全 文 ：沙柳灌丛植株形态与气流结构野外观测研究*
王 蕾 王 志 刘连友* * 哈 斯
(北京师范大学资源学院 环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京 100875)
摘要 通过野外观测, 研究了毛乌素沙地南缘平沙地人工栽种单行沙柳灌丛的植株形态与气流结构 .结
果表明, 沙柳灌能降低迎风侧和背风侧的近地面风速,使沙粒在植株下部沉积.积沙体积( V 2 )与植株体积
( V 1)相关性较高( R = 0 696) .单行沙柳灌丛在 4 m 高处风速为 6 m!s- 1时的气流结构特征为:迎风侧 3
H 处风速已降低, 2 H 处风速又得到加强,之后在背风侧迅速降低, 1 H 处达到最低值,然后逐渐恢复到旷
野风速. 防护距离约为 17 H∀, 有效防护距离约为 13 H∀. 沙柳灌丛对植株高度以上高度处风速影响较小.
关键词 沙柳 灌丛 植株形态 气流结构 防风效应
文章编号 1001- 9332( 2005) 11- 2007- 05 中图分类号 S71851 文献标识码 A
Field investigation on Salix psammophila plant morphology and airflow structure. WANG Lei, WANG Zhi,
L IU Lianyou, HA Si(K ey L aborator y of Env ir onmental Change and Natural Disaster of Education M inistry ,
College of Resour ces Science and Technology , Beij ing Normal Univer sity , Beij ing 100875, China ) . Chin . J .
A pp l . Ecol . , 2005, 16( 11) : 2007~ 2011.
A field investigation in the flat sands of sout hern Maowusu sandy land show ed that artificially cultiv ated single
line S alix p sammophila could accumulate sand because the plant decreased the w indward and leew ard w ind ve
locity. T here was a significant correlation( R = 0 696) between accumulated sand volume( V 2 ) and plant volume
( V 1) . When the w ind velocity at 4 m height of sing leline S . psammophila was 6 m!s- 1 , the w ind velo city de
creased at 3H windw ard, increased at 2H windward, and then steeply decr eased leeward, reached the low est val
ue at 1H leew ard and gradually recovered to the open field velo city . The protection distance of sing leline S .
psammophila w as about 17 H∀, and t he effectiv e pr otection distance was about 13 H∀. Singleline S . p sam
mophila had litt le effect on the wind velocit y above plant height.
Key words Salix psammophila, Shrub, Plant morpholo gy, Flow structure, Windprevention effect.
* 国家自然科学基金项目( 40471014)和国家# 十五∃科学技术攻关资
助项目( 2002BA517A04) .
* * 通讯联系人.
2004- 11- 16收稿, 2005- 04- 18接受.
1 引 言
植被通过覆盖部分地表、分解风力以及阻挡输
沙等多种途经起到防风固沙的作用[ 1, 17, 20, 21] . 不同
植被的防风固沙效应是生态环境建设中植被类型选
择和合理配置的主要依据[ 28] .我国对植被防风固沙
效应的研究始于建国初期农田防护林生态效应的研
究[ 2] . 许多学者对此进行了野外观测[ 3~ 5, 15, 24]、风
洞模拟实验[ 7, 27]以及与区域性防护效应有关的基
础研究[ 6, 11, 13, 31] , 目前对乔木林的生态效应及评价
方法的研究已较为成熟[ 16, 19, 22, 29] . 然而在干旱半干
旱地区,由于水分和养分的限制, 在许多立地条件
下,灌木比乔木有更强的适应性,从而能更好地发挥
生态作用[ 23, 26] . 对灌木群落防风固沙效应进行的一
些野 外观 测 多 采 用 手 持式 风 速 仪 测 定 风
速[ 9, 12, 14, 25] ,对植被防风效应只能做粗略评价, 而
植被附近气流结构的定量描述则有助于更精确地评
价植被的防风固沙效应. 此外,植株形态对其防风固
沙效应有重要影响[ 10] . 因为真正决定植被减弱风速
的因素是植被迎风方向的侧影面积. 侧影面积的大
小是由植株高度、冠幅和疏透度等形态特征决定的,
然而目前对植被形态的关注还比较少[ 7, 30] .
沙柳( Salix p sammophila )是毛乌素沙地重要
的灌丛群落, 常以极稀疏的方式分布于沙丘中下部
(尤其是背风坡) , 或者是以较大的密度分布于滩地
覆沙区, 常与乌柳( Salix l inearistr ipulari s)组成柳
湾林,是毛乌素沙区优良的防风固沙树种,具有很高
的经济价值和生态价值.
本文对毛乌素沙地南缘人工栽种的单行沙柳植
株形态变量进行了测量和统计分析, 采用梯度风自
动采集系统对沙柳附近气流结构进行了观测,以期
为灌木防风固沙效应的进一步研究和生态环境建设
提供基础数据.
应 用 生 态 学 报 2005年 11 月 第 16 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2005, 16( 11)%2007~ 2011
2 研究地区与研究方法
21 研究地区概况
研究地区位于毛乌素沙地南缘靖边县北部海则滩乡沙
丘滩地镶嵌地区,海拔高度 1 230 m, 年均气温 7 9 & , 年均
降水量 3947 mm,年均蒸发量 2 4845 mm, 属温带季风半
干旱气候.年均风速 29 m!s- 1 ,地表起沙风速 4 0 m!s- 1, 3
~ 5 月风速> 40 m!s- 1的天数 ( 11 4 d)占全年的 502% .
地貌形态以流动、半流动和固定沙丘、平沙地及湖盆滩地为
主.土壤类型主要为流动风沙土、固定风沙土和草甸土. 植被
属于暖温性草原植被,固定和半固定沙丘上沙生植物构成优
势种,主要为白沙蒿( A r temisia spherocephala)、沙米 ( Agrio
phy lium squar rosum)、软毛虫实 ( Cor isp ermum puberulum )、
沙竹(Psammochloa villosa)等.
22 研究方法
2004 年 4 月在研究区内对平沙地上人工栽种的单行沙
柳(图 1a)的 58 株植株个体的冠幅直径(最大直径和相垂直
的直径)、植株高度、下部积沙直径(最大直径和相垂直的直
径)、积沙高度进行了测量.
4 月12 日13: 00~ 19: 00, 采用长春气象仪器厂制造的 2
套梯度风自动采集系统(图 1b) , 分别对单行沙柳测点(仪器
移动) 和旷野对照点 (仪器固定 )进行了 9 个高度 ( 0 32、
053、0 71、1 23、150、2 00、2 50、300和 4 00 m) 1 min 平
均风速观测 .测点位于单行沙柳迎风侧 0 5( H = 3 5 m, 植
株平均高度 H∀= 2 68 m)、1、2 和 3 H , 背风侧 0 5、1、2、3、
4、6、9 和 13 H 处,每个测点观测时间为 20~ 30 min(图 2) .
测点风速与旷野对照点风速对应时段平均风速比值为测点
相对风速. 旷野对照点设于被测单行沙柳上风向 100 m 处,
周围地面平坦无障碍物, 与单行沙柳下垫面状况一致. 被测
单行沙柳走向37∋, 全长70m , 23株个体 , 疏透度约为0 3,
图 1 观测点景观
Fig. 1 Landscape of the observation site.
a)平沙地上的单行沙柳 Singleline Salix psammop hila in the flat
sands; b)梯度风自动采集系统 Autocollect ing data system of gradient
w ind.
图 2 观测点位置示意图
Fig. 2 Sketch map of the observation site location.
东南侧 50 m 处有与之平行的 17 株个体组成的另一行沙柳.
被测单行沙柳周围生长着人工栽种的平均高度为 0 45 (
0 42 m( n= 51)的沙打旺( A str agalus adsurgens )和平均高
度为 021( 005 m( n = 18)的碱蓬( Suaeda heterop tera) , 植
被盖度为 15% . 观测时段主风向为 299∋,风向脉动强烈.
3 结果与分析
31 植株的形态特征
表 1 是沙柳植株形态变量统计分析结果,其中
沙柳植株体积( V 1 )用椭球体估算, 积沙体积( V 2)
用半椭球体估算. 沙柳植株最大冠幅直径( a1 )、垂
直冠幅直径( b1)和高度( H 1)的平均值分别为400、
289和 268 m. 植株最大冠幅直径为 600 m, 最大
高度为 39 m. 植株下部积沙最大直径( a2)、垂直直
径( b2)和高度( H 2)的平均值分别为 228、166和
028 m.积沙最大高度为 050 m.植株体积和积沙
体积个体差异较大, 最大值与最小值之间分别相差
37和 107倍.
表 2 是沙柳植株形态变量相关分析结果,可以
看出植株与积沙最大直径和相应垂直直径之间相关
性较高, 相关系数分别为 0831 和 0834. 植株和积
沙的直径和高度同其各自体积都有较高的相关性,
冠幅直径同植株体积相关系数到达 0824 和
0898. 冠幅直径和高度同积沙体积相关性较低,积
沙直径同植株体积相关性却较高. 植株体积与积沙
体积相关性较高, 相关系数为 0696.
对沙柳植株体积与积沙体积进行回归分析表
明, 最佳拟合方程为: V 2= 00466 V 10 7818 ( R 2=
04986) (图 3) .
32 气流的结构特征
图 4 是观测时段旷野对照点风速轮廓线,符合
指数规律( R 2= 09935) , u* = 03604 m!s- 1, Z0=
05004 cm.图 5 是测点不同高度相对风速值, 图 6
是平沙地单行沙柳附近相对风速分布.由图5可以
2008 应 用 生 态 学 报 16卷
表 1 沙柳植株形态变量统计分析
Table 1 Statistical analysis of the morphology variables in Salix psammophila plants
变量名
Valuable
name
最大冠幅直径
Maximum crow n
diam eter
a1( m)
垂直冠幅直径
Vert ical crow n
diameter
b1( m)
植株高度
Plant
height
H 1(m )
积沙最大直径
Max imum diameter
of accumulated
sand a 2(m )
积沙垂直直径
Vert ical diameter of
accumulated san d
b2( m)
积沙高度
Height of
accumulated sand
H 2(m )
植株体积
Plant
volume
V 1( m
3)
积沙体积
Volum e of
accumulated sand
V 2( m
3)
平均值 Mean 400 289 268 228 166 028 14703 261
最小值 Min. 160 100 160 120 090 005 1407 012
最大值 Max. 600 600 390 410 300 050 51998 1287
标准差
S td. deviat ion
117 105 047 055 049 013 10337 230
变异系数 CV 029 036 018 024 029 045 070 088
V 1= ( 4/3) a 1 b1 H 1; V 2= ( 2/ 3) a 2 b2 H 2.
表 2 沙柳植株形态变量相关分析
Table 2 Correlative analysis of the morphology variables in Salix psammophila plants
变量名
Valuable
name
最大冠幅直径
Maximum crow n
diam eter
a1
垂直冠幅直径
Vert ical crow n
diameter
b1
植株高度
Plant
height
H 1
积沙最大直径
Maximum diameter
of accumulated
sand a 2
积沙垂直直径
Vert ical diameter of
accumulated sand
b2
积沙高度
Height of
accumulated sand
H 2
植株体积
Plant
volume
V1
积沙体积
Volum e of
accumulated sand
V2
a 1 - 0667* * 0643* * 0831* * 0508* * 0426* * 0824* * 0580* *
b1 - - 0499* * 0722* * 0834* * 0313* 0898* * 0683* *
H 1 - - - 0477* * 0323* 0100 0706* * 0291*
a 2 - - - - 0720* * 0472* * 0766* * 0768* *
b2 - - - - - 0369* * 0706* * 0767* *
H 2 - - - - - - 0351* * 0742* *
V 1 - - - - - - - 0696* *
* P < 001; * * P < 005.
图 3 沙柳植株体积与积沙体积的回归关系
Fig. 3 Regression relat ionsh ip between the plant volume and th e volume
of accumulated san d.
图 4 旷野对照点风速廓线( 4月 6日)
Fig. 4 Wind velocity profile of the anchor point in the open field ( Apr.
6) .
看出,沙柳迎风侧 3 H 处各高度相对风速为 65% ~
85% ,在 2 H 处风速得到加强, 之后在背风处迅速
降低, 1 H 处达到最低值,然后逐渐恢复到旷野对照
风速 . 防护距离 (相对风速10 0% )约为13H ( 17
图 5 测点不同高度相对风速( 4月 6日)
Fig. 5 Relative w ind velocity of the various heights at the measure point s
( Apr. 6) .
图 6 平沙地单行沙柳附近相对风速( % )分布( 4月 6日)
Fig. 6 Dist ribut ion of relat ive w in d velocity ( % ) about the singleline
Salix p sammophi la in the flat sands(Apr. 6) .
H∀) ,有效防护距离(相对风速 80% )约为 10 H ( 13
H∀) .单行沙柳对植株高度以上高度处风速影响较
小. 400 m 高度处, 背风侧 1 H 处相对风速仅降至
80%,在 2 H 处相对风速就已迅速恢复至 90% .
4 讨 论
植被附近的风速在垂直和水平两个方向上都有
较大的变化. 野外观测最理想的方法是在两个方向
200911 期 王 蕾等: 沙柳灌丛植株形态与气流结构野外观测研究
不同位置同步观测[ 8] , 然而实际观测时常因没有足
够的仪器难以实现. 本文采用相对风速(同一时段测
点平均风速与旷野对照点平均风速比值)来消除水
平方向非同一时间观测(气象条件变化)产生的误
差[ 2, 3, 9] .
植被结构特征(结构类型, 疏透度或透风系数、
宽度、高度、横截面形状、有叶或无叶状态等)、气象
条件(风向、风速、大气温度层结构等)以及地体因子
(地面粗糙度、地形起伏等)对植被气流结构都有影
响[ 2] .本文只在上述影响因子的一种特定组合方式
下对沙柳灌丛气流结构进行了观测、探讨,若要全面
了解沙柳灌丛气流结构, 则需大量野外观测数据的
积累.
与林带相比, 王训明[ 18]研究的高 17 m、疏透
度 034的芦苇栅栏与本文单行沙柳形态最为相似.
通过风洞模拟实验得到的芦苇栅栏气流结构特征
为:背风侧顶部有一个加速闭合区;背风侧底部有一
个低速闭合区; 防护距离约为 20 H .沙柳灌丛背风
侧底部存在一个低速闭合区, 但因观测高度的限制
不能确定背风侧顶部是否存在加速闭合区. 芦苇栅
栏迎风侧沿风向风速逐渐降低, 但是疏透型林带气
流结构迎风侧 3~ 6 H 风速有增大的特征[ 22] , 因此
我们认为, 沙柳灌丛迎风侧 3~ 4 H ∀(即上文 2~ 3
H , H = 35 m;植株平均高度 H∀= 268 m)风速增
大是有可能的. 沙柳灌丛防护距离约为 17 H∀, 比芦
苇栅栏防风效应略低. 观测地点人工栽种的单行沙
柳间距约 50 m, 大于沙柳防护距离 46 m( 17 H ∀) .
为了提高沙柳防风固沙效应, 单行沙柳间距最好设
定在有效防护距离 35 m( 13 H ∀)以内.
综上所述, 沙柳灌丛通过在迎风侧和背风侧降
低近地面风速, 使沙粒在植株下部沉积.下部积沙体
积与植株体积相关性较高( r= 0696) ,两者间最佳
拟合方程为: V 2= 00466 V 10 7818 ( R 2= 04986, P
< 001, n = 58) .单行沙柳灌丛在 4 m 高处风速为 6
m!s- 1时的气流结构特征为:迎风侧 3 H 处风速已
降低, 2 H 处风速又得到加强,之后在背风侧迅速降
低, 1 H 处达到最低值, 然后逐渐恢复到旷野风速.
沙柳灌丛对植株高度以上高度处风速影响较小.
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作者简介 王 蕾, 女, 1977 年生,博士研究生.主要从事土
地资源与城市环境研究, 发表论文 3 篇. T el: 13683530733;
Email: w l@ ires. cn
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)南京林业大学学报(自然科学版) ∗( ISSN 1000- 2006)由南京林业大学主办, 创刊于1958年,是以林业
为主的综合类学术期刊. 本刊坚持的一贯宗旨是鼓励学术创新, 推动科技成果转化, 促进学术交流和发展,培
养、扶持学术人才.
主要内容 生物学、森林地学、林学基础理论、森林培育与经营管理、森林资源与环境、森林与自然保护、
水土保持与荒漠化防治、木材工业与技术科学、林业机械与电子工程、林产化学与工业、园林植物与风景园
林、林业经济与管理、森林工程、土木工程等以及有关边缘学科的研究成果. 另设置专栏集中报道重点项目、
基金项目及重大课题的研究成果.
刊物地位 国家科技部中国科技论文统计源期刊;中国科学引文数据库来源期刊;中国学术期刊综合评
价数据库来源期刊; 中国自然科学核心期刊; )中国学术期刊(光盘版) ∗首批入编期刊、万方数据( China info)
系统入编科技期刊群.被国际国内著名检索刊物如)CA∗、)FA∗、)FPA∗、)国际农业与生物科学研究中心(网
络版)∗、)剑桥文摘∗、)中国林业文摘∗、)中国生物学文摘∗、)竹类文摘∗等数据库收录.
1992年以来, )南京林业大学学报(自然科学版)∗先后获得全国优秀科技期刊三等奖、全国高校优秀学
术期刊一等奖、江苏省优秀自然科学学报一等奖等多项荣誉, 2001年入选#中国期刊方阵∃, 2002年入选#江
苏期刊方阵∃,并获优秀期刊称号, 2004年再次荣获全国高校优秀科技期刊一等奖,江苏省第二届期刊方阵
优秀期刊奖等荣誉.
读者范围 大中专院校师生, 科研院所研究人员.
本刊为双月刊, 单月末出版.大 16开本, 每期定价 10元,全年 60元.
全国各地邮局(所)均可订阅,邮发代号: 28- 16;国外发行:中国国际图书贸易总公司(北京 399信箱) ,
发行代号: Q552.
也可通过全国非邮发中心联合征订服务部办理订阅手续:天津市大寺泉集北里别墅 17号,邮编: 300385
编辑部联系电话: 025- 85428247 Email: xuebao@ njfu. edu. cn
201111 期 王 蕾等: 沙柳灌丛植株形态与气流结构野外观测研究