乌兰布和沙漠植被因子对风沙活动特征的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00140

摘要/Abstract

摘要：

为揭示乌兰布和沙漠植被因子对风速及输沙的影响，选择以梭梭（Haloxylon ammodendron）、霸王（Zygophyllum xanthoxylum）、四合木（Tetraena mongolica）和沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）为主要建群种的典型植物群落开展风沙活动观测。结果表明，粗糙度Z₀与植被盖度c、植被高度h和风速U_Z 符合Z₀=a₀ch+b₀U_Z +c₀关系（a₀>0，b₀<0），输沙率Q与风速v、植被因子之间的关系符合Q=exp（a₁ch+b₁v² +c₁）指数函数关系；风速是影响输沙率的最主要因素，与粗糙度负相关，与输沙率正相关；植被因子与粗糙度正相关，与输沙率负相关。建立多因素综合关系式分析植物群落植被因子对风沙运动的影响具备实际物理意义，输沙率随影响因素呈指数函数变化，拟合结果系数及影响因子贡献率可作为影响因素的量化指标，植被因子对粗糙度及输沙率造成影响具有一定的尺度范围。乌兰布和沙漠沿黄两岸，下垫面结构紧密的霸王+四合木群落相对于其他两个群落对粗糙度和输沙率影响最大。

关键词: 植物群落, 输沙率, 空气动力学粗糙度, 乌兰布和沙漠

Abstract:

This study aims to investigate the effects of different plant community types on wind speed and sediment transport in the Ulan Buh desert area. Three typical vegetation communities with Haloxylon ammodendron， Zygophyllum xanthoxylum， Tetraena mongolica， and Ammopiptanthus mongolicus as the dominant species were selected for wind and sand dynamic observations. The research results show that the roughness coefficient Z₀ of vegetation communities is related to the vegetation coverage c， vegetation height h， and wind speed U_Z by the function Z₀=a₀ch+b₀U_Z +c₀（where a₀>0 and b₀<0）. The sediment transport rate can be described by the exponential function model Q=exp（a₁ch+b₁v² +c₁）， where the wind speed v， vegetation factors， and sediment transport rate Q are related. Wind speed， as a key factor affecting roughness and sediment transport rate， is negatively correlated with roughness and positively correlated with sediment transport rate. Vegetation factors are positively correlated with roughness and negatively correlated with sediment transport rate. By establishing a multi-factor comprehensive relationship， it is possible to more accurately analyze the effects of plant community wind and sand movement， where the sediment transport rate changes with the influence factors in an exponential function manner. The coefficients of the fitting results and the contribution rates of the influencing factors can be used as quantitative indicators to evaluate the influence range of vegetation factors on roughness and sediment transport rate. In the Ulan Buh desert along the Yellow River， the Zygophyllum xanthoxylum+Tetraena mongolica community with a tight underlying surface structure has the most significant effects on roughness and sediment transport rate compared to other communities.

Key words: vegetation communities, sediment transport rates, aerodynamic roughness, Ulan Buh Desert

中图分类号:

X169

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图/表 12

图1 研究区位置注：A为梭梭群落样地；B为霸王+四合木群落样地；C为霸王+沙冬青群落样地

Fig.1 Location map of the study area

图2 3种植物群落样地的风向玫瑰图

Fig.2 Wind direction rose view of the three plant community plots

表1 3种植物群落样地的植被盖度

Table 1 Vegetation cover in the three plant community plots

样地	植被盖度/%	小样地编号	R5植被盖度/%	R10植被盖度/%	R15植被盖度/%	R20植被盖度/%	R25植被盖度/%	R30植被盖度/%	土壤含水率 /%
梭梭群落	31.11	1	23.53	30.63	15.53	20.83	25.12	25.40	0.22±0.07
		2	27.62	32.09	38.22	24.94	29.44	25.76	0.26±0.12
		3	30.56	34.07	17.43	8.71	18.43	21.77	0.23±0.12
霸王+四合木群落	11.75	4	12.49	16.62	12.78	15.83	14.01	14.44	0.38±0.18
		5	17.33	14.49	18.63	15.60	16.74	17.03	0.41±0.21
		6	18.67	14.09	13.98	12.15	13.62	13.40	0.35±0.21
霸王+沙冬青群落	14.05	7	8.29	8.96	8.47	9.37	9.73	9.86	0.55±0.17
		8	7.32	9.23	11.57	13.09	12.22	12.20	0.45±0.16
		9	9.58	16.50	16.46	11.61	13.92	13.19	0.44±0.17

图3 风向16方位植被盖度分布

Fig.3 Distribution of vegetation cover in 16wind directions

图4 3种植物群落样地风速廓线

Fig.4 Wind speed profiles of the three plant community plots

表2 3种植物群落样地在不同风速等级中的粗糙度 Z0 (cm)

Table 2 Roughness Z0 of the three vegetation community plots in different wind speed classes

风速等级 /(m·s^-1)	梭梭群落Z₀	霸王+四合木群落Z₀	霸王+沙冬青群落Z₀
5	1.169	15.595	1.293
6	0.696	11.222	1.001
7	0.679	10.885	0.709
8	0.662	6.923	0.590
9	—	6.892	0.589
10	—	5.464	0.517
11	—	3.577	0.370

图5 3种植物群落样地半径20 m范围内的植被盖度和植被高度随不同风向角度变化

Fig.5 Vegetation cover and vegetation height within 20m radius of the three plant community plots change with different wind direction angles

表3 霸王+四合木群落E风向上植被因子随半径范围变化

Table 3 Vegetation factors in the wind direction E of Zygophyllum xanthoxylum +Tetraena mongolica change with radius

植被因子	半径/m
植被因子	5	10	15	20	25	30
株数	1	3	8	14	17	26
盖度/%	19.86	9.18	7.61	8.21	11.81	12.46
高度/m	0.52	0.32	0.26	0.28	0.30	0.29

图6 3种植物群落样地的空气动力学粗糙度与不同半径范围的相关性

Fig.6 Correlation of aerodynamic roughness and different range radii in the three plant community plots

表4 风速（ UZ ）、植被盖度（ c ）、植被高度（ h ）与粗糙度（ Z0 ）之间基于拟合方程 Z0=a0ch+b0UZ +c0 的拟合结果

Table 4 Fitting results between wind speed， vegetation coverage， vegetation height and roughness by Z0=a0ch+b0UZ +c0

样地名称	a₀值	b₀值	c₀值	简化的χ²	调整后R²
梭梭群落	0.06253	-5.9231	10.37531	4.39886	0.63858
霸王+四合木群落	0.21283	-4.94182	14.72026	3.00684	0.79329
霸王+沙冬青群落	0.11316	-7.09312	6.39096	1.44904	0.62082

表5 3种植物群落样地内输沙率（ Q ）与风速（ v ）、植被盖度（ c ）、植被高度（ h ）基于3种函数拟合结果

Table 5 Sediment transport rate， wind speed， vegetation cover and vegetation height are fitted by three different functions in the three plant community plots

拟合公式	样地名称	系数a₁	系数b₁	系数c₁	R²
Q=a₁ch+b₁v² +c₁	梭梭群落	0.0006152	0.0049356	-0.0272617	0.129
	霸王+四合木群落	0.02765	0.04516	-0.98484	0.672
	霸王+沙冬青群落	0.019612	0.016568	-0.479873	0.618
Q=a₁(ch)²+b₁v² +c₁	梭梭群落	0.000007987	0.005165	-0.02069	0.147
	霸王+四合木群落	0.001486	0.04502	-0.873607	0.663
	霸王+沙冬青群落	0.0013511	0.0163584	-0.4114866	0.625
Q=exp(a₁ch+b₁v² +c₁)	梭梭群落	0.04324	0.25408	-7.93368	0.324
	霸王+四合木群落	0.12667	0.18422	-7.40535	0.798
	霸王+沙冬青群落	0.13967	0.27688	-13.5011	0.979

图7 3种植物群落样地输沙率的拟合预测值与实测值对照

Fig.7 Comparison of fitting and measured values of sediment transport rate in the three plant community plots

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