全 文 ：中国农学通报 2016,32(15):134-138
Chinese Agricultural Science Bulletin
不同沙冬青配置方式对土壤风蚀的影响
杜 娟 1，张芝萍 1，张 杰 2，张进虎 1
（1甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地/甘肃省治沙研究所，兰州 730070；
2甘肃民勤连古城国家级自然保护区管理局，甘肃民勤 733300）
摘 要：笔者针对当前防风固沙体系的衰败及防风阻沙效果较低的问题，基于沙冬青的生物特性，通过
人工模拟的方法定量研究了单株沙冬青流场特征及沙冬青不同配置方式的防风阻沙特征。研究结果表
明：（1）单株沙冬青对其两侧的风速没有显著地消减作用，而当风越过植株后，风速会被显著降低，降低
率最大可达 59.77%，并在其背风面 1~3 H范围内形成一个低速的静风区，在 7 H处风速与旷野基本相
当，成为尾流区；（2）单株沙冬青对集沙量的影响和对风速的影响具有相似的变化规律；（3）沙冬青行带
配置方式的防风效能最好，均匀式居中，随机式最低。3种配置方式在林带后缘5 H内输沙率都有所减
少，在林带后1、3 H减弱最明显。
关键词：沙冬青；配置方式；风速；效能
中图分类号：S727.23 文献标志码：A 论文编号：casb15050122
Effect of Different Configurations of Ammopiptanthus on Soil Wind Erosion
Du Juan1, Zhang Zhiping1, Zhang Jie2, Zhang Jinhu1
(1State Key Laboratory Breeding Base of Desertification and Wind-sand Disaster Combating/
Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070;
2Administation Bureau of Minqin Liangucheng National Nature Reserve of Gansu, Minqin Gansu 733300)
Abstract: The authors aimed at the problem of declination and low effect of current wind prevention and sand
fixation system, flow field characteristics of single Ammopiptanthus and windbreak characteristics of different
configurations were studied by the method of artificial simulation based on the biological properties of
Ammopiptanthus. The results show that: (1) single Ammopiptanthus had no significant effect on the wind speed
reduction on both sides, wind speed would be significantly reduced when the wind crossed the plant, and the
reduction rate could reach 59.77%, there was a bradytelic calm zone in the leeward side within the scope of 1-
3 H, and at 7 H the, the wind speed was equal to that in the wilderness, which formed the wake zone; (2) single
Ammopiptanthus had similar effect on sand collection and speed; (3) the windproof efficiency of line
configuration was the best, then was that of uniformity and the windproof efficiency of ondemond was the
lowest. Sand transport rates of the three configurations all declined within the margin of 5 H in the forest, and
the declination was obvious within the margin of 1, 3 H in the forest.
Key words: Ammopiptanthus; configuration method; wind speed; efficiency
0 引言
随着干旱荒漠区农业规模的不断扩大，绿洲地下
水位不断下降，绿洲边缘大面积的防风固沙树种开始
衰退、死亡，如梭梭、沙枣、新疆杨等。而且，目前所选
用的树种多皆为落叶树种，除了受地下水的限制外，在
关键需要发挥防护效能的风季（3—5月）因没有树叶
而不能很好地发挥防护作用。这种现象在中国整个干
旱荒漠区十分普遍，急需筛选出节水抗旱、防护效果好
基金项目：国家科技支撑计划“民勤绿洲边缘退化防护体系修复技术集成与示范”(2012BAD16B0203)。
第一作者简介：杜娟，女，1988年出生，甘肃兰州人，研究实习员，本科，主要从事荒漠化防治研究。通信地址：730070甘肃省兰州市安宁区北滨河西
路390号甘肃省治沙研究所，Tel：0931-7686825，E-mail：957566288@qq.com。
收稿日期：2015-05-22，修回日期：2015-10-19。
杜 娟等：不同沙冬青配置方式对土壤风蚀的影响
的树种进行补充、改善现已破损的防风固沙体系。
沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)是中亚荒漠
地区特有种，为中国珍惜濒危保护植物，主要分布在内
蒙阿拉善左旗、甘肃景泰、宁夏灵武等地区的沙地、戈
壁或石质山坡上。该物种起源古老，是古地中海湿热
植物旱生化类型的孑遗种，在中亚及中国西部漫长的
环境演变和西北干旱气候带形成过程中逐渐进化成为
抗旱、耐寒、耐热的沙旱生植物类型，具有特殊的形态
适应特征、生理适应机制和抗逆性分子遗传基础，因而
具有极其重要的保护遗传学价值。沙冬青也是中国干
旱荒漠区唯一的常绿阔叶灌木[1-5]，与沙区常见的梭梭
(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria tangutorum)、
霸王 (Zygophyllum xanthoxylum)、沙拐枣 (Calligonum
potaninii)等固沙植物相比，沙冬青枝叶密集，四季常
绿，冠幅较大，在野外风沙环境条件下枝条往往成匍匐
状或斜倚状生长，叶片革质，是干旱沙区一种优良的防
风固沙植物材料[6-10]。截至目前，学者主要对沙冬青种
群特征、育苗技术、光合耗水等展开了研究[11-15]，而对其
防风阻沙效益研究比较欠缺。
针对上述问题，基于沙冬青的生物特性，笔者以沙
冬青为研究对象，采用人工模拟的方法，研究其在单株
水平上的风场绕流规律及在不同配置方式下的防风阻
沙效果，定量揭示单株沙冬青的流场特征及不同配置
下的防风阻沙效益，筛选出最佳配置方式，为科学合理
利用沙冬青进行生态环境建设提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区地处石羊河流域下游民勤绿洲边缘，位于
巴丹吉林沙漠东南缘的沙井子荒漠绿洲过渡带上，地
理坐标：102°56′ E、38°36′ N，海拔 1378 m，东、西、北 3
面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，风沙危害是当
地主要的自然灾害之一。气候属于典型的大陆性荒漠
气候，气候干燥、降水稀少、蒸发强烈、风大沙多、气候
环境十分恶劣。根据甘肃民勤荒漠草地生态系统国家
野外科学观测研究站1961—2014年观测的气象资料，
当地多年平均气温7.6℃，年均日较差15.2℃；≥10℃积
温为 3036.4℃，无霜期 176天；多年平均降水量为
115.4 mm，主要集中在每年的 7—9月，占年均总降水
量的60%以上；多年平均水面蒸发量为2664.0 mm，主
导风向为西北风，年平均风速 2.5 m/s，年平均大风日
数 25.1天，年平均沙尘暴日数 25.6天。年大于 8级大
风日数为 27.8天；研究区地下水位在 15 m以下，沙旱
生灌木的生长和存活完全依靠大气降水，土壤主要是
风沙土。绿洲边缘区植被主要是天然沙拐枣
(Calligonumm ongolicum)群落、唐古特白刺 (Nitraria
tangutorum) 灌 丛 、人 工 梭 梭 林 (Haloxylon
ammodendron)为主，地貌类型主要以流动沙丘、半固
定沙丘、丘间低地为主。
1.2 试验布设
选取 5年生人工栽植的沙冬青为研究材料，平均
冠幅 1.16 m×1.12 m，高 0.6 m。试验场设于四周开阔
的流动平沙地上，规格为 50 m×50 m。单株沙冬青的
流场特征试验：将沙冬青移栽于试验场中，分别在其迎
风面 1 H（H为试验沙冬青平均高度）、两侧面 1、2 H，
背风面1、3、5、7 H及旷野（对照点）布置风速及集沙观
测点。不同沙冬青配置方式试验：将沙冬青人工栽植
成行列式、均匀式及随机式配置方式，除随机配置方式
外，其余配置方式株行距为被测沙冬青的1 H及3~5 H，
共设计2行，形成1带。为消除边缘效应对中轴线上各
点防护作用的影响，保证带长 40 m。分布在旷野、林
带背风面 1、3、5、7、10、15 H处布设风速及积沙观测
点。风速观测采用中科院沙漠与沙漠化重点实验室研
制的多通道风速风向采集仪，采样时间60 min，采样间
隔 10 s。集沙观测采用 10孔阶梯式集沙仪，高度为
20 cm，每孔径表面积为 2 cm2，每 2 cm为 1层。观测
时，集沙仪布设竖立，进沙口面与主风向垂直，底部与
地面平齐，同时打开集沙仪的口盖开始观测，观测时间
为 60 min。沙样带回试验室用 1/10000感量天平分层
称重。
防风效能采用公式(1)计算。
Ex=(Vk-Vx)×Vk ………………………………… (1)
Ex为 x观测点的防风效能；Vx、Vk分别为 x处和旷
野处的风速。
2 结果与分析
2.1 单株沙冬青的流场特征
2.1.1 单株沙冬青风场特征 当风流经过沙冬青迎风面
1 H时，风速有所下降，但下降幅度较小，20 cm高处风
速下降了 8.70%，50 cm高处风速下降 9.87%；当风经
过植株的两侧面时，风速不仅没有消减，反而有所增
加，形成风的加速区，并且 1、2 H处的风速基本一致，
这也就说明沙冬青对植株两侧的风速没有显著地消减
作用；当风越过植株之后，由于摩擦及涡旋作用，风速
突然降低，降低率最大可达 59.77%，并在植株背风面
1~3 H范围内形成一个低速的静风区；当风继续前行
一段距离后，风速逐渐恢复，在7 H处风速与旷野基本
相当，成为尾流区。
从单株沙冬青风场平面图（图 2）可以看出，当风
经过沙冬青前1 H时，风速等值线开始变密，风速开始
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衰减；在植株后1~3 H之间风速等值线最为紧密，风速
衰减也最快，风速也在该区域降到最低；随后，风速等
值线开始逐渐变疏，风速缓慢增加，在植株后 7 H处，
风速已基本恢复至旷野水平。由此可以得出单株沙冬
青的有效防护距离的临界值为植株后 7 H处，最佳防
护距离为3 H处。
2.1.2 单株沙冬青集沙特征 经过1 h集沙后（平均风速
为5.5 m/s），将每个测点每层的集沙量进行求和，得到
以下不同测点集沙量的变化曲线（图3）。单株沙冬青
对集沙量的影响和对风速的影响具有相似的变化规
律。在植株的两侧由于风速的加快，风蚀加剧，积沙量
增加；在植株背风面的1~3 H，由于植株的阻挡形成了
静风区，风蚀最轻，集沙量最少；在植株背风面7 H处，图1 单株沙冬青不同测点风速变化曲线
0
1
2
3
4
5
6
7
旷野 1H 1H 2H 1H 2H 1H 3H 5H 7H
迎风面 左侧面 右侧面 背风面
测点位置
风
速
/(m/s
)
0.2 m0.5 m
A：20 cm高度风速 B：50 cm高度风速
图2 单株沙冬青风场平面图
由于风速已基本恢复至旷野水平，集沙量也旷野的相
当。因此，从集沙的角度也可以得出单株沙冬青的有
效防护距离的临界值为植株后 7 H处，最佳防护距离
为3 H处。
将积沙高度和对应的集沙量进行拟合（图 4），可
以得出，各测点集沙量随高度的变化具有相似的变化
规律，并且符合指数函数关系。集沙量主要集中在0~
2 cm高度范围内，集沙量占到总集沙量的 49%，接近
总集沙量的一半；2~4 cm高度范围内急剧减少，集沙
量占总集沙量的25%；4~8 cm高度范围内集沙量只占
总集沙量 19%；8~20 cm高度范围内的集沙量只占总
集沙量的 7%。因此，集沙量主要集中在 0~8 cm高度
范围内，而沙冬青为匍匐状或斜倚状生长，枝叶繁茂，
对阻挡近地面流沙非常有利，是一种理想的生态建设
树种。
2.2 不同沙冬青配置方式对风速的影响
当气流运移到林带边缘时，受林带的阻挡，大部或
一部分被抬升，气流的能量被消减，使得风速下降，在
林后形成低速区，随后，风速逐渐恢复，距离林带愈远，
速度恢复愈大。由表 1可以看出，随着与林带距离的
加大，各林带的防风效果逐渐减弱，在林带后10 H处，
风速减弱都已不明显；到 15 H处，风速已基本恢复到
旷野水平。从防风效能的角度出发，每种配置的防风
效能最大值都处于林带背风面 1~5 H处，平均可达
46.14%，到 10 H处防风效能已不明显，平均值不到
15%；15 H处，每种配置的防风效能不超过2%，基本没
有防风效能（图5）。
不同的沙冬青配置方式的防风效能差异显著。行
带配置方式的防风效能明显优于其他 2种配置方式
的，随机配置方式的最差，均匀式的居中。造成这种差
0
5
10
1520
25
30
35
旷野 1H 1H 2H 1H 2H 1H 3H 5H 7H
迎风面 左侧面 右侧面 背风面
测点位置
集
沙
量
/g
图3 不同位置集沙量变化变化
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杜 娟等：不同沙冬青配置方式对土壤风蚀的影响
异的主要是因为行带式林带呈“品”字型结构，林带结
构较为紧密，增加了对风的摩擦，消耗了风的能量，降
低了速度。随机式林带疏透度比较大，有点地方植株
较多，而有的地方没有植株，进而林带整体防护功能较
低。均匀式林带往往会在植株的两侧形成一个风的通
道，风速会被加快，防风效果不佳。
2.3 不同沙冬青配置方式的输沙率
输沙率的大小不仅与物种和栽植密度有关，还受
到植物配置方式的影响。对每个测点所采集的沙子称
重计算，得到了沙冬青不同配置方式下不同位置的输
沙率变化曲线（图6）。
人工灌木林带的固沙机理一方面在于它能直接通
过控制地面风蚀和风沙流运动，减少输沙量；另一方面
防风林带本身如同一个巨大的绿色立体“筛”，风沙流
经此筛“过滤”后，使跃移或蠕移的沙粒沉积于林缘附
近，使呈悬移运动状态的粉粒和尘埃粘附于植物体上
或降落于林带之中，从而使空气中的沙尘量减少。由
图6可以看出，每种配置在林带后缘5 H内输沙率都有
所减少，在林带后 1、3、5 H减弱最明显。随机式配置
在其后缘7 H内都能减少风蚀，有一定防控作用，而均
匀式和行带式林带在其后缘 10 H处都能有效减少输
沙率，具有一定防控风蚀作用。
图4 单株沙冬青集沙量与高度的拟合曲线
配置方式
随机式
均匀式
行带式
旷野
5.15
5.4
5.38
背风面测点
1 H
2.76
2.07
1.83
3 H
3.39
2.76
2.52
5 H
3.72
3.43
3.19
7 H
4.46
4.06
3.77
10 H
4.86
5.09
5.1
15 H
5.13
5.34
5.37
y=18.044e-0.532xR2=0.9667
02
46
810
1214
1618
0~2 2~4 4~6 6~8 8~10 10~12 12~14 14~16 16~18 18~20
高度/cm
集
沙
量
/g
旷野 迎风面1H 侧面1H
侧面2H 背风面1H 背风面3H
背风面5H 背风面7H
0
10
20
30
40
50
60
70
1 H 3 H 5 H 7 H 10 H 15 H
背风面测点位置
防
风
效
能
/%
随机式
均匀式
行带式
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
旷野 1 H 3 H 5 H 7 H 10 H 15 H
测点位置
随机式 均匀式 行带式
输
沙
率
/[
g/
(m
·c
m
2 )
]
表1 不同沙冬青配置方式近地面风速变化 m/s
图5 不同沙冬青配置方式防风效能Ex 图6 沙冬青不同配置方式下的输沙率变化
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综上分析可知，沙冬青行带式配置林带防护效益
最佳，可在今后的生态建设中推广应用。对于随机式
配置，虽然天然沙冬青种群多为此种分布格局，但是由
于疏透度较大，且林带空隙较大，防护明显低于其余两
种配置方式的林带。均匀式配置，由于沙冬青的形态
特征，在沙冬青株与株之间容易形成狭管效应，使风沙
流速度增大，从而消弱了林带整体的防护作用；而植株
后方由于植株的阻挡，消耗了风沙流动能，使风沙流的
挟沙能力下降，输沙量减少，在植株后发生堆积。而行
带式配置为“品”字形配置，株与株之间的狭管作用大
大降低，而枝条间的摩阻、摆动撞击作用加强，所以对
风速较弱作用明显，在一定程度上起到了就地阻沙；同
时林带降低了带后一定范围内的风速，使颗粒较大的
沙粒和尘埃开始降落，从而起到有效拦截沙尘，稳固地
表的作用。
3 结论与讨论
单株沙冬青的有效防护距离的临界值为植株后
7 H处，最佳防护距离为3 H处。单株沙冬青对集沙量
的影响和对风速的影响具有相似的变化规律。在植株
的两侧风速会被加速，风蚀加剧，积沙量增加；在植株
背风面的 1~3 H，风速显著降低，风蚀最轻，集沙量最
少；在植株背风面 7 H处，风速已基本恢复至狂野水
平，集沙量与旷野相当。
沙冬青行带配置方式的防风效能最高，均匀式居
中，随机式最低。3种配置方式在林带后缘5 H内输沙
率都有所减少，在林带后1、3 H减弱最明显。
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