烏蘭布和沙漠東北部麥草沙障防風(fēng)固沙效果研究

肖巍　喬保軍　范海朋

摘要：機(jī)械沙障是主要的固沙措施，也是生物治沙的前提。以烏蘭布和沙漠東北部流動(dòng)沙丘為研究對象，在沙丘迎風(fēng)坡布設(shè)了3種不同規(guī)格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麥草沙障，并測定了麥草沙障鋪設(shè)前、后沙丘不同部位不同高度處的風(fēng)速、輸沙量。結(jié)果表明：流動(dòng)沙丘鋪設(shè)麥草沙障后，地表粗糙度顯著增加;3種不同規(guī)格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麥草沙障對沙丘地表粗糙度改變程度不同，障格越小粗糙度改變越明顯;綜合考慮固沙效果和鋪設(shè)成本，建議研究區(qū)應(yīng)以1.5m×1.5m的麥草障格為宜;與裸沙丘相比，鋪設(shè)麥草沙障后相對輸沙量在0～4cm層減少，特別是0～2cm層更為顯著，在4～30cm層內(nèi)增多。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速;粗糙度;輸沙量;風(fēng)沙流結(jié)構(gòu);麥草沙障;烏蘭布和沙漠

中圖分類號：S152.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：肖巍（1987-），男，工程師。研究方向：生態(tài)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境影響評價(jià)。

我國是世界上受荒漠化影響較大的國家之一，政府歷來非常重視荒漠化防治。自20世紀(jì)50年代末，我國即開始開展防沙治沙工作，經(jīng)過近70a的研究，創(chuàng)造了很多世界領(lǐng)先的荒漠化防治技術(shù)與模式，也涌現(xiàn)出一批治沙英雄。如寧夏中衛(wèi)沙坡頭包蘭鐵路“五位一體”防沙固沙模式、塔克拉瑪干沙漠穿沙公路防沙治沙技術(shù)體系、內(nèi)蒙古庫布其模式、甘肅古浪縣八步沙、寧夏白芨灘、山西右玉等。盡管我國的防沙治沙工作已經(jīng)取得很大的成效，大面積沙化土地被綠化，如塞罕壩林場、陜西榆林毛烏素沙地全面增綠等。但是，在一些自然環(huán)境條件比較惡劣的沙區(qū)，防沙治沙難度較大，風(fēng)蝕沙埋對國家大型工程、百姓生產(chǎn)生活仍然影響很大，如交通線路被沙埋、輸油管道被吹蝕、風(fēng)沙入黃等。對于這些自然條件嚴(yán)酷之地，生物措施很難實(shí)施、甚至無法實(shí)施，因此需通過布設(shè)非生物固沙措施來實(shí)現(xiàn)防沙固沙。其中，機(jī)械沙障是最主要的非生物防沙治沙措施，也是植物治沙的前提和必要條件[1-4]。機(jī)械沙障通過改變沙丘下墊面性質(zhì)，增加地表粗糙程度來降低風(fēng)速，減弱風(fēng)蝕，達(dá)到防風(fēng)固沙的效果[5-9]。前人對機(jī)械沙障的防風(fēng)固沙機(jī)理、效果等方面開展了大量研究，而且機(jī)械沙障的材料目前也是形式多樣、結(jié)構(gòu)功能各不相同。如麥草、粘土、礫石、沙柳、土工布、尼龍網(wǎng)、聚乙烯（PE）沙網(wǎng)沙障、聚乳酸纖維（PLA）沙障、防沙柵欄等[5-17]。機(jī)械沙障在設(shè)置時(shí)，考慮防護(hù)效果的同時(shí)，還要考慮就地取材、價(jià)格低廉、施工方便等因素。

地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的烏蘭布和沙漠是中國8大沙漠之一，行政區(qū)劃隸屬于阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市。眾多研究表明，烏蘭布和沙漠是單位長度內(nèi)使黃河含沙量增幅最大的地區(qū)之一，目前流動(dòng)沙丘直入黃河的長度已增至41.5km，總?cè)朦S沙量達(dá)0.60億m3·a-1，占黃河輸沙量的4.4%[18]。早在20世紀(jì)50年代，烏蘭布和沙漠周邊群眾就已開始在烏蘭布和沙漠造林治沙，并在沙漠東北邊緣營造了長176km、寬300～500m的我國第1條大型防沙林帶，有效地阻止了風(fēng)沙侵入河套綠洲。由于河套平原地區(qū)大面積種植春小麥，麥稈為當(dāng)?shù)卦O(shè)置沙障提供了大量的原材料。截至目前，麥草沙障依然是當(dāng)?shù)劁佋O(shè)機(jī)械沙障的首選材料。然而，盡管麥草沙障在烏蘭布和沙漠的防沙治沙當(dāng)中起到了至關(guān)重要的作用，但目前對其防風(fēng)固沙效果的研究卻相對較少，沒有量化其防風(fēng)固沙效果。基于此，本研究選擇烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)沙活動(dòng)較為強(qiáng)烈的劉拐沙頭為研究區(qū)，在流動(dòng)沙丘不同部位迎風(fēng)坡鋪設(shè)了3種不同規(guī)格（1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m）的麥草沙障，并測定沙障鋪設(shè)前后不同位置的風(fēng)速和輸沙量，計(jì)算分析了不同規(guī)格麥草沙障的粗糙度、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等，以期為該區(qū)域今后麥草沙障的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣、黃河西岸的劉拐沙頭，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，流動(dòng)沙丘與黃河直接接觸的地方。此處屬于內(nèi)蒙古阿拉善左旗和磴口縣交界地帶，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古阿拉善左旗。試驗(yàn)點(diǎn)距離磴口縣城30km。據(jù)“內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站”多年的氣象資料顯示，烏蘭布和沙漠東北部區(qū)域的年均降水量140.3mm，年均蒸發(fā)量2380.6mm，年均氣溫7.8℃，年均日照時(shí)數(shù)3181h，年均風(fēng)速3～3.7m·s-1，3—5月風(fēng)速最大，平均達(dá)4.8m·s-1，最大瞬時(shí)風(fēng)速24m·s-1，年均大風(fēng)日數(shù)12.5d。土壤以風(fēng)沙土為主，天然植物以沙旱生為主，如梭梭（Haloxylon ammodendron）、白刺（Nitraria tangutorum）、油蒿（Artemisia ordosica）、沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）、霸王（Sarcozygium xanthoxylon）、沙米（Agriophyllum squrrosum）、沙鞭（Psammochloa villosa）、蓼子樸（Inula salsoloides）等[19]。

2研究方法

2.1試驗(yàn)材料

本研究選擇春小麥秸稈為試驗(yàn)材料。在同一沙丘的迎風(fēng)坡布設(shè)了3種不同規(guī)格（1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m）的麥草沙障。

2.2風(fēng)速測定

使用HOBO小型氣象站分別測定迎風(fēng)坡底、迎風(fēng)坡中、丘頂3個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速。風(fēng)杯距地表分別為10cm、20cm、30cm、50cm、100cm、200cm。

2.3輸沙量測定

用階梯式集沙儀同步測定各測點(diǎn)的輸沙量，積沙儀高30cm，分15層，每層高2cm，寬2cm。觀測結(jié)束后，將積沙儀收集的沙物質(zhì)裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用電子天平（精度為1/1000）稱重。

2.4粗糙度計(jì)算

2.5數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，用SAS 9.0軟件數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

3結(jié)果與分析

3.1麥草沙障鋪設(shè)前后不同坡位的地表粗糙度

地表粗糙度（Z0）是反映機(jī)械沙障固沙效益的重要指標(biāo)之一，地表粗糙度越大，表明機(jī)械沙障對氣流的阻力越大，防風(fēng)固沙的效果越好[3]。從圖2中可以看出，鋪設(shè)麥草沙障后，沙丘不同坡位的粗糙度均顯著增大（P<0.01），且迎風(fēng)坡坡底粗糙度最大，可能是受到迎風(fēng)坡前丘間低地的天然植被的影響所導(dǎo)致，鋪設(shè)沙障后各坡位各點(diǎn)粗糙度都較裸沙丘大，其中坡頂最明顯。裸沙丘鋪設(shè)麥草沙障后，從迎風(fēng)坡坡底到丘頂，粗糙度均顯著增加（P<0.01），迎風(fēng)坡坡底、坡中和丘頂?shù)拇植诙确謩e是裸沙丘的13.96、17.33和41.75倍。因此，認(rèn)為麥草沙障能明顯增加沙丘地表粗糙度，有效提高地表抗風(fēng)蝕的能力，防風(fēng)固沙效果明顯。

3.2不同規(guī)格的麥草沙障對地表粗糙度的影響

從圖3可以看出，3種不同規(guī)格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麥草沙障障格內(nèi)地表粗糙度均顯著高于裸沙丘（P<0.01），其中，1m×1m障格內(nèi)地表粗糙度最大，為2.02±0.40cm;1.5m×1.5m障格次之，為1.66±0.24cm;3m×3m較小，為0.48±0.03cm;裸沙丘地表粗糙度最小，僅為0.12±0.01cm。1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m障格內(nèi)的地表粗糙度分別是裸沙丘的16.35、13.46、3.92倍。由此可以看出，不同規(guī)格的麥草沙障均可以顯著提高地表粗糙度，且障格越小效果越顯著。從3種不同規(guī)格障格提高粗糙度的效果來看，1m×1m和1.5m×1.5m效果差距不是很大，綜合考慮機(jī)械沙障的原材料價(jià)格、施工工人費(fèi)用等方面，建議該區(qū)域選擇鋪設(shè)障格大小為1.5m×1.5m的麥草沙障。

3.3裸沙丘與設(shè)障后沙丘不同部位的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置麥草沙障后，下層0～4cm范圍內(nèi)的相對輸沙量表現(xiàn)為沙丘迎風(fēng)坡坡底明顯小于沙丘迎風(fēng)坡中部和丘頂。特別是0～2cm層更為顯著，沙丘迎風(fēng)坡下部為30.5%，迎風(fēng)坡中部為11.4%，坡頂為12.5%，說明麥草沙障使得沙丘上、中、下等部位近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其原因主要是過境風(fēng)沙流在沙丘迎風(fēng)坡底部遇到麥草沙障時(shí)，近地表層的風(fēng)速被降低，風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)開始下沉，隨著物質(zhì)的不斷沉積，風(fēng)沙流中的含沙量不斷減少，從沙丘迎風(fēng)坡底部往上風(fēng)沙流變得不飽和，開始具備風(fēng)蝕能力。但是，由于沙障的作用，地表沙物質(zhì)被固定，切斷了沙物質(zhì)來源，使風(fēng)沙流無法獲得更多的沙物質(zhì)，因此出現(xiàn)上述結(jié)果。

4結(jié)論

流動(dòng)沙丘鋪設(shè)麥草沙障后，沙丘地表粗糙度增加，3種不同規(guī)格（1m×1m、1.5m×1.5m、3m×3m）的麥草沙障對地表粗糙度改變程度不同，規(guī)格越小粗糙度改變越明顯。綜合考慮防風(fēng)固沙效果和鋪設(shè)成本，研究區(qū)應(yīng)以障格1.5m×1.5m的麥草沙障為宜。

流動(dòng)沙丘鋪設(shè)麥草沙障后，沙丘迎風(fēng)坡上、中、下3個(gè)部位近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，沙丘相對含沙量下部大于中部與上部;與裸沙丘相比，設(shè)障后相對輸沙量在0～4cm層減少，特別是0～2cm層更為顯著，在4～30cm層內(nèi)增多。

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（責(zé)任編輯 常陽陽）