烏蘭布和沙漠東北緣人工梭梭林防風效能分析

李 鵬, 高 永, 趙 青, 韓彥隆, 丁延龍, 黨曉宏

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特010018; 2.內蒙古農業大學 草原與資源環境學院, 內蒙古 呼和浩特010018)

烏蘭布和沙漠東北緣人工梭梭林防風效能分析

李 鵬1, 高 永1, 趙 青2, 韓彥隆1, 丁延龍1, 黨曉宏1

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特010018; 2.內蒙古農業大學 草原與資源環境學院, 內蒙古 呼和浩特010018)

[目的] 測定烏蘭布和沙漠東北緣不同林齡各坡位的風速，揭示梭梭林防風效能隨林齡的變化規律以及與梭梭空間構型的關系。[方法] 以烏蘭布和沙漠東北緣種植3，5和8 a的人工梭梭林為研究對象，通過測定林內及CK不同坡位距地表10，20，50，100，200 cm高度處風速，對比不同年限梭梭林的防風效能。[結果] 隨著林齡的增加，梭梭林對近地表風速減弱作用增強；同一坡位下，3 a梭梭林防風效能主要作用在0—100 cm高度內，防風效能為48.19%，100—200 cm高度內風速迅速恢復。5，8 a梭梭林對0—200 cm高度范圍均有很好的防護作用，防風效能分別為69.72%，71.93%，二者間減弱效果差異不明顯。相關分析顯示梭梭林空間構型與防風效能顯著相關，梭梭蓋度、高度、冠幅與防風效能的相關性分別達到0.935，0.930，0.942。[結論] 3 a梭梭林迎風坡底、背風坡的防風效能優于迎風坡中、迎風坡頂，5，8 a梭梭林與之相反。

防風效能; 地表粗糙度; 風速廓線; 人工梭梭林; 烏蘭布和沙漠

梭梭(Haloxylonammodendron)作為中國西北干旱荒漠區重要的防風固沙植物種，具有抗旱性強，耐風蝕沙埋，耐貧瘠等特點[1-2]，以梭梭屬為優勢種的荒漠植被在維護區域生態平衡和促進國民經濟發展中扮演著重要角色，對防風固沙、保護生態系統具有重要意義[3-4]。近年來，很多學者對梭梭林的防風固沙效益、生態改良效益等方面進行了諸多研究，主要集中于林帶的防風固沙效益、臨界密度、林帶前后的風速變化等方面[5-7]。梭梭會極大程度地改變近地表風速廓線的變化特征，并整體抬高零風速平面的位移高度，影響不同高度層的風速變化[8]。隨著風沙動力學研究成果的應用，如何完善梭梭林防護體系，達到區域防護林的高效和穩定成為了當前研究的熱點問題[9-10]。

梭梭在西北沙漠地區沙漠治理方面得到了廣泛應用[11]，但是針對在沙丘上直接營建梭梭后沙丘整體風速變化、風速在垂直方向的變化情況、防風效能等方面研究較少。本文擬通過對烏蘭布和沙漠東北緣不同林齡各坡位的風速進行測定，以不同林齡、不同坡位的梭梭林的防風效能、地表粗糙度及風速廓線為指標，揭示梭梭林防風效能隨林齡的變化規律以及與梭梭空間構型的關系。旨在為干旱荒漠區防治風蝕、生態修復、科學合理保護梭梭荒漠植被及合理發展沙產業提供科學的依據。

1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠水利部牧區水利科學研究所二十里柳子觀測站內(40°14′12″N， 106°50′25″E)，地處烏蘭布和沙漠與河套平原的結合部，該區屬中溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱，干旱少雨，光熱充足，全年大部分時間受西風環流控制，風沙頻繁，地表風蝕強烈，年均風速2.8 m/s，春季風速最大，平均在4.8 m/s以上。研究區內植被主要為梭梭、沙蒿(Artemisiadesertorum)、白刺(Nitrariatangutorum)、蘆葦〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.〕等[12]。

本文所選取的4座沙丘形態相似，沙丘坡度在18°～22°，沙丘高度在8～10 m，包括裸沙丘(No.1)、3 a(2012年)人工梭梭林沙丘(No.2)、5 a(2010年)人工梭梭林沙丘(No.3)和8 a(2007年)人工梭梭林沙丘(No.4)。不同林齡人工梭梭林種植規格均為2 m×2 m，種植梭梭前均為流動沙丘。3，5，8 a梭梭林的蓋度分別為36%，50%，58%，植被的冠幅平均值分別為107，180，202 cm，株高平均值分別為139.3，237.6，277.3 cm。

2 材料與方法

于2015年4月25日，在所選樣地內調查梭梭高度、冠幅、蓋度，并使用HOBO小型移動氣象站對所選樣地進行風速觀測，在不同沙丘樣地迎風坡頂部、迎風坡坡中、迎風坡坡底以及背風坡4個坡位架設HOBO小型移動氣象站，研究不同年限梭梭林及對照區的防風效能、地表粗糙度及風速廓線特征，分析影響梭梭林防護效益的主要因子。

2.1 風速的測定

于2015年4月25日上午8∶00—11∶00，對3，5，8 a及對照沙丘上迎風坡坡底、迎風坡坡中、迎風坡頂部以及背風坡4個坡位架設HOBO小型移動氣象站，風杯安置5個高度，分別為距地表10，30，50，100和200 cm，對3，5，8 a及對照沙丘的風速風向進行同步測定(圖1)。每個坡位測定時間為20 min，采樣間隔2 s。

圖1 沙丘橫斷面上儀器架設情況示意圖

2.2防風效能的計算

防風效能的計算公式為：

Eh=(Uh0-Uh)/Uh×100%

(1)

式中：Eh——高度h處的防風效能(%)；Uh0——對應沙丘高度h0處的平均風速(m/s)；Uh——梭梭林內高度h處的平均風速(m/s)。

2.3 地表粗糙度的計算

以距地表10和200 cm處測得的多組重復風速數據進行平均，計算粗糙度。地表粗糙度的計算公式為：

(2)

式中：Z0——地表平均粗糙度(cm)；u1——高度Z1處風速(m/s)；u2——高度Z2處風速(m/s)；其中A=u1/u2，Z1=10 cm，Z2=200 cm

2.4 風速廓線的分析

多年的試驗研究證明，近地表自然風速在垂直方向上的分布特征——風速廓線符合對數規律或冪指數規律。用普朗特—馮·卡門對數分布律描述風速廓線方程為[13-14]：

(3)

式中：u——高度Z處的平均風速(m/s);Z——風速廓線上某點距地面垂直高度(m)；u*——摩阻流速/摩擦速度(m/s)；Z0——空氣動力學粗糙度(m)；K——馮卡門常數，數值為0.4。

2.5 數據統計和分析

植被調查數據和風速數據使用Microsoft Office Excel 2016進行統計，并計算防風效能及地表粗糙度，使用SAS 8.0對防風效能、地表粗糙度數據進行方差分析，并對植被數據和防風效能數據進行相關分析，使用Origin 9.0作圖。

3 結果與分析

3.1 梭梭林防風效能分析

3.1.1 相同坡位不同林齡防風效能 由圖2可以看出，梭梭林內各坡位均顯示出隨林齡的增長，梭梭林防風效能逐漸提高，3，5，8 a梭梭林防風效能分別達到了41.20%，69.72%，71.93%。5 a梭梭林比3 a梭梭林防風效能提升了69.22%，8 a梭梭林比5 a梭梭林防風效能提升了3.23%，5 a以上梭梭林整體防風效能基本不變。隨空間高度的增加，梭梭林各坡位防風效能均逐漸降低，3 a梭梭林在距地表100 cm高度范圍內，防風效能逐漸降低，100 cm高度以上，防風效能降低幅度變大，防風作用主要集中在0—100 cm高度內，防風效能為48.19%。5和8 a梭梭林防風效能規律基本相似，在距地表100 cm高度范圍內，防風效能隨高度的增加而逐漸降低，在100 cm高度以上，防風效能基本不變或有所增強，并無繼續下降趨勢。

圖2 相同坡位不同林齡防風效能對比

3.1.2 相同林齡不同坡位防風效能 由圖3可以看出，相同年限各坡位的梭梭林防風效能不同。其中3 a梭梭林防風效能：背風坡(47.01%)>迎風坡底(44.92%)>迎風坡中(41.54%)>迎風坡頂(39.31%)，5 a梭梭林防風效能：迎風坡中(73.86%)>迎風坡頂(70.14%)>背風坡(68.43%)>迎風坡底(66.43%)，8 a梭梭林防風效能：迎風坡中(76.03%)>迎風坡頂(71.90%)>背風坡(70.61%)>迎風坡底(69.17%)，3 a梭梭林對迎風坡底、背風坡防護效果優于迎風坡中、迎風坡頂，5，8 a梭梭林與之相反；5，8 a迎風坡中部和頂部防風效能明顯增強，高于迎風坡底部和背風坡。

3 a梭梭林防風效能最大部位出現在背風坡10 cm高度處，5和8 a梭梭林防風效能最大值出現在迎風坡中部10 cm高度處。3種年限的梭梭林防風效能最大值出現在8 a梭梭林迎風坡中部10 cm高度處，達到84.96%，最小值出現在3 a梭梭林迎風坡頂部200 cm高度處，為22.02%，兩者相差3.86倍，8 a梭梭林整體防風效能約為3 a梭梭林防風效能的2倍。

圖3 相同林齡不同坡位防風效能對比

3.1.3 梭梭林防風效能與植被因素相關性 由表1可以看出，梭梭的蓋度，株高，冠幅與防風效能均極顯著相關，梭梭林的蓋度、株高、冠幅與防風效能的相關系數分別為0.935，0.930，0.942。說明植被高度、冠幅、蓋度的增加可以提高梭梭林防風效能，梭梭植株的高度、冠幅、蓋度是影響梭梭林防風效益的根本原因。

表1 梭梭林防風效能與植被相關性

注：**表示差異極顯著(p<0.01)。

3.2 梭梭林對地表粗糙度的影響

地表粗糙度是重要的空氣動力學參數，用來描述不同下墊面對近地面層氣流的不同阻礙作用，它是衡量沙區防沙治沙效益的最重要指標之一[15]。本試驗以距地表10和200 cm高度處的平均風速值對不同林齡的不同坡位沙丘地表粗糙度進行計算，并以裸沙丘為對照進行對比分析。

從表2中可以看出，營建梭梭林后沙丘地表粗糙度較裸沙丘有較明顯的增大，且隨著營建植被時間的增加地表粗糙度隨之增大，3 a梭梭林地表粗糙度平均值為1.42 cm，生長5 a梭梭林地表粗糙度平均值為3.00 cm，8 a梭梭林地表粗糙度平均值為3.22 cm，地表粗糙度最大值出現在生長8 a梭梭林迎風坡中，為4.03 cm，是對照沙丘的5.17倍。經方差分析(p<0.05)，3種不同年限梭梭林地表粗糙度均顯著高于對照裸沙丘地表粗糙度，5，8 a梭梭林地表粗糙度顯著高于3 a地表粗糙度。

表2 3種不同年限梭梭林地表粗糙度比較

注：同列大寫字母不同表示同一坡位的不同林齡梭梭林粗糙度差異顯著(p<0.05)； 同行小寫字母不同表示同一林齡梭梭林粗糙度在不同坡位差異顯著(p<0.05)。

相同坡位地表粗糙度呈現為：8 a梭梭林>5 a梭梭林>3 a梭梭林，5 a以上梭梭林地表粗糙度增加幅度降低。相同年限梭梭林不同坡位地表粗糙度差異明顯，生長3 a梭梭林地表粗糙度呈現出背風坡>迎風坡底>迎風坡中>迎風坡頂，5及8 a梭梭林地表粗糙度呈現出迎風坡中>背風坡>迎風坡頂>迎風坡底。其中，3 a梭梭林背風坡地表粗糙度比迎風坡頂地表粗糙度高25%，5 a梭梭林迎風坡中地表粗糙度比迎風坡底高56%，8 a梭梭林迎風坡中地表粗糙度比迎風坡底高55%。

3.3 梭梭林對風速廓線的影響

從圖4中可以看出，在植被對垂直方向上的氣流的改變作用下，風速廓線變化規律已經被改變，5，8 a梭梭林和裸沙丘各坡位風速廓線均呈現“J”型變化特征，3 a梭梭林各坡位風速廓線總體上呈現出“S”型變化特征；3 a梭梭林在0—100 cm高度范圍內風速穩步上升，100—200 cm高度范圍內風速增幅變大，并有加速恢復到相同高度對照風速的趨勢，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范圍內風速穩定增加，在100—200 cm范圍內風速不變、甚至減小。

圖4 3種不同年限梭梭林與對照的風速廓線對比

4 討論與結論

4.1討論

梭梭林防風固沙機制主要通過增加地表粗糙度和改變風速廓線來實現。植被對氣流具有抬升作用，氣流在植被上空逐漸聚集能量，風速恢復速度快于同高度流動沙丘，并有在上層逐步趕超流動沙丘的風速的趨勢[16-17]。這與本文中3 a梭梭林風速廓線變化規律相一致，風速在0—100 cm高度范圍內風速穩步上升，100—200 cm高度范圍內風速增加幅度增大，并有逐步趕上對照沙丘風速的趨勢。梭梭植株的高度、冠幅是影響梭梭林風沙防護效益最為主要的因子，植株高度決定了梭梭減小風速的高度范圍，冠幅影響梭梭林的密度和整體風況環境，林下紊流會增多，而強度會減弱，防護效益會增強。隨著梭梭的生長又會進一步的增加梭梭林垂直高度上的防護能力[18-19]，本文通過對5及8 a的梭梭林進行研究發現，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范圍內風速呈現出穩定增加的趨勢，在100—200 cm范圍內風速不變、甚至有減小的趨勢，梭梭的高度和冠幅改變了風速在垂直高度上的變化趨勢。

產生上述現象的原因是：3 a梭梭林在0—100 cm高度范圍為風速急劇變化，當氣流進入梭梭林區域后，底層氣流受到植物枝葉以及地表枯落物的阻攔，使得氣流內能量發生巨大變化，氣流發生分流的現象，一部分氣流繼續在梭梭林底部，另一部分向上抬升，在100 cm以上高度風力匯集后能量增加，風速的增加幅度也明顯增強，梭梭林阻擋氣流的作用逐漸消失，氣流的增加幅度明顯比對照沙丘增加幅度明顯，并有恢復到相同高度處對照風速的趨勢。5 a以上梭梭林植被的高度和冠幅較3 a有明顯增加，梭梭林整體的防護效果較好，當氣流進入梭梭林區域后，一部分風速向上抬升造成上部風速逐漸增大，導致在0—100 cm高度范圍內風速呈現穩定增加趨勢，由于5和8 a的梭梭林冠幅較大，冠幅大約為3 a梭梭林的一倍，防護的高度和范圍比3 a的梭梭林有了顯著提升，植物枝葉在100—200 cm高度范圍內起到了攔截和降低風速持續增大的趨勢，導致100—200 cm范圍內風速不變、甚至有減小的趨勢。

隨著梭梭的逐年生長，梭梭林內自然植被恢復物種也逐年增加，在一定程度上促進了沙丘防風固沙效果[20]，本研究中種植梭梭林沙丘風速明顯低于流動沙丘風速，隨著種植時間的增加，梭梭林防風能力較強的部位由沙丘的下部逐漸向沙丘中上部過渡。主要原因是：在3 a梭梭林內，當風沙流或者是純凈氣流到達沙丘，從迎風坡底部向坡頂運動時，受到植被的阻礙作用后，近地表氣流強度減小，從坡底向坡頂運動時，氣流向上抬升，近地表氣流雖然受到梭梭林的阻礙作用，由于梭梭林生長年限較短，還不具備完善的生態防護功能，所以風速依然在逐漸增大，到達沙丘頂部風速達到最大值，在背風坡處近地表氣流同時受到植被阻礙作用和地形的落差影響，強度迅速減小，而較高處的氣流強度變動較小，所以背風坡防風能力較好。5及8 a梭梭林的植被對防風效能的影響明顯增強，由于沙丘下部(迎風坡底、背風坡)植被已經生長得較為高大，當風沙流沿迎風坡底部進入梭梭林后，梭梭阻擋了來自梭梭林外部的風沙流，降低了林內風速，導致迎風坡中上部(迎風坡中，迎風坡頂)防風效能增加幅度變大，梭梭林防風能力較強的部位由沙丘的下部逐漸向沙丘上部過渡，

4.2 結 論

(1) 梭梭林防風效能主要是由于植被具有抬升氣流，改變地表粗糙度以及風速在垂直方向上的變化的能力，梭梭植株的高度、冠幅、蓋度是影響梭梭林防風效益的根本原因，植被高度、冠幅、蓋度的增加可以提高梭梭林的整體防風效能和防護高度。

(2) 隨著梭梭生長年限的增加，梭梭林防風效能不斷提升，8 a梭梭林的整體防風效能由3 a梭梭林的41.20%提升到了71.93%。3 a梭梭林對迎風坡底、背風坡防護效果優于迎風坡中、迎風坡頂，5，8 a梭梭林與之相反。

(3) 5，8 a梭梭林和裸沙丘各坡位風速廓線均呈現“J”型變化特征，3 a梭梭林各坡位風速廓線總體上呈現出“S”型變化特征；3 a梭梭林在0—100 cm高度范圍內風速穩步上升，100—200 cm高度范圍內風速增幅變大，并有加速恢復到相同高度處對照風速的趨勢，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范圍內風速穩定增加，在100—200 cm范圍內風速不變、甚至減小。

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WindbreakEffectivenessofHaloxylonAmmodendrononNortheastEdgeofUlanBuhDesert

LI Peng1, GAO Yong1, ZHAO Qing2, HAN Yanlong1, DING Yanlong1, DANG Xiaohong1

(1.CollegeofDesertControlScienceandEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.CollegeofGrassland,ResourcesandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China)

[Objective] Wind speeds at different slope positions ofHaloxylonAmmodendronforest were investigated on the northeast edge of Ulan Buh desert, in order to reveal the variation of windbreak effectiveness ofHaloxylonammodendronwith plantation age and spatial pattern. [Methods] Forests ofH.ammodendronat 3 a, 5 a and 8 a plantation ages were selected as research objects. The wind speeds at 10 cm, 20 cm, 50 cm, 100 cm, 200 cm heights above ground were measured respectively in the bottom, middle and top of windward slope and bottom of leeward slope for windbreak effectiveness analyzing. [Results] The wind speed near ground surface declined with the increase of plantation ages. Windbreak effectiveness of 3 years’ shrub was mainly found in 0—100 cm height, the averaged value was 48.19%. At 100—200 cm height, wind speed rebounded to the CK value quickly. Good windbreak effect were found both in 5 years and 8 years forests at height 0—200 cm, and their windbreak efficiency were 69.72% and 71.93% respectively. Correlation analysis showed that there existed a significant correlation between plantation pattern and windbreak effect. The correlation coefficients between windbreak effect and forest coverage, height and crown width were 0.935, 0.930, 0.942 respectively. [Conclusion] Windbreak effects in the bottom of windward slope and leeward slope were better than those in the middle and top of windward slope of 3 years forest. It was contrary for the forests having 5 years and 8 years plantation ages.

windbreakefficiency;surfaceroughness;windspeedprofile;artificialHaloxylonammodendronforest;UlanBuhdesert

A

1000-288X(2017)05-0034-06

S727.23

文獻參數： 李鵬, 高永, 趙青, 等.烏蘭布和沙漠東北緣人工梭梭林防風效能分析[J].水土保持通報，2017,37(5)：34-39.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.006； Li Peng, Gao Yong, Zhao Qing, et al. Windbreak effectiveness ofHaloxylonammodendronon northeast edge of Ulan Buh desert[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：34-39.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.006

2017-03-03

2017-03-10

內蒙古自然科學基金重大專項“高大密集流動沙丘上營建植被與沙丘活動的互饋機制”(2014ZD03)

李鵬(1992—),男(蒙古族),陜西省榆林市定邊縣人,碩士研究生,主要研究方向為荒漠化防治。E-mail:910361824@qq.com。

高永(1962—),男(漢族),內蒙古自治區包頭市達茂旗人,教授,博士生導師，主要從事荒漠化防治研究。E-mail:13948815709@163.com。