植被盖度和灌木带状配置对近地表风速廓线的影响

植被盖度和灌木带状配置对近地表风速廓线的影响
司志民;刘海洋;陈智;宣传忠;宋涛
【摘要】Experimental researches have been done using portable wind speed profile meter on degraded grasslands with different vegetation coverage and shrub belt configuration , respectively .The results show that the greater the surface vege-tation coverage , the more obvious its effect on reducing wind speed and wind erosion prevention .Compared the wind speed at 2 cm and 64 cm high from the surface ,72 .4%, 67 .1%, 61 .7%and 44 .9%of the wind speed have been re-duced ,respectively , when the surface coverage ratio are 85%, 35%, 20%and less than 5%.Meanwhile , the higher the shrub belt , the wider the effective protection
distance .For the shrub and herbaceous plant with banded configuration , when the plant height is higher than 0.7 m , its effective protection distance can reach not less than 6 m.Therefore, in-creasing the surface vegetation coverage ratio and height of shrub and herbaceous plant have a great influence on wind speed profile of near surface , have significant effect on reducing wind erosion .%采用便携式风速廓线仪分别对不同植被覆盖度和灌木带状配置的退化草原进行实验研究，结果表明：地表植被盖度越大，其降风速和防风蚀效果越明显，地表盖度分别为85％、35％、20％和小于5％时，距离地表2cm 处的风速相较64cm处的风速降低幅度分别为72．4％、67．1％、61．7％和44．9％；灌木带越高，对牧草带有效保护距离越宽，植株高度大于0．7m的灌草带状配置有效保护距离均大于6m。

因此，提高地表植被盖度和增大灌木带高度对近地表的风速廓线有较大影响，具有显著的抗风蚀效果。

【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2016(000)010
【总页数】5页(P178-182)
【关键词】植被盖度;带状修复;土壤风蚀;风速廓线;抗风蚀效果
【作者】司志民;刘海洋;陈智;宣传忠;宋涛
【作者单位】内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018;内蒙古农业大学
机电工程学院，呼和浩特 010018;内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018;内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018;内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018
【正文语种】中文
【中图分类】S157.4+33
土壤风蚀是发生在我国北方干旱半干旱地区及半湿润地区的重要生态过程，同时也是导致这些地区生态系统退化的重要原因[1]。

中国科学院对沙尘暴的成分和来源
进行分析研究表明，造成沙尘暴的主要原因是退化的耕地和草地，而不是沙漠[2]。

内蒙古农牧交错区是荒漠化发展最快、生态环境最为脆弱和人民生活较贫困的典型风蚀沙化区[3]，由于干旱少雨、过度放牧和人为的不合理利用，已造成天然草原
不断退化、沙化，甚至荒漠化，草地生产力急剧下降，严重破坏当地及周边地区的生态环境。

目前，国内外学者对土壤风蚀防治的研究工作取得了诸多显著成果，并通过定性描述及定量分析表明，植被覆盖可以有效抑制土壤风蚀。

Wasson和Nanninga[4]
的研究表明：当植被覆盖率达到35%～40%时，土壤风蚀基本不发生。

Van den
Ven等[5]的研究表明：即使是很少的植被覆盖，也可以有效减少土壤风蚀的发生。

Wolfe 等研究认为：植被覆盖能提高地表空气动力学粗糙度、降低风速和阻挡沙尘，对地表起到保护作用[6-8]。

董治宝等通过风洞研究发现：随着植被覆盖度的
增加，土壤风蚀率急剧下降[9]。

近地表风速是造成土壤风蚀的最主要原因，当地面风速低于沙尘的启动风速(5m/s 左右)时，土壤风蚀现象基本不会发生；提高植被盖度和留茬高度等措施可以改变
近地表风速廓线，降低地面风速，防止土壤风蚀。

因此，提出将近地表风速廓线作为研究重点，通过采用便携式风速廓线仪野外实验的方法，定量分析不同植被盖度，为探索灌草带状配置修复退化草地等关键技术提供理论依据，对进一步完善防治风蚀机理和相关测试设备具有重要意义。

本试验设在四子王旗的保护性耕作项目区和风蚀项目组建设的草原土壤风蚀科研试验基地。

四子王旗位于内蒙古自治区中部、阴山山脉北侧，海拔高度在1 000~2 100m间，地形以丘陵为主，属于典型的农牧交错带。

全旗干旱少雨，平均降水量均在300mm左右，且降水时空分布极不均匀，月际、年际变化很大。

每年春季
降雨量非常少，而且地表植被稀疏，年蒸发量高达1 600~2 400mm；主要分布
土壤为栗钙土、灰褐土，有机质平均含量为1%~3%。

由于常年受季风影响，大风日数多，风力强且持续时间长，特别在冬春季节，地表土壤的风蚀相当剧烈，大部分地表已严重沙化。

在进行植被盖度试验时，选择的试验地点为风蚀项目组自建的科研试验基地，如图1(a)所示。

基地通过网围禁牧、喷播种草等方法对草原植被进行恢复，为试验提供多种不同植被盖度的试验区块。

在进行灌木带状修复试验时，选择四子王旗的保护性耕作项目区，如图1(b)所示。

该区拥有近666.7hm2采取种植柠条等强抗旱灌
木作为防风护农带的退化草地修复地表，可以为试验提供多种不同工程尺度(带宽、带高、密度及带间距)的灌木带作为试验对象。

试验设备采用内蒙古农业大学设计制作的“RW-64型热膜式无线风速廓线仪”，
如图2所示。

研究发现：导致土壤风蚀的风沙流活动层主要集中在距地表60cm高度内，其近
地表风速分布在高度上符合对数规律[10]。

因此，该风速廓线仪在垂直高度为2、4、8、16、32、64cm的位置上分别固定了一个高精度的热膜风速传感器，并采
用YD02系列无线通信模块对6路风速数据进行实时采集、发送和处理。

与之相
配套的信号接收设备和数据处理软件具有插值运算、数据分析、数据存储和风速廓线绘制等功能。

由于热膜式风速传感器的测量精度受环境温度影响较大，在试验前需要对风速传感器组在相同温度环境下进行标定。

利用内蒙古农业大学自行研制的OFDY-1.2型
移动式风蚀风洞和德国Testo-425热线风速仪对各高度处的热膜传感器进行标定，环境温度范围在6.5～7.5℃之间。

采用最小二乘法对实验数据进行3次曲线拟合，拟合度R2均在0.96以上，拟合曲线方程组如表1所示。

植被盖度和带状修复的近地表风速廓线试验如图3所示。

试验过程中，为使数据
具有可比性，试验均选择距离地面2m处、瞬时风速为5m/s时采集到的数据作为参照。

1)试验1：植被盖度对近地表风速廓线的影响研究，植被盖度试验如图3(a)所示。

选择植被高度4cm，植被覆盖度分别为85%、35%、20%和小于5%的4种不同草原地表作为研究对象，并将便携式风速廓线仪置于试验区块当中，同时利用德国Testo-425热线风速仪采集距离地面2m处的瞬时风速值。

2)试验2：带状修复对近地表风速廓线的影响研究，所研究的灌草植物类型为柠条，带状修复试验如图3(b)所示。

试验选择项目区中以南北方向配置且密度相近，带
间距为6m，带宽为1.5m，带高分别为1.5、0.7、0.3m的3种不同工程尺度的
灌草带作为试验对象，研究带高对带间草地近地表风速廓线的影响。

试验时，对每
种研究对象进行独立试验，分别选取距离灌草带内边缘1、2、3、4、5、6m位置处且平行于保护带的6个测点。

表植被盖度的抗风蚀机理是通过改变地表粗糙来影响近地表风速廓线，进而表现为土壤风蚀能力减弱，是反映土壤抗风蚀能力的一个重要指标[11]。

近地表风速随高度的分布一般遵循对数规律，但由于保护性地表对气流紊动性的影响，使气流的能量分布发生明显变化，改变了风速随高度变化的对数规律[3]。

不同植被盖度的近
地表风速廓线如图4所示，试验时平均环境温度为7.3℃。

由图4可知：地表盖度分别为85%、35%、20%和小于5%时，距离地表2cm处的风速相较64cm处的风速降低幅度分别为72.4%、67.1%、61.7%和44.9%。

其中，地表覆盖度小于5%时，其风速廓线变化最缓慢；高度从64cm降到2cm，风速从3.36m/s降低到1.85m/s，风速降低幅度最小，抗风蚀能力最弱；地表覆
盖度为85%时，风速廓线变化最明显，高度从64cm降到2cm，风速从3.48m/s 降低到0.96m/s，风速降低幅度最大，抗风蚀能力最强。

从数据中可以看出：覆盖度为85%、35%和25%的地表在近地表风速降低幅度上均在61%以上，较之覆盖度小于5%的地表的44.9%有较大的差别，对风速廓线
的影响较为明显。

试验表明：地表植被盖度越大，对近地表气流能量分布的影响越明显，近地表风速廓线变化越明显，风速随高度的降低而减小的更剧烈，抗风蚀能力越强。

灌草带状配置措施可以提高土壤含水量，且带间地表粗糙度稳定，平均防风效果好，具有显著降低土壤风蚀强度及固定流沙等作用[12]，是一种低成本、高效益的退化草地植被快速修复方法。

不同配置的灌草带间近地表风速廓线如图5所示, 试验时平均环境温度为7.0℃。

从图5中的3组试验数据中可以看出：灌草带高度为1.5m时，距离灌草带内边
缘1、2、3、4、5、6m处的风速降低幅度(距离地表2cm处的风速相较2m处的
风速)分别为90.4%、89.8%、89.0%、87.4%、85.0%和82.6%；灌草带高度为0.7m时，距离灌草带内边缘1、2、3、4、5、6m处的风速降低幅度分别为
89.2%、88.2%、86.4%、84.8%、82.6%和80.4%；灌草带高度为0.3m时，距
离灌草带内边缘1、2、3、4、5、6m处的风速降低幅度分别为88.6%、86.2%、81.2%、75.6%、70.8%和67.8%。

由此可知：在灌草带的宽度、密度及配置方向等参数不变的情况下，带高越高，带间地表粗糙度越大，距离地表2cm处的风速相较2m处的风速降低幅度越大，近地表风速廓线变化越明显；对同一配置参数的灌草带，风速廓线变化的明显程度(风速降低幅度)与灌草带内边缘的距离成反比关系，且当距离增大到某一值后，风速廓线变化的明显程度趋于平缓，体现在风速廓线不断接近。

图5(a)中：所有风速廓线均未发生重合，且在距离柠条带6m处的风速廓线变化
依然较为明显，距离地表2cm处的风速相较2m处的风速下降了82.6%，表明
1.5m高的灌草带可有效保护6m以上风蚀地表。

图5(b)中：所有风速廓线均未发生重合，但在距离灌草带内侧5m和6m的风速廓线不断接近，降风速能力分别
为82.6%和80.4%，表明0.7m高的灌草带可有效保护6m左右的风蚀地表。

图
5(c)中：在距离灌草带内侧5m处，风速廓线开始发生部分重合，且降风速能力低于70%，表明0.3m高的灌草带的有效保护距离为5m左右。

1)地表植被盖度越大，近地表风速廓线变化越明显，风速随高度的降低而减小得更剧烈，抗土壤风蚀的能力越强。

当植被覆盖度在20%时，近地表风速降低幅度己
达到62.5%，已经具有较明显的抗风蚀作用；随着植被覆盖度的增加，风速廓线
呈现出相对比较稳定且逐渐接近于某一特定曲线的规律；当植被覆盖度小于5%时，风速降低幅度在45%左右，抗风蚀能力较弱。

2)灌草带高度越高，带间地表粗糙度越大，对近地表风速廓线影响越大，降风速、抗风蚀能力越强；同一配置参数的灌草带，带间风速廓线变化的明显程度与灌草带
内边缘的距离成反比关系；随着距离的增大，明显程度减缓，风速廓线不断接近且发生部分重合的现象；植株高度大于0.7m的灌草带状配置有效保护距离均大于
6m。

【相关文献】
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