基于防風效益的毛烏素沙地沙柳灌叢平茬方法優(yōu)選

裴志永，段廣東，郝少榮，喬敬偉，秦 偉

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基于防風效益的毛烏素沙地沙柳灌叢平茬方法優(yōu)選

裴志永1，段廣東1，郝少榮1，喬敬偉1，秦 偉2

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學院市政與路橋工程學院，呼和浩特 010070）

針對當前毛烏素沙地沙柳灌叢衰退問題，設計維持叢狀結(jié)構(gòu)特征可持續(xù)的生態(tài)平茬方法，研究不同平茬方法下沙柳灌叢的風場結(jié)構(gòu)與防風效益，為今后毛烏素沙地沙柳生態(tài)平茬提供理論指導。試驗設定6種平茬強度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，為灌叢蓬徑），3種平茬模式（模式A：按平茬強度沿主風向從灌叢迎風面向背風面平茬、模式B：按平茬強度沿主風向從灌叢兩側(cè)向中間同時平茬、模式C：按平茬強度沿主風向從灌叢中間1/2處同時向兩側(cè)平茬，下同）來維持灌叢結(jié)構(gòu)的可持續(xù)存在，分析平茬后灌叢保留結(jié)構(gòu)的自身形態(tài)參數(shù)和防風效益的關(guān)系，并依此選出最優(yōu)平茬方法。試驗結(jié)果表明：平茬強度在0～0.4范圍內(nèi)，模式A和B的灌叢形態(tài)參數(shù)和防風效益指標均無顯著變化，但模式B防風效益優(yōu)于模式A；而強度為0.6及以上，3種平茬模式下，背風面的風速降幅均明顯減小，防風距離逐漸縮短，與原灌叢防風效益差異顯著，強度為0.4是防風效益發(fā)生突變的臨界點。對防風效益影響最大的形態(tài)參數(shù)是疏透度。研究得出合理的平茬方法為：沙柳灌叢以模式B進行平茬，平茬強度為0.4。

風；侵蝕；優(yōu)化；沙柳；平茬；防風效益

0 引 言

沙柳（）是毛烏素沙地典型的優(yōu)勢灌木，較耐旱、抗沙埋、萌蘗力強、生長迅速，為優(yōu)良的固沙先鋒樹種，具有很高的經(jīng)濟價值和防風固沙的生態(tài)價值[1-3]。長期以來，風沙流由于受沙柳灌叢的影響，沙物質(zhì)不斷在灌叢及其周圍堆積[4-5]，沙柳根系互相纏繞固結(jié)沙物質(zhì)而形成沙柳沙丘[6-7]。沙柳灌叢常以單株形式分布，通過分解風力和阻擋流沙來防風固沙[8-9]，并對沙丘背風面中下部區(qū)域草本植物起到防護作用。

在沙柳的經(jīng)營管理中，依據(jù)其自身生物學特性，需要每3～5年對其進行平茬復壯，否則沙柳就會出現(xiàn)衰退和死亡現(xiàn)象[10]。當前平茬常以粗放的整株皆伐手段為主，平茬后地表粗糙度降低[11]，在強風侵蝕下，沙丘沙物質(zhì)大量流失，導致灌叢根部裸露，從而加劇了沙柳的衰退和死亡，達不到平茬復壯的目的。因此，針對沙柳灌叢，迫切需要設計一種可維持沙柳叢狀結(jié)構(gòu)特征的平茬撫育方法，使其在實現(xiàn)平茬復壯目的同時，灌叢保留叢狀結(jié)構(gòu)又可以持續(xù)發(fā)揮其防風固沙功能。

沙柳灌叢作為大氣邊界層凸起的障礙物，由于形態(tài)的不同在其周圍形成特定的氣流結(jié)構(gòu)[6]，進而影響其防風能力。但平茬處理使沙柳灌叢形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而周圍氣流結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。以往有關(guān)于灌木對氣流結(jié)構(gòu)的影響研究主要集中在原狀整株灌叢。Hesp[12]最早通過野外考察，研究了海岸帶（草）灌叢附近流場特征；屈志強等[13]應用空氣動力學原理研究了單株灌木對氣流結(jié)構(gòu)和土壤風蝕的作用；馬士龍等[14]應用二維圓柱繞流理論模型，探討了單一白刺灌叢堆周圍風速流場和其防風效應；Wasson等[15]將單株植物及其周圍細劃為5個風速區(qū)，進一步探究了植物周圍風速變化規(guī)律。但以往基于原狀整株灌叢所得出的結(jié)論對于平茬處理后的灌叢保留結(jié)構(gòu)是否仍適用，平茬后調(diào)控氣流結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵灌叢形態(tài)參數(shù)與前人結(jié)論是否一致，仍缺乏深入的實證研究。

本文以形成沙丘的單株沙柳灌叢為研究對象，以不同模式和強度進行維持沙柳叢狀結(jié)構(gòu)特征的平茬試驗，測定灌叢平茬前后形態(tài)參數(shù)和氣流結(jié)構(gòu)的變化，通過對沙柳不同形態(tài)結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的防風功能指標進行分析評價，最終選出最優(yōu)的平茬處理模式和強度，研究結(jié)果以期為今后毛烏素沙地沙柳生態(tài)平茬提供理論指導。

1 研究區(qū)概況

研究地點選在地處毛烏素沙地腹部的烏審旗烏蘭陶勒蓋國有林場。地理位置109°12′E，38°52′N，總面積309 km2，流沙面積152 km2。屬溫帶半干旱半荒漠性氣候，年平均氣溫7.5 ℃，有效積溫約2 800 ℃，年溫差30 ℃，平均日溫差13.3 ℃，年日照時數(shù)2 800 h，年平均風速3.4 m/s，全年風向以西北風為主，年風沙日數(shù)100～252 d，多集中在3～5月，當?shù)仄鹕筹L速為5.0 m/s。平均降水量300 mm，年平均蒸發(fā)量2 100 mm，干燥度1.9。土壤以栗鈣土為主，伴有少量棕鈣土。當?shù)刂饕烊还嗄居校荷沉ǎ齿铮ǎ?，檸條（），楊柴（），沙棘（）。

2 研究方法

于2018年4月5日－13日期間進行試驗，選取沙柳生長狀況較好的區(qū)域作為試驗樣地，面積為200 m× 100 m，樣地地勢平坦，零星分布著半固定沙丘，沙柳覆蓋度為15%～25%，沙柳種植年份為1987年，曾于2010年進行過平茬復壯。灌叢下部沙丘形態(tài)特征為球冠狀沙包，縱剖面有兩個不對稱的斜坡，迎風坡陡而短，背風坡緩而長，其垂直投影接近于橢圓形[8]，沙丘走向均呈NW-SE。為了消除地形、草本等對風場的干擾，對距試驗灌叢20 m以內(nèi)的區(qū)域進行平整，去除樣地內(nèi)的天然植被，試驗場地滿足風速試驗要求，試驗現(xiàn)場實況如圖1。在4月上旬，沙柳灌叢多為硬度很高的枝條，枝葉還沒有展開，沙柳灌叢結(jié)構(gòu)為疏透結(jié)構(gòu)，不用考慮枝葉對試驗的影響，可近似認為理想的輕微繞流場[13]。

圖1 試驗現(xiàn)場實況

2.1 灌叢平茬設計

本試驗設計了能保護叢狀結(jié)構(gòu)可持續(xù)的生態(tài)平茬撫育方法：針對單株沙柳灌叢，以部分枝條為基本平茬單元，平茬去掉灌叢幾個單元，保留剩余各單元以維持灌叢的叢狀結(jié)構(gòu)[10]。平茬基本單元劃分以單株灌叢垂直投影圓面積直徑（蓬徑）為基準，設灌叢蓬徑為，沿主風向?qū)⒐鄥才顝?0等分，每一等分長度為0.1，其所對應的帶狀部分枝條構(gòu)成一個基本平茬單元，本試驗設置6個平茬強度梯度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0），劃分單元時，對分界線上的枝條，視枝條直徑總體在哪一基本單元為判定標準[10]。設計了3種平茬模式：依照當?shù)刂黠L向，按平茬強度沿主風向從灌叢迎風面向背風面平茬為模式A、按平茬強度沿主風向從灌叢兩側(cè)向中間同時平茬為模式B、按平茬強度沿主風向從灌叢中間1/2處同時向兩側(cè)平茬為模式C。具體單株沙柳灌叢的基本平茬單元劃分方法和平茬模式描述如圖2所示。留茬高度為5 cm[3]。

圖2 平茬模式的試驗設計

2.2 樣株形態(tài)參數(shù)測量

選取3株生長狀況均良好且植株大小相似的沙柳灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作為試驗對象，對灌叢形態(tài)參數(shù)及其下部沙丘形態(tài)參數(shù)使用卷尺進行測量，小組3人各測量一次，記錄并取平均值，下同。測量指標為沙堆長（），沙堆寬（），沙堆高（），灌叢高度（），冠幅（），其中沙堆長（）為沿主風向沙堆長度，沙堆寬（）為垂直主風向沙堆寬度，沙堆高（）為沙堆頂部距離地面的高度[16-17]，冠幅（）為垂直于主風向的最大灌叢寬度，灌叢高度（）為灌叢最高高度，測量結(jié)果見表1。在按預定試驗方案實施完平茬作業(yè)后，測量計算各平茬模式下各平茬強度（平茬強度為1.0時除外）對應的灌叢高度（）、冠幅（）、疏透度（），迎風面?zhèn)扔懊娣e（），其中疏透度（）是利用數(shù)碼相機和MATLAB軟件結(jié)合計算求得；在測量基礎(chǔ)上，對迎風面?zhèn)扔懊娣e（）用扇形面積公式估算（1/2）。

表1 沙丘形態(tài)參數(shù)與沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)

2.3 風速觀測

試驗采用QY-05多通道風速風向監(jiān)測站，該儀器通道數(shù)為23，1個為風向通道，風向測量范圍為16個方向（360度）；其余都為風速通道，風速測量范圍為0～32.4 m/s，測量精度為±(0.3+0.03) m/s (實際風速)，可以測實時風速和平均風速，本次試驗前用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學OFDY-1.2型風蝕風洞對風速儀進行校準。試驗以期在同一高度下設置盡可能多的觀測點，研究灌叢周圍風速變化情況，但受限于儀器數(shù)量（一套）和通道數(shù)，故試驗只設置2個觀測高度。本文旨在研究沙柳灌叢對風速的影響，沙丘作為其下部實體障礙物，水平氣流只能繞過沙丘兩側(cè)在背風面匯合[6]，且由表1中可以看出，試驗所選植株形成的灌叢沙丘形態(tài)參數(shù)遠小于灌叢自身形態(tài)參數(shù)，對灌叢周圍整體氣流結(jié)構(gòu)影響相對較小，故本文對沙丘周圍氣流結(jié)構(gòu)未做考慮。測點風杯布置時應高于沙丘平均高度，因此，選取50 cm為一測量高度；對樣株的形態(tài)參數(shù)測量時發(fā)現(xiàn)，沙柳灌叢在200 cm左右高度時冠幅直徑達到最大，冠幅和氣流結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，因此選取200 cm為另一測量高度。在曠野距試驗所選灌叢20 m處，50和200 cm高度設置風向風速對照組（風向高度為200 cm）。此外分別在灌叢的迎風面1、2，背風面1、3、5、7，側(cè)面1、2處布置測點（為單個植株高度）[18]，各測點在高度為50 cm、200 cm處安置風杯[19]。對選取的3株沙柳灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）分別以設計的3種平茬模式，按平茬強度梯度依次平茬，并依次分時段進行風速觀測，各平茬強度下重復觀測3次，每次觀測時間為20 min，數(shù)據(jù)記錄間隔為5 s，具體布置如圖3。

2.4 數(shù)據(jù)處理

選取儀器軸向布置和來流風向一致的風向風速數(shù)據(jù)組，當?shù)仄鹕筹L速為5.0 m/s，風速達到起沙風速時風沙活動明顯[20]，為研究沙丘易風蝕狀態(tài)下灌叢周圍風場變化，應剔除曠野風速小于5.0 m/s的數(shù)據(jù)組，將3種平茬模式不同平茬強度下2個高度對應點的數(shù)據(jù)值進行平均，利用Origin 9.0軟件繪制3種模式在50和200 cm高度處的水平風速變化圖。為了進一步研究單株沙柳的防風效益，本文引進無量綱指標風速衰減率（）和風速恢復率（），如下式。

注：H為植株高度。

式中min為風速衰減劇烈值；0為來流風速值，m/s。

式中V為背風面點處風速值；0為來流風速值，m/s。

組織病理學檢查在肝衰竭診斷、分類及預后判定上具有重要價值，但由于肝衰竭患者的凝血功能嚴重降低，實施肝穿刺具有較高的風險，在臨床工作中應特別注意。肝衰竭發(fā)生時（慢性肝衰竭除外），肝臟組織學可觀察到廣泛的肝細胞壞死，壞死的部位和范圍因病因和病程的不同而不同。按照壞死的范圍程度，可分為大塊壞死（壞死范圍超過肝實質(zhì)的2/3），亞大塊壞死（約占肝實質(zhì)的 1/2～2/3），融合性壞死（相鄰成片的肝細胞壞死）及橋接壞死（較廣泛的融合性壞死并破壞肝實質(zhì)結(jié)構(gòu)）。在不同病程肝衰竭肝組織中，可觀察到一次性或多次性的新舊不一肝細胞壞死病變。

由2個指標含義可知，風速衰減率可以衡量沙柳灌叢對風削弱程度，而風速恢復率可以衡量風速是否已經(jīng)恢復到來流風速。利用SAS 9.0將不同平茬強度和模式下灌叢形態(tài)參數(shù)和防風效益進行統(tǒng)計分析，用方差分析法檢驗差異性。同時對灌叢形態(tài)參數(shù)與防風效益指標進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同平茬模式下灌叢形態(tài)參數(shù)變化

灌叢的防風功能主要受自身形態(tài)參數(shù)的影響，平茬作業(yè)必然會使沙柳灌叢結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變，表2是平茬過程中沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果。

由表2可知，平茬強度為0（未平茬）時，3種模式的形態(tài)參數(shù)差異性不顯著，說明試驗所選3株灌叢（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）結(jié)構(gòu)差異較?。辉诓煌讲鐝姸认?，3種平茬模式的沙柳灌叢形態(tài)參數(shù)均存在差異（＜0.05），模式A和B在0～0.4平茬強度范圍內(nèi)，隨著平茬強度的增加，形態(tài)參數(shù)與平茬前比狀態(tài)變化不明顯，0.6及以上與平茬前相比差異逐漸明顯，而模式C變化趨勢與之相反；以不同強度進行平茬時，3種平茬模式對應的沙柳灌叢的高度、冠幅和迎風面?zhèn)扔懊娣e均為模式B最大，模式A次之；平茬強度為0.2和0.4下，3種模式對應的疏透度與平茬前比差異均不明顯，模式A、B、C在平茬強度0時，疏透度分別為0.4和0.6時的43.8%、62.6%、56.8%和29.2%、42.2%、34.7%，0.4與0.6灌叢疏透度差異顯著。

表2 沙柳平茬過程中形態(tài)參數(shù)變化情況Table 2 Changes in morphological parameters of Salix psammophila during stumping

注：同列標有不同大寫字母表示不同平茬強度間差異顯著（<0.05），而不同小寫字母表示相同平茬強度下不同平茬模式間差異顯著（<0.05）。

Note: Different capital letters in the same column indicate significant difference between different stump intensities at<0.05, and different small letters indicate the difference between different stump modes under the same stump intensities at<0.05.

3.2 風速變化特征

本試驗所選沙柳植株為疏透結(jié)構(gòu)，從圖4可以看出，3種平茬模式下2個高度風速都呈現(xiàn)出迎風面2處風速均大于處的風速，背風面處的風速降幅最大，之后在逐漸恢復到曠野風速，而側(cè)面處風速大于2處的風速。

在背風面處，隨著平茬強度的增大，3種平茬模式在強度為0～0.4范圍內(nèi)風速降幅逐漸減小，但幅度不太明顯，在平茬強度大于0.4之后，50 cm處降幅出現(xiàn)明顯減小，模式A、B、C的平茬時強度為0.4時風速分別為對應曠野風速的53.7%、52.5%、69%，對風削減能力較強。而0.6時風速分別為對應曠野風速的64%、61.8%、78.2%，此時對風削減能力較弱。兩者在50 cm高度處對風速消減的能力平均相差9.6%。平茬強度大于0.4后，對風削減能力出現(xiàn)相對明顯的減弱；200 cm處由于沙柳冠層較為開放導致對風攔截能力較差而降幅減小不顯著，模式A、B、C在0.4時風速分別為對應曠野風速的79.5%、74%、85.7%，而0.6時風速分別為對應曠野風速的86.2%、78.3%、89%。

在側(cè)面C點50 cm高度處，3種平茬模式在強度為0～0.4范圍內(nèi)時風速均大于來流風速，灌叢側(cè)面為風速加速區(qū)，這意味著在此平茬強度范圍內(nèi)由于灌叢結(jié)構(gòu)的影響，一部分氣流無法直接通過灌叢，風場中發(fā)生繞流現(xiàn)象，0.4之后，側(cè)面風速逐漸減小，繞流現(xiàn)象逐漸減弱，1.0時的輕微繞流現(xiàn)象可能由灌叢沙丘所引發(fā)；C點200 cm高度處，由于此高度為灌叢的冠層，冠層較為開放，3種平茬模式下的繞流現(xiàn)象明顯弱于50 cm高度處，且只在平茬強度為0～0.2范圍內(nèi)繞流現(xiàn)象存在。

在迎風面-點處，受灌叢和沙丘的阻擋作用，氣流在此形成減速區(qū)，50 cm高度，模式A、B和C在平茬強度在0～0.4范圍內(nèi)風速分別平均降低13.2%、13.4%和11.6%，而在0.4～1.0范圍內(nèi)風速分別平均降低7.4%、7.8%和6.8%； 200 cm高度，3種模式下的風速降幅顯著較低，模式A、B和C在平茬強度在0～0.4和0.4～1.0范圍內(nèi)風速分別平均降低8.4%、8.9%、7.8%和6.2%、6.4%、5.75%，0.4前后風速降的降幅區(qū)別明顯。綜合考慮，可以初步推論平茬強度為0.4是風場中發(fā)生顯著變化的臨界點。

3.3 防風效益比較

單株沙柳的防風效益主要體現(xiàn)在防風距離和風速降幅上[14]。由圖4可以看出，沙柳灌叢在3種平茬模式不同平茬強度下背風面點風速降到最低，這是由于氣流在其背風面的分離使剪切力在此處降至最低值而導致[21]，背風面點能有效衡量風速的降幅，min取為點處風速。之后隨距離增加逐漸恢復，但直到本試驗背風面末端測點7處，各平茬模式和強度下風速仍有明顯差異，若7點處恢復為曠野風速，表明防護距離＜7；反之，則表明防護距離≥7H，故V選為7點處風速。分析不同平茬強度下的風速衰減率（）和風速恢復率（），得出表3。

注：A-50 cm指在模式A平茬作業(yè)下，觀測高度為50 cm處的風速水平變化規(guī)律，余同。

表3 防風效益指標（ANOVA）方差分析Table 3 Variance analysis (ANOVA) of wind control benefit index

注：不同大寫字母表示相同高度下不同平茬強度間差異顯著（<0.05）。不同小寫字母表示相同高度下不同平茬模式間差異顯著（<0.05）。

Note: Different capital letters indicate significant difference between different stump intensities under the same height , and different small letters indicate the difference between different stump modes under the same height at<0.05.

模式A、B和C的值在不同強度下差異均不顯著；模式C在50 cm高度的值明顯高于模式A和B，與模式A和B有顯著差異，模式B的值最低，模式B所對應灌叢對風削弱程度最大；200 cm高度的值在不同平茬強度下均呈模式C＞模式A＞模式B變化規(guī)律，且模式B與C差異性顯著，模式B與A差異不顯著，但模式B的值在不同強度下均低于模式A。模式B在風速降幅上優(yōu)于模式A和C，且模式B有助于沙柳老齡枝條的平茬復壯。

3.4 灌叢形態(tài)參數(shù)與防風效益相關(guān)性分析

植株形態(tài)對其防風效應有重要影響[15]。平茬使沙柳灌叢形態(tài)發(fā)生明顯的變化（表2），形態(tài)的變化直接影響著灌叢的防風效益，模式B在平茬臨界點的風速降幅上優(yōu)于模式A和模式C，模式B在平茬過程中防風效益最有利的形態(tài)指標變化幅度較小，為了進一步研究并找出對防風效益最有利的灌叢形態(tài)參數(shù)，進行相關(guān)性分析，表4是單株灌叢在平茬模式B的不同平茬強度下的冠幅、灌叢高度、疏透度、迎風面?zhèn)扔懊娣e與風速恢復率（）和風速衰減率（）之間的相關(guān)分析結(jié)果。

表4 防風效益指標與形態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析Table 4 Correlation Analysis between wind control benefit index and morphological parameters of shrub

Note:**＜0.01；*＜0.05.

從表4得知，各形態(tài)參數(shù)共同作用影響防風效益，風速恢復率和風速衰減率與灌叢冠幅、灌叢高度、疏透度、迎風面?zhèn)扔懊娣e之間有著顯著的相關(guān)性，200 cm處的相關(guān)性比50 cm處的相關(guān)性更為顯著；疏透度與風速恢復率和風速衰減率有顯著相關(guān)性。在50 cm高度處，疏透度與風速恢復率和風速衰減率相關(guān)系數(shù)分別為0.954、0.971（＜0.05），占分析指標中最高，灌叢高度和風速恢復率之間也有著較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)2= 0.891（＜0.05），冠幅和迎風面?zhèn)扔懊娣e與風速衰減率的相關(guān)系數(shù)同為0.949（＜0.05）。在200 cm高度處，風速恢復率與疏透度之間相關(guān)性最顯著，迎風面?zhèn)扔懊娣e相其次；風速衰減率與各形態(tài)參數(shù)指標之間在＜0.01下相關(guān)性都較高，相關(guān)系數(shù)之間疏透度（0.985）＞灌叢高度（0.977）＞冠幅（0.972）＞迎風面?zhèn)扔懊娣e（0.971）。

4 討 論

穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)可使灌叢持續(xù)的發(fā)揮其防風功能，但平茬必然要破壞灌叢結(jié)構(gòu)，灌叢結(jié)構(gòu)的改變所引起的氣流變化直接影響到灌叢的防風效益[21-22]。如何建立起有效維持沙柳灌叢結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定的科學平茬方法，使其既滿足復壯平茬量的控制要求，又不至于使防風效益受平茬影響而發(fā)生劇烈變動，最終通過平茬調(diào)控實現(xiàn)灌叢復壯更新且能持續(xù)發(fā)揮其防風功能，這是本研究所確立的科學問題。

研究樣地位于毛烏素沙地南緣，該地近年來在防沙治沙工程實施下，有力的提高了植被覆蓋度，地表較穩(wěn)定，2018年4月實測起沙風速為5.0 m/s，大于以往研究所測起沙風速[13,19]。本研究發(fā)現(xiàn)灌叢周圍風速變化趨勢主要是由其自身形態(tài)變化趨勢決定的，兩者具有統(tǒng)一性，這與譚鳳翥等[23]在風洞下對檉柳灌叢三維流場分析所得結(jié)果趨勢一致。屈志強等[13]，馬士龍等[14]，王成龍[24]，烏拉等[25]對原狀天然灌叢二維流場的研究表明，灌叢迎風面存在一個減速區(qū)，頂部及兩側(cè)為加速區(qū)，背風面存在一個靜風區(qū)和一個尾流區(qū)，風場中存在繞流現(xiàn)象；張萍等[26]通過觀測單個獨立油蒿灌叢氣流結(jié)構(gòu)，得出氣流流速在接近灌叢時有所降低，在灌叢背風側(cè)達到最小，此后氣流速逐漸回升，與本研究中平茬強度在0～0.4范圍內(nèi)結(jié)果一致，這是由于氣流流經(jīng)灌叢時，受到沙丘和灌叢的阻擋作用，在迎風面形成渦旋，使風動能少[11]，迎風面風速有所降低，形成減速區(qū)；之后氣流被分為兩部分，一部分氣流通過灌叢，通過灌叢時，渦旋會被枝條分解成若干較小的渦旋，小渦旋形成標志著湍流能量的減弱，風動能劇烈衰減，風速迅速降低，在背風面形成弱風區(qū)，隨著距離的增大，逐漸恢復到曠野風速[27]；另一部分氣流發(fā)生輕微繞流現(xiàn)象，從灌叢和沙丘兩側(cè)及頂部繞過并在背風面匯合，灌叢側(cè)面形成加速區(qū)[14,28]。在平茬強度超出0.4后，灌叢結(jié)構(gòu)變化顯著，灌叢結(jié)構(gòu)周圍的氣流有所改變，風場中風速雖有所衰減，并具有風速恢復區(qū)域，但不存在繞流現(xiàn)象。結(jié)合烏拉等[25]通過野外試驗研究不同形態(tài)結(jié)構(gòu)沙蒿灌叢得到的灌叢氣流結(jié)構(gòu)特征結(jié)果：疏透結(jié)構(gòu)的沙蒿灌叢，氣流雖然受到灌叢的阻擋和摩擦作用，但是大部分氣流不改變運行方向，均勻穿過灌叢，僅存在輕微繞流現(xiàn)象，透風結(jié)構(gòu)的灌叢，風速也有所衰減，并具有較長的風速恢復區(qū)域，但不存在繞流現(xiàn)象。沙柳灌叢較沙蒿灌叢高，且枝條剛度也較沙蒿大，理論上，沙柳更容易發(fā)生繞流現(xiàn)象。但對比分析后發(fā)現(xiàn)，繞流現(xiàn)象強弱主要受疏透度這一指標所控制，對不同灌木種來說，只要疏透度相近，繞流強度也基本相近。本文綜合分析灌叢形態(tài)參數(shù)變化、風速水平變化和防風效益指標均表明平茬強度為0.4是灌叢結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生突變的臨界點，在0～0.4范圍內(nèi)存在繞流現(xiàn)象，0.4之后此現(xiàn)象逐漸減弱，這主要是由于各平茬強度下灌叢結(jié)構(gòu)的差異所造成。具體繞流程度可以利用大量觀測點數(shù)據(jù)做插值作風速等值線圖來直觀反映，但本研究由于試驗條件的限制，無法在同一高度設置大量觀測點，只研究了2個高度處風速水平變化特征，尚不能精確反應出灌叢周圍風場的整體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。且只選擇3株灌叢作為供試材料，通過設定重復觀測次數(shù)分析不同平茬作業(yè)間的防風效益，不同尺寸大小的灌叢，在同一平茬作業(yè)下，其防風效益差異是否顯著，這需針對每種平茬模式在不同植株大小等級上設置足夠的重復組來加以對比驗證，本文未就此方面做深入的探討，這些是本試驗的不足之處，也是日后急需開展的工作。由于野外試驗較難控制干擾因素，為更好的利用風沙兩相流理論來客觀分析灌叢流場特性，在今后將借助風洞開展深入研究。

灌叢防風效益受控于灌叢形態(tài)參數(shù)。Wang等[17]對沙柳灌叢植株形態(tài)與氣流結(jié)構(gòu)野外觀測研究表明，真正決定植被防風效益的因素是植被迎風方向的側(cè)影面積，側(cè)影面積的大小由植株高度、冠幅和疏透度等形態(tài)特征綜合決定的；蘇日格嘎等[29]對科爾沁沙地三種沙蒿植株的研究表明，沙生植物對擋風效應的影響主要來自于植株的大小。而本文相關(guān)分析結(jié)果表明，形態(tài)參數(shù)中的疏透度對防風效益影響最顯著，與蘇日格嘎等的研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，是由于受試材料和研究方法的不同，蘇日格嘎等主要研究已經(jīng)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的3種沙蒿植株特征與防風功能之間的關(guān)系，生長在同一地區(qū)的3種沙蒿在形態(tài)外貌上表現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu)型，不同種沙蒿間疏透度差異不大，防風效益主要取決于植株的大小。而本文是通過細分沙柳灌叢平茬單元，研究在平茬過程中不同保留叢狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)參數(shù)與其防風效益的關(guān)系，結(jié)果顯示當平茬達到一定強度時，其疏透度與未平茬狀態(tài)時差異顯著，此時，相比植株大小，其對防風效益的影響占主導地位。孫濤等[30]以疏透度為控制因子通過風洞試驗研究了仿真固沙灌木的防風效益，結(jié)果表明枝條密度越大的仿真固沙灌木防風效益越明顯，本文野外實測所得結(jié)果印證了其在風洞條件下模擬所得的結(jié)果。

5 結(jié) 論

1）平茬強度在0～0.4（為灌叢蓬徑）范圍內(nèi)時，平茬后沙柳保留結(jié)構(gòu)的形態(tài)參數(shù)與平茬前的差異不明顯，而當強度達到0.6時，與0.4強度平茬下保留結(jié)構(gòu)相比，疏透度具有顯著差異性（＜0.05）；平茬后防風效益指標的變化也呈現(xiàn)類似的差異規(guī)律；平茬強度為0.4和0.6間相比，保留灌叢對風的消減能力差異明顯，在背風面點500 cm高度處兩者平均相差9.6%；因此，平茬時保留一定枝條量的灌叢能夠起到和原灌叢相近的防風效能，相比當前整株平茬作業(yè)模式，本研究對灌叢施以維持其叢狀結(jié)構(gòu)特征可持續(xù)的平茬作業(yè)模式更為科學合理。

2）防風效益受疏透度和灌叢高度的顯著影響（＜0.05），今后應綜合考慮這兩個指標來設計更為科學合理的平茬作業(yè)模式。

3）從防風效益的角度考慮，在對當?shù)厣沉鄥财讲鐣r，應以模式B（沿主風向從灌叢兩側(cè)向中間同時平茬）進行，且最優(yōu)平茬強度為0.4（迎風側(cè)和背風側(cè)各平茬1/5灌叢蓬徑對應的帶狀部分枝條）。

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Optimization of stumping method based on wind control benefit forshrub in Mu Us sandy land

Pei Zhiyong1, Duan Guangdong1, Hao Shaorong1, Qiao Jingwei1, Qin Wei2

(1.,010018,; 2.,,010070,)

In order to solve the problem of shrub decline in Mu Us sandy land, ecological flat stumping method was designed to make the shrub stay the characteristic of plexus structure sustainably. The wind field structure and wind control benefit ofin different stump method were studied. Then the theoretical guidance can be provided to Mu Us sandy land in the future. Up to date, few studies are conducted to investigate the wind field structure andwind control benefit of shrub in Mu Us sandy land.The test set includes 6 kinds of flat stump intensity (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, whereis fluffy diameter of shrub), 3 kinds of flat stump model (model A: stump from the shrub windward face to leeward according to the flat stump intensity along the direction, model B: stump on both sides of the shrub at the same time according to the flat stump intensity along the direction, model C: stump on both sides of the shrub at the same time from the shrub’s middle 1/2 faults according to the flat stump intensity along the direction the same below) to stay the exist of the characteristics of the shrub structure sustainably. The morphological parameters of dune were measured, and the redundant natural vegetation will influence the test. The other indexes of the shrub and the wind’s indexes which were also measured relatively. Relationship between morphological parameters and wind control benefit of the shrub after stumping was analyzed, then the best method of stump can be elected according to the result.The test result showed: there were no significant changes for shrub’s morphological parameters and the wind control benefits of both mode A and mode B within the range of 0-0.4of the stumping intensity. However, according to the wind control benefits, mode B is better than mode A when the stumping intensity is 0-0.4. When the stumping intensity was 0.6and above of which, the speed of wind decreased significantly on the leeward side, and the wind control’s distance shortened gradually in all 3 modes. The stumping intensity of 0.4was a critical point of the mutation. According to this research and comparison with the other studies, there were unity between the morphological parameters and wind control benefit of the shrub, and the change of morphological parameters decided the wind control benefit immediately. Flow structure will change obviously when the stumping more than 0.4.In addition, in spring, when the branches and leaves ofwere not yet unfolded, there also was a significant correlation between the wind control benefits and each morphological parameters and the porosity of shrub, but the correlation within the wind control benefits and porosity of shrub was the biggest, which indicated that the morphological parameter that performed the greatest impact on wind control benefits was porosity of shrub. It was also found that a reasonable stumping method was following:shrubs on fixed dunes should be stumped with mode B, and the stumping intensity was recommended to be 0.4.

wind; erosion; optimization;; stumping; protection benefit

裴志永，段廣東，郝少榮，喬敬偉，秦 偉. 基于防風效益的毛烏素沙地沙柳灌叢平茬方法優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(4)：153－161. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019 http://www.tcsae.org

Pei Zhiyong, Duan Guangdong, Hao Shaorong, Qiao Jingwei, Qin Wei. Optimization of stumping method based on wind control benefit forshrub in Mu Us sandy land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 153－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019 http://www.tcsae.org

2018-07-24

2019-01-14

國家自然科學基金（31400622）；內(nèi)蒙古自然基金（2016MS0337）

裴志永，博士，副教授。主要從事森林資源開發(fā)與環(huán)境工程研究。Email：peizhiyong@imau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019

S753.7

A

1002-6819(2019)-04-0153-09