原始冲-洪积物经长期风沙蚀积作用使戈壁地表物质逐渐粗粒化，形成“砾质面”，且由于沙粒分选搬运与沉积作用的影响，戈壁地表出现砾石盖度及组分的异质性 ^［1］，并对风沙活动产生影响^［2-3］。梭梭（Haloxylon ammodendron）因耐干旱、耐风蚀、耐高温、耐瘠薄等特性^［4-5］被公益造林项目用于戈壁地区大面积的防护林营造，以达到保持水土、防风固沙的效果。砾石盖度增加对风沙流运动抑制作用显著，而戈壁栽植梭梭在造林初期会破坏原始砾石层，加速地表沙化。同时戈壁地区环境因子类型多样，且气温高、降水少，人工梭梭林生长表现差、保存率低、造成地表扰动、造林成本高^［6］，因此在不同砾石盖度的戈壁地区选择适宜的林带配置既可以进行风沙防治，又有利于生态修复。

目前，学者通过风洞模拟及野外观测等方法，对戈壁地表风沙运动过程和植被不同配置的防风效能进行研究，发现戈壁风沙活动主要在近地表20 cm高度内，且由于沙和砾石的碰撞^［7-10］，输沙高度分布表现出独特的“象鼻”效应^［2］，戈壁风蚀速率和风速均随砾石覆盖度增加有规律减小^{［3，11-14］}，砾石的存在可抑制近地表风沙活动；植被通过分解风力和覆盖地表等途径起到防风阻沙作用，风速经过植株后明显降低^［15-20］。植株成林后形成不同林带，影响林带防风效能大小的因素包括植被覆盖度^［21-22］、高度、形状及排列方式^［23-26］等，其中行带式配置防风效果较好^［27-28］，不同行带配置对风速变化的影响也各不相同^［29-30］。目前研究主要是对戈壁地区防护林防护效能的野外观测^［31-32］，那么同时改变砾石盖度和林带配置所获取的不同组合间的防风效能又有怎样的差异？砾石盖度与林带配置模式怎样结合才既能起到防风固沙的作用又能保护戈壁砾石层？

本文将结合戈壁地表的砾石盖度、梭梭高度和林带配置变化，分析不同组合风速流场及防风效能的变化得到不同砾石盖度结合梭梭配置对风速流场的影响。除此之外，本试验采用梭梭幼苗制作风洞试验模型，在保证植株活性的前提下于短时间内完成测试，可真实地模拟梭梭林下的防风效能。模拟不同戈壁地表砾石盖度下单行、两行和三行3种行带状配置梭梭林防风效能，为戈壁地区选择适宜的梭梭造林配置模式及区域防风固沙造林提供重要参考依据。

试验在中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究实验站的野外环境风洞中完成的，该风洞为直流吹气式风洞，洞体全长38.78 m，截面为1.2 m×1.2 m，其中试验段长5 m，根据试验时的气压和气温用数字式微压差计系统调节进口风速，试验选取6、10、14、18、22 m·s^-1风速，沿0.2、0.5、1.0、1.5、3.0、6.0、12.0、20.0、35.0、50.0 cm高度用皮托管测量风速。测量输沙量的垂直分布采用阶梯式积沙仪，其风沙流入口断面2 cm×2 cm，共分为10层，高20 cm。

试验开始前于集装箱内用腾格里沙漠沙及少量水保证梭梭幼苗的活性，因野外实地常见梭梭高度为1.5~3 m，故本文按照1∶10的比例确定风洞试验的梭梭模型高度分别为15 cm和30 cm，在保证梭梭苗具有存活特征的前提下剪掉根部，并在其自然生长形态下进行模型的修剪和制作：准备3 cm边长的木板，在中间钻取直径1 cm的小孔用以固定梭梭模型基径，用铁丝将修剪好的梭梭固定在木板上便于埋设。

取腾格里沙漠沙和阿拉善戈壁地区砾石，沙和砾石按照30%和60%的砾石含量混合均匀分别平铺为厚度10 cm、面积1.2 m×5 m的床面模拟不同砾石覆盖度戈壁，床面后0.5 m处放置积沙仪。梭梭以株间距0.2 m，行距1 m均匀埋设，根据每行5株设置为单行、两行、三行三种配置模式。低砾石盖度下15 cm高度梭梭分别设置单行、两行、三行3种配置模式，30 cm高度梭梭单行、两行、三行3种配置模式，高砾石盖度同上。同一砾石盖度、梭梭高度和配置模式为一组，共12组。

距离梭梭林带-0.5H、-1H、-2H、-3H、-5H、-7H、-10H、0.5H、1H、2H、3H、5H、7H、10H处放置皮托管获取每个测点的风速垂直分布数据。H为梭梭模型高度，“-”符号为背风侧。图1为高砾石盖度下30 cm高度梭梭的三行配置。

砾石盖度测定：在两种砾石盖度的戈壁地表选取1 m×1 m样方并进行拍摄，获取戈壁床面无干扰状态下的垂直投影照片。采用ImageJ人工手动提取的方法得到本试验30%和60%砾石含量床面的砾石盖度分别为6.53%和43.96%。

防风效能计算：采用防护林带的计算方法。

式中：V_h，z 是距离林带为h、高度为z处的平均风速；V_0，z 是实验转速下高度z的初始风速；E_hz 是距离林带为h、高度为z处的防风效能，指在梭梭林h距离处、z高度的平均风速值比对照风速减小的百分比，以此反映风速的削弱程度。

在设定的风速条件下采集风速数据，同一测点停留3 min，每18 s记录一次数据，用Excel对数据进行基本分类及计算，根据试验结果，采用Surfer23、Origin2021绘制风速流场图、防风效能图并分析。

图2为梭梭林带前后1.5 m范围内单行梭梭林带配置不同林带高度及地表砾石含量风速流场变化。由数据处理得30%和60%砾石含量的砾石盖度分别为6.53%和43.96%（下文分别称为低砾石盖度和高砾石盖度）。低风速（6~10 m·s^-1）来流下，在4种组合林带前迎风侧，形成了垂直于梭梭林带相对整齐的等风速线。接近梭梭时，0~30 cm高度各等风速线下移，说明风速在此有增加趋势；但在30 cm高度以上，风速基本不变。在4种不同组合中，0点后0~30 cm风速均小幅度衰减，形成风影区。不同组合中梭梭林带中后位置均形成了极弱风速的旋涡，可能是由于梭梭模型对气流的阻挡，在此范围内形成了一定的静风区域造成。

高风速（14~22 m·s^-1）下，4种林带组合风场结构与低风速下的风场结构相似，随着风速增加等风速线密度均有所增加。近床面风影区面积与强度均明显减小，而梭梭模型上方的高风速区域面积逐渐增加，此结果证明了先前研究中随着风速增加，植株对风速削减作用降低的结论^［15-18］，高砾石盖度结合单行梭梭配置只能在低风速下保证静风区稳定。在林带上方15~30 cm，不同组合在所有风速下均存在不同面积的较高风速区域且随梭梭高度增加高风速区出现的高度范围越小，但在14、18、22 m·s^-1风速下的较高风速区域均未闭合，说明单行林带对高度范围内流场有影响而且对14 m·s^-1以上强风的削弱能力较弱。而模型上方 30~50 cm高度风速基本不变，这表示模型对这一区域的风速影响较小。

不同风速下，梭梭不同高度对流场的影响相似，梭梭高度增加，背风侧形成的风影区高度从0~30 cm增加到 0~50 cm。砾石盖度增加，林带迎风侧近地表静风区面积增加，背风侧与迎风侧差异不大。这说明梭梭高度的变化对流场影响的范围存在影响，砾石的存在对近地表气流有阻挡作用，且单行梭梭结合砾石共同作用对流场影响不大。

图3为梭梭林带前后1.5 m范围内两行梭梭林带配置不同林带高度及地表砾石盖度风速流场变化。低风速下，等风速线的变化与单行梭梭配置模式相似。不同的是在4种不同组合中，部分组合在0点处形成极弱风速的旋涡，这可能是由于气流在翻越第一行梭梭后被第二行梭梭阻挡、气流被迅速削减而在此区域形成不稳定的紊流造成的。0点后0~30 cm风速均明显衰减，等风速线出现抬升趋势并在此处及以后形成风影区，随距离增加风影区面积逐渐减小，这可能是由于两行梭梭模型对气流的阻挡作用持续距离较短的原因。

高风速下4种林带组合风场结构与低风速下的风场结构相似，随着风速增加等风速线密度均有所增加，近床面风影区面积与强度均小幅度减少，梭梭模型上方的高风速区域面积逐渐增加，但高砾石盖度的近地表仍存在小面积静风区。在林带上方30~50 cm，不同组合在所有风速下均存在不同面积的较高风速区域且随梭梭高度增加高风速区出现的高度范围越小，在18、22 m·s^-1风速条件下的较高风速区域均未闭合，说明两行林带对高度范围内流场有影响而但对18 m·s^-1以上强风的削弱能力较弱。这表示梭梭模型对整个区域的风速有影响，近地表静风区面积比单行梭梭配置面积大，高砾石盖度结合两行梭梭配置能在近地表抵御较强风。

不同风速下，梭梭不同高度对流场的影响相似，梭梭高度增加，低砾石盖度下林带背风侧几乎无影响，但高砾石盖度下林带背风侧的等风速线在0点后抬升幅度明显增加。砾石含量增加，林带迎背风侧的近地表静风区域面积减小，说明梭梭高度结合砾石盖度的增加对流场的共同作用明显，主要表现为对流场风速的大幅降低。

图4为梭梭林带前后1.5 m范围内三行梭梭林带配置不同林带高度及地表砾石盖度风速流场变化图。低风速下，风速流场线的变化与单行、两行梭梭配置模式相似。不同的是在4种不同组合中，0点后0~30 cm风速均大幅衰减，等风速线出现明显抬升趋势并形成大面积风影区。不同组合中梭梭林带中后位置均形成了面积较大的极弱风速旋涡，并随距离增加保持稳定，这可能是由于三行梭梭模型对气流的持续阻挡作用。

高风速下4种林带组合风场结构与低风速下的风场结构相似，随着风速增加等风速线密度均有所增加，近床面风影区面积与强度均大幅度减少，梭梭模型上方的高风速区域面积逐渐增加，但高砾石盖度的近地表有大面积静风区且持续存在。近地表静风区面积约为两行梭梭配置面积的2倍且持续影响距离远，低砾石盖度结合三行梭梭配置能在0~15 cm高度抵御强风并随风速增加所形成的静风区面积减小。在林带上方30~50 cm，不同组合在所有风速下均存在不同面积的较高风速区域且随梭梭高度增加高风速区出现的高度范围越小。

不同风速下梭梭高度变化对流场的影响相似，梭梭高度增加在低砾石盖度背风侧几乎无影响，但在高砾石盖度的背风侧等风速线在0点后抬升幅度明显增加并且林带迎背风侧随砾石含量增加近地表静风区域面积减小，说明梭梭结合砾石对流场的共同作用明显，主要表现为对流场风速的大幅降低，砾石在流场中可能存在高于自身的扰流。

图5为12 cm高度的梭梭模型在不同风速林带前后的防风效能。随着风速增加不同林带配置组合的防风效能均减小；3种不同行带配置梭梭林带后，三行配置在所有试验风速下的防风效能显著大于单行和两行配置，单行梭梭与两行梭梭之间没有显著差异，单行梭梭模型对于气流的削减作用最差且不稳定。

不同风速下梭梭林带的防风效能变化特征相似，单行梭梭林带背风侧防风效能呈先增加后减小且波动的趋势，随着距离增加防风效能逐渐增加，并且在背风侧1H处达到最大，所有风速最大平均防风效能从左到右分别为28%、23%、19.2%、25.4%，而后降低。两行梭梭林带防风效能呈不规则变化的趋势，其防风效能在背风侧0.5H~2H处均可达到最大，从左到右分别为37.2%、49.8%、28.2%、36.2%。三行梭梭林带防风效能在背风侧呈先增大后减小的趋势，其防风效能在背风侧0.5H范围外>40%，背风侧0.5H处达到最大，从左到右分别为49.4%、45%、44.6%、42.6%。

以三行梭梭防风效能变化为例，低砾石盖度下15 cm和30 cm梭梭高度时防风效能在背风侧0.5H处达到最大平均防风效能49.4%和45%后逐渐降低，而高砾石盖度下15 cm和30 cm高度梭梭林带防风效能在背风侧0.5H处达到最大值44.6%和42.6%后降低，并在3H处出现抬升现象。所以相比单行与两行梭梭林带，三行梭梭配置更能够有效抬升流场且稳定，使林带间所有区域均处于保护之中，三行梭梭林带配置下梭梭高度越高防风效能越低。

研究结果表明，砾石对气流的阻挡和扰流使带前近地表随砾石盖度增加静风区面积增大，符合前人随着砾石盖度的增加近地表风速逐渐降低的结论^［11-12］。先前的研究表明植物模型的阻挡等作用使气流削弱^［16-19］，这与本研究结果一致，梭梭模型阻挡了气流导致风速在梭梭模型高度范围内衰减。在林带上方，2种不同高度梭梭模型均在模型上方形成高风速区，这是因为气流遇到梭梭模型后，一部分被阻挡，受狭管效应^［15］的影响以“翻越流”的形式通过梭梭模型，从而在模型上方与原气流汇合形成一个较高风速区域。

许多研究结果表明，行带状配置下，行带越多，林带对气流的削减效果越明显^［27-28］，与本文三行梭梭配置流场分布特征的稳定性和防护效果均大于单行和两行梭梭配置的结果分析一致。不同风速下梭梭不同配置的风场结构均相似，说明风场结构与风速无关，风速只对气流强度及范围有影响，这与先前的研究一致^［33］。随着风速增加，所有配置下的风场等风速线密度增加，梭梭模型对风速的削减作用减弱。通过分析不同风速下梭梭林带模型在12cm高度的防风效能可知，随着风速增加，不同配置的梭梭林带防风效能均减小，与李晓烨等^［25］的研究结果相同。与前人防护林带高度越高林带密度防风优势越弱^［26］的结论相同，本研究结果表明15 cm高度的梭梭林带防风效能显著大于30 cm高度梭梭林，这可能是由于梭梭模型基径相同，冠幅大且较高的梭梭随风速增加出现倒伏，形成紊流，扰动近地表风沙运动过程，从而降低防风效能。

戈壁地区无大片流沙，风沙流的沙源来自砾石覆盖下的沙土，林带的存在削减了风速，因而戈壁地区风沙流进入林带后就趋于减弱和消失^［31-32］，因此砾石与林带结合可更好阻挡风沙流侵入砾石从而导致沙土流失形成的风沙灾害。本研究表明，砾石结合梭梭不同配置防风效能并未在靠近梭梭林带处达到最大，低砾石盖度时在林带后0.5H处达到最大，高砾石盖度时在林带后1H处达到最大，说明砾石结合梭梭可以起到风速缓冲从而防止植被直接被风吹蚀，防风效能缓慢经过梭梭林带后达到最高，说明砾石的存在可以延长林带防护效能。

中国戈壁砾石层形成历史悠久，是生物多样性的重要景观区域，前人砾石盖度增加近地表风速降低的结论表明戈壁砾石层本身具有一定防风效能，所以戈壁地表不应被随意破坏，在建设植被时要因需设防、合理搭配。本研究表明砾石盖度及梭梭配置结合后可以保护梭梭根茎部分从而减少风蚀，砾石的存在可使梭梭林带防风效能最大值延后出现从而延长林带防护距离。所以在戈壁地区防护林建设时可以采取高砾石盖度地区少种植或不种植植被，低砾石盖度地区种植2~3行一带同时增加砾石盖度的建设方法，减少对戈壁地表的破坏，保护原始地表层。

砾石的存在可以阻挡近地表气流或形成扰流从而降低近地表风速；15 cm和30 cm高度梭梭林带的流场结构相似，砾石盖度43.69%和30 cm高度梭梭林带组合较其他组合的等风速线抬升幅度明显增加；同一砾石盖度三行梭梭配置的流场结构风影区面积及存在距离均大于单行和两行梭梭配置，且三行梭梭配置的流场结构稳定性大于单行和两行；单行、两行、三行梭梭配置防风效能在背风侧0~2H处达到最大值后逐渐减小，最大平均防风效能分别为23.9%、37.85%和45.4%，且梭梭高度越高林带防风效能越小，高砾石盖度下在林带背风侧3H处开始出现防风效能抬升现象，从而延伸防护距离。

从防风固沙的效果来看，三行梭梭配置种植在高砾石盖度地区为最好。但从生态环境来看，由于戈壁砾石层形成历史悠久且砾石本身具有一定削减气流作用，戈壁地区不需要进行大面积造林就能具有一定防风固沙效益。因此，低砾石盖度地区可以采取带间放置砾石的方法提升防护效能，高砾石盖度地区可减少梭梭林带建设以提升防风效能的同时保护原有戈壁地表。