在中国西北地区的沙漠边缘，特别是荒漠与绿洲之间的过渡带，甚至是一些沙漠腹地的沙坡，发育着许多天然灌木、半灌木以及草本植被。这些植被群落虽然结构简单、物种组成较少，植被覆盖度相对较低，且多呈斑块状不连续分布，但具有良好的防风阻沙功能，能够降低风沙活动强度，减轻沙漠化对绿洲的威胁^［1-3］。这些灌丛植被对地表风蚀防护效应的影响因素除了植被的覆盖度外，还包括植被的形状、植被的弹性及植株的分布格局等^［4］。梭梭（Haloxylonam modendron）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）、泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）3种植物均为沙区重要、常见的沙生灌木，是干旱区植被恢复的基础，但是这3种植物的形态结构和灌型参数不同，防风固沙的效果也不尽相同^［5-6］。目前关于植被防风固沙效应机制的研究主要通过风洞实验及数值模拟进行^［7-9］，张奕等^［10］采用风洞实验，研究生长季灌木单株对周围风速流场、输沙率和地表蚀积特征的影响，结果表明形态低矮且疏透度小的白刺比其他植物的防风阻沙作用显著，且能够防护的有效距离最大。在野外条件下大多是针对植被的盖度及结构特征对风蚀的影响开展研究^［11-12］，刘虎俊等^［13］通过野外研究发现，对相同配置的防风固沙林调节灌丛结构可以提高其防风固沙效能。随着荒漠化防治领域的研究不断深入，通过植物防风固沙、保护沙地土壤质量已经成为研究热点^［14-16］。但有关灌丛植物个体形态对近地面防风固沙效应的研究较少，特别是有关黑河中游荒漠绿洲过渡带灌丛植物防风蚀效应的研究甚少。植被对荒漠绿洲过渡带风蚀环境的影响主要体现在防风以及阻沙方面^［17-18］。因此，研究过渡带植物防风固沙效应的关键因子，提出合理的防风固沙植物人工种植建议及调控技术措施，对过渡带植被持续稳定地发挥防风固沙作用及维护过渡带生态环境稳定运行具有重要的现实意义。本文通过野外调查观测实验数据，探究黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物对防风效能、输沙率及风沙流结构的影响规律，应用空气动力学原理对影响机制进行分析。研究结果可为今后该地区固沙植物的选择、配置方式的优化以及荒漠化防治提供参考依据。

研究区地处黑河中游的甘肃省张掖市临泽县北部的荒漠绿洲过渡带，地理位置39°21′53″—39°22′01″N、100°09′12″—100°09′14″E，位于巴丹吉林沙漠和张掖-临泽绿洲交会处，属典型的温带大陆性荒漠气候^［19］。海拔1 370 m左右，四季云量少，光照充足，年日照时间为3 045 h；多年平均降水量117 mm，集中于6—9月，约占全年降水量的70%，年蒸发量在2 390 mm以上，空气相对湿度为 45%~49%；年平均气温7.6 ℃，最低气温-27.3 ℃，最高气温39.1 ℃^［20］。常年以西北风为主，年平均风速3.2 m·s^-1，最大风速21 m·s^-1，≥8级的大风日数年平均为15 d。由于长期受到风沙活动的影响，土壤以灰棕色漠土和风沙土为主。研究区内天然植物群落结构较为简单，呈斑块状分布，植物种类稀少，主要为灌木与半灌木群落，部分为短期生和1年生的草本植物，其余基本上为超旱生植物，具有典型荒漠植物的特征，研究区代表性固沙植物有梭梭、沙拐枣、泡泡刺、柽柳（Tamarix ramosissima）等^［21］。

选取研究区生长发育的优势植物种梭梭、沙拐枣、泡泡刺为研究对象，观测时间为多风季节的2022年5月。每种植物设置3个重复，选取的观测植株周围地势较为平坦，地表为半固定沙地，植株周围8 m内没有其他植株或障碍物。每种观测植株选择时尽量选取树龄相同、冠幅及灌丛高度大小相近的同种植物，为了不同植物种间有可比性，所选植株周围生境条件基本相同，人为干扰较少。观测区植物基本情况见表1。

野外风速观测布置如图1所示。采用日本三量RA620分体自计式风速风向仪，风速测量精度为±0.01 m·s^-1，设置9个风速观测点，分别为灌丛迎风面1H（H为灌丛植株高度）、2H处，背风面1H、2H、3H处，两侧面1H、2H处。各观测点周围均无其他植被影响，每个风速观测点上设置3个测量高度，分别为距地面0.5 m、1.0 m和1.5 m高度处。吹风日根据风况进行多次测量，每次观测时间为10 min，数据记录间隔时间为5 s，然后分别计算其平均值。3种灌丛植物观测次数均为21次。风速降幅（E_kxz ）反映植物对风速的降低程度^［16］：

式中：E_kxz 为k风速下距离植株水平距离x处、垂直高度z处降低风速的百分比；V_kz 为k风速下垂直高度z处的旷野风速，本研究中采用迎风面2H处的风速代替；V_kxz 为k风速下距离植株水平距离x处、垂直高度z处的平均风速。

野外采用山东潍坊金水华禹生产的HY. JSY-B组合阶梯式集沙仪对各灌丛植株0~20 cm高度范围内的近地面风沙量进行观测，集沙仪集沙孔为2 cm×2 cm正方形，共分为10层，每层高2 cm，观测时集沙口垂直于地面和主风向，底部与地面平齐（图2）。每个灌丛植株设置9个观测点，同步进行集沙量观测，各观测点周围均无其他植被影响。当风速超过起沙风速时，打开集沙仪开始收集，观测时间为30 min。在观测风沙流的同时，采用风速仪进行对照风速观测，测量间隔1 min，计算平均风速。收集结束后，将集沙仪中的集沙量进行分层称重，再计算总输沙率Q^［22］。

式中：Q为某一时段内断面输沙率（g·cm^-2·min^-1）；W为某一时段内经过断面的绝对沙量（g）；S为风沙流经过断面的面积（cm²）；t为观测的时间（min）。

经测量确定巴丹吉林沙漠边缘最小临界起沙风速为4.9 m·s^-1［1］，本文截取风速≥5.0 m·s^-1的观测数据，计算各灌丛植物在不同风速下背风面1H处0~20 cm高度的总输沙率，分析不同灌丛植物风速与输沙率的关系，建立不同灌丛植物风速与输沙率的函数关系。称量每个观测点的集沙量，将各观测点集沙量数据进行对数处理，得到各灌丛植物在地表不同高度下风沙流结构变化曲线。

从图3可以看出，3种灌丛植物迎风面2H处的风速均大于迎风面1H处，侧面2H处风速大于1H处，背风面1H处风速达到最小值，到达3H处时泡泡刺基本恢复至旷野风速，而梭梭和沙拐枣仍未恢复至旷野风速，并且在背风面各观测点处沙拐枣的风速均大于梭梭，说明3种植物减弱风速的有效防护距离表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。在3个高度上各植物背风面风速亦均表现为泡泡刺>沙拐枣>梭梭，说明3种植物对于风速的阻拦作用表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，而在迎风面和侧面各观测点处的风速则存在差异。由于灌丛植株对于气流有阻挡作用，所以当风经过植株时会在迎风面产生涡旋，气流会从植株侧面和上面绕流通过，因此迎风面风速逐渐减小，到达植株本体时降低到最小值，而侧面的风速得到了加强，形成加速区；当气流经过植株后，由于涡旋的存在，风速降低，在灌丛背风面形成一个静风区，在此区域内气流处于低速状态，随着背风面距离增加，风速逐渐增大恢复至旷野风速。3种植物的风速加速区均位于侧面1H~2H，在加速区梭梭植株的风速增加幅度为2.5%~4.3%，沙拐枣植株的风速增加幅度为6.6%~14.0%，泡泡刺植株的风速增加幅度为3.8%~7.4%；而3种植物的静风区位于背风面1H~3H，在静风区梭梭植株的风速降低幅度为47.9%~69.7%，沙拐枣植株的风速降低幅度为42.1%~52.0%，泡泡刺植株的风速降低幅度为34.6%~47.3%。

由于3种灌丛植株个体特点不同，呈现出了不同的气流流线。流线结构越紧密，表示风速变化频率越快，在植株迎风面表现为风速衰减越快，而在植株背风面则表现为风速恢复越快，有效防护距离越短。在0.5 m高度上，流线结构的紧密程度总体表现为泡泡刺>沙拐枣>梭梭，在灌丛植株的迎风面，风速衰减最快的是泡泡刺，其次是沙拐枣，衰减最慢的是梭梭，而在植株背风面，风速恢复最快的是泡泡刺，而恢复最慢的是沙拐枣，由于梭梭植株相对较高，在0.5 m高度上有效防护距离没有达到最高（图4）。在1.0 m高度上，流线结构紧密程度表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，在灌丛植株迎风面，风速衰减最快的是梭梭，其次是泡泡刺，衰减速度最慢的是沙拐枣，而在植株背风面，风速恢复最快的是泡泡刺，梭梭与沙拐枣恢复速度基本相当，1.0 m高度有效防护距离表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺（图5）。在1.5 m高度上，流线结构紧密程度表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，在迎风面方向上，风速衰减最快的是梭梭，其次是沙拐枣，衰减速度最慢的是泡泡刺，在背风面方向上，由于泡泡刺植株较为低矮，风速恢复速度最快，所以有效防护距离最短，1.5 m高度有效防护距离表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺（图6）。

在各灌丛植物的观测点中，风速降幅最大的点均为背风面1H处，平均风速降幅表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。在0.5 m高度时，梭梭背风面1H的风速相对于起始风速降幅为49.8%，而沙拐枣为48.1%，泡泡刺为48.6%，3种灌丛植株在0.5 m高度时阻风效果差别较小，梭梭在背风面2H和背风面3H处的风速降幅分别为43.1%和25.9%，均大于沙拐枣和泡泡刺，说明梭梭的有效防护距离较大。在1.0 m高度时，梭梭背风面1H处风速降幅为62.9%，随着高度的上升，风速降幅增大，这是由于灌木地上部分的丛生性，1.0 m高度比0.5 m高度处横截面积更大，对于风的阻拦效果更加明显，沙拐枣和泡泡刺背风面1H处风速降幅为54.0%和59.6%，在背风面2H和背风面3H处风速降幅均表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。在1.5 m高度时，背风面1H处风速降幅为梭梭53.6%，沙拐枣44.5%，泡泡刺21.6%，随着观测高度的上升，泡泡刺对于风速的影响显著减小。

风沙流在到达灌丛位置后由于气流受阻导致风速降低，风能降低，使风沙流的运沙能力下降，一部分粒径较大的沙粒开始降落，输沙量也随之降低，风沙流越过灌丛植株后，风速进一步降低，输沙量也进一步减小，沙粒大量沉降，形成风积，而在植株两侧由于漩涡作用，风速增大，输沙量增大，也会出现风蚀现象^［23-24］。从图7可以看出，在灌丛植株迎风面2H~1H内，输沙率无显著变化，表现比较稳定，各灌丛植株对迎风面地表风沙流影响较小，到达迎风面1H时，泡泡刺植株的输沙率呈现出下降趋势，而沙拐枣和梭梭植株输沙率虽有下降但变化不明显；而在植株侧面1H~2H范围内，沙拐枣呈现微小上升趋势，泡泡刺呈现微小下降趋势，而梭梭无明显变化；在植株背风面1H以内时，各植株输沙率均显著减小，且各植株输沙率在背风面1H处达到最小值，下降幅度表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣，在背风面1H~3H内各植株输沙率均有增大。可以看出，灌丛植株迎风面和背风面1H范围内，受灌丛植物防风和阻沙效应的影响，输沙率均有降低，且背风面受影响较大。

风沙流结构是指气流搬运沙粒在高度层上的分布。近地面10 cm高度层的风沙流结构，对治沙工作至关重要。如图8所示，研究区各观测点随着集沙高度的增加，输沙率逐渐减少，且各观测点的输沙率主要在0~12 cm高度，平均占比超过80%，随着高度的增加，输沙率减小的速度表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣。为了对比不同条件下的阻沙效率，用100%减植株背风面1H处0~20 cm高度总输沙率与迎风面2H处0~20 cm高度总输沙率比值来表示阻沙效率。梭梭背风面1H处的总输沙率占迎风面2H处的39.3%，沙拐枣为53.7%，而泡泡刺为49.0%，即阻沙效率分别为梭梭60.7%，沙拐枣46.3%，泡泡刺51.0%，说明各灌丛植株对于风沙流均有显著的影响作用，且影响程度表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣。

如表2所列，不同灌丛植株风速与总输沙率均显著（P<0.01）符合指数函数和多项式函数关系，而多项式函数比指数函数能更好地描述风速与总输沙率之间的关系。随着风速的增加，各灌丛植物输沙率均有不同程度的增加。由表3可知，当风速在5.0~7.0 m·s^-1时，总输沙率随风速缓慢增加，当风速超过7.0 m·s^-1时不同植株的总输沙率均随风速极速增加，多项式函数关系计算的总输沙率增加幅度总体上表现为泡泡刺>沙拐枣>梭梭，当风速超过8.0 m·s^-1时指数函数关系计算的总输沙率增加幅度则表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。

在干旱或半干旱荒漠化地区特别是荒漠绿洲过渡地区的风沙防治过程中，营造植被是最广泛应用的措施，也是保护土壤不被风力侵蚀的最有效、最长久、最环保的方法^［25-27］。植被影响风蚀作用的途径主要有3种^［28］：第1种途径是通过碰撞阻拦使沙粒沉积^［29］。第2种途径是通过覆盖地表减小风力对地表的直接吹蚀作用。地表空气动力学粗糙度是指地表平均风速为零的高度，反映的是地表植被对下垫面流场的影响程度，地表空气动力学粗糙度会随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系的增加^［30］。张春来等^［31］通过风洞实验研究得出，植被覆盖条件下空气动力学粗糙度和摩阻速率的增大对土壤风蚀具有显著的影响。第3种途径是通过改变气流流场，减弱地表风动量，从而降低地表风沙流携沙量。沙地建立植被后，植被地上部分可以造成风沙流的分解，有效抬升流场，分散近地表气流中的风动量，引起近地表风速廓线的变化，从而减小风对地表的吹蚀作用^［32］。本研究中，各灌丛植株的静风区位于背风面1H~3H范围内，而加速区均位于侧面1H~2H。根据空气动力学原理，气流遇到障碍物（灌丛植株）时，形成绕流现象，在水平方向上，气流在障碍物的迎流面至侧面顶点处的速度沿程增加，即∂ue∂x>0，形成风蚀加速区；气流过侧面顶点后，因障碍物的边界面走向发生变化，使侧面顶点至背风面某点处的速度沿程减小，即∂ue∂x<0，形成弱风区，直至背风面的某点处流速梯度为零，即∂ue∂yy=0=0,该点即为气流脱离障碍物壁面的分离点，壁面分离点外的流动区域扩大，气流速度将逐渐恢复至旷野风速。但在分离点至障碍物背风面的一定范围形成涡流区，涡流耗能加上地表摩擦阻力耗能，使气流速度快速衰减，形成了静风区。因此，距离灌丛植株越近，风蚀程度逐渐减小，在迎风面1H内，输沙率显著降低，而在背风面1H的静风区内降低程度更大。随着风速的增大（≥7.0 m·s^-1），研究区各灌丛植物的总输沙率随风速的增大而增加，且均呈指数函数或多项式函数关系增加，指数函数关系计算的总输沙率表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，而多项式函数关系计算的总输沙率表现为泡泡刺>沙拐枣>梭梭，这可能与不同灌丛植物的高度和分枝结构有关。另外，过渡带灌丛植被除了对地表的保护作用外，其凋落物也可以在一定程度上保护地表不受风力直接吹蚀^［33］。随着地表枯落物的分解转化，土壤机械组成发生变化，粉粒及黏粒的含量增加，容重、孔隙度及土壤有机质含量得到有效改善，从而改良了土壤质量^［34］，凋落物被微生物分解后产生的腐殖质会使土壤胶结成为团聚体^［35］，很大程度上也加强了灌丛植物周围防风蚀的效果。因此，在荒漠绿洲过渡带将灌丛植被防风固沙效应与土壤改良效应结合分析的研究仍然有待进行。

不同植物的防风蚀效果及对风速的影响不同，并且植物高度会对防风蚀效果产生很大的影响^［36］。在本研究中，植株的高度对防风效果产生了显著的影响，当风通过植株时受到植株的摩阻作用，使近地表风速减小，而越接近植株顶端，植株对风速的影响越小，越接近植株中部，对风速的影响越大。例如梭梭植株，当气流通过时，中部密集的枝条对风速产生了较大的影响，而顶端和下部对风速的影响较小。这主要是密集的冠层枝条大部分分布在植株中部，下部常为分支较少的主干^［37］。

黑河中游荒漠绿洲过渡带的3种典型灌丛植被中，梭梭的防风效果相对于泡泡刺和沙拐枣更加优异，而泡泡刺得益于其密集低矮的枝条结构，也表现出了较好的防风蚀性，但是也因为特殊的灌丛结构，其有效防护距离比较小，在高度较大的区间无法提供有效的阻风效果。水分条件仍然是限制泡泡刺生存和发展的重要因素^［38］。因此在黑河中游荒漠绿洲过渡带的固定、半固定沙地上，适合将梭梭作为主要防风固沙植物进行推广，尤其在风沙活动最频繁的春季，梭梭相对于其他灌丛植物防风固沙能力更为显著。灌丛植被只有在形成一定的结构时才能发挥出防风固沙效果，在荒漠绿洲过渡带地区的风沙防治过程中，不仅要考虑灌丛植物种类的影响，同时也要考虑灌丛空间分布格局的群体防护效应，不合理的植物配置方式可能会导致狭管效应，进而加重土壤的风蚀。因此，灌丛植物如何选择以及不同植物的配置方式对风沙流防治产生何种影响须有待进一步深入研究。

对于风速的阻拦效果总体表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺，且防风效应在迎风面和背风面差异显著，梭梭与其他灌丛植物相比防风效果更加显著，特别在1.0 m高度时，背风面1H处风速降幅高达62.9%，并且有最大的有效防护距离。

近地表防风蚀效果总体表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣，阻沙效率梭梭为60.7%，泡泡刺为51.0%，沙拐枣为46.3%。随着积沙高度的增加，各灌丛植物在相同风速下不同距离处的输沙率均呈阶梯式递减。

3种灌丛植株输沙率均随风速的增大而增大，且相关关系可用指数函数或多项式函数来描述，当风速在5.0~7.0 m·s^-1时，输沙率随风速缓慢增加，当风速超过7.0 m·s^-1时，随着风速的增加，输沙率增加速度变快。