植被盖度对风沙流结构及输沙率的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00088

摘要/Abstract

摘要：

土壤风蚀是全球干旱和半干旱地区生态环境安全的重要威胁。植被通过降低风速和捕获土壤颗粒能够有效地降低土壤风蚀发生的风险。目前，人们对于植被控制土壤风蚀的最优格局和盖度的理解仍然有待深入。借助野外移动风洞，测量了地表输沙率和风沙流结构对草本植物沙打旺（Astragalus adsurgens）盖度的响应程度。结果表明：（1）当植被盖度较小时，风沙流结构的分布曲线遵循指数函数分布规律，随着植被盖度增大，其曲线形态变化差异大。（2）植被覆盖能够有效地降低土壤输沙率并抬高风沙输移发生的高度。（3）地表空气动力学粗糙度与植被盖度服从对数函数变化规律，其增长率随植被盖度的增大而逐渐减小并最终趋于零，下垫面空气动力学粗糙度存在阈值现象。（4）沙打旺控制土壤风蚀的最佳盖度约为30%，能够有效地抑制20 cm高度以下约90%的风蚀量。

关键词: 植被盖度, 风沙流结构, 空气动力学粗糙度, 沙打旺（Astragalus adsurgens）, 移动风洞

Abstract:

Soil wind erosion is an important threat to the global ecological and environmental security of arid and semi-arid area. Vegetation can effectively reduce the risk of soil wind erosion by reducing wind speed and capturing soil particles. At present， people's understanding of the optimal pattern and coverage of vegetation controlling soil wind erosion still needs to be deepened. With the help of a mobile wind tunnel in the field， this article measured the response of surface sediment transport rate and wind sand flow structure to the coverage of herbaceous plants （Astragalus adsurgens）. The results show that：（1） When the vegetation coverage is small， the distribution curve of wind sand flow structure follows the exponential function distribution law. With the increase of vegetation coverage， the curve shape appears differentiation. （2） Vegetation coverage can effectively reduce the intensity of soil wind erosion and raise the height of sand transport. （3） The surface aerodynamic roughness and vegetation coverage follow a logarithmic function variation law， and their growth rate gradually decreases and eventually approaches zero with the increase of vegetation coverage. There is a threshold phenomenon in the aerodynamic roughness of the underlying surface. （4） The optimal coverage of Astragalus adsurgens for controlling soil wind erosion is about 30%， which can effectively suppress about 90% of wind erosion below a height of 20 cm.

Key words: vegetation coverage, wind sand flow structure, aerodynamic roughness, Astragalus adsurgens, mobile wind tunnel

中图分类号:

K903

白子怡, 董治宝, 南维鸽, 肖锋军, 李超, 邵天杰, 孔玲玲, 刘小槺, 梁爱民, 池政. 植被盖度对风沙流结构及输沙率的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 25-34.

Ziyi Bai, Zhibao Dong, Weige Nan, Fengjun Xiao, Chao Li, Tianjie Shao, Lingling Kong, Xiaokang Liu, Aiming Liang, Zheng Chi. The influence of vegetation coverage on the wind sand flow structure and sediment transport rate[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(2): 25-34.

图/表 9

图1 风洞的实验段布置

Fig.1 Layout of the experimental section of the wind tunnel

图2 实验设备与实验样地概况

Fig.2 Overview of experimental equipment and experimental plot

图3 3种布局下沙打旺不同植被盖度的风沙流结构分布

Fig.3 Distribution of wind and sand flow structure of Astragalus adsurgens with different vegetation coverage under three layouts

表1 一行一带布局下不同植被盖度下的沙打旺风沙流结构分布

Table 1 Distribution of sand flow structure of Astragalus adsurgens under different vegetation coverage under layout of one line

分类	高度/ cm	植被盖度10%		植被盖度20%		植被盖度30%		植被盖度40%
分类	高度/ cm	输沙量 /（g·cm^-2·min^-1）	占比 /%	输沙量 /（g·cm^-2·min^-1）	占比 /%	输沙量 /（g·cm^-2·min^-1）	占比 /%	输沙量 /（g·cm^-2·min^-1）	占比 /%
低层	2	0.409	8.87	0.060	5.10	0.002	2.69	0.002	3.67
	4	0.587	12.74	0.0.70	5.93	0.002	2.86	0.002	4.26
	6	0.455	9.87	0.125	10.61	0.002	2.41	0.001	3.13
	8	0.394	8.55	0.112	9.56	0.002	2.77	0.001	1.83
	10	0.362	7.85	0.091	7.78	0.003	4.77	0.002	3.50
中层	12	0.353	7.66	0.088	7.50	0.004	5.97	0.002	4.52
	14	0.318	6.89	0.085	7.24	0.004	5.28	0.002	3.72
	16	0.289	6.28	0.074	6.31	0.005	6.97	0.003	5.69
	18	0.277	6.01	0.074	6.27	0.007	9.10	0.003	6.61
	20	0.255	5.54	0.071	6.06	0.006	8.49	0.004	8.17
高层	22	0.245	5.32	0.068	5.81	0.007	9.55	0.004	7.87
	24	0.229	4.97	0.068	5.75	0.008	11.39	0.004	8.17
	26	0.199	4.31	0.061	5.21	0.007	10.39	0.006	13.15
	28	0.147	3.18	0.061	5.17	0.006	8.71	0.006	12.71
	30	0.091	1.97	0.067	5.69	0.006	8.64	0.006	13.00
合计		4.609	100	1.176	100	0.072	100	0.046	100

图4 3种布局下植被盖度与输沙率关系

Fig.4 Relationship between vegetation coverage and sediment transport rate under three layouts

表2 3种布局下不同植被盖度下输沙率（kg·m-1 ·h-1 ）

Table 2 Sediment transport rates under different vegetation coverage under three layouts （kg·m-1 ·h-1 ）

植被盖度 /%	植被布局
植被盖度 /%	一行一带	两行一带	交叉布局
10	55.31	12.60	13.43
20	14.11	3.60	2.03
30	0.86	1.64	1.76
40	0.55	0.97	0.46

表3 不同植被盖度的风蚀抑制效率（%）

Table 3 Wind erosion inhibition efficiency of different vegetation coverage （%）

植被盖度 /%	植被布局
植被盖度 /%	一行一带	两行一带	交叉布局
10	17.55	72.44	72.83
20	59.60	89.33	92.84
30	97.31	92.71	94.54
40	98.55	96.55	98.34

表4 3种布局下不同植被盖度下的空气动力学粗糙度

Table 4 Aerodynamic roughness under different vegetation coverage under three layouts

植被布局	植被盖度/%	高度/cm					拟合函数	b	a	z $0'$ /cm	z₀/cm
植被布局	植被盖度/%	1	5	10	20	30	拟合函数	b	a	z $0'$ /cm	z₀/cm
一行一带	10	2.87	5.36	6.67	8.57	10.31	y=3.2437x+14.046	3.24	14.05	1.2564	1.32
	20	4.83	5.46	5.81	7.23	10.07	y=3.678x+13.975	3.68	13.98	2.1779	2.24
	30	1.11	2.11	3.48	7.10	10.09	y=5.9326x+17.009	5.93	17.01	5.6267	5.69
	40	0.84	0.86	2.59	6.71	9.78	y=6.4724x+17.397	6.47	17.40	6.7425	6.80
两行一带	10	5.24	6.10	6.74	7.82	9.54	y=2.4401x+12.195	2.44	12.20	0.6153	0.68
	20	1.13	1.61	3.19	6.60	9.50	y=6.63x+17.35	6.63	17.35	5.7722	5.83
	30	1.20	1.48	2.19	6.39	9.55	y=5.6588x+16.081	5.66	16.08	7.2429	7.30
	40	0.54	0.71	1.40	6.02	9.54	y=7.3276x+18.15	7.33	18.15	8.3400	8.40
交叉布局	10	5.22	6.01	6.70	7.76	9.46	y=2.411x+12.083	2.41	12.08	0.6060	0.67
	20	2.82	3.60	4.72	7.43	10.27	y=4.9216x+15.867	4.92	15.87	3.9197	3.98
	30	1.52	2.23	3.14	6.75	10.06	y=6.1828x+17.192	6.18	17.19	6.1400	6.20
	40	1.70	1.28	2.10	5.79	9.63	y=6.6864x+17.244	6.69	17.24	7.5252	7.59

表4 3种布局下不同植被盖度下的空气动力学粗糙度

Table 4 Aerodynamic roughness under different vegetation coverage under three layouts

植被布局	植被盖度/%	高度/cm					拟合函数	b	a	z $0'$ /cm	z₀/cm
植被布局	植被盖度/%	1	5	10	20	30	拟合函数	b	a	z $0'$ /cm	z₀/cm
一行一带	10	2.87	5.36	6.67	8.57	10.31	y=3.2437x+14.046	3.24	14.05	1.2564	1.32
	20	4.83	5.46	5.81	7.23	10.07	y=3.678x+13.975	3.68	13.98	2.1779	2.24
	30	1.11	2.11	3.48	7.10	10.09	y=5.9326x+17.009	5.93	17.01	5.6267	5.69
	40	0.84	0.86	2.59	6.71	9.78	y=6.4724x+17.397	6.47	17.40	6.7425	6.80
两行一带	10	5.24	6.10	6.74	7.82	9.54	y=2.4401x+12.195	2.44	12.20	0.6153	0.68
	20	1.13	1.61	3.19	6.60	9.50	y=6.63x+17.35	6.63	17.35	5.7722	5.83
	30	1.20	1.48	2.19	6.39	9.55	y=5.6588x+16.081	5.66	16.08	7.2429	7.30
	40	0.54	0.71	1.40	6.02	9.54	y=7.3276x+18.15	7.33	18.15	8.3400	8.40
交叉布局	10	5.22	6.01	6.70	7.76	9.46	y=2.411x+12.083	2.41	12.08	0.6060	0.67
	20	2.82	3.60	4.72	7.43	10.27	y=4.9216x+15.867	4.92	15.87	3.9197	3.98
	30	1.52	2.23	3.14	6.75	10.06	y=6.1828x+17.192	6.18	17.19	6.1400	6.20
	40	1.70	1.28	2.10	5.79	9.63	y=6.6864x+17.244	6.69	17.24	7.5252	7.59

图5 3种布局下植被盖度与空气动力学粗糙度（z0）的关系

Fig.5 Relationship between vegetation coverage and aerodynamic roughness （z0） under three layouts

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