黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00030

摘要/Abstract

摘要：

为探究黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应，通过野外调查观测，定量分析了固沙植物梭梭（Haloxylonam modendron）、泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）对风沙流流量及风沙流结构的影响规律，并应用空气动力学原理分析了影响机制。结果表明：固沙植物防风效果表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，且在迎风面和背风面差异显著，梭梭与其他灌丛植物相比防风效果更加显著，风速降幅可达到62.9%，有效防护距离最大；梭梭、泡泡刺、沙拐枣的阻沙效率分别为60.7%、51.0%、46.3%，且各灌丛植物在相同风速下输沙率随高度呈阶梯式递减；灌丛植物输沙率与风速符合指数函数或多项式函数关系，风速超过7.0 m·s^-1时输沙率增加速度最为剧烈。梭梭的阻风效果优于泡泡刺和沙拐枣，但其近地表防风蚀效果一般，泡泡刺因为低矮密集的植株结构表现出较好的防风蚀性，但有效防护距离最小，且在高度较大时防风效果较差。

关键词: 灌丛植物, 防风固沙, 风沙流结构, 荒漠绿洲过渡带

Abstract:

In order to explore the windbreak and sand-fixation effects of typical shrub plants in the desert-oasis transitional zone in the middle reaches of the Heihe River， through field investigation and observation experiments， the influence laws of sand-fixation plants Haloxylon ammodendron， Nitraria sphaerocarpa， and Calligonum mongolicum on the quantity and structure of wind-blown sand flow were quantitatively analyzed， and the influence mechanism was analyzed using the principles of aerodynamics. The results showed that the windbreak effect was Haloxylon ammodendron>Calligonum mongolicum>Nitraria sphaerocarpa， and there was a significant difference between the windward side and the leeward side. The windbreak effect of Haloxylon ammodendron was more significant than that of other shrub plants， with the maximum wind speed reduction ratio of 62.9% and the maximum effective protection distance. The sand blocking efficiency of Haloxylon ammodendron， Nitrariasphaerocarpa and Calligonum mongolicum were 60.7%， 51.0% and 46.3% respectively， and the sediment transport rate of each shrub plant decreased with height in a stepwise manner under the same wind speed. The relationship between sediment transport rate of shrub vegetation and wind speed conforms to exponential function or polynomial function. The sediment transport rate increases most rapidly when the wind speed exceeds 7.0 m·s^-1. Comprehensive analysis shows that the wind resistance effect of Haloxylon ammodendron is better than that of Nitraria sphaerocarpa and Calligonum mongolicum， but its near surface wind erosion prevention effect is average. Nitraria sphaerocarpa exhibits good wind erosion resistance due to its low and dense plant structure， but its effective protection distance is the smallest， and its wind erosion prevention effect is poor when the height is large. This result can provide a reference basis for the construction of sand-fixing vegetation in the desert oasis transitional zone in the middle reaches of the Heihe River.

Key words: shrub plant, windbreak and sand fixation, wind-sand flow structure, desert-oasis transitional zone

中图分类号:

P931.3

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图/表 11

表1 观测区植物基本情况

Table 1 Basic situation of plants in the observation area

植物种	高度/m	冠幅/m	盖度/%	立地条件
梭梭	1.5~2.5	1.6~2.0	20~25	丘间地
沙拐枣	0.8~1.6	0.6~1.0	6~8	丘间地
泡泡刺	0.3~1.5	1.2~2.4	10~15	灌丛沙包

图1 灌丛植株风速观测布置

Fig. 1 Layout of wind speed observation of shrub plants

图2 防风效应和阻沙效率野外实地观测照片

Fig. 2 Field observation photos of windbreak effect and sand blocking efficiency

图3 3种灌丛植物不同距离处的风速变化

Fig. 3 Wind speed changes of three shrub plants at different distances

图4 3种灌丛植物0.5 m高度风速流场

Fig. 4 Wind speed flow field at 0.5 m height of three shrub plants

图5 3种灌丛植物1.0 m高度风速流场

Fig. 5 Wind speed flow field at 1.0 m height of three shrub plants

图6 3种灌丛植物1.5 m高度风速流场

Fig. 6 Wind speed flow field at 1.5 m height of three shrub plants

图7 3种灌丛植物周围不同距离总输沙率变化

Fig. 7 Change of total sediment transport rate at different distances around three shrub plants

图8 3种灌丛植株风沙流结构

Fig. 8 Wind-sand flow structure of three shrub plants

表2 各灌丛植物风速（ v，m·s-1 ）与总输沙率（ Q，g·cm-2 ·min-1 ）的函数关系

Table 2 Function relationship between wind speed （ v ） and total sediment transport rate （ Q ） of different shrub plants

植物种	指数函数	R2	P	多项式函数	R2	P
梭梭	Q=0.001e^0.656^v	0.984	<0.01	Q= 0.012v² -0.113v+0.291	0.998	<0.01
沙拐枣	Q=0.001e^0.608^v	0.978	<0.01	Q= 0.016v² -0.166v+0.460	0.994	<0.01
泡泡刺	Q =0.001e^0.544^v	0.966	<0.01	Q= 0.013v² -0.155v+0.460	0.983	<0.01

表3 不同函数关系下各灌丛植物不同风速下总输沙率（g·cm-2 ·min-1 ）

Table 3 Calculation results of the total sediment transport rate（g·cm-2·min-1 ）under different wind speeds

植物种	函数关系	风速/（m·s^-1）
植物种	函数关系	5	6	7	8	9	10
梭梭	指数函数	0.017	0.033	0.064	0.124	0.238	0.459
梭梭	多项式函数	0.017	0.032	0.071	0.134	0.220	0.329
沙拐枣	指数函数	0.021	0.038	0.071	0.128	0.238	0.437
沙拐枣	多项式函数	0.021	0.031	0.069	0.140	0.241	0.374
泡泡刺	指数函数	0.027	0.046	0.080	0.137	0.236	0.407
泡泡刺	多项式函数	0.023	0.036	0.084	0.158	0.259	0.387

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