烏蘭布和沙漠公路“麥草沙障-梭梭”的防護(hù)效益

崔 健, 高君亮,3,4, 喬靖然, 于 猛, 許亞欣

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200;2.國家林業(yè)草原防沙治沙工程技術(shù)研究中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200; 3.烏蘭布和沙漠綜合治理國家長期科研基地,內(nèi)蒙古 磴口 015200; 4.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站, 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

由于干旱、半干旱區(qū)局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,加之區(qū)域內(nèi)風(fēng)大沙多、春冬季風(fēng)沙活動(dòng)頻繁[1]。在風(fēng)力的作用下,沙物質(zhì)被吹蝕、搬運(yùn)和沉積,劇烈的風(fēng)沙活動(dòng)會(huì)對(duì)耕地、建筑和交通運(yùn)輸線路等公共設(shè)施造成毀壞和破壞[2]。隨著我國西北大開發(fā)和“一帶一路”倡議的陸續(xù)實(shí)施,越來越多的沙區(qū)公路投入運(yùn)營,沿線風(fēng)沙危害,部分線路的行車安全已受到影響。風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)沙區(qū)公路主要形成路基風(fēng)蝕和沙埋形式的沙害[3-6],其中,沙埋是路基沙害的主要表現(xiàn)形式[7]。沙埋不但會(huì)造成路面磨蝕,增大養(yǎng)護(hù)成本,而且會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)沙引發(fā)交通事故,甚至?xí)斐傻缆方煌ㄖ袛?大大增加建設(shè)成本[8]。因此,隨著交通建設(shè)逐步拓展,道路防沙治沙工作將面臨更加復(fù)雜的環(huán)境和挑戰(zhàn)。

自20世紀(jì)50年代包蘭鐵路成為我國首個(gè)流動(dòng)沙漠區(qū)道路風(fēng)沙防治成功案例起,便為我國沙區(qū)道路修筑與防護(hù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[9-10]。隨著時(shí)代進(jìn)步,交通線路防沙治沙經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平得到不斷提高。眾多學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)[11-12]、野外觀測(cè)[13]和采用固、阻、輸、導(dǎo)、擋風(fēng)輸沙型等多種道路防沙體系結(jié)構(gòu)模式[14-16]對(duì)道路沙害防治技術(shù)已作出詳細(xì)研究;借助野外定位監(jiān)測(cè)、三維激光掃描以及無人機(jī)航測(cè)技術(shù),評(píng)價(jià)交通公路沿線風(fēng)沙防護(hù)體系的防護(hù)效益,并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)基于孔隙度、高度、防護(hù)間距等工程參數(shù),選擇適當(dāng)?shù)姆郎炒胧┎⑦M(jìn)行優(yōu)化組合[17-18];同時(shí)為解決公路風(fēng)沙防護(hù)體系以單一的機(jī)械防護(hù)為主的問題,沙區(qū)抗逆植物種篩選培育、節(jié)水技術(shù)以及微生物材料在風(fēng)沙防治中日益成熟,形成了生物、機(jī)械和化學(xué)相結(jié)合的綜合防護(hù)模式[19-20]。麥草沙障和梭梭作為最常見的機(jī)械沙障和防沙治沙先鋒樹種,在烏蘭布和沙漠防沙治沙方面發(fā)揮重要作用,而沙漠東北部一直以來是沙化土地治理與開發(fā)的主要區(qū)域,從目前來看,在開發(fā)過程中需要修建公路,而為了避免公路沙害問題,當(dāng)?shù)鼐痛┥彻穬蓚?cè)構(gòu)建的“麥草沙障—梭梭林”防風(fēng)固沙體系取得顯著成效,但對(duì)于此防風(fēng)固沙體系所產(chǎn)生的防護(hù)效益還并未作出明確研究,因此,我們目前開展的研究主要是對(duì)當(dāng)前以產(chǎn)生防護(hù)作用的防護(hù)體系進(jìn)行科學(xué)研究。

基于此,本研究以磴—額線磴口縣工業(yè)園區(qū)穿沙公路兩側(cè)設(shè)置的“麥草沙障—梭梭林”防護(hù)體系為研究對(duì)象,運(yùn)用野外觀測(cè)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,分析風(fēng)速、輸沙量及土壤粒度變化情況,從而探究該防護(hù)體系的防風(fēng)固沙效益,以期為該區(qū)域內(nèi)其他公路風(fēng)沙災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部,行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊导撅L(fēng)氣候[20],年均氣溫為7.6℃,年平均降雨量為144.5 mm,年平蒸發(fā)量2 397.6 mm。年均風(fēng)速為3.7 m/s,瞬時(shí)風(fēng)速可高達(dá)24 m/s,3—5月易出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣,平均年揚(yáng)沙日數(shù)77 d;土壤類型包括風(fēng)沙土、棕鈣土、灰漠土等,其中,風(fēng)沙土面積最大。植被多以旱生及超旱生灌木和草本為主,天然灌木類植物有白刺(Nitrariatangutorum)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等;草本植物有沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、豬毛菜(Kalicollinum)、霧冰藜(Gruboniadasyphylla)、沙鞭(Psammochloayillosa)等;人工灌木類植物主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、花棒(Cotethrodendronscoparium)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與樣點(diǎn)布設(shè)

選擇磴—額線磴口縣工業(yè)園區(qū)穿沙公路為研究對(duì)象,該公路于2018年建成通車后,為了防止公路兩側(cè)流沙上路產(chǎn)生沙害,當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門在公路兩側(cè)的流動(dòng)沙丘上鋪設(shè)了草方格沙障(規(guī)格約為1 m×1 m),并在障格內(nèi)栽植了梭梭(行距約為2 m×2 m),目前,整體防護(hù)效益比較顯著。

于2022年4月20日大風(fēng)天氣下,對(duì)公路防風(fēng)固沙體系的防護(hù)效益進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

如圖1所示在公路兩側(cè)布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別為公路上風(fēng)向流動(dòng)沙丘(A點(diǎn)),公路上風(fēng)向距離公路近20 m的防護(hù)體系內(nèi)(B點(diǎn)),公路下風(fēng)向距公路近20 m的防護(hù)體系內(nèi)(C點(diǎn));分別在A,B,C點(diǎn)布設(shè)風(fēng)速儀和集沙儀,風(fēng)速儀測(cè)量高度分別為20,100,200 cm,集沙儀高度為50 cm高,共25層,每層積沙口規(guī)格為2 cm×2 cm,本研究中只收集到0～30 cm高度范圍內(nèi)沙物質(zhì)。根據(jù)劉芳等[21]的研究表明,該區(qū)域流動(dòng)沙丘風(fēng)速達(dá)到5.1 m/s時(shí)集沙儀可收集到風(fēng)蝕物,而本試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)沙觀測(cè)時(shí)風(fēng)向?yàn)?70°～290°,與當(dāng)?shù)刂骱︼L(fēng)向垂直,輸沙勢(shì)與前人研究相一致,風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速,因此對(duì)此區(qū)域選擇2個(gè)具有典型代表性的時(shí)間段進(jìn)行風(fēng)沙活動(dòng)同步監(jiān)測(cè),每次監(jiān)測(cè)時(shí)間20 min,風(fēng)速采樣間隔2 s。每次記錄觀測(cè)起止時(shí)間,觀測(cè)結(jié)束后,將集沙儀各層沙樣取出并倒入塑封袋中,袋上標(biāo)記樣品采集時(shí)間、位置以及高度信息,同時(shí)計(jì)算輸沙量及輸沙率。并將各測(cè)點(diǎn)位置處集的沙儀內(nèi)沙物質(zhì)帶回實(shí)驗(yàn)室使用激光粒度儀測(cè)量垂直方向的沙粒含量分布,并分別采集A,B,C點(diǎn)處表層土壤裝入塑封袋,并使用激光粒度儀測(cè)量表層土壤顆粒粒度情況。

圖1 樣點(diǎn)布設(shè)圖

2.2 樣品處理

(1) 土壤粒度特征。用激光粒度儀(型號(hào):EYE-TECH,產(chǎn)地:荷蘭,量程:0.1～3 400 μm)測(cè)量土壤粒徑體積分?jǐn)?shù),本試驗(yàn)土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用美國制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]。將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細(xì)砂(0.05～0.10 mm)、細(xì)砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、極粗砂(1.00～2.00 mm)和砂石(>2.00 mm)。

采用伍登—溫德華粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)克魯賓對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化法,分別將先前輸出的各土壤顆粒累積體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的顆粒直徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換,有利于計(jì)算Φ值[23],見公式(1)

φ=-log2D

(1)

式中:D代表顆粒直徑(mm)。

通過克倫拜因和?？擞?jì)算累計(jì)頻率曲線圖上累計(jì)百分含量5%,10%,16%,25%,50%,75%,84%,95%所對(duì)應(yīng)粒度對(duì)數(shù)值φ5,φ10,φ16,φ25,φ50,φ75,φ84,φ95,據(jù)此計(jì)算粒度特征參數(shù)平均粒徑(d0)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ0)、偏度(S0)、峰態(tài)值(K0)[23]。

(2) 粗糙度的計(jì)算。粗糙度是衡量下墊性質(zhì)的重要指標(biāo),即地面風(fēng)速為零的高度,用下式計(jì)算[24]:

(2)

式中:Z1,Z2表示地面任意兩個(gè)高程(cm);u1,u2表示Z1,Z2兩個(gè)高程上的風(fēng)速(m/s);Z0表示該地表的粗糙度(cm);A=u2/u1;Z1=200 cm,Z2=20 cm。

(3) 風(fēng)沙流特征值。根據(jù)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)函數(shù),計(jì)算0～10 cm各高度的風(fēng)沙流輸沙量,根據(jù)吳正提出的判斷地表蝕積狀況的風(fēng)沙流特征值的計(jì)算公式(3)[25],計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)沙流特征值(λ),公式如下:

(3)

式中:Q0～2為0～2 cm高度內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙率〔g(/cm·min)〕;Q2～10為2～10 cm各高度風(fēng)沙流輸沙率的總和〔g(/cm·min)〕。當(dāng)λ>1時(shí),表明下層沙量處于不飽和狀態(tài),氣流尚有較大搬運(yùn)能力,有利于吹蝕;當(dāng)λ<1時(shí),表明搬運(yùn)沙物質(zhì)多貼近地面,在地表易形成堆積;當(dāng)λ=1時(shí)為蝕積平衡狀態(tài)。

(4) 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。半固定沙地的輸沙率一般隨高度呈指數(shù)函數(shù)或者冪函數(shù)關(guān)系變化(式4),但也隨著區(qū)域、下墊面條件及天氣狀況而變化,而固定沙地一般服從多項(xiàng)式關(guān)系(式5),但擬合程度不高,沒有明顯規(guī)律[26]。對(duì)各測(cè)點(diǎn)集沙儀10個(gè)高度的水平輸沙通量進(jìn)行擬合,公式如下:

q(x)=a(x)b

(4)

q(x)=ax2+bx+c

(5)

式中:q(x)表示某一高度范圍的輸沙量(g/cm2);x表示沙物質(zhì)所在集沙儀采集層的高度(cm);a,b,c為擬合系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理主要使用Origin 2019b和Excel 2010軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速變化情況

觀測(cè)點(diǎn)不同高度處平均風(fēng)速變化圖(圖2)可知,各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和變化情況均表現(xiàn)出隨著高度的增加風(fēng)速逐漸增大的趨勢(shì);且在不同測(cè)點(diǎn)位置處平均風(fēng)速大小出現(xiàn)明顯變化,均表現(xiàn)為A點(diǎn)(流動(dòng)沙丘)>B點(diǎn)(梭梭林上風(fēng)向)>C點(diǎn)(梭梭林下風(fēng)向),在15∶55—16∶15時(shí)間段A點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為8.61 m/s,9.91 m/s和10.08 m/s;B點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為5.54 m/s,5.80 m/s和7.80 m/s;C點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為2.93 m/s,5.16 m/s和7.47 m/s;在16∶45—17∶05時(shí)間段內(nèi)A點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為8.33 m/s,9.13 m/s和9.81 m/s;B點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為5.63 m/s,5.69 m/s和7.99 m/s;C點(diǎn)位置平均風(fēng)速依次為2.81 m/s,4.68 m/s和7.74 m/s。因此綜合分析可以得出,風(fēng)沙流由B點(diǎn)經(jīng)過C點(diǎn),風(fēng)速迅速降低,在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低了48.7%,14.4%和3.9%,由此可以看出近地表風(fēng)速降低明顯,但隨著高度的增加對(duì)于風(fēng)速的削弱作用逐漸減小,風(fēng)速降低程度減少;但通過對(duì)比A點(diǎn)和B點(diǎn)、C點(diǎn)發(fā)現(xiàn),B點(diǎn)風(fēng)速較A點(diǎn)在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低34.0%,39.6%和22.4%;C點(diǎn)風(fēng)速較A點(diǎn)在3種高度下(20 cm,100 cm和200 cm)風(fēng)速分別降低66.1%,52.5%和23.5%,在B點(diǎn)、C點(diǎn)兩點(diǎn)位置處風(fēng)速較A點(diǎn)風(fēng)速均有不同程度的降低,但降低程度略有不同,表現(xiàn)出C點(diǎn)風(fēng)速降低程度高于B點(diǎn)風(fēng)速降低程度,說明該防護(hù)體系可以有效降低過境風(fēng)沙流,從而達(dá)到保護(hù)公路免受沙埋。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)不同高度風(fēng)速變化

由各觀測(cè)點(diǎn)地表粗糙度(cm)可知(表1),A點(diǎn)地表粗糙度平均值約為0 cm,B點(diǎn)地表粗糙度平均值為0.078 5 cm,C點(diǎn)地表粗糙度平均值為4.92 cm;由此表明B,C兩點(diǎn)地表粗糙度均顯著大于A點(diǎn),即在此防護(hù)體系下能有效降低近地表風(fēng)速并且增大地表粗糙度。因此可以看出防護(hù)體系防風(fēng)效益顯著。

表1 不同觀測(cè)點(diǎn)地表粗糙度Table 1 Surface roughness at different observation points

由同一高度不同觀測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)速變化圖(圖3)可知,在20 cm高度處不同測(cè)點(diǎn)位置處的風(fēng)速變化呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象,風(fēng)速變化大小表現(xiàn)出A點(diǎn)>B點(diǎn)>C點(diǎn),且由A點(diǎn)平均風(fēng)速為8.5 m/s到B點(diǎn)平均風(fēng)速為5.6 m/s,風(fēng)速有減小的趨勢(shì),但變化不大,由此說明再由A點(diǎn)到B點(diǎn)的過程中由于距離較遠(yuǎn)受到其他沙丘的影響,風(fēng)速有所降低;但在經(jīng)過阻擋后降低至C點(diǎn)平均風(fēng)速為2.9 m/s,風(fēng)速迅速降低,降低至A點(diǎn)風(fēng)速的2倍,由此可見能有效降低地表風(fēng)速,對(duì)近地表風(fēng)速有較強(qiáng)的削弱作用;在100 cm高度處,仍然表現(xiàn)出A點(diǎn)>B點(diǎn)>C點(diǎn),但B點(diǎn)和C點(diǎn)兩點(diǎn)風(fēng)速變化較為接近,無明顯變化。

圖3 相同高度不同觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化

3.2 地表蝕積變化

由各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)沙流特征值(λ)可知(圖4),A點(diǎn)λ平均值為1.62,表明該位置風(fēng)力強(qiáng)勁,流動(dòng)沙丘地表沙源供給相對(duì)不足,地表呈現(xiàn)風(fēng)蝕狀態(tài);B點(diǎn)λ平均值為1.05,表明該位置位于梭梭林上風(fēng)向,由于受到梭梭林對(duì)風(fēng)沙流的攔截,導(dǎo)致風(fēng)沙流處于不飽和的狀態(tài),地表同時(shí)出現(xiàn)風(fēng)蝕的狀態(tài);C點(diǎn)λ平均值為0.94,表明該位置在梭梭林的固定作用下沙物質(zhì)迅速沉降,達(dá)到堆積狀態(tài);并且C點(diǎn)λ值小于B點(diǎn),說明梭梭林下風(fēng)向沙源供給比梭梭林上風(fēng)向更加豐富。

圖4 不同觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)沙流特征值

3.3 輸沙率變化

圖5為不同觀測(cè)點(diǎn)輸沙率變化圖。由圖可知,不同觀測(cè)點(diǎn)輸沙率均有所不同且均呈現(xiàn)出隨著高度的增加輸沙量逐漸減少,輸沙量整體上表現(xiàn)出A點(diǎn)>B點(diǎn)>C點(diǎn),不同觀測(cè)點(diǎn)總輸沙率依次為10.5 g/cm/min,1.43 g/cm/min,0.18 g/cm/min,B點(diǎn)、C點(diǎn)總輸沙率依次較A點(diǎn)總輸沙率降低86.4%和98.3%,由此可以看出,在梭梭林的攔截和固定下,地表沙源供給不充分,風(fēng)沙流可搬運(yùn)沙物質(zhì)量大幅降低,從而表現(xiàn)為輸沙量減小,并在一定程度上減小風(fēng)沙對(duì)公路的侵害。由圖可以看出,輸沙量最大值均在0～2 cm范圍內(nèi),而且輸沙量主要集中在0～10 cm高度內(nèi),A點(diǎn)在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為9.7 g/cm/min,約占總輸沙量的90%,B點(diǎn)在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為1.37 g/cm/min,占總輸沙量的95%,C點(diǎn)在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量為0.14 g/cm/min,占總輸沙量的78%。

圖5 不同觀測(cè)點(diǎn)輸沙率變化

3.4 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖6為各觀測(cè)點(diǎn)不同高度水平輸沙通量擬合曲線,在防風(fēng)固沙體系公路上風(fēng)向流動(dòng)沙丘(A點(diǎn)),公路上風(fēng)向距離公路近10 m的防護(hù)體系內(nèi)(B點(diǎn))水平輸沙通量隨著高度的增加而下降,水平輸沙通量與高度符合冪函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù)R2分別為0.89,0.95;公路下風(fēng)向距公路近20 m的防護(hù)體系內(nèi)(C點(diǎn)),水平輸沙通量雖然也隨著高度的增加而減小,但不符合冪函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù)R2為0.81。在相同高度下,C點(diǎn)水平輸沙通量均遠(yuǎn)小于A點(diǎn)和B點(diǎn),但隨著高度的增加,差異逐漸減小,在10～20 cm高度范圍內(nèi)非常接近。

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)水平輸沙通量的垂直分布

對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(圖7)分析可知,A點(diǎn)和B點(diǎn)在8 cm以下的水平輸沙總量分別占總輸沙量的89.18%和94.54%,而C點(diǎn)占比僅為75.27%;三者在10 cm高度處的輸沙比例非常接近分別是A點(diǎn)為3.25%、B點(diǎn)為1.29%和C點(diǎn)為4.86%。然而在12～20 cm高度范圍內(nèi),C點(diǎn)占總輸沙量19.87%的比例均高于A點(diǎn)和B點(diǎn),占比分別為9.62%和4.18%。由此分析可以得出,在流動(dòng)沙丘A點(diǎn)和防護(hù)體系上風(fēng)向B點(diǎn)沙源供給相對(duì)豐富,風(fēng)沙搬運(yùn)量隨著距離地表越近而逐漸增加,但同時(shí)搬運(yùn)量卻隨著高度的增加而逐漸減少;而在防護(hù)體系下風(fēng)向的C點(diǎn),由于防護(hù)體系內(nèi)的梭梭林和草方格沙障具有很好的固沙作用,輸沙量大幅降低,因此呈現(xiàn)出與固定沙地相似的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征,由此證明,在本研究內(nèi)此防護(hù)體系具有很好的防風(fēng)固沙作用。

圖7 各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

3.5 不同觀測(cè)點(diǎn)表層土壤沉積物粒度特征

圖8為不同觀測(cè)點(diǎn)表層土壤沉積物顆粒分布圖。由圖可以看出,3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置表層土壤顆粒分布存在明顯差異。A點(diǎn)位置土壤粒級(jí)最大值為654 μm,而B點(diǎn)和C點(diǎn)位置土壤粒級(jí)最大值僅為409 μm,由此說明土壤顆粒粒級(jí)變小,土壤顆粒向著細(xì)?；较虬l(fā)展。具體來看,A點(diǎn)和B點(diǎn)呈現(xiàn)單峰式分布,其波峰分別出現(xiàn)在255 μm和227 μm附近;C點(diǎn)呈現(xiàn)雙峰式分布,其波峰分別在202 μm和255 μm出現(xiàn);進(jìn)一步分析可以看出在202 μm～255 μm范圍內(nèi)土壤顆粒含量出現(xiàn)明顯差異,同時(shí)在227 μm處出現(xiàn)明顯的分界點(diǎn),A點(diǎn)表現(xiàn)出隨著土壤粒級(jí)增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)并在255 μm處達(dá)到最大值12.71%;B點(diǎn)表現(xiàn)出隨著土壤粒級(jí)增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在227 μm處達(dá)到最大值13.45%;C點(diǎn)表現(xiàn)出隨著土壤粒級(jí)增大土壤顆粒含量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì),在227 μm處達(dá)到最小值為11.33%,在255 μm處達(dá)到最大值為12.34%。

圖8 不同觀測(cè)點(diǎn)表層土壤沉積物顆粒頻率分布

土壤顆粒累積頻率分布曲線能反映土壤顆粒的分布情況,通常表現(xiàn)為曲線越陡,土壤顆粒分布越均勻。分析各測(cè)點(diǎn)位置表層土壤的分布均勻程度發(fā)現(xiàn),在100～400 μm范圍內(nèi)斜率最大,說明各位置表層土壤顆粒粒徑大部分集中在100～400 μm,且斜率大小依次為C點(diǎn)>B點(diǎn)>A點(diǎn),由此說明C點(diǎn)位置土壤顆粒分布最均勻,B點(diǎn)次之,A點(diǎn)土壤顆粒分布均勻程度最差。

不同測(cè)點(diǎn)土壤粒度累積頻率百分量反映出顆粒差異變化情況,即定性描述顆粒在一定范圍內(nèi)受到風(fēng)蝕的影響。由圖8可知,各測(cè)點(diǎn)位置土壤粒度累積頻率間平均距離粒徑最大值出現(xiàn)在180～200 μm區(qū)間內(nèi),說明各測(cè)點(diǎn)位置整體顆粒粒徑在180～200 μm區(qū)域間較大,因此可認(rèn)為研究區(qū)易風(fēng)蝕顆粒范圍在180～200 μm。

由表2可知,3個(gè)觀測(cè)位置表層土壤粒度參數(shù)平均粒徑由大到小依次為B點(diǎn)>A點(diǎn)>C點(diǎn);標(biāo)準(zhǔn)偏差由大到小依次為A點(diǎn)>C點(diǎn)>B點(diǎn);偏度等級(jí)依次為負(fù)偏、近于對(duì)稱和近于對(duì)稱;3各觀測(cè)點(diǎn)峰態(tài)均屬于中等。即B點(diǎn)土壤分選性相比于其他位置較差,B點(diǎn)土壤顆粒分布最均勻,同時(shí)B點(diǎn)平均粒徑最大,其細(xì)粒物質(zhì)含量最多,這與圖8中B點(diǎn)土壤顆粒百分含量分布情況相符。

表2 不同觀測(cè)點(diǎn)表層土壤沉積物粒度參數(shù)特征

4 討 論

風(fēng)沙災(zāi)害防治工程在實(shí)際應(yīng)用中很少使用單一措施進(jìn)行防護(hù),多依據(jù)生物措施與工程措施相結(jié)合的方式,而工程措施作為生物措施的基礎(chǔ),它的配置同樣講究“固、阻、輸(導(dǎo))”的相互搭配[27]?？刂粕吃词欠乐紊澈Φ闹伪敬胧?機(jī)械防沙措施見效快、效果好,而且造價(jià)低[28]。防沙體系中機(jī)械沙障的應(yīng)用迅速提高了研究區(qū)對(duì)風(fēng)沙流的攔截能力,防沙植物的種植則可以彌補(bǔ)破損機(jī)械的功能損失,還可以對(duì)風(fēng)沙流進(jìn)行再次攔截;植被種植和灌溉可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量和含水率,表層土壤鹽分含量增加,提高了地表起沙風(fēng)速,可降低土壤風(fēng)蝕[29-30]。而通過實(shí)踐證明,流動(dòng)沙丘上設(shè)置機(jī)械沙障后,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度下降,影響植物生長的風(fēng)蝕沙埋作用減輕,為沙生先鋒植物的定居創(chuàng)造了良好條件。因此,設(shè)立道路工程防沙體系要盡量促進(jìn)植被的恢復(fù),在適宜植物生長的地方,應(yīng)選擇一些耐旱、耐鹽、耐風(fēng)蝕沙埋的植物進(jìn)行飛播或者人工種植;以補(bǔ)充機(jī)械沙障防護(hù)效益方面的不足或缺陷,同時(shí)延長機(jī)械沙障的使用年限,并逐步形成以生物措施為主的防沙體系,從根本上解決沙害問題[31]。在本研究中,在機(jī)械措施和生物措施相結(jié)合的工程防護(hù)體系下,風(fēng)速變化情況由初始的8.47 m/s,9.52 m/s和9.94 m/s減小到2.87 m/s,4.92 m/s和7.60 m/s,風(fēng)速降低程度最大約能達(dá)到初始的2倍,最小的為初始的30%,這與李生宇等[15]在研究新疆S214省道防沙體系中得到的部分結(jié)論相似。粗糙度是描述下墊面對(duì)氣流的阻礙作用,防護(hù)體系的構(gòu)建使得近地表粗糙度增大,對(duì)過境氣流起到削弱作用,本研究顯示流動(dòng)沙地粗糙度約為0 cm,該結(jié)果與吳曉旭[32]觀測(cè)結(jié)果相似,防護(hù)體系上風(fēng)向和下風(fēng)向粗糙度為流動(dòng)沙地的數(shù)倍以上,可知在防護(hù)體系的干擾下地表粗糙度增大,地表風(fēng)蝕潛力降低。

風(fēng)沙流活動(dòng)集中在地表一定高度內(nèi),由于防護(hù)體系的建設(shè)使得下墊面和風(fēng)速發(fā)生改變,導(dǎo)致沙物質(zhì)輸移出現(xiàn)差異。本研究中各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置集中在0～10 cm高度范圍內(nèi)輸沙量分別占各位置總輸沙量的92.7%,94.4%和79.5%,這與張華等[33]指出科爾沁沙地80%以上的輸沙量集中在0～10 cm高度層內(nèi)相一致。輸沙量的變化情況在很大程度上能夠很好地反映防護(hù)體系的固沙效益,通過觀察不同測(cè)點(diǎn)位置的輸沙量情況,過境攜沙氣流由流動(dòng)沙地經(jīng)過防護(hù)體系后輸沙量降低,且隨著深入防護(hù)體系內(nèi)部,輸沙量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),本研究顯示上風(fēng)向輸沙量為流動(dòng)沙地輸沙量的13.7%,下風(fēng)向輸沙量為流動(dòng)沙地輸沙量的1.7%,而且處于防護(hù)體系下風(fēng)向的輸沙量顯著低于在流動(dòng)沙丘處的輸沙量,這與李生宇等[15]對(duì)于新疆S214省道防沙體系的風(fēng)沙觀測(cè)結(jié)果相似。由此可見,該區(qū)域的防護(hù)體系可以較好地控制地表流沙輸移,使風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)在2～6 cm高度范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。風(fēng)沙流中沙物質(zhì)粒徑的垂直分布與風(fēng)沙流搬運(yùn)量和沙粒運(yùn)動(dòng)方式關(guān)系密切,隨著下墊面微地形發(fā)生變化,地表氣流狀況發(fā)生改變,而沙粒分布情況隨之改變。如表3所示本研究中只收集到0～30 cm高度范圍內(nèi)的風(fēng)沙流,結(jié)果顯示風(fēng)沙流優(yōu)勢(shì)粒級(jí)為細(xì)砂,流動(dòng)沙地(A點(diǎn))0～20 cm高度細(xì)砂占47.16%～70.48%,防護(hù)體系上風(fēng)向(B點(diǎn))0～20 cm高度細(xì)砂占50.27%～74.24%;防護(hù)體系下風(fēng)向(C點(diǎn))0～20 cm高度細(xì)砂占62.29%～73.19%,B點(diǎn)和C點(diǎn)中砂含量較A點(diǎn)明顯降低,細(xì)砂含量明顯升高。由此看出,在防護(hù)體系作用下,可有效降低風(fēng)速,削弱風(fēng)沙流攜沙能力,這與包巖峰等[34]研究結(jié)果相似。

表3 不同觀測(cè)點(diǎn)垂向沙物質(zhì)粒度特征Table 3 Plasmid density characteristics of vertical sand at different observation points

地表沉積物粒度特征是研究沙漠風(fēng)沙和沉積環(huán)境極其重要的指標(biāo)之一,與局部分風(fēng)力條件、沉積環(huán)境、地形和植被等因素關(guān)系密切[35]。本區(qū)域研究結(jié)果顯示,防護(hù)體系表層土壤沉積物顆粒中細(xì)砂含量最多,為54.74%～61.42%,粉砂含量最少,為0.1%～0.23%,這與羅鳳敏等[36]研究得到的變化趨勢(shì)相似,但具體數(shù)值有所區(qū)別。吳正[37]發(fā)現(xiàn)粒徑70～500 μm的砂粒是躍移運(yùn)動(dòng)的主體,20～70 μm的砂礫可做短期懸浮。本研究中得到各測(cè)點(diǎn)位置表層土壤粒度累積頻率平均距離最大值出現(xiàn)在180～200 μm處,指明土壤顆粒主要以躍移方式運(yùn)動(dòng),從沉積物頻率分布曲線和粒度參數(shù)來看,證明土壤粒徑有減小趨勢(shì),土壤顆粒變細(xì),粒徑較大的顆粒以躍移的方式被吹蝕。同時(shí)由此可表明,在此區(qū)域范圍內(nèi),運(yùn)用機(jī)械措施和生物措施相結(jié)合方式構(gòu)建的公路防沙體系,能有效降低風(fēng)速,減少輸沙量,能有效避免揚(yáng)沙上路,交通線路免受沙埋沙害。

5 結(jié) 論

(1) 有效降低地表風(fēng)速和輸沙量,增大地表粗糙度,風(fēng)沙流經(jīng)過防護(hù)措施后,防護(hù)體系上風(fēng)向(B點(diǎn))和下風(fēng)向(C點(diǎn))風(fēng)速由高到低較A點(diǎn)分別降低48.7%,14.4%和3.9%;總輸沙量分別較A點(diǎn)降低86.3%和98.3%,地表粗糙度由約為0 cm增大到4.92 cm。

(2) 沙物質(zhì)粒徑的垂直分布表現(xiàn)出中砂含量顯著降低,細(xì)砂含量顯著增加,風(fēng)沙流攜沙能力明顯削弱。

(3) 表層土壤沉積物顆粒粒級(jí)變小,沉積物顆粒頻率分布曲線部分波段變窄,分選性變差,顆粒分布均勻且顆粒向著細(xì)?；较虬l(fā)展,易風(fēng)蝕顆粒范圍在180～200 μm。

綜上所述,在本研究區(qū)域內(nèi),應(yīng)當(dāng)以機(jī)械措施與生物措施相結(jié)合的方式,逐步構(gòu)建“以阻為主,阻固結(jié)合”的公路防沙體系建設(shè)思想。