草原灌木帶空氣動力學粗糙度研究

薛晶，侯占峰，劉海洋，閆建國，陳智

（內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

草原灌木帶空氣動力學粗糙度研究

薛晶，侯占峰，劉海洋，閆建國，陳智

（內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

為了定量研究灌木帶修復退化草原的機理，采用集沙儀和風速廓線儀野外采集了不同高度灌木帶及退化草原的風蝕物及風速廓線，利用最小二乘法對風速廓線數據進行計算得到了相應的空氣動力學粗糙度。結果表明：灌木帶對草地的防護機理在于提升了地表的空氣動力學粗糙度，降低了近地表的風速，從而導致灌木帶相對退化草原的抗風蝕能力增強，大量風蝕物集中在近地表30 cm范圍內；距灌木帶的距離越遠，空氣動力學粗糙度呈現下降趨勢；同時對不同高度灌木帶的研究發現，0.3m、0.7m和1.5m高的灌木帶分別在距背風面3m、5m和6m處的空氣動力學粗糙度與退化草原的值趨于一致，此距離為該灌木帶的有效防風蝕范圍，空氣動力學粗糙度及有效防護范圍均隨灌木高度的增加而增大。

灌木帶；退化草原；風速廓線；空氣動力學粗糙度

土壤風蝕是發生在中國北方干旱半干旱地區及半濕潤地區的重要生態過程，同時也是導致這些地區生態系統退化的重要原因［1－2］。陰山北麓地區草地退化面積占草地總面積的70%以上，不僅已經成為制約該區域農牧業可持續發展突出的環境問題，而且嚴重威脅著內蒙古自治區這道生態防線功能［3－4］。因此，研究退化草原的生態恢復和重建是實現畜牧業可持續發展需要迫切解決的重大問題，對其科學研究也應該力求做到定量化。

目前，國內外對退化草地植被修復技術體系的研究相對較多，如Hupy等［5］研究了灌草配置草地對土壤養分及風沙輸移的影響作用。Wolfe等［6－7］研究顯示，圍封的草地土壤有機質、全氮、速效磷均顯著高于放牧地。程積民等［8－9］研究了不同整地方式與灌草配置對土壤水分的影響，提出了灌草立體配置可以提高土壤含水量；楊樹等［10］研究了內蒙古中部地區退耕還林還草后植被與土壤理化性狀的變化。以往的研究側重于草地修復技術對于土壤理化性質的改善，對于其防風蝕機理和效果未進行深層次的分析研究。

空氣動力學粗糙度對土壤風蝕有著直接、顯著的影響，研究表明，提高植被蓋度和留茬高度等措施，其實質是提高了地表的空氣動力學粗糙度，從而降低了地面風速，導致土壤抗風蝕能力增強［11－12］。因此，本文將近地表風速廓線作為研究重點，定量分析灌木帶配置對空氣動力學粗糙度的影響，從而為研究提高草原抗風蝕和自我修復能力以及灌草立體配置修復退化草地植被等關鍵技術提供準確的理論基礎。

1 試驗地點

本研究主要針對東西風向條件下灌木帶防護效應進行野外實地觀測。試驗地點位于內蒙古自治區四子王旗境內的草原土壤風蝕科研試驗基地，該基地由內蒙古農業大學風蝕研究團隊建立。該區域海拔高度在1 000～2 100m間，年平均降水量均在300 mm左右，由于常年受季風影響，大風天氣約占全年的50%，地表土壤的風蝕相當劇烈，大部分草地已嚴重沙化。退化草地的植物主要是多年生禾本科如針茅、冰草為主。草群高度一般為10～25 cm，總蓋度15%～30%。試驗基地每隔一定間距栽植等寬度的檸條灌木作為防風護農帶的退化草地修復地表，其地表的草群總蓋度達到70%～80%，試驗基地可為試驗提供不同工程尺度的灌木帶作為試驗對象，如圖1所示。該區域風蝕主要發生在冬春季節，全年月平均風速為4.5m·s－1，本次試驗數據采集于2014年11月。

圖1 試驗區地表狀況Fig.1 The surface condition of test area

2 試驗方法

2.1 試驗設計

試驗選擇項目區以南北方向配置，試驗灌木帶的疏透度約為50%，帶間距為6 m，帶寬為1.5m，帶高分別為1.5m、0.7m和0.3m的三種不同工程尺度的灌草帶作為試驗對象，同時將緊鄰試驗區西側的退化草原作為試驗對照物。測試期間大氣平均溫度為7℃，距離地面2 m處的瞬時風速為5 m·s－1，風向為東西方向。試驗時，首先利用旋風分離式集沙儀收集了高度為0.3 m的灌木帶與退化草原在不同風速下的風蝕物，集沙儀放置在距防護帶6 m的下游處，其高度為840mm，沿高度方向分布10個氣流管收集垂直方向上不同高度的風蝕物，采集時間30min，風蝕物由精度為千分之一的電子天平稱質量。其次，將多通道自計式遙測風速儀分別放置在距離三種不同高度灌木帶背風面1m、2m、3m、4m、5m和6m位置處的6個測點（分別標記為T1－T6），并采集記錄風速廓線儀2 cm、4 cm、8 cm、16 cm、32 cm和64 cm高度位置上的風速。采樣數據間隔時間為10 s·次－1，風速測量精度≤1.1 m·s－1。每組試驗分別測取5次數據，并取5次試驗數據的平均值作為最終試驗結果。

2.2 空氣動力學粗糙度計算

空氣動力學粗糙度是研究不同床面風沙活動產生機制的一個重要參數，通常由試驗測試得到的風速廓線進行計算，其計算公式如下［13］：

式中，UZ為距地面高度為Z處的風速；U*為摩阻風速；k為取值0.4的常數；Z0為研究地表的空氣動力學粗糙度。

為了獲得空氣動力學粗糙度的精確值，利用Zinggs［14－15］等提出的最小二乘法對風速廓線數據進行相關分析，得到擬合方程為：

式中，A、B為擬合系數。

當UZ＝0時，對應的空氣動力學粗糙度Z0即為地表上平均風速為零的高度，此值可用來評價近地表空氣動力學性質和防風蝕效應。其計算式為：

3 結果與分析

3.1 灌草帶對風蝕量的影響

圖2為利用集沙儀采集到的不同風速下退化草原與0.3 m高灌木防護帶的土壤風蝕量在垂直高度上的分布情況。從圖中可以發現，灌木帶風蝕量范圍為0～0.018 g·cm－2，而退化草原的風蝕量在0～0.14 g·cm－2范圍內。試驗采集的灌木防護帶內的風蝕量遠小于退化草原的風蝕量。當試驗風速＜8 m·s－1時，試驗地表的大量風蝕物主要集中在距地表0～30 cm高度內，說明空氣對地表的風蝕作用主要發生在近地表區域。對于退化草原，其風蝕量隨高度的增加而呈現大幅降低的規律。而灌木防護帶風蝕物收集量隨地表高度有自己獨特的分布規律，出現該現象的原因是氣流受灌木帶的影響強烈，使近地表氣流的流場發生改變，從而使風蝕物的運動軌跡發生了改變。為了了解灌木防護帶對空氣流的影響，測試了不同高度灌木帶在T1－T5測點處的風速廓線，結果如圖3所示。

3.2 灌草帶狀保護對帶內近地表風速廓線的影響

觀察圖3可以發現，試驗地表風速廓線各點處的風速均隨著高度的增加而逐漸上升，灌木保護帶內各測點的風速均低于退化草原，較小的近地表風速減弱了對草原地表的風蝕，這也解釋了圖2中灌木保護帶內風蝕量較小的原因。觀察退化草原的風速廓線發現其在4～32 cm范圍內的風速變化較小，而灌木保護帶各測點的風速下降幅度明顯高于退化草原。如各測點2 cm高度處的風速較64 cm處的風速降低幅度分別為79%、65.7%、55.2%、56.3%和55.7%。灌木帶對氣流的阻擋作用在垂直高度方向改變了空氣的動能分布，因此出現了不同測點處其風速各異的特點。為了進一步研究灌木帶的防護機理，利用公式3計算了不同配置的灌草帶間各測點的空氣動力學粗糙度如圖4所示。

圖2 不同類型地表土壤風蝕量隨高度的分布Fig.2 Distribution of wind erosion amount with height on different types of land surface soil

圖3 不同地表風速廓線Fig.3 Wind velocity profiles of different surfaces

圖4 不同地表空氣動力學粗糙度Fig.4 Aerodynamic roughness of different surfaces

3.3 灌木帶狀保護對空氣動力學粗糙度的影響

觀察圖4發現，在灌草帶的寬度、密度及配置方向等參數不變的情況下，不同高度灌木帶的空氣動力學粗糙度均隨測試距離的增加而呈現下降趨勢，距離灌木帶等距離的測試點處，空氣動力學粗糙度隨著帶高的增加而增加。出現該規律的原因是由于地表受到了種植灌木的防護，當空氣經過灌木帶時，近地表的空氣流場發生了改變，氣流的流動方向被抬升，因此，灌木帶相對于退化草原的空氣動力學粗糙度出現了一個向上抬升的位移。如圖4中T1測點處不同帶高灌木帶的位移抬升值分別為1.72、2.45和3.01。此作用在圖2中表現為灌木帶較退化草原風速廓線相應的發生了向下的偏移。由此導致灌木帶背風面的風速低于相同地表高度退化草原上的風速，降低的風速意味著對土壤風蝕作用的減小，從而有效地保護了草原地表，這便是灌木帶對草原的防護機理所在。

0.3 m、0.7 m和1.5 m高灌木帶分別在背風面3 m、5 m及6 m處的空氣動力學粗糙度降到了與退化草原相同的水平，表明在此區域后的范圍內，灌木帶將失去對草原的防護作用，風蝕量將增加。由上述規律發現，隨著灌木帶高度的增加，灌木防護帶內的空氣動力學粗糙度逐漸上升，即灌木防護帶的有效防風蝕范圍隨著灌木帶高度的增加而擴大，兩者呈現正相關關系。

4 結論

1）灌木帶提高了退化草原的抗風蝕能力，氣流能量受到灌木帶的強烈影響，使其周圍的氣流場重新分布，改變了近地表風沙流結構，致使灌木防護帶內風蝕物收集量隨地表高度的分布規律不明顯，風蝕物主要集中在30 cm的近地表范圍內。

2）灌木帶在一定防護區域內較退化草原的空氣動力學粗糙度明顯升高，且隨著灌木帶高度的增加，空氣動力學粗糙度呈正相關上升趨勢，從而導致灌木防護帶內的風速較退化草地明顯降低，充分體現了灌木帶有效防治風蝕的機理。

3）距灌木防護帶距離越遠，空氣動力學粗糙度呈下降趨勢，且距離達到一定值時，灌木帶與退化草原的空氣動力學粗糙度值趨于一致。這時灌木帶對該地表將失去風蝕防護作用，因此，該測點距灌木帶的距離即為灌木帶的有效防風蝕區域，該規律對于修復退化草原時合理配置灌木帶的工程尺度具有十分重要的意義。

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Study on the aerodynamic roughness of grassland shrub belt

XUE Jing，HOU Zhan-feng，LIU Hai-yang，YAN Jian-guo，CHEN Zhi
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot，Inner Mongolia 010018，China）

In order to carry out a quantitative research on the mechanism of repairing degraded grassland with shrub belt，the wind erosion sediment and wind speed profile with different heights of shrub belt and degenerated grassland had been collected by sand sampler and wind speed profiler.In addition，the corresponding aerodynamic roughness was calculated using the least squares method to calculate the wind profile data.The results showed that the protective mechanism of shrub for grassland was to enhance the aerodynamic roughness of earth surface and reduce the near－surface wind speed，leading to the improvement of ability to resist wind erosion of shrub compared to degraded grassland.A lot of aeolian deposits were concentrated in the near surface within the scope of 30 cm.Aerodynamic roughness appeared a trend of becoming declined with the farther distance from shrubs.At the same time，through studying shrubs of different heights，it was found that the aerodynamic roughness and the value of degraded grassland tended to agree with each other for shrubs with different heights of0.3m，0.7m and 1.5m high when leeward sides were 3m，5m and 6m，respectively.The distance was an effective wind erosion area of shrub belt，and aerodynamic roughness and effective protective range became enlarged with the increase of the shrub height.This finding has a great significance for the repair of degraded grassland and a reasonable allocation of engineering dimension of shrub belt.

shrub belt；degenerated grassland；wind speed profile；aerodynamic roughness

S157.4

A

1000-7601（2016）06-0253-04

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.38

2015-09-10

國家自然科學基金項目（40861013），（41361058）

薛晶（1983—），女，內蒙古烏海市人，講師，碩士，主要從事測試與控制技術方面的研究。E-mail：jingjingtuzi＠163.com。

陳智（1962—），男，內蒙古察右前旗人，教授，博士，主要從事測試與控制技術方面的研究。E-mail：chz6653＠sohu.com。