乌兰布和沙区典型灌木防风阻沙效益

张 奕， 肖辉杰†， 辛智鸣， 赵廷宁， 蒋方哲， 段媛君

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，015200，内蒙古磴口)

植被通过阻挡输沙、分解风力和覆盖地表等途径，起到防风阻沙作用[1-2]。其中决定植被防风性大小的因素包括：植被密度、覆盖度、高度、形状及排列方式等[3-4]。国内外学者研究[5-7]表明，植被覆盖可以有效抑制土壤风蚀。Wasson等[8]通过研究表明: 当植被覆盖率达到35%～40%时，土壤风蚀基本不发生。

由于在干旱、半干旱区域基本无法满足造林条件，所以对一些稀疏植被和单一灌丛防风阻沙效益研究显得尤为重要，Wolfe等[9]对单一植株防风阻沙效应研究表明：单个粗糙元素，如孤立的树木或灌木，会影响风流模式。Judd等[10]在风洞中使用激光多普勒风速测量法研究了单个树木的尾迹，他们发现，孔隙度以及树冠和树干的高度和宽度决定了尾迹区的范围。Wasson等[8]的研究表明在植株周围和植株间风沙流会产生5个新区：植物后部微风区、下风向尾流区、植物间受影响区、植被覆盖区、和两侧加速区。Leenders等[11]研究了非洲撒哈拉西部灌丛植物对风速和沙物质沉积的影响，发现在灌丛后方近7倍灌丛高度范围内风速明显降低，表现为积沙; 灌丛2侧风速增加，表现为风蚀。阿依努尔·艾尼等[12]对胡杨、多枝柽柳、铃铛刺和黑刺4种天然荒漠植物周围进行了风速以及输沙量的观测，对比研究其防风阻沙效益大小。有研究[13]对单株植株阻沙能力进行了总结分析，得出其阻沙能力受冠层形态、茎枝的柔韧性、叶面积以及由此导致的地上生物量分配模式等因素影响较大。

目前，对于单一植被要素防风阻沙作用，主要集中在植株对风速和输沙量影响研究上，对于单株植被形态对气流、沙物质运移以及地表蚀积特征影响的研究较少；因此，本研究选取乌兰布和沙区周围典型4种灌木单株：白刺(Nitrariatangutorum)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、杨柴(Hedysarummongolicum)和梭梭(Haloxylonammodendron)，探求植株形态对其周围风速流场、输沙率以及地表微地貌的影响，进而选择最优防风阻沙植物种。

1 研究区概况

本研究在中国林科院沙漠林业实验中心进行。该中心地处乌兰布和沙漠东北部，E 106°35′～106°59′，N 40°17′～40°29′,位于我国内蒙古磴口县境内，是我国西北地区荒漠与半荒漠的过渡地带，属于亚洲中部温带气候区，年均降水量50～148 mm，蒸发量2 350～3 840 mm，光热资源丰富且昼夜温差大，日照3 000 h以上，≥10 ℃积温3 300 ℃，全年无霜期168 d。

植株样品采集区位于乌兰布和沙漠东北部，属于草原化荒漠地带，其中荒漠植被在该区占主导地位，由于该地区气候干旱，降水稀少、植被覆盖度低，小灌木旱生灌木占优势[14]。其中灌木类植物有白刺、柠条(CaraganaKorshinskii)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、沙冬青(Hedysarumscoparium)等。半灌木植物代表种有油蒿(Artemisiaordosica)、白沙篙(Artemisiablepharolepis)、杨柴、沙拐枣等。人工植被主要有旱柳(Salixmatsudana)、梭梭、花棒(Hedysarumscoparium)等。

2 研究方法

本研究风洞为直流开口吹气式风洞，宽和高均为2 m，实验段30 m，安装长度21 m，由入口段、整流段、导流段、动力段、实验段及过渡段等组成。风洞通过变频器调节风速，设计最大风速为18 m/s。本实验最大设计风速为10 m/s[15]。

2.1 灌木的选择与调查方法

本研究选择当地具有代表性的4种沙旱生灌木，分别是：天然植物白刺，人工植物沙拐枣、杨柴和梭梭。在磴口县西部沙林中心林场植物分布均匀地带设置3个样方,样方大小为100 m×100 m。在样方内筛选3～4年生的同龄单株灌木，逐个测定4种植株的高度、冠幅、枝下高度、一级分枝数、二级分枝数、开花和结实情况等, 并将具有代表性的植株取回试验地，精确测其形态指标；通过水平投影法计算疏透度大小[16]，并计算分层侧影面积[17]；进而进行风洞实验。植物的形态指标和分层侧影面积分别如表1和表2所示。

表1 单株灌木形态指标

表2 单株灌木的分层侧影面积

2.2 防风作用测定

将采集的灌木单株的根部用空心铁管固定，垂直插入风洞实验区的中轴线，铁管埋到风洞水平面以下，并稳固。设定不同实验风速6、8和10 m/s，用皮托管测定不同风速条件下植物单株的流场分布，并分析其防风原理。水平测点均分布在中轴线上，在植株的前侧2H(H指树高)和1H布设2个测点，背风面1H、2H、3H和5H 4个测点，水平方向共6个测点。每个水平测点在垂直方向包括5、10、20、40、60、80、100和120 cm共8个测点。实验风速采集2 s为1个周期，共采集60 s，取60 s内采集数据的平均值为测定的风速值。

2.3 阻沙效应测定

采用阶梯式积沙仪测定不同高度层的输沙量。在灌木单株背风面1H处布设一个1 m高的阶梯式积沙仪，共50层，每层入口截面2 cm×2 cm。在试验段布置厚度为5 cm的沙床，确保沙源充足，试验沙样经70目筛网过滤。分别在6、8和10 m/s风速下进行吹蚀试验，每种灌木单株分别在设定风速下吹蚀2 min，每次吹完测定积沙仪内各个高度层的积沙量，并计算输沙率。并设置空白对照，对比分析各灌木单株的阻沙效应。

2.4 地表蚀积状况观测

在风洞实验段铺设厚5 cm的沙床，人为平整沙面，在吹蚀试验前，将三维激光扫描仪固定在植株所在位置，将其操作参数设定测定范围为1 m2，20 mm级进行原始微地貌扫描，测定完成后，在不破坏沙面的前提下，移出三维激光扫描仪，将植株固定在扫描区域的中心位置,实验风速设置为8 m/s，持续吹沙10 min。再将三维激光扫描仪放入吹蚀试验前的位置，测定植株周围的蚀积形态。

3 结果与分析

3.1 单株灌木对风速的影响

分别在6、8和10 m/s风速条件下，绘制各植株的风速流场图1、图2和图3。从图中可以看出，在不同的风速条件下，不同的灌木单株在迎风面2H～1H处形成一个阻滞减速区，其原因是植株外侧枝条和叶片分散并贴近地表，加快了风能的损耗。当风沙流越过植物，在涡旋作用下风速急剧下降，植株背风面形成低速静风区，风速在植株后1H达到最小值，此后随着距离的变大，风速也逐渐增加，直至恢复为标准风速[18]。通过观察图2和图3可知：除白刺之外，其他3种植株在背风面0～1H近地表处均出现气流加速区，这与枝下高度有很大关系，梭梭、杨柴和沙拐枣的枝下高度分别是8、10和12 cm，当风沙流通过时，植株枝下及枝系间形成的空间流场产生“狭管效应”[18]，使得周围风速迅速增大。

黑线表示植株所在位置，箭头表示风向，下同。The black line indicates the position of the plant，the arrows indicate wind direction. Unit H of horizontal distance refers to the height of the plant. The same below.图1 6 m/s风速条件下单株灌木流场纵剖图Fig.1 Profile of flow field of an individual shrub at 6 m/s wind speed

从图1、图2和图3中还可以发现，白刺的垂直防护高度在近地表效果最佳，即0～30 cm处，而梭梭和杨柴在垂直高度30～60 cm防风效果最佳，沙拐枣则是在60 cm以上防风作用显著，这主要取决于植物的形态，白刺形态低矮，冠形呈坛形，在10～30 cm处侧影面积可达2 244.56 cm2；梭梭和杨柴冠形上有相似之处，呈梭形，在30～60 cm侧影面积最大，分别是3 058.68和1 728.85 cm2；而沙拐枣冠形呈扫帚型，所以在60～100 cm时侧影面积最大，为2 371.41 cm2。

图2 8 m/s风速条件下单株灌木流场纵剖图Fig.2 Profile of flow field of an individual shrub at 8 m/s wind speed

图3 10 m/s风速条件下单株灌木流场纵剖图Fig.3 Profile of flow field of an individual shrub at 10 m/s wind speed

风沙运动是一种贴近地表的气流对沙粒搬运的现象[19]，为进一步剖析单株灌木的防风效应，应分析其对近地表水平风速作用的变化规律。在3组风速条件下，测定各点8个高度的垂直风速，取平均值，发现植株各测点都对平均风速的降幅影响显著，如表3所示。在不同风速条件下，不同植株在相同测点对应的平均风速降幅趋势较为一致，但是在不同测点上呈现出一定差异。4种灌木单株平均风速的最大降幅区均在植株后1H处，且随风速增大，降幅不同程度减小。白刺在不同风速下植株前1H处、植株后1H、2H处均为主要风速降低区，且随着风速增大，其平均降幅下降程度最小；沙拐枣在6 m/s时，平均降幅可达25.54%，但当风速增大到10 m/s，平均降幅降为18.32%，变化程度较大；杨柴的平均降幅变化程度最大，随着风速增大，植株后3H和5H处的降幅较其他植株下降明显，特别是风速达到10 m/s时，植株后5H处降幅仅为3.67%，基本失去防护效能；梭梭主要降幅区在植株后1H和2H处，随风速增大，平均降幅由25.82%逐渐降低到20.32%，平均降幅的下降程度仅次于白刺，表现出良好的防风效益。通过对4种灌木单株水平方向风速降幅的分析可知白刺和梭梭的防风性能要优于其他2种灌木。

3.2 单株灌木的阻沙效益

灌木植株可以阻挡和拦截风沙流携带的物质，使其沉降积累[20-21]。由图4所示，随着风速的增大，4种灌木单株后的输沙率均显著增加。在6 m/s时，各灌木单株后输沙率(g/(cm2·min))的大小为杨柴(0.328)>梭梭(0.318)>沙拐枣(0.315)>白刺(0.232)；在8 m/s时，输沙率大小为杨柴(0.839)>沙拐枣(0.760)>梭梭(0.747)>白刺(0.517)；当风速到达10 m/s，植株后输沙率大小与8 m/s时的排序一致。比较相同风速下不同灌木单株输沙率的差异性，可以看出：4种植株后的输沙率与裸沙对比均有显著性差异(P<0.05)。在6 m/s和8 m/s的风速条件下，沙拐枣、杨柴和梭梭之间无显著性差异(P>0.05)，白刺与其他植株对比差异显著(P<0.05)；而风速达到10 m/s时，沙拐枣与梭梭无显著性差异(P>0.05)，白刺和杨柴差异显著(P<0.05)。

分析图5可知，随着高度层的增加，各植株后的输沙率逐渐减小，这与沙粒运移特征和风沙流结构特点有关[22-23]。各植株后集沙量主要集中在0～30 cm高度内,其中0～10 cm占比均超过92%；且不同灌木单株后各个高度层的输沙率均小于裸沙,说明都起到了不同程度的阻沙作用，白刺作用最为显著。

相对于裸沙，各灌木单株阻沙效益的程度可以通过输沙率的变化体现出来。由图6可知，随着风速的增大，不同的灌木单株的阻沙效益有所不同。白刺在不同风速条件下阻沙效益表现平稳，无显著性差异(P>0.05)，均为55.00%～60.00%。随着风速的增大，沙拐枣的阻沙效益呈现逐渐递减的趋势，差异显著(P<0.05)，梭梭在不同风速下的阻沙效益表现为小幅度下降趋势，杨柴的阻沙效益明显低于其他植物种，且随着风速增大，降幅明显，有显著性差异(P<0.05)。这与各植株后风速变化趋势一致, 符合风速越大，输沙率越大的规律。由此可见，各灌木单株的阻沙效果为白刺>梭梭>沙拐枣>杨柴。

表3 单株灌木不同位置对水平风速的降幅大小

不同大写字母表示不同风速条件下输沙率的差异性(P<0.05)；不同小写字母表示不同灌木单株输沙率的差异性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate under different wind speeds (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among individual shrubs(P<0.05). 图4 不同风速条件下单株灌木输沙率变化Fig.4 Variation of sediment transport rate of an individual shrub under different wind speed

不同大写字母表示不同高度层输沙率的差异性(P<0.05)；不同小写字母表示不同灌木单株输沙率的差异性(P<0.05)。Different capital letters indicate the difference of sediment transport rate at different heights (P<0.05). Different lowercase letters indicate the difference of sediment transport rate among different individual shrubs (P<0.05).图5 8 m/s条件下单株灌木不同高度层输沙率变化Fig.5 Variation of sediment transport rate of an individual shrub at different heights at 8 m/s

3.3 单株灌木对地表蚀积状况的影响

单株灌木吹蚀前后地表形态如图7所示，在吹蚀前地表为人为整平的沙面。通过地表形态变化，可知4种植株前沙粒堆积明显，说明灌木可以对沙物质运移起到拦截作用，促进沙子堆积。除了白刺之外，其他植株在其后方0～0.5H区域均发生一定程度的侵蚀；并且杨柴后方的侵蚀程度最为明显，分析是由于枝下高度较高和疏透度较大共同引起的；而白刺枝系贴近地表，垂直高度0～30 cm侧影面积达到2 663.75 cm2，可以迫使风速降低，导致风中夹带的沙物质沉积，促进沙粒在植株的背风面堆积。

箭头表示风向。The arrows indicate wind direction.图7 不同单株灌木周边吹蚀前后地表蚀积形态图Fig.7 Surface erosion morphology before and after erosion around different individual shrubs

由表4可知，在植株周围1m2的区域内，4种植株对地表形态的影响有显著性差异，其中均值大小关系为白刺>梭梭>沙拐枣>杨柴，杨柴周围所测定范围内的沙粒蚀积状态为侵蚀，而其他植株都有不同程度的堆积。分析植株周围的地表变化程度，可以将所测范围的变异性系数进行对比研究，白刺和梭梭周围的变异性系数较大，说明白刺和梭梭被吹蚀后地表形态的变化程度更大，而沙拐枣和杨柴则相反。这与其周围的风速有很大的关系，低速区沙粒堆积作用比较明显。

4 结论与讨论

在不同风速条件下灌木单株周围的风速流场可以分为4个区域：植株前方气流减速区，植株上方气流加速区、植株下方气流扰动区和植株后方弱风速区。白刺形状低矮，近地表侧影面积大，因此可以有效降低风速，在植株后1H处垂直高度20 cm平均降幅可达35.24%；梭梭具有一定的枝下高度，底部0～10 cm内形成涡旋加速区，容易引起根部附近侵蚀，不过由于高大的冠层形态和较小的疏透度使其具有较好的防风效果；而沙拐枣在背风面垂直高度60 cm以上表现出一定的防风性能，是由于沙拐枣扫帚型的冠层形态所致[24]，杨柴枝条密度小，疏透度大，总体防风效果最差[18]。

表4 植株周围蚀积形态变化统计性分析

从阻沙效益上表明：白刺的阻沙效益最好，平均阻沙率可达56.03%，梭梭的平均阻沙率次之，为40.06%；沙拐枣的阻沙率为38.50%，杨柴最差，为31.10%。风沙流大多集中于0～10 cm高度内，白刺低矮多枝的形态更有利于阻沙。

就植株对地表微地貌影响，本次实验重点研究了单一植被要素对沙粒蚀积特征的影响，发现不同植株对周围地表蚀积状况影响的程度不同，与谭凤翥等[25]的研究结果类似。白刺周围都是积沙区，而梭梭，沙拐枣，杨柴在植株前为沙粒堆积区，两侧和后部为风蚀区，且地表的风蚀程度与植株的枝下高度显著相关。由于扫描面积的限制，植株后的尾流积沙区并没有展现。

5 建议

单株灌木防风功能排序为白刺>梭梭>沙拐枣>杨柴，阻沙效益排序为白刺>梭梭>沙拐枣>杨柴，梭梭与沙拐枣较为接近；单株灌木对地表的蚀积程度，在植株的前侧都有明显的积沙，在植株后风蚀程度杨柴>沙拐枣>梭梭>白刺。如果只选择防风灌木种，则应选白刺，其次可选梭梭；侧重点是固沙，则应选白刺；二者兼顾，则应选白刺。

对于土壤风蚀防治的探究中，不仅要考虑单一植株和灌丛,还要注重灌木林带的群体防护机制。单株灌木由于较大的枝下高度，产生“狭管效应”，从而加速土壤侵蚀，因此在今后的植被建设中,要进行合理配置, 防止“狭管效应”的发生，使其发挥更好的防风阻沙效果。