毛乌素沙地流动沙丘不同沙障组合措施的防风固沙效益评价_石麟.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.11毛乌素沙地流动沙丘不同沙障组合措施的防风固沙效益评价石麟1，李红悦2，赵雨兴1，任余艳1，何金军1，于凤强3，哈斯额尔敦4（1.鄂尔多斯市林业和草原科学研究所，内蒙古 鄂尔多斯017010；2.北京市广渠门中学，北京100001；3.鄂尔多斯市林业和草原事业发展中心，内蒙古 鄂尔多斯017010；4.北京师范大学地理科学学部自然资源学院，北京100875）摘要：为了解毛乌素沙地沙柳再生沙障、聚乳酸(PLA)沙袋沙障和草绳沙障配置固沙植物种组合措施下的防风固沙效益，通过对各类组合措施下不同高度处风速、近地表输沙量、障内蚀积形态的测定，对比分析了不同材料、坡位、规格下几种沙障组合措施的防风固沙效益。结果表明：（1）1 m1 m规格沙柳再生沙障、草绳沙障组合措施下降低近地表风速效能最大，可达80.29%、78.49%，3 m3 m规格的草绳、PLA沙障组合措施下防风效能仅为58.14%、57.88%；（2）输沙率降低率表现为：沙柳草绳PLA，且呈随规格增加而减小的趋势，其中沙柳再生沙障组合措施阻沙效果较稳定，其他2种稳定性较差；（3）各类措施下障内微地形主要受NWNNW风向控制，不同类沙障材料障内形态特征不同，整体以侵蚀为主，草绳沙障组合措施障内相对侵蚀深度最大，PLA沙障措施下次之，沙柳沙障措施下表现为以-105 cm区间侵蚀深度范围为主的弱蚀积状态，但相对侵蚀深度范围均呈随规格增大、坡位增加而减小的趋势。综合分析认为，沙柳再生沙障配以撒播固沙植物种的人工固沙植被体系最为稳定，防风固沙效益最优，为毛乌素沙地较为适宜的流动沙丘沙障促进植被恢复治理技术措施，其余组合措施可视沙障材料获取难易、运输条件以及流沙环境和治理目的适当采用。关键词：流动沙丘；沙障；组合措施；防风固沙；毛乌素沙地沙障固沙是沙区广泛采用的一种能有效固定流沙和促进植物固沙的必要措施。基本原理是通过影响下垫面结构和性质，减少风沙流通量和改变地表蚀积状况等，从而起到快速固定流沙的作用1。沙障技术的应用最初为满足沙区铁路、公路和高压线等维护需要2-3，后来被广泛应用于沙漠化治理中。沙障材料的选择和布设首要考虑防风固沙效益外，还要取决于各种材料获取程度的难易，区域自然条件、施工难易及沙障成本等综合因素。沙障材料主要包括生物沙障和机械沙障两大类。毛乌素沙地因其水热条件较好，多年来一些优良固沙灌木树种和多年生草本植物常被用作植物再生沙障应用于防沙治沙中，其中最具代表性的为沙柳沙障和沙蒿沙障。董智等4-6对沙柳沙障设置规格、设置方式、防风固沙效益进行了系统的研究。草方格沙障因其成本低廉，是早期流沙治理的首选，也是目前国内应用范围最广，最具代表性，研究最为深入的沙障类型7，2013年以来，鄂尔多斯水利局改进麦草设置方式，以网格麦草编织草绳铺设的方式在毛乌素沙地进行了探索和实践，并在同类地区进行了大面积推广8。另外，随着材料科学的发展，各种新型材料如PLA可降解纤维沙障、纱网沙障逐渐也被应用到毛乌素流沙固定工程中，众多学者9-13对沙障单一初设后的防护作用、阻沙效果进行了深入的研究，通过相应野外观测14-16和等比例实体沙障风洞流场模拟17-18对沙障各方面防护机理、地表蚀积收稿日期：2022-06-24；修订日期：2022-11-28基金项目：国家重点研发计划课题（2016YFC0500805）；科技兴蒙重大专项课题（KJXM-EEDS-2020006）作者简介：石麟（1982-），女，硕士，副高级工程师，主要从事荒漠生态学研究.E-mail:shilin_通讯作者：哈斯额尔敦.E-mail:268279页2期石麟等：毛乌素沙地流动沙丘不同沙障组合措施的防风固沙效益评价特征及障内蚀积形成的风沙流场过程进行了分析。结果表明，各类沙障均起到有效的防风固沙效应。但长期实践证明，单一的沙障措施下常出现沙丘活化速率加快、植被恢复较慢、沙障破损度期缩减的问题。又开展了对沙障布设方式的研究，但大多侧重于通过野外观测、风洞试验19-20与数据模拟21等设障高度、设障间距、防护距离间的配置优化研究。区域性沙漠化土地治理经验证明，因地制宜选择沙障的基础上再配置固沙植物种的优化措施更行之有效。此外，沙障环境对气流、风沙及植被空间分布的再分配已得到了比较全面的定性认识，学者们22-23认为，将机械沙障与生物措施相结合，更能有效提高流沙治理的效率，以促进植被的良性生长和沙地生态系统的恢复。且沙障铺设后对提高植被恢复速率也有所不同24-26，但目前对机械沙障与生物固沙配置组合措施下的防风固沙效益与形成的地表形态反馈研究较为匮乏。本文以毛乌素沙地腹地鄂尔多斯乌审旗图克镇梅林庙嘎查为试验地，以当地扦插萌孽性较强、资源丰富的沙柳再生沙障、水利工程常用的草绳沙障，以及近年新兴的PLA纤维沙障为基础，障内再配置当地适应性较强的先锋固沙植物种的措施，开展各类沙障组合措施下的防风固沙效益对比研究，以期为区域大面积的防风固沙工程提供决策依据。1研究区概况研究区为地处毛乌素沙地腹地的内蒙古自治区乌审旗东北部的图克镇沙区（385326385347N，10913471091423E；图1）。地表景观以新月形沙丘及新月形沙丘链为主，沙丘走向呈NESW向，高度一般在数米至十余米，迎风坡较缓，坡度约520；背风坡较陡，坡度约2535。该区属半干旱季风气候区，冬季干冷多风，夏季炎热少雨，年均气温7.2，年降水量为379 mm，蒸发量2113 mm，年均风速3 ms-1，35月风沙活动频繁27。研究区植被主要以沙生植被为主，主要有油蒿（Artemisia ordosica）、沙米（Agriophyllum pungens）、虫实（CorispermumL.）、沙竹（Psammochloa villosa）、沙柳（Salix psammophila）、羊柴（Hedysarum laeve）等沙生植物。2材料与方法2.1 试验材料试验采用沙柳、草绳、PLA（聚乳酸纤维）3种沙障材料（图2）。沙柳沙障选用具有再生能力的一、二年生沙柳活枝条；PLA沙障是一种新型生物基可降解纤维管状沙障，以木薯、淀粉等生物质为原料制成的一种高分子圆筒管状织物，管径约810 cm；图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area26940卷干旱区研究草绳沙障材料为麦草，采用麻花编织法将其编织成单根直径2.5 cm草绳，再将两根拧为一根使用。2.2 研究方法2.2.1试验布设2017年10月下旬植被渐进休眠期，选取大小、走向、坡度相近且周围无障碍的独立平缓新月形流动沙丘（植被盖度小于5%，坡度草绳PLA。3种沙障材料措施下迎风坡输沙量降低率在沙丘各区域分布表现均为：中上坡高于下坡。同规格同坡位沙障间输沙量降低率平均值进行比较，1 m1 m 规格下，各部位均表现为：S1C1P1；3 m3 m规格下，坡下输沙量降低率表现为：S3P3C3，随着坡位的增加，中上坡又表现出P3、C3差异不显著的现象。3类沙障材料措施下同坡位均呈随障格增大输沙量降低率降低的趋势，这与以往输沙量随障格规格变化趋势研究结果一致33。3.3 不同沙障组合措施下的障内蚀积凹曲面特征格状沙障不仅有阻挡外来风沙流的作用，对原有沙面还起到固定作用。在气流涡旋的长期作用下，使障格内原始沙面充分蚀积后可形成稳定凹曲面，是沙障地表蚀积、沙障效果最直观的表现34。而沙障材料、规格的差异性是导致凹曲面形成的主要因素。植被更新2 a后，各类沙障障内曲面特征图显示，不同沙障优化措施下，障内地形发生了明显变化，而且起伏形态因措施不同存在明显差异。表1 3种沙障组合措施防风效能值Tab.1 Wind protection effectiveness value of three sand barrier measures沙障组合类型S1P1C1S3P3C30.1 m处防风效能/%80.294.17a70.859.01b78.494.41a63.053.16a62.864.71a59.683.79b0.3 m处防风效能/%69.795.45a65.408.49ab61.679.33b58.273.53a58.144.79a57.883.33a0.5 m处防风效能/%29.182.85a28.574.91a29.193.05a26.211.81a25.233.16a25.381.91a2 m处防风效能/%11.221.24a10.582.21a10.831.42a9.931.18a9.961.41a9.680.82a注：同一列不同字母表示同一规格3种沙障措施下防风效能差异显著（P0.05）。图5 不同类型下垫面各测点输沙量降低率Fig.5 Reduction rate of sediment transport at each measuring point on different types of underlying surface2722期石麟等：毛乌素沙地流动沙丘不同沙障组合措施的防风固沙效益评价根据不同沙障组合措施下障内相对蚀积深度分布状况与拟合凹曲面形态如图6、图7所示。6种规格沙障在设障撒播固沙植物种2 a后，格内蚀积差异明显，且呈现出因设障措施不同障内形态特征有明显差异。整体障内形态峰谷并存，沙柳沙障措施下侵蚀最低点出现在上风侧中间部位，四周沙障附近为沙粒阻滞沉积区，呈现为两侧高中间低的向风向开口的“簸箕”状凹曲面。PLA和草绳沙障措施侵蚀最低点均位于障格中心处，且NNWN方位的侵蚀明显大于SESS方位，呈现出中心低周围高较规则的“漏斗状”凹曲面。同类沙障障格微形态整体相似，但不同坡位、不同规格之间，存在蚀积程度差异，造成坡下蚀积深度普遍深于中上坡，小规格障内凹曲面相对平缓，但大规格障内存在凹凸不平，中心与周围蚀积深度差异较大现象。由表2可知，各类沙障措施整体表现为侵蚀大于堆积，坡下相对侵蚀深度、侵蚀面积均大于中上坡的现象。其中C3相对侵蚀面积最大，坡中上、坡图6 中上坡不同沙障措施下相对蚀积深度分布与凹曲面形态Fig.6 Relative distribution of erosion and depositional depth and concave surface shape under different sand barrier measures onthe middle and upper slope图7 下坡不同沙障措施下相对蚀积深度分布与凹曲面形态Fig.7 Relative distribution of erosion and depositional depth and concave surface shape under different sand barrier measuresdownhill slope27340卷干旱区研究下分别达到96.88%和97.22%。坡中上部，沙柳沙障组合措施下，S1障内曲面略有起伏，蚀积深度范围在-1010 cm之间，最低点距沙面7.9 cm，69.44%的相对蚀积深度面积分布在-55 cm之间。S3障内起伏明显增大，蚀积深度范围延伸至-2515 cm之间，-100 cm区组深度范围面积占比最大，达35.94%，障内最低点呈顺风向下移动的趋势，最低点距沙面深度增加至23.7 cm。PLA和草绳沙障组合措施下，P1、C1蚀积深度范围均分布在-1510 cm 之间，较 S1 深度范围略有增加，P1中-10-5 cm的蚀积深度分布达55.56%，C1中-55 cm的蚀积深度分布范围也在50%左右，且P1、C1相对蚀积深度分别达10.4 cm、10.3 cm。P3、C3随着障格的增加均表现出蚀积深度范围和相对蚀积深度增加的现象，蚀积深度范围扩大到-305cm，最低点深度分别达 27.5 cm、25.2 cm，其中 C3中-2515 cm区组深度范围面积占比达51.56%，相对几种措施下最不光滑，地表起伏波动最大。下坡部位，S1、P1、C1中P1相对侵蚀面积最大，仅-50 cm蚀积深度范围面积占比达61%，C1次之，S1侵蚀面积占比最小，且S1最大蚀积深度范围40%分布在05 cm之间，呈现出弱堆积状态，最低点距沙面深度分别为8.7 cm、10.7 cm和10.4 cm。S3、P3、C3表现出与坡中上部位随规格增加蚀积深度范围和相对蚀积深度均增加的相同规律，除C3外另两类各深度区组面积占比分布较均匀，障内相对较平滑，C3相对侵蚀面积占比最大，-25-15 cm区组深度范围面积占比达61.66%。4讨 论沙障加以固沙植物种的优化措施改变了流动沙丘表面的物理结构特征，可再生沙柳沙障、PLA沙障和草绳沙障措施下均能起到有效的降低地表风速和阻沙的效果，所有处理平均风速和输沙量均低于流动沙丘对照。3种沙障材料优化措施下具有疏透性的直立式沙柳再生沙障对气流具有较强的累加降低效应，而草绳和PLA沙障障高较低矮、表面光滑，且孔隙度密实，使得过境气流仍然保持过障后抬升加速的规律继续向前运行。这与以往35-37对不同材质的沙障研究中，防风固沙效果主要取决于其结构差异的结论相一致。在1 m1 m较小规格中，易在障内形成小区域涡流，形成不稳定风速，随着障格增大和所测风速高度位置的增加这种现象逐渐减小。刘晓波38也认为，沙障规格越大，影响近地表的风速能力越小，风沙流对地表的侵蚀作用越强。同时，不同沙障优化措施的固沙阻沙效果在沙丘不同区域之间存在差异，沙柳沙障由于其再生萌孽性，能有效消减风的搬运能力，且随着坡位的增加、风速的增强，积沙范围延伸较远，表现出较稳定的降低输沙量的特性。PLA、草绳沙障由于障高低于风沙运动蠕移层，且为紧密型材料，在气流流表2 不同相对蚀积深度范围的格内面积百分比Tab.2 Area percentage of different ranges of relative erosion and deposition depth in each checkerboard相对蚀积深度范围分组/%坡位坡中上坡下规格S1P1C1S3P3C3S1P1C1S3P3C3-30-25 cm0.000.000.000.004.7615.630.000.000.002.4710.9419.44-25-20 cm0.000.000.003.5215.8726.560.000.000.0011.117.8129.17-20-15 cm0.000.000.009.7722.2225.000.000.000.0012.3515.6331.94-15-10 cm0.0011.112.7815.236.3517.190.002.785.5614.8115.638.33-10-5 cm25.0055.5613.8917.9717.469.3832.0025.0047.2217.2818.751.39-50 cm33.3319.4430.5617.9719.053.1328.0061.1122.2218.5212.506.9405 cm36.1116.6727.7812.8914.293.1340.0013.8913.8914.814.694.17510 cm8.330.0025.0013.280.000.000.000.008.337.419.380.001015 cm0.000.000.008.590.000.000.000.002.786.174.690.002742期石麟等：毛乌素沙地流动沙丘不同沙障组合措施的防风固沙效益评价速较低的坡下虽能起到固沙作用，但随着坡位的增加，当较强输沙气流通过沙障时，一部分夹沙气流受不透风障碍物的阻挡被迫抬升，使障体高度以下通过的气流大幅减少，风速迅速降低，同时由于障格的影响，使得气流的活动层被抬高，相应输沙量也被提升至一个新高度，导致PLA、草绳沙障地表输沙率的加大，均表现出较不稳定的阻沙效果。两者相比较由于制作工艺不同，草绳沙障表面较PLA沙障粗糙，1 m1 m较小规格下能表现出较优于PLA沙障的阻沙效果，但随着障格的增加这种优势也趋于减小。综合沙障组合防风效能和输沙量分析结果，沙柳再生沙障组合效果最佳，且防风效应和阻沙效果两者之间基本呈正相关关系。1 m1 m规格的PLA、草绳沙障组合，适宜布设于沙丘迎风坡坡底，这与袁立敏等15在乌兰布和沙漠地区的实验结论相吻合。但在选用小规格活植物体沙障固沙，还需要避免因规格过小，密度过大造成对固沙植物的后期更新生长影响39。流场结构和风沙流结构之间的互馈作用40-41促使沙丘表面发生侵蚀或堆积，导致地表形态发生变化，障格凹曲面的形成受盛行风向、防护材料，沙障规格等影响存在差异，是人工固沙体系防护效果最直观的体现。毛乌素沙地乌审旗沙区，沙柳再生沙障、PLA沙障、草绳沙障与固沙植物种的优化组合模式下，同种沙障材料措施下在沙丘不同区域呈相似形态。沙柳再生沙障优化措施下当气流通过具有一定孔隙度的障体时，对截留挟沙气流包含的不同粒度沙物质有一定的过滤作用，使部分沙粒得以沉降，下风向障体周围产生少量堆积，加之障内固沙植物种的累加固沙作用，整体呈弱蚀积状态。而PLA、草绳2种沙障因材质紧密，积沙范围较窄，可能存在非均匀水平涡流，致使障格中心周围侵蚀严重，撒播植物种也因风蚀保存率较低，且实地观测上风向沙障沙埋现象严重，阻沙作用大大降低。蚀积深度范围效应也因障格的增大，障内中心距障体距离也随之增大，气流速度较强，致使地表形态相对趋于不规整，蚀积面积和蚀积深度逐渐增加，这与张登山等42-43对不同规格麦草方格沙障蚀积效应变化趋势、以及可降解纤维沙障凹曲面稳定性研究结果一致。障内蚀积特征显示，不同类型沙障优化措施下沙丘地表均以受到侵蚀为主。对比输沙量降低率与相对蚀积深度范围结果，可能是由于下坡部位处于丘间低地过渡带，伴有少量植被生长，加之采取沙障配以固沙植物种的优化措施，障内植被随之而生，使得沙丘固定下的植被恢复速率加快，导致下坡部位沙源不够充足，障内地表长期受到侵蚀后沙物质不能得以补充，最终出现下坡侵蚀量高于中上坡的现象，二者呈非正相关关系。王丽英等44也认为，设障沙丘不同部位的防风效应以丘间低地防风效应最大。以往沙障工程效果的好坏、沙障材料及规格的筛选均以布设沙障控制风速和阻沙效果为评价指标45-47。而笔者认为，人工建立固沙植被体系一段时间后的障内地表蚀积特征是客观考量工程措施优劣的最直接体现，在今后应用过程中，必须要对各指标独立分析，再建立相关联系，才能客观公正的评价出最适合的工程措施。再者，本实验沙障布设方法以及固沙植物种的选择均以该地区林业重点工程成效应用为参考，在沙障材料和固沙植物种对流沙适应性选择上具有局限性，而植被重建后对土壤的长效影响、固沙植物种的优化选择以及流沙固定重建稳定后的生态效益评价有待进一步研究。5结 论沙障配以固沙植物种组合措施下的防风阻沙效益，因沙障材料、规格、布设位置不同产生不同程度的差异，通过试验结果的分析讨论，得出以下结论。（1）1 m1 m沙柳再生沙障组合措施降低风速效能最优，3 m3 m草绳、PLA组合措施效能相当且表现较差。（2）沙柳再生沙障组合措施下阻沙效应较强且稳定，1 m1 m规格下，草绳沙障组合措施较优于PLA沙障组合措施，但随着障格的增大在不同坡位间表现不稳定。（3）各类沙障组合措施下障内微地形主要受NWNNW风向控制，在相类似区域开展防沙治沙工程布设沙障时，应考虑当地主风方向，格状沙障设置应以一个障边走向与主风方向垂直或夹角稍大于90为宜。（4）草绳、PLA2种沙障组合措施下均表现出由NNWN弱风蚀方位带向障格中心强侵蚀区变化27540卷干旱区研究的相似形态，且在坡位间障内形态差异不明显。（5）坡下相对侵蚀深度范围较大，且同种沙障材料下大规格较为明显。3 m3 m草绳沙障措施下坡上、坡下相对侵蚀面积分别达96.88%和97.22%，在几类沙障措施下相对侵蚀面积最大。（6）沙柳再生格状沙障配以当地固沙植物种优化措施障内形态较稳定，防护期较长，可实现初期快速固定，后期稳定持续的固沙植被特征。后期平茬利用宜可提供大量饲草料，较单一机械沙障更能提升综合治理的效能。参考文献（References）：1姚正毅,陈广庭,韩致文,等.机械防沙体系防沙功能的衰退过程 J.中 国 沙 漠,2006,26(2):226-231.Yao Zhengyi,ChenGuangting,Han Zhiwen,et al.Decline mechanism and process ofmechanical defense systemJ.Journal of Desert Research,2006,26(2):226-231.2李滨生.治沙造林学M.北京:中国林业出版社,1990:150-198.Li Bingsheng.Afforestation and Desertification ControlM.Beijing:China Forestry Publishing House,1990:150-198.3顿耀权,屈建军,康文岩,等.包兰铁路沙坡头段防护体系研究综述J.中国沙漠,2021,41(3):66-74.Dun Yaoquan,Qu 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