仿真固沙灌木林與塑料網(wǎng)方格沙障防風(fēng)固沙效能比較

王多澤,袁宏波,郭春秀,徐先英,劉虎俊,李學(xué)敏,劉開琳

(甘肅省治沙研究所,甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室,甘肅 蘭州730070)

我國沙漠化土地約為5.325×106km2,僅甘肅省河西走廊的風(fēng)沙線就長約1600km,風(fēng)沙危害是影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、居民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一,建立灌木林是持續(xù)有效的防風(fēng)固沙措施[1]。但是,在受水資源限制的干旱區(qū),防風(fēng)固沙灌木林的覆蓋度往往達(dá)不到防治風(fēng)沙危害要求,因此沙障就成為一種十分必要和不可取代的防風(fēng)固沙措施[2,3]。其中低立式(半隱蔽式)沙障是防止近地面風(fēng)沙危害的一種功能獨特、效果顯著而被廣泛用于流動沙丘固定的有效方法。許多文獻(xiàn)對其治沙機(jī)制、材料和效益等進(jìn)行了大量研究[4-7],提出了風(fēng)蝕平衡的沙障固沙機(jī)理。沙障材料多就地取材,以黏土、麥草和蘆葦較為普遍。近年來推廣應(yīng)用塑料和尼龍網(wǎng)等化學(xué)材料沙障,并對其防風(fēng)固沙原理進(jìn)行了探索,擴(kuò)展了沙障治沙的應(yīng)用,取得了良好效果[9,10]。仿真植物在園林綠化中已被廣泛應(yīng)用,這類仿真植物側(cè)重于形態(tài)、觀賞和燈光的搭配。近年來也嘗試將仿真植物應(yīng)用于治沙,風(fēng)洞試驗結(jié)果表明仿真固沙灌木防風(fēng)固沙效果良好[12]。我們將仿真固沙灌木加入到退化梭梭(Haloxylon ammodendron)林,形成仿真固沙灌木與梭梭結(jié)合的仿真固沙灌木林,達(dá)到較優(yōu)空間結(jié)構(gòu)和覆蓋度,提高灌木林防風(fēng)固沙作用。對照觀測仿真固沙灌木林和塑料方格沙障防風(fēng)固沙效能,比較分析兩者防風(fēng)的異同,為其應(yīng)用和防風(fēng)固沙林機(jī)理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

仿真固沙灌木仿照油蒿(Artemisia ordosica)等構(gòu)型,以高分子聚合材料,添加抗老化劑加工而成,地上與地下部分總高度為80 cm,地上部分高50 cm,冠幅為50 cm×50 cm,冠幅覆蓋面積為0.79 m2,疏透度為30% ～40% ,高度20 cm以下枝條較密,疏透度為35% 左右。仿真固沙灌木無主干,所有主枝下部集中到一起,凝結(jié)于根部。根自上而下逐漸變細(xì),直徑為3～4 cm,沒有任何側(cè)根。地上部分只分成二級枝序,主枝有20～25枝,自基部向梢處逐漸變細(xì),枝的直徑為2～3 mm,主枝上不再分二級枝,直接在枝上連接葉,葉形呈披針形,每片葉等長,等寬;葉扁平,長7 cm,寬0.6～1.0 cm,每根主枝上有4～6片葉,葉充當(dāng)一級枝,枝葉共同組成二級枝系的仿真固沙灌木。枝葉用鋼絲做成骨架,枝葉內(nèi)所包裹的鋼絲粗度相同,使仿真固沙灌木的整個植株和枝系能夠按設(shè)計開合、挺立,并具有韌性,在風(fēng)吹過后仍能夠保持原形。

塑料網(wǎng)以高密度聚乙烯 (HDPE)為主要原料,添加抗氧化劑制作而成,塑料網(wǎng)孔隙度為37% ,寬20 cm。塑料網(wǎng)方格沙障由塑料網(wǎng)和固定樁兩部分組成,根據(jù)需要設(shè)置成不同規(guī)格沙障。塑料網(wǎng)方格沙障材料與結(jié)構(gòu)已有詳細(xì)描述[10],在此不再贅述。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗區(qū) 野外觀測場設(shè)在甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站 東南半固定沙丘上(38°37′44″N,102°55′10″E),試驗區(qū)概況可見文獻(xiàn)[3]。試驗區(qū)布設(shè)在一個比較大的固定和半固定沙丘鏈上,沙丘高3～5 m,總寬約300 m,沙丘中部坡度約13°;沙丘覆蓋塑料沙障的部分完全固定,約占沙丘總面積的1/4,其余大部分栽植了梭梭,形成稀疏梭梭林。

1.2.2 灌木林和塑料沙障 人工梭梭林的株高為2.0～2.5 m,株行距為3 m×3 m,平均冠幅1.5 m×1.5 m,冠幅覆蓋度約為19.6% ,枝下高0.8～1.5 m,沙面半流動。在梭梭林株間和行間各加入1株和1行仿真固沙灌木,形成株行距1.5 m×1.5 m的仿真固沙灌木為主的仿真灌木+梭梭灌木林,其冠幅覆蓋度平均達(dá)到45.8% 。

塑料網(wǎng)方格沙障設(shè)置規(guī)格為1.0 m×1.0 m,沙障疏透度為37% ,屬于透風(fēng)結(jié)構(gòu)型沙障,高20 cm,設(shè)置于沙丘迎風(fēng)坡,試驗觀測時期的沙障內(nèi)積沙平均厚度約10 cm,沙面固定。

1.2.3 觀測指標(biāo)

(1)風(fēng)速:在距灌木0.5 H(H為株高)的株前、株后、株間,將風(fēng)杯按照20 cm、50 cm的高度固定于同一根固定桿上測定風(fēng)速梯度值。在防護(hù)林前設(shè)置相同高度和梯度的風(fēng)速對照觀測點。沙障內(nèi)風(fēng)速觀測點設(shè)在沙障中間,觀測高度與灌木林內(nèi)和對照的高度相同。風(fēng)速觀測使用野外便攜式防沙風(fēng)速廓線儀(ZL 02261931.3),連續(xù)記錄風(fēng)速變化,觀測高度分別為20 cm和50 cm,風(fēng)速觀測記錄頻率為2 s,周期為100 min。利用所觀測風(fēng)速計算相對風(fēng)速或風(fēng)速削減率(UΔ),計算公式如下:

式中UΔ為被測相對風(fēng)速或風(fēng)速削減率,US為對照風(fēng)速,USO為障間或株后風(fēng)速。

(2)輸沙率:在起沙風(fēng)速下,分別觀測梭梭林、仿真固沙灌木+梭梭灌木林、塑料方格沙障和裸沙地單位時間的輸沙量。在灌木林的植株后100 cm處設(shè)置階梯式集沙儀,收集輸沙量,每5 min取一次樣。同時在沙障中間和流沙地,設(shè)置相同的集沙儀,收集輸沙量。階梯式集沙儀高100 cm,寬2 cm,共計50孔。輸沙率用下式計算:

式中:Q為輸沙率(g cm-1min-1),W為集沙質(zhì)量(g),ΔT為觀測時間(min)。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速削減率

無論是20 cm高度還是50 cm高度,仿真固沙灌木林降低風(fēng)速率均是隨風(fēng)速的增大而增加(表1、表2),降低風(fēng)速值小于塑料網(wǎng)方格沙障。但是,隨著風(fēng)速增加,仿真固沙灌木降低風(fēng)速率與沙障降低風(fēng)速率差異減小。在所觀測風(fēng)速3.0～8.9ms-1范圍內(nèi),50 cm高度的仿真固沙灌木平均風(fēng)速削減率較20 cm高度小30.27% ,塑料網(wǎng)方格沙障則為17.38% 。仿真固沙灌木林的風(fēng)速削減率的變異系數(shù)(31.08% ～61.35% )小于塑料方格沙障削減風(fēng)速率的變異系數(shù)(50.40% ～67.78% ),也就是說仿真固沙灌木林降低風(fēng)速率相對塑料網(wǎng)方格沙障的變幅較小,能夠穩(wěn)定地降低風(fēng)速,具有防風(fēng)作用。

在50 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料沙障風(fēng)速削減率的差異性進(jìn)行比較,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障風(fēng)速削減率差異顯著(P＜0.05)(表1)。仿真固沙灌木最大風(fēng)速削減率達(dá)44.97% ,而塑料沙障則可達(dá)64.26% 。在不同風(fēng)速等級,仿真固沙灌木平均風(fēng)速削減率不同,隨著風(fēng)速增加,仿真固沙灌木與塑料方格沙障風(fēng)速削減率的差值縮小。當(dāng)風(fēng)速為3.0～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風(fēng)速率的差異為28.86% ,塑料方格沙障降低風(fēng)速率的差異為24.89% 。隨著風(fēng)速增加,塑料沙障降低風(fēng)速率與仿真固沙灌木的差異變小。當(dāng)風(fēng)速從3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木和塑料方格沙障平均削弱風(fēng)速差異從48.18% 減小為6.56% 。在風(fēng)速為3.0～3.3ms-1時,仿真固沙灌木削弱風(fēng)速率為塑料方格沙障的25% 。當(dāng)風(fēng)速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風(fēng)速率是塑料方格沙障的80% 。

表1 50 cm高度的梭梭+仿真灌木林與塑料方格沙障削減風(fēng)速率比較

在20 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障風(fēng)速削減率差異不顯著(P＜0.05)(表2)。隨著風(fēng)速從3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木風(fēng)速削減率逐漸變大。仿真固沙灌木林與塑料沙障最小風(fēng)速削減率最大差值為20.23% ,最小為3.35% 。在風(fēng)速為3.0～3.3ms-1時,仿真固沙灌木風(fēng)速削減率為塑料方格沙障的74% ;在風(fēng)速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木風(fēng)速削減率是塑料方格沙障的90% 。仿真固沙灌木平均風(fēng)速削減率與塑料方格沙障平均風(fēng)速削減率相差約6.56個百分點。在風(fēng)速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木風(fēng)速削減率較大。而塑料沙障則是風(fēng)速為3.0～3.3ms-1時,風(fēng)速削減率最大。

表2 20 cm高度的固沙灌木林與塑料方格沙障削減風(fēng)速率比較

2.2 仿真固沙灌木林的輸沙率

在塑料網(wǎng)方格沙障、裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭等4種下墊面,除塑料網(wǎng)方格沙障外,裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林輸沙率隨高度變化為指數(shù)遞減(圖1),擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2都大于0.9。在10 cm高度內(nèi),裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林的輸沙率分別占總輸沙率的79.62% 、83.21% 、86.76% ,而塑料方格沙障的只有41.48% 。梭梭林的輸沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林的1.5倍,裸沙地平均輸沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林輸沙率4.13倍,是梭梭林內(nèi)輸沙率的2.49倍,是塑料沙障內(nèi)輸沙率的28.08倍。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地輸沙率,具有防風(fēng)阻固沙作用。

圖1 仿真固沙灌木+梭梭林、梭梭林、塑料沙障內(nèi)和裸沙地的輸沙率模型

3 討論與結(jié)論

3.1 仿真固沙灌木林與塑料網(wǎng)方格沙障的不同高度的風(fēng)速削減率差異不同。隨著風(fēng)速增大,仿真固沙灌木降低風(fēng)速率與塑料網(wǎng)方格沙障降低風(fēng)速率差異變小。在風(fēng)速為8.1～8.9ms-1時,仿真固沙灌木降低風(fēng)速率達(dá)塑料方格沙障的80% 。在觀測高度50 cm處,仿真固沙灌木林的風(fēng)速削減率和塑料網(wǎng)方格沙障風(fēng)速削減率差異顯著,20 cm高度處則差異不顯著。這與仿真固沙灌木和塑料網(wǎng)沙障的結(jié)構(gòu)相關(guān),特別是兩者的迎風(fēng)面疏透度相一致,仿真固沙灌木下部與上部的疏透度不同,20 cm高度以下疏透度約為35% ,其上部的疏透度也約為40% ,而塑料網(wǎng)方格沙障疏透度為37% ,是一種均勻結(jié)構(gòu)的沙障,風(fēng)速削減率相對較大。仿真固沙灌木的構(gòu)型類似于植物結(jié)構(gòu)。研究表明:植物增加地表粗糙度,改變地表流場,吸收風(fēng)的動量,減弱風(fēng)沙動能,從而起到防風(fēng)固沙作用,而灌木個體及其林帶結(jié)構(gòu)是影響防護(hù)效應(yīng)的重要因素[11-18]。灌木林結(jié)構(gòu)不同,防風(fēng)固沙效能存在差異,這個結(jié)論已為眾多研究所證實[12-17]。仿真固沙灌木作為沙地上一種具柔性結(jié)構(gòu)的障礙物,它與梭梭結(jié)合形成灌木林不僅增大了地表粗糙度,而且改變了灌木林結(jié)構(gòu),從而減弱風(fēng)速。目前,國內(nèi)外主要還是應(yīng)用植被覆蓋度來確定防風(fēng)固沙林標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)植被覆蓋度大于40% ,流動沙地可完全固定[1,18]。而民勤流動沙地固定的植被覆蓋度則是大于30%[3]。本試驗的灌木林覆蓋度為45.8% ,達(dá)到了完全固定流沙的覆蓋度。在干旱區(qū),降水量限制了單位面積內(nèi)的雨養(yǎng)植被之植株數(shù)量及其覆蓋率,仿真固沙灌木加入覆蓋率只有19.6% 的梭梭灌木林,仿真灌木+梭梭灌木林的冠幅覆蓋度平均達(dá)到45.8% ,防風(fēng)效益與塑料網(wǎng)方格沙障無統(tǒng)計差異,但仿真固沙灌木與灌木林配置還有待進(jìn)一步研究完善。

3.2 仿真固沙灌木+梭梭灌木林的輸沙率隨高度變化為指數(shù)遞減。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地輸沙率,具有阻沙固沙作用。其輸沙率大于塑料網(wǎng)方格沙障,小于梭梭林和裸沙地。國內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果都認(rèn)為風(fēng)沙流中沙量的垂直分布呈指數(shù)分布,氣流搬運(yùn)沙量的80% 集中分布在0～10 cm高度內(nèi),含沙量的對數(shù)與高程之間具有良好的線性關(guān)系,即含沙量與高度之間遵循指數(shù)函數(shù)關(guān)系,輸沙量隨高度增加呈指數(shù)規(guī)律遞減[1,17,18]。仿真固沙灌木林的輸沙率垂直變化模型也是如此,也就是說仿真固沙灌木林的風(fēng)沙運(yùn)動與天然灌木林的風(fēng)沙流運(yùn)動規(guī)律相似,具有防風(fēng)固沙效能。風(fēng)沙流經(jīng)過仿真固沙灌木林時,風(fēng)速被削弱后,搬運(yùn)能力下降,輸沙量減少。植物的阻沙作用與覆蓋度相關(guān),當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到40% ～50% 時,風(fēng)沙流中99% 以上的沙粒被阻截沉積[19]。民勤地區(qū)流沙固定的植被覆蓋度最小值為30%[2]。雖然,仿真固沙灌木+梭梭灌木林的覆蓋度超過了流沙固定的臨界值,但其輸沙率相對塑料網(wǎng)方格沙障還是較大。這與仿真固沙灌木的結(jié)構(gòu)相關(guān),仿真固沙灌木林+梭梭林的側(cè)影面積為0.02% ～39.0% ,變化范圍較大。而塑料網(wǎng)方格沙障側(cè)影面積為37% ,而且比較均勻,灌木林阻沙能力小于塑料網(wǎng)方格沙障,主要原因可能是其側(cè)影面積和結(jié)構(gòu)不均勻,這需要進(jìn)一步的觀測研究。灌木結(jié)構(gòu)是三維復(fù)雜的,防風(fēng)固沙功能受其地上形態(tài)結(jié)構(gòu)、粗糙元密集度以及群落配置等多種因素影響,阻沙能力應(yīng)綜合各參數(shù)進(jìn)行評價,至今也沒有形成具有普遍意義的變化規(guī)律[11]。

應(yīng)用仿真固沙灌木建立防風(fēng)固沙工程不受氣候條件影響,見效快,具有四季防護(hù)的特點,并可重復(fù)利用。但是,生產(chǎn)成本相對來說較高,生產(chǎn)工藝還有待完善。另外,本研究所用仿真固沙灌木構(gòu)型僅參考油蒿等灌木,其降低防風(fēng)固沙效能相對小于塑料網(wǎng)方格沙障。作為一種新型固沙材料,仿真固沙灌木構(gòu)型還有待深入研究,對其與各類固沙技術(shù)的結(jié)合還需要深入研究,以便提高其防風(fēng)固沙效能。

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