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沙生植物是在极端干旱、贫瘠、强风沙流等条件下生长发育的一类植物类型。它们不仅具有较强的抗逆能力,而且在其脆弱生态系统稳定性的维持和受损生态系统的恢复重建中起着重要的作用。沙生灌木是沙生植物中分布最广、防风蚀效果最为明显的一类植物,其植被盖度、植被分布格局的差异对土壤风蚀产生不同的影响作用,而且植物构型特征、植株柔韧性也影响沙生植物的抗风蚀效果。本研究以毛乌素沙地南缘常见的沙生灌木为研究对象,研究不同构型特征、不同柔韧性的沙生植物的抗风蚀作用,得出不同类型沙生植物对风蚀地表土壤的防护效果,对于定量揭示沙生植物的抗风蚀机理,探索沙化地区的植物选种具有重要的科学和实践意义。结果如下:
毛乌素沙地南缘盛行风向为NNW、NW、WNW,NW风向占全部风向频次的18.7％,为该区域的主导风向。3-6月份起沙风频率较大,占到全部起沙风速的64.6％,为风蚀和风沙活动最为严重的时期。研究区属于低风能环境,全年和季节总输沙势都在200VU之下,NW、WNW和NNW三个方向的输沙势最大。
从植株枝条方位上来看,灌状小叶杨迎风面最高一级枝条占所统计最高一级枝条总数的13.3％,背风面的占26.7％,而侧风面的枝条占60％。总体分枝率侧风面>迎风面>背风面,属于弱总体分枝率类型。逐步分枝率在背风面和侧风面都呈现上升趋势。一年生枝条长度侧风面>迎风面>背风面。分形维数侧风面<迎风面<背风面。灌状小叶杨在60-80cm处迎风面宽度最宽,群落内Z0介于2.16-3.68cm之间,是流沙地表空气动力学粗糙度的50-100倍。气流经过植株两侧形成的风速加速区宽7-10m,植株后方形成的有效防护范围10-12m。
沙柳最高一级的枝条的数量迎风面<背风面<侧风面。迎风面枝条夹角介于25°～50°之间,属于弱分枝角度类型；背风面和侧风面介于30°～70°。总体分枝率流动沙地>半固定沙地,迎风面=背风面>侧风面,属于弱总体分枝率类型。分枝级数流动沙地少于半固定沙地,枝茎比流动沙丘大于半固定沙地,枝条长度和枝数成反比,分枝格局较为简单。沙柳灌丛迎风面宽度最宽处位于100-140cm处。半固定沙地群落内Z0介于3.96-9.76cm之间,流动沙地Z0介于1.16-1.42cm之间,两者相差3-7倍之多。沙柳单株两侧的风速加速区5-8m,后方有效防护范围在6-9m之间。
油蒿植株外围枝条倾角在45°以下,植株内部枝条倾角在65°以上。迎风面倒数第二级枝条的分枝角度介于30°～80°之间；背风面枝条分枝角度较小,属于弱分枝角度类型:侧风面枝条灾角介于两苞之间。总体分枝率流动沙地大于半固定沙地,背风面小于迎风面和侧风面,属于弱总体分枝率类型。枝茎比流动沙丘大于半固定沙地,流动沙地上各个方位枝条枝茎比相差不大,半固定沙地上迎风方向枝茎比则大于背风向和侧风向。分形维数流动沙丘大于半固定沙地,分枝格局较为简单。半固定沙地群落内Z0介于2.7-3.36cm之间,流动沙地Z0介于2.0-2.78cm之间。油蒿植株两侧的风速加速区在4m左右,后方形成的有效防护范围在3m左右。
三种植物的相对柔韧性都随着植株茎杆横截面积的增大而变化,但沙柳变化幅度较大,而灌状小叶杨和油蒿的相对柔韧性则变现比较稳定。沙柳的相对柔韧性在这三种植物中最大,茎粗1-3mm.时是灌状小叶杨和油蒿的6-7倍,茎粗7-9mm时是2-3倍。灌状小叶杨三个方位枝条相对柔韧性相差不大,在不同风力作用下,枝条平均摆动频率27次/min,平均振幅1.2cm；而柔性植物沙柳平均摆动频率16次/min,平均振幅6.4cm。沙柳振幅是灌状小叶杨的5.33倍,而平均摆动频率则是灌状小叶杨的0.6倍。在同一植株中,风速与枝条振幅和摆动频率都成反比,相同风速下,茎粗与枝条振幅和摆动频率也成反比。