植被蓋度和灌木帶狀配置對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響

司志民，劉海洋，陳　智，宣傳忠，宋　濤

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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植被蓋度和灌木帶狀配置對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響

司志民，劉海洋，陳智，宣傳忠，宋濤

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：采用便攜式風(fēng)速廓線儀分別對(duì)不同植被覆蓋度和灌木帶狀配置的退化草原進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：地表植被蓋度越大，其降風(fēng)速和防風(fēng)蝕效果越明顯，地表蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%時(shí)，距離地表2cm處的風(fēng)速相較64cm處的風(fēng)速降低幅度分別為72.4%、67.1%、61.7%和44.9%；灌木帶越高，對(duì)牧草帶有效保護(hù)距離越寬，植株高度大于0.7m的灌草帶狀配置有效保護(hù)距離均大于6m。因此，提高地表植被蓋度和增大灌木帶高度對(duì)近地表的風(fēng)速廓線有較大影響，具有顯著的抗風(fēng)蝕效果。

關(guān)鍵詞：植被蓋度；帶狀修復(fù)；土壤風(fēng)蝕；風(fēng)速廓線；抗風(fēng)蝕效果

0引言

土壤風(fēng)蝕是發(fā)生在我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)及半濕潤(rùn)地區(qū)的重要生態(tài)過(guò)程，同時(shí)也是導(dǎo)致這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因[1]。中國(guó)科學(xué)院對(duì)沙塵暴的成分和來(lái)源進(jìn)行分析研究表明，造成沙塵暴的主要原因是退化的耕地和草地，而不是沙漠[2]。內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)是荒漠化發(fā)展最快、生態(tài)環(huán)境最為脆弱和人民生活較貧困的典型風(fēng)蝕沙化區(qū)[3]，由于干旱少雨、過(guò)度放牧和人為的不合理利用，已造成天然草原不斷退化、沙化，甚至荒漠化，草地生產(chǎn)力急劇下降，嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤風(fēng)蝕防治的研究工作取得了諸多顯著成果，并通過(guò)定性描述及定量分析表明，植被覆蓋可以有效抑制土壤風(fēng)蝕。Wasson和Nanninga[4]的研究表明：當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到35%～40%時(shí)，土壤風(fēng)蝕基本不發(fā)生。Van den Ven等[5]的研究表明：即使是很少的植被覆蓋，也可以有效減少土壤風(fēng)蝕的發(fā)生。Wolfe 等研究認(rèn)為：植被覆蓋能提高地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、降低風(fēng)速和阻擋沙塵，對(duì)地表起到保護(hù)作用[6-8]。董治寶等通過(guò)風(fēng)洞研究發(fā)現(xiàn)：隨著植被覆蓋度的增加，土壤風(fēng)蝕率急劇下降[9]。

近地表風(fēng)速是造成土壤風(fēng)蝕的最主要原因，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速低于沙塵的啟動(dòng)風(fēng)速(5m/s左右)時(shí)，土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象基本不會(huì)發(fā)生；提高植被蓋度和留茬高度等措施可以改變近地表風(fēng)速廓線，降低地面風(fēng)速，防止土壤風(fēng)蝕。因此，提出將近地表風(fēng)速廓線作為研究重點(diǎn)，通過(guò)采用便攜式風(fēng)速廓線儀野外實(shí)驗(yàn)的方法，定量分析不同植被蓋度，為探索灌草帶狀配置修復(fù)退化草地等關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步完善防治風(fēng)蝕機(jī)理和相關(guān)測(cè)試設(shè)備具有重要意義。

1研究區(qū)域概況

本試驗(yàn)設(shè)在四子王旗的保護(hù)性耕作項(xiàng)目區(qū)和風(fēng)蝕項(xiàng)目組建設(shè)的草原土壤風(fēng)蝕科研試驗(yàn)基地。四子王旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、陰山山脈北側(cè)，海拔高度在1 000~2 100m間，地形以丘陵為主，屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶。全旗干旱少雨，平均降水量均在300mm左右，且降水時(shí)空分布極不均勻，月際、年際變化很大。每年春季降雨量非常少，而且地表植被稀疏，年蒸發(fā)量高達(dá)1 600~2 400mm；主要分布土壤為栗鈣土、灰褐土，有機(jī)質(zhì)平均含量為1%~3%。由于常年受季風(fēng)影響，大風(fēng)日數(shù)多，風(fēng)力強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，特別在冬春季節(jié)，地表土壤的風(fēng)蝕相當(dāng)劇烈，大部分地表已嚴(yán)重沙化。

2試驗(yàn)條件與方法

2.1　試驗(yàn)區(qū)條件

在進(jìn)行植被蓋度試驗(yàn)時(shí)，選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)為風(fēng)蝕項(xiàng)目組自建的科研試驗(yàn)基地，如圖1(a)所示。基地通過(guò)網(wǎng)圍禁牧、噴播種草等方法對(duì)草原植被進(jìn)行恢復(fù)，為試驗(yàn)提供多種不同植被蓋度的試驗(yàn)區(qū)塊。在進(jìn)行灌木帶狀修復(fù)試驗(yàn)時(shí)，選擇四子王旗的保護(hù)性耕作項(xiàng)目區(qū)，如圖1(b)所示。該區(qū)擁有近666.7hm2采取種植檸條等強(qiáng)抗旱灌木作為防風(fēng)護(hù)農(nóng)帶的退化草地修復(fù)地表，可以為試驗(yàn)提供多種不同工程尺度(帶寬、帶高、密度及帶間距)的灌木帶作為試驗(yàn)對(duì)象。

圖1　試驗(yàn)區(qū)地表狀況

2.2　試驗(yàn)儀器與標(biāo)定

試驗(yàn)設(shè)備采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制作的“RW-64型熱膜式無(wú)線風(fēng)速廓線儀”，如圖2所示。

圖2　RW-64型熱膜式無(wú)線風(fēng)速廓線儀

研究發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕的風(fēng)沙流活動(dòng)層主要集中在距地表60cm高度內(nèi)，其近地表風(fēng)速分布在高度上符合對(duì)數(shù)規(guī)律[10]。因此，該風(fēng)速廓線儀在垂直高度為2、4、8、16、32、64cm的位置上分別固定了一個(gè)高精度的熱膜風(fēng)速傳感器，并采用YD02系列無(wú)線通信模塊對(duì)6路風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、發(fā)送和處理。與之相配套的信號(hào)接收設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件具有插值運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和風(fēng)速廓線繪制等功能。

由于熱膜式風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度受環(huán)境溫度影響較大，在試驗(yàn)前需要對(duì)風(fēng)速傳感器組在相同溫度環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定。利用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的OFDY-1.2型移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞和德國(guó)Testo-425熱線風(fēng)速儀對(duì)各高度處的熱膜傳感器進(jìn)行標(biāo)定，環(huán)境溫度范圍在6.5～7.5℃之間。采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次曲線擬合，擬合度R2均在0.96以上，擬合曲線方程組如表1所示。

表1　風(fēng)速傳感器組擬合曲線方程

2.3　研究方法

植被蓋度和帶狀修復(fù)的近地表風(fēng)速廓線試驗(yàn)如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中，為使數(shù)據(jù)具有可比性，試驗(yàn)均選擇距離地面2m處、瞬時(shí)風(fēng)速為5m/s時(shí)采集到的數(shù)據(jù)作為參照。

圖3　植被蓋度和帶狀修復(fù)的近地表風(fēng)速廓線試驗(yàn)

1)試驗(yàn)1：植被蓋度對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響研究，植被蓋度試驗(yàn)如圖3(a)所示。選擇植被高度4cm，植被覆蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%的4種不同草原地表作為研究對(duì)象，并將便攜式風(fēng)速廓線儀置于試驗(yàn)區(qū)塊當(dāng)中，同時(shí)利用德國(guó)Testo-425熱線風(fēng)速儀采集距離地面2m處的瞬時(shí)風(fēng)速值。

2)試驗(yàn)2：帶狀修復(fù)對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響研究，所研究的灌草植物類(lèi)型為檸條，帶狀修復(fù)試驗(yàn)如圖3(b)所示。試驗(yàn)選擇項(xiàng)目區(qū)中以南北方向配置且密度相近，帶間距為6m，帶寬為1.5m，帶高分別為1.5、0.7、0.3m的3種不同工程尺度的灌草帶作為試驗(yàn)對(duì)象，研究帶高對(duì)帶間草地近地表風(fēng)速廓線的影響。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)每種研究對(duì)象進(jìn)行獨(dú)立試驗(yàn)，分別選取距離灌草帶內(nèi)邊緣1、2、3、4、5、6m位置處且平行于保護(hù)帶的6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3結(jié)果與分析

3.1　植被蓋度對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響

表植被蓋度的抗風(fēng)蝕機(jī)理是通過(guò)改變地表粗糙來(lái)影響近地表風(fēng)速廓線，進(jìn)而表現(xiàn)為土壤風(fēng)蝕能力減弱，是反映土壤抗風(fēng)蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)[11]。近地表風(fēng)速隨高度的分布一般遵循對(duì)數(shù)規(guī)律，但由于保護(hù)性地表對(duì)氣流紊動(dòng)性的影響，使氣流的能量分布發(fā)生明顯變化，改變了風(fēng)速隨高度變化的對(duì)數(shù)規(guī)律[3]。不同植被蓋度的近地表風(fēng)速廓線如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)平均環(huán)境溫度為7.3℃。

圖4　不同植被蓋度近地表風(fēng)速廓線

由圖4可知：地表蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%時(shí)，距離地表2cm處的風(fēng)速相較64cm處的風(fēng)速降低幅度分別為72.4%、67.1%、61.7%和44.9%。其中，地表覆蓋度小于5%時(shí)，其風(fēng)速廓線變化最緩慢；高度從64cm降到2cm，風(fēng)速?gòu)?.36m/s降低到1.85m/s，風(fēng)速降低幅度最小，抗風(fēng)蝕能力最弱；地表覆蓋度為85%時(shí)，風(fēng)速廓線變化最明顯，高度從64cm降到2cm，風(fēng)速?gòu)?.48m/s降低到0.96m/s，風(fēng)速降低幅度最大，抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng)。

從數(shù)據(jù)中可以看出：覆蓋度為85%、35%和25%的地表在近地表風(fēng)速降低幅度上均在61%以上，較之覆蓋度小于5%的地表的44.9%有較大的差別，對(duì)風(fēng)速廓線的影響較為明顯。試驗(yàn)表明：地表植被蓋度越大，對(duì)近地表氣流能量分布的影響越明顯，近地表風(fēng)速廓線變化越明顯，風(fēng)速隨高度的降低而減小的更劇烈，抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。

3.2　灌草帶狀保護(hù)對(duì)帶內(nèi)近地表風(fēng)速廓線的影響

灌草帶狀配置措施可以提高土壤含水量，且?guī)чg地表粗糙度穩(wěn)定，平均防風(fēng)效果好，具有顯著降低土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度及固定流沙等作用[12]，是一種低成本、高效益的退化草地植被快速修復(fù)方法。不同配置的灌草帶間近地表風(fēng)速廓線如圖5所示, 試驗(yàn)時(shí)平均環(huán)境溫度為7.0℃。

從圖5中的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出：灌草帶高度為1.5m時(shí)，距離灌草帶內(nèi)邊緣1、2、3、4、5、6m處的風(fēng)速降低幅度(距離地表2cm處的風(fēng)速相較2m處的風(fēng)速)分別為90.4%、89.8%、89.0%、87.4%、85.0%和82.6%；灌草帶高度為0.7m時(shí)，距離灌草帶內(nèi)邊緣1、2、3、4、5、6m處的風(fēng)速降低幅度分別為89.2%、88.2%、86.4%、84.8%、82.6%和80.4%；灌草帶高度為0.3m時(shí)，距離灌草帶內(nèi)邊緣1、2、3、4、5、6m處的風(fēng)速降低幅度分別為88.6%、86.2%、81.2%、75.6%、70.8%和67.8%。

由此可知：在灌草帶的寬度、密度及配置方向等參數(shù)不變的情況下，帶高越高，帶間地表粗糙度越大，距離地表2cm處的風(fēng)速相較2m處的風(fēng)速降低幅度越大，近地表風(fēng)速廓線變化越明顯；對(duì)同一配置參數(shù)的灌草帶，風(fēng)速廓線變化的明顯程度(風(fēng)速降低幅度)與灌草帶內(nèi)邊緣的距離成反比關(guān)系，且當(dāng)距離增大到某一值后，風(fēng)速廓線變化的明顯程度趨于平緩，體現(xiàn)在風(fēng)速廓線不斷接近。

圖5(a)中：所有風(fēng)速廓線均未發(fā)生重合，且在距離檸條帶6m處的風(fēng)速廓線變化依然較為明顯，距離地表2cm處的風(fēng)速相較2m處的風(fēng)速下降了82.6%，表明1.5m高的灌草帶可有效保護(hù)6m以上風(fēng)蝕地表。圖5(b)中：所有風(fēng)速廓線均未發(fā)生重合，但在距離灌草帶內(nèi)側(cè)5m和6m的風(fēng)速廓線不斷接近，降風(fēng)速能力分別為82.6%和80.4%，表明0.7m高的灌草帶可有效保護(hù)6m左右的風(fēng)蝕地表。圖5(c)中：在距離灌草帶內(nèi)側(cè)5m處，風(fēng)速廓線開(kāi)始發(fā)生部分重合，且降風(fēng)速能力低于70%，表明0.3m高的灌草帶的有效保護(hù)距離為5m左右。

圖5　不同配置的灌草帶間近地表風(fēng)速廓線

4結(jié)論與討論

1)地表植被蓋度越大，近地表風(fēng)速廓線變化越明顯，風(fēng)速隨高度的降低而減小得更劇烈，抗土壤風(fēng)蝕的能力越強(qiáng)。當(dāng)植被覆蓋度在20%時(shí)，近地表風(fēng)速降低幅度己達(dá)到62.5%，已經(jīng)具有較明顯的抗風(fēng)蝕作用；隨著植被覆蓋度的增加，風(fēng)速廓線呈現(xiàn)出相對(duì)比較穩(wěn)定且逐漸接近于某一特定曲線的規(guī)律；當(dāng)植被覆蓋度小于5%時(shí)，風(fēng)速降低幅度在45%左右，抗風(fēng)蝕能力較弱。

2)灌草帶高度越高，帶間地表粗糙度越大，對(duì)近地表風(fēng)速廓線影響越大，降風(fēng)速、抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)；同一配置參數(shù)的灌草帶，帶間風(fēng)速廓線變化的明顯程度與灌草帶內(nèi)邊緣的距離成反比關(guān)系；隨著距離的增大，明顯程度減緩，風(fēng)速廓線不斷接近且發(fā)生部分重合的現(xiàn)象；植株高度大于0.7m的灌草帶狀配置有效保護(hù)距離均大于6m。

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Effects of Vegetation Coverage and Banded Repair on Near-surface Wind velocity Profile

Si Zhimin, Liu Haiyang, Chen Zhi, Xuan Chuanzhong, Song Tao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Experimental researches have been done using portable wind speed profile meter on degraded grasslands with different vegetation coverage and shrub belt configuration, respectively.The results show that the greater the surface vegetation coverage,the more obvious its effect on reducing wind speed and wind erosion prevention. Compared the wind speed at 2 cm and 64 cm high from the surface,72.4%, 67.1%, 61.7% and 44.9% of the wind speed have been reduced ,respectively, when the surface coverage ratio are 85%, 35%, 20% and less than 5%. Meanwhile, the higher the shrub belt, the wider the effective protection distance. For the shrub and herbaceous plant with banded configuration, when the plant height is higher than 0.7 m , its effective protection distance can reach not less than 6 m. Therefore, increasing the surface vegetation coverage ratio and height of shrub and herbaceous plant have a great influence on wind speed profile of near surface, have significant effect on reducing wind erosion.

Key words：vegetation coverage ratio; banded repair； wind erosion; wind speed profile; anti-erosion efficiency

通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士，(E-mail) chz6653@sohu.com。

作者簡(jiǎn)介：司志民(1989-)，男，河北張家口人，碩士，(E-mail)hbsizhimin@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40861013，41361058)

收稿日期：2015-09-27

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.4+33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0178-05