砾石覆盖固沙措施水土保持作用研究——以库布齐沙漠北缘为例

谭立海, 张伟民, 边 凯, 高 扬, 钟 帅

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 兰州 730000; 2.亿利资源集团, 内蒙古 东胜 017000)

砾石覆盖固沙措施水土保持作用研究
——以库布齐沙漠北缘为例

谭立海1, 张伟民1, 边 凯1, 高 扬1, 钟 帅2

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 兰州 730000; 2.亿利资源集团, 内蒙古 东胜 017000)

库布齐沙漠发展沙产业，风沙防护是必要举措。通过风洞试验与野外观测探讨了砾石覆盖固沙措施的风沙防护效益及其对土壤温湿度的影响，旨在为砾石覆盖在库布齐沙漠防风固沙中的应用提供科学依据。研究表明：3 cm粒径砾石床面具有显著的防风固沙效应：10～16 m/s试验风速下，10%～90%覆盖度砾石床面风蚀防护效应介于49.4%～100%，其中，50%覆盖度砾石床面空气动力学粗糙度达到最大值，风蚀防护效应在96%以上，已达到理想的防风固沙效果。鉴于库布齐沙漠风况特征，从工程防护角度讲，40%覆盖度砾石覆盖固沙措施能够达到防风蚀的目的，风蚀防护效应在93%以上，且能起到白天降温、夜间保温的作用，减少极端气温对作物的伤害，还能提高土壤含水量。本研究可为砾石覆盖固沙措施在干旱区风蚀防护中的应用提供借鉴作用。

砾石覆盖; 风蚀; 土壤温湿度; 库布齐沙漠

库布齐沙漠是中国第七大沙漠，地处中国北方农牧交错带，是中国北方重要的生态屏障，也是生态脆弱带和荒漠化发展严重带[1]。经过40 a各方面的努力，库布齐沙漠治理取得了巨大的成就，通过发展沙产业带动沙漠治理和生态恢复是库布齐沙漠治理的基本经验和突出特色[2]。植物固沙是库布齐沙漠荒漠化治理的重要措施[3]，而机械固沙措施是植物固沙的重要辅助措施，使固沙植物免受风蚀与沙埋，同时可以改善沙地的水分状况，有利于植物的成活与生长[4]。砾石覆盖是一种重要的机械防沙措施[5-6]。砾石对风沙活动的抑制作用早为人所知，砾石面对底层水分和细沙物质具有保护作用，被称为“黑色植被”[7]；我国西北风蚀较严重的地区如甘肃中部地区很早就采用砾石覆盖的方式栽培作物[8-9]。尝试将砾石覆盖固沙措施应用于库布齐沙漠治理开发中，例如在种植甘草、苦豆子等中蒙药材沙地进行砾石覆盖，防风蚀的同时还有助于提高药材产量，能更好地促进该区沙产业的发展。

砾石作为天然不可蚀粗糙元能够显著地抑制风蚀的发生，这主要通过增加地表粗糙度，吸收和分解地表风动量，降低可蚀床面上的剪切力来抑制风蚀，即增大了砾石间沙粒的起动风速[10-13]。另外，砾石覆盖还可减少风和地表土壤的直接作用面积，对可蚀地表形成保护[14]。砾石覆盖度是评价砾石覆盖防沙工程防护效益的一个重要因子[6,15-16]。Dong等[17]从空气动力学角度探讨了砾石覆盖的防护效益，得出当砾石覆盖度在40%～50%以上时戈壁蚀余面达到稳定。不少学者探讨了砾石覆盖度对风蚀强度的影响，研究表明，风蚀强度随砾石覆盖度增加呈指数规律递减[7,18-19]。王训明等[20]研究了阿拉善高原戈壁地表风蚀强度与砾石覆盖度的关系后认为，40%盖度以下的戈壁地表其风蚀强度随着砾石覆盖度的增加而增大，这可能与低砾石盖度下，砾石周围的涡流侵蚀作用较强有关。风洞试验结果表明，砾石粒径对风蚀强度也会产生影响，小粒径砾石(如2 cm)要比大粒径砾石(如10 cm)风蚀防护效益要好[21-22]。此外，砾石的排列方式也会对风蚀强度产生影响：刘连友等[7]风洞试验表明，随机排列的砾石床面具有更好地抑制风蚀效应；然而，Brown等[23]认为不可蚀粗糙元密度是风蚀防护的主控因子而不受排列方式的影响。综上所述，以往研究主要探讨砾石覆盖特征参数如砾石覆盖度、粒径和排列方式等对风蚀的影响，砾石覆盖防护效益主要是从防风固沙角度来考虑。虽然在中国西北地区砾石覆盖广泛应用于农田土壤保墒中，但关于砾石覆盖水土保持作用的系统研究较少[24]。

本文对砾石覆盖防风固沙效益以及对土壤温湿度的影响进行试验研究，来综合分析砾石覆盖固沙措施的水土保持作用，旨在为砾石覆盖应用于库布齐沙漠开发治理中的风蚀防护提供科学依据。

1 研究区概况

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原脊线的北部，西、北、东三面均以黄河为界(图1)。库布齐沙漠以流动沙丘为主，面积占80%，类型以沙丘链和格状沙丘为主，一般高10～15 m[25]。研究区位于鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇，属中温带干旱、半干旱气候区，具有明显的大陆性季风气候特征，年降水量150～250 mm，主要集中于7、8两个月；年蒸发量2 100～2 700 mm，年平均气温6～7.5℃，积温3 000℃，无霜期122～144 d；沙尘暴天气日数在21～55 d，主要集中于春季[26]。

图1 研究区区位示意图和2014年研究区输沙势

通过对区域内所架设气象站2014年风况资料的分析，结果表明，该区年输沙势为269.03 VU，属中风能环境，合成方向为245.13°，合成输沙势与总输沙势比值(RDP/DP)为0.19，表明该区域为钝双峰风况(图1)。2014年2 m平均风速为3.4 m/s，最大风速达16.6 m/s；起沙风频率占24.18%，其中，偏东风(ENE和E；116.22 VU)与偏西风(SW，WSW，W，WNW和NW；104.71 VU)为主要起沙风风向(图1)。

2 研究方法

2.1 风蚀防护风洞试验

风洞试验在中国科学院西北生态环境资源研究院敦煌戈壁荒漠研究站直流闭口吹气式可移动式风洞中进行，洞体总长12.9 m，工作段长6 m，横断面为0.6 m×0.6 m(内壁尺寸)，电机功率为13 kW，洞内风速0～16 m/s连续可调。通过对下垫面风速廓线的测量，风洞边界层厚度可达20 cm左右。

床面风蚀速率变化过程采用称重传感器来测量。该传感器台面面积为30 cm×30 cm，采用2通道数据采集仪采集数据，每2秒钟采集1个数据，精度为1 g。在试验中，将面积为0.4(长)×0.4(宽)m2，深度为2 cm的方形铁盘放置于上，铁盘内加满沙颗粒，并刮平沙面与自然地面齐平，作为风蚀速率变化测量样方(图2)。在进行风蚀速率观测前，先对不同覆盖度砾石床面风速廓线进行测量，来分析床面的空气动力学效应。

试验砾石采用块状砾石，经筛分后，平均粒径为3 cm。选用10%～90%(间隔10%)9组盖度砾石床面。以30%砾石覆盖度床面为例，说明砾石覆盖度的测量方法：砾石覆盖风洞底面面积Sw是固定的，30%盖度砾石总底面积为0.3Sw，利用一张与砾石底面积相同的坐标纸，在上面铺满3 cm粒径砾石，则这些砾石就是用在30%盖度砾石床面风蚀速率测量试验中的砾石。床面砾石按照叉排式结构铺设在风洞底面面板上，铺设总长度为4.8 m(图2)。

图2 风洞试验布局

2.2 土壤温湿度实地观测

砾石覆盖土壤温湿度观测试验在库布齐沙漠杭锦旗独贵塔拉镇开发沙地中进行，选取观测样方，设置砾石覆盖机械防护措施处理(图3)，并设置一空白对照，利用HOBO温湿度探头对0—5，10，30，50，100 cm深度土壤温湿度进行实时监测，数据采集间隔为15 min。砾石覆盖度在40%左右，砾石粒径约3 cm，均匀铺设砾石，铺设面积200 m2。

3 结果与分析

3.1 砾石覆盖防风固沙效应

3.1.1 防风效应 不同覆盖度砾石床面防风效应(WR)用以下公式表示：

(1)

式中：uz为砾石床面不同高度风速；u0z为无砾石覆盖床面不同高度风速。WR值越大表示砾石床面风速相对于无砾石覆盖床面衰减越大，防风效应越好。WR随砾石覆盖度的变化见图4。由图4可以看出，随着砾石覆盖度的增加风速衰减逐渐增大，砾石床面防风效应增强。在10～16 m/s时，当砾石覆盖度从10%增加到40%或50%时，风速衰减随砾石覆盖度的增加显著增大，防风效应增强，而该临界盖度以上风速衰减基本趋于稳定，表明砾石床面防风效应无显著变化。风速衰减主要发生地表以上0.9～2.2 cm 高度范围内，2.2 cm以上高度砾石床面防风效应随砾石覆盖度增加而增强的变化趋势越来越小，到地表以上8.3 cm高度处砾石床面的防风效应已不明显。因此，10～16 m/s风速下，3 cm粒径砾石当砾石覆盖度达到40%或50%时，砾石床面即可取得较好的防风效应。

图3 库布齐沙漠沙地砾石覆盖处理

图4 不同试验风速(U)下防风效应WR随砾石覆盖度的变化

空气动力学粗糙度是表征气流与地表相互作用的重要参数之一，对风沙活动产生重要影响[27]。通过对不同试验风速下不同覆盖度砾石床面空气动力学粗糙度的计算，计算方法采用Wiggs等[28]计算空气动力学粗糙度方法，结果表明，在10～16 m/s试验风速下，空气动力学粗糙度随砾石覆盖度增加先增大后减小并趋于稳定(图5)。具体而言，10%～50%覆盖度范围内，空气动力学粗糙度随砾石覆盖度的增大而显著增大，到50%盖度达到最大值，50%盖度后，空气动力学粗糙度随砾石覆盖度增大而减小并趋于稳定。因此，从空气动力学的角度讲，增加砾石覆盖对空气动力学粗糙度的增大是有一定极限的，50%盖度后再增加砾石所起的防护作用不大，即3 cm粒径砾石床面在50%盖度时达到空气动力学上的稳定。风速衰减达到最大时，空气动力学粗糙度同样达到最大，这表明空气动力学粗糙度增大是同高度风速随砾石覆盖度增大而衰减的内在原因，砾石床面随砾石覆盖度增大而风速衰减是床面粗糙度增大的直接表现。

3.1.2 防风蚀效应 不同覆盖度砾石床面防风蚀效应(ER)用以下公式表示：

ER=(1-er/es)×100%

(2)

式中：er为砾石床面风蚀速率；es为对照沙床风蚀速率。ER值越大表示防风蚀效应越好。ER值随砾石覆盖度的变化过程见图6。由图可见，10～16 m/s试验风速下，10%～90%覆盖度砾石床面风蚀防护效果明显，防风蚀效应达49.4%～100%。当砾石覆盖度从10%增加到50%时，ER值显著增大，50%覆盖度以上砾石床面风蚀速率随砾石覆盖度增大而趋于稳定。具体而言，当砾石盖度达到40%时，各试验风速下砾石床面风蚀防护效应达93.8%～99.2%；50%盖度砾石床面风蚀防护效应达96.4%～100%。可见，理论上，10～16 m/s风速下，3 cm粒径砾石在50%覆盖度时即可达到理想的风蚀防护效果。

图5 空气动力学粗糙度随砾石盖度的变化

3.2 砾石覆盖对土壤温湿度的影响

3.2.1 土壤温度 以2016年4月14日—27日和2016年7月2日—15日各15 d砾石覆盖沙地与无砾石覆盖沙地0—5 cm和10 cm土壤温度随监测时间变化过程为例，来分析砾石覆盖对土壤温度的影响(图7)。由图7可见，砾石覆盖沙地相比无砾石覆盖对照沙地具有白天降温、夜间保温的作用。在4月份监测时间段内，砾石覆盖沙地相比于无砾石覆盖对照沙地0—5 cm土壤白天最大降温达5.1～12.8℃，夜间最大增温可达1.3～5.2℃；而10 cm土壤温度白天最大降温达1.1～2.0℃，夜间最大增温可达0.05～0.2℃。

图6 风蚀防护效应(ER)随砾石覆盖度的变化

相应的，7月份砾石覆盖沙地0—5 cm土壤温度白天最大降温达0.1～9.7℃，夜间最大增温可达0.7～6.0℃；而10 cm土壤温度白天最大降温达0.6～2.6℃，夜间最大增温可达0.6～4.2℃。以上结果表明，砾石覆盖沙地后，在白天土壤表层温度显著降低：7月份观测期间无砾石覆盖沙地土壤表层最高温度为41.3℃，而砾石覆盖沙地相应土壤温度为32.1℃，降低9.2℃；砾石覆盖层在夜间起保温作用，具有储热功能，防止低温对沙生植物的伤害：4月份观测期间无砾石覆盖土壤表层(0—5 cm)夜间最低温度为3.8℃，而砾石覆盖后夜间最低气温为6.3℃，提高2.7℃。可见，砾石覆盖使沙地土壤温度在白天与夜间的波动幅度降低，且随着土层深度的增加波动幅度减小。

3.2.2 土壤含水量 图8说明了2016年4月14日—27日砾石覆盖与无砾石覆盖对照沙地10 cm和30 cm深度土壤含水量随监测时间的变化过程。结果表明，砾石覆盖能显著的抑制蒸发，与无砾石覆盖沙地相比，砾石覆盖沙地土壤含水量变化速率明显降低。4月份在无降水的影响下，砾石覆盖沙地和无砾石覆盖沙地10 cm土壤含水量都随时间的推移逐渐降低，而对照沙地土壤含水量衰减速率明显大于砾石覆盖沙地，前者是后者衰减速率的1.9倍；相同时间段内，无砾石覆盖沙地30 cm土壤含水量随时间变化逐渐降低，而砾石覆盖沙地土壤含水量随监测时间延长基本保持不变。此外，无砾石覆盖沙地10 cm土壤含水量受蒸发影响具有明显的日变化规律，每日出现一波峰和波谷，而砾石覆盖沙地10 cm土壤含水量日变化规律相对不明显，这与砾石覆盖使地表蒸发减弱有关。

砾石覆盖3个月后，选取7月17日—31日时间段，对其30 cm与50 cm土壤含水量与无砾石覆盖对照沙地进行比较，结果表明，砾石覆盖沙地30 cm深度土壤含水量是无砾石覆盖沙地的1.1～1.5倍；砾石覆盖沙地50 cm深度土壤含水量是无砾石覆盖沙地的1.0～2.3倍(图9)。可见，砾石覆盖能够显著地提高土壤含水量。

图7 4月(A-B)与7月(C-D)砾石覆盖沙地与无砾石覆盖沙地土壤温度变化过程

图8 2016年4月14日-27日砾石盖度沙地与无砾石覆盖沙地10 cm和30 cm土壤含水量变化趋势

图9 2016年7月17日-31日砾石覆盖沙地与无砾石覆盖沙地30 cm和50 cm土壤含水量变化过程

4 讨 论

砾石覆盖风蚀防护机理可以由剪切压分解理论来解释，即作用在不可蚀粗糙元覆盖地表的剪切压可以分解为作用在不可蚀粗糙元上和不可蚀粗糙元之间的可蚀地表上两部分[10]。剪切压的分解使作用在砾石间可蚀地表的剪切压减小，相应增大了砾石间可蚀地表的沙粒起动风速，从而抑制风蚀作用。研究表明，10%～90%覆盖度砾石使沙粒起动剪切风速增大了1.8～4.5倍[19]。此外，砾石覆盖使可蚀床面的暴露面积直接减小，即减小了风与跃移沙粒对可蚀床面的直接作用和冲击作用面积，从而直接减少风蚀量。从理论上讲，本研究结果表明，3 cm粒径砾石在达到50%砾石覆盖度时就可取得理想的防风固沙效果，此盖度下风速消减与空气动力学粗糙度达到最大值，且风蚀防护效应在96%以上。砾石覆盖风蚀防护最优盖度一直是风沙物理和风沙工程学研究的热点问题。富宝锋等[21]对砾石覆盖沙床风蚀防护效益进行了风洞试验研究，结果表明，55%砾石覆盖度后砾石床面风蚀防护效益趋于稳定。Wang等[29]，张伟民等[30]和王志强等[22]认为60%砾石覆盖度后砾石床面风蚀防护效益趋于稳定。以上研究结果中最优砾石覆盖度的差异受试验风速影响较大，而且也受集沙仪收集效率的影响。因此，将砾石覆盖固沙措施应用于风蚀防护时，要充分考虑所应用地区的局地风况如最大风速。本研究中，应用称重传感器使地表风蚀速率实现了定量化测量，因而不受集沙仪收集效率问题的影响，且试验风速与库布齐沙漠基本一致。此外，风沙防护工程上，防护措施在达到有效的风沙防护效果的同时还要使工程成本降到最低。40%覆盖度砾石床面风蚀防护效应在93%以上，从40%砾石覆盖度增加到50%，风蚀防护效应只提高3%。因此，兼顾风沙工程成本和防护效益，笔者认为3 cm粒径砾石、40%覆盖度砾石覆盖固沙措施应用于库布齐沙漠风蚀防护能够起到较好的效果。

砾石覆盖除消减风速、降低风蚀量外，其还具有蓄热功能，好比天然的塑料薄膜，减少低温伤害，有利于作物根系生长；并能使土壤结冻期推迟，解冻期提前，这对喜温作物来说，不仅能丰产，还能提前成熟，改善其品质。砾石覆盖割断了土壤通向大气的毛细管，毛管作用被破坏，抑制土壤蒸发；沙地表层减少了毛管上升水，蒸发方式主要为蒸汽扩散以及植物蒸腾[31]。此外，砾石覆盖能够增加降雨入渗量，减小径流和改善土壤结构，从而有效的提高土壤含水量[32]。Li等[24]研究表明，砾石覆盖能够显著地提高土壤含水量，特别是20—60 cm深度土壤。本研究土壤温湿度观测中砾石覆盖度的设置主要从防风蚀角度来考虑，今后需深入研究不同粒径、覆盖度砾石床面对土壤温湿度的影响。

5 结 论

沙地开发必须有一定的风沙防护措施，砾石覆盖不仅能够防风固沙，而且对土壤具有保湿保温作用。风洞试验表明，理论上3 cm粒径砾石在50%盖度时即可达到理想的防风固沙效果：空气动力学粗糙度达到最大值，风蚀防护效应在96%以上。结合库布齐沙漠风况特征以及砾石覆盖应用成本，3 cm粒径砾石在40%覆盖度时，风蚀防护效应在93%以上，能够起到较好的风蚀防护效果，同时对土壤具有较好的保墒作用。

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EffectofGravelMulchonSoilandWaterConversation—ACaseStudyintheNorthernEdgeofHobqDesert

TAN Lihai1, ZHANG Weimin1, BIAN Kai1, GAO Yang1, ZHONG Shuai2

(1.DunhuangGobiDesertResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.ElianResourcesGroup,Dongsheng,InnerMongolia017000,China)

The control of wind erosion is crucial to the development of deserticulture in the Hobq Desert. This study discussed the protective effect of gravel mulch against wind erosion as well as its influence on soil temperature and humidity through wind tunnel experiments and field observation, aiming to provide the scientific basis for the application of gravel mulch to wind erosion control in the Hobq Desert. The results show that gravel beds composed of gravels in 3 cm diameter have significant effect of wind-reducing and erosion control, and the inhibition ratio of wind erosion ranges 49.4%～100%. Under experimental wind speeds of 10 to 16 m/s and as gravel coverage reaching 50%, gravel beds are aerodynamically stabile, and the inhibition ratio of wind erosion is more than 96%. In aeolian engineering, gravel mulch in coverage of 40%, with a wind erosion inhibition ratio of more than 93%, can achieve the purpose of preventing wind erosion in the Hobq Desert. Meantime, it can play a role of cooling in daytime and preserving heat at night, thus reducing the damage of extreme temperature to crops and also improving soil moisture content. This study can provide reference for the application of gravel mulch to wind erosion protection in the other arid areas.

gravel mulch; wind erosion; soil temperature and moisture; Hobq Desert

S157

A

1005-3409(2017)06-0172-07

2016-12-07

2017-01-10

国家科技支撑计划项目(2015BAC06B01-02);中国科学院西北生态环境资源研究院青年人才成长资助基金(51Y651K41)

谭立海(1985—),男,山东临朐人,博士,助理研究员,主要从事风沙物理与风沙工程学研究。E-mail:tanlihai18@163.com