仿真固沙灌木林与塑料网方格沙障防风固沙效能比较

王多泽,袁宏波,郭春秀,徐先英,刘虎俊,李学敏,刘开琳

(甘肃省治沙研究所,甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室,甘肃 兰州730070)

我国沙漠化土地约为5.325×106km2,仅甘肃省河西走廊的风沙线就长约1600km,风沙危害是影响当地生态、居民生活和经济发展的重要因素之一,建立灌木林是持续有效的防风固沙措施[1]。但是,在受水资源限制的干旱区,防风固沙灌木林的覆盖度往往达不到防治风沙危害要求,因此沙障就成为一种十分必要和不可取代的防风固沙措施[2,3]。其中低立式(半隐蔽式)沙障是防止近地面风沙危害的一种功能独特、效果显著而被广泛用于流动沙丘固定的有效方法。许多文献对其治沙机制、材料和效益等进行了大量研究[4-7],提出了风蚀平衡的沙障固沙机理。沙障材料多就地取材,以黏土、麦草和芦苇较为普遍。近年来推广应用塑料和尼龙网等化学材料沙障,并对其防风固沙原理进行了探索,扩展了沙障治沙的应用,取得了良好效果[9,10]。仿真植物在园林绿化中已被广泛应用,这类仿真植物侧重于形态、观赏和灯光的搭配。近年来也尝试将仿真植物应用于治沙,风洞试验结果表明仿真固沙灌木防风固沙效果良好[12]。我们将仿真固沙灌木加入到退化梭梭(Haloxylon ammodendron)林,形成仿真固沙灌木与梭梭结合的仿真固沙灌木林,达到较优空间结构和覆盖度,提高灌木林防风固沙作用。对照观测仿真固沙灌木林和塑料方格沙障防风固沙效能,比较分析两者防风的异同,为其应用和防风固沙林机理研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

仿真固沙灌木仿照油蒿(Artemisia ordosica)等构型,以高分子聚合材料,添加抗老化剂加工而成,地上与地下部分总高度为80 cm,地上部分高50 cm,冠幅为50 cm×50 cm,冠幅覆盖面积为0.79 m2,疏透度为30% ～40% ,高度20 cm以下枝条较密,疏透度为35% 左右。仿真固沙灌木无主干,所有主枝下部集中到一起,凝结于根部。根自上而下逐渐变细,直径为3～4 cm,没有任何侧根。地上部分只分成二级枝序,主枝有20～25枝,自基部向梢处逐渐变细,枝的直径为2～3 mm,主枝上不再分二级枝,直接在枝上连接叶,叶形呈披针形,每片叶等长,等宽;叶扁平,长7 cm,宽0.6～1.0 cm,每根主枝上有4～6片叶,叶充当一级枝,枝叶共同组成二级枝系的仿真固沙灌木。枝叶用钢丝做成骨架,枝叶内所包裹的钢丝粗度相同,使仿真固沙灌木的整个植株和枝系能够按设计开合、挺立,并具有韧性,在风吹过后仍能够保持原形。

塑料网以高密度聚乙烯 (HDPE)为主要原料,添加抗氧化剂制作而成,塑料网孔隙度为37% ,宽20 cm。塑料网方格沙障由塑料网和固定桩两部分组成,根据需要设置成不同规格沙障。塑料网方格沙障材料与结构已有详细描述[10],在此不再赘述。

1.2 试验设计

1.2.1 试验区 野外观测场设在甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站 东南半固定沙丘上(38°37′44″N,102°55′10″E),试验区概况可见文献[3]。试验区布设在一个比较大的固定和半固定沙丘链上,沙丘高3～5 m,总宽约300 m,沙丘中部坡度约13°;沙丘覆盖塑料沙障的部分完全固定,约占沙丘总面积的1/4,其余大部分栽植了梭梭,形成稀疏梭梭林。

1.2.2 灌木林和塑料沙障 人工梭梭林的株高为2.0～2.5 m,株行距为3 m×3 m,平均冠幅1.5 m×1.5 m,冠幅覆盖度约为19.6% ,枝下高0.8～1.5 m,沙面半流动。在梭梭林株间和行间各加入1株和1行仿真固沙灌木,形成株行距1.5 m×1.5 m的仿真固沙灌木为主的仿真灌木+梭梭灌木林,其冠幅覆盖度平均达到45.8% 。

塑料网方格沙障设置规格为1.0 m×1.0 m,沙障疏透度为37% ,属于透风结构型沙障,高20 cm,设置于沙丘迎风坡,试验观测时期的沙障内积沙平均厚度约10 cm,沙面固定。

1.2.3 观测指标

(1)风速:在距灌木0.5 H(H为株高)的株前、株后、株间,将风杯按照20 cm、50 cm的高度固定于同一根固定杆上测定风速梯度值。在防护林前设置相同高度和梯度的风速对照观测点。沙障内风速观测点设在沙障中间,观测高度与灌木林内和对照的高度相同。风速观测使用野外便携式防沙风速廓线仪(ZL 02261931.3),连续记录风速变化,观测高度分别为20 cm和50 cm,风速观测记录频率为2 s,周期为100 min。利用所观测风速计算相对风速或风速削减率(UΔ),计算公式如下:

式中UΔ为被测相对风速或风速削减率,US为对照风速,USO为障间或株后风速。

(2)输沙率:在起沙风速下,分别观测梭梭林、仿真固沙灌木+梭梭灌木林、塑料方格沙障和裸沙地单位时间的输沙量。在灌木林的植株后100 cm处设置阶梯式集沙仪,收集输沙量,每5 min取一次样。同时在沙障中间和流沙地,设置相同的集沙仪,收集输沙量。阶梯式集沙仪高100 cm,宽2 cm,共计50孔。输沙率用下式计算:

式中:Q为输沙率(g cm-1min-1),W为集沙质量(g),ΔT为观测时间(min)。

2 结果与分析

2.1 风速削减率

无论是20 cm高度还是50 cm高度,仿真固沙灌木林降低风速率均是随风速的增大而增加(表1、表2),降低风速值小于塑料网方格沙障。但是,随着风速增加,仿真固沙灌木降低风速率与沙障降低风速率差异减小。在所观测风速3.0～8.9ms-1范围内,50 cm高度的仿真固沙灌木平均风速削减率较20 cm高度小30.27% ,塑料网方格沙障则为17.38% 。仿真固沙灌木林的风速削减率的变异系数(31.08% ～61.35% )小于塑料方格沙障削减风速率的变异系数(50.40% ～67.78% ),也就是说仿真固沙灌木林降低风速率相对塑料网方格沙障的变幅较小,能够稳定地降低风速,具有防风作用。

在50 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料沙障风速削减率的差异性进行比较,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障风速削减率差异显著(P＜0.05)(表1)。仿真固沙灌木最大风速削减率达44.97% ,而塑料沙障则可达64.26% 。在不同风速等级,仿真固沙灌木平均风速削减率不同,随着风速增加,仿真固沙灌木与塑料方格沙障风速削减率的差值缩小。当风速为3.0～8.9ms-1时,仿真固沙灌木降低风速率的差异为28.86% ,塑料方格沙障降低风速率的差异为24.89% 。随着风速增加,塑料沙障降低风速率与仿真固沙灌木的差异变小。当风速从3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木和塑料方格沙障平均削弱风速差异从48.18% 减小为6.56% 。在风速为3.0～3.3ms-1时,仿真固沙灌木削弱风速率为塑料方格沙障的25% 。当风速为8.1～8.9ms-1时,仿真固沙灌木降低风速率是塑料方格沙障的80% 。

表1 50 cm高度的梭梭+仿真灌木林与塑料方格沙障削减风速率比较

在20 cm高度,仿真固沙灌木林和塑料方格沙障风速削减率差异不显著(P＜0.05)(表2)。随着风速从3.0ms-1增加到8.9ms-1,仿真固沙灌木风速削减率逐渐变大。仿真固沙灌木林与塑料沙障最小风速削减率最大差值为20.23% ,最小为3.35% 。在风速为3.0～3.3ms-1时,仿真固沙灌木风速削减率为塑料方格沙障的74% ;在风速为8.1～8.9ms-1时,仿真固沙灌木风速削减率是塑料方格沙障的90% 。仿真固沙灌木平均风速削减率与塑料方格沙障平均风速削减率相差约6.56个百分点。在风速为8.1～8.9ms-1时,仿真固沙灌木风速削减率较大。而塑料沙障则是风速为3.0～3.3ms-1时,风速削减率最大。

表2 20 cm高度的固沙灌木林与塑料方格沙障削减风速率比较

2.2 仿真固沙灌木林的输沙率

在塑料网方格沙障、裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭等4种下垫面,除塑料网方格沙障外,裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林输沙率随高度变化为指数递减(图1),拟合方程的相关系数R2都大于0.9。在10 cm高度内,裸沙地、梭梭林和仿真固沙灌木+梭梭灌木林的输沙率分别占总输沙率的79.62% 、83.21% 、86.76% ,而塑料方格沙障的只有41.48% 。梭梭林的输沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林的1.5倍,裸沙地平均输沙率是仿真固沙灌木+梭梭灌木林输沙率4.13倍,是梭梭林内输沙率的2.49倍,是塑料沙障内输沙率的28.08倍。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地输沙率,具有防风阻固沙作用。

图1 仿真固沙灌木+梭梭林、梭梭林、塑料沙障内和裸沙地的输沙率模型

3 讨论与结论

3.1 仿真固沙灌木林与塑料网方格沙障的不同高度的风速削减率差异不同。随着风速增大,仿真固沙灌木降低风速率与塑料网方格沙障降低风速率差异变小。在风速为8.1～8.9ms-1时,仿真固沙灌木降低风速率达塑料方格沙障的80% 。在观测高度50 cm处,仿真固沙灌木林的风速削减率和塑料网方格沙障风速削减率差异显著,20 cm高度处则差异不显著。这与仿真固沙灌木和塑料网沙障的结构相关,特别是两者的迎风面疏透度相一致,仿真固沙灌木下部与上部的疏透度不同,20 cm高度以下疏透度约为35% ,其上部的疏透度也约为40% ,而塑料网方格沙障疏透度为37% ,是一种均匀结构的沙障,风速削减率相对较大。仿真固沙灌木的构型类似于植物结构。研究表明:植物增加地表粗糙度,改变地表流场,吸收风的动量,减弱风沙动能,从而起到防风固沙作用,而灌木个体及其林带结构是影响防护效应的重要因素[11-18]。灌木林结构不同,防风固沙效能存在差异,这个结论已为众多研究所证实[12-17]。仿真固沙灌木作为沙地上一种具柔性结构的障碍物,它与梭梭结合形成灌木林不仅增大了地表粗糙度,而且改变了灌木林结构,从而减弱风速。目前,国内外主要还是应用植被覆盖度来确定防风固沙林标准,当植被覆盖度大于40% ,流动沙地可完全固定[1,18]。而民勤流动沙地固定的植被覆盖度则是大于30%[3]。本试验的灌木林覆盖度为45.8% ,达到了完全固定流沙的覆盖度。在干旱区,降水量限制了单位面积内的雨养植被之植株数量及其覆盖率,仿真固沙灌木加入覆盖率只有19.6% 的梭梭灌木林,仿真灌木+梭梭灌木林的冠幅覆盖度平均达到45.8% ,防风效益与塑料网方格沙障无统计差异,但仿真固沙灌木与灌木林配置还有待进一步研究完善。

3.2 仿真固沙灌木+梭梭灌木林的输沙率随高度变化为指数递减。仿真固沙灌木+梭梭灌木林降低了林地输沙率,具有阻沙固沙作用。其输沙率大于塑料网方格沙障,小于梭梭林和裸沙地。国内外学者研究结果都认为风沙流中沙量的垂直分布呈指数分布,气流搬运沙量的80% 集中分布在0～10 cm高度内,含沙量的对数与高程之间具有良好的线性关系,即含沙量与高度之间遵循指数函数关系,输沙量随高度增加呈指数规律递减[1,17,18]。仿真固沙灌木林的输沙率垂直变化模型也是如此,也就是说仿真固沙灌木林的风沙运动与天然灌木林的风沙流运动规律相似,具有防风固沙效能。风沙流经过仿真固沙灌木林时,风速被削弱后,搬运能力下降,输沙量减少。植物的阻沙作用与覆盖度相关,当植被覆盖度达到40% ～50% 时,风沙流中99% 以上的沙粒被阻截沉积[19]。民勤地区流沙固定的植被覆盖度最小值为30%[2]。虽然,仿真固沙灌木+梭梭灌木林的覆盖度超过了流沙固定的临界值,但其输沙率相对塑料网方格沙障还是较大。这与仿真固沙灌木的结构相关,仿真固沙灌木林+梭梭林的侧影面积为0.02% ～39.0% ,变化范围较大。而塑料网方格沙障侧影面积为37% ,而且比较均匀,灌木林阻沙能力小于塑料网方格沙障,主要原因可能是其侧影面积和结构不均匀,这需要进一步的观测研究。灌木结构是三维复杂的,防风固沙功能受其地上形态结构、粗糙元密集度以及群落配置等多种因素影响,阻沙能力应综合各参数进行评价,至今也没有形成具有普遍意义的变化规律[11]。

应用仿真固沙灌木建立防风固沙工程不受气候条件影响,见效快,具有四季防护的特点,并可重复利用。但是,生产成本相对来说较高,生产工艺还有待完善。另外,本研究所用仿真固沙灌木构型仅参考油蒿等灌木,其降低防风固沙效能相对小于塑料网方格沙障。作为一种新型固沙材料,仿真固沙灌木构型还有待深入研究,对其与各类固沙技术的结合还需要深入研究,以便提高其防风固沙效能。

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