全 文 ：第 13卷第 2期 水土保持研究 Vo l. 13　 No. 2
2006年 4月 Resea rch o f Soil and Wa ter Conserv ation Apr. , 2006
①
沙蓬防风阻沙效能初步研究
杨　光 ,丁国栋 ,赵廷宁 ,孙保平
(北京林业大学水土保持学院 ,北京　 100083)
摘　要: 选取了延庆县官厅湖畔的沙蓬试验地为研究对象 ,对沙蓬试验地的粗糙度、防风效能、输沙量、起沙风速及
单株沙蓬的阻截沙范围进行的系统的观测和研究。结果表明 ,沙蓬试验地的粗糙度为 6. 17 cm,比迎风面空旷沙地
高出 5. 37 cm;其防风效能在 30 cm和 50 cm高度处较好 ,分别为 24. 13%和 17. 07% ,当高度达到 200 cm时 ,已几
乎没有防风效能 ;当风速达到 7. 1 m /s时 ,沙蓬试验地仍未见起沙现象 ; 20 min时段内平均风速为 5. 8 m /s时 ,沙
蓬试验地的积沙量仅为 0. 62 g;单株沙蓬的阻截沙范围为 1. 37 m2。
关键词: 沙蓬 ;防风阻沙 ;粗糙度 ;输沙量
中图分类号: S157; X171. 1　　　　　文献标识码: A　　　　　文章编号: 1005-3409( 2006) 02-0172-03
Preliminary Study on the Efficiency of Wind Prevention
and Sand Resistance of Agriophyllum squarrosum ( L)Moq
YANG Guang , DING Guo-dong, ZHAO Ting-ning , SUN Bao-ping
(College of Soil and Water Conservation ,Beijing Forestry Univ ersity , Beijing 100083,China)
Abstract: The Agriophy llum squarrosum ( L) Moq. experimental plot in Guanting lakef ront o f Yanqing county w as taken as
investiga tion subject, based on the observa tions and investiga tions on roughness, effec tiv e func tion of wind prevention, amount
o f sediment transpor t, blow n wind speed and sing le Agriophy llum squarrosum s sand resistance range. The result show s that
the roughness of experim enta l plo t is 6. 17 cm , w hich is higher than clea r sand land in w indwa rd slope with 5. 37 cm; the
effectiv e function of wind prevention at the height o f 30 cm and 50 cm is be tter , with the percentag e separ ately is 24. 13% and
17. 07% and a t the height of 200 cm near ly has no effectiv e function o f wind prevention; when the w ind speed up to 7. 1 m /s,
the experim enta l plo t still has no sand blow n phenom enon; the average wind speed is 5. 8 m /s in 20 min, the sand accumula tion
in the experim enta l plo t is only 0. 62 g; th e sing le Agriophy llum squarrosum s sand resistance r ange is 1. 37 m2 .
Key words: Agriophyllum squarrosum ( L) Moq; w ind prevention and sand resistance; r ough ness; amount o f sediment transpor t
　　植物固沙是治理沙漠的根本措施 ,沙漠地区生态环境条
件严酷 ,给植物的生存和适应造成极大的困难 [1]。 因此选择
适宜的植物种类进行固沙 ,不仅可以起到防风固沙的作用 ,
而且可以改良土壤 ,使沙地生态环境发生逆转。 在沙地环境
中 ,植被能够有效降低风速、减轻土壤风蚀 ,从而减少地表土
壤细微颗粒及养分的损失 [2]。植被的这种防风抗蚀生态效应
一直是国内外农学家、气象学家和流体力学家关注和研究的
焦点 [3, 14, 15]。已有的研究结果表明: 植被主要通过覆盖地表、
增加下垫面粗糙度和拦截运动的沙粒 3种生态过程来缓解
气流对地表的侵蚀作用 [4]。沙蓬是其中很典型的一种固沙植
物种。
沙蓬 (Agriophyllum squarrosum ( L. ) Moq. ) ,别名沙米、
登相子 ,是藜科一年生草本 ,高 20～ 100 cm,分布于我国东
北、华北、西北及河南、西藏等省 (区 ) ,是一种耐寒、耐旱的沙
生植物 ,是亚洲大陆干旱 -半干旱地区各种类型的流动、半
流动及固定沙地上的一个广布种 [5, 6 ]。
目前有关沙蓬的一些研究主要集中在其生理特性及饲
用价值上 ,有关其防风阻沙效能则研究较少 ,本文将以延庆
县官厅水库湖畔的沙蓬草地为研究对象 ,通过野外观测结合
数据分析 ,对沙蓬的防风阻沙效能进行系统的研究 ,以期为
我国中西部地区沙区植被建设提供理论参考和科学依据。
1　试验地自然概况
本次研究所选的试验地位于延庆县西南部官厅水库湖畔
的小王庄村 ,地处于内蒙古高原和河北坝上地区与北京平原
区的过渡地带 ,东经 115°48′47″,北纬 40°22′39″,西、南与河北
怀来县接壤 ,试验区面积约为 5 km2。 气候为大陆性季风气
候 ,是暖温带与中温带、半干旱与半湿润的过渡带 ,年平均降
雨量为 469 mm ,年平均气温 8. 5℃。植被以沙蓬为主 ,属于典
型的半固定沙地 ,通过对样地进行样方调查 ,植被盖度为
27%。试验点西面正对北京的五大风口之一狼山风口 ,受河北
坝上及内蒙高原气流的影响 ,风力较大 ,历年平均风速为 5. 1
m /s,≥ 17 m /s的风速出现过几十次 ,最大风速达 24 m /s,最
长沙尘暴日数为 3. 5 d。 试验观测点位置见图 1。
① 收稿日期: 2005-04-18
　基金项目:国家自然科学基金资助项目“基于空气动力学流动阻力及绕流理论的植被防风蚀机理研究” (项目编号: 30471422)
　作者简介:杨光 ( 1974- ) ,男 ,内蒙古鄂尔多斯人 ,在读硕士研究生 ,研究方向为水土保持与荒漠化防治治 ;责任作者:丁国栋 ,男 ,副教
授 ,研究方向为荒漠化防治。
图 1　试验观测点位置
2　研究方法
2. 1　风速观测
风速观测时间为 2005年 3月 8日～ 3月 15日 ,仪器采
用由中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室研制的便携式十
通道风速风向采集仪 ,每次采集时间设为 20 min,隔 10 s采
集一次数据。 风速观测点布设分为两组 ,一组为沙蓬草地迎
风面的空旷沙地 ,另一组为距空旷地 30 m的沙蓬草地中 ,每
组观测点各在 30 cm、 50 cm 、 100 cm 、 200 cm不同高度处设
一个风杯 ,同时观测两组观测点不同高度处的风速。
2. 2　粗糙度的计算
粗糙度依据以下公式计算 [7]:
logZ 0= ( lo gZ 2- AlogZ1 ) /( 1- A)
式中: Z 0—— 地表粗糙度 ; Z1、 Z2—— 同一观测点的不同高
度 ; A= u2 /u1 , u1、 u2分别为同一时刻不同高度处的风速。 在
本研究中粗糙度风速观测高度分别为 50 cm和 200 cm。
2. 3　防风效能计算
防风效能采用如下公式计算 [8 ]:
Ex= (mx 1- m x2 ) /m x1
式中: Ex—— 草地中高度为 x处防风效能 ,mx1—— 观测点高
度为 x处空旷地的风速 ,m x2—— 高度为 x处的草地风速。在
本研究中将对 30 cm、 50 cm、 100 cm、 200 cm不同高度处的
防风效能进行计算 ,以对比上述四个不同高度处的防风效
能。
2. 4　输沙量观测
采用阶梯式积沙仪。 积沙仪的进沙孔宽 2 cm,共分 10
层 ,观测时集沙仪布设在观测样地内竖立 ,进沙口与主风向
垂直 ,底部与地面平齐。观测开始时记录时间 ,并同时打开各
个集沙仪的口盖 ,观测结束时关闭集沙仪的口盖 ,每次观测
结束后 ,将集沙仪的集沙进行分层称重。 观测时集沙时间为
20 min,用 DEM- 6型三杯风向风速表同时刻观测 2 m高处
风速 ,多次测量取平均值。
2. 5　起沙风速观测
采用 DEM- 6型三杯风向风速表 (精度在 0. 2 m /s) ,风
速仪布设在距下垫面垂直高度 2 m处。观测人员观测下垫面
沙粒的起动情况 ,当在风力作用下有沙粒开始运动时 ,记录
该时刻风速 ,多次测量取其平均值。
2. 6　防沙范围计算
植被防沙范围的确定采用拍照处理图像的方法。对选取
的典型植株用数码相机由上向下垂直于地面进行拍摄 ,同时
记录被拍摄植株的冠幅及背风面的阻截沙半径 ,根据记录的
数据用图像图像处理软件标定其前后左右的范围 ,并通过勾
斑块的方法求出每一植株的防沙范围。 本文采用 Arcgis软
件对图像进行处理。
3　结果与分析
3. 1　下垫面粗糙度
下垫面粗糙度是衡量治沙防护效益的重要指标之一 ,人
们采取的各种治沙防沙技术措施 ,都可归结为改造下垫面 ,
控制风沙流 ,改变粗糙度 ,使其向着有利于人类的方向转
化 [7- 9, 13]。迎风面空旷沙地和沙蓬草地粗糙度的测定及计算
见表 1。
表 1　迎风面空旷沙地及草地粗糙度测定及计算
序号
空旷地 50 cm高
风速 / ( m· s- 1)
空旷地 200 cm高
风速 /( m· s- 1)
风速比
(u200 /u50)
草地 50 cm高
风速 / ( m· s- 1)
草地 200 cm高
风速 /( m· s- 1)
风速比
(u200 /u50)
1 4. 96 6. 69 1. 3488 3. 70 6. 67 1. 8027
2 4. 59 6. 08 1. 3264 3. 61 6. 13 1. 7028
3 4. 22 5. 56 1. 3175 3. 26 5. 37 1. 6472
4 4. 65 6. 10 1. 3118 2. 87 5. 97 2. 0801
5 4. 43 5. 93 1. 3386 3. 94 5. 94 1. 5076
6 4. 50 6. 12 1. 3600 4. 06 6. 03 1. 4852
7 4. 48 6. 06 1. 3527 3. 63 6. 03 1. 6612
8 3. 81 5. 12 1. 3438 3. 60 5. 10 1. 4167
9 4. 51 6. 02 1. 3348 3. 47 6. 03 1. 7378
10 4. 26 5. 62 1. 3192 3. 43 5. 43 1. 5831
∑ 13. 3519 ∑ 16. 6244
平均 ( A) 1. 3352 平均 ( A ) 1. 6624
Z 0空= 0. 80 cm Z0草= 6. 17 cm
　　从表 1可以看出 ,下垫面覆盖不同 ,地表粗糙度也不相
同 ,其中迎风面空旷沙地粗糙度为 0. 8 cm,沙蓬草地粗糙度
为 6. 17 cm ,比空旷对照点增大 5. 37 cm。 主要是草地枝叶对
气流的扰动加剧 ,削弱了贴近地层的风速 ,使风的水平作用面
抬升 ,粗糙度就增大 ,风力就不能直接作用于地表 ,达到防治
风蚀的作用。 A. P康斯坦丁诺夫等研究表明 ,在无吹扬的流
沙表面 ,其下垫面的的粗糙度约为 0. 007 cm,本研究所测得
的空旷沙地下垫面粗糙度为 0. 8 cm ,比康斯坦丁诺夫等的研
究结果大出许多 ,主要是由两个因素决定 ,一是由于沙地靠近
湖畔 ,湿度相对较大 ,二是由于该沙地的粒径较一般流动沙丘
粒径大 ,且上面有部分砾石覆盖 ,增大了地表的粗糙度。
3. 2　防风效能
图 2～ 5为同一时刻空旷沙地与沙蓬草地不同高度处每
隔 10 s采集的风速对比曲线。从上图可以看出 ,随着观测点
高度的增加 ,两组风速曲线间隔逐渐减少 , 30 cm高度处风
速曲线差异最大 , 200 cm高度处风速曲线已几乎无差异。根
据 2. 3中公式计算防风效能见表 2。
表 2　不同高度处沙蓬防风效能
高度 /cm 30 cm 50 cm 100 cm 200 cm
防风效能 /% 24. 13 17. 07 8. 91 0. 94
　　从表 2可以看出 ,沙蓬的防风效能在 30 cm高度处最
大 ,为 24. 13% ,当高度达到 200 cm时为 0. 94% ,已几乎没
有防风效能。沙蓬虽然是一年生植物 ,但秋后植株枯萎后 ,其
枝叶仍完整地残留在地表 ,近地面气流在流动过程中 ,沙蓬
植株枝叶对风的摩阻作用 ,消耗了风的一部分能量 ,降低了
风速。 另有一部分风遇到沙蓬植株的阻挡后气流抬升 ,与上
部的水平风相遇 ,来自不同方向的风相遇 ,能量也会消减一
部分 ,因此植株上部 100 cm处风速较空旷地风速低 ,仍有一
定的防风效能。但当高度达到 200 cm时 ,其风速已基本不受
沙蓬植株的影响 ,因此防风效能变得非常微弱。
·173·第 2期 杨　光等:沙蓬防风阻沙效能初步研究
　　图 2　 30 cm高度处风速对比曲线　　　　　　　　　　　　　　　图 3　 50 cm高度处风速对比曲线
　　图 4　 100 cm高度处风速对比曲线　　　　　　　　　　　　　　图 5　 200 cm高度处风速对比曲线
3. 3　输沙量
图 6　迎风面对照点与沙蓬草地不同高度的输沙量
输沙量的大小取决于风力和沙粒粒径 ,而且受到地形、
下垫面以及沙子含水量等因素的影响 [13]。由图 6可以看出 ,
在平均风速为 5. 8 m /s时 ,随着积沙仪试管高度的增加 ,迎
风面沙地与沙蓬草地的输沙量呈减少的趋势。迎风面沙地输
沙量在 0～ 20 cm高度内最大 ,为 4. 61 g , 18～ 20 cm高度内
最小 ,为 0. 1 g ,不同高度的总输沙量为 17. 13 g。沙蓬草地输
沙量在 0～ 20 cm高度内最大 ,为 0. 62 g ,当高度大于 6 cm
时 ,输沙量都为 0,不同高度的总输沙量为 0. 81 g。沙蓬草地
减少输沙量主要由以下两个方面的因素决定 ,一是由于沙蓬
对风有降解作用 ;二是由于沙蓬植株间的空地中有较多的小
块砾石覆盖 ,增大了起沙风速。
3. 4　起沙风速
在试验的时间段内 ,将 DEM - 6型三杯风向风速仪布
设在距下垫面垂直高度 2 m处 ,观察人员记录风速的同时观
测地面沙粒的起动情况 ,经多次观测 ,当风速达到 7. 1 m /s
时未见起沙现象。起沙风速较大主要是由于沙蓬和部分砾石
的覆盖对地表起到了很好的保护作用 ,减小了近地面风速 ,
增大了下垫面粗糙度 ,使地表不容易起沙。
3. 5　防沙范围
在研究样地内选取 10株典型沙蓬植株 ,垂直于地面进
行拍照 ,用图像处理软件勾出其植株范围和背风面的阻截沙
范围 ,并利用软件求出植株及其所拦截沙的面积。 每棵植株
所求出的阻截沙面积见表 3。
表 3　沙蓬植株阻截沙面积
序号 平均冠幅 / cm 株高 阻沙半径 阻截沙面积 / cm2
1 92 35 43 9552. 03
2 107 38 52 13239. 49
3 94 41 64 13373. 79
4 110 42 68 16766. 72
5 104 40 61 14339. 83
6 112 39 63 16086. 56
7 108 41 69 16639. 48
8 95 38 64 13522. 23
9 103 40 60 13987. 19
10 87 37 49 9716. 18
　　从表 3可以看出 ,每棵沙蓬植株阻截沙的范围为 1～ 1.
7 m2之间 ,平均为 1. 37 m2 ,即在此范围内有地表不会有风
蚀危害。据此可以根据不同的防沙要求推算出单位面积内所
需的沙蓬植株数目。
4　结论与讨论
( 1)沙蓬虽然是一年生草本 ,但由于其枝叶在枯萎后仍
(下转第 243页 )
·174· 水 土 保 持 研 究 第 13卷
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(上接第 174页 )
能够残留在地表 ,因此在容易起大风的冬季和春季仍具有很
好的防风阻沙效能。
( 2)平均盖度为 27% 的沙蓬试验地 ,下垫面粗糙度为
6. 17 cm,迎风面对照点空旷沙地的下垫面粗糙度为 0. 80
cm,由于沙蓬植株的存在 ,使得粗糙度增加了 5. 37 cm。
( 3)沙蓬试验地与迎风面空旷沙地相比 ,随着观测点高
度的增加 ,其防风效能逐渐减少 ,观测点高度为 30 cm、 50
cm时其防风效能较好 ,分别为 24. 13%和 17. 07% ,观测点
高度为 100 cm时防风效能为 8. 91% ,当观测点高度为 200
cm时 ,其值仅为 0. 94% ,已基本没有防风效能。
( 4)沙蓬植株对风有降解作用 ,同时在植株间的空地上
有小块砾石覆盖 ,增大了起沙风速 ,因此当风速达到 7. 1 m /
s时 ,仍未见起沙现象。
( 5)通过对输沙量的观测 ,在平均风速为 5. 8 m /s时 ,沙
蓬试验地内仅 0～ 6 cm高度内有少量积沙 ,为 0. 62 g ,当高
度大于 6 cm时 ,积沙量都为 0。
( 6)通过对选取的典型植株用图像处理软件进行处理 ,
沙蓬试验地每株沙蓬的平均阻截沙范围为 1. 37 m2。
( 7)沙蓬虽然在春冬季其枯萎的枝叶仍能在地表留存 ,
对防风固沙起到积极的作用 ,是一种很好的防风固沙先锋植
物 ,但由于其枝叶极易燃烧 ,因此必须加强春冬季的防火工
作。
( 8)沙蓬是沙漠地区防沙固沙的重要野生经济植物 ,但在
春季沙蓬植株常有被风整株刮断的现象 ,因此在种植推广时 ,
要尽量避免种在迎风坡的中上部 ,在沙丘坡脚、湿润的沙海子
或干河床两岸较潮湿的沙地比较适宜种植。 但从另一个角度
来看 ,适量的植株被风刮断吹走也同时有利于种子的传播。
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·243·第 2期 毛　 等:植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究