田美榮，傅馨逸，楊偉超，馮朝陽，高吉喜

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 3.山東省人民政府人工影響天氣辦公室 4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心

土地沙化威脅著人類的生存，阻礙自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。為遏制土地沙化帶來的風(fēng)沙危害，沙障作為一種治沙工程手段被廣泛應(yīng)用[3-6]。我國針對(duì)典型生態(tài)脆弱區(qū)流動(dòng)沙丘及斑塊狀風(fēng)蝕，已開展了一系列基于沙障的植被恢復(fù)技術(shù)試驗(yàn)研究與示范[7-9]。

沙障具有見效快、不需水源、較耐沙埋等優(yōu)點(diǎn)，適用于無灌溉條件的流動(dòng)沙丘地區(qū)，是最主要的非生物防沙治沙措施，對(duì)植被恢復(fù)起著重要作用[10]，是植物治沙的前提[11-12]。沙障有多種類型[13]，根據(jù)不同材料可分為傳統(tǒng)生物質(zhì)材料(作物秸稈、灌木、多年生草本植物等)，礦物質(zhì)材料(黏土、礫石)，高分子化工材料(塑料網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等)和新型材料(以石油化工產(chǎn)品為原料或以農(nóng)作物經(jīng)發(fā)酵生成產(chǎn)品為原料)。生物質(zhì)材料成本低廉[7,14]、應(yīng)用廣泛，但易腐爛，防護(hù)年限短(3～5年)[7,15]；礦物質(zhì)材料運(yùn)輸困難、耗費(fèi)勞動(dòng)成本較高，適宜就地取材；高分子化工材料的穩(wěn)定性和時(shí)效性優(yōu)于普通生物質(zhì)材料沙障，但材料自身會(huì)給沙漠帶來一定的二次污染[7]。聚乳酸纖維(PLA)是一種新型生物可降解固沙材料，可在自然條件下降解為水和二氧化碳，對(duì)沙化地區(qū)無二次污染，具有廣闊的應(yīng)用前景且環(huán)境友好[16-17]。此外，還有生物模塊沙障[13]、人工多交棱柱型裝置[18]、高密度聚乙烯沙障等多種新型沙障設(shè)置模式，為風(fēng)沙災(zāi)害防治及沙漠化防治提供新的技術(shù)方法。

沙障設(shè)置應(yīng)因地制宜，針對(duì)局部生態(tài)環(huán)境脆弱、大風(fēng)天氣頻發(fā)地區(qū)，傳統(tǒng)生物質(zhì)沙障難以有效防風(fēng)阻沙，因此擋風(fēng)墻應(yīng)運(yùn)而生。擋風(fēng)墻是一種高立式沙障[19]，為鐵路、公路軌道兩旁常用的阻沙工程措施[20-24]。筆者自主研發(fā)設(shè)計(jì)了5種類型的擋風(fēng)墻，對(duì)其降低風(fēng)速等性能進(jìn)行對(duì)比研究，綜合考慮防風(fēng)效能、對(duì)表層土壤含水量的影響等生態(tài)效益，結(jié)合其制作成本，篩選出最優(yōu)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)參數(shù)，探索沙化嚴(yán)重的斑塊狀區(qū)域生態(tài)修復(fù)的治理模式，以期為大風(fēng)口或大風(fēng)頻發(fā)地區(qū)的擋風(fēng)墻設(shè)置提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市呼倫湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。呼倫湖是我國第五大淡水湖、內(nèi)蒙古自治區(qū)第一大湖，是東北地區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)，也是我國北方生態(tài)安全屏障的重要部分，在維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中具有特殊的地位。研究區(qū)屬于中溫帶，為溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候。春季干旱，多大風(fēng)；夏季溫和，降水集中；秋季氣溫急降，無霜期短[25]。多年平均降水量為237.18 mm，年平均氣溫為0.56 ℃。全年盛行西北風(fēng)，年大風(fēng)天數(shù)為20～40 d，平均風(fēng)速為4～5 m/s，是我國著名的大風(fēng)區(qū)之一[26]。呼倫湖周邊地區(qū)沙化土地分布范圍包括呼倫貝爾市7旗(市、區(qū))，分布區(qū)域面積為831.6萬hm2[27]。

1.2 研究方法

2016年4—10月在呼倫湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)開展試驗(yàn)研究，選取代表性較強(qiáng)且地形平坦開闊的湖邊沙地作為試驗(yàn)區(qū)，并將試驗(yàn)區(qū)用網(wǎng)圍欄圍封。以3個(gè)高度、3種孔隙類型的擋風(fēng)墻作為研究對(duì)象，以空曠沙地為對(duì)照，分析不同高度和孔隙類型擋風(fēng)墻的防風(fēng)效能和對(duì)沙地土壤保水能力的影響。使用SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行防風(fēng)效能隨距離變化擬合及方差分析等數(shù)據(jù)處理。

1.2.1擋風(fēng)墻試驗(yàn)設(shè)計(jì)

擋風(fēng)墻為自主設(shè)計(jì)，采用鋼制材料，共有5種類型，其參數(shù)見表1，實(shí)地架設(shè)情況如圖1所示。

表1 5種自主設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻的參數(shù)

圖1 自主設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻照片F(xiàn)ig.1 Photos of self-designed wind-break walls

1.2.2野外觀測(cè)指標(biāo)

1.2.2.1瞬時(shí)風(fēng)速

風(fēng)速的觀測(cè)點(diǎn)為每架擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)1、3、6、9 m距離處。分別測(cè)定每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)距地表0.5、1.0 m高度處的風(fēng)速，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)1 h，每1 min記錄1次，取平均值。測(cè)定時(shí)保持觀測(cè)點(diǎn)的位置在同一條直線上并與風(fēng)向平行。瞬時(shí)風(fēng)速觀測(cè)使用Kestrel?4500手持式風(fēng)速測(cè)量計(jì)，其操作范圍為0.4～60 m/s，精度誤差為±3%，即±0.1 m/s，以曠野沙地同一觀測(cè)高度的風(fēng)速為對(duì)照。

防風(fēng)效能的計(jì)算公式[28]如下：

Eh=(uh0-uh)/uh0×100%

(1)

式中：Eh為擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)觀測(cè)點(diǎn)距地表高度h處的防風(fēng)效能，%；uh0為對(duì)應(yīng)曠野沙地距地表高度h處的風(fēng)速，m/s；uh為擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)觀測(cè)點(diǎn)距地表高度h處的風(fēng)速，m/s。

1.2.2.2表層土壤含水量的測(cè)定

以對(duì)角線取樣法在樣地內(nèi)選取多個(gè)點(diǎn)混合取樣，每個(gè)樣點(diǎn)做3個(gè)重復(fù)。用小鐵鏟取表層土壤(0～5 cm)，裝入鋁盒并稱重，帶回室內(nèi)采用烘干法測(cè)定土壤含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 近地表防風(fēng)效能比較

擋風(fēng)墻設(shè)置后能顯著增大地表粗糙度，削弱近地表風(fēng)速，增強(qiáng)地表穩(wěn)定性[7]。各種高立式沙障對(duì)地表的保護(hù)作用首先表現(xiàn)為對(duì)風(fēng)速的削弱作用，而降低風(fēng)速是直觀評(píng)價(jià)防風(fēng)效能的指標(biāo)[29-30]。

2.1.1不同高度擋風(fēng)墻的防風(fēng)效能

條形孔3個(gè)高度擋風(fēng)墻防風(fēng)效能隨距離變化擬合公式如表2所示。由R2可知，擬合效果較好。

表2 3種條形孔擋風(fēng)墻防風(fēng)效能隨距離變化擬合公式Table 2 Fitting formula of windproof efficiency of 3 stripe-shaped holes wind-break walls with different distances

條形孔3個(gè)高度擋風(fēng)墻在0.5和1.0 m觀測(cè)高度的防風(fēng)效能隨觀測(cè)距離的變化如圖2所示。由圖2 可知，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)相同距離、不同觀測(cè)高度的防風(fēng)效能差異顯著(P<0.05)，擋風(fēng)墻Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ各觀測(cè)點(diǎn)距地表0.5 m高度處的防風(fēng)效能均高于1.0 m高度處。隨著觀測(cè)距離增加，3個(gè)高度擋風(fēng)墻防風(fēng)效能均呈減小趨勢(shì)。在觀測(cè)距離為1 m時(shí)，距地表0.5 m高度處，擋風(fēng)墻Ⅰ、Ⅱ的防風(fēng)效能分別為83.91%、83.29%，優(yōu)于擋風(fēng)墻Ⅲ(74.66%)；距地表1.0 m高度處，防風(fēng)效能為擋風(fēng)墻Ⅰ(79.84%)>Ⅱ(71.11%)>Ⅲ(51.54%)。在觀測(cè)距離3和6 m處，由于開放大氣環(huán)境中不穩(wěn)定的流向和流速導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的不確定性。觀測(cè)距離為9 m 時(shí)，防風(fēng)效能明顯降低，距地表0.5 m高度處的防風(fēng)效能為擋風(fēng)墻Ⅰ(71.14%)>Ⅱ(65.15%)>Ⅲ(52.29%)，距地表1.0 m高度處的防風(fēng)效能為擋風(fēng)墻Ⅰ(65.03%)>Ⅱ(61.87%)>Ⅲ(50.47%)?？梢姡瑩躏L(fēng)墻高度越高，防風(fēng)效能越好。

圖2 條形孔3個(gè)高度擋風(fēng)墻在0.5和1.0 m觀測(cè)高度防風(fēng)效能隨觀測(cè)距離的變化Fig.2 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 stripe-shaped holes wind-break walls

2.1.2不同孔隙類型擋風(fēng)墻的防風(fēng)效能

3種孔隙類型擋風(fēng)墻防風(fēng)效能隨距離變化擬合公式如表3所示。由R2可知，擬合效果較好。

表3 3種孔隙類型擋風(fēng)墻防風(fēng)效能隨距離變化擬合公式Table 3 Fitting formula of windproof efficiency of 3 hole types wind-break walls with different distances

3種孔隙類型擋風(fēng)墻在0.5和1.0 m觀測(cè)高度的防風(fēng)效能隨觀測(cè)距離的變化如圖3所示。由圖3可知，3種孔隙類型擋風(fēng)墻在其背風(fēng)側(cè)相同距離處防風(fēng)效能差異顯著(P<0.05)，各觀測(cè)點(diǎn)距地表0.5 m 高度處的防風(fēng)效能均高于1.0 m高度處。距地表0.5 m高度時(shí)，隨著觀測(cè)距離的增加，3種孔隙類型擋風(fēng)墻防風(fēng)效能均呈減小趨勢(shì)；距地表1.0 m高度時(shí)，隨觀測(cè)距離增加，3種孔隙類型擋風(fēng)墻的防風(fēng)效能均呈先增大后減小的趨勢(shì)。觀測(cè)距離為1 m時(shí)，距地表0.5 m高度處的防風(fēng)效能為擋風(fēng)墻Ⅴ(87.30%)>Ⅳ(80.20%)>Ⅲ(74.66%)，距地表1.0 m 高度處的防風(fēng)效能為擋風(fēng)墻Ⅴ(69.33%)>Ⅳ(59.80%)>Ⅲ(51.54%)；觀測(cè)距離為3 m時(shí)，距地表0.5與1.0 m高度處的防風(fēng)效能均為擋風(fēng)墻Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ；觀測(cè)距離為6和9 m時(shí)，距地表0.5和1.0 m 高度處，擋風(fēng)墻Ⅳ與Ⅴ防風(fēng)效能相近，且均優(yōu)于擋風(fēng)墻Ⅲ。因此，相同高度擋風(fēng)墻中，Ⅳ和Ⅴ型(方形孔與圓形孔)擋風(fēng)墻的整體擋風(fēng)效果較好。

圖3 3種孔隙類型擋風(fēng)墻在0.5和1.0 m觀測(cè)高度防風(fēng)效能隨觀測(cè)距離的變化Fig.3 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 hole types wind-break walls

2.2 表層土壤含水量對(duì)比分析

土壤濕度與氣候因子(如氣溫、降水量)密切相關(guān)，對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分敏感[31]。沙障的設(shè)置在一定程度上可保持土壤含水量，進(jìn)一步促進(jìn)植被恢復(fù)[32]。本試驗(yàn)中，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)各觀測(cè)位置表層土壤含水量極低，均低于1%。在相同觀測(cè)距離時(shí)，不同類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)表層土壤含水量不同；隨著觀測(cè)距離的變化，同一擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)各觀測(cè)點(diǎn)表層土壤含水量呈波動(dòng)性變化(圖4)。隨著觀測(cè)距離的增加，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)表層土壤含水量差異顯著(P<0.05)，均呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，最高值均出現(xiàn)在觀測(cè)距離1 m處。不同類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的表層土壤保水能力差異顯著(P<0.05)。與對(duì)照點(diǎn)對(duì)比分析可知，不同擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)表層土壤保水能力大小順序?yàn)閾躏L(fēng)墻Ⅴ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ。

圖4 不同類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)各觀測(cè)點(diǎn)表層土壤含水量隨距離變化Fig.4 Variation of topsoil moisture content at the observation points on the leeward side of different types of wind-break walls with distances

2.3 擋風(fēng)墻制作成本分析

擋風(fēng)墻所用材料均為鋼材，其制作成本如表4所示。由表4可知，5種類型擋風(fēng)墻制作成本為擋風(fēng)墻Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ。

表4 5種類型擋風(fēng)墻的制作成本Table 4 Cost of 5 types of wind-break walls 元/個(gè)

3 討論

本研究設(shè)計(jì)了不同高度、不同孔隙類型的擋風(fēng)墻，通過測(cè)量其背風(fēng)側(cè)防風(fēng)效能以及土壤表層含水量指標(biāo)，綜合考慮制作成本等因素，篩選出可直接應(yīng)用到沙化草地修復(fù)中的最優(yōu)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)。不同高度、不同孔隙類型的擋風(fēng)墻均可在有限距離內(nèi)降低地表風(fēng)速，且越靠近地面削弱作用越明顯。條形孔3個(gè)高度擋風(fēng)墻(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)隨著背風(fēng)側(cè)距離增加，防風(fēng)效能均呈減小趨勢(shì)，在觀測(cè)距離1 m處出現(xiàn)明顯的絕對(duì)低速區(qū)，之后風(fēng)速逐漸恢復(fù)，該觀測(cè)結(jié)果與李凱崇等[33]的研究結(jié)果一致。研究[34]表明，在擋風(fēng)墻高度以上風(fēng)速會(huì)增大，而1.0 m高度擋風(fēng)墻與觀測(cè)高度持平，有效防護(hù)距離會(huì)降低。因此，條形孔不同高度擋風(fēng)墻防風(fēng)效能為2.0 m(Ⅰ)和1.5 m(Ⅱ)高度優(yōu)于1.0 m(Ⅲ)高度。

由于試驗(yàn)條件所限，本研究仍存在一些不足：1)試驗(yàn)的觀測(cè)周期為一年中的植物生長(zhǎng)季，未能進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，在下一步的研究中將開展長(zhǎng)期、非生長(zhǎng)季期間的觀測(cè)，通過被觀測(cè)植被的修復(fù)速度來確定擋風(fēng)墻設(shè)置的合理時(shí)間周期；2)應(yīng)增加試驗(yàn)中測(cè)量風(fēng)速的梯度、擋風(fēng)墻架設(shè)排數(shù)等，以便更精確地篩選出針對(duì)特定區(qū)域的擋風(fēng)墻高度、孔隙類型及布設(shè)方式；3)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)的目的是在風(fēng)沙治理過程中在最大限度防止風(fēng)蝕的同時(shí)，盡量減小土壤水分過度消耗，目前研究試驗(yàn)點(diǎn)僅針對(duì)局部小范圍沙化草地，未針對(duì)不同類型區(qū)域同步設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻類型進(jìn)行比較分析，以及開展擋風(fēng)墻措施下物種生長(zhǎng)情況觀測(cè)分析等。因此，下一步將繼續(xù)加強(qiáng)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)觀測(cè)研究，為該地區(qū)退化草地恢復(fù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

4 結(jié)論

(1)5種類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)各觀測(cè)位置距地表0.5 m 高度處的防風(fēng)效能均高于1.0 m高度處。條形孔3個(gè)高度擋風(fēng)墻(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)在距地面0.5及1.0 m高度處，隨著背風(fēng)側(cè)距離增加，防風(fēng)效能均呈減小趨勢(shì)，其中2.0、1.5 m高度擋風(fēng)墻(Ⅰ、Ⅱ)優(yōu)于1.0 m高度擋風(fēng)墻(Ⅲ)。

(2)同一高度不同孔隙類型擋風(fēng)墻(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)在距地表0.5 m高度處，隨著背風(fēng)側(cè)距離增加，防風(fēng)效能均呈減小趨勢(shì)；在距地表1.0 m高度處，隨背風(fēng)側(cè)距離增加，3種孔隙類型擋風(fēng)墻防風(fēng)效能均呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中圓形孔(Ⅴ)和方形孔(Ⅳ)擋風(fēng)墻優(yōu)于條形孔(Ⅲ)擋風(fēng)墻。

(3)隨著擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)距離的增加，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)表層土壤含水量均呈先增加后減小趨勢(shì)，最高值均出現(xiàn)在觀測(cè)距離1 m處。表層土壤保水能力較好的為圓形孔擋風(fēng)墻(Ⅴ)、2.0 m高度條形孔擋風(fēng)墻(Ⅰ)。

(4)綜合考慮不同擋風(fēng)墻的防風(fēng)效能、對(duì)表層土壤含水量的影響以及制作成本，條形孔3種高度擋風(fēng)墻以1.5 m高度擋風(fēng)墻較為適宜，3種孔隙類型擋風(fēng)墻以圓形孔擋風(fēng)墻較為適宜。

筆者自主設(shè)計(jì)的擋風(fēng)墻采用鋼制材料制作，具有可移動(dòng)、易拆裝特點(diǎn)，待沙化區(qū)域植被恢復(fù)后，可移動(dòng)至其他區(qū)域重復(fù)利用，克服了常用生物質(zhì)材料防護(hù)時(shí)間短、不能重復(fù)利用的弊端，且不會(huì)對(duì)沙區(qū)造成二次污染。通過試驗(yàn)篩選出的1.5 m條形孔擋風(fēng)墻和1.0 m圓形孔擋風(fēng)墻可直接應(yīng)用到草原生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重地區(qū)的修復(fù)中。