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