風水復合侵蝕區(qū)植物防風作用的研究

張 欣， 尹瑞平*， 劉 靜， 王成龍， 吳永勝，姚喜軍, 何京麗， 邢恩德,郭建英,劉鐵軍,姍 丹,劉艷萍,李澤坤

(1.水利部牧區(qū)水利研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；3.卓資縣人民政府辦公室，內(nèi)蒙古卓資 012300)

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風水復合侵蝕區(qū)植物防風作用的研究

張 欣1， 尹瑞平1*， 劉 靜2， 王成龍3， 吳永勝1，姚喜軍2, 何京麗1， 邢恩德1,郭建英1,劉鐵軍1,姍 丹1,劉艷萍1,李澤坤1

(1.水利部牧區(qū)水利研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；3.卓資縣人民政府辦公室，內(nèi)蒙古卓資 012300)

對風水復合侵蝕區(qū)兩種常見植物的四年生同齡沙棘和檸條植株采用人工移植的方法，利用HTSW-18多通道風向風速監(jiān)測儀觀測林帶在不同株距和行距配置方式下的防風作用。結(jié)果表明，兩種植物林帶均能有效降低風速。在相同的株距和行距的情況下，檸條林帶防風效果明顯優(yōu)于沙棘林帶。兩種植物林帶均是隨著株距的減小，林帶的防風效果逐漸增大。隨著行距的增大，植物林帶的防風效果逐漸減小。兩種植物均增大地表粗糙度，檸條林帶對粗糙度的影響是對照點的25倍，沙棘是對照的17倍。

風水復合侵蝕區(qū)；株距；行距；防風效果；地表粗糙度

風水復合侵蝕是在干旱、半干旱地區(qū)的一種侵蝕類型，該類侵蝕是在水力和風力兩種自然外營力的作用下，在某一特定區(qū)域內(nèi)形成水力侵蝕和風力侵蝕在時間上交替、在空間上疊加的侵蝕類型，其危害程度也常常大于單獨的風蝕與水蝕[1]。對于該類侵蝕地區(qū)而言，生物措施是最積極最有效的防治措施。因為植物的根系發(fā)揮著良好的固體抗蝕作用[2-4]，同時當氣流通過植被覆蓋的地表時，在植株的阻擋作用下，氣流穿越植株枝條時的摩擦和引起枝條搖晃擺動消耗了一些動能，使風速減弱，起到防治風蝕的作用；另外由于植物樹干及枝條的阻擋，氣流形成無數(shù)不定向的紊流，不同方向的紊流相互緩沖、抵消，使風力減弱或降低流動速度[5-6]。植被分解了運動氣流的剪應力，減弱氣流對地表土壤的吹蝕，從而起到保護地表土壤防治風蝕的作用[8]。以往的研究表明，灌木防護林行帶式配置方式的防護效益優(yōu)于等行距配置林帶及隨機配置[9]，但具體的配置模式是生產(chǎn)實際中需進一步解決的問題。筆者針對這一問題設(shè)計了野外模擬試驗，為風水復合侵蝕區(qū)進行灌木防護林防護體系建設(shè)提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)境內(nèi)(108°41′ E，40°32′ N)，海拔1 050 m左右。該地區(qū)氣候?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶约撅L氣候，降雨較少且集中，年平均降水量281 mm左右。年平均風速2.3 m/s，每年沙暴日數(shù)在21～55 d之間。年平均日照時數(shù)3 129.5 h，多年平均氣溫為5.6 ℃，全年無霜期為122～144 d。該地區(qū)主要植物種有油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、沙柳SalixpsammophilaC.WangetC.Y.Yang)、檸條錦雞兒(CaraganaintermediaKuang et H.C.Fu)、沙地柏(SabinavalgarisAnt.)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch.)等。

2 研究材料與方法

2.1 試驗場地及試驗材料該試驗場地選擇在內(nèi)蒙古億利公司獨貴塔拉鎮(zhèn)園區(qū)內(nèi)進行。為了克服常規(guī)野外測風試驗尋找理想試驗場地和被測林帶的困難，筆者采用模擬試驗的方法，即從人工大面積種植區(qū)把試驗樣株挖出，移栽到試驗場地，人工移動變化來達到不同配置的試驗要求。該方法具有布設(shè)靈活方便的特點，比較容易實施，同時造價也遠低于風洞模擬試驗。風速觀測場地選擇在一塊地勢平坦開闊的沙地上，沙地上無其他植被的生長。在風速觀測之前進行地形平整，使風速受地形影響較小。

在園區(qū)內(nèi)，試驗樣株選擇分布均勻、生長良好、無病蟲害的沙棘和檸條種植樣地，均為四年生植株。在樣地內(nèi)每種植物隨機選擇120株，采用整株挖掘。挖掘出植株后，人工移運到試驗場地，按試驗需求模擬種植成行帶狀。為了消除邊緣效應對林帶觀測點上觀測數(shù)據(jù)的影響，模擬種植的生長林帶需長于50 m。

2.2 風速觀測風速測定儀器使用HTSW-18多通道風向風速監(jiān)測系統(tǒng)，所測出的風速為瞬時風速和平均風速。測定儀器瞬時風速測量范圍0～70 m/s，啟動風速0.1 m/s，風速觀測精度±0.3 m/s，試驗儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)置間隔為1 min，每次觀測時間1 h。風速野外觀測的時間在4月25日～5月5日，因為這個時期是研究區(qū)大風季節(jié)，是風水復合侵蝕區(qū)發(fā)生風力侵蝕最嚴重時期。在這個時期灌木林帶起到明顯的抗風蝕作用，也是風速觀測的最佳時期。

2.3 風速分析方法防風效果用相對風速來表示。采用下式計算防風效果：Exz=(uoz-uxz)/uoz[10]，式中，Exz為防風效果，即林內(nèi)x處、高度為z處的風速占曠野對照風速的百分數(shù)，uoz為同一高度曠野的平均風速，uxz為林內(nèi)x處、高度為z處的平均風速。地表粗糙度是近地表風速為零的高度，它是反映地表對風阻抗的重要參數(shù)。計算粗糙度公式如下[11]：logz0= (v1logz2-v2logz1)/(v1-v2)。式中z1、z2為觀測高度值(cm)，u1、u2為高度z1、z2處的風速(m/s)，z0為地面粗糙度(cm)。該研究中z1、z2分別取200和50 cm高度。

3 林帶株距對防風作用的影響

3.1 植株的布設(shè)為了研究不同株距對風速影響作用，采用單帶一行的種植方式，設(shè)定株距D=0.5、1.0、1.5和2.0 m。模擬的4 種不同株距植物林帶的疏透度采用數(shù)碼相機正面拍照，照片用Photoshop 軟件處理求得。結(jié)果表明，沙棘株距為0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分別為72%、78%、85%和88%；檸條株距為0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分別為60%、67%、75%和80%。在布設(shè)的林地后和曠野對照分別布設(shè)觀測點，風杯觀測高度為0.5和2.0 m，具體布設(shè)方法如圖1。

3.2 株距對防風效能影響對兩種植物不同株距的布置方式進行1 h的風速觀測，計算出風速平均值，并根據(jù)防風效能計算公式計算出林帶的防風效果，結(jié)果見表1。通過方差分析(ANOVA)，不同株距的2種植物的防風效應，樹種之間差異性極顯著(α<0.000 1)，說明植物種對防風效能有著重要的影響；株距的差異性顯著(α=0.000 1)，說明植株株距不同，變化規(guī)律也不同，株距對防風效能的影響顯著。測點間防風效能有較大差異，因為隨著林帶后距離的增大，風速逐漸恢復到曠野的風速值，各個測點間的防風效能差距較大。

表1 不同株距0.5 m高度處林帶的防風效應

種類株距m曠野風速∥m/sV2．0V0．5防風效果∥%1H3H5H7H9H沙棘0．57．705．3919．4713．256．253．922．621．07．205．4016．9911．185．513．582．051．57．645．4513．577．144．032．071．012．06．905．4012．797．954．230．870．21檸條0．56．245．6428．0220．8412．587．055．151．07．025．5226．3820．0411．2810．134．691．56．065．4222．0214．3312．338．573．142．07．995．5720．8912．3911．447．442．32

由表1可知，兩種植物不同株距的單帶布設(shè)方式均能有效降低風速，均在林帶后1H處防風效能最大，隨著林帶后距離的增大，防護效能逐漸降低，風速值也逐漸恢復到曠野風速。在相同的株距條件下，檸條的防風效果優(yōu)于沙棘。對于不同的株距，總體趨勢為隨著株距的減小，防風效能逐漸增大。

3.3 株距對粗糙度的影響研究在每個測點根據(jù)200和50 cm高處風速值，利用粗糙度公式計算出不同株距下林帶背后的粗糙度。計算粗糙度時，風速統(tǒng)一選擇曠野對照風速在2 m高處為6 m/s時的風速值。粗糙度在一定程度上反映林帶的抗風蝕作用，結(jié)果見圖2。由圖2可知，兩種植物均顯著增大了粗糙度，均明顯大于曠野對照的粗糙度，其中檸條增大幅度最明顯，在株距為0.5 m時，林帶后1H處增大幅度最大，是對照數(shù)值的25倍；沙棘增大幅度較小，林帶后1H處曠野粗糙度是對照的11倍。

4 林帶行距對防風作用的影響

4.1 植株的布設(shè)為了研究不同行距對風速的影響，筆者采用雙行一帶的種植方式。為了消除株距對風速的影響，模擬的雙行一帶林帶株距均為1 m，設(shè)定行距L=1、2和3 m，兩帶植株帶與帶之間的個體布設(shè)呈“品”字型配置。在布設(shè)的林地后和曠野對照分別布設(shè)觀測點，具體布設(shè)方法如圖3。

4.2 行距對防風效果影響對2種植物3種行距林帶的布置方式進行1 h的風速觀測，計算出風速平均值，并根據(jù)防風效能的計算公式計算出林帶的防風效果，結(jié)果見表2。方差分析(ANOVA)表明，林帶行距、植物種類和試驗測點位置對植株林帶防風效果影響差異性極顯著(α<0.000 1)，說明在3種行距布設(shè)方式下兩種植物防風效果變化規(guī)律顯著不同。

由表2可知，每種植物在林帶背風面1H～7H范圍內(nèi)，防風效果均隨著林帶行距的增大而減弱，在林帶背風面7H～9H的范圍內(nèi)，行距大的林帶背風面防風效果大于行距小的林帶，說明林帶行距大的配置能夠延緩林帶背風面防風效能的衰減。對于兩種植物，隨著行距逐漸增大，林帶的防風效果逐漸減弱。在相同的行距下，檸條林帶的防風效果大于沙棘林帶。

表2 不同行距0.5 m高度處林帶的防風效果

4.3 行距對粗糙度的影響研究由圖4可知，兩種植物林帶對地表粗糙度明顯增大，隨著林帶行距增大，林帶背風面的地表粗糙度影響逐漸減小。兩種植物林帶在3種行距下均在背風面1H處的粗糙度為最大，隨著距林帶距離增大而逐漸減小。行距為1 m時，兩種植物林帶對地表粗糙度的增大最明顯。兩種植物林帶當行距為1 m，林帶后1H處地表粗糙度最大，其中檸條林帶是對照的42倍，沙棘林帶是對照的17倍。

5 結(jié)論與討論

在4種株距的單行單帶布設(shè)方式下，兩種植物林帶均能有效降低風速，均在林帶后1H處防風效能最大。隨著株距的減小，防風效能逐漸增大。在相同的株距情況下，檸條的防風效果優(yōu)于沙棘。不同株距林帶均有效增加粗糙度，檸條林帶后1H的粗糙度是對照的25倍，沙棘1H處的粗糙度是對照的11倍。兩種植物在3種行距配置下，隨著行距的增大，林帶背風面的防風效果和地表粗糙度逐漸減??；行距為1 m的林帶后1H處地表粗糙度最大，其中檸條林帶是對照的42倍，沙棘林帶是對照的17倍。

林帶的防風效能主要影響因子是林帶的透風系數(shù)，影響林帶透風系數(shù)的因素也很多，主要有密度、覆蓋度、株型、冠幅、株高、分枝數(shù)[12-13]等，其中株距不同，林帶的透風系數(shù)不同。由于透風系數(shù)較難觀測，株距間接反映植物的透風系數(shù)，不同植物株距與其透風系數(shù)的關(guān)系有待進一步的研究。 根據(jù)試驗可知，林帶防風作用總體規(guī)律基本為株行距越小，防風效能越大。但在實際的生態(tài)恢復建設(shè)工程中，不僅要考慮林帶起到的防風效能作用，同時也應考慮林帶的耗水量。

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Comparative Analysis on Effect of Planting and Row Space to Soil Wind Erosion in the Area of Complex Erosion by Wind and Water

ZHANG Xin1,YIN Rui-ping1*,LIU Jing2et al

(1. Institute of Water Resources for Pastoral Area,Ministry of Water Resources,Huhhot,Inner Mongolia 010020; 2. College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot,Inner Mongolia 010018)

In the area of complex erosion by wind and water,HippophaerhamnoidesLinn. andCaraganamicrophyllaLam. are common plant species in revegetation,the wind speed by HTSW-18 wind speed monitor was observed,and the resistance to wind erosion of varied planting and row spaces about these two plants were compared. The results showed that: The ration of reducing wind velocity and surface roughness decrease with the increase of planting and row space. Under the same planting space,the ration of reducing wind velocity and surface roughness ofCaraganamicrophyllaLam. of plants shelter belt are higher.

Area of complex erosion by wind and water; Row spacing; Array pitch; The ration of reducing wind velocity; Surface roughness

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學

(2014MS0370)。

張欣(1972- )，女，滿族，河北青河人，工程師，碩士，從事水土保持研究。*通訊作者，高級工程師，碩士，從事水土保持研究。

2015-03-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)11-235-03