張 琪，娜仁格日勒，葛 楠，張 靜，王 穎，崔向新

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.錫林郭勒盟鑲黃旗苗圃，內(nèi)蒙古 鑲黃旗 013250)

錫林河流域不同利用方式草地風(fēng)速廓線及地表粗糙度特征分析

張 琪1，娜仁格日勒2，葛 楠1，張 靜1，王 穎1，崔向新1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.錫林郭勒盟鑲黃旗苗圃，內(nèi)蒙古 鑲黃旗 013250)

草地；土壤風(fēng)蝕；風(fēng)速廓線；地表粗糙度；錫林河流域

以錫林河流域典型草原上天然草地、圍封草地和人為干擾草地3種不同利用方式的草地為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)區(qū)域風(fēng)速廓線與地表粗糙度的測(cè)定，研究了不同利用方式草地的防風(fēng)效能。試驗(yàn)結(jié)果表明，流域內(nèi)3種不同土地利用方式的草地近地表風(fēng)速總體呈現(xiàn)隨測(cè)量點(diǎn)距離地表的高度增加而增加的規(guī)律，風(fēng)速廓線符合指數(shù)規(guī)律和實(shí)際情況，但不同土地利用方式草地之間存在差別；圍封草地地表粗糙度最大，人為干擾草地的地表粗糙度最小，表明在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地的防風(fēng)效能最好。

1 研究區(qū)概況

錫林河流域位于內(nèi)蒙古高原東部，東毗大興安嶺山麓，南接昭盟玄武巖高原，地理坐標(biāo)東經(jīng)115°32′—117°12′、北緯43°26′—44°39′，總面積約10 786 km2[1]。該流域在我國(guó)北方典型草原區(qū)具有代表性，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)局部好轉(zhuǎn)、整體惡化的態(tài)勢(shì)，作為我國(guó)北方重要的生態(tài)保護(hù)屏障，是京津風(fēng)沙源區(qū)綜合治理工程的重點(diǎn)地區(qū)。

1.1 土壤與植被

錫林河流域的土壤類(lèi)型受到地理位置和氣候條件的影響，自上游到下游呈現(xiàn)規(guī)律性分布，以黑鈣土和栗鈣土為主。黑鈣土主要分布在錫林河上游的丘陵和崗地；栗鈣土是錫林河流域分布面積最廣且具有代表性的土壤[2]，除上游丘陵、崗地及南部高臺(tái)地外，其余地方幾乎全部被栗鈣土所占據(jù)。

流域內(nèi)的植被有羊草〔Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.〕、針茅(StipacapillataLinn.)、線葉菊〔Filifoliumsibiricum(Linn.) Kitam.〕、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)、裂葉蒿(ArtemisiatanacetifoliaLinn.)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)、木地膚〔Kochiaprostrate(L.) Schrad.〕等[3]，植物群落結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，草層低矮、稀疏，平均高度為5～10 cm[4]。

1.2 氣候與水文

錫林河流域?qū)俅箨懶詼貛Р菰瓪夂?，春季大風(fēng)，夏季濕潤(rùn)溫暖，冬季干燥寒冷[5]。受降水和地形的影響，光照和熱量在地理分布上自東向西有規(guī)律地變化，即熱量升高，濕度降低。在四季分配上，受四季云量變化的影響，表現(xiàn)出春季長(zhǎng)、冬季短的特征。

本流域的降水量自上游至下游逐漸減少，降水量主要集中在7—9月，4—6月缺水[5]，這不利于牧草的生長(zhǎng)和發(fā)育。4、5月份植物尚能利用秋冬季的雨雪水分維持其生長(zhǎng)需要，但進(jìn)入6月，4、5月份的底墑?wù)舭l(fā)殆盡，溫度升高又加劇了蒸發(fā)，較低的降水量不能滿足牧草生長(zhǎng)需要，因此該時(shí)期降水量的多少在很大程度上影響著牧草的整體長(zhǎng)勢(shì)。

1.3 地質(zhì)與地貌

流域主要由低山丘陵、熔巖臺(tái)地和河谷平原三大地貌組成，東岸為低山丘陵區(qū)，西岸為熔巖臺(tái)地，丘陵河谷間夾帶著固定沙地，總體地勢(shì)為東南高、西北低。

在地質(zhì)構(gòu)造上，本流域位于內(nèi)蒙古海西褶皺帶的東南部，區(qū)域大體構(gòu)造方向從北向東綿延，主要是由華力西期—燕山晚期花崗巖及中生代變質(zhì)巖組成，山丘頂部有巖石裸露于地表，風(fēng)化剝蝕較強(qiáng)烈[5]。

1.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況

流域內(nèi)共有18個(gè)牧業(yè)點(diǎn)和19家旅游點(diǎn)，從業(yè)人員達(dá)到300人，牲畜4 000頭(只)左右。日均旅游人數(shù)為500人，高峰期日旅游人數(shù)可達(dá)2 000人，車(chē)輛(大車(chē)、小車(chē)、摩托車(chē))可達(dá)1 000輛[5]。

2 研究方法

2.1 樣地選取

在錫林河流域的典型草原上選擇天然草地、圍封草地和人為干擾草地3種利用方式的草地作為研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。其中：天然草地利用方式為放牧；圍封草地自2003年封育，禁止放牧，至今圍封10年；人為干擾草地是2006年修建公路時(shí)將工程土傾覆在該草地上，然后進(jìn)行自然恢復(fù)。測(cè)試小區(qū)內(nèi)植被狀況見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試小區(qū)植被狀況

2.2 風(fēng)速廓線的測(cè)定

風(fēng)速廓線是指風(fēng)速隨高度的分布曲線。本研究關(guān)于風(fēng)況信息的測(cè)定是采用HOBO小型氣象站進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的采集，該儀器主要由數(shù)據(jù)采集器、風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)和支架構(gòu)成。觀測(cè)時(shí)將HOBO小型氣象站架設(shè)在試驗(yàn)樣地中，風(fēng)杯分別設(shè)置20、50、100、150和200 cm高度進(jìn)行風(fēng)速數(shù)據(jù)的測(cè)定，同時(shí)設(shè)置風(fēng)向標(biāo)測(cè)定風(fēng)向，數(shù)據(jù)采集器設(shè)置數(shù)據(jù)采樣間隔為2 s。

2.3 地表粗糙度的測(cè)定

地表粗糙度是指下墊面平均風(fēng)速為零處的高度，它能反映出不同下墊面的固有性質(zhì)[6]，也是衡量防沙治沙效益的一個(gè)重要指標(biāo)。地面粗糙度的確定，通常都是以風(fēng)速按對(duì)數(shù)規(guī)律分布為依據(jù)，從其風(fēng)速廓線推算的。對(duì)于一個(gè)固定地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，如果地面的性質(zhì)不變，?？梢约僭O(shè)是一個(gè)常數(shù)[7]。它可以直接通過(guò)對(duì)數(shù)公式計(jì)算得出，即

lnZ0=(lnZ2-AlnZ1)/(1-A)

(1)

式中：Z0為地表粗糙度，cm；Z1、Z2為任意兩個(gè)高度，cm；A為Z2、Z1高度處對(duì)應(yīng)風(fēng)速U2、U1的比值。

本次試驗(yàn)中，分別取各試驗(yàn)區(qū)內(nèi)距地表50和200 cm兩個(gè)高度的風(fēng)速計(jì)算地表粗糙度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同利用方式草地近地表風(fēng)速廓線特征

風(fēng)速廓線是反映近地表氣流特征非常重要的指標(biāo)之一，遵循對(duì)數(shù)或者冪指數(shù)規(guī)律，它是氣流和運(yùn)動(dòng)中的沙土相互作用而產(chǎn)生的。但是多數(shù)情況下下墊面的波伏狀況對(duì)氣流有很?chē)?yán)重的影響，因此不同立地條件下的風(fēng)速及流場(chǎng)分布存在著很大的差異，不單純地服從對(duì)數(shù)或者冪指數(shù)規(guī)律[8]。為了解錫林河流域內(nèi)不同土地利用方式草地的風(fēng)速廓線特征，對(duì)近地表風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析擬合，繪制出了3種草地的風(fēng)速廓線圖，見(jiàn)圖1。

圖1 3種草地的風(fēng)速廓線

如圖1所示，3種利用方式的草地其風(fēng)速值都是隨著測(cè)量點(diǎn)距離地表高度的增加而增加的，這符合近地面層風(fēng)的基本特性[9]。但是，3種利用方式草地的風(fēng)速廓線存在著明顯的差異。

圍封草地的風(fēng)速廓線形態(tài)復(fù)雜，呈現(xiàn)出“S”形的變化趨勢(shì)。之所以產(chǎn)生這種趨勢(shì)，是因?yàn)閺?0 cm層至200 cm層，平均風(fēng)速依次為2.03、3.12、5.28、5.71、6.70 m/s,故各層間風(fēng)速增長(zhǎng)率依次為53.69%、69.23%、8.14%和17.34%。即由20 cm層至50 cm層風(fēng)速增長(zhǎng)率較大，但并非最大增幅，在50 cm層至100 cm層區(qū)間風(fēng)速增長(zhǎng)率最大，而后由100 cm層至150 cm層風(fēng)速增長(zhǎng)率逐漸減小，在150 cm層至200 cm層區(qū)間風(fēng)速增長(zhǎng)率再次增大。

天然草地和人為干擾草地的風(fēng)速廓線形態(tài)較簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。在天然草地中，50 cm層的平均風(fēng)速為4.96 m/s，較20 cm層平均風(fēng)速2.91 m/s增長(zhǎng)了2.05 m/s，即50 cm層風(fēng)速較20 cm層風(fēng)速的增長(zhǎng)率為70.45%；而100 cm層的平均風(fēng)速為6.41 m/s，較50 cm層風(fēng)速的增長(zhǎng)率為29.23%；同理150 cm層的平均風(fēng)速為7.72 m/s，較100 cm層風(fēng)速的增長(zhǎng)率為20.44%，200 cm層風(fēng)速較150 cm層增加了10.10%。即在天然草地中，從20 cm層到200 cm層，各層間的風(fēng)速增長(zhǎng)幅度逐漸下降，從而使天然草地的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)“J”形增長(zhǎng)趨勢(shì)。而人為干擾草地中，地表風(fēng)速變化穩(wěn)定增加，并且各層增長(zhǎng)速率大致相同，故人為干擾草地的風(fēng)速廓線呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，但該曲線較天然草地風(fēng)速廓線的曲線更趨向風(fēng)速軸，且風(fēng)速范圍較窄。

產(chǎn)生以上差別，是因?yàn)轱L(fēng)速的變化情況受到地表植被生長(zhǎng)狀況與植被覆蓋度因素的影響[10]。結(jié)合樣地內(nèi)植被調(diào)查情況，可以看出：圍封草地由于采取圍封措施，近10年內(nèi)禁止放牧及人為破壞，植被恢復(fù)較好，植被高度和蓋度均高于天然草地和人為干擾草地，當(dāng)近地表氣流經(jīng)過(guò)時(shí)，地表的植被起到一個(gè)阻礙作用，能有效降低風(fēng)速；而天然草地和人為干擾草地植被破壞較為嚴(yán)重，地表植被高度未能起到降低風(fēng)速的作用。同時(shí)，由于各草地內(nèi)植被高度不同，使得各層風(fēng)速降低幅度存在差異：圍封草地內(nèi)植被高度為54 cm左右，故在地表50 cm層內(nèi)可以有效地降低過(guò)境風(fēng)速，其增長(zhǎng)率最高值出現(xiàn)在100 cm層；而天然草地內(nèi)的植被由于受到牲畜踐踏啃食，高度僅為8 cm左右，故對(duì)距離地表20 cm以上的風(fēng)速起不到很好的阻擋作用，50 cm層風(fēng)速急劇上升。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在距離地表200 cm層的風(fēng)速值中，人為干擾草地的平均風(fēng)速值大于圍封草地的平均風(fēng)速值，天然草地的平均風(fēng)速值介于二者之間。同時(shí)，在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地20 cm層的平均風(fēng)速較200 cm層的平均風(fēng)速降低了69.70%，50 cm層的平均風(fēng)速較200 cm層的平均風(fēng)速降低了53.43%，圍封草地這兩層的平均風(fēng)速降幅均是三者中最高的，這也說(shuō)明圍封草地的防風(fēng)效果是三者中最好的。

3.2 不同利用方式草地地表粗糙度特征

下墊面對(duì)風(fēng)速與風(fēng)的結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在幾何方面，因此地表形態(tài)的波伏和波伏程度可以劃分到粗糙性的范疇當(dāng)中去。地表粗糙度是表征下墊面粗糙性的一個(gè)最重要的指標(biāo)，增加地表粗糙度可以有效減弱、控制風(fēng)沙流[11]。本試驗(yàn)使用距離地表50和200 cm的風(fēng)速對(duì)錫林河流域內(nèi)不同利用方式下草地的地表粗糙度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2—4。

表2 天然樣地地表粗糙度測(cè)定結(jié)果

表3 圍封樣地地表粗糙度測(cè)定結(jié)果

表4 人為干擾樣地地表粗糙度測(cè)定結(jié)果

對(duì)錫林河流域內(nèi)不同土地利用方式下草地的地表粗糙度研究發(fā)現(xiàn)，圍封草地的地表粗糙度最大，是人為干擾草地地表粗糙度的1.46倍，明顯高于人為干擾后自然恢復(fù)草地的地表粗糙度；天然草地的地表粗糙度次之，是人為干擾草地地表粗糙度的1.05倍；人為干擾草地的地表粗糙度最小。產(chǎn)生這種狀況是因?yàn)槿藶楦蓴_草地受到了外界干擾，雖經(jīng)歷了自然恢復(fù)階段，但時(shí)間較短，加之破壞時(shí)工程土覆蓋較厚，嚴(yán)重破壞了原地表的植被，使得人為干擾草地的植被蓋度和高度均較低，當(dāng)風(fēng)沙流過(guò)境時(shí)，不能有效地減小風(fēng)速、降低風(fēng)沙的侵害。圍封草地由于受到了禁牧圍封措施的保護(hù)，植被生長(zhǎng)良好，植被的蓋度及高度均較高，使其下墊面的波伏程度增加，可對(duì)過(guò)境的風(fēng)沙流起到較好的阻礙作用。同理，天然草地內(nèi)的植被長(zhǎng)期經(jīng)受牲畜的踐踏及啃食，其植被的蓋度及高度均低于圍封草地，所以地表風(fēng)速略大于圍封樣地，地表粗糙度略小于圍封樣地。

4 結(jié) 論

(1)錫林河流域內(nèi)3種不同利用方式的草地，近地表風(fēng)速總體呈現(xiàn)隨測(cè)量點(diǎn)距離地表的高度增加而增加的規(guī)律，這符合近地面層風(fēng)的基本特性。在設(shè)定的5個(gè)近地表高度層內(nèi)，不同層間風(fēng)速增長(zhǎng)的快慢情況在不同利用方式的草地之間存在差別。圍封草地在100 cm層風(fēng)速增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到了69.23%；天然草地在50 cm層風(fēng)速的增長(zhǎng)率最大，達(dá)到了70.45%；而人為干擾草地各層間的增長(zhǎng)率在14.07%～27.35%之間，增長(zhǎng)幅度較為均一。

(2)對(duì)錫林河流域內(nèi)3種不同利用方式的草地風(fēng)速廓線的研究表明，風(fēng)速廓線符合指數(shù)規(guī)律和實(shí)際情況，不同土地利用方式下草地的風(fēng)速廓線存在差異。其中，圍封草地的風(fēng)速廓線較為復(fù)雜，呈現(xiàn)“S”形走勢(shì)；天然草地與人為干擾草地的風(fēng)速廓線形態(tài)簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，但是人為干擾草地風(fēng)速廓線的曲線較天然草地風(fēng)速廓線的曲線更偏向于風(fēng)速軸，這與其植被狀況有著密切的關(guān)系。

(3)通過(guò)對(duì)地表粗糙度的計(jì)算，得出圍封草地粗糙度最大，是人為干擾草地地表粗糙度的1.46倍。這也表明，在天然草地、圍封草地和人為干擾草地中，圍封草地的防風(fēng)效能最好。

[1] 洪立國(guó).錫林河流域草原利用現(xiàn)狀與保護(hù)對(duì)策研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2009:1.

[2] 汪久文,蔡蔚祺.錫林河流域土壤的發(fā)生類(lèi)型及其性質(zhì)的研究[J].草原生態(tài)定位研究,1988(3):23-83.

[3] 劉愛(ài)軍.錫林郭勒盟草地資源特征研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2002:10-16.

[4] 趙獻(xiàn)英,姚彥臣,楊汝榮.錫林河流域天然草場(chǎng)資源的生態(tài)地理特征及其展望[C]//中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站.草原生態(tài)系統(tǒng)研究(第3集).北京:科學(xué)出版社,1988:184-226.

[5] 李玉蘭,賈國(guó)華.錫林河水庫(kù)水土流失現(xiàn)狀及成因分析[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,18(21):185-188.

[6] 李曉麗.陰山北麓土壤風(fēng)蝕的影響因素及運(yùn)動(dòng)特性的試驗(yàn)研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:42-43.

[7] 張洪江.土壤侵蝕原理[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2008:90-92.

[8] 田慶明,馬廷德,劉曉云,等.強(qiáng)沙塵暴過(guò)程高空溫濕風(fēng)結(jié)構(gòu)和大氣穩(wěn)定度分析[J].干旱區(qū)研究,2008,25(5):700-704.

[9] 潘守文.小氣候考察的理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,1989:84-97.

[10] 董治寶,陳渭南,董光榮,等.植被對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕作用的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1996,16(4):437-443.

[11] 海春興.河北壩上土地利用與土壤風(fēng)蝕的動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究[D].北京:北京師范大學(xué),2003:23.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301049)

S157；X16

A

1000-0941(2015)05-0050-04

張琪(1989—)，女，內(nèi)蒙古烏海市人，碩士研究生，主要從事荒漠化防治方面的研究；通信作者崔向新(1962—)，女，遼寧本溪市人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治方面的教學(xué)與研究工作。

2014-11-20