土壤风蚀是干旱区、半干旱区土壤退化的主要原因，也是产生沙尘暴的首要条件^［1］。植被通过增加地表覆盖、消减风力和阻挡风沙，提高地表抗侵蚀力和拦截过境风沙，达到防风固沙目的^［2-3］。植被高度、盖度、构型、枝条的柔韧性和空间分布都可影响防风固沙效果^［4-7］。研究风沙流中沙物质在垂直高度上的变化规律和分布状态，有助于了解植被如何改变风沙运动规律，控制风蚀^［8］。

关于植被对风沙流和风蚀的影响研究多通过数值模拟、室内风洞模拟或野外观测形式开展，并取得了一定的研究成果^［9-11］。或从下垫面的角度出发，探讨植被盖度与输沙量、风蚀量、摩阻风速等之间的重要规律与关系^［12-15］；或针对不同种植物单株^［16］和行列式排列方式的人工林，从风速廓线、扰流、输沙去分析植被高度、盖度、枝下高度、透风系数^［17］，研究植物的防风阻沙的防护距离。植被在自然界都是以群落的形式存在，植被群落形成是适应自然的表现，针对群落的防风阻沙研究较少^［18］。在群落样地中，仅从下垫面盖度开展研究^［19-21］，忽略了植被群落的构型差异和群落组成对防风阻沙的影响^［22］。不同群落植被盖度、密度、空间分布、物种组成及群落植被空间异质性和植物种构型差异，使得群落的防风阻沙效果存在差异，那么自然界存在的植被群落防风固沙效果如何，有待研究。

黄河乌兰布和沙漠段两岸分布着天然灌木林和人工梭梭林。随着时间推移，天然林和人工林在适应干旱风沙胁迫的过程中形成了适应该地区气候环境的分布格局。这些植被群落的存在对周围风沙运移起到一定防护作用，但具体效果如何，相关报道较少。因此本文对乌兰布和沙漠沿黄河段荒漠植被群落地表输沙量、风沙流结构及风速廓线进行测定分析，研究其防风阻沙效果，为中国干旱地区沙漠边缘生态恢复及植被建设效果提供参考。

研究区位于黄河乌兰布和沙漠段两岸，地处内蒙古乌海市乌达区与巴彦淖尔市磴口县之间，左岸为乌兰布和沙漠，右与鄂尔多斯杭锦旗相邻。该区域气候干燥，平均年降水量144.5 mm （1954—2003年），年平均气温8 ℃，平均年蒸发量2 258.8 mm，平均年光照时间3 181 h，属于典型中温带大陆性干旱季风气候。年平均风速3.7 m·s^-1，以西风和西北风为主，一年四季均有大风及风沙出现，多发生于春季3—5月；年扬沙日数75—79 d，年大风日数10—32 d，沙尘暴日数19—22 d^［23］。该段黄河西岸与沙丘接壤，长度约20 km，每年向黄河输沙约7.72×10⁷ kg，占黄河输沙量的37%^［24］。在长期干旱多风的气候条件下，地表发育了沙丘链、灌丛沙堆与丘间洼地相间的风沙地貌格局。植被以旱生和超旱生的灌木和小乔木为建群种，有油蒿（Artemisia desertorum）、霸王（Sarcozygium xanthoxylon）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、四合木（Tetraena mongolica），沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）、猫头刺（Oxytropis aciphylla）；草本植物有沙米（Agriophyllum squarrosum）、猪毛菜（Salsola collina）、蒙古韭（Allium mongolicum）、沙旋覆花（Inula salsoloides）、沙鞭（Psammochloa villosa）、拂子茅（Calamagrostis epigeios）等。

选取乌兰布和沙漠沿黄河段油蒿群落样地（40°11′33″N、106°51′48″E）、霸王群落样地（40°04′42″N、106°53′07″E）、梭梭群落样地（40°10′43″N、106°51′07″E）、四合木群落样地（40°08′21″N、106°00′52″E），样地地势平坦表土松散，表层土壤几乎无结皮（图1）。在每个群落样地，划定3个10 m×10 m区域进行植被调查，获取植被盖度、高度和侧盖度，其中盖度利用无人机航拍获取、侧盖度利用侧影拍照提取、植物高度进行每木检尺获取。油蒿、霸王、棱棱、四合木群落平均高度分别为65.9±17.5、42.0±15.5、193.9±46.7、59.1±40.7 cm，植被盖度分别为5.32%±0.75%、11.96%±3.68%、25.49%± 4.46%、8.84%±2.79%，侧盖度分别为20.45%、23.35%、70.36%及26.65%，观测期内表层0—10 cm土壤含水率分别为0.21%±0.06%、0.18%±0.02%、0.05%±0.008%、0.37%± 0.1%。

以流动沙丘为对照，分别在对照、油蒿、霸王、梭梭、四合木群落5个样地内各设置1个100 cm高全方位旋转式集沙仪及HOBE气象站一套（4个风速，1个风向）。在10 m×10 m样地下风向边缘设置集沙仪，收集样地内的起沙；风速仪布设在样地的中心位置，观测近地表20、50、100、200 cm风速及200 cm的风向，仪器采样频率10 s一次，5 min记录一个数据。集沙仪进沙口50层，进沙口的直径为2 cm×2 cm，取样后带回室内用1/100 g感量的电子天平称量，分析0—100 cm风沙流的输沙量及其沿高度梯度的分布规律。观测期内风向为西北风，是该区域主风向，集沙仪和风速仪的位置在每次观测中保持固定，保证多次观测数据的一致性和结果可靠性。

采用对数廓线拟合的方法计算空气动力学粗糙度，测得4个高度（20、50、100、200 cm）处风速，并运用最小二乘回归得到风速廓线拟合公式^［25-26］。

式中：U_Z 为Z高度处的风速；a，b为回归系数。

令U_Z ＝0可求出粗糙度Z₀：

防风效果

式中：E_防为群落样地的阻沙效果，单位%；V_CK，V_s分别为同一高度下对照样地与群落样地的平均风速，单位m·s^-1。

输沙率

式中：Q为输沙率，单位g·cm^-2·h^-1；q_i 为第i层输沙量，s为集沙仪进风口面积，单位cm²；t为集沙时间，单位h。

阻沙效果

式中：E_阻为群落样地的阻沙效果，单位%；Q_d，Q_z分别代表对照样地和群落样地各高度层单位时间内总输沙率。

地表植被通过改变近地表空间结构来改变风速廓线，进而减小风对土壤的吹蚀^［27］。近地表风速在垂直于地面高度上的特征及风速廓线符合对数规律^［28］。对油蒿、霸王、梭梭、四合木样地及对照样地风速（U）与高度（Z）进行拟合，关系式分别为U=-1.343+1.405lnZ（油蒿，R²=0.98）、U=-4.022+1.668lnZ（霸王，R²=0.99）、U=-2.21+0.908lnZ（梭梭林，R² =0.91）、U=-2.132+1.614lnZ（四合木，R²=0.99）、U=4.229+0.718lnZ（对照样地，R²=0.99），风速廓线符合对数分布规律U=a+blnZ （R²>0.90），粗糙度分别为2.60、11.14、11.42、3.75、0.0025 cm，群落样地可显著提高沙丘地表粗糙度，消减近地表风速（图2）。

油蒿、霸王、梭梭、四合木样地内20 cm高度处防风效果分别为57.9%、84.3%、88.3%、56.9%，50 cm高度处防风效果分别为38.9%、66.4%、85.8%、41.6%，100 cm高度处防风效果分别为31.2%、50.8%、76.2%、33.1%，200 cm高度处防风效果分别为26.5%、40.6%、64.8%、18.7%。4种群落样地的防风效果随着距地高度的增加呈现出减小的趋势（图3）。

结合4种群落样地平均高度（油蒿65.9 cm，霸王42.0 cm，梭梭193.9 cm，四合木59.1 cm），利用风速廓线拟合高度处风速，计算植物平均高度的防风效果。油蒿、霸王、四合木样地植物平均高度范围处，防风效果分别为38.6%、53.8%和39.1% ，植物平均高度以上200 cm处防风效果分别为26.5%、40.6%和18.7%。其中梭梭群落平均高度与最高观测高度基本一致，植物高度范围内防风效果为64.8%。4种群落样地中，同风速条件下，植物高度范围内防风效果较大，植物高度范围外也有一定影响，但效果较植物高度范围内有所减小。总体而言，距地面高度0—200 cm防风效果梭梭>霸王>油蒿>四合木。

在旷野风速为8.05 m·s^-1时，油蒿、霸王、梭梭、四合木群落及对照样地0—100 cm高度输沙率分别为0.0576、0.0043、0.0036、0.0093、0.1436 g·cm^-2·h^-1，油蒿、霸王、梭梭、四合木群落分别占对照样地输沙率的40.1%、2.99%、2.51%、6.48%。可见，4种群落样地输沙率显著小于对照样地，植物可以有效减少近地表层输沙。

在同一风速条件下，4种群落样地及对照样地内0—100 cm高度层内输沙率随高度的增加均呈现出指数Q=a+e ^bH 递减趋势（图4）。其中油蒿样地、梭梭样地及对照样地 R²>0.77，霸王和四合木样地R²<0.42，但P值均小于0.05，即对4种群落样地及对照样地的拟合具有统计学意义。根据图4B和图4D的散点分布情况，以距地12 cm前后对霸王样地和四合木样地的输沙率进行了分段拟合。0—12 cm符合指数函数Q=a+e ^bH 分布，霸王样地Q=0.057e^-0.303H 、R²=0.972，四合木样地Q=0.071e^-0.250H；而12—100 cm采用线性函数Q=a+bH拟合，霸王Q=0.005+3×10^-5H，霸王和四合木样地用指数函数Q=a+e ^bH 拟合更合适。

用指数函数Q=a+e ^bH 拟合输沙率，系数a表征贴近地表层的输沙量，系数b为沙粒浓度随高度的衰减程度^［29-30］。油蒿、霸王、梭梭、四合木及对照样地拟合系数a分别为0.8240、0.0154、0.0188、0.0148和3.1320，油蒿、霸王、梭梭、四合木样地拟合系数a分别为对照样地的26.3%、0.5%、6.0%、0.5%，可见4种群落样地蠕移输沙量均显著小于对照样地，植物可以有效减少蠕移输沙；b值沙粒随高度的衰减程度分别为-0.1387、-0.0379、-0.0639、-0.0094和-0.2217，可见群落样地的沙粒浓度随高度的衰减程度明显增大，表明植物会显著影响植物影响范围内的风沙流结构。

50%累积通量出现的高度代表平均跃变高度^［31］。对4种群落样地及对照样地累计输沙率占比沿高度的变化分析可知，油蒿、霸王、梭梭、四合木、对照样地平均跃变高度分别为7、30、18、46、4 cm，群落样地中平均跃变高度明显大于对照样地平均跃变高度（图5）。可见，植物的阻挡与抬升使得沙粒的平均跃变高度升高。

当对照样地累计输沙量达到80%，距地高度9 cm；4种群落样地累计输沙量达到80%的距地高度分别为22、66、54、67 cm，与对照相比较距地高度分别增加了59.09%、86.36%、83.33%、86.57%。即在灌木覆盖的区域要达到80%累积输沙率，需要更大高度的输沙率累加才能满足，表明群落样地控制了近地表的风沙活动，抬高了风蚀的基准面。

对照样地在距地表10 cm累积输沙率达到83.1%，相同高度内油蒿、霸王、梭梭、四合木样地的累积输沙率占比分别为63.3%、30.4%、36.1%、22.1%，对照样地相比分别减少19.8%、52.7%、47.0%、61.0%。可见，植被覆盖样地可以有效控制近地表10 cm风沙活动，其中霸王、梭梭、四合木样地在控制近地表风沙活动效果显著优于油蒿样地。

油蒿、霸王、梭梭和四合木群落总阻沙效果分别为57.9%、97.0%、97.5%和93.5%；其中，油蒿、霸王和四合木植物高度以下群落阻沙效果分别为54.2%、95.4%和90.1%，分别占总阻沙效果的93.76%、98.37%和96.36%；植物上方油蒿、霸王和四合木植群落阻沙效果分别为3.6%、1.6%和3.4%，可见阻沙效果植物群落高度以下是主要阻沙区域（图6）。因为梭梭样地内植物平均高度为203 cm，超过最大监测范围，所以梭梭植株高度以下阻沙效果不做分析。群落总体阻沙效果梭梭>霸王>四合木>油蒿。

对单株植物的研究表明，植物构型、迎风面疏透度、枝条柔韧性会对气流产生影响，进而影响植物的防风作用。透风系数大，防风作用会减少；枝条柔韧性好，会削减风速；植物构型差异，特别是上下枝条密度差异，会造成上下层风速消减程度的差异^［32-34］。本研究4个群落植被侧盖度随高度先增加后减小，呈现单峰分布（四合木除外）且峰值20—60 cm（图7）。

按防风效果计算高度对群落植被侧盖度分段统计，建立防风效果与植被构型（侧盖度、高度、盖度）的关系，分别进行拟合，参数见表1。构型参数中高度、盖度以及侧盖度与防风效果拟合结果均显著， R²分别为0.29、0.49和0.55。从显著性和R²结合判断可知，植被盖度和侧盖度作为量化植被构型的参数，与防风效果拟合结果极显著；构型参数两两组合，盖度和侧盖度组合R²最大，高度参数增加没有明显提高R²，构型参数的系数说明参数表达防风效果的相对重要程度，植被构型参数高度、侧盖度、盖度在表达防风效果的重要性存在差异，且依次递增。由于本研究中侧盖度的统计与防风效果计算相似，按分层统计涵盖了高度的信息。因此，高度在与其他两个参数组合拟合防风效果时，高度系数a₁小于盖度系数a₂和侧盖度系数a₃。研究区域盖度5.32%—25.49%，盖度变化较大，所以增加盖度参数后R²有明显变化；通过逐步回归分析防风效果与3个构型参数时，3个参数均被保留，模型呈极显著（P=0.00343）。综上所述，侧盖度、盖度、高度3个参数量化植被构型、表达防风效果存在差异；本研究中植被侧盖度按高度分层统计，群落防风效果差异性主要来源是植被侧盖度、盖度差异；如果将植被侧盖度作为群落参数不作分层统计，那么在实际应用中可以选择侧盖度、盖度、高度3个参数量化植被构型，与防风效果建立数量关系。

对样地内输沙率沿高度的分布进行拟合，发现4种群落样地均符合指数Q=a+e ^bH （a>0，b<0）。其中霸王和四合木样地的R²值相对其他两个观测样地的拟合值小，但通过了显著性检验，具有统计学意义。系数a可以理解为当高度为零的输沙量，即近地表的蠕移沙量。从观测结果来看，4个植被覆盖的样地内a系数显著减小，仅为沙丘表面输沙的0.5%—26.3%，表明植被群落样地内近地表流沙得到有效控制，其中系数a与阻沙效果关系显著（P<0.05）。

植被通过3种机制影响地表跃移：①植被覆盖地表，保护地表不受风吹蚀；②植物消减作用于其表面的风动量；③植物捕获风沙，使其沉积^［2］。所有植物的冠幅、高度和空间构型会对植物的防风阻沙效果起到显著影响^［35］。对4种群落的高度、盖度和侧盖度与阻沙效果逐步回归分析显示，a₂>a₁>a₃，3个参数的作用不同。而高度、盖度和侧盖度作为植物构型量化的一种形式，对阻沙效果作用极显著（P<0.01），可见植物构型在其中也起到关键作用，导致输沙效果差异（表2）。徐秀芸等^［17］在对沙冬青、梭梭、柠条（Caragana korshinskii）及油蒿的单株阻沙效果研究中发现，植物的阻沙效果很大程度上取决于植物的形态结构；也有学者认为植被的空间异质性对风沙输移也有影响，必须加以考虑^［8］。凌裕泉等^［18］对稀疏天然植被对输沙量的影响研究表明，植株的规则分布的防护作用优于植株的随机分布。本研究中油蒿、霸王、四合木样地为自然随机分布，梭梭林是人工林，但经过二十多年的干旱风沙环境干扰，分布呈现随机分布。研究结果近似代表自然分布情况下的阻沙效果，关于植被的空间分布量化与阻沙效果之间的关系，需进一步开展研究。

油蒿、霸王、梭梭及四合木4种群落样地内风速廓线均符合对数分布规律U=a+blnZ（R²>0.90），地表粗糙度相对于流动沙丘有显著增加。4种群落样地的防风效果随着距地高度的增加呈现出减小。植物群落防风效果在植被高度范围较大，植物高度范围外也有一定影响，但效果较植物高度范围内有所减小。植被高度、盖度、侧盖度可以量化表达植被构型，与防风效果呈E_防=a₀+a₁H+a₂C+a₃C_侧线性关系（P<0.01），故构型可用高度、盖度、侧盖度3个参数量化构型与防风效果建立线性关系。

油蒿、霸王、梭梭、四合木及对照样地内0—100 cm高度层内输沙率随高度的增加均呈现出指数Q=a+e ^bH 递减趋势，由于植物阻挡将沙粒的平均跃移高度不同程度抬升，植被群落样地内0—10 cm的输沙量较流动沙丘近地表沙量显著降低，群落的阻沙效果与a系数显著相关。高度、盖度和侧盖度作为植物构型量化的一种形式，在其中也起到关键作用。

4种植物群落植被覆盖度分别为5.32%±0.75%、11.96%±3.68%、25.49%±4.46%、8.84%±2.79%，侧盖度分别为20.45%、23.35%、70.36%、26.65%，高度分别为65.9±17.5、42.0±15.5、193.9±46.7、59.1±40.7 cm；4种群落的阻沙效果梭梭>霸王>四合木>油蒿，防风阻沙效果梭梭>霸王>油蒿>四合木，防风固沙效果的差异性来源于植被构型参数（高度、盖度和侧盖度）。本研究针对自然分布的植被群落防风固沙效果与构型进行研究，关于植被分布空间分布格局与防风固沙效果关系有待进一步深入研究。