烏珠穆沁沙地聚乳酸纖維沙袋沙障地表蝕積特征

摘要：沙障的蝕積特征對其發揮防護作用具有重要影響。為探究聚乳酸纖維（polylactic acid fiber，PLA）沙袋沙障對烏珠穆沁沙地沙化治理的效果，設置0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、2.0 m×2.0 m和3.0 m×3.0 m共4種規格的聚乳酸纖維沙袋沙障，采用懸測法測量障格內部凹曲面形態，并分析不同規格沙障內部凹曲面的形態特征、蝕積效應。結果表明，沙障凹曲面中心風蝕深度隨沙障規格的增大由5.17 cm增加到21.23 cm，而堆積強度隨沙障規格的增大由3.86 g·cm-3降至0.42 g·cm-3，障格內由堆積變為風蝕；蝕積系數穩定在1/9～1/8，隨沙障規格的增大蝕積系數逐漸減小；障格內風蝕最深點隨主風向偏移，障格內與主風向一致的方位風蝕量更大，剖面曲線開口更大；坡頂處凹曲面擬合效果大于坡中和坡底。綜上所述，在烏珠穆沁沙地內，風蝕多發生在西北-東南和西-東方向上，且坡頂處形成的凹曲面較穩定，該地區適合布設2.0 m×2.0 m規格PLA沙障，研究結果為PLA沙障在烏珠穆沁沙地防沙工程中的合理應用提供了科學參考。

關鍵詞：沙袋沙障；凹曲面；蝕積特征；烏珠穆沁沙地

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0950

中圖分類號：S775；TB30 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）08‐0180‐09

我國草原面積廣大，分布廣泛[1]。其中我國北方的草地對提升整個陸地生態系統的穩定性具有極其重要的作用[2]。作為內蒙古自治區優良的天然草地之一，烏珠穆沁草地面積為693萬hm2，是我國華北與東北地區的一道天然生態屏障，其變化對中國北方的生態安全有重要影響[3]，但該地區生態環境脆弱，容易受到人類生產活動的影響[4]。近年來，由于過度放牧導致草原退化、草原土壤肥力下降，形成了總面積為5萬hm2的烏珠穆沁沙地。草原沙化已給當地的生態環境和牧民的生產生活造成了極其嚴重的危害。因此，防止烏珠穆沁沙地快速擴張，減緩烏珠穆沁沙地沙化程度迫在眉睫。

機械沙障是固定流動沙丘的重要措施之一，在我國防沙治沙中應用廣泛[5]。生物基可降解聚乳酸纖維（polylactic acid fiber，PLA）沙袋沙障是以農作物為原料織制、充填風沙土制成的一種新型環保可降解的袋狀沙障，在自然界中能夠完全被生物降解，不會對環境造成二次污染[6]。已有研究多集中在沙袋沙障的防風固沙效果、布設方式等方面[7]。研究表明，沙袋沙障的鋪設對增加地表粗糙度和降低近地表風速有一定的作用[8]；其障格內凹曲面的特征能體現障格風蝕穩定性，衡量沙障障格內部的蝕積狀況[9]。劉湘杰等[10]研究發現，沙袋沙障障格內的蝕積形態呈四周高中間低，中心風蝕深度隨沙障規格的增大而加深。王藝釗等[6]對不同規格的沙障凹曲面形態及蝕積效應進行分析發現，隨著沙障規格的增大，凹曲面深度增加，蝕積系數減小。不同性質的下墊面對沙袋沙障的防護效果有重要影響[11]。上述研究中大多數以草方格沙障為研究對象，或將沙袋沙障設置在沙漠邊緣的流動沙丘上，而對草原退化形成的沙地研究不足；并且對于同一規格的格狀沙障往往由于設置的地形、部位不同，其防護作用也存在很大差異[12]；沙丘頂部的風沙流活動最劇烈，最易受到侵蝕[13]，在多風向條件作用下，坡上部及丘頂部位布設的沙障最易被沙埋。沙丘迎風坡中部最利于障格內凹曲面的形成[14]。地表蝕積變化是沙障發揮防沙治沙功能的外在表現，常作為檢驗機械防沙措施防護效果、預估防護期限的關鍵指標。評估沙障蝕積效應可基于障格內穩定凹曲面的形成及對蝕積形態的量化和動態變化的分析[15]。目前，對于整座沙丘沙袋沙障內風蝕凹曲面的研究較多，但對于單個沙丘各風蝕部位障格內凹曲面的差異性尚未明確。

基于此，本研究以烏珠穆沁沙地為研究區域，以布設于沙丘迎風側坡底、坡中和坡頂的4種規格的聚乳酸纖維沙袋沙障為研究對象，分析障格內凹曲面的形態特征、蝕積效應，旨在揭示單個沙丘不同風蝕部位下不同規格沙袋沙障障格內的蝕積規律，為沙袋沙障在防沙治沙工程中的合理應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內，地處烏珠穆沁沙地中南部邊緣（44°30′—45°10′N，116°30′—118°40′E），屬于中溫帶半干旱性大陸氣候，春季干旱風大、夏季短暫、秋季寒冷短促、冬季漫長。年均氣溫0～1 ℃，年均降水345.8 mm，年均蒸發量1 759.8 mm[16]。年均風速4 m·s-1，東南部大于4.5 m·s-1，西部小于4 m·s-1。中部年大風日數為80 d左右，東西部少于70 d，夏季以東南風為主，其他季節盛行西北風（圖1）。該地區土壤類型以地帶性的栗鈣土和黑鈣土為主，其中栗鈣土分布最廣，且以暗栗鈣土為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點選擇 2020年10月至2021年6月，選取西烏珠穆沁旗北40 km處的典型沙化草地斑塊且經過風蝕形成的沙丘為試驗區，在試驗區選取長200 m、寬35 m、高42 m呈西北?東南走向形態的典型沙丘，其西北坡坡度12°～13°，東南坡坡度25°～26°。在典型沙丘的迎風坡分別鋪設0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、2.0 m×2.0 m和3.0 m×3.0 m 共4種規格的沙袋沙障，并選擇與沙障相鄰的裸沙丘作為對照組。在不同規格沙障及不同坡位中選取3個試驗障格為重復，以障格西北角為起點，相鄰兩邊為X 軸和Y 軸，將其6等分，等距布設7個點。沙丘上無植被生長（圖2）。