基于防风效益的毛乌素沙地沙柳灌丛平茬方法优选

裴志永，段广东，郝少荣，乔敬伟，秦 伟



基于防风效益的毛乌素沙地沙柳灌丛平茬方法优选

裴志永1，段广东1，郝少荣1，乔敬伟1，秦 伟2

（1. 内蒙古农业大学能源与交通工程学院，呼和浩特 010018；2. 内蒙古建筑职业技术学院市政与路桥工程学院，呼和浩特 010070）

针对当前毛乌素沙地沙柳灌丛衰退问题，设计维持丛状结构特征可持续的生态平茬方法，研究不同平茬方法下沙柳灌丛的风场结构与防风效益，为今后毛乌素沙地沙柳生态平茬提供理论指导。试验设定6种平茬强度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，为灌丛蓬径），3种平茬模式（模式A：按平茬强度沿主风向从灌丛迎风面向背风面平茬、模式B：按平茬强度沿主风向从灌丛两侧向中间同时平茬、模式C：按平茬强度沿主风向从灌丛中间1/2处同时向两侧平茬，下同）来维持灌丛结构的可持续存在，分析平茬后灌丛保留结构的自身形态参数和防风效益的关系，并依此选出最优平茬方法。试验结果表明：平茬强度在0～0.4范围内，模式A和B的灌丛形态参数和防风效益指标均无显著变化，但模式B防风效益优于模式A；而强度为0.6及以上，3种平茬模式下，背风面的风速降幅均明显减小，防风距离逐渐缩短，与原灌丛防风效益差异显著，强度为0.4是防风效益发生突变的临界点。对防风效益影响最大的形态参数是疏透度。研究得出合理的平茬方法为：沙柳灌丛以模式B进行平茬，平茬强度为0.4。

风；侵蚀；优化；沙柳；平茬；防风效益

0 引 言

沙柳（）是毛乌素沙地典型的优势灌木，较耐旱、抗沙埋、萌蘖力强、生长迅速，为优良的固沙先锋树种，具有很高的经济价值和防风固沙的生态价值[1-3]。长期以来，风沙流由于受沙柳灌丛的影响，沙物质不断在灌丛及其周围堆积[4-5]，沙柳根系互相缠绕固结沙物质而形成沙柳沙丘[6-7]。沙柳灌丛常以单株形式分布，通过分解风力和阻挡流沙来防风固沙[8-9]，并对沙丘背风面中下部区域草本植物起到防护作用。

在沙柳的经营管理中，依据其自身生物学特性，需要每3～5年对其进行平茬复壮，否则沙柳就会出现衰退和死亡现象[10]。当前平茬常以粗放的整株皆伐手段为主，平茬后地表粗糙度降低[11]，在强风侵蚀下，沙丘沙物质大量流失，导致灌丛根部裸露，从而加剧了沙柳的衰退和死亡，达不到平茬复壮的目的。因此，针对沙柳灌丛，迫切需要设计一种可维持沙柳丛状结构特征的平茬抚育方法，使其在实现平茬复壮目的同时，灌丛保留丛状结构又可以持续发挥其防风固沙功能。

沙柳灌丛作为大气边界层凸起的障碍物，由于形态的不同在其周围形成特定的气流结构[6]，进而影响其防风能力。但平茬处理使沙柳灌丛形态结构发生变化，从而周围气流结构也会发生变化。以往有关于灌木对气流结构的影响研究主要集中在原状整株灌丛。Hesp[12]最早通过野外考察，研究了海岸带（草）灌丛附近流场特征；屈志强等[13]应用空气动力学原理研究了单株灌木对气流结构和土壤风蚀的作用；马士龙等[14]应用二维圆柱绕流理论模型，探讨了单一白刺灌丛堆周围风速流场和其防风效应；Wasson等[15]将单株植物及其周围细划为5个风速区，进一步探究了植物周围风速变化规律。但以往基于原状整株灌丛所得出的结论对于平茬处理后的灌丛保留结构是否仍适用，平茬后调控气流结构变化的关键灌丛形态参数与前人结论是否一致，仍缺乏深入的实证研究。

本文以形成沙丘的单株沙柳灌丛为研究对象，以不同模式和强度进行维持沙柳丛状结构特征的平茬试验，测定灌丛平茬前后形态参数和气流结构的变化，通过对沙柳不同形态结构所发挥的防风功能指标进行分析评价，最终选出最优的平茬处理模式和强度，研究结果以期为今后毛乌素沙地沙柳生态平茬提供理论指导。

1 研究区概况

研究地点选在地处毛乌素沙地腹部的乌审旗乌兰陶勒盖国有林场。地理位置109°12′E，38°52′N，总面积309 km²，流沙面积152 km²。属温带半干旱半荒漠性气候，年平均气温7.5 ℃，有效积温约2 800 ℃，年温差30 ℃，平均日温差13.3 ℃，年日照时数2 800 h，年平均风速3.4 m/s，全年风向以西北风为主，年风沙日数100～252 d，多集中在3～5月，当地起沙风速为5.0 m/s。平均降水量300 mm，年平均蒸发量2 100 mm，干燥度1.9。土壤以栗钙土为主，伴有少量棕钙土。当地主要天然灌木有：沙柳（），沙蒿（），柠条（），杨柴（），沙棘（）。

2 研究方法

于2018年4月5日－13日期间进行试验，选取沙柳生长状况较好的区域作为试验样地，面积为200 m× 100 m，样地地势平坦，零星分布着半固定沙丘，沙柳覆盖度为15%～25%，沙柳种植年份为1987年，曾于2010年进行过平茬复壮。灌丛下部沙丘形态特征为球冠状沙包，纵剖面有两个不对称的斜坡，迎风坡陡而短，背风坡缓而长，其垂直投影接近于椭圆形[8]，沙丘走向均呈NW-SE。为了消除地形、草本等对风场的干扰，对距试验灌丛20 m以内的区域进行平整，去除样地内的天然植被，试验场地满足风速试验要求，试验现场实况如图1。在4月上旬，沙柳灌丛多为硬度很高的枝条，枝叶还没有展开，沙柳灌丛结构为疏透结构，不用考虑枝叶对试验的影响，可近似认为理想的轻微绕流场[13]。

图1 试验现场实况

2.1 灌丛平茬设计

本试验设计了能保护丛状结构可持续的生态平茬抚育方法：针对单株沙柳灌丛，以部分枝条为基本平茬单元，平茬去掉灌丛几个单元，保留剩余各单元以维持灌丛的丛状结构[10]。平茬基本单元划分以单株灌丛垂直投影圆面积直径（蓬径）为基准，设灌丛蓬径为，沿主风向将灌丛蓬径10等分，每一等分长度为0.1，其所对应的带状部分枝条构成一个基本平茬单元，本试验设置6个平茬强度梯度（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0），划分单元时，对分界线上的枝条，视枝条直径总体在哪一基本单元为判定标准[10]。设计了3种平茬模式：依照当地主风向，按平茬强度沿主风向从灌丛迎风面向背风面平茬为模式A、按平茬强度沿主风向从灌丛两侧向中间同时平茬为模式B、按平茬强度沿主风向从灌丛中间1/2处同时向两侧平茬为模式C。具体单株沙柳灌丛的基本平茬单元划分方法和平茬模式描述如图2所示。留茬高度为5 cm[3]。

图2 平茬模式的试验设计

2.2 样株形态参数测量

选取3株生长状况均良好且植株大小相似的沙柳灌丛（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作为试验对象，对灌丛形态参数及其下部沙丘形态参数使用卷尺进行测量，小组3人各测量一次，记录并取平均值，下同。测量指标为沙堆长（），沙堆宽（），沙堆高（），灌丛高度（），冠幅（），其中沙堆长（）为沿主风向沙堆长度，沙堆宽（）为垂直主风向沙堆宽度，沙堆高（）为沙堆顶部距离地面的高度[16-17]，冠幅（）为垂直于主风向的最大灌丛宽度，灌丛高度（）为灌丛最高高度，测量结果见表1。在按预定试验方案实施完平茬作业后，测量计算各平茬模式下各平茬强度（平茬强度为1.0时除外）对应的灌丛高度（）、冠幅（）、疏透度（），迎风面侧影面积（），其中疏透度（）是利用数码相机和MATLAB软件结合计算求得；在测量基础上，对迎风面侧影面积（）用扇形面积公式估算（1/2）。

表1 沙丘形态参数与沙柳灌丛形态参数

2.3 风速观测

试验采用QY-05多通道风速风向监测站，该仪器通道数为23，1个为风向通道，风向测量范围为16个方向（360度）；其余都为风速通道，风速测量范围为0～32.4 m/s，测量精度为±(0.3+0.03) m/s (实际风速)，可以测实时风速和平均风速，本次试验前用内蒙古农业大学OFDY-1.2型风蚀风洞对风速仪进行校准。试验以期在同一高度下设置尽可能多的观测点，研究灌丛周围风速变化情况，但受限于仪器数量（一套）和通道数，故试验只设置2个观测高度。本文旨在研究沙柳灌丛对风速的影响，沙丘作为其下部实体障碍物，水平气流只能绕过沙丘两侧在背风面汇合[6]，且由表1中可以看出，试验所选植株形成的灌丛沙丘形态参数远小于灌丛自身形态参数，对灌丛周围整体气流结构影响相对较小，故本文对沙丘周围气流结构未做考虑。测点风杯布置时应高于沙丘平均高度，因此，选取50 cm为一测量高度；对样株的形态参数测量时发现，沙柳灌丛在200 cm左右高度时冠幅直径达到最大，冠幅和气流结构关系紧密，因此选取200 cm为另一测量高度。在旷野距试验所选灌丛20 m处，50和200 cm高度设置风向风速对照组（风向高度为200 cm）。此外分别在灌丛的迎风面1、2，背风面1、3、5、7，侧面1、2处布置测点（为单个植株高度）[18]，各测点在高度为50 cm、200 cm处安置风杯[19]。对选取的3株沙柳灌丛（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）分别以设计的3种平茬模式，按平茬强度梯度依次平茬，并依次分时段进行风速观测，各平茬强度下重复观测3次，每次观测时间为20 min，数据记录间隔为5 s，具体布置如图3。

2.4 数据处理

选取仪器轴向布置和来流风向一致的风向风速数据组，当地起沙风速为5.0 m/s，风速达到起沙风速时风沙活动明显[20]，为研究沙丘易风蚀状态下灌丛周围风场变化，应剔除旷野风速小于5.0 m/s的数据组，将3种平茬模式不同平茬强度下2个高度对应点的数据值进行平均，利用Origin 9.0软件绘制3种模式在50和200 cm高度处的水平风速变化图。为了进一步研究单株沙柳的防风效益，本文引进无量纲指标风速衰减率（）和风速恢复率（），如下式。

注：H为植株高度。

式中min为风速衰减剧烈值；0为来流风速值，m/s。

式中V为背风面点处风速值；0为来流风速值，m/s。

组织病理学检查在肝衰竭诊断、分类及预后判定上具有重要价值，但由于肝衰竭患者的凝血功能严重降低，实施肝穿刺具有较高的风险，在临床工作中应特别注意。肝衰竭发生时（慢性肝衰竭除外），肝脏组织学可观察到广泛的肝细胞坏死，坏死的部位和范围因病因和病程的不同而不同。按照坏死的范围程度，可分为大块坏死（坏死范围超过肝实质的2/3），亚大块坏死（约占肝实质的 1/2～2/3），融合性坏死（相邻成片的肝细胞坏死）及桥接坏死（较广泛的融合性坏死并破坏肝实质结构）。在不同病程肝衰竭肝组织中，可观察到一次性或多次性的新旧不一肝细胞坏死病变。

由2个指标含义可知，风速衰减率可以衡量沙柳灌丛对风削弱程度，而风速恢复率可以衡量风速是否已经恢复到来流风速。利用SAS 9.0将不同平茬强度和模式下灌丛形态参数和防风效益进行统计分析，用方差分析法检验差异性。同时对灌丛形态参数与防风效益指标进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同平茬模式下灌丛形态参数变化

灌丛的防风功能主要受自身形态参数的影响，平茬作业必然会使沙柳灌丛结构特征发生改变，表2是平茬过程中沙柳灌丛形态参数统计分析结果。

由表2可知，平茬强度为0（未平茬）时，3种模式的形态参数差异性不显著，说明试验所选3株灌丛（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）结构差异较小；在不同平茬强度下，3种平茬模式的沙柳灌丛形态参数均存在差异（＜0.05），模式A和B在0～0.4平茬强度范围内，随着平茬强度的增加，形态参数与平茬前比状态变化不明显，0.6及以上与平茬前相比差异逐渐明显，而模式C变化趋势与之相反；以不同强度进行平茬时，3种平茬模式对应的沙柳灌丛的高度、冠幅和迎风面侧影面积均为模式B最大，模式A次之；平茬强度为0.2和0.4下，3种模式对应的疏透度与平茬前比差异均不明显，模式A、B、C在平茬强度0时，疏透度分别为0.4和0.6时的43.8%、62.6%、56.8%和29.2%、42.2%、34.7%，0.4与0.6灌丛疏透度差异显著。

表2 沙柳平茬过程中形态参数变化情况Table 2 Changes in morphological parameters of Salix psammophila during stumping

注：同列标有不同大写字母表示不同平茬强度间差异显著（<0.05），而不同小写字母表示相同平茬强度下不同平茬模式间差异显著（<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 风速变化特征

本试验所选沙柳植株为疏透结构，从图4可以看出，3种平茬模式下2个高度风速都呈现出迎风面2处风速均大于处的风速，背风面处的风速降幅最大，之后在逐渐恢复到旷野风速，而侧面处风速大于2处的风速。

在背风面处，随着平茬强度的增大，3种平茬模式在强度为0～0.4范围内风速降幅逐渐减小，但幅度不太明显，在平茬强度大于0.4之后，50 cm处降幅出现明显减小，模式A、B、C的平茬时强度为0.4时风速分别为对应旷野风速的53.7%、52.5%、69%，对风削减能力较强。而0.6时风速分别为对应旷野风速的64%、61.8%、78.2%，此时对风削减能力较弱。两者在50 cm高度处对风速消减的能力平均相差9.6%。平茬强度大于0.4后，对风削减能力出现相对明显的减弱；200 cm处由于沙柳冠层较为开放导致对风拦截能力较差而降幅减小不显著，模式A、B、C在0.4时风速分别为对应旷野风速的79.5%、74%、85.7%，而0.6时风速分别为对应旷野风速的86.2%、78.3%、89%。

在侧面C点50 cm高度处，3种平茬模式在强度为0～0.4范围内时风速均大于来流风速，灌丛侧面为风速加速区，这意味着在此平茬强度范围内由于灌丛结构的影响，一部分气流无法直接通过灌丛，风场中发生绕流现象，0.4之后，侧面风速逐渐减小，绕流现象逐渐减弱，1.0时的轻微绕流现象可能由灌丛沙丘所引发；C点200 cm高度处，由于此高度为灌丛的冠层，冠层较为开放，3种平茬模式下的绕流现象明显弱于50 cm高度处，且只在平茬强度为0～0.2范围内绕流现象存在。

在迎风面-点处，受灌丛和沙丘的阻挡作用，气流在此形成减速区，50 cm高度，模式A、B和C在平茬强度在0～0.4范围内风速分别平均降低13.2%、13.4%和11.6%，而在0.4～1.0范围内风速分别平均降低7.4%、7.8%和6.8%； 200 cm高度，3种模式下的风速降幅显著较低，模式A、B和C在平茬强度在0～0.4和0.4～1.0范围内风速分别平均降低8.4%、8.9%、7.8%和6.2%、6.4%、5.75%，0.4前后风速降的降幅区别明显。综合考虑，可以初步推论平茬强度为0.4是风场中发生显著变化的临界点。

3.3 防风效益比较

单株沙柳的防风效益主要体现在防风距离和风速降幅上[14]。由图4可以看出，沙柳灌丛在3种平茬模式不同平茬强度下背风面点风速降到最低，这是由于气流在其背风面的分离使剪切力在此处降至最低值而导致[21]，背风面点能有效衡量风速的降幅，min取为点处风速。之后随距离增加逐渐恢复，但直到本试验背风面末端测点7处，各平茬模式和强度下风速仍有明显差异，若7点处恢复为旷野风速，表明防护距离＜7；反之，则表明防护距离≥7H，故V选为7点处风速。分析不同平茬强度下的风速衰减率（）和风速恢复率（），得出表3。

注：A-50 cm指在模式A平茬作业下，观测高度为50 cm处的风速水平变化规律，余同。

表3 防风效益指标（ANOVA）方差分析Table 3 Variance analysis (ANOVA) of wind control benefit index

注：不同大写字母表示相同高度下不同平茬强度间差异显著（<0.05）。不同小写字母表示相同高度下不同平茬模式间差异显著（<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的值在不同强度下差异均不显著；模式C在50 cm高度的值明显高于模式A和B，与模式A和B有显著差异，模式B的值最低，模式B所对应灌丛对风削弱程度最大；200 cm高度的值在不同平茬强度下均呈模式C＞模式A＞模式B变化规律，且模式B与C差异性显著，模式B与A差异不显著，但模式B的值在不同强度下均低于模式A。模式B在风速降幅上优于模式A和C，且模式B有助于沙柳老龄枝条的平茬复壮。

3.4 灌丛形态参数与防风效益相关性分析

植株形态对其防风效应有重要影响[15]。平茬使沙柳灌丛形态发生明显的变化（表2），形态的变化直接影响着灌丛的防风效益，模式B在平茬临界点的风速降幅上优于模式A和模式C，模式B在平茬过程中防风效益最有利的形态指标变化幅度较小，为了进一步研究并找出对防风效益最有利的灌丛形态参数，进行相关性分析，表4是单株灌丛在平茬模式B的不同平茬强度下的冠幅、灌丛高度、疏透度、迎风面侧影面积与风速恢复率（）和风速衰减率（）之间的相关分析结果。

表4 防风效益指标与形态参数的相关分析Table 4 Correlation Analysis between wind control benefit index and morphological parameters of shrub

Note:**＜0.01；*＜0.05.

从表4得知，各形态参数共同作用影响防风效益，风速恢复率和风速衰减率与灌丛冠幅、灌丛高度、疏透度、迎风面侧影面积之间有着显著的相关性，200 cm处的相关性比50 cm处的相关性更为显著；疏透度与风速恢复率和风速衰减率有显著相关性。在50 cm高度处，疏透度与风速恢复率和风速衰减率相关系数分别为0.954、0.971（＜0.05），占分析指标中最高，灌丛高度和风速恢复率之间也有着较高的相关性，相关系数²= 0.891（＜0.05），冠幅和迎风面侧影面积与风速衰减率的相关系数同为0.949（＜0.05）。在200 cm高度处，风速恢复率与疏透度之间相关性最显著，迎风面侧影面积相其次；风速衰减率与各形态参数指标之间在＜0.01下相关性都较高，相关系数之间疏透度（0.985）＞灌丛高度（0.977）＞冠幅（0.972）＞迎风面侧影面积（0.971）。

4 讨 论

稳定的形态结构可使灌丛持续的发挥其防风功能，但平茬必然要破坏灌丛结构，灌丛结构的改变所引起的气流变化直接影响到灌丛的防风效益[21-22]。如何建立起有效维持沙柳灌丛结构特征稳定的科学平茬方法，使其既满足复壮平茬量的控制要求，又不至于使防风效益受平茬影响而发生剧烈变动，最终通过平茬调控实现灌丛复壮更新且能持续发挥其防风功能，这是本研究所确立的科学问题。

研究样地位于毛乌素沙地南缘，该地近年来在防沙治沙工程实施下，有力的提高了植被覆盖度，地表较稳定，2018年4月实测起沙风速为5.0 m/s，大于以往研究所测起沙风速[13,19]。本研究发现灌丛周围风速变化趋势主要是由其自身形态变化趋势决定的，两者具有统一性，这与谭凤翥等[23]在风洞下对柽柳灌丛三维流场分析所得结果趋势一致。屈志强等[13]，马士龙等[14]，王成龙[24]，乌拉等[25]对原状天然灌丛二维流场的研究表明，灌丛迎风面存在一个减速区，顶部及两侧为加速区，背风面存在一个静风区和一个尾流区，风场中存在绕流现象；张萍等[26]通过观测单个独立油蒿灌丛气流结构，得出气流流速在接近灌丛时有所降低，在灌丛背风侧达到最小，此后气流速逐渐回升，与本研究中平茬强度在0～0.4范围内结果一致，这是由于气流流经灌丛时，受到沙丘和灌丛的阻挡作用，在迎风面形成涡旋，使风动能少[11]，迎风面风速有所降低，形成减速区；之后气流被分为两部分，一部分气流通过灌丛，通过灌丛时，涡旋会被枝条分解成若干较小的涡旋，小涡旋形成标志着湍流能量的减弱，风动能剧烈衰减，风速迅速降低，在背风面形成弱风区，随着距离的增大，逐渐恢复到旷野风速[27]；另一部分气流发生轻微绕流现象，从灌丛和沙丘两侧及顶部绕过并在背风面汇合，灌丛侧面形成加速区[14,28]。在平茬强度超出0.4后，灌丛结构变化显著，灌丛结构周围的气流有所改变，风场中风速虽有所衰减，并具有风速恢复区域，但不存在绕流现象。结合乌拉等[25]通过野外试验研究不同形态结构沙蒿灌丛得到的灌丛气流结构特征结果：疏透结构的沙蒿灌丛，气流虽然受到灌丛的阻挡和摩擦作用，但是大部分气流不改变运行方向，均匀穿过灌丛，仅存在轻微绕流现象，透风结构的灌丛，风速也有所衰减，并具有较长的风速恢复区域，但不存在绕流现象。沙柳灌丛较沙蒿灌丛高，且枝条刚度也较沙蒿大，理论上，沙柳更容易发生绕流现象。但对比分析后发现，绕流现象强弱主要受疏透度这一指标所控制，对不同灌木种来说，只要疏透度相近，绕流强度也基本相近。本文综合分析灌丛形态参数变化、风速水平变化和防风效益指标均表明平茬强度为0.4是灌丛结构与功能发生突变的临界点，在0～0.4范围内存在绕流现象，0.4之后此现象逐渐减弱，这主要是由于各平茬强度下灌丛结构的差异所造成。具体绕流程度可以利用大量观测点数据做插值作风速等值线图来直观反映，但本研究由于试验条件的限制，无法在同一高度设置大量观测点，只研究了2个高度处风速水平变化特征，尚不能精确反应出灌丛周围风场的整体结构变化规律。且只选择3株灌丛作为供试材料，通过设定重复观测次数分析不同平茬作业间的防风效益，不同尺寸大小的灌丛，在同一平茬作业下，其防风效益差异是否显著，这需针对每种平茬模式在不同植株大小等级上设置足够的重复组来加以对比验证，本文未就此方面做深入的探讨，这些是本试验的不足之处，也是日后急需开展的工作。由于野外试验较难控制干扰因素，为更好的利用风沙两相流理论来客观分析灌丛流场特性，在今后将借助风洞开展深入研究。

灌丛防风效益受控于灌丛形态参数。Wang等[17]对沙柳灌丛植株形态与气流结构野外观测研究表明，真正决定植被防风效益的因素是植被迎风方向的侧影面积，侧影面积的大小由植株高度、冠幅和疏透度等形态特征综合决定的；苏日格嘎等[29]对科尔沁沙地三种沙蒿植株的研究表明，沙生植物对挡风效应的影响主要来自于植株的大小。而本文相关分析结果表明，形态参数中的疏透度对防风效益影响最显著，与苏日格嘎等的研究结果产生差异的原因，是由于受试材料和研究方法的不同，苏日格嘎等主要研究已经形成稳定结构下的3种沙蒿植株特征与防风功能之间的关系，生长在同一地区的3种沙蒿在形态外貌上表现出相似的结构型，不同种沙蒿间疏透度差异不大，防风效益主要取决于植株的大小。而本文是通过细分沙柳灌丛平茬单元，研究在平茬过程中不同保留丛状结构的形态参数与其防风效益的关系，结果显示当平茬达到一定强度时，其疏透度与未平茬状态时差异显著，此时，相比植株大小，其对防风效益的影响占主导地位。孙涛等[30]以疏透度为控制因子通过风洞试验研究了仿真固沙灌木的防风效益，结果表明枝条密度越大的仿真固沙灌木防风效益越明显，本文野外实测所得结果印证了其在风洞条件下模拟所得的结果。

5 结 论

1）平茬强度在0～0.4（为灌丛蓬径）范围内时，平茬后沙柳保留结构的形态参数与平茬前的差异不明显，而当强度达到0.6时，与0.4强度平茬下保留结构相比，疏透度具有显著差异性（＜0.05）；平茬后防风效益指标的变化也呈现类似的差异规律；平茬强度为0.4和0.6间相比，保留灌丛对风的消减能力差异明显，在背风面点500 cm高度处两者平均相差9.6%；因此，平茬时保留一定枝条量的灌丛能够起到和原灌丛相近的防风效能，相比当前整株平茬作业模式，本研究对灌丛施以维持其丛状结构特征可持续的平茬作业模式更为科学合理。

2）防风效益受疏透度和灌丛高度的显著影响（＜0.05），今后应综合考虑这两个指标来设计更为科学合理的平茬作业模式。

3）从防风效益的角度考虑，在对当地沙柳灌丛平茬时，应以模式B（沿主风向从灌丛两侧向中间同时平茬）进行，且最优平茬强度为0.4（迎风侧和背风侧各平茬1/5灌丛蓬径对应的带状部分枝条）。

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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，段广东，郝少荣，乔敬伟，秦 伟. 基于防风效益的毛乌素沙地沙柳灌丛平茬方法优选[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金（31400622）；内蒙古自然基金（2016MS0337）

裴志永，博士，副教授。主要从事森林资源开发与环境工程研究。Email：peizhiyong@imau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.019

S753.7

A

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