植被盖度和配置方式对土壤风蚀影响的风洞试验

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00134

植被盖度和配置方式对土壤风蚀影响的风洞试验

孔玲玲^,, 董治宝^,, 白子怡, 肖锋军, 马慧榕, 许瑞聪

陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西西安 710119

Effects of vegetation cover and configuration on soil wind erosion based on wind tunnel experiments

Kong Lingling^,, Dong Zhibao^,, Bai Ziyi, Xiao Fengjun, Ma Huirong, Xu Ruicong

School of Geography and Tourism，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China

通讯作者: 董治宝（E-mail： zbdong@snnu.edu.cn）

收稿日期: 2023-07-30 修回日期: 2023-10-11

基金资助:

国家自然科学基金面上项目. 42171004. 42071009
国家自然科学基金重点项目. 41930641

Received: 2023-07-30 Revised: 2023-10-11

作者简介 About authors

孔玲玲（1999—），女，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为风沙地貌E-mail：kll52866@163.com , E-mail：kll52866@163.com

摘要

土壤风蚀是中国北方严重的环境问题，植被能够有效控制土壤风蚀。为给土壤风蚀防治方案设计提供依据，在毛乌素沙地南缘以中科1号羊草（Leymus chinensis）为对象，通过野外风洞试验，研究植被盖度（10%、20%、30%和40%）和配置方式（一行一带式、两行一带式、交叉分布式）对风沙流结构和输沙率的影响。结果表明：（1）各层输沙强度随风速增加而递增，随盖度增加而递减；输沙率与盖度符合指数函数关系。风沙流结构出现“象鼻效应”，风速和盖度的增加均使输沙强度峰值的高度层上移。（2）3种配置方式下输沙强度沿垂直高度的变化均呈指数函数分布，两行一带和交叉分布的阻沙效果大于一行一带。（3）从固沙效能最佳和经济效益角度考虑，中科1号羊草应种植盖度约为30%，风速较大的区域使用交叉分布的配置方式。

关键词： 植被盖度 ; 植被配置方式 ; 风沙流结构 ; 羊草（Leymus chinensis） ; 可移动风洞

Abstract

Soil wind erosion is a serious environmental problem in northern China， and vegetation can effectively control soil wind erosion. In order to provide a basis for the design of soil wind erosion control program， this experiment was carried out in the southern margin of Mu Us Sandy Land with Leymus chinensis “Zhongke No.1” as the object. The effects of vegetation coverage （10%， 20%， 30% and 40%） and configuration mode （one-row-and-one-belt， two-row-and-one-belt， and cross-distributed） on the structure of wind-drift sand and the amount of wind erosion were studied. The results showed that：（1） The sediment transport intensity of each layer increases with the increase of wind speed and decreases with increasing coverage. The rate of sand transport conforms to an exponential function with coverage. The “elephant's trunk effect” appears in the structure of wind-blown sand flow. The increase of wind speed and coverage makes the height level of the peak intensity of sand transport move upward. （2） The variation of sediment transport intensity along vertical height is an exponential function distribution， and the sediment inhibition effect of two-row-and-one-line and cross-distribution is greater than that of one-row-and-one-belt. （3） From the perspective of optimal sand fixation efficiency and economic benefits， Leymus chinensis “Zhongke No.1” should be planted with a coverage of about 30%， and areas with higher wind speeds use a cross-distribution configuration.

Keywords： vegetation coverage ; vegetation configuration mode ; wind-sand flow structure ; Leymus chinensis ; mobile wind tunnel

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本文引用格式

孔玲玲, 董治宝, 白子怡, 肖锋军, 马慧榕, 许瑞聪. 植被盖度和配置方式对土壤风蚀影响的风洞试验. 中国沙漠[J], 2024, 44(1): 235-243 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00134

Kong Lingling, Dong Zhibao, Bai Ziyi, Xiao Fengjun, Ma Huirong, Xu Ruicong. Effects of vegetation cover and configuration on soil wind erosion based on wind tunnel experiments. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(1): 235-243 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00134

0 引言

土壤风蚀指地表土壤颗粒在风力作用下的运移过程^［1］，是造成干旱、半干旱地区沙漠化的主要原因和首要环节^［2-3］。强烈的土壤风蚀会加速沙漠化的进程、引起严重的环境与生态问题^［4］。中国受土壤风蚀危害严重，北方干旱、半干旱、部分湿润地区是土壤风蚀强烈发展的地区^［5］，其中毛乌素沙地位于农牧交错带，生态环境脆弱，土壤风蚀尤为严重^［6］。土壤风蚀受植被状况、土壤特性、气温、降水条件及人类活动等多因素影响^［7］。在干旱的环境中，植物显著影响土壤风蚀的整个过程^［8］，能够有效抑制风蚀和防治沙漠化^［9］。了解植物在土壤风蚀中的作用对于控制风蚀具有重要意义。

植被对土壤的保护作用与植物种类、盖度、空间排列、冠层孔隙度等生态参数密切相关^［10-13］。董治宝等^［14］研究了植被对土壤风蚀作用的影响，证明了增加植物密度对有效防止风蚀具有重要作用。李映坤等^［15］在乌兰布和沙漠探究了4种典型植物群落的防风阻沙效果，发现植被的防风固沙效果与植被高度、盖度和侧盖度之间存在显著的线性关系；杨文斌等^［16］证明了低覆盖度灌木的行带式分布的防风固沙效果最佳且两行一带式配置优于单行配置；Liu等^［17］在研究不同形状和覆盖度植物模型对输沙量的影响时发现多排防护林比单排防护林的风速降低效果更好；Cheng等^［18］对8种单株植物在风洞内的背风侧的气流进行研究，发现气流速度的变化与植物形态和孔隙率有关。现有研究对于单株植株形态以及单因素影响风沙流的定向研究较为丰富，但对于草本植物的抗风阻沙效果及其与风速、盖度和配置方式的定量关系研究有待进一步加强。

本文应用可移动风洞，分析不同植被盖度和配置方式与输沙强度及风蚀抑制效率的定量关系，探究植被盖度和配置方式对风沙流结构和输沙率的影响机理，以期为毛乌素沙地乃至周边干旱区制定合理的防风固沙方案提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1　研究区概况

试验点位于陕西省榆林市榆阳区岔河则乡灯炉滩村（38.68°N、109.38°E，海拔约1 000 m），该区域属于温带半干旱大陆性季风气候，夏季炎热少雨，冬季寒冷干燥，年降水量平均220 mm，全年最大风力可达10级^［19］（图1）。该地处于毛乌素沙地的南缘，由于春季起沙风频繁、地表裸露以及大气干燥造成土壤侵蚀严重、沙尘暴频繁，属于《全国防沙治沙规划（2021—2030年）》规定的防沙治沙优先治理区内。

图1

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图1 研究区和试验点分布

Fig.1 Overview of the study area and experimental site

1.2　研究方法

1.2.1　试验设备

风洞试验利用陕西师范大学可移动风蚀风洞完成（图2D）。该风洞为开路式直流吹气风洞，由试验段、整流段和动力段三部分组成。风洞全长11 m，试验段长7.2 m，高0.6 m，宽0.55 m，为无底矩形截面，最大净风速27 m·s^-1［20］。风洞风速的测定采用中国科学院研制的数字式多路风压风速测试仪在风洞出口处测量，该测试仪由毕托管、微压传感器和数字式多路风压风速采集程序构成^［21］。通过3次裸地测试，均显示风速与高度的分布具有良好的对数关系（R²≥0.99），符合近地表自然风况的特征，满足试验要求。临界层高度为10~20 cm。采用平均集沙效率为91%的线状被动式集沙仪——WITSEG集沙仪在风洞口测量输沙量^［22］。集沙仪监测高度为30 cm，共15个层次，每层进沙口为1 cm×2 cm。

图2

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图2 试验设计

Fig.2 Experimental design

1.2.2　试验设计

羊草（Leymus chinensis）隶属禾本科赖草属多年生植物，具有营养丰富、繁殖力强、抗逆性强等优点^［23］，是中国北方半干旱草原优势种，既是生态环境保护、保持水土的重要植被，又是一种经济作物。本试验所用植物种为中科1号羊草（Leymus chinensis），是由中国科学院植物研究所选育的羊草品种。

种植方式如图2所示，分为一行一带（图2A）、两行一带（图2B）和交叉分布（图2C）3种配置方式，每种配置方式分别按照10%盖度、20%盖度、30%盖度、40%盖度进行种植。植被种植时间为2022年3月15日至2022年7月31日。总计种植12个样方，样方长为10 m，宽度为1.5 m（图2F），试验段植被分布范围长7.2 m，宽0.5 m。

风洞试验于2022年7月25日开始，至2022年7月31日结束，草高通过修剪控制在20 cm。样方表层土壤的含水率在0~2.5 cm深度约0.27%，在2.5~5 cm深度约1.86%，在5~10 cm深度约2.99%。

试验时将风洞搬移至待测样方正上方，将集沙仪放在风洞尾部中央，距尾部20 cm处（图2E）。分别在来流风速为7、9、11、13 m·s^-1风速下吹蚀10、5、3、1 min，利用集沙仪分层收集和测定不同条件下0~30 cm气流层内的风蚀物。每次吹蚀结束后，将集沙仪收集到的风蚀物分层装入自封袋，带回试验室后使用分辨率为0.0001 g的电子天平称量并计算输沙强度，单位为g·cm^-2·min^-1。

1.2.3　数据处理

单宽输沙率是指单位宽度上的沙尘颗粒输送量：

Q = W / (L \times T)

（1）

式中：Q为单宽输沙率（单位：g·cm^-2·min^-1）；W为沙粒总质量（本试验中为集沙仪15个层次的沙量总和，单位：g）；L表示试验区域的宽度（本试验中即集沙仪的宽度，单位：cm）；T表示收集该沙量的时间（单位：min）。

风蚀抑制效率（K）是裸地的风蚀量（F₁）和不同盖度或者配置方式下的风蚀量（F₂）的差值与裸地的风蚀量（F₁）的比值^［24］，即：

K = (F_{1} - F_{2}) / F_{1} \times 100 %

（2）

式中：K为风蚀抑制效率（%）；F₁为空白对照的风蚀量（g·min^-1）；F₂为不同植被盖度或配置方式下的风蚀量（g·min^-1）。

2 结果与分析

2.1　植被盖度对风蚀特征的影响

2.1.1　植被盖度对风沙流结构的影响

输沙强度是指一定风速条件下，单位时间内通过单位垂直面积的沙粒质量，输沙强度沿高度的变化反映了风沙流结构。对一行一带配置模式下不同盖度、不同高度处的输沙强度进行测量，得到各风速水平下不同植被盖度的风沙流结构（图3）。

图3

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图3 各风速下不同植被盖度的风沙流结构

Fig.3 Structure of wind-drift sand flow with different vegetation coverage at each wind speed

由图3A可知，在低风速（7 m·s^-1）条件下，各植被盖度的输沙强度一般随高度升高而逐渐降低，输沙强度峰值一般都出现在贴近地表处。如图3B所示，在风速为9 m·s^-1时，植被盖度较小（10%、20%、30%）的样地的输沙强度峰值依然出现在贴近地表处，而当植被盖度增大到40%时，输沙强度峰值出现在了10~12 cm高度，风沙流结构曲线出现先增后减的趋势。如图3C所示，风速为11 m·s^-1时，植被盖度为10%的样地的输沙强度峰值出现在2~4 cm高度，植被盖度为20%的输沙强度峰值出现在2~4 cm高度，植被盖度为30%的样地的输沙强度峰值出现在16~18 cm高度，植被盖度为40%的输沙强度峰值出现在16~18 cm高度。如图3D所示，风速为13 m·s^-1时，植被盖度为10%的样地的输沙强度峰值出现在2~4 cm高度，植被盖度为20%的输沙强度峰值出现在8~10 cm高度，植被盖度为30%的样地的输沙强度峰值出现在16~18 cm高度，植被盖度为40%的输沙强度峰值出现在18~20 cm高度。在风速为11 m·s^-1和13 m·s^-1时，不同植被盖度的输沙强度一般随高度升高先增加再降低；输沙强度峰值随着盖度的增加而逐渐上移，对比11 m·s^-1和13 m·s^-1风速下的风沙流结构曲线，发现13 m·s^-1风速下输沙强度峰值上移的趋势更加明显。

综上，各植被盖度条件下，随着高度的增加，不同风速的输沙强度皆呈先升高再下降的趋势，各高度层的输沙强度随盖度增加而逐渐降低，具有输沙强度峰值，出现了“象鼻”。随着盖度和风速的增加，输沙强度峰值的高度都会逐渐增加。

2.1.2　植被盖度对输沙率的影响

由图4可知，随植被盖度的增加，不同风速下输沙率均不同程度减小，且显著（P<0.05）符合指数递减规律，R²均大于0.9。7 m·s^-1风速时，输沙率在各个盖度下均极缓慢降低并趋于稳定。9 m·s^-1风速时，输沙率在0~10%盖度区间内快速下降，在10%~30%盖度区间内较快速下降，在30%~40%盖度区间下极缓慢下降。11 m·s^-1风速时，输沙率在0~10%盖度区间内快速下降，在10%~20%盖度区间内缓慢下降，在20%~30%盖度区间内更缓慢下降，在30%~40%盖度区间下降较为平缓。13 m·s^-1风速时，输沙率在0~10%盖度区间急速下降，在10%~30%盖度区间内快速下降，在30%~40%盖度区间下降较为平缓。

图4

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图4 不同风速下植被盖度与输沙率的关系

Fig.4 Relationship between vegetation coverage and sand transport rate at different wind speeds

2.1.3　植被盖度对风蚀的抑制效率

各风速条件下，随着植被盖度的增加，风蚀抑制效率亦会增加，且随着风速的增加，风蚀抑制效率整体会下降（表1）。从平均值来看，随着植被盖度的增加，风蚀抑制效率亦会增加：植被盖度为10%、20、30%、40%的风蚀抑制效率平均值分别为48.18%、67.11%、85.31%、91.23%。植被盖度由0增大到10%时，风蚀抑制效率增加了48.18个百分点，增幅极显著；植被盖度由10%增大到20%时，风蚀抑制效率增加了18.93个百分点；植被盖度由20%增大到30%时，风蚀抑制效率增加了18.2个百分点；植被盖度由30%增大到40%时，风蚀抑制效率增幅不显著，只增加了5.92个百分点。

表1 不同植被盖度的风蚀抑制效率（%）

Table 1 Wind erosion suppression efficiency of different vegetation coverage（%）

风速 /（m·s^-1）	植被盖度/%
风速 /（m·s^-1）	10	20	30	40
7	50.99	85.43	96.37	95.80
9	54.66	75.60	90.46	93.73
11	33.45	39.03	71.64	87.08
13	53.62	68.38	82.78	88.32
平均值	48.18	67.11	85.31	91.23

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2.2　植被配置方式对风蚀特征的影响

2.2.1　植被配置方式对风沙流结构的影响

对相同盖度（10%）下不同植被配置方式（一行一列、两行一列、交叉分布）在不同风速（7、9、11、13 m·s^-1）下的风沙流结构进行对比。不同风速下，各植被配置方式的输沙强度均随高度的增加呈现减少的趋势，输沙强度峰值集中在贴近地表的0~6 m高度区间内，达到峰值后输沙强度快速下降后缓慢下降并趋向于0。随着风速的增大，各植被配置方式的输沙强度均增大：7 m·s^-1时，3种配置方式的输沙强度在0~0.40 g·cm^-2·min^-1；9 m·s^-1时，3种配置方式的输沙强度在0~1.40 g·cm^-2·min^-1；11 m·s^-1时，3种配置方式的输沙强度在0~3.25 g·cm^-2·min^-1；13 m·s^-1时，3种配置方式的输沙强度在0~5.00 g·cm^-2·min^-1。在各试验风速下，一行一带植被配置方式的输沙强度均大于两行一带和交叉分布的输沙强度，而两行一带和交叉分布的输沙强度相差不大，两种配置方式的风沙流结构曲线在各风速下形状类似，各高度下的输沙强度值相差不大（图5）。

图5

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图5 不同风速下各植被配置方式的风沙流结构

Fig.5 Structure of wind-drift sand for each vegetation configuration at different wind speeds

在植被盖度为10%时，裸地、一行一带、两行一带、交叉分布式的样方在0~30 cm高度内的输沙强度（q）随高度（h）的增加均呈现出指数函数 $q = a e^{b h}$ 的递减趋势（图6）。一行一带、两行一带和交叉分布式样方的R²分别为0.954、0.965和0.951，且P值均小于0.001，即该指数函数的拟合是极显著的，具有统计学意义。对指数函数 $q = a e^{b h}$ 进行分析，参数a可以表征贴近地表的输沙强度，参数b可以表征为输沙强度随着高度递增的递减程度。一行一带、两行一带、交叉分布式的样方拟合参数a分别为2.196、1.317和1.097，可见这3种配置方式减少近地表的输沙强度的递减程度依次为交叉分布、两行一带、一行一带式分布，其中两行一带和交叉分布的减少量相差不大；3种配置方式的拟合参数b分别为-0.133、-0.093、-0.086，可见这3种配置方式的输沙强度随高度的递减程度依次为交叉分布、两行一带、一行一带式分布，其中两行一带和交叉分布的减少量相差不大。

图6

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图6 不同植被配置方式下输沙强度与高度的关系曲线

Fig.6 Curves of sand transport intensity versus height under different vegetation configurations

2.2.2　植被配置方式对风蚀的抑制效率

对3种配置方式的风蚀抑制效率进行计算，两行一带式植被的风蚀抑制效率平均值为76.10%，交叉分布为75.63%，一行一带为67.15%（表2）。其中，当风速为7 m·s^-1时，交叉分布的风蚀抑制效率为87.69%，两行一带的风蚀抑制效率为86.64%，两种配置方式的风蚀抑制效率相差不多；当风速为9 m·s^-1和11 m·s^-1时，交叉分布的风蚀抑制效率为77.64%和61.37%，两行一带的风蚀抑制效率为83.66%和62.39%，两行一带的风蚀抑制效率均大于交叉分布；当风速增大到13 m·s^-1时，交叉分布的风蚀抑制效率为75.63%，而两行一带的风蚀抑制效率为71.71%，两行一带的风蚀抑制效率明显小于交叉分布。

表 2 不同植被配置方式的风蚀抑制效率（%）

Table 2 Wind erosion suppression efficiency of different vegetation configurations （%）

风速 /（m·s^-1）	植被配置方式
风速 /（m·s^-1）	一行一带	两行一带	交叉分布
7	72.11	86.64	87.69
9	74.54	83.66	77.64
11	49.64	62.39	61.37
13	72.29	71.71	75.83
平均值	67.15	76.10	75.63

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3 讨论

风蚀的影响因子可以分为风力侵蚀因子、粗糙干扰因子和土壤抗蚀因子3类，植被是重要的粗糙干扰因子^［7］，通过遮蔽土壤表面和吸收气流动量从而影响风沙流的结构和风蚀量^［25］，因此是在荒漠化地区进行水土保持与沙质荒漠防治的重要手段。而植被盖度和植被配置方式作为植被的重要参数，对其防风固沙能力有很大影响^［26］。

3.1　植被盖度对“象鼻效应”的影响

本试验结果显示，随着盖度和风速的增加，输沙强度峰值所在的高度也会逐渐增加，与普通沙质表面不同。这与邢恩德等^［27］的研究结论（在植被影响下风沙流结构呈跳跃式分布且最大输沙率的高度层随植被盖度的增加不断上移）相同。与戈壁风沙流输沙量高度分布表现出的“象鼻效应”类似^［28］。原因可能是由于植被对风蚀物的拦阻与覆盖地表的作用让单位颗粒在一定范围撞击地表的次数减少，使其运行的高度有所提升，导致贴地表层的输沙量减少^［29］。随着植被盖度的增加，单位颗粒的运行高度也在不断增加，导致了输沙强度峰值所在的高度也会逐渐增加，从而影响地表风沙流的垂向结构，形成了“象鼻”，符合植物的阻挡与抬升作用会使得沙粒的平均跃变高度升高的规律^［30］。其次，随着风速的增加，风提供给沙粒的动能增加，沙粒的弹跳高度也会增加，使输沙强度峰值的高度增加^［31］。

3.2　最佳植被盖度和配置方式

余沛东等^［32］开展了沙丘植被盖度对风沙流输沙率影响的研究，通过测试分析得出同一风速下输沙率与植被盖度呈二次函数关系。本研究中不同植被盖度水平下的输沙率与风速呈二次函数关系，随着植被盖度的增加，各风速下的输沙率呈阶梯式降低（图3），除当7 m·s^-1风速时，输沙率在各个盖度下均缓慢降低并趋于稳定，其余根据输沙率随盖度的斜率变化情况，可将植被盖度分为3个区间：0~10%时为低盖度区间，输沙率随盖度增加下降较急速；10%~30%为中盖度区间，输沙率随植被盖度的增加快速下降；30%以上为高盖度区间，输沙率随高度的增加下降较为平缓。从风蚀抑制效率来看，与不同植被盖度下风速与输沙率的关系（图3）对比可知，当植被盖度达到30%以上，输沙率随高度的增加下降较为平缓。盖度10%时风蚀抑制效率平均值为48.18%，盖度30%时风蚀抑制效率平均值为85.31%，表明植被盖度10%~30%时为输沙率减小的关键期。Pang等^［33］在毛乌素沙地对原生植被油蒿（Artemisia ordosica）的研究表明如果油蒿盖度大于29%，风蚀就将得到有效控制，与本试验结果相似。因此在本区域实际种植中科1号羊草时，综合考虑植被的固沙效能和经济效益的最佳盖度为30%左右。

植被配置方式是植被影响防风固沙效果的重要因素，杨文斌等^［16］认为相同盖度下行带式分布的植被对土壤风蚀的减弱作用优于均匀分布的植被，王炜炜^［34］对行带式、均匀式、随机式樟子松的防风效应进行研究得到3种配置方式的防风效果为：行带式>均匀式>随机式。本文中对各配置方式的输沙强度在高度上的分布关系进行指数函数 $q = a e^{b h}$ 拟合，从参数a和参数b的大小来看，蠕移输沙强度和沙粒随高度的衰减程度都是交叉分布>两行一带>一行一带，但两行一带和交叉分布的减少量相差不大（图5）；从风蚀抑制效率来看，效率越高，说明该配置方式下固沙效果越好，因此这3种配置方式阻沙的效果为两行一带>交叉分布>一行一带，且两行一带和交叉分布的风蚀抑制效率相差不大。当风速增大到13 m·s^-1时，交叉分布的风蚀抑制效率为75.63%，而两行一带的风蚀抑制效率为71.71%，两行一带的风蚀抑制效率明显小于交叉分布。两行一带和交叉式分布阻沙效果都大于一行一带的原因可能是林带阻沙和消减风速的能力存在明显的累加效应^［35］，两行一带和交叉式配置所形成的林带相较于一行一带来说都更多更密集，因此阻沙能力更强，但对于两行一带和交叉式分布的防风阻沙效果相近的原因还需进一步探究。

以往试验多在室内风洞模拟植被粗糙元，但这些研究结果不能完全代表真实植物在防风固沙方面的有效性^［36］。本试验应用移动风洞在野外植被直接进行试验，利用自然环境中土壤、地形、植被等真实特性^［37］，试验结果更接近实际情况。

本试验针对于不同植被盖度和配置方式对土壤风蚀的影响进行研究，关于在此条件下，风速、盖度、配置方式的多因素对风蚀的综合影响有待进一步深入研究。

4 结论

随着植被盖度的增加，植被对地表的保护作用增强，具体表现为输沙强度减少，输沙强度峰值出现的高度上移。同一风速下输沙率与植被盖度呈指数函数分布。风蚀抑制效率随盖度的增加而增大，出于固沙效能和经济效益综合考虑，建议种植的最佳盖度为30%。

3种配置方式（一行一带、两行一带、交叉分布）的输沙强度沿高度的变化均呈指数函数分布。固沙效果方面，两行一带和交叉分布的阻沙效果明显优于一行一带，交叉分布式的固沙效果在风速较大时优于两行一带。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王仁德，邹学勇，赵婧妍.

半湿润地区农田土壤粉尘释放的风洞模拟研究

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