干旱荒漠区生态环境脆弱，风沙活动频繁^［1］，人为活动是造成该区域土地荒漠化的主要因素^［2］。荒漠区盐湖蕴藏着丰富的湖盐资源，然而，随着盐湖开采规模日益扩大，周边植被遭到破坏，风沙活动加剧，进而造成湖面积沙，严重影响资源开采^［3］。营建人工植被可以有效防风固沙、改良土壤^［4］。植被通过降低近地层风速，减少地表起沙，促进风沙流沉降，实现防风阻沙的目的^［5］。另外，植被凋落物的分解、根系分泌酸性物质以及固氮作用等均能够起到改良土壤的作用^［6］，从而增加土壤抗蚀性。传统的农田防护林、绿洲防护林等主要为了防风固沙、改良土壤^［7-8］，而盐湖防护体系不仅可起到上述作用，更可通过减少湖面积沙以降低湖盐开采的难度，从而提升盐湖资源的开采效率。

吉兰泰盐湖位于乌兰布和沙漠西南边缘吉兰泰盆地的海拔最低处，是中国重要的湖盐生产基地。由于其开采规模较大，湖面积沙严重^［9］。为治理沙害，在盐湖北部自1983年开始建立由前沿阻沙带、封沙育草带、防风阻沙带、绿洲防护林网构成的“四带一体”盐湖防护体系，有效控制了盐湖沙害^［10-11］。长期以来，许多学者对盐湖周边风沙沉积物理化特征^［12-13］、盐湖周边风沙地貌发育环境^［14］等进行研究，取得了一系列成果，但对盐湖防护体系风沙活动作用规律的相关研究仍较少，且多为春季风大沙多时期的短期测定结果，难以全面反映盐湖防护林体系的阻沙效果。因此，以吉兰泰盐湖防护体系为研究对象，通过野外全年连续定位监测，结合室内分析的方法，对防护体系不同部位风速、输沙通量进行观测，以期探究吉兰泰盐湖防护体系风沙流运移规律及沙粒运动方式，准确评估防护体系阻沙效果，为中国西北荒漠区盐湖沙害治理提供理论依据。

吉兰泰盐湖处于中国最大的沙尘暴源地阿拉善高原东南部，为贺兰山-巴音乌拉山山间盆地的最低处，盆地西南边缘为腾格里沙漠，东北部毗邻乌兰布和沙漠，西北部与亚玛雷克沙漠隔山相望，为三大沙漠的交界地带，行政上隶属于阿拉善左旗。吉兰泰地区以西北风、东北风、西南风为主，最大瞬时风速24 m·s^-1；年均扬沙日数为82.5 d，年风沙流出现频率为112.9次^［15］；据吉兰泰气象站（距离研究区直线距离6.5 km）1971—2016年气象数据统计，输沙势在4—8月均处于较高水平，在6月达到最高（图1）；多年平均降水量为107.8 mm，并集中于6—8月，多年平均蒸发量为2 956.8 mm，是降水量的27.4倍^［15］。吉兰泰地区特定的气候特征和地貌环境导致吉兰泰盐湖地区稀疏分布的植被多为耐旱、耐碱的小灌木及草本植物^［10］，主要有盐爪爪（Kalidium foliatum）、白刺（Nitraria tangutorum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、花棒（Hedysarum scoparium）等^［10］。

吉兰泰盐湖防护体系位于吉兰泰盐湖北部10 km处，属吉兰泰镇希勃图嘎查，为乌兰布和沙漠的西南边缘。该体系于1983年建立，整体垂直于西北风向，主要由前沿阻沙带、封沙育草带、防风阻沙带、绿洲防护林网四部分组成。

前沿阻沙带主要布设在流动沙垄上，以新型固沙材料（PLA）与传统草方格相结合构成。

封沙育草带毗邻植被稀少、地表疏松、风沙活动强烈的流动沙地，沙丘上分布有白刺、沙蒿、苦豆子、沙米、芦苇等天然植被，以白刺为主，主要阻滞0—50 cm高度风沙流。

防风阻沙带处于天然灌草植被与绿洲防护林之间，以沙枣、梭梭、沙拐枣等灌木构成，作用是继续削弱风速，拦截风沙流中剩余沙粒。

绿洲防护林网以人工栽植的沙枣、花棒、新疆杨等为主要树种，草本植物以苦豆子、芦苇为主，兼有禾本科杂类草。其目的是改善近地层小气候条件，拦截部分悬浮运移的沙尘，同时控制绿洲内部在大风天气下不会起沙。

由于防风阻沙带和绿洲防护林网为补植性造林，为方便观测，本文将防风阻沙带及绿洲防护林网合为防护林带，并将防护体系划分为流动沙垄、白刺灌丛、防护林带、盐碱滩地（盐湖周边生长植被地区）、盐湖湖心（盐湖边缘无植被地带，图2，表1）。

实验于2019年3月和10月进行，以流动沙垄为对照，从白刺灌丛至盐湖湖心（图3A），每个样地类型放置一套风杯风速仪，测定各样地20、30、50、85 cm和200 cm高度的风速（图3B）。

实验于2019年4月至12月进行（1—3月受疫情因素影响并未采集到数据，但结合多年平均输沙势可以看出（图1），全年输沙主要发生在4—8月，且2、3月与11、12月输沙势基本一致，可以说明实验数据的代表性），每种样地类型放置一个MVAC集沙仪^［16］，将上风向流动沙垄作为对照（图3A）。该集沙仪取样高度为85 cm，风沙流入口为直径0.7 cm的圆形截面，测量高度为20、30、50、85 cm（图3B），逐月取样，将样品放入塑封袋中带回实验室称重并测量其机械组成。

粗糙度^［17］：

式中：Z₁、Z₂为地表面任意两个高程（m）；u₁、u₂分别为Z₁、Z₂两个高程上的风速（m·s^-1）；Z₀为该地表的粗糙性指标（m）。

风速廓线：

式中：d为零平面位移（m）。

对同一高度，同一时段风速进行平均，再用均值进行回归分析：

式中：U_z 为高度z处的风速（m·s^-1），A、B为回归系数。

摩阻速度：

式中：k=0.4；B为回归系数。

式中：Q为输沙通量（kg·m^-2）；m为集沙仪各层沙样质量（kg）；s为进沙口面积（m²）。

式中：Qz为对应高度的输沙通量（kg·m^-2）；z为距离地面的高度（cm）；a,b为待定参数，由实测输沙通量的拟合方程确定。

根据Qz，可以推导出各高度层内单宽1 m的截面上所通过的水平输沙通量为^［18］：

式中：Qs为水平输沙通量（kg·m^-2）；z为距离地面高度（cm）。

不论何种风向，防护体系整体风速随高度的增高而增加（图4），将风速在Excel中进行拟合发现符合指数函数规律，R²为0.84—0.99。在西北风向下，白刺灌丛风速在50 cm高度处急剧上升，且最大风速为8.32 m·s^-1；防护林带由于为乔灌草构成的紧密结构的复层林带，且林带走向垂直于西北风向，因此其防风效果最佳，从而使风速变化幅度小，进而使其风速廓线趋于垂直；盐碱滩地地表覆盖有盐爪爪等小灌木，可有效降低地表0—30 cm高度内的风速，在50 cm高度处风速急剧上升，为4.13 m·s^-1，但由于受上风向防护林带的影响，该部位风速远低于对照，最大风速为7.05 m·s^-1。在西南风向下，上风向由流动沙垄转变为盐湖湖心，因此盐碱滩地由于盐爪爪覆盖降低了0—30 cm高度的风速，但整体风速均大于西北风向，最大风速为9.06 m·s^-1；防护林带由于观测地点靠近迎风一侧，但由于为乔灌草构成的紧密结构的复层林带，因此其风速显著低于对照，且最大为1.92 m·s^-1；白刺灌丛由于风向的变化使其上风向由流动沙垄变为防护林带，因此受防护林带的影响，其2 m高度处风速较防护林带低，为6.61 m·s^-1。

不同风向下防护体系各样地地表粗糙度R²为0.78—0.98。不论在何种风向下，防护林带地表粗糙度最高为4.61 cm；盐湖湖心及流动沙垄在不同风向条件下地表粗糙度较其他样地小，两者值相近且盐湖湖心地表粗糙度稍高于流动沙垄（图5A）。不同风向条件下各样地摩阻风速大致呈现为随粗糙度的增加而增加的趋势（图5B），白刺灌丛摩阻风速较小，可能由于白刺灌丛距离流动沙垄较近，且非生长季时植被稀疏矮小导致。以上结果表明风向不同，空气动力学粗糙度及摩阻速度在防护体系不同部位的变化规律有所差异，但总体上随着植被盖度的增加大致呈现出增加的趋势。

防护体系不同部位输沙通量整体表现为随高度的增加而减小的趋势，且从流动沙垄至盐湖湖心输沙通量整体表现为流动沙垄>白刺灌丛>盐碱滩地>盐湖湖心>防护林前>防护林中>防护林后，其中防护林中后部输沙通量基本可忽略不计（图6）。从不同季节来看，在4—6月，从白刺灌丛至盐湖湖心30 cm高度内输沙通量均较流动沙垄减少了87.30%—100%，在50 cm以上高度表现较差，较流动沙垄分别降低31.423%—91.151%；而在7—12月，则整体较流动沙垄降低了72.86%—99.99%。研究区植被于5月开始缓慢生长到7月达到最大生物量，因此，表明防护体系50 cm高度以上的输沙通量受植被生长季影响较大。另外，盐湖湖心除4—6月外，其余各月输沙通量均处于较低状态，且较流动沙垄降低90%以上，表明防护体系建立37年后，防护体系整体运行效果仍保持良好，可有效拦截上风向流动沙垄来沙，从而防止湖面覆沙，利于盐湖资源开采。

跃移是沙粒运动的主要形式，一般认为沙粒跃移运动主要发生在距地表30—40 cm的高度范围内^［18］。图7为防护体系不同部位年内各月在1 m宽度截面上，0—40、0—85 cm高度内的输沙通量。由于观测地区以西北风、东北风及西南风为主，可能由于西南风向导致9月盐湖湖心输沙通量较大外，其余各月除防护林中和防护林后外，白刺灌丛至盐碱滩地输沙通量较流动沙垄减少86.96%—99.96%，且从流动沙垄至盐湖湖心在0—40 cm高度内通过的水平输沙通量占0—85 cm高度内相应值的53.43%—96.63%；而防护林中、后由于植被盖度较高，且风沙流经过白刺灌丛及防护林前植被阻滞作用，从而使风速及其携带沙量急速减小，进而使防护林中、后水平输沙通量处于极低状态，且在0—40 cm高度内的水平输沙通量占0—85 cm高度内相应值的32.66%—47.48%。这表明除防护林中、后部外，其余样地风沙活动中沙粒的运动方式以跃移为主。

从流动沙垄至盐湖湖心粒径分布曲线大致呈现为双峰型（图8），其中流动沙垄及白刺灌丛主峰与次峰均分布在0—250 μm范围内；防护林前除20 cm高度呈现为双峰型，其余高度均呈现为单峰型，且20 cm高度主峰在1 000—2 500 μm内，次峰分布在0—250 μm；盐碱滩地除85 cm高度处输沙物质颗粒分布曲线在0—1 000 μm，20—50 cm高度内主峰分布在1 000—2 500 μm；盐湖湖心20 cm高度处输沙物质粒径分布曲线主峰分布在250—1 000 μm，30—85 cm高度内主峰分布在250—500 μm，盐碱滩地及盐湖湖心输沙物质颗粒整体较粗，以中沙、粗沙为主。从不同高度上看，防护体系不同部位输沙粒径随高度增加呈现降低趋势。

沙尘水平输沙通量是沙尘输送数值模拟的必要参数^［19］。植被盖度^［20］、林带结构^［21-23］及季节变化等均会对输沙通量产生影响。本研究区内从流动沙垄至盐湖湖心输沙通量整体表现为流动沙垄>白刺灌丛>盐碱滩地>盐湖湖心>防护林前>防护林中>防护林后，且防护体系输沙通量较流动沙垄降低了80%—90%。原因主要是当气流至白刺灌丛时，白刺为20—50 cm高度的紧密结构的灌丛植被，可显著降低0—50 cm高度内的风速^［24］，从而使沙粒堆积在地表；气流经过白刺灌丛的削弱，风速及沙粒含量降低，灌丛植被覆盖也增强了土壤的抗风蚀能力，从而使气流经过防护林带时由于其减弱了林网内的湍流交换，进而抑制沙尘垂直输送^［25］，使防护林带输沙通量逐渐减小，并在防护林中、后部输沙通量基本可忽略不计；盐碱滩地及盐湖湖心由于地表盐结皮覆盖，从而隔绝了气流与土壤的直接作用^［26］，使气流至盐湖湖心时为不饱和状态，进而避免盐湖湖面积沙。另外，与丁延龙等^［10］春季测定吉兰泰盐湖防护林带内总输沙通量仅为流动沙垄的5.96%相比，本研究发现，从长期观测来看防护林带内总输沙通量变化范围在0—5%，该结果表明通过长期观测可以更加清楚地反映防护体系年内输沙通量变化情况，同时也反映出防护林抑风、阻沙作用明显，且防护效益非常稳定。

不同季节植被盖度有所不同，植被对风沙流的阻滞能力也大不相同。本研究中，由于受植被生长季的影响，在4—6月，除防护林中、后部输沙通量不受影响外，白刺灌丛至盐湖湖心在20、30 cm高度内输沙通量较流动沙垄相比降低了90%左右，而在50、85 cm高度内则表现较差，较流动沙垄分别降低30%—70%。原因是植被生长季增强了植被对风沙流的阻滞能力，导致白刺灌丛至盐湖湖心其阻沙能力减弱；植被生长季对防护林带的防风阻沙能力的影响较小，可能是由于防护林带盖度高达80%，较高的植被覆盖度及高低错落的枝条，在非生长季也具有较高阻沙能力。该研究结果与李永强等^［25］对内蒙古荒漠草原不同放牧强度年内输沙通量的研究结果保持一致。以上结果表明季节对防护体系50 cm以上高度输沙通量影响较大，但防护体系内防护林带阻沙能力基本不受季节的影响。

跃移是沙粒运动的主要形式。在风沙活动中，75%以上的沙粒是以跃移的方式运动的^［27］。本研究发现，年内各月除防护林中和防护林后外，从流动沙垄至盐湖湖心0—40 cm高度内、1 m宽度截面上通过的水平输沙量占总体输沙通量的50%—90%，且多为75%左右。杨兴华等^［18］对塔克拉玛干沙漠风沙跃移运动进行研究，发现该地区0—40 cm高度内输沙通量占0—200 cm高度输沙通量的53.4%，其结果稍低于本研究结果，原因可能是由于地表状况及风速不同。

从流动沙垄至盐湖湖心风速表现为先减小后增加的趋势，在防护林带风速达到最小，并在盐湖湖心处恢复至旷野风速。除白刺灌丛外，其余样地风速基本不受风向影响。

除防护林带外，季节变化对防护体系50 cm高度以上输沙通量影响较大。除防护林中、后部外，从流动沙垄至盐湖湖心各样地0—40 cm高度内、1 m宽度截面上通过的水平输沙通量占整体的53.43%—96.63%，区域内沙粒运动方式以跃移为主。

从流动沙垄至盐湖湖心，沙物质粒径分布曲线整体呈双峰型，且沙物质颗粒粒径先增加后减小。从不同高度上看，输沙物质粒径随高度的增加而减小。