在干旱、半干旱风沙区，植被-风沙相互作用形成典型生物风积地貌即抛物线形沙丘^［1-2］和灌丛沙堆^［3-4］。其中，灌丛沙堆的分布最为广泛，且在不同地区其生态学意义不尽相同。在沙漠边缘及沙漠绿洲过渡带，灌丛沙堆的群集出现为维持生境稳定、减少绿洲风沙危害起到重要缓冲作用^［5-6］；在半干旱草原区，灌丛沙堆的发育却是区域土壤风蚀和土地退化的标志^［3，7］。作为风沙流与丛生灌木相互作用形成的圆形或椭圆形沙堆，灌丛植株种类及其生长状况差异和沙源多寡等因素在一定程度上导致沙堆的三维形态不同^［8-9］，进而引起周围气流结构各异。同时，背风侧有无沙尾或风影沙丘发育可能也与风况有关。因此，探究灌丛沙堆周围气流结构及输沙过程对阐明其形态演变尤为重要。

目前，对于灌丛沙堆气流结构的研究，多偏向于采用数值模拟和风洞实验的方法分析植株或积沙体周围的气流分布及其变化等^［10-12］。Hesp等^［11］模拟了5种相同高度、不同直径“积沙体”周围的气流模式，结果显示气流在迎风侧减速、边缘处加速、背风侧形成成对涡流且背风侧气流的降低程度越大形成的沙尾越短；Miri等^［13］和亢力强等^［14］分别对活体植物和植株模型周围的风速变化及风沙流结构进行风洞实验，发现不同形态、规格的植被对风沙流的影响程度具显著差异。虽然数值模拟和风洞实验均能探明理想单风向作用下灌丛沙堆周围气流状况，但是野外实际风况较为复杂，需要实地观测以更真实地反映在风向多变环境中灌丛沙堆周围风沙流的变化情况。

尽管国内外学者在新墨西哥州南部、纳米比亚、塔里木盆地、内蒙古高原等地对牧豆树（Prosopis grandulosa）、刺钟木（Rhigozum trichotomum）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）和柽柳（Tamarix chinensis）等灌丛沙堆周围风沙流开展了实地观测^［15-18］，但仍较少涉及油蒿（Artemisia ordosica）灌丛沙堆的风沙输移过程。此外，油蒿作为中国特有的优势固沙半灌木，在鄂尔多斯高原广泛分布且是荒漠生态系统重建与恢复的先锋物种^［19-20］，其拦截沙物质后形成的灌丛沙堆与片状流沙相间分布是该区主要地表景观。为此，本文以鄂尔多斯高原北部的油蒿灌丛沙堆作为研究对象，通过周围水平流场、风速廓线及输沙率的野外观测，阐述油蒿灌丛沙堆表面气流结构及输沙过程，并对沙堆三维形态的形成作初步探讨。

研究区位于库布齐沙漠南缘的薄层覆沙剥蚀高原（图1），地理坐标为40°14′15″—40°14′30″N、109°07′30″—109°08′00″E，自然景观以干河床、灌丛沙堆地和片状流沙相间分布为特色。气候干燥、多风，据1998—2013年附近东胜气象站观测数据统计，年平均气温为7.4 ℃，温差较大；多年平均降水量为372.29 mm，且年内分布不均，集中在6—9月；冬春季盛行西北风，夏季出现东南风，总输沙势为230.32VU，合成输沙方向为99.36°，输沙方向变率为0.55（图2）。该区处于荒漠草原带，植被稀疏且以多年生旱生喜沙的油蒿半灌木为主，伴有一年生草本沙米（Agriophyllum squarrosum）、虫实（Corispermum chinganicum）等。地带性土壤为棕钙土，但大部分被风沙土覆盖，地势低洼处出现盐碱土。

野外观测在季节性河流叭尔洞沟东侧开展，地表平坦，坡度为2°，含少量砾石。共选取8个油蒿灌丛沙堆作为研究对象，分别标注为1—8号。通过直接测量，统计了8个灌丛沙堆形态参数（表1）并观测其背风侧气流；将呈西北-东南（140°—320°）走向、平面形态近椭圆形的2号灌丛沙堆作为典型，对其周围水平流场（0.3 m高度）、风速廓线和输沙开展了进一步观测。

采用已校正的EC9-1型风杯风速计、风向标及相连的数据采集器（数据采集间隔为5 s），分别对油蒿灌丛沙堆0.3 m高度处水平气流和各高度水平气流的垂直分布进行野外观测。

在灌丛沙堆周围共布设14个观测点位（图3A、图4A），用L进行标识，包括位于上风向平坦裸地且距沙堆10 m的参考点L1。沙堆周围测点L2—L4、L6—L7、L11—L13与其边界的距离均为0.3 m，L3与L5、L13与L14分别相距0.8 m，背风侧L7—L10相邻各测点相距2H（H为灌丛沙堆总高度）。同时对灌丛沙堆水平流场各测点（L1—L14）0.3 m高度处的风速进行观测，一组重复测量3次，时长均为15 min，共进行了3组测量。风向标对应参考点（L1）及背风侧坡脚（L7）处0.3 m高度的风向，在每一风杯附近放置同一高度的红丝带以观察风向变化。

在上风向P0处布设参考点，一组9个风杯和1个风向标测量其距地面0.2、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0、4.0 m的风速及4.0 m高度风向，并在灌丛沙堆的迎风侧、背风侧及两侧布设观测点P1—P8（图3B、图4B），其各测风高度与参考点一致，测得的风速用参考点对应时段4 m高度处风速进行标准化处理，计算公式为：

式中：U_r为t时段内的标准化风速；Uc_t，4m为对应时段参考点4 m高度无遮挡环境的平均风速（m·s^-1）；U_t，z为各测点的平均风速（m·s^-1）。

在油蒿灌丛沙堆周围布设阶梯式集沙仪采集沙物质，集沙仪高20 cm，前部有10个进沙通道，集沙仪的进沙口中心距地面高度分别为1、3、5、7、9、11、13、15、17 cm和19 cm，且每个进沙口的横截面是2 cm×2 cm。输沙观测在测点参考点（L1）、迎风侧坡脚（L2）、南侧（L3、L5、L6）、北侧（L11、L13、L14）这8个点位进行（图3A、图4A），由于背风侧有涡流、风向不稳定，故未进行输沙观测。野外观测期间共开展了3组输沙观测，每组集沙时间为30 min，采集样品用电子天平（精度0.001 g）称重记录，并以观测高度内单位时间单位宽度的总输沙量表示输沙率。

观测期间，上风向参考点（L1）4 m高度处以西北风为主，集中在281°—348°；风速波动较大（图5），且下午平均风速大于上午，分别为7.8 m·s^-1和4.7 m·s^-1。水平气流和输沙观测在14:00—15:30开展，该时段内平均风速为7.9 m·s^-1，风向以西北西、西北和北北西为主。

油蒿灌丛沙堆走向为140°—320°，所布设的L3、L4、L6为南侧观测点，L13、L12、L11为北侧观测点。根据南北两侧观测点与入射风向的相对位置关系，将风向分组为同侧与异侧。

来自281°、292°、303°和315°的风，对于北侧测点为异侧风，而对南侧测点为同侧风；来自326°、337°和348°的风对于北侧测点为同侧风，而对南侧测点为异侧风。

在偏西风影响下灌丛沙堆两侧风速变化的趋势基本保持一致，整体表现为从参考点（L1）、迎风侧坡脚（L2）经灌丛沙堆南（L3、L4、L6）、北（L13、L12、L11）两侧至背风侧坡脚（L7）再到下风向6H（L10）处，风速呈逐渐减小-增大-减小至最小值-逐步回增的趋势（图6）。尽管气流绕过灌丛沙堆后均在背风侧坡脚处风速减至沿程最小，但是在流经两侧时气流的变化过程和程度不同。经南侧绕流时，气流从迎风侧坡脚至L3点略微加速后逐渐减慢；经北侧绕流时，风速从迎风侧坡脚至L13略微减小而后开始增大。在垂直于主风向的灌丛沙堆南北两侧，南侧各测点风速整体大于北侧且靠近灌丛沙堆内侧的风速小于外侧。

灌丛沙堆对不同方向入射风的改造程度具有差异（图6、表2）。总的来说，气流无论南绕还是北绕，与测点同侧风的风速大于异侧，但其变化幅度正好相反。例如，当气流南绕时，在沙堆南侧测点L3、L4和L6处，同侧入射风（281°、292°、303°和315°）的平均风速分别为4.7、3.0 m·s^-1和1.5 m·s^-1，而异侧入射风（326°、337°和348°）分别为4.6、2.1 m·s^-1和1.6 m·s^-1，整体小于同侧；但是，异侧风的平均风速变幅（11.3%、49.6%和61.9%）整体大于同侧风（5.9%、33.7%、66.3%，表2），可能是异侧风绕流时气流压缩程度的差异所导致。此外，在测点L4、L12、L8、L9处，随着风向与轴线之间的夹角即风的入射角减小，平均风速随之增大（图6）。

图7为背风侧各测点（L7—L10）10 min内主导风向相对于同时段参考点的变化情况。参考点0.3 m高度以315°—326°的西北风为主，且较为稳定；背风侧L10的主导风向与参考点基本保持一致，而其他各测点的风向变化较大。对于背风侧坡脚处测点L7和水平距离2H的L8，除西北风外其他多个方向风出现频率也较大，这表明灌丛沙堆背风侧坡脚出现反向涡流，使用烟雾示踪也观察到这一现象（图8）。多方向风和反向涡流的出现是背风侧坡脚气流复杂的表现，可能由两侧绕流及穿过灌丛植株和经顶部越过的气流在此汇集、扩散所导致。此外，测点L9的风向较L7、L8相对集中，以西北、东北风为主，说明在测点L8之后气流方向逐渐开始恢复，经L10时已恢复至参考点风向。

将不同风向下灌丛沙堆背风侧各测点（L7、L8、L9、L10）0.3 m高度处的平均风速与背风侧坡脚的距离拟合后发现两者均具有较好的指数函数关系（表3），随距离增大平均风速也不断增大。此外，同时段、同高度上风向参考点L1处的平均风速为4.32 m·s^-1，据指数函数计算得出在距背风侧坡脚5.59—5.96 m处0.3 m高度的风速恢复至旷野风速，即沙堆对其背风侧4.85H之后的气流几乎无影响。

根据野外观测结果，将灌丛沙堆周围各测点（图3B）所测风速除以对应时段上风向参考点4 m高度同步观测风速进行标准化处理，得相对风速（U_z/U_ref）以表征各测点气流的垂直变化情况（图9）。同一测点不同方向入射风作用下的风速廓线变化规律大体一致，但由于不同部位受入射风向与灌丛沙堆相对位置关系的局部差异使各测点之间风速随高度的变化趋势不尽相同。

除上风向参考点（P0）处风速随高度变化呈近对数分布之外，其余各测点均不服从对数关系。在灌丛沙堆迎风侧坡脚（P1）、北侧迎风部位（P6）和南侧迎风部位（P2），风速随高度增加而增大，总体在1.5 m以下气流增速较快，1.5 m之上稍缓且风速随高度近对数分布。此外，入射角相对小的气流在P2、P6处风速整体大于大入射角气流，但P1处不明显；在灌丛沙堆北侧偏后部位（P5），虽然不同方向入射风的风速廓线具有明显差异，但整体在0.2—1.0 m风速随高度增大较快，之上增速减缓。另外，与前3个观测点不同，1.5 m以下大入射角的风速整体较大；测点P3位于灌丛沙堆南侧偏后部位，各方向入射风风速随高度变化规律整体一致，其中0.2—1.2 m内风速梯度较大，1.2—4.0 m增速减缓且风速大小随入射角的变化无明显差异，这可能由于气流绕流后的加速程度大于入射角度对其的影响程度。

气流经两侧绕流后于背风侧汇集，在背风侧坡脚（P4）观测到0.3—1.0 m风速随高度增加反而减小，这一现象近一步暗示背风侧坡脚存在反向垂直轴涡流^{［11，21］}，1.0 m以上风速随高度增加而增大；在P7、P8附近的气流逐渐向旷野恢复，但风速廓线偏离对数分布规律，即距背风侧坡脚2H范围内（P8）气流状况仍受到灌丛沙堆的影响，这也符合上文根据测点平均风速与距离背风侧坡脚长度之间的指数函数关系计算得出在下风向约4.85H处气流才能恢复至旷野风速的结果。

总的来说，与上风向参考点L1相比，其他各测点的输沙率均较小且两侧输沙率的变化趋势不同（图10）。沿灌丛沙堆南侧绕流时，迎风侧坡脚（L2）处输沙率最小，平均为1.37 g·cm^-1·s^-1，之后经L3、L6输沙率不断增大；当气流北绕时，经迎风侧坡脚后在L13处达输沙最小值0.80 g·cm^-1·s^-1，而后略微增大。此外，输沙观测期间相对于灌丛沙堆走向（140°—320°）的南侧起沙风频率（90.66%）大于北侧（9.34%），可能使垂直于灌丛沙堆南侧测点（L5和L3）的输沙率整体大于北侧（L13和L14），并且靠近灌丛沙堆的内侧测点（L3和L13）输沙率大于外侧（L5和L14）。

灌丛沙堆南北两侧各测点输沙率随高度增加趋于减小（图11），而且各层输沙率以迎风侧坡脚L2测点为界，沙堆南侧在L1和L2之间，而北侧小于L2，即灌丛沙堆南侧输沙率整体大于北侧，与各测点断面总输沙率的变化趋势一致。总的来说，近地面10 cm内的输沙通量占整个观测断面输沙通量的90%左右，且各测点输沙率随高度变化均呈良好的指数函数关系。指数函数公式为

式中：y为输沙率，g·cm^-1·s^-1；x为高度，cm；a、b为回归系数。相关系数（R²）均达到0.97以上且P值均小于0.0001，相关性极高（表4），用指数函数表示输沙率与高度的关系能够充分地体现搬运层内沙物质含量随高度的分布特征。

灌丛沙堆宽度和总高度均与相对风速间存在较好的线性关系（R²=0.93，P<0.01），并且当灌丛沙堆的宽度值和高度值越大，背风侧坡脚的相对风速越小，即气流在绕过两侧、穿过植株和越过丘顶的过程中被削弱的程度越大；灌丛沙堆长度和植株高度与背风侧坡脚相对风速间无明显函数关系（图12）。

作为大气边界层中障碍物，灌丛沙堆由上部疏透灌木植株与下部密实积沙体组成，其周围气流结构与纯灌木或沙包具相似性但更复杂^{［11，15］}。当气流到达迎风侧坡脚时，一部分经两侧绕流，一部分被抬升至灌丛植株高度形成“穿堂流”，还有一部分从植株顶部越过^{［18，22］}，它们在背风侧坡脚汇集、扩散或分离。因本文水平气流观测高度（0.3 m）低于积沙体高度（0.69 m），故只观测到两侧气流状况。综合观测结果分析，距地面0.3 m高度风速自上风向不断减小至迎风侧坡脚，气流分离后在两侧略微加速，之后在背风侧坡脚处汇集并出现垂直轴涡流，在分离、扩散、汇集过程中气流被不断消耗故而风速降至最小^［23-24］，之后逐步恢复至旷野。野外观测的水平气流整体变化特征与风洞实验和数值模拟结果^{［22，24-25］}一致，但具体两侧气流加速程度及其背风侧气流恢复情况等具有一定差异。

气流经两侧绕流时风速较旷野增加了9.05%，与风洞实验中加速10%—90%的结果相比^{［22，25-26］}，实际两侧风速增幅较小。虽然实地观测时沙堆周围植被及邻近沙堆对水平气流有一定影响（图4），但即使相互作用产生狭管效应后两侧风速增幅仍不大。这一增幅差异可能是由于风洞侧壁对气流压缩程度较大，从而加大了灌丛沙堆两侧气流的加速程度，因此风洞实验在定量研究自然障碍物周围气流状况时具有一定局限性。此外，与数值模拟结果^{［11，16，27］}不同，野外观测到沙堆两侧气流变化并不对称，沙堆南北两侧增速程度具有差异且北侧气流加速位置较南侧靠后（相对于迎风侧坡脚而言）。据统计，观测期间相对于灌丛沙堆走向的北侧风出现频率远小于南侧风，高频率南侧风经迎风侧坡脚分离后立即加速，其较大的平行分量继续向下风向运动，垂直分量绕至沙堆北侧，也就是说低频率北侧风不足以使气流经迎风侧坡脚后立即加速，而是在与南侧风垂直分量共同作用下才于相对靠后位置处加速。因此，风向对有障碍物地表的局地气流场分布有影响，进而导致近地表沙物质蚀积模式变化。灌丛沙堆周围输沙率较参考点减小，其阻沙作用明显。自旷野至迎风侧坡脚输沙率减小，说明沙物质沿程堆积^［28-29］，并且相对于沙堆走向的南侧输沙率大于北侧且蚀积状态不同，南侧地表处于侵蚀状态而北侧以堆积为主，虽然自L13至L11输沙率略微增加，但这可能主要由于高频南侧起沙风作用使L11背风效应显著且一部分穿过植株的沙粒在此降落。气流引起灌丛沙堆两侧蚀积差异，进而导致其水平投影趋近不对称。此外，垂直于沙堆主风向测点的断面输沙率与风速变化不一致，靠近沙堆内侧输沙率较大但风速却小于外侧，这可能与沙源多寡有关，灌丛沙堆迎风侧拦阻气流的同时截获沙物质，使向下风向输移沙物质时沙源供应较充足，而外侧因丘间地狭管效应使风速较大且沙物质来源未经沙堆直接拦截，故而输沙率较小。综合迎风侧和两侧气流及输沙状况，初步推测灌丛沙堆平面形态会由椭圆形向不对称纺锤形演化。

经灌丛沙堆两侧绕流后，气流在背风侧坡脚汇集而后呈指数函数关系逐步回增，武胜利等^［30］、安晶等^［17］观测的柽柳和小叶锦鸡儿沙堆背风侧气流也以指数形式恢复且其中柽柳灌丛沙堆恢复距离为4H—8H，本文观测油蒿灌丛沙堆约4.85H。油蒿枝条较稠密、开展下垂至积沙体旁侧，气流流经后在背风侧的动能损失较多，同时恢复较快；相反，柽柳灌丛多孔隙，恢复距离较长。类似地，Mayaud等^［16］观测比较了纯草本和灌木背风侧气流差异，也得出了灌木较草本多孔而恢复距离较长这一结果。由此可认为，灌丛植株自身疏透度是影响背风侧气流恢复的因素之一，并且疏透度越小、背风侧风速减小程度越大，顺风向恢复越快。张萍等^［31］观测到高0.8 m、宽1.5 m的油蒿灌丛沙堆背风侧气流恢复距离为7.5H，而本文观测的沙堆高1.2 m、宽2.6 m，相比较气流减小程度大、恢复距离短。因此，灌丛沙堆自身形态及植株疏透度均为影响气流恢复的重要因素，但两者共同影响的定量化研究还有待于进一步开展。

在单向风环境下，风沙流被拦截经障碍物两侧绕流和顶部翻越后能量减弱，沙物质在下风侧卸载堆积，常形成风影沙丘或沙尾^［32］。灌丛沙堆作为典型障碍物，其自背风侧坡脚到气流恢复至旷野范围内常有沙尾形成^{［11，18，24，33］}，但本文观测各沙堆背风侧均未形成沙尾，可能是相对于沙堆走向的南北两侧风作用使沙尾一直处于形成和被吹散的动态过程中，沙物质无明显背风优势而堆积下来。冬、春季总输沙势和合成输沙方向分别为15.02VU、109.89°和67.44VU、110.77°，而夏、秋两季为10.39VU、30.95°和14.60VU、83.47°，也就是说即使在春季风沙活动强烈时形成的小沙尾也可能在夏秋两季被吹散，况且研究区位于薄层覆沙剥蚀高原，沙源不似干湖盆、海岸^［34-35］等地充足，尚不能形成具一定高度和规模的风影沙丘，加之多风向环境使研究区内未观测到沙尾形成。

气流通过连通植物和沙颗粒之间相互作用来控制灌丛沙堆周围沙物质的蚀积格局，其中风向影响气流分布模式，风速大小影响蚀积速率和程度，进而改变沙堆形态，而形态变化又反作用于气流。这种互馈关系使灌丛沙堆成为一种特殊的动态生物地貌，并且在干旱、半干旱地区常以群集形式存在，然而对灌丛沙堆群体分布格局及气流输入、输出的报道较少。因此，今后在野外观测和数值模拟时可从单体向群体转化，在探明单体风沙气流结构的基础上，进一步探讨灌丛沙堆群体动态变化过程与机制以及对区域景观影响等。

自参考点、迎风侧坡脚经两侧、背风侧坡脚至下风向，灌丛沙堆周围0.3 m高度风速呈逐渐减小-增大-减小至最小值-逐步回增的水平分布特征。其中，在背风侧坡脚风速减至最小且出现垂直轴涡流，0.3—1.0 m内的风速随高度增加反而减小，而后风向、风速逐渐向旷野恢复，并在距背风侧4.85H外气流脱离灌丛沙堆的影响。

灌丛沙堆周围各测点输沙率随高度增加而减小，两者具良好的指数关系，并且相对于沙堆走向南北侧的起沙风频率差异使断面输沙率沿两侧变化不同，其南侧侵蚀、北侧堆积，沙堆平面形态由椭圆形向不对称纺锤形演化。

薄层覆沙剥蚀高原不充足的沙源和多风向环境是未形成沙尾的关键。今后，在探明灌丛沙堆单体风沙流结构基础上，可对群体分布格局、动态变化过程与机制作进一步研究。