吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系的防風(fēng)阻沙效應(yīng)

管雪薇, 汪 季,2, 黨曉宏, 丁延龍, 馮亞亞, 梁鈺鎂

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 內(nèi)蒙古 杭錦旗 017400; 3.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué) 旅游學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致中國北方干旱、半干旱區(qū)域土地荒漠化、沙塵天氣的主要原因之一[1-4]。吉蘭泰鹽湖位于烏蘭布和沙漠西南邊緣吉蘭泰盆地的海拔最低處(東經(jīng)105°35′—105°46′，北緯39°38′—39°49′)，是中國重要的湖鹽生產(chǎn)基地。由于風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，加之土壤類型以砂質(zhì)土壤為主[5]，從而使該地區(qū)土壤風(fēng)蝕極為劇烈，不僅使土壤質(zhì)地粗化[6]，同時(shí)造成鹽湖湖面積沙，嚴(yán)重影響鹽湖正常生產(chǎn)[7-8]。為治理沙害，鹽湖北部自1983年開始建立由前沿阻沙帶、封沙育草帶、防風(fēng)阻沙帶、綠洲防護(hù)林網(wǎng)構(gòu)成“四帶一體”鹽湖防護(hù)體系，不僅起到防風(fēng)固沙、改良土壤的作用，更是有效地控制了鹽湖沙害，從而避免鹽湖積沙而帶來的鹽湖開采問題[9]。目前，關(guān)于防護(hù)林的研究多以農(nóng)田防護(hù)林[10]、綠洲防護(hù)林[11]、固沙林等[12]為主，但對(duì)鹽湖防護(hù)體系的相關(guān)研究較少。

營建人工植被是防治土壤風(fēng)蝕最為有效的辦法之一[13]，植被通過覆蓋地表、降低風(fēng)速、阻擋輸沙等途徑影響土壤風(fēng)蝕[14-15]。而防護(hù)林作為干旱、半干旱區(qū)域生態(tài)屏障，具有改善局部小氣候、改良土壤、防風(fēng)固沙等作用[9,16-17]。楊越等[10]研究發(fā)現(xiàn)，晉北壩上農(nóng)田防護(hù)林能夠明顯降低風(fēng)沙流高度；邊凱等[3]對(duì)烏蘭布和沙漠東部邊緣綠洲防護(hù)林體系防風(fēng)阻沙能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)從沙漠至綠洲內(nèi)部輸沙水平通量減少了一半。以上研究均可以看出防護(hù)林防風(fēng)固沙效果十分明顯。然而，防護(hù)林的防風(fēng)固沙作用因風(fēng)向、植被類型等的不同均會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。通過觀測吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同風(fēng)向下風(fēng)速、輸沙量變化及年內(nèi)各月地表蝕積變化規(guī)律，可以清楚反映不同季節(jié)、不同植被構(gòu)成及兩種主害風(fēng)方向下鹽湖防護(hù)體系防風(fēng)阻沙及地表蝕積變化規(guī)律。

風(fēng)沙危害是制約荒漠鹽堿湖區(qū)資源開采的重要因素之一，長期以來，許多學(xué)者對(duì)鹽湖周邊風(fēng)沙沉積物理化特征[18-19]、鹽湖周邊風(fēng)沙地貌發(fā)育環(huán)境等[20]進(jìn)行研究，并且取得了一系列成果，但對(duì)如何防治荒漠鹽堿湖區(qū)風(fēng)沙危害及其防治措施有效性的相關(guān)研究較少。建立鹽湖防護(hù)體系可以有效防風(fēng)阻沙[9]，然而，鹽湖防護(hù)體系在不同風(fēng)向下的防風(fēng)阻沙效果如何？不同部位年內(nèi)各月地表蝕積規(guī)律是怎樣變化的？基于此，本文以吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系為研究對(duì)象，在2019年3月至2020年1月，對(duì)吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同部位年內(nèi)各月地表蝕積量和風(fēng)速、輸沙量進(jìn)行研究，定量描述防護(hù)體系防風(fēng)阻沙能力及地表蝕積變化，以期揭示鹽湖防護(hù)體系的防風(fēng)阻沙作用規(guī)律，為吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系防護(hù)效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，為中國西北風(fēng)沙區(qū)及荒漠鹽湖沙害治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉蘭泰鹽湖地處中國最大的沙塵暴策源地阿拉善高原東南部，為賀蘭山—巴音烏拉山山間盆地的最低處，盆地西南邊緣為騰格里沙漠，東北部毗鄰烏蘭布和沙漠，西北部與亞瑪雷克沙漠隔山相望，為三大沙漠的交界地帶，行政上隸屬于阿拉善左旗。據(jù)吉蘭泰氣象站(距離研究區(qū)直線距離6.5 km)1971—2016年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，吉蘭泰地區(qū)冬春季盛行西北風(fēng)、東北風(fēng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速24 m/s，年均揚(yáng)沙日數(shù)為82.5 d，年風(fēng)沙流出現(xiàn)頻率為112.9次，在不同月份，輸沙勢(shì)在4—8月均處于較高水平，在6月達(dá)到最高。多年平均降水量為107.8 mm，并集中于6—8月。年蒸發(fā)量為2 956.8 mm，是降水量的27.4倍[21]。由于吉蘭泰地區(qū)特定的氣候特征和地貌環(huán)境導(dǎo)致吉蘭泰鹽湖地區(qū)稀疏分布的植被多為耐旱、耐堿的小灌木及草本植物[9]，主要有鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、白刺(Nitrariatangutorum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)等[9]。

1.2 防護(hù)體系構(gòu)成

吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系位于吉蘭泰鹽湖北部10 km處，屬吉蘭泰鎮(zhèn)希勃圖嘎查，為烏蘭布和沙漠的西南邊緣。該體系于1983年建立，整體垂直于西北風(fēng)向，從北向南依次由前沿阻沙帶、封沙育草帶、防風(fēng)阻沙帶、綠洲防護(hù)林網(wǎng)4部分組成。

前沿阻沙帶主要布設(shè)在流動(dòng)沙壟上，以新型固沙材料(PLA)與傳統(tǒng)草方格相結(jié)合構(gòu)成。

封沙育草帶毗鄰植被稀少、地表疏松、風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈的流動(dòng)沙地，沙丘上分布有白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等天然植被，以白刺為主，主要阻滯0—50 cm高度內(nèi)風(fēng)沙流。

防風(fēng)阻沙帶處于天然灌草植被與綠洲防護(hù)林之間，以沙棗(Elaeagnusangustifolia)、梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐棗(Calligonummongolicum)等灌木構(gòu)成，其作用是繼續(xù)削弱風(fēng)速，攔截風(fēng)沙流中剩余沙粒。

綠洲防護(hù)林網(wǎng)以人工栽植的沙棗(Elaeagnusangustifolia)、花棒(Hedysarumscoparium)、新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)等為主要樹種，地物以苦豆子(Sophoraalopecuroides)、蘆葦(Phragmitesaustralis)為主，兼有禾本科雜類草。其目的是改善近地層小氣候條件，攔截部分懸浮運(yùn)移的沙塵，同時(shí)控制綠洲內(nèi)部在大風(fēng)天氣下不會(huì)起沙。

由于防風(fēng)阻沙帶和綠洲防護(hù)林網(wǎng)為補(bǔ)植性造林，為了方便觀測，本文將防風(fēng)阻沙帶及綠洲防護(hù)林網(wǎng)合為防護(hù)林帶，并將防護(hù)體系劃分為流動(dòng)沙壟、白刺灌叢、防護(hù)林帶、鹽堿灘地(鹽湖周邊生長植被地區(qū))、鹽湖湖心(鹽湖邊緣無植被地帶)(表1)。

表1 吉蘭泰鹽湖防護(hù)林體系觀測樣地位置及地形、植被特征

1.3 研究方法

(1) 樣地設(shè)置。根據(jù)吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系布設(shè)情況劃分調(diào)查樣地，依次從流動(dòng)沙壟、白刺灌叢、防護(hù)林帶、林帶后鹽堿灘地，到達(dá)鹽湖湖心，共計(jì)5種樣地類型(表1)。試驗(yàn)于2019年4月至2020年1月在吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系進(jìn)行(2019年12月、2020年1月地表積雪覆蓋，未取得測釬數(shù)據(jù))。通過野外實(shí)地調(diào)查，根據(jù)典型性和代表性原則，在防護(hù)體系地表平坦處，利用手持GPS確定樣點(diǎn)位置，并均勻布設(shè)3條調(diào)查樣帶(即每個(gè)樣地類型取3個(gè)重復(fù))，涵蓋整個(gè)防護(hù)體系，每條樣帶基本保持平行，且均包含上述5種樣地類型。以流動(dòng)沙壟為對(duì)照，防護(hù)林帶每條樣帶分別在林前、林中、林后布設(shè)3個(gè)樣地，其余樣地類型每條樣帶各布設(shè)一個(gè)樣地(為避免影響鹽湖正常開采，鹽湖湖心樣地選擇在鹽湖周圍無植被裸露地表)，共計(jì)21個(gè)樣地。地表蝕積狀況采用矩陣式插釬法進(jìn)行測定，每根測釬直徑約2 mm，長1 m，在距下端40 cm處進(jìn)行標(biāo)記(測釬插入土層深度為此標(biāo)記與地面平行)，測量精度為1 mm。每根測釬間隔100 cm，布置成5 m×5 m的網(wǎng)格式樣方，白刺灌叢布置成4 m×5 m的網(wǎng)格式樣方，布設(shè)測釬時(shí)迎風(fēng)一側(cè)與主害風(fēng)方向保持垂直。

(2) 地表風(fēng)速觀測。選取2019年3，4，10月共3場典型風(fēng)沙活動(dòng)(風(fēng)向?yàn)槲鞅薄|北、西南風(fēng))，以上風(fēng)向流動(dòng)沙壟為對(duì)照點(diǎn)，自北向南使用H-21型HOBO小型氣象站觀測各樣地地上20，30，50，85，200 cm高度處風(fēng)速。

(3) 輸沙量觀測。試驗(yàn)于2019年3月、10月進(jìn)行，從流動(dòng)沙壟至鹽湖湖心，每種樣地類型布設(shè)一個(gè)30 cm高度，進(jìn)沙口為2 cm×2 cm的正方形截面的階梯式集沙儀進(jìn)行輸沙量采集，集沙儀可根據(jù)風(fēng)向自動(dòng)轉(zhuǎn)向以保證集沙口始終對(duì)準(zhǔn)來沙方向，共布設(shè)5個(gè)集沙儀。觀測時(shí)間視風(fēng)速大小確定，在集沙儀最下層集沙盒收滿前同時(shí)停止。每次觀測結(jié)束后，將集沙盒內(nèi)的風(fēng)蝕物快速取出，分層裝入塑封袋內(nèi)，隨后開始下一批采樣。觀測結(jié)束后，將風(fēng)蝕物樣品帶回試驗(yàn)基地烘干后用天平稱重，得出每層輸沙率〔kg/(m2·min)〕。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1) 風(fēng)速衰減評(píng)估指標(biāo)。采用風(fēng)速衰減因子WDR來評(píng)價(jià)防護(hù)林體系各部位風(fēng)速相對(duì)流動(dòng)沙壟風(fēng)速的衰減情況。

(1)

式中：WDRi為防護(hù)林體系內(nèi)某一下墊面風(fēng)速降低比(%);v0為對(duì)照流動(dòng)沙壟處某一高度處風(fēng)速(m/s);vi為某一下墊面對(duì)應(yīng)高度處風(fēng)速(m/s)。

(2) 地表凈蝕積強(qiáng)度計(jì)算。

(2)

式中：Q為凈侵蝕強(qiáng)度(m3/m2);a為正體積,b為負(fù)體積(m3)(a,b均為suffer中經(jīng)計(jì)算所得數(shù)值);S為測釬布設(shè)面積(m2);Q>0時(shí),為風(fēng)蝕,Q<0時(shí),為風(fēng)積。

(3) 風(fēng)蝕率、風(fēng)積率計(jì)算。

Q1=Qb/Q

(3)

Q2=Qa/Q

(4)

式中：Q1和Q2分別為風(fēng)蝕率和風(fēng)積率(%);Q為凈侵蝕強(qiáng)度(m3/m2);Qa,Qb分別為凈堆積強(qiáng)度和凈侵蝕強(qiáng)度(m3/m2)。

(4) 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及摩阻風(fēng)速計(jì)算。

①粗糙度。

(5)

式中：Z1,Z2為距地表面任意兩個(gè)高度(cm);u1,u2分別為Z1,Z2兩個(gè)高度上的風(fēng)速(m/s);Z0為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度(cm)。

②風(fēng)速廓線。

(6)

式中：u*為摩阻風(fēng)速(m/s);k為卡曼常數(shù)(0.4);Uz為高度z處的風(fēng)速(m/s)。

用高度取自然對(duì)數(shù)值為縱軸，風(fēng)速值為橫軸，再用最小二乘法擬合所得風(fēng)速廓線方程為：

Uz=A+Blnz

(7)

式中：A,B為回歸系數(shù)。

③摩阻風(fēng)速。

u*=kB

(8)

(5) 分析方法。采用Origin 9.1及Excel 2019進(jìn)行圖表繪制；用Excel 2019統(tǒng)計(jì)各樣方內(nèi)不同觀測時(shí)間各釬高度差，插釬高度差>0時(shí)表示風(fēng)蝕，用正值表示，插釬高度差<0時(shí)為風(fēng)積，用負(fù)值表示，根據(jù)各釬高度差采用suffer8軟件克里格插值法計(jì)算地表蝕積量。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同部位防風(fēng)效應(yīng)

2.1.1 不同部位風(fēng)速廓線變化特征 不論何種風(fēng)向，防護(hù)體系整體風(fēng)速隨高度的增高而增加，且符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，R2在0.84～0.99之間(圖1)。

圖1 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同部位不同風(fēng)向下風(fēng)速廓線變化

在西北風(fēng)向下，白刺灌叢風(fēng)速在50 cm高度處急劇上升，且最大風(fēng)速為8.322 m/s；防護(hù)林帶由于為喬灌草構(gòu)成的緊密結(jié)構(gòu)的復(fù)層林帶，且林帶走向垂直于西北風(fēng)向，因此其防風(fēng)效果最佳，從而使風(fēng)速變化幅度小，進(jìn)而使其風(fēng)速廓線趨于垂直；鹽堿灘地地表覆蓋有鹽爪爪等小灌木，可有效降低地表0—30 cm高度內(nèi)的風(fēng)速，在50 cm高度處風(fēng)速急劇上升，為4.13 m/s，但由于受上風(fēng)向防護(hù)林帶的影響，該部位風(fēng)速遠(yuǎn)低于對(duì)照，最大風(fēng)速為7.05 m/s。在西南風(fēng)向下，上風(fēng)向由流動(dòng)沙壟轉(zhuǎn)變?yōu)辂}湖湖心，因此鹽堿灘地由于鹽爪爪覆蓋降低了0—30 cm高度內(nèi)風(fēng)速，但整體風(fēng)速均大于西北風(fēng)向，其最大風(fēng)速為9.07 m/s；防護(hù)林帶由于觀測地點(diǎn)靠近迎風(fēng)一側(cè)，但由于為喬灌草構(gòu)成的緊密結(jié)構(gòu)的復(fù)層林帶，因此其風(fēng)速顯著低于對(duì)照，且最大為1.92 m/s；白刺灌叢由于風(fēng)向的變化使其上風(fēng)向由流動(dòng)沙壟變?yōu)榉雷o(hù)林帶，因此在受防護(hù)林帶的影響下，近地表風(fēng)速急劇上升的拐點(diǎn)由50 cm上移至85 cm，且最大風(fēng)速為6.61 m/s。

2.1.2 不同部位粗糙度及摩阻風(fēng)速變化特征 圖2為不同風(fēng)向下防護(hù)體系各樣地地表粗糙度及摩阻風(fēng)速變化規(guī)律，各樣地不同風(fēng)向下粗糙度R2范圍在0.79～0.99之間。從圖2中可以看出不論在何種風(fēng)向下，防護(hù)林帶地表粗糙度最高為4.61 cm；鹽湖湖心及流動(dòng)沙壟在不同風(fēng)向條件下其地表粗糙度較其他樣地小，兩者值相近且鹽湖湖心地表粗糙度稍高于流動(dòng)沙壟。不同風(fēng)向條件下各樣地摩阻風(fēng)速大致呈現(xiàn)為隨粗糙度的增加而增加的趨勢(shì)。以上結(jié)果表明風(fēng)向不同，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及摩阻風(fēng)速在防護(hù)體系不同部位的變化規(guī)律有所差異，但總體上隨著植被蓋度的增加大致呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖2 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同樣地粗糙度及摩阻速度

2.1.3 鹽湖防護(hù)體系不同部位不同風(fēng)向下風(fēng)速衰減速率 圖3為吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系各部位西北、西南風(fēng)向下不同高度處風(fēng)速衰減速率，風(fēng)速衰減速率越大表明風(fēng)速越小。防護(hù)林帶防風(fēng)效果不受風(fēng)向影響，白刺灌叢及鹽堿灘地地表粗糙度較大，對(duì)0—50 cm高度內(nèi)防風(fēng)效果最佳，其風(fēng)速較流動(dòng)沙壟可降低70%～90%左右。西北風(fēng)向下，從200 cm高度處風(fēng)速來看，由于白刺為匍匐型植被，在灌叢頂部會(huì)形成風(fēng)速加速區(qū)，因此其風(fēng)速較流動(dòng)沙壟僅降低31.94%；由于防護(hù)林帶為喬灌混交的緊密結(jié)構(gòu)的復(fù)層林帶，防風(fēng)效果顯著，其風(fēng)速較流動(dòng)沙壟降低98.71%；當(dāng)氣流至鹽堿灘地時(shí)，風(fēng)速有所恢復(fù)，較流動(dòng)沙壟降低42.36%；鹽湖湖心由于無植被覆蓋，因此氣流運(yùn)移至湖心時(shí)恢復(fù)至?xí)缫帮L(fēng)速，從而防止鹽湖湖面積沙。

吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系西南風(fēng)向下防風(fēng)效果較西北風(fēng)向下差；由于風(fēng)向變化，上風(fēng)向由流動(dòng)沙壟變?yōu)辂}湖湖心，從白刺灌叢至鹽湖湖心200 cm高度處風(fēng)速衰減速率為0.25%～82.62%；其中白刺灌叢由于受到上風(fēng)向防護(hù)林帶的影響，在85 cm高度處風(fēng)速有所增加，但整體較小；因此，除白刺灌叢外，其余樣地風(fēng)速均較西北風(fēng)向下高，且風(fēng)速衰減速率減少2.15%～35.15%。

圖3 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同部位風(fēng)速衰減速率

2.2 防護(hù)體系不同部位輸沙量變化規(guī)律

從垂直高度上看，不論何種風(fēng)向，防護(hù)體系不同部位輸沙量隨高度的增加而降低，且50%以上的輸沙量主要集中在0—10 cm高度內(nèi)(圖4)。從防護(hù)體系不同部位來看輸沙量變化有明顯差異(圖5)。在西北風(fēng)向下，白刺灌叢對(duì)近地表0—50 cm高度內(nèi)風(fēng)沙流阻滯作用明顯，其輸沙量較流動(dòng)沙壟降低83.89%；風(fēng)沙流運(yùn)移至防護(hù)林帶時(shí)，被持續(xù)阻滯，其輸沙量較流動(dòng)沙壟降低91.79%；鹽堿灘地風(fēng)速逐漸恢復(fù)，但由于地表覆蓋有鹽結(jié)皮，就地起沙較少，因而此時(shí)輸沙量較防護(hù)林帶增加23.81%，但仍比流動(dòng)沙壟降低89.84%；鹽湖湖心風(fēng)速恢復(fù)至?xí)缫帮L(fēng)速，且由于氣流經(jīng)過防護(hù)體系后有90%左右的沙粒被攔截堆積在地表，因此鹽湖湖心輸沙量較小，較鹽堿灘地降低14.10%。除白刺灌叢外，西南風(fēng)向下從流動(dòng)沙壟至鹽湖湖心，輸沙量較西北風(fēng)向下分別增加31.28%～60.64%，但輸沙量從白刺灌叢至鹽湖湖心較流動(dòng)沙壟均降低84.46%以上。表明防護(hù)體不論在西北風(fēng)還是西南風(fēng)對(duì)風(fēng)沙的阻滯作用明顯，且阻沙效果西北風(fēng)向下優(yōu)于西南風(fēng)向。

圖4 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系0-10 cm高度處相對(duì)輸沙量

圖5 吉蘭泰鹽湖不同風(fēng)向下防護(hù)體系各部位輸沙量

2.3 防護(hù)體系不同部位地表蝕積強(qiáng)度變化特征

2.3.1 一次風(fēng)沙活動(dòng)后各樣地類型地表蝕積變化 表2為吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同下墊面風(fēng)速衰減情況。由流動(dòng)沙壟到鹽湖湖心，風(fēng)速降低比由白刺灌叢增高，到達(dá)防護(hù)林從林前至林后呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，于防護(hù)林后達(dá)到最大，為64.20%，隨后到鹽堿灘地逐漸減小，于鹽湖湖心達(dá)到最小，為-3.7%。圖6為4月不同下墊面地表蝕積情況，除流動(dòng)沙壟地表表現(xiàn)為風(fēng)蝕狀態(tài)，為0.02 m3/m2，其余樣地地表均呈現(xiàn)出風(fēng)積狀態(tài)；白刺灌叢到鹽堿灘地，地表凈蝕積強(qiáng)度逐漸增大，其中白刺灌叢地表凈蝕積強(qiáng)度最小，為-0.11 m3/m2；由防護(hù)林前到防護(hù)林后，地表風(fēng)積量逐漸減小，到達(dá)鹽堿灘地時(shí)地表呈現(xiàn)出輕微蝕積變化，鹽湖湖心地表呈現(xiàn)出輕微風(fēng)積狀態(tài)。由此表明，風(fēng)速由流動(dòng)沙壟到鹽湖湖心，經(jīng)歷兩次衰減過程，白刺灌叢為第一次風(fēng)速衰減，防護(hù)林帶為第二次風(fēng)速衰減，由于兩次風(fēng)速衰減，使得風(fēng)沙流中攜帶大量顆粒沉積于地表，風(fēng)沙流由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)，到達(dá)鹽湖湖心時(shí)風(fēng)速恢復(fù)為曠野風(fēng)速，氣流攜沙能力增強(qiáng)，有效減少湖面積沙。

表2 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同下墊面風(fēng)速衰減速率

圖6 吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同下墊面一場大風(fēng)后地表單位面積蝕積變化

2.3.2 防護(hù)體系各部位月際地表蝕積強(qiáng)度變化特征 由圖7可知，由于受植被生長季的影響，防護(hù)體系不同部位地表蝕積強(qiáng)度在5—6月和10—11月以輕微風(fēng)蝕為主，其中流動(dòng)沙壟地表凈蝕積強(qiáng)度最大為0.05 m3/m2，白刺灌叢至鹽堿灘地地表凈蝕積強(qiáng)度逐漸減小，且白刺灌叢地表凈蝕積強(qiáng)度最小為-0.01 m3/m2。7—9月各樣地地表以風(fēng)積為主，其中流動(dòng)沙壟地表凈蝕積強(qiáng)度最大為0.04 m3/m2；從白刺灌叢至鹽堿灘地，地表以風(fēng)積為主，且凈蝕積強(qiáng)度逐漸增大，其中白刺灌叢凈蝕積強(qiáng)度最小為-0.02 m3/m2；鹽湖湖心地表表現(xiàn)出輕微的蝕積變化。

3 討 論

土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致土壤質(zhì)地粗化、肥力降低，嚴(yán)重影響土地生產(chǎn)力，同時(shí)也是導(dǎo)致沙塵天氣的主要因素之一[2,9]。在干旱、半干旱荒漠區(qū)，植被通過對(duì)風(fēng)沙流的阻滯作用及對(duì)土壤的改良作用防治土壤風(fēng)蝕[22]。而植被生長季節(jié)、植被蓋度、風(fēng)向[13]、防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)[3]及其林種構(gòu)成等[12]均會(huì)影響植被對(duì)土壤風(fēng)蝕的防護(hù)效果。本研究中，不論何種風(fēng)向下，防護(hù)體系防風(fēng)阻沙效果均可達(dá)80%以上，其中西北風(fēng)向優(yōu)于西南風(fēng)向；與西北風(fēng)向相比，西南風(fēng)向風(fēng)速衰減速率從白刺灌叢至鹽堿灘地減少了2.15%～35.15%，輸沙量增加了31.28%～60.64%；張帥等[23]通過觀測不同風(fēng)向下烏蘭布和沙漠農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能發(fā)現(xiàn)防護(hù)林對(duì)不同風(fēng)向風(fēng)均有較好的防護(hù)效果，且風(fēng)向與主林帶夾角越小，其防風(fēng)效能隨之減小，與本研究結(jié)果相似。但由于本研究中林帶為喬灌草相結(jié)合的復(fù)層林帶，因此在夾角為90°時(shí)，防風(fēng)效能較張帥[23]的研究結(jié)果增加了29.21%，此處也可看出由多樹種多層次構(gòu)成的林帶其防護(hù)效果優(yōu)于純林。防護(hù)體系2 m處風(fēng)速衰減速率表現(xiàn)為：防護(hù)林帶(98.71%)>鹽堿灘地(42.36%)>白刺灌叢(31.94%)>鹽湖湖心(2.40%)。楊越等[10]對(duì)冀北壩上地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)2 m處灌木林、喬灌混交林防風(fēng)效能分別為20.8%，20.2%，喬灌混交林林后防風(fēng)效能在40%～50%之內(nèi)，與本研究結(jié)果相似。但本研究中喬灌混交林為補(bǔ)植性造林，植被蓋度較高，且密度較大，對(duì)風(fēng)速的衰減作用較強(qiáng)，進(jìn)而使喬灌混交林防風(fēng)效能較楊越等增加了40%。

一場風(fēng)沙活動(dòng)后，由于流動(dòng)沙壟頂部無植被覆蓋，因此地表表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)蝕狀態(tài)，凈蝕積強(qiáng)度為0.02 m3/m2；從白刺灌叢至鹽湖湖心地表呈現(xiàn)為風(fēng)積狀態(tài)，且凈蝕積強(qiáng)度逐漸增加。與解云虎[15]研究發(fā)現(xiàn)荒漠綠洲過渡帶從流動(dòng)沙地至防護(hù)林地表由風(fēng)蝕轉(zhuǎn)為堆積結(jié)果相似。但與其發(fā)現(xiàn)灌草帶地表以侵蝕為主不同，本研究白刺灌叢地表以風(fēng)積為主，與丁延龍等[24]對(duì)吉蘭泰荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢地表蝕積研究結(jié)果保持一致。當(dāng)氣流經(jīng)過白刺灌叢時(shí)，由于受到植被阻擋，在近地表形成減速區(qū)，從而使風(fēng)速急劇降低，進(jìn)而使沙粒堆積在地表[25]，因此其地表凈蝕積強(qiáng)度最小，為-0.11 m3/m2。鹽堿灘地及鹽湖湖心地表表現(xiàn)為輕微堆積狀態(tài)，與丁延龍等[9]通過風(fēng)沙流特征值計(jì)算結(jié)果對(duì)吉蘭泰防風(fēng)固沙林地表蝕積變化研究結(jié)果相似，但與丁延龍等發(fā)現(xiàn)鹽湖湖心地表為風(fēng)蝕狀態(tài)不同。野外實(shí)地觀測鹽湖湖心風(fēng)速大，且地表未存在覆沙，然而通過測釬法觀測顯示鹽湖湖心為風(fēng)積狀態(tài)，可能是鹽湖湖心土壤含鹽量較高，高溫導(dǎo)致土壤鹽分逐漸向土壤表層積累，從而使鐵質(zhì)測釬與濕潤鹽土接觸會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕[26]，進(jìn)而在測量測釬高度時(shí)表現(xiàn)出輕微風(fēng)積狀態(tài)。由于植被生長季的影響，防護(hù)體系地表蝕積強(qiáng)度在年內(nèi)各月表現(xiàn)為5—6月和10—11月地表以輕微風(fēng)蝕為主，7—9月以風(fēng)積為主，與解云虎[15]研究結(jié)果保持一致。由于防護(hù)體系中防護(hù)林帶為補(bǔ)植性造林，無明確規(guī)格，雖然整體發(fā)揮了較好的防風(fēng)阻沙效果，但在指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中有一定的局限性，建議明確在此體系下的最優(yōu)造林規(guī)格。

4 結(jié) 論

(1) 防護(hù)體系由流動(dòng)沙壟到鹽湖湖心表現(xiàn)為衰減—急劇衰減—恢復(fù)階段，到鹽湖湖心時(shí)風(fēng)速恢復(fù)至?xí)缫帮L(fēng)速；且防護(hù)體系對(duì)兩種主害風(fēng)的防風(fēng)效果明顯，其中西北風(fēng)向優(yōu)于西南風(fēng)向。防護(hù)體系可顯著降低50 cm高度以下風(fēng)速，較對(duì)照降低70%～90%。與西北風(fēng)向相比，白刺灌叢西南風(fēng)向風(fēng)速均有所增加，風(fēng)速衰減速率減小了2.15%～35.15%。

(2) 防護(hù)體系從白刺灌叢至鹽湖湖心輸沙量表現(xiàn)為急劇降低—降低—緩慢增加，且均較流動(dòng)沙壟降低了83.89%～94.90%。從不同風(fēng)向上看，防護(hù)體系對(duì)兩種主害風(fēng)的阻沙效果明顯，西北風(fēng)向下的阻沙效果優(yōu)于西南風(fēng)向，西南風(fēng)向下輸沙量較西北風(fēng)向增加了31.28%～60.64%。

圖7 5-11月吉蘭泰鹽湖防護(hù)體系不同下墊面蝕積量的變化

(3) 防護(hù)體系地表蝕積受季節(jié)影響較大，其中流動(dòng)沙壟各月地表蝕積變化整體呈現(xiàn)出強(qiáng)風(fēng)蝕狀態(tài)，風(fēng)蝕強(qiáng)度最大為0.05 m3/m2；白刺灌叢至鹽湖湖心在6—9月地表呈現(xiàn)為風(fēng)積狀態(tài)，且凈蝕積強(qiáng)度逐漸增加，5月和10月整體表現(xiàn)為風(fēng)蝕狀態(tài)，11月呈現(xiàn)輕微的蝕積變化。