乌兰布和沙漠东北缘人工梭梭林防风效能分析

李 鹏, 高 永, 赵 青, 韩彦隆, 丁延龙, 党晓宏

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 内蒙古 呼和浩特010018; 2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院, 内蒙古 呼和浩特010018)

乌兰布和沙漠东北缘人工梭梭林防风效能分析

李 鹏1, 高 永1, 赵 青2, 韩彦隆1, 丁延龙1, 党晓宏1

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 内蒙古 呼和浩特010018; 2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院, 内蒙古 呼和浩特010018)

[目的] 测定乌兰布和沙漠东北缘不同林龄各坡位的风速，揭示梭梭林防风效能随林龄的变化规律以及与梭梭空间构型的关系。[方法] 以乌兰布和沙漠东北缘种植3，5和8 a的人工梭梭林为研究对象，通过测定林内及CK不同坡位距地表10，20，50，100，200 cm高度处风速，对比不同年限梭梭林的防风效能。[结果] 随着林龄的增加，梭梭林对近地表风速减弱作用增强；同一坡位下，3 a梭梭林防风效能主要作用在0—100 cm高度内，防风效能为48.19%，100—200 cm高度内风速迅速恢复。5，8 a梭梭林对0—200 cm高度范围均有很好的防护作用，防风效能分别为69.72%，71.93%，二者间减弱效果差异不明显。相关分析显示梭梭林空间构型与防风效能显著相关，梭梭盖度、高度、冠幅与防风效能的相关性分别达到0.935，0.930，0.942。[结论] 3 a梭梭林迎风坡底、背风坡的防风效能优于迎风坡中、迎风坡顶，5，8 a梭梭林与之相反。

防风效能; 地表粗糙度; 风速廓线; 人工梭梭林; 乌兰布和沙漠

梭梭(Haloxylonammodendron)作为中国西北干旱荒漠区重要的防风固沙植物种，具有抗旱性强，耐风蚀沙埋，耐贫瘠等特点[1-2]，以梭梭属为优势种的荒漠植被在维护区域生态平衡和促进国民经济发展中扮演着重要角色，对防风固沙、保护生态系统具有重要意义[3-4]。近年来，很多学者对梭梭林的防风固沙效益、生态改良效益等方面进行了诸多研究，主要集中于林带的防风固沙效益、临界密度、林带前后的风速变化等方面[5-7]。梭梭会极大程度地改变近地表风速廓线的变化特征，并整体抬高零风速平面的位移高度，影响不同高度层的风速变化[8]。随着风沙动力学研究成果的应用，如何完善梭梭林防护体系，达到区域防护林的高效和稳定成为了当前研究的热点问题[9-10]。

梭梭在西北沙漠地区沙漠治理方面得到了广泛应用[11]，但是针对在沙丘上直接营建梭梭后沙丘整体风速变化、风速在垂直方向的变化情况、防风效能等方面研究较少。本文拟通过对乌兰布和沙漠东北缘不同林龄各坡位的风速进行测定，以不同林龄、不同坡位的梭梭林的防风效能、地表粗糙度及风速廓线为指标，揭示梭梭林防风效能随林龄的变化规律以及与梭梭空间构型的关系。旨在为干旱荒漠区防治风蚀、生态修复、科学合理保护梭梭荒漠植被及合理发展沙产业提供科学的依据。

1 研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠水利部牧区水利科学研究所二十里柳子观测站内(40°14′12″N， 106°50′25″E)，地处乌兰布和沙漠与河套平原的结合部，该区属中温带大陆性季风气候，夏季炎热，干旱少雨，光热充足，全年大部分时间受西风环流控制，风沙频繁，地表风蚀强烈，年均风速2.8 m/s，春季风速最大，平均在4.8 m/s以上。研究区内植被主要为梭梭、沙蒿(Artemisiadesertorum)、白刺(Nitrariatangutorum)、芦苇〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.〕等[12]。

本文所选取的4座沙丘形态相似，沙丘坡度在18°～22°，沙丘高度在8～10 m，包括裸沙丘(No.1)、3 a(2012年)人工梭梭林沙丘(No.2)、5 a(2010年)人工梭梭林沙丘(No.3)和8 a(2007年)人工梭梭林沙丘(No.4)。不同林龄人工梭梭林种植规格均为2 m×2 m，种植梭梭前均为流动沙丘。3，5，8 a梭梭林的盖度分别为36%，50%，58%，植被的冠幅平均值分别为107，180，202 cm，株高平均值分别为139.3，237.6，277.3 cm。

2 材料与方法

于2015年4月25日，在所选样地内调查梭梭高度、冠幅、盖度，并使用HOBO小型移动气象站对所选样地进行风速观测，在不同沙丘样地迎风坡顶部、迎风坡坡中、迎风坡坡底以及背风坡4个坡位架设HOBO小型移动气象站，研究不同年限梭梭林及对照区的防风效能、地表粗糙度及风速廓线特征，分析影响梭梭林防护效益的主要因子。

2.1 风速的测定

于2015年4月25日上午8∶00—11∶00，对3，5，8 a及对照沙丘上迎风坡坡底、迎风坡坡中、迎风坡顶部以及背风坡4个坡位架设HOBO小型移动气象站，风杯安置5个高度，分别为距地表10，30，50，100和200 cm，对3，5，8 a及对照沙丘的风速风向进行同步测定(图1)。每个坡位测定时间为20 min，采样间隔2 s。

图1 沙丘横断面上仪器架设情况示意图

2.2防风效能的计算

防风效能的计算公式为：

Eh=(Uh0-Uh)/Uh×100%

(1)

式中：Eh——高度h处的防风效能(%)；Uh0——对应沙丘高度h0处的平均风速(m/s)；Uh——梭梭林内高度h处的平均风速(m/s)。

2.3 地表粗糙度的计算

以距地表10和200 cm处测得的多组重复风速数据进行平均，计算粗糙度。地表粗糙度的计算公式为：

(2)

式中：Z0——地表平均粗糙度(cm)；u1——高度Z1处风速(m/s)；u2——高度Z2处风速(m/s)；其中A=u1/u2，Z1=10 cm，Z2=200 cm

2.4 风速廓线的分析

多年的试验研究证明，近地表自然风速在垂直方向上的分布特征——风速廓线符合对数规律或幂指数规律。用普朗特—冯·卡门对数分布律描述风速廓线方程为[13-14]：

(3)

式中：u——高度Z处的平均风速(m/s);Z——风速廓线上某点距地面垂直高度(m)；u*——摩阻流速/摩擦速度(m/s)；Z0——空气动力学粗糙度(m)；K——冯卡门常数，数值为0.4。

2.5 数据统计和分析

植被调查数据和风速数据使用Microsoft Office Excel 2016进行统计，并计算防风效能及地表粗糙度，使用SAS 8.0对防风效能、地表粗糙度数据进行方差分析，并对植被数据和防风效能数据进行相关分析，使用Origin 9.0作图。

3 结果与分析

3.1 梭梭林防风效能分析

3.1.1 相同坡位不同林龄防风效能 由图2可以看出，梭梭林内各坡位均显示出随林龄的增长，梭梭林防风效能逐渐提高，3，5，8 a梭梭林防风效能分别达到了41.20%，69.72%，71.93%。5 a梭梭林比3 a梭梭林防风效能提升了69.22%，8 a梭梭林比5 a梭梭林防风效能提升了3.23%，5 a以上梭梭林整体防风效能基本不变。随空间高度的增加，梭梭林各坡位防风效能均逐渐降低，3 a梭梭林在距地表100 cm高度范围内，防风效能逐渐降低，100 cm高度以上，防风效能降低幅度变大，防风作用主要集中在0—100 cm高度内，防风效能为48.19%。5和8 a梭梭林防风效能规律基本相似，在距地表100 cm高度范围内，防风效能随高度的增加而逐渐降低，在100 cm高度以上，防风效能基本不变或有所增强，并无继续下降趋势。

图2 相同坡位不同林龄防风效能对比

3.1.2 相同林龄不同坡位防风效能 由图3可以看出，相同年限各坡位的梭梭林防风效能不同。其中3 a梭梭林防风效能：背风坡(47.01%)>迎风坡底(44.92%)>迎风坡中(41.54%)>迎风坡顶(39.31%)，5 a梭梭林防风效能：迎风坡中(73.86%)>迎风坡顶(70.14%)>背风坡(68.43%)>迎风坡底(66.43%)，8 a梭梭林防风效能：迎风坡中(76.03%)>迎风坡顶(71.90%)>背风坡(70.61%)>迎风坡底(69.17%)，3 a梭梭林对迎风坡底、背风坡防护效果优于迎风坡中、迎风坡顶，5，8 a梭梭林与之相反；5，8 a迎风坡中部和顶部防风效能明显增强，高于迎风坡底部和背风坡。

3 a梭梭林防风效能最大部位出现在背风坡10 cm高度处，5和8 a梭梭林防风效能最大值出现在迎风坡中部10 cm高度处。3种年限的梭梭林防风效能最大值出现在8 a梭梭林迎风坡中部10 cm高度处，达到84.96%，最小值出现在3 a梭梭林迎风坡顶部200 cm高度处，为22.02%，两者相差3.86倍，8 a梭梭林整体防风效能约为3 a梭梭林防风效能的2倍。

图3 相同林龄不同坡位防风效能对比

3.1.3 梭梭林防风效能与植被因素相关性 由表1可以看出，梭梭的盖度，株高，冠幅与防风效能均极显著相关，梭梭林的盖度、株高、冠幅与防风效能的相关系数分别为0.935，0.930，0.942。说明植被高度、冠幅、盖度的增加可以提高梭梭林防风效能，梭梭植株的高度、冠幅、盖度是影响梭梭林防风效益的根本原因。

表1 梭梭林防风效能与植被相关性

注：**表示差异极显著(p<0.01)。

3.2 梭梭林对地表粗糙度的影响

地表粗糙度是重要的空气动力学参数，用来描述不同下垫面对近地面层气流的不同阻碍作用，它是衡量沙区防沙治沙效益的最重要指标之一[15]。本试验以距地表10和200 cm高度处的平均风速值对不同林龄的不同坡位沙丘地表粗糙度进行计算，并以裸沙丘为对照进行对比分析。

从表2中可以看出，营建梭梭林后沙丘地表粗糙度较裸沙丘有较明显的增大，且随着营建植被时间的增加地表粗糙度随之增大，3 a梭梭林地表粗糙度平均值为1.42 cm，生长5 a梭梭林地表粗糙度平均值为3.00 cm，8 a梭梭林地表粗糙度平均值为3.22 cm，地表粗糙度最大值出现在生长8 a梭梭林迎风坡中，为4.03 cm，是对照沙丘的5.17倍。经方差分析(p<0.05)，3种不同年限梭梭林地表粗糙度均显著高于对照裸沙丘地表粗糙度，5，8 a梭梭林地表粗糙度显著高于3 a地表粗糙度。

表2 3种不同年限梭梭林地表粗糙度比较

注：同列大写字母不同表示同一坡位的不同林龄梭梭林粗糙度差异显著(p<0.05)； 同行小写字母不同表示同一林龄梭梭林粗糙度在不同坡位差异显著(p<0.05)。

相同坡位地表粗糙度呈现为：8 a梭梭林>5 a梭梭林>3 a梭梭林，5 a以上梭梭林地表粗糙度增加幅度降低。相同年限梭梭林不同坡位地表粗糙度差异明显，生长3 a梭梭林地表粗糙度呈现出背风坡>迎风坡底>迎风坡中>迎风坡顶，5及8 a梭梭林地表粗糙度呈现出迎风坡中>背风坡>迎风坡顶>迎风坡底。其中，3 a梭梭林背风坡地表粗糙度比迎风坡顶地表粗糙度高25%，5 a梭梭林迎风坡中地表粗糙度比迎风坡底高56%，8 a梭梭林迎风坡中地表粗糙度比迎风坡底高55%。

3.3 梭梭林对风速廓线的影响

从图4中可以看出，在植被对垂直方向上的气流的改变作用下，风速廓线变化规律已经被改变，5，8 a梭梭林和裸沙丘各坡位风速廓线均呈现“J”型变化特征，3 a梭梭林各坡位风速廓线总体上呈现出“S”型变化特征；3 a梭梭林在0—100 cm高度范围内风速稳步上升，100—200 cm高度范围内风速增幅变大，并有加速恢复到相同高度对照风速的趋势，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范围内风速稳定增加，在100—200 cm范围内风速不变、甚至减小。

图4 3种不同年限梭梭林与对照的风速廓线对比

4 讨论与结论

4.1讨论

梭梭林防风固沙机制主要通过增加地表粗糙度和改变风速廓线来实现。植被对气流具有抬升作用，气流在植被上空逐渐聚集能量，风速恢复速度快于同高度流动沙丘，并有在上层逐步赶超流动沙丘的风速的趋势[16-17]。这与本文中3 a梭梭林风速廓线变化规律相一致，风速在0—100 cm高度范围内风速稳步上升，100—200 cm高度范围内风速增加幅度增大，并有逐步赶上对照沙丘风速的趋势。梭梭植株的高度、冠幅是影响梭梭林风沙防护效益最为主要的因子，植株高度决定了梭梭减小风速的高度范围，冠幅影响梭梭林的密度和整体风况环境，林下紊流会增多，而强度会减弱，防护效益会增强。随着梭梭的生长又会进一步的增加梭梭林垂直高度上的防护能力[18-19]，本文通过对5及8 a的梭梭林进行研究发现，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范围内风速呈现出稳定增加的趋势，在100—200 cm范围内风速不变、甚至有减小的趋势，梭梭的高度和冠幅改变了风速在垂直高度上的变化趋势。

产生上述现象的原因是：3 a梭梭林在0—100 cm高度范围为风速急剧变化，当气流进入梭梭林区域后，底层气流受到植物枝叶以及地表枯落物的阻拦，使得气流内能量发生巨大变化，气流发生分流的现象，一部分气流继续在梭梭林底部，另一部分向上抬升，在100 cm以上高度风力汇集后能量增加，风速的增加幅度也明显增强，梭梭林阻挡气流的作用逐渐消失，气流的增加幅度明显比对照沙丘增加幅度明显，并有恢复到相同高度处对照风速的趋势。5 a以上梭梭林植被的高度和冠幅较3 a有明显增加，梭梭林整体的防护效果较好，当气流进入梭梭林区域后，一部分风速向上抬升造成上部风速逐渐增大，导致在0—100 cm高度范围内风速呈现稳定增加趋势，由于5和8 a的梭梭林冠幅较大，冠幅大约为3 a梭梭林的一倍，防护的高度和范围比3 a的梭梭林有了显著提升，植物枝叶在100—200 cm高度范围内起到了拦截和降低风速持续增大的趋势，导致100—200 cm范围内风速不变、甚至有减小的趋势。

随着梭梭的逐年生长，梭梭林内自然植被恢复物种也逐年增加，在一定程度上促进了沙丘防风固沙效果[20]，本研究中种植梭梭林沙丘风速明显低于流动沙丘风速，随着种植时间的增加，梭梭林防风能力较强的部位由沙丘的下部逐渐向沙丘中上部过渡。主要原因是：在3 a梭梭林内，当风沙流或者是纯净气流到达沙丘，从迎风坡底部向坡顶运动时，受到植被的阻碍作用后，近地表气流强度减小，从坡底向坡顶运动时，气流向上抬升，近地表气流虽然受到梭梭林的阻碍作用，由于梭梭林生长年限较短，还不具备完善的生态防护功能，所以风速依然在逐渐增大，到达沙丘顶部风速达到最大值，在背风坡处近地表气流同时受到植被阻碍作用和地形的落差影响，强度迅速减小，而较高处的气流强度变动较小，所以背风坡防风能力较好。5及8 a梭梭林的植被对防风效能的影响明显增强，由于沙丘下部(迎风坡底、背风坡)植被已经生长得较为高大，当风沙流沿迎风坡底部进入梭梭林后，梭梭阻挡了来自梭梭林外部的风沙流，降低了林内风速，导致迎风坡中上部(迎风坡中，迎风坡顶)防风效能增加幅度变大，梭梭林防风能力较强的部位由沙丘的下部逐渐向沙丘上部过渡，

4.2 结 论

(1) 梭梭林防风效能主要是由于植被具有抬升气流，改变地表粗糙度以及风速在垂直方向上的变化的能力，梭梭植株的高度、冠幅、盖度是影响梭梭林防风效益的根本原因，植被高度、冠幅、盖度的增加可以提高梭梭林的整体防风效能和防护高度。

(2) 随着梭梭生长年限的增加，梭梭林防风效能不断提升，8 a梭梭林的整体防风效能由3 a梭梭林的41.20%提升到了71.93%。3 a梭梭林对迎风坡底、背风坡防护效果优于迎风坡中、迎风坡顶，5，8 a梭梭林与之相反。

(3) 5，8 a梭梭林和裸沙丘各坡位风速廓线均呈现“J”型变化特征，3 a梭梭林各坡位风速廓线总体上呈现出“S”型变化特征；3 a梭梭林在0—100 cm高度范围内风速稳步上升，100—200 cm高度范围内风速增幅变大，并有加速恢复到相同高度处对照风速的趋势，5和8 a梭梭林在0—100 cm高度范围内风速稳定增加，在100—200 cm范围内风速不变、甚至减小。

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WindbreakEffectivenessofHaloxylonAmmodendrononNortheastEdgeofUlanBuhDesert

LI Peng1, GAO Yong1, ZHAO Qing2, HAN Yanlong1, DING Yanlong1, DANG Xiaohong1

(1.CollegeofDesertControlScienceandEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.CollegeofGrassland,ResourcesandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China)

[Objective] Wind speeds at different slope positions ofHaloxylonAmmodendronforest were investigated on the northeast edge of Ulan Buh desert, in order to reveal the variation of windbreak effectiveness ofHaloxylonammodendronwith plantation age and spatial pattern. [Methods] Forests ofH.ammodendronat 3 a, 5 a and 8 a plantation ages were selected as research objects. The wind speeds at 10 cm, 20 cm, 50 cm, 100 cm, 200 cm heights above ground were measured respectively in the bottom, middle and top of windward slope and bottom of leeward slope for windbreak effectiveness analyzing. [Results] The wind speed near ground surface declined with the increase of plantation ages. Windbreak effectiveness of 3 years’ shrub was mainly found in 0—100 cm height, the averaged value was 48.19%. At 100—200 cm height, wind speed rebounded to the CK value quickly. Good windbreak effect were found both in 5 years and 8 years forests at height 0—200 cm, and their windbreak efficiency were 69.72% and 71.93% respectively. Correlation analysis showed that there existed a significant correlation between plantation pattern and windbreak effect. The correlation coefficients between windbreak effect and forest coverage, height and crown width were 0.935, 0.930, 0.942 respectively. [Conclusion] Windbreak effects in the bottom of windward slope and leeward slope were better than those in the middle and top of windward slope of 3 years forest. It was contrary for the forests having 5 years and 8 years plantation ages.

windbreakefficiency;surfaceroughness;windspeedprofile;artificialHaloxylonammodendronforest;UlanBuhdesert

A

1000-288X(2017)05-0034-06

S727.23

文献参数： 李鹏, 高永, 赵青, 等.乌兰布和沙漠东北缘人工梭梭林防风效能分析[J].水土保持通报，2017,37(5)：34-39.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.006； Li Peng, Gao Yong, Zhao Qing, et al. Windbreak effectiveness ofHaloxylonammodendronon northeast edge of Ulan Buh desert[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：34-39.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.006

2017-03-03

2017-03-10

内蒙古自然科学基金重大专项“高大密集流动沙丘上营建植被与沙丘活动的互馈机制”(2014ZD03)

李鹏(1992—),男(蒙古族),陕西省榆林市定边县人,硕士研究生,主要研究方向为荒漠化防治。E-mail:910361824@qq.com。

高永(1962—),男(汉族),内蒙古自治区包头市达茂旗人,教授,博士生导师，主要从事荒漠化防治研究。E-mail:13948815709@163.com。