程鋒梅， 李生宇， 鄭 偉， 趙淳宇， 范敬龍，王世杰， 王海峰， 俞祥祥

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態(tài)建設工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000）

植物能有效抑制地表風蝕［1］，是沙質荒漠化防治的主要措施［2］。植物地上部分可以通過多種方式對地表形成保護，其作用機理在于覆蓋部分地表、分解部分風動量、阻攔被蝕物質使其沉降［3］。植物對地表風蝕的防控作用主要取決于植物特征，如高度、寬度、株型、疏透度、枝條彈性［4］、根系特征［5］，也與覆蓋度、排列方式［4］等分布格局［6］有關。目前，國內(nèi)外學者對于喬灌木［7-8］、作物殘茬［9］和耕作方式［10］及排列方式［11］等與風蝕的關系做了大量研究。

對于草本植物以及植物不同株型與風蝕關系的相關研究相對較少，并主要集中在單株植物對風速的影響。張文等［12］通過對4種不同形態(tài)的模型和圓木棒進行研究，發(fā)現(xiàn)2 種上大下小的柔性植物形態(tài)具有較好的阻沙作用，2 種具有樹冠和樹干的樹狀植株形態(tài)的防風效應和防護距離相對較大，而圓木棒單株模型對風速以及風蝕防治效應的影響相對較小。Cheng等［13］利用風洞實驗，研究了8種單株植物的背風側氣流變化，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)或孔隙率植物對風速的影響不同。王成龍［14］通過研究4種植物對風速的影響，發(fā)現(xiàn)4種植物單株對氣流影響最明顯的高度存在顯著差別。Gillies 等［15］通過對3 種植物形態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)對風速阻力系數(shù)有很大差別?，F(xiàn)有研究增強了人們對單株植株形態(tài)防風作用的認識，但對于不同形態(tài)植物群體的防風作用，以及草本植物防治風蝕的效果有必要進一步加強研究。

雖然在沙質荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，草本植物生物量占比很小，但對物種豐富度和多樣性貢獻很大，而且在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［16］。在0～30 cm高度范圍內(nèi)，地面風速大，沙粒移動能力強，草本植物可以有效地抑制沙粒蠕動和躍移運動［17］。短命和類短命草本植物可以利用春季融雪水，迅速完成生活史，對春季風蝕防治發(fā)揮了重要作用［18］，雖然生長季后植物地上部分枯萎凋落，但是枯立地上部分仍能發(fā)揮一定的防風固沙作用［19］。株型是影響植物防護效應的重要因素，不同株型植物的防護效率存在顯著差異。本文采用風洞實驗，對3 類典型株型草本植物的風蝕防治作用進行研究，旨在揭示不同株型草本植物對風蝕抑制作用的差異，促進防沙和生態(tài)恢復工程設計對植物株型的重視。

1 實驗設計與分析方法

1.1 實驗設計

實驗在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站風洞實驗室進行，該風洞為直流吹氣式低速風洞，全長為16.2 m；由動力段、穩(wěn)定段、收縮段和實驗段組成，實驗段長8 m，其中可放置模型段長4 m、截面寬1.3 m、高1 m；側壁擴散式結構，側壁擴散角0.2°；氣流穩(wěn)定性系數(shù)低于1%，紊流度小于1%，氣流橫向均勻性在2.5%以內(nèi)，邊界層厚度約15 cm，滿足低速環(huán)境風洞要求［20］；風速在0～20 m·s-1厚度范圍內(nèi)連續(xù)可調，來流風速由熱線儀實時測量，實驗段風速由皮托管采集后，通過微差壓變送器傳給數(shù)據(jù)采集器計算出風速并保存。

研究站周圍廣泛生長著不同株型沙質荒漠草本植物，以匍匐狀、叢狀和球狀株型居多，如蒺藜（Tribulus terrestris）、爪瓣山柑（Capparis himalayensis）、狗牙根（Cynodon dactylon）等為匍匐狀，花花柴（Karelinia caspia）、堿蓬（Suaeda glauca）、頂羽菊（Acroptilon repens）等為叢生狀，角果藜（Ceratocarpus arenarius）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、刺沙蓬（Salsola tragus）等為球狀，它們具有很強的耐旱和耐高溫特性。選取蒺藜、花花柴、角果藜為各株型模型參照，通過測量它們的株高與冠幅，并計算其平均值，為實驗提供數(shù)據(jù)。由于不同株型植物尺寸差異較大，為保證實驗結果的有效性，故根據(jù)測量結果和風洞邊界層厚度（約15 cm），對匍匐狀、叢狀和球狀植物分別采用不同的縮尺比（匍匐狀1:5、叢狀1:6.5，球狀1:1）進行模型制作（圖1）?？s尺后，叢狀和球狀株型模型的冠幅分別是12 cm和14 cm，而高度均為10 cm，匍匐狀株型因其貼地生長的特性，僅取冠幅數(shù)據(jù)為20 cm。匍匐狀和叢狀模型根據(jù)購買的塑料草加工而成，而球狀則使用天然的角果藜植株。

圖1 參試3類株型草本植物模型的側視圖和俯視圖Fig.1 Side view and overlook view of three herbaceous plant type models in experiment

實驗于2021年7月進行，由于各株型植物的冠幅大小不同，所以覆蓋度按照植被所有冠層及其枝葉的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)域面積的百分比進行測算［21］。將各株型植物依據(jù)比例制作的模型，取單個實驗植株模型進行垂直拍照，用Image J軟件測算單個模型的枝葉垂直投影覆蓋面積，計算得到單個模型覆蓋度（不同株型的高度差異暫不考慮）；根據(jù)所得數(shù)值結果分別計算不同覆蓋度（25%、30%、35%、40%和45%）所需的模型個數(shù)數(shù)量，在沙盤（長×寬×高：87.5 cm×80 cm×5 cm）中填充干燥天然流沙5 cm 厚，將上述匍匐狀、叢狀、球狀3種株型草本植物實驗模型采用行列式均勻排列于沙盤，沙盤置于風洞實驗段底板中央，長邊平行與風洞側壁；分別設置5 個覆蓋度（25%、30%、35%、40%、45%），并設置沒有植物的空白對照（CK，0%）（圖2），將各株型模型依次在不同覆蓋度條件下開展吹蝕實驗，分別記錄實驗數(shù)據(jù)，最后將風蝕情況進行匯總對比。據(jù)文獻所述，在植物的旺盛生長階段，4～5級的風就能給植物帶來一定危害［22］，故選取中間值8 m·s-1的指示風速進行凈風吹蝕實驗，吹蝕時長3 min；每個設置實驗前后，分別用電子天平稱量沙盤重量M1和M2。

圖2 各草本植物株型模型不同覆蓋度實驗沙盤Fig.2 Experimental sand boards with different coverage of three herbaceous plant type models

吹蝕實驗結束后，重新布設沙盤模型，并用固沙劑將沙盤的沙面固定，利用皮托管測量沙盤中央部位9 個高度（1 cm、2 cm、3 cm、5 cm、7 cm、10 cm、15 cm、30 cm、50 cm）的風速。

1.2 分析方法

根據(jù)董治寶等［23］的研究，并結合本實驗情況得出，高度10～15 cm之間的風速變化可代表整個植被層特征，故分別選取10 cm、15 cm 高度的風速，來計算不同株型植物下墊面的粗糙度（Z0）。

式中：V1、V2分別為Z1、Z2高度的風速。

風蝕率（P）是指單位時間、單位面積實驗沙盤沙樣質量減少量，即：

式中：P為風蝕率（%）；M1為實驗前沙盤總重（kg）；M2為實驗后沙盤總重（kg）；S為沙盤表面積；T為吹蝕時間。

風蝕抑制效率（K）是空白對照的風蝕量（F1）和不同覆蓋度下的風蝕量（F2）的差值，除以空白對照的風蝕量（F1）的比值，即：

式中：K為風蝕抑制效率（%）；F1為空白對照的風蝕量（kg）；F2不同覆蓋度下的風蝕量（kg）。

2 結果與分析

2.1 風場和空氣動力學粗糙度

3 種植物株型在8 m·s-1的指示風速下，不同株型植物沙盤表現(xiàn)的地表空氣流場相對于空場（0%）發(fā)生了較大變化（圖3），10 cm高度以下風速整體被削弱，而10 cm以上則有一定程度增加；匍匐狀植物沙盤植物高度較小，對風場影響較小，隨著高度增加，風速不斷增大直至趨于穩(wěn)定；而叢狀和球狀植物高度較大，在植物高度范圍（10 cm）內(nèi)風速衰減大，廓線較為紊亂，在10 cm高度以上風速廓線逐漸恢復正常。

圖3 各實驗沙盤的風廓線Fig.3 Wind profiles of each experimental sand boards

粗糙度是反映下墊面對風速影響的重要參數(shù)。如圖4所示，隨覆蓋度的增加，空氣動力學粗糙度逐漸增大，尤其是叢狀和球狀株型增加快速；而匍匐狀植物緊貼地面，隨著高度的增加，摩擦阻力減小，匍匐狀植物粗糙度較小。在同等植被覆蓋度下，叢狀株型植物粗糙度最大，球狀其次，匍匐狀最小。粗糙度隨植被覆蓋度增加而線性增大（R2＞0.91），且兩者關系顯著（P＜0.011），由趨勢線斜率可知，增加速率為：叢狀＞球狀＞匍匐狀（圖4），這與董治寶等［24］在風洞實驗中得出的結果一致。

圖4 各實驗沙盤的空氣動力學粗糙度Fig.4 Aerodynamic roughness of various plant types

2.2 風蝕率分析

如圖5所示，在8 m·s-1的指示風速下，3種植物株型的風蝕率（單位時間和單位面積的風蝕量）變化隨覆蓋度增加呈線性減少，相關系數(shù)R2＞0.87。從擬合趨勢線斜率（叢狀＞匍匐狀＞球狀）來看，覆蓋度越低，三者的風蝕率差異越大，覆蓋度越高，差異越小，且兩者呈顯著相關（P＜0.02）。當覆蓋度為45%時，匍匐狀株型風蝕率僅為0.48 g·m-2·min-1，而球狀和叢狀的風蝕率分別為0.62 g·m-2·min-1和0.72 g·m-2·min-1。在同等植被覆蓋度條件下，叢狀株型風蝕率大于球狀和匍匐狀；在覆蓋度為35%時，球狀和匍匐狀風蝕率非常接近（0.73 g·m-2·min-1）；覆蓋度＜35%時，匍匐狀大于球狀，而覆蓋度＞35%時，球狀大于匍匐狀。

圖5 各實驗沙盤風蝕率隨覆蓋度的變化Fig.5 Variation of wind erosion rate with coverage of each experiment sand boards

2.3 風蝕抑制效率

如圖6所示，在8 m·s-1的指示風速下，3種株型的風蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而線性增大，并呈顯著相關關系（P＜0.02）。當覆蓋度為25%時，3 種株型植物具有一定的風蝕抑制效率，其中球狀株型（46.11%）和匍匐狀株型（44.10%）可達40%～50%，而叢狀株型（20.48%）僅為20%左右；當覆蓋度為45%時，風蝕抑制效率均快速增加，其中匍匐狀株型最高（71.54%），球狀株型次之（63.20%），叢狀株型最?。?6.94%）。

圖6 各實驗沙盤風蝕抑制效率隨覆蓋度的變化Fig.6 Variation of wind erosion Inhibition efficiency with coverage of each experiment sand boards

從擬合函數(shù)趨勢線的斜率（叢狀＞匍匐狀＞球狀）來看，覆蓋度越大，叢狀與匍匐狀、球狀的風蝕抑制效率差異越小，而覆蓋度越小，則差異越大；匍匐狀和球狀相對來說差異不大，尤其在覆蓋度為35%時，差異最?。?6%），隨著覆蓋度增大，差異越大，當覆蓋度＜35%時，球狀大于匍匐狀，當覆蓋度＞35%時，匍匐狀大于球狀。

以上實驗結果表明，3 種株型植物的風蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而呈線性增大趨勢，但在同一覆蓋度條件下，3 種株型的抗風蝕效率存在較大差異。由圖7 可知，覆蓋度較低時，3 種株型植物風蝕抑制效率的變異系數(shù)較大，而隨覆蓋增加變異系數(shù)呈線性減小，覆蓋度與變異系數(shù)之間呈極顯著負相關關系（P＜0.003）。

圖7 3種株型植物風蝕抑制效率變異系數(shù)隨覆蓋度的變化Fig.7 Variation coefficient of wind erosion inhibition efficiency with coverage of three plant types

3 討論

3.1 不同植物株型固沙能力差異

植物是下墊面的重要組成因素，發(fā)揮著重要的對陸表的調節(jié)作用［25］，對干旱區(qū)水土保持與沙質荒漠防治尤為重要，通過改善植被條件來防治風蝕是沙質荒漠化防治的重要技術手段，前人已進行了大量研究［26-28］，其中植被覆蓋度是最為常用的重要指標［29］，而株型作為植物的重要參數(shù)之一，對其防風固沙能力有很大影響［30］。通常學者采用“等間距分級法”［31］，將植被覆蓋度分為5 個等級［32］，本實驗的植被覆蓋度范圍為25%～45%，涵蓋了半固定沙地（丘）和固定沙地（丘）的植被。

由實驗可知，三者固沙能力差異與自身株型密切相關。風蝕率和風蝕抑制效率均隨覆蓋度的變化而變化，覆蓋度越小，三者差異越大，覆蓋度越大，差異越小。在相同覆蓋度條件下，球狀和匍匐狀風蝕率在覆蓋度35%時非常接近，覆蓋度＜35%時，匍匐狀大于球狀，而覆蓋度＞35%時，球狀大于匍匐狀，叢狀株型風蝕率始終大于球狀和匍匐狀。在覆蓋度較低時，不同植物株型之間的風蝕抑制效率差異較大，如在覆蓋度30%時，匍匐狀和球狀植物的風蝕抑制效率分別為47.55%、55.70%，分別接近叢狀植物40%（48.46%）和45%（56.94%）的風蝕抑制效率。因此，球狀和匍匐狀植物株型固沙能力相對較高，而叢狀植物株型固沙能力相對較低，利用較高風蝕抑制效率的株型可以達到較低風蝕抑制效率株型在較高覆蓋度條件下的固沙效果。

3.2 不同株型固沙能力差異的原因分析

本文通過風洞模擬實驗表明，各株型植物空氣動力學粗糙度的變化趨勢基本一致，均隨覆蓋度的增加而增大，其中，叢狀和球狀株型的粗糙度始終高于匍匐狀植物，各株型植物對風速的削減程度不同，但范圍較為一致。不同植物株型的風蝕抑制效率存在較大差異，并隨覆蓋度而變化。球狀株型植物的枝葉較密集，植株迎風剖面透風系數(shù)較小，對地表風速有較好的削弱作用，尤其風影區(qū)風速降低較大，并在風影區(qū)形成風影堆積。叢狀株型植物枝條分布稀疏，并隨風搖擺，對地表風速的削弱能力較低，風蝕抑制能力大幅降低。叢狀和球狀株型之間的差異與馬全林等［33］研究的沙蒿和油蒿的防風阻沙作用的結果較為一致。對于匍匐狀株型植物來說，雖然株型矮小，對近地表風速削弱能力較低，但枝條幾乎緊貼地面生長，有效阻隔了氣流與地面沙物質顆粒的接觸，沙源供給能力下降，風蝕量較小，此研究結果與王晗生等［34］的結論一致。

球狀和匍匐狀株型植物的風蝕抑制效率對比關系因覆蓋度而變化，35%時彼此接近，小于35%時，球狀高于匍匐狀，大于35%時，匍匐狀高于球狀。這可能與球狀植物層內(nèi)氣流的風蝕作用有關。覆蓋度小于35%時，球狀株型植物在冠層風影區(qū)形成風沙堆積［35］，但是冠層底面與地面之間的枝下空間對氣流削弱能力較弱，甚至隨著覆蓋度增加和植株間距減小，枝下空間和株間可因“狹管效應”而形成局部風蝕［36］，從而一定程度削弱風影堆積。

綜上所述，匍匐狀株型植物具有向四周伸展的柔韌枝條并緊貼地面，可以有效隔離風與沙的直接作用，地面受到植物枝條庇護，受風力影響小，可以保持較高的風蝕抑制效率；球狀株型植物具有枝葉密集的冠體和強度較大的莖干，其透風系數(shù)小，固沙能力較好；而叢狀植物的枝條相對較為稀疏且柔軟，在風的作用下擺動幅度較大，因而阻沙、固沙能力相對較弱。因此，從固沙角度來看，匍匐狀和球狀株型更適于生物固沙工程；從抗沙埋程度來看，叢狀和球狀植物更加適宜外來沙源豐富地區(qū)。

4 結論

草本植物在生物防沙工程中具有重要作用。在植物高度以下，3種株型地表風速整體被削弱；隨覆蓋度的增加，粗糙度線性增加，增加速率為：叢狀＞球狀＞匍匐狀。風蝕率和風蝕抑制效率均隨覆蓋度增加而變化，覆蓋度越小，三者差異越大，覆蓋度越大，則差異越小。整體上，叢狀株型植物風蝕抑制效率相對較低，而球狀和匍匐狀株型風蝕抑制效率較高，球狀和匍匐狀的差異隨覆蓋度而變化，35%時接近，＜35%時球狀大于匍匐狀，＞35%時，匍匐狀大于球狀。三者固沙能力差異與自身株型的生長特性密切相關，球狀和匍匐狀植物株型的生長高度較矮且枝條密度相對較大，氣流在通過時經(jīng)枝條阻擋、摩擦，使風動能減小挾沙能力大幅下降，所以固沙能力相對較高；而叢狀植物株型的枝條相對柔軟且分布較為稀疏，對風沙活動的影響效果較差，所以叢狀植物株型固沙能力相對較低。