宋海燕

(榆林市定邊縣馬蓮灘苗圃,陜西榆林 718600)

沙障是荒漠化防治的一種重要手段和措施,主要是采用各種材料通過(guò)不同工程設(shè)施在沙面上設(shè)置障礙物,以控制風(fēng)沙流動(dòng)的方向、速度、結(jié)構(gòu)來(lái)改變風(fēng)蝕積沙狀況,達(dá)到防風(fēng)阻沙,改變風(fēng)的作用力及地貌狀況等目的。沙障有機(jī)械沙障與生物沙障,在我國(guó)北方各沙區(qū)應(yīng)用最廣,是固定流沙、穩(wěn)定沙面最經(jīng)濟(jì)有效地措施之一[1-3]。沙柳沙障的優(yōu)點(diǎn)在于沙柳沙障枝條能成活,長(zhǎng)成沙柳灌叢,設(shè)置沙柳沙障的一次施工能夠同時(shí)達(dá)到工程治沙及生物治沙的雙重目的[4]。作者根據(jù)多年林業(yè)基層工作的經(jīng)驗(yàn),并通過(guò)參閱大量文獻(xiàn),分析了沙柳資源的發(fā)展現(xiàn)狀、不同沙柳沙障防風(fēng)固沙效益以及沙柳沙障對(duì)地表粗糙度、輸沙率和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的影響,以便為毛烏素沙地榆林沙區(qū)乃至我國(guó)的防沙治沙提供實(shí)踐參考。

1 榆林定邊縣自然概況

榆林市定邊縣地處陜西省西北角,位于毛烏素沙地南緣,是黃土高原與內(nèi)蒙古鄂爾多斯荒漠草原過(guò)渡地帶,位于東經(jīng) 107°15′～ 108°22′,北緯36°49′～ 37°53′,系陜、甘、寧、蒙四省區(qū)交界地。氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,主要特點(diǎn)是春多風(fēng)、夏干旱、秋陰雨、冬嚴(yán)寒,日照充足,年均氣溫7.9℃,年均日照 2 743.3 h,年均降雨量316.9mm,年均無(wú)霜期 141 d左右。該縣南部為白于山區(qū)丘陵溝壑區(qū),北部為毛烏素沙漠南緣風(fēng)沙灘區(qū),區(qū)內(nèi)有大量流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘。該地段以沙柳為材料,在流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘建成2 m×2m,2 m×4m,3m×3m等不同規(guī)格的沙柳沙障防沙體系。

2 榆林沙區(qū)沙柳資源的發(fā)展現(xiàn)狀

沙柳作為毛烏素沙地主要的防風(fēng)固沙樹(shù)種,是毛烏素沙地的獨(dú)特風(fēng)景。利用其獨(dú)特的抗風(fēng)蝕沙埋特性,可在流動(dòng)沙丘的上中下不同部位及丘間低地營(yíng)造防風(fēng)固沙林和沙柳沙障,防止沙丘的風(fēng)蝕和移動(dòng)。沙柳新栽植3～4年內(nèi)可形成枝葉繁茂的灌叢,發(fā)揮其阻沙效益,沙柳防風(fēng)阻沙林則形成縱橫交錯(cuò)的防護(hù)林帶,具有獨(dú)特的防風(fēng)固沙效益。隨著沙柳的生長(zhǎng),地表粗糙度增加,流沙被固定,植物種類(lèi)、植物覆蓋度等逐漸得到改善。據(jù)有關(guān)資料,2010年全市沙柳面積現(xiàn)有33.33多萬(wàn)hm2,主要分布在毛烏素沙地榆林北部風(fēng)沙區(qū)[5]。由于缺乏相應(yīng)的保護(hù)措施,沙柳固林已經(jīng)出現(xiàn)大面積退化、枯死現(xiàn)象。

3 沙柳沙障的防風(fēng)固沙效益分析

3.1 沙柳沙障的防風(fēng)阻沙效應(yīng)

沙障是一種防風(fēng)固沙效果很好的治沙措施,其防風(fēng)作用主要是通過(guò)枝條阻擋或減緩氣流而實(shí)現(xiàn)的,一是當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)疏林或沙障時(shí),在枝條的阻擋作用下,氣流穿越枝條時(shí)的摩擦和引起枝條擺動(dòng)而消耗了部分動(dòng)能,從而風(fēng)速減弱;二是由于樹(shù)干及枝條的阻擋,氣流形成無(wú)數(shù)不定的紊流,這些不同方向的紊流之力相互緩沖、抵消,使風(fēng)力減弱或降低流動(dòng)速度[6]。從而削弱地面風(fēng)力、固定沙面、減少和防止就地起沙,為栽植或播種固沙植物創(chuàng)造穩(wěn)定的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境。在自然條件惡劣的地區(qū),機(jī)械沙障是治沙的主要措施,在自然條件較好的地區(qū),機(jī)械沙障是植物治沙的前提和必要條件。

3.1.1 不同規(guī)格沙柳沙障的防護(hù)效益 不同規(guī)格沙柳沙障,其防護(hù)效益不盡相同。沙柳沙障高度一定的情況下,其形狀和大小直接影響沙障的防護(hù)效果[7]。沙柳沙障的高度過(guò)低,沙障易被沙埋,起不到防護(hù)作用;高度過(guò)高,不僅沙障易被風(fēng)吹倒,而且會(huì)使沙障的成本增加。相同高度的沙障,隨著沙障規(guī)格的增大,其防護(hù)效果在逐漸減小,單位面積的成本也在減小。沙障的規(guī)格越小防護(hù)效果越好,但沙障的成本會(huì)逐漸增加。因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中,要研究某一地區(qū)特定環(huán)境條件下具有最佳防護(hù)效益的沙障規(guī)格。高永[6]等人的研究表明,不同規(guī)格沙障內(nèi)輸沙率隨著風(fēng)速的變化其變化趨勢(shì)不同,小規(guī)格沙障內(nèi)輸沙率隨著風(fēng)速的變化呈對(duì)數(shù)曲線趨勢(shì),大規(guī)格沙障內(nèi)輸沙率隨風(fēng)速的變化呈指數(shù)曲線趨勢(shì)。

3.1.2 高立式沙柳沙障的防風(fēng)阻沙效益 沙柳機(jī)械沙障類(lèi)型、高度、規(guī)格和設(shè)置方式等直接影響著工程防沙體系的穩(wěn)定性。高立式沙柳沙障作為一種機(jī)械沙障,其風(fēng)速流場(chǎng)變化復(fù)雜多樣,風(fēng)沙流遇沙柳沙障遇阻后,在沙障背風(fēng)面較高處出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)渦流區(qū),而在較低處則出現(xiàn)了弱風(fēng)區(qū),部分沙物質(zhì)便在此范圍內(nèi)沉降,而較高處的風(fēng)沙流繼續(xù)攜帶沙物質(zhì)前行[8]。隨后又遇沙障后,由于風(fēng)沙流遇阻,又一次形成渦流,在渦流區(qū)和弱風(fēng)區(qū)高度之間造成一個(gè)風(fēng)速梯度,致使在沙障前上方形成強(qiáng)風(fēng)渦流,下方形成弱風(fēng)區(qū),仍有部分沙物質(zhì)遇阻沉降,當(dāng)風(fēng)沙流第二次受阻躍過(guò)沙柳沙障后,風(fēng)沙流的動(dòng)能逐漸減小,挾沙能力減弱,最后沉降堆積,達(dá)到防風(fēng)阻沙作用。

3.2 沙柳沙障對(duì)風(fēng)沙區(qū)地表的影響

3.2.1 沙柳沙障對(duì)地表粗糙度的影響 粗糙度是反映地表對(duì)風(fēng)阻抗的重要參數(shù),其大小影響著氣流的阻抗作用[9]。根據(jù)楊明元等人[10]的研究,地表覆蓋物能有效地增大地表粗糙度,減緩?fù)寥里L(fēng)蝕。目前采取的各種防沙固沙措施,主要是改變地表性質(zhì),增加下墊面粗糙度,進(jìn)而有效地控制風(fēng)沙流,達(dá)到防風(fēng)治沙的目的[11]。眾多學(xué)者研究表明,地表覆蓋物能夠增大地表粗糙度。沙柳沙障前后粗糙度變化較大,沙丘近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,過(guò)境風(fēng)沙流在沙丘基部遇到沙障時(shí),近地表層的風(fēng)速被降低,風(fēng)沙流中的沙粒開(kāi)始下沉,隨著沙粒的連續(xù)沉積,氣流中的含沙量不斷減少,致使下層氣流動(dòng)量向上傳輸?shù)暮芸?較高處風(fēng)速變化明顯,從而使粗糙度的增加更為顯著。

3.2.2 沙柳沙障對(duì)近地表輸沙率的影響 風(fēng)蝕是風(fēng)沙流對(duì)地表土壤的大量搬運(yùn)和堆積,是導(dǎo)致干旱半干旱區(qū)土地沙化和荒漠化進(jìn)程最直接的作用過(guò)程之一。輸沙率是衡量沙區(qū)沙害程度的主要指標(biāo)[11],也是防沙工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù),它決定著沙質(zhì)地表的吹蝕或堆積過(guò)程的發(fā)展態(tài)勢(shì),可用來(lái)判斷地表風(fēng)蝕、沙積狀況,掌握風(fēng)成地貌的形態(tài)、發(fā)育和演變規(guī)律。

在沙柳沙障布設(shè)區(qū),由于沙柳沙障的阻遏防護(hù)作用,有效地降低了近地表的風(fēng)速,風(fēng)沙流的搬運(yùn)能力也隨之降低,風(fēng)沙流中的沙粒開(kāi)始下沉。隨著沙障連續(xù)阻遏,阻斷了沙粒繼續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力,出現(xiàn)連續(xù)沉積現(xiàn)象,沙障固定了附近地表沙塵,風(fēng)沙流無(wú)法獲得沙塵,地表輸量大幅度降低,地表輸沙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于曠野輸沙率。

3.2.3 沙柳沙障對(duì)近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的影響

大量研究表明,在同一風(fēng)速條件下,即使在相同位置,沙柳沙障內(nèi)近地表和流動(dòng)沙丘表面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)表出明顯的不同。沙丘下部在風(fēng)速以8.4m/s的條件下,流沙表面和3 m×4m沙柳沙障內(nèi)近地表風(fēng)沙流中相對(duì)含沙量的分布情況。由于沙柳沙障的阻遏作用,近地表風(fēng)速顯著減弱,使風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,與流沙相比含沙量下層相對(duì)增加,上層相對(duì)減少。0～1 cm范圍內(nèi),沙柳沙障的相對(duì)含沙量為23.4%～28.6%,流動(dòng)沙丘表面的相對(duì)含沙量為15.2%～18.1%。0～4 cm范圍內(nèi)的相對(duì)含沙量比較高,沙柳沙障為 71.6%～75.3%,流動(dòng)沙丘表面為55.1%～58.2%,說(shuō)明沙柳沙障內(nèi)因風(fēng)速減弱導(dǎo)致其搬運(yùn)能力降低,沙柳沙障可以使近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變化。

通過(guò)在大沙丘設(shè)置2 m×4 m沙柳沙障后,觀察其不同部位近地表相對(duì)含沙量的分布情況。在沙柳沙障下層0～4 cm范圍內(nèi),沙丘下部相對(duì)含沙量明顯大于沙丘中部和上部含沙量,尤其在0～1 cm層更加明顯,這說(shuō)明沙柳沙障會(huì)導(dǎo)致沙丘不同部位近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化。分析其原因,主要在于過(guò)境風(fēng)沙流在沙丘基部遇到沙柳沙障時(shí),近地表層的風(fēng)速將因沙障阻遏而降低,風(fēng)沙流中攜帶的沙粒出現(xiàn)下沉,隨著沙障的連續(xù)阻遏導(dǎo)致風(fēng)沙流中的沙粒連續(xù)沉積,氣流中的含沙量逐漸減少,從沙丘下部往上風(fēng)沙流變得更不飽和,開(kāi)始具備風(fēng)蝕能力。但由于沙柳沙障作用,地表沙塵被固定,切斷了沙塵源,使風(fēng)沙流無(wú)法獲得沙塵,因此,沙丘不同部位近地表相對(duì)含沙量的分布不同,沙丘下部相對(duì)含沙量明顯大于沙丘中上部含沙量。

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