俞祥祥，李生宇，馬學(xué)喜，賈文茹

（1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

沙漠公路防護(hù)林影響下近地表風(fēng)沙流粒度特征的空間分異

俞祥祥1，2，李生宇1，馬學(xué)喜1，2，賈文茹1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

利用BSNE集沙儀對(duì)沙漠公路兩側(cè)灌木混交防護(hù)林影響下的近地表風(fēng)沙流粒度特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在水平方向上，風(fēng)沙流粒度沿主風(fēng)向從林帶上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)鄰近林帶流沙地，平均粒徑減小，分選變差，而且越向下風(fēng)向變化越大，但兩條阻沙林帶間風(fēng)沙流粒度受沙丘影響不同于其他點(diǎn)，其平均粒徑增大，分選性變好；在垂直方向上，風(fēng)沙流平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上略有增大。受防護(hù)林影響，風(fēng)沙流粒度的垂直分異減緩，而不同觀測(cè)點(diǎn)之間的季節(jié)變化增大。防護(hù)林影響范圍內(nèi)近地表風(fēng)沙流粒度的時(shí)空變化特征與防護(hù)林垂直疏透度、季節(jié)以及防護(hù)林內(nèi)具體位置的微環(huán)境有關(guān)。

沙漠公路；防護(hù)林；風(fēng)沙流；粒度特征

風(fēng)沙流中沙粒的粒度分布是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究的重要內(nèi)容之一[1]。風(fēng)沙流粒度組成不僅反映了風(fēng)對(duì)沙源物質(zhì)的搬運(yùn)和分選情況，還體現(xiàn)了下墊面狀況對(duì)風(fēng)沙流移動(dòng)過程的影響，同時(shí)還是風(fēng)沙形成過程中風(fēng)力強(qiáng)度的重要體現(xiàn)。通過對(duì)風(fēng)沙流粒度的分析可以判斷沙物質(zhì)的運(yùn)移方式，有助于分析風(fēng)沙危害形成演變過程中的環(huán)境條件[2]。一般認(rèn)為，離地表越近的氣流所含沙粒越粗[3]。但近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過野外觀測(cè)和風(fēng)洞模擬對(duì)風(fēng)沙流粒度隨高度的變化特征進(jìn)行了一些研究，認(rèn)為除沙粒粒徑隨高度增加而減小外[3-6]，還存在以下3種情況：第一，粒徑隨高度增加而增大[7]；第二，沙粒粒徑隨高度無變化[8]；第三，沙粒粒徑隨高度先減小后增加[9]。由此可見，盡管以往對(duì)沙粒粒徑隨高度的變化進(jìn)行了大量研究，但并沒有統(tǒng)一的規(guī)律。

公路是沙漠地區(qū)重要的運(yùn)輸通道，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)脈。然而沙漠地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，沙源豐富，具備公路沙害形成的風(fēng)動(dòng)力和沙物質(zhì)基礎(chǔ)，極易發(fā)生風(fēng)蝕、沙埋等公路沙害，影響公路的正常運(yùn)營(yíng)。目前，防治公路風(fēng)沙危害的措施很多，生物措施以其投資少、防護(hù)效益好、環(huán)境污染小而被廣泛采用，特別是在沙源豐富而又無法大面積控制的情況下，營(yíng)造防沙林帶便成為一種行之有效的沙害治理方式[10]。這主要是因?yàn)橹脖荒芡ㄟ^增加地表粗糙度、降低近地表風(fēng)速從而改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)來達(dá)到防沙阻沙的目的[11-12]。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于植被對(duì)風(fēng)沙流的影響研究多通過數(shù)值模擬、室內(nèi)風(fēng)洞模擬或野外觀測(cè)得出 ，并 取 得 了 一 些 研 究 成 果[3，6，13-18]。 研 究 結(jié) 果 表明，植被對(duì)風(fēng)沙流的影響不僅與植被蓋度、植被類型、排列方式等因素有關(guān)，還與沙粒特征、下墊面狀況以及風(fēng)況有關(guān)[19]。但這些研究主要針對(duì)不同植物之間、不同蓋度之間或不同排列方式之間風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的差異而言，關(guān)于完整的植物防護(hù)體系內(nèi)外對(duì)風(fēng)沙流粒度的影響的報(bào)道不多，而且由于研究方法、沙粒特征、下墊面狀況及氣流特征不同，造成研究結(jié)果具有區(qū)域性差異，很難確定一種普遍規(guī)律[12，20]。因此，對(duì)于不同地區(qū)防護(hù)林體系影響下的風(fēng)沙流應(yīng)在野外觀測(cè)的基礎(chǔ)下加以確定。

本文以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)的沙漠公路防護(hù)林為研究對(duì)象，通過野外實(shí)地觀測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)分析，研究風(fēng)沙流粒度特征對(duì)沙漠公路防護(hù)林體系的響應(yīng)模式以及空間差異，旨在說明防護(hù)林體系下的風(fēng)沙流粒度的時(shí)空變化，彌補(bǔ)植被對(duì)風(fēng)沙流影響研究中的不足，為新疆地區(qū)公路沙害治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)布設(shè)

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中四油田基地路 K9路段東北側(cè)（39°00′N，83°40′E，1 099 m），距塔中四作業(yè)區(qū)約3 km。該區(qū)主要的風(fēng)沙地貌格局是高大縱向復(fù)合沙壟和寬廣的壟間地相間分布[21]。本試驗(yàn)布設(shè)在寬1～3 km、長(zhǎng)2～5 km、地勢(shì)平坦的壟間地內(nèi)，區(qū)內(nèi)沙物質(zhì)機(jī)械組成以細(xì)沙和極細(xì)沙為主[22]。根據(jù)塔中氣象站觀測(cè)資料研究，該區(qū)年平均氣溫12.1℃，氣溫年較差平均在33.0～39.0℃，極端最高氣溫可達(dá)40.0～46.0℃，極端最低氣溫達(dá)-25.0～-20.0℃；年均降水量在25.9 mm左右，且90%以上集中在春夏兩季；區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量強(qiáng)烈，年均潛在蒸發(fā)量可達(dá)3 812.3 mm；年均風(fēng)速為1.5～3 m/s，風(fēng)向以E，ENE，NE為主；大風(fēng)日數(shù)年平均為10.5 d；該區(qū)還是塔里木盆地沙塵暴的高發(fā)中心，年沙塵暴日數(shù)可達(dá)68～88 d[23-24]。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中四油田基地路K9處的壟間平沙地。該處油田公路建有阻固結(jié)合的防護(hù)林體系，見圖1，上風(fēng)側(cè)有兩條阻沙林帶和一條固沙林帶，下風(fēng)側(cè)有一條固沙林帶，各林帶的間距均為10 m，固沙林帶距公路路肩3 m；阻沙林帶主要樹種為怪柳和沙拐棗，偶有蘆葦生長(zhǎng)，林帶寬度7 m，林帶高度1 m左右；固沙林帶主要樹種為怪柳、梭梭和沙拐棗林，林帶中密集生長(zhǎng)著高約2 m的蘆葦，植被蓋度可達(dá)60%～80%，上風(fēng)側(cè)固沙林帶寬29 m，下風(fēng)側(cè)固沙林帶寬13 m。

本試驗(yàn)采用BSNE集沙儀來采集風(fēng)沙流輸沙。集沙口安裝高度分別為0.1，0.3，0.5，1.0，1.5，2 m。沿公路防護(hù)林體系縱斷面布設(shè)在公路兩側(cè)，集沙儀相對(duì)位置見圖1，從上風(fēng)向到下風(fēng)向分別為流沙地、林間、上風(fēng)側(cè)固沙林帶、下風(fēng)側(cè)固沙林帶和林帶下風(fēng)側(cè)，分別標(biāo)記為A，B，C，D和E，A為對(duì)照。

圖1 試驗(yàn)地防護(hù)林結(jié)構(gòu)及集沙儀布設(shè)位置

本研究共進(jìn)行6次風(fēng)沙流觀測(cè)及采樣，本文選擇其中3次進(jìn)行粒度分析，分別為2013年5月、8月和10月，主要考慮這3個(gè)月收集到了足夠進(jìn)行粒度分析的樣品，采樣頻率為1個(gè)月。在觀測(cè)期間，防護(hù)林體系內(nèi)外試驗(yàn)觀測(cè)斷面地形見圖2。

在A測(cè)點(diǎn)附近布設(shè)有自動(dòng)氣象觀測(cè)站，風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)采用16方位自動(dòng)風(fēng)速儀記錄，風(fēng)速儀風(fēng)杯距地面高度為10 m，觀測(cè)頻率為2 min，記錄頻率為1 h。

圖2 試驗(yàn)觀測(cè)斷面地形及集沙儀布設(shè)位置

1.3 數(shù)據(jù)處理

粒度分析采用BT—2001型激光粒度分布儀（濕法）測(cè)量樣品粒度。粒度分析結(jié)果以體積百分含量表示，根據(jù)溫德華粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分方法統(tǒng)計(jì)了各輸沙樣品的顆粒級(jí)配[25]，并根據(jù)Folk-Ward圖解法[26]計(jì)算粒度參數(shù)（平均粒徑Mz、分選系數(shù)στ、峰度KG、偏度SKτ）。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙粒級(jí)配變化

如圖3所示，各觀測(cè)點(diǎn)和各高度不同粒徑組分含量存在較大差異。在0.1 m高度，A點(diǎn)風(fēng)沙流輸沙以極細(xì)沙和細(xì)沙為主，平均含量分別為62.82%和21.72%，粉沙為15.23%，中沙為0.23%，不含黏土；而B至E點(diǎn)基本以極細(xì)沙和粉沙為主，其中極細(xì)沙含量多大于A點(diǎn)（E點(diǎn)略小于A點(diǎn)），粉沙含量均大于A點(diǎn)，細(xì)沙含量均小于A點(diǎn)；B和E點(diǎn)的中沙含量小于A點(diǎn)，C點(diǎn)含有微量黏土[（0.02±0.03）%]。

在其他觀測(cè)高度，各點(diǎn)均以極細(xì)沙和粉沙為主，細(xì)沙其次，部分含有微量的黏土，均不含中沙；從0.3 m到2.0 m，B點(diǎn)和C點(diǎn)的極細(xì)沙含量多大于A點(diǎn)（1.5 m高度C點(diǎn)小于A點(diǎn)），D點(diǎn)和E點(diǎn)多小于A點(diǎn)（0.3 m高度D點(diǎn)略大于A點(diǎn)）；從0.3 m到2.0 m，E點(diǎn)粉沙含量均大于A點(diǎn)，B，C點(diǎn)多小于A點(diǎn)（0.3 m高度C點(diǎn)略大于A點(diǎn)），D點(diǎn)從0.3 m到0.5 m小于A點(diǎn)，而從1.0 m到2.0 m大于A點(diǎn)；從0.1 m到0.3 m A點(diǎn)不含黏土，而B，C，D，E含有一定量的黏土，從0.5 m到2.0 m A點(diǎn)含有黏土，而C，D，E含的黏土含量大于A點(diǎn)，B點(diǎn)不含黏土或含量小于A點(diǎn)。

圖3 各點(diǎn)不同高度不同粒徑組分含量變化

綜上，公路防護(hù)林體系對(duì)近地表風(fēng)沙流輸沙的沙粒級(jí)配產(chǎn)生了很大影響，沙漠公路防護(hù)林內(nèi)外的近地表風(fēng)沙流輸沙均以極細(xì)沙為優(yōu)勢(shì)組分，其含量可達(dá)44.78%～67.98%；粉沙和細(xì)沙多為第二、三優(yōu)勢(shì)組分，其含量分別為20.65%～40.94%，4.30%～14.76%（部分點(diǎn)在部分觀測(cè)時(shí)段0.1 m高度細(xì)沙和粉沙為第二、三優(yōu)勢(shì)組分）；多數(shù)不含中沙和黏土，僅部分點(diǎn)、部分觀測(cè)時(shí)段和高度含有微量中沙和黏土，含量分別為0.06%～0.41%，0.02%～1.49%。不同粒徑組分含量隨高度而變化，其中極細(xì)沙含量隨高度增加而降低，而粉沙和黏土含量則隨高度增加而增大，細(xì)沙含量則隨高度增加先降低后增加。

2.2 粒度參數(shù)變化

不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)沙流輸沙的粒度參數(shù)平均值見圖4。不同觀測(cè)點(diǎn)粒度參數(shù)存在較明顯的差異。在0.1 m觀測(cè)高度上，從A點(diǎn)到E點(diǎn)平均粒徑呈先減小后增加的變化規(guī)律，其中C點(diǎn)和D點(diǎn)平均粒徑最小，E點(diǎn)與B點(diǎn)相近；但在0.3 m至2.0 m觀測(cè)高度上，平均粒徑呈先增加后減小的變化規(guī)律，E點(diǎn)平均粒徑均最小，而0.3 m觀測(cè)高度B點(diǎn)最大，0.5 m至2.0 m高度C點(diǎn)最大。在各觀測(cè)高度上，從A點(diǎn)到E點(diǎn)分選系數(shù)呈先減小后增加趨勢(shì)，B點(diǎn)分選系數(shù)最小，E點(diǎn)分選系數(shù)最大，該點(diǎn)1.0 m以上均屬中等分選。在0.1 m觀測(cè)高度上，從A點(diǎn)到E點(diǎn)峰度值呈先增加后降低變化，C點(diǎn)峰度值最大，A點(diǎn)峰度值最?。粡?.3 m到2.0 m，從A點(diǎn)到E點(diǎn)峰度值先減小后增加，B點(diǎn)峰度值最小。偏度值變化模式與峰度值相似。在0.1 m觀測(cè)高度上，C點(diǎn)偏度值最大，從0.3 m到2.0 m，B點(diǎn)偏度值最小。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)不同高度的粒度參數(shù)

綜上，防護(hù)林內(nèi)外風(fēng)沙流沙平均粒徑為0.070～0.094 mm，多為較好分選（部分為中等分選），均呈中等峰態(tài)，多呈近對(duì)稱分布（部分呈正偏分布）。隨觀測(cè)高度增加，平均粒徑Mz呈減小趨勢(shì)，分選系數(shù)στ、峰度值KG、偏度值SKτ均呈增大趨勢(shì)，表明近地表風(fēng)動(dòng)力逐漸降低，分選性變差，中位數(shù)向細(xì)顆粒方向偏移（正偏），顆粒組成整體細(xì)化。

粒度參數(shù)在垂直和水平方向的變差系數(shù)見圖5，各粒度參數(shù)垂直變化程度不同，其中峰態(tài)最小，偏度最大，平均粒徑和分選系數(shù)居中。這種變化程度在各觀測(cè)點(diǎn)之間也有差異，但差別多未達(dá)到顯著程度（圖5A）。B，C，D觀測(cè)點(diǎn)各粒度參數(shù)的垂直變差系數(shù)多小于A觀測(cè)點(diǎn)，而E觀測(cè)點(diǎn)多進(jìn)一步增大（偏度減小）；在C觀測(cè)點(diǎn)，平均粒徑、峰態(tài)、偏度垂直方向上的變差系數(shù)最小，其中平均粒徑和偏度達(dá)到顯著水平（p＜0.01）。可見，受防護(hù)林影響，近地表風(fēng)沙流輸沙粒度參數(shù)的垂直分異得到一定程度減緩，上下層之間趨同性增強(qiáng)。

在同一觀測(cè)高度，粒度參數(shù)在各觀測(cè)點(diǎn)之間存在明顯的水平變化，而變化程度也因觀測(cè)高度而不同，但差別多未達(dá)到顯著程度（圖5B）。在6個(gè)觀測(cè)高度中，0.5 m高的水平變差系數(shù)最小，其中平均粒徑差異達(dá)到了顯著水平（p＜0.01）；0.1 m高平均粒徑和偏度變差系數(shù)最大，1.0 m高分選系數(shù)和峰度變差系數(shù)最大，但都沒有達(dá)到顯著水平（p＞0.01）。

從3個(gè)時(shí)段間的風(fēng)沙流輸沙粒度參數(shù)的變差系數(shù)來看，各觀測(cè)點(diǎn)的季節(jié)變化也不同，防護(hù)林內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)變化程度都大于A點(diǎn)，尤其以C點(diǎn)表現(xiàn)最為明顯，其中偏度、峰度和分選系數(shù)的變異系數(shù)差異達(dá)到顯著水平（p＜0.01），而平均粒徑變異系數(shù)差異不明顯（p＞0.01）（圖6A）；從各觀測(cè)點(diǎn)間粒度參數(shù)變差系數(shù)來看，3個(gè)觀測(cè)時(shí)段也存在較明顯差異，8月份各粒度參數(shù)均小于5月份和10月份，只有峰度變異系數(shù)達(dá)到顯著水平（p＜0.01），而其他參數(shù)差異不明顯（p＞0.01）（圖6B）?？梢?，防護(hù)林使近地表風(fēng)沙流輸沙的粒度參數(shù)變化增大，尤其以夏季表現(xiàn)最為明顯。

圖5 粒度參數(shù)在垂直和水平方向的變差系數(shù)

圖6 粒度參數(shù)的季節(jié)、測(cè)點(diǎn)變差系數(shù)

2.3 概率累積曲線變化

防護(hù)林內(nèi)外各點(diǎn)不同高度的風(fēng)沙流輸沙的概率累積曲線均為四段式（圖7），第一段左端點(diǎn)粒徑為0.179 7～0.275 8 mm，第一、二段的截點(diǎn)粒徑為0.116 9～0.150 3 mm，第二、三段的截點(diǎn)粒徑為0.031 0～0.039 1 mm，第三、四段的截點(diǎn)粒徑為0.003 8～0.012 6 mm，第四段右端點(diǎn)粒徑為0.000 5～0.001 0 mm。第二組分含量最高（73.58%～87.29%），屬于粗粉沙、極細(xì)沙或細(xì)沙，第一組分含量（5.47%～21.87%）其次，屬于極細(xì)沙、細(xì)沙或中沙，第三組分含量（1.63%～8.44%）么三，屬于粗粉沙、中粉沙、細(xì)粉沙、極細(xì)粉沙或黏土，第四組分含量最低（0.14%～0.29%），屬于細(xì)粉沙、極細(xì)粉沙或黏土。概率累積分布圖上左邊兩個(gè)組分屬于兩個(gè)躍移組分，右邊兩個(gè)組分屬于懸移組分。根據(jù)累積頻率曲線的斜率，第一躍移組分和第二懸移組分分選最好，而第二躍移組分分選其次，第一懸移組分分選最差。

由圖7可知，各觀測(cè)點(diǎn)概率累積曲線均有一定差異，主要表現(xiàn)為各段的斜率以及段間截點(diǎn)橫坐標(biāo)值的大小，其中第一組分、第四組分較第二組分和第三組分差異明顯；在1.0 m高度以上，各觀測(cè)點(diǎn)概率累積曲線差異明顯，而在0.3 m和0.5 m高度，差異最??；各觀測(cè)點(diǎn)曲線多在第一、二段截點(diǎn)處相交（0.1 m高度除外），且曲線在截點(diǎn)左右相對(duì)排列順序相反。在交點(diǎn)右側(cè)，從A到E點(diǎn)，各段截點(diǎn)均向右偏移（粒徑減?。欢诮稽c(diǎn)左側(cè)，從A到E點(diǎn)，各段截點(diǎn)均向左偏移（粒徑增加）；B點(diǎn)較特殊，在0.5 m高度以上，第二、三、四段粗化明顯，而第一段細(xì)化明顯；E點(diǎn)在0.1 m高度上粗化明顯，而在其他高度細(xì)化明顯。

3 討論

3.1 風(fēng)沙流輸沙粒度的水平分異及影響因素

風(fēng)沙流輸沙的粒度主要與沙源和風(fēng)況有關(guān)。一般認(rèn)為，沙源區(qū)地表沙物質(zhì)在風(fēng)力作用下被吹蝕起動(dòng)，并向下風(fēng)向搬運(yùn)，在這一過程中沙物質(zhì)被重新分選，不同粒徑范圍的沙粒運(yùn)動(dòng)方式不同，向下風(fēng)向搬運(yùn)的距離也不同，一般表現(xiàn)為沿主導(dǎo)風(fēng)向沙粒變細(xì)、分選變好[2]。觀測(cè)期間，研究區(qū)起沙風(fēng)的風(fēng)向較為單一，變化幅度較小，主要以NE，ENE，E三個(gè)方向?yàn)橹?，占所有起沙風(fēng)的75.63%（圖8）。因此，在單一風(fēng)向的影響下，風(fēng)沙流中沙粒應(yīng)該存在沿風(fēng)向粒徑變細(xì)、分選變好的趨勢(shì)。

A點(diǎn)在林帶上風(fēng)側(cè)較遠(yuǎn)距離處，基本不受防護(hù)林帶的影響，可代表自然流沙地表風(fēng)沙流輸沙的特征：粒徑較粗，分選性較好，中等峰度，偏度近對(duì)稱至正偏分布。作為風(fēng)沙輸移路徑上的較大障礙物，防護(hù)林能強(qiáng)烈影響局地的風(fēng)沙流輸沙的粒度特征。與A點(diǎn)相比，B點(diǎn)至E點(diǎn)風(fēng)沙流輸沙均受到防護(hù)林的影響，粒度參數(shù)變化有兩種情況，見圖9：C，D，E點(diǎn)，平均粒徑依次逐漸降低，分選系數(shù)、峰度值、偏度值均依次逐漸增加，E點(diǎn)變化程度最大；而B點(diǎn)則相反，平均粒徑略有增加，而分選系數(shù)、峰度值、偏度值均降低?？梢姡饔^測(cè)點(diǎn)的具體位置與其受影響程度有關(guān)。本文與張正偲等[1]對(duì)人工卵石床面模擬戈壁下墊面情況下風(fēng)沙流、董玉祥等[3，5]對(duì)海岸沙丘表面風(fēng)沙流、馮大軍等[6]對(duì)粗沙和細(xì)沙兩種床面上的風(fēng)沙流研究成果不同，造成這種差異的主要原因是本研究中下墊面的復(fù)雜程度不同，植被對(duì)風(fēng)沙流粒度的影響更大＼更復(fù)雜。

圖7 5月各點(diǎn)不同觀測(cè)高度概率累積曲線觀測(cè)

圖8 觀測(cè)期間起沙風(fēng)風(fēng)向頻率玫瑰圖

C點(diǎn)和D點(diǎn)處于防護(hù)林體系中，防護(hù)林植被阻斷了風(fēng)對(duì)地表的直接作用，減少就地起沙，地表基本呈凈堆積狀態(tài)，因而地表風(fēng)沙流輸沙均為上風(fēng)側(cè)搬運(yùn)來細(xì)粒物質(zhì)，同時(shí)防護(hù)林植被能增加地表粗糙度，大幅降低近地表風(fēng)速，使風(fēng)沙流攜沙能力下降，較粗沙粒迅速沉降[27-29]，因而沿風(fēng)向平均粒徑減小，粒度分布趨于正偏，峰度變窄，分選性變差，而且越向下風(fēng)向深入防護(hù)林體系，變化程度越大。雖然E點(diǎn)位于防護(hù)林下風(fēng)側(cè)相鄰的流沙地，但其風(fēng)沙流路徑最長(zhǎng)，受防護(hù)林影響最大，因此變化程度有一定加強(qiáng)。

B點(diǎn)處于公路迎風(fēng)側(cè)兩條阻沙林帶之間的林間地（寬度約10 m），地表裸露，無植被生長(zhǎng)，沙物質(zhì)活動(dòng)較強(qiáng)，觀測(cè)時(shí)，第一條阻沙林帶攔截了大量流沙，形成了形體高大（3 m左右）的壟狀積沙體，積沙體的落沙坡已前移至B點(diǎn)所在的林間。高大積沙體迎風(fēng)坡引起氣流輻合抬升加速，氣流作用于地表沙粒的剪切力增大，使較粗沙粒更易進(jìn)入風(fēng)沙流中[2]，而在背風(fēng)坡由于地形驟然變化，附面層分離，氣流減速，渦流發(fā)育，風(fēng)沙流卸載堆積；隨著遠(yuǎn)離落沙坡腳，風(fēng)速一定程度恢復(fù)增加，風(fēng)沙流侵蝕搬運(yùn)能力增強(qiáng)，地表有一定程度風(fēng)蝕，導(dǎo)致更多的粗顆粒進(jìn)入氣流中[4]。處于積沙體落沙坡前區(qū)的B點(diǎn)必然受此過程影響，風(fēng)沙流輸沙的粒級(jí)范圍更廣，平均粒徑更粗，顆粒分布更趨于負(fù)偏，分選性更好。

圖9 B至E點(diǎn)粒度參數(shù)相對(duì)于A點(diǎn)的變化率

3.2 風(fēng)沙流輸沙垂直分異及植物的影響

董玉祥[3，5]、馮大軍[6]、王翠[29]、Leys[30]和Zobeck[31]等在均勻或非均勻流沙地表的研究表明：風(fēng)沙流輸沙在垂直方向上有較大分異，離地表越高平均粒徑越細(xì)，粒級(jí)分布越窄、越趨向正偏，分選性越差，與本文中流沙地對(duì)照點(diǎn)A的規(guī)律基本符合。受防護(hù)林影響，B至E點(diǎn)粒度的垂直分異性較A點(diǎn)低，尤其以C點(diǎn)最為明顯；垂直方向上，在1.5 m高度以下，各粒度參數(shù)變化規(guī)律同A點(diǎn)，但到2.0 m高度處驟然改變，相對(duì)1.5 m高度，平均粒徑變粗、分選性變好，粒級(jí)分布范圍變寬，粒級(jí)趨于負(fù)偏。這顯然與防護(hù)林植被垂直疏透度不均勻分布有關(guān)。防護(hù)林種植的梭梭、怪柳、沙拐棗均為灌木，生長(zhǎng)高度約2 m，上部（0.5～1.5 m）冠層枝葉茂密，疏透度小，對(duì)風(fēng)沙流的攔截作用很大；地表層（0.1 m）受地表微起伏和枯枝落葉等影響較大，對(duì)風(fēng)沙流的攔截作用也很大；而樹冠頂部（2.0 m）疏透度相對(duì)較小，風(fēng)沙流較易通過，而且防護(hù)林帶使氣流發(fā)生垂直抬升加速繞流，下層較粗顆?？杀粩y帶到上層[32]。因此，在2.0 m高度處，風(fēng)沙流粒度參數(shù)發(fā)生了與前人研究成果不同的變化。

同時(shí)，自然條件的改變對(duì)風(fēng)沙流粒度特征變化也有影響，相對(duì)A點(diǎn)，B至E點(diǎn)粒度的季節(jié)變化增大，各點(diǎn)之間粒度差異在夏季（8月）最小，而春（5月）秋（10月）相對(duì)較大。顯然，這與植物的季相變化有關(guān)：夏季植物生長(zhǎng)旺盛，枝葉茂密，對(duì)風(fēng)沙流攔截作用達(dá)到最強(qiáng)，進(jìn)入防護(hù)林體系內(nèi)的風(fēng)沙顆粒多為懸移的細(xì)小顆粒，不同點(diǎn)之間差異較小；而春秋季節(jié)植物枝葉剛萌發(fā)生長(zhǎng)或已部分凋落，對(duì)風(fēng)沙流攔截作用相對(duì)較小，不同粒級(jí)的沙粒均可進(jìn)入防護(hù)林體系中，而躍移沙粒搬運(yùn)距離小于懸移，不同點(diǎn)之間差異較大。

由此可見，人工林帶對(duì)林帶內(nèi)部及其下風(fēng)側(cè)一定范圍內(nèi)風(fēng)沙流粒度有明顯影響，表現(xiàn)為平均粒徑沿風(fēng)向減小，分選變差（公路上風(fēng)側(cè)林間平均粒徑增大、分選變好）；受植被垂直疏透度變化的影響，平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上粒徑略有增大；季相變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響使各月風(fēng)沙流粒度特征變化不同。

4 結(jié)論

綜上分析可知，在沙漠公路防護(hù)林影響下，近地表風(fēng)沙流輸沙粒度產(chǎn)生了較明顯的變化，并具有一定的空間分異規(guī)律：在水平方向上，風(fēng)沙流粒度沿主風(fēng)向從林帶上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)鄰近林帶流沙地，平均粒徑減小，分選變差，而且越向下風(fēng)向變化越大，但兩條阻沙林帶間風(fēng)沙流粒度受沙丘影響不同于其他點(diǎn)，其平均粒徑增大，風(fēng)選性變好；在垂直方向上，風(fēng)沙流平均粒徑隨高度先減小后增大，在植物冠層高度之上略有增大。受防護(hù)林影響，風(fēng)沙流粒度的垂直分異減緩，而不同觀測(cè)點(diǎn)之間的季節(jié)變化增大。防護(hù)林影響范圍內(nèi)近地表風(fēng)沙流粒度的時(shí)空變化特征與防護(hù)林垂直疏透度、季節(jié)以及防護(hù)林內(nèi)具體位置的微環(huán)境有關(guān)。

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Spatial Variation of Grain-size Characteristics of Near Surface Aeolian Sand Transport Under Desert Highway Shelterbelt

YU Xiangxiang1，2，LI Shengyu1，MA Xuexi1，2，JIA Wenru1，2
（1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi830011，China；2.University of Chinese Academy of Science，Beijing100049，China）

BSNE sampler was used to monitor the grain-size characteristics of near surface aeolian sand transport under desert highway shelterbelt.The results showed that in the horizontal direction，along the main wind direction from windward to leeward moving sand nearby the shelterbelt，the mean grain-size of aeolian sand transport decreased and the sorting coefficient became poor，and that the more downward the wind，the greater the changes.But between the two belts of sand-resisting forest，the grain-size characteristics of aeolian sand transport affected by the sand dunes were different with other points，its mean grain-size increased and the sorting coefficient became large.In the vertical direction，the main grain-size of aeolian sand transport firstly decreased and then increased，and the grain-size slightly increased above the plant canopy.Affected by the shelterbelt，the grain-size of near surface aeolian sand transport decreased in the vertical variation，but the grain-size of aeolian sand transport increased between different points in different seasons.Within the influence of shelterbelt，the spatial variation of grain-size characteristics of near surface Aeolian sand transport were relevant with the vertical porosity of the shelterbelt，season and the micro environment at specific location in the shelterbelt.

desert highway；shelterbelt；aeolian sand transport；grain-size characteristics

P931.3

A

1005-3409（2017）01-0334-08

2015-12-25

2016-03-17

新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)“新疆沙區(qū)交通水利工程沙害綜合防治新技術(shù)新材料研發(fā)與應(yīng)用”（201130106-3）

俞祥祥（1990—），男，新疆奎屯人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)沙地貌與荒漠化防治。E-mail：harry.0506＠qq.com

李生宇（1975—），男，河北宣化人，副研究員，主要從事風(fēng)沙地貌和荒漠化防治研究。E-mail：lishy-hb＠163.com