植被蓋度和灌木帶狀配置對近地表風速廓線的影響

司志民，劉海洋，陳　智，宣傳忠，宋　濤

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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植被蓋度和灌木帶狀配置對近地表風速廓線的影響

司志民，劉海洋，陳智，宣傳忠，宋濤

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：采用便攜式風速廓線儀分別對不同植被覆蓋度和灌木帶狀配置的退化草原進行實驗研究，結果表明：地表植被蓋度越大，其降風速和防風蝕效果越明顯，地表蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%時，距離地表2cm處的風速相較64cm處的風速降低幅度分別為72.4%、67.1%、61.7%和44.9%；灌木帶越高，對牧草帶有效保護距離越寬，植株高度大于0.7m的灌草帶狀配置有效保護距離均大于6m。因此，提高地表植被蓋度和增大灌木帶高度對近地表的風速廓線有較大影響，具有顯著的抗風蝕效果。

關鍵詞：植被蓋度；帶狀修復；土壤風蝕；風速廓線；抗風蝕效果

0引言

土壤風蝕是發生在我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]。中國科學院對沙塵暴的成分和來源進行分析研究表明，造成沙塵暴的主要原因是退化的耕地和草地，而不是沙漠[2]。內蒙古農牧交錯區是荒漠化發展最快、生態環境最為脆弱和人民生活較貧困的典型風蝕沙化區[3]，由于干旱少雨、過度放牧和人為的不合理利用，已造成天然草原不斷退化、沙化，甚至荒漠化，草地生產力急劇下降，嚴重破壞當地及周邊地區的生態環境。

目前，國內外學者對土壤風蝕防治的研究工作取得了諸多顯著成果，并通過定性描述及定量分析表明，植被覆蓋可以有效抑制土壤風蝕。Wasson和Nanninga[4]的研究表明：當植被覆蓋率達到35%～40%時，土壤風蝕基本不發生。Van den Ven等[5]的研究表明：即使是很少的植被覆蓋，也可以有效減少土壤風蝕的發生。Wolfe 等研究認為：植被覆蓋能提高地表空氣動力學粗糙度、降低風速和阻擋沙塵，對地表起到保護作用[6-8]。董治寶等通過風洞研究發現：隨著植被覆蓋度的增加，土壤風蝕率急劇下降[9]。

近地表風速是造成土壤風蝕的最主要原因，當地面風速低于沙塵的啟動風速(5m/s左右)時，土壤風蝕現象基本不會發生；提高植被蓋度和留茬高度等措施可以改變近地表風速廓線，降低地面風速，防止土壤風蝕。因此，提出將近地表風速廓線作為研究重點，通過采用便攜式風速廓線儀野外實驗的方法，定量分析不同植被蓋度，為探索灌草帶狀配置修復退化草地等關鍵技術提供理論依據，對進一步完善防治風蝕機理和相關測試設備具有重要意義。

1研究區域概況

本試驗設在四子王旗的保護性耕作項目區和風蝕項目組建設的草原土壤風蝕科研試驗基地。四子王旗位于內蒙古自治區中部、陰山山脈北側，海拔高度在1 000~2 100m間，地形以丘陵為主，屬于典型的農牧交錯帶。全旗干旱少雨，平均降水量均在300mm左右，且降水時空分布極不均勻，月際、年際變化很大。每年春季降雨量非常少，而且地表植被稀疏，年蒸發量高達1 600~2 400mm；主要分布土壤為栗鈣土、灰褐土，有機質平均含量為1%~3%。由于常年受季風影響，大風日數多，風力強且持續時間長，特別在冬春季節，地表土壤的風蝕相當劇烈，大部分地表已嚴重沙化。

2試驗條件與方法

2.1　試驗區條件

在進行植被蓋度試驗時，選擇的試驗地點為風蝕項目組自建的科研試驗基地，如圖1(a)所示。基地通過網圍禁牧、噴播種草等方法對草原植被進行恢復，為試驗提供多種不同植被蓋度的試驗區塊。在進行灌木帶狀修復試驗時，選擇四子王旗的保護性耕作項目區，如圖1(b)所示。該區擁有近666.7hm2采取種植檸條等強抗旱灌木作為防風護農帶的退化草地修復地表，可以為試驗提供多種不同工程尺度(帶寬、帶高、密度及帶間距)的灌木帶作為試驗對象。

圖1　試驗區地表狀況

2.2　試驗儀器與標定

試驗設備采用內蒙古農業大學設計制作的“RW-64型熱膜式無線風速廓線儀”，如圖2所示。

圖2　RW-64型熱膜式無線風速廓線儀

研究發現：導致土壤風蝕的風沙流活動層主要集中在距地表60cm高度內，其近地表風速分布在高度上符合對數規律[10]。因此，該風速廓線儀在垂直高度為2、4、8、16、32、64cm的位置上分別固定了一個高精度的熱膜風速傳感器，并采用YD02系列無線通信模塊對6路風速數據進行實時采集、發送和處理。與之相配套的信號接收設備和數據處理軟件具有插值運算、數據分析、數據存儲和風速廓線繪制等功能。

由于熱膜式風速傳感器的測量精度受環境溫度影響較大，在試驗前需要對風速傳感器組在相同溫度環境下進行標定。利用內蒙古農業大學自行研制的OFDY-1.2型移動式風蝕風洞和德國Testo-425熱線風速儀對各高度處的熱膜傳感器進行標定，環境溫度范圍在6.5～7.5℃之間。采用最小二乘法對實驗數據進行3次曲線擬合，擬合度R2均在0.96以上，擬合曲線方程組如表1所示。

表1　風速傳感器組擬合曲線方程

2.3　研究方法

植被蓋度和帶狀修復的近地表風速廓線試驗如圖3所示。試驗過程中，為使數據具有可比性，試驗均選擇距離地面2m處、瞬時風速為5m/s時采集到的數據作為參照。

圖3　植被蓋度和帶狀修復的近地表風速廓線試驗

1)試驗1：植被蓋度對近地表風速廓線的影響研究，植被蓋度試驗如圖3(a)所示。選擇植被高度4cm，植被覆蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%的4種不同草原地表作為研究對象，并將便攜式風速廓線儀置于試驗區塊當中，同時利用德國Testo-425熱線風速儀采集距離地面2m處的瞬時風速值。

2)試驗2：帶狀修復對近地表風速廓線的影響研究，所研究的灌草植物類型為檸條，帶狀修復試驗如圖3(b)所示。試驗選擇項目區中以南北方向配置且密度相近，帶間距為6m，帶寬為1.5m，帶高分別為1.5、0.7、0.3m的3種不同工程尺度的灌草帶作為試驗對象，研究帶高對帶間草地近地表風速廓線的影響。試驗時，對每種研究對象進行獨立試驗，分別選取距離灌草帶內邊緣1、2、3、4、5、6m位置處且平行于保護帶的6個測點。

3結果與分析

3.1　植被蓋度對近地表風速廓線的影響

表植被蓋度的抗風蝕機理是通過改變地表粗糙來影響近地表風速廓線，進而表現為土壤風蝕能力減弱，是反映土壤抗風蝕能力的一個重要指標[11]。近地表風速隨高度的分布一般遵循對數規律，但由于保護性地表對氣流紊動性的影響，使氣流的能量分布發生明顯變化，改變了風速隨高度變化的對數規律[3]。不同植被蓋度的近地表風速廓線如圖4所示，試驗時平均環境溫度為7.3℃。

圖4　不同植被蓋度近地表風速廓線

由圖4可知：地表蓋度分別為85%、35%、20%和小于5%時，距離地表2cm處的風速相較64cm處的風速降低幅度分別為72.4%、67.1%、61.7%和44.9%。其中，地表覆蓋度小于5%時，其風速廓線變化最緩慢；高度從64cm降到2cm，風速從3.36m/s降低到1.85m/s，風速降低幅度最小，抗風蝕能力最弱；地表覆蓋度為85%時，風速廓線變化最明顯，高度從64cm降到2cm，風速從3.48m/s降低到0.96m/s，風速降低幅度最大，抗風蝕能力最強。

從數據中可以看出：覆蓋度為85%、35%和25%的地表在近地表風速降低幅度上均在61%以上，較之覆蓋度小于5%的地表的44.9%有較大的差別，對風速廓線的影響較為明顯。試驗表明：地表植被蓋度越大，對近地表氣流能量分布的影響越明顯，近地表風速廓線變化越明顯，風速隨高度的降低而減小的更劇烈，抗風蝕能力越強。

3.2　灌草帶狀保護對帶內近地表風速廓線的影響

灌草帶狀配置措施可以提高土壤含水量，且帶間地表粗糙度穩定，平均防風效果好，具有顯著降低土壤風蝕強度及固定流沙等作用[12]，是一種低成本、高效益的退化草地植被快速修復方法。不同配置的灌草帶間近地表風速廓線如圖5所示, 試驗時平均環境溫度為7.0℃。

從圖5中的3組試驗數據中可以看出：灌草帶高度為1.5m時，距離灌草帶內邊緣1、2、3、4、5、6m處的風速降低幅度(距離地表2cm處的風速相較2m處的風速)分別為90.4%、89.8%、89.0%、87.4%、85.0%和82.6%；灌草帶高度為0.7m時，距離灌草帶內邊緣1、2、3、4、5、6m處的風速降低幅度分別為89.2%、88.2%、86.4%、84.8%、82.6%和80.4%；灌草帶高度為0.3m時，距離灌草帶內邊緣1、2、3、4、5、6m處的風速降低幅度分別為88.6%、86.2%、81.2%、75.6%、70.8%和67.8%。

由此可知：在灌草帶的寬度、密度及配置方向等參數不變的情況下，帶高越高，帶間地表粗糙度越大，距離地表2cm處的風速相較2m處的風速降低幅度越大，近地表風速廓線變化越明顯；對同一配置參數的灌草帶，風速廓線變化的明顯程度(風速降低幅度)與灌草帶內邊緣的距離成反比關系，且當距離增大到某一值后，風速廓線變化的明顯程度趨于平緩，體現在風速廓線不斷接近。

圖5(a)中：所有風速廓線均未發生重合，且在距離檸條帶6m處的風速廓線變化依然較為明顯，距離地表2cm處的風速相較2m處的風速下降了82.6%，表明1.5m高的灌草帶可有效保護6m以上風蝕地表。圖5(b)中：所有風速廓線均未發生重合，但在距離灌草帶內側5m和6m的風速廓線不斷接近，降風速能力分別為82.6%和80.4%，表明0.7m高的灌草帶可有效保護6m左右的風蝕地表。圖5(c)中：在距離灌草帶內側5m處，風速廓線開始發生部分重合，且降風速能力低于70%，表明0.3m高的灌草帶的有效保護距離為5m左右。

圖5　不同配置的灌草帶間近地表風速廓線

4結論與討論

1)地表植被蓋度越大，近地表風速廓線變化越明顯，風速隨高度的降低而減小得更劇烈，抗土壤風蝕的能力越強。當植被覆蓋度在20%時，近地表風速降低幅度己達到62.5%，已經具有較明顯的抗風蝕作用；隨著植被覆蓋度的增加，風速廓線呈現出相對比較穩定且逐漸接近于某一特定曲線的規律；當植被覆蓋度小于5%時，風速降低幅度在45%左右，抗風蝕能力較弱。

2)灌草帶高度越高，帶間地表粗糙度越大，對近地表風速廓線影響越大，降風速、抗風蝕能力越強；同一配置參數的灌草帶，帶間風速廓線變化的明顯程度與灌草帶內邊緣的距離成反比關系；隨著距離的增大，明顯程度減緩，風速廓線不斷接近且發生部分重合的現象；植株高度大于0.7m的灌草帶狀配置有效保護距離均大于6m。

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Effects of Vegetation Coverage and Banded Repair on Near-surface Wind velocity Profile

Si Zhimin, Liu Haiyang, Chen Zhi, Xuan Chuanzhong, Song Tao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Experimental researches have been done using portable wind speed profile meter on degraded grasslands with different vegetation coverage and shrub belt configuration, respectively.The results show that the greater the surface vegetation coverage,the more obvious its effect on reducing wind speed and wind erosion prevention. Compared the wind speed at 2 cm and 64 cm high from the surface,72.4%, 67.1%, 61.7% and 44.9% of the wind speed have been reduced ,respectively, when the surface coverage ratio are 85%, 35%, 20% and less than 5%. Meanwhile, the higher the shrub belt, the wider the effective protection distance. For the shrub and herbaceous plant with banded configuration, when the plant height is higher than 0.7 m , its effective protection distance can reach not less than 6 m. Therefore, increasing the surface vegetation coverage ratio and height of shrub and herbaceous plant have a great influence on wind speed profile of near surface, have significant effect on reducing wind erosion.

Key words：vegetation coverage ratio; banded repair； wind erosion; wind speed profile; anti-erosion efficiency

通訊作者：陳智(1962-)，男，內蒙古察右前旗人，教授，博士，(E-mail) chz6653@sohu.com。

作者簡介：司志民(1989-)，男，河北張家口人，碩士，(E-mail)hbsizhimin@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(40861013，41361058)

收稿日期：2015-09-27

中圖分類號：S157.4+33

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0178-05