同，规格越小粗糙度改变越明显。综合考虑防风固沙效果和铺设成本，研究区应以障格1.5m×1.5m的麦草沙障为宜。

流动沙丘铺设麦草沙障后，沙丘迎风坡上、中、下3個部位近地表风沙流结构发生了变化，沙丘相对含沙量下部大于中部与上部;与裸沙丘相比，设障后相对输沙量在0～4cm层减少，特别是0～2cm层更为显著，在4～30cm层内增多。

参考文献

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