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摘要 对风水复合侵蚀区两种常见植物的四年生同龄沙棘和柠条植株采用人工移植的方法，利用HTSW18多通道风向风速监测仪观测林带在不同株距和行距配置方式下的防风作用。结果表明，两种植物林带均能有效降低风速。在相同的株距和行距的情况下，柠条林带防风效果明显优于沙棘林带。两种植物林带均是随着株距的减小，林带的防风效果逐渐增大。随着行距的增大，植物林带的防风效果逐渐减小。两种植物均增大地表粗糙度，柠条林带对粗糙度的影响是对照点的25倍，沙棘是对照的17倍。
关键词 风水复合侵蚀区；株距；行距；防风效果；地表粗糙度
中图分类号 S181.3 文献标识码A 文章编号 0517-6611（2015）11-235-03
风水复合侵蚀是在干旱、半干旱地区的一种侵蚀类型，该类侵蚀是在水力和风力两种自然外营力的作用下，在某一特定区域内形成水力侵蚀和风力侵蚀在时间上交替、在空间上叠加的侵蚀类型，其危害程度也常常大于单独的风蚀与水蚀[1]。对于该类侵蚀地区而言，生物措施是最积极最有效的防治措施。因为植物的根系发挥着良好的固体抗蚀作用[2-4]，同时当气流通过植被覆盖的地表时，在植株的阻挡作用下，气流穿越植株枝条时的摩擦和引起枝条摇晃摆动消耗了一些动能，使风速减弱，起到防治风蚀的作用；另外由于植物树干及枝条的阻挡，气流形成无数不定向的紊流，不同方向的紊流相互缓冲、抵消，使风力减弱或降低流动速度[5-6]。植被分解了运动气流的剪应力，减弱气流对地表土壤的吹蚀，从而起到保护地表土壤防治风蚀的作用[8]。以往的研究表明，灌木防护林行带式配置方式的防护效益优于等行距配置林带及随机配置[9]，但具体的配置模式是生产实际中需进一步解决的问题。笔者针对这一问题设计了野外模拟试验，为风水复合侵蚀区进行灌木防护林防护体系建设提供了理论依据。
1 研究区概况
研究区位于内蒙古鄂尔多斯杭锦旗独贵塔拉镇境内（108°41′ E，40°32′ N），海拔1 050 m左右。该地区气候属干旱半干旱大陆性季风气候，降雨较少且集中，年平均降水量281 mm左右。年平均风速2.3 m/s，每年沙暴日数在21～55 d之间。年平均日照时数3 129.5 h，多年平均气温为5.6 ℃，全年无霜期为122～144 d。该地区主要植物种有油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）、沙柳Salix psammophila C.Wang et C.Y.Yang）、柠条锦鸡儿（Caragana intermedia Kuang et H.C.Fu）、沙地柏（Sabina valgaris Ant.）、白沙蒿（Artemisia sphaerocephala Krasch.）等。
2 研究材料与方法
2.1 试验场地及试验材料该试验场地选择在内蒙古亿利公司独贵塔拉镇园区内进行。为了克服常规野外测风试验寻找理想试验场地和被测林带的困难，笔者采用模拟试验的方法，即从人工大面积种植区把试验样株挖出，移栽到试验场地，人工移动变化来达到不同配置的试验要求。该方法具有布设灵活方便的特点，比较容易实施，同时造价也远低于风洞模拟试验。风速观测场地选择在一块地势平坦开阔的沙地上，沙地上无其他植被的生长。在风速观测之前进行地形平整，使风速受地形影响较小。
在园区内，试验样株选择分布均匀、生长良好、无病虫害的沙棘和柠条种植样地，均为四年生植株。在样地内每种植物随机选择120株，采用整株挖掘。挖掘出植株后，人工移运到试验场地，按试验需求模拟种植成行带状。为了消除边缘效应对林带观测点上观测数据的影响，模拟种植的生长林带需长于50 m。
2.2 风速观测风速测定仪器使用HTSW18多通道风向风速监测系统，所测出的风速为瞬时风速和平均风速。测定仪器瞬时风速测量范围0～70 m/s，启动风速0.1 m/s，风速观测精度±0.3 m/s，试验仪器数据采集设置间隔为1 min，每次观测时间1 h。
风速野外观测的时间在4月25日～5月5日，因为这个时期是研究区大风季节，是风水复合侵蚀区发生风力侵蚀最严重时期。在这个时期灌木林带起到明显的抗风蚀作用，也是风速观测的最佳时期。
2.3 风速分析方法防风效果用相对风速来表示。采用下式计算防风效果：Exz=（uoz- uxz）/uoz[10]，式中，Exz为防风效果，即林内x处、高度为z处的风速占旷野对照风速的百分数，uoz为同一高度旷野的平均风速，uxz为林内x处、高度为z处的平均风速。
地表粗糙度是近地表风速为零的高度，它是反映地表对风阻抗的重要参数。计算粗糙度公式如下[11]：logz0 = （v1logz2-v2logz1）/（v1-v2）。式中z1、z2为观测高度值（cm），u1、u2为高度z1、z2处的风速（m/s），z0为地面粗糙度（cm）。该研究中z1、z2分别取200和50 cm高度。
3 林带株距对防风作用的影响
3.1 植株的布设 为了研究不同株距对风速影响作用，采用单带一行的种植方式，设定株距D=0.5、1.0、1.5和2.0 m。模拟的4 种不同株距植物林带的疏透度采用
数码相机正面拍照，照片用Photoshop 软件处理求得。结果表明，沙棘株
距为0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分别为72%、78%、85%和88%；柠条株距为0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分别为60%、67%、75%和80%。在布设的林地后和旷野对照分别
布设观测点，风杯观测高度为0.5和2.0 m，具体布设方法如图1。
3.2 株距对防风效能影响对两种植物不同株距的布置方式进行1 h的风速观测，计算出风速平均值，并根据防风效能计算公式计算出林带的防风效果，结果见表1。 通过方差分析（ANOVA），不同株距的2种植物的防风效应，树种之间差异性极显著（α<0.000 1），说明植物种对防风效能有着重要的影响；株距的差异性显著（α=0.000 1），说明植株株距不同，变化规律也不同，株距对防风效能的影响显著。测点间防风效能有较大差异，因为随着林带后距离的增大，风速逐渐恢复到旷野的风速值，各个测点间的防风效能差距较大。
由表1可知，两种植物不同株距的单带布设方式均能有效降低风速，均在林带后1H处防风效能最大，随着林带后距离的增大，防护效能逐渐降低，风速值也逐渐恢复到旷野风速。在相同的株距条件下，柠条的防风效果优于沙棘。对于不同的株距，总体趋势为随着株距的减小，防风效能逐渐增大。
3.3 株距对粗糙度的影响研究 在每个测点根据200和50 cm高处风速值，利用粗糙度公式计算出不同株距下林带背后的粗糙度。计算粗糙度时，风速统一选择旷野对照风速在2 m高处为6 m/s时的风速值。粗糙度在一定程度上反映林带的抗风蚀作用，结果见图2。由图2可知，两种植物均显著增大了粗糙度，均明显大于旷野对照的粗糙度，其中柠条增大幅度最明显，在株距为0.5 m时，林带后1H处增大幅度最大，是对照数值的25倍；沙棘增大幅度较小，林带后1H处旷野粗糙度是对照的11倍。
4 林带行距对防风作用的影响
4.1 植株的布设为了研究不同行距对风速的影响，笔者采用双行一带的种植方式。为了消除株距对风速的影响，模拟的双行一带林带株距均为1 m，设定行距L=1、2和3 m，两带植株带与带之间的个体布设呈“品”字型配置。在布设的林地后和旷野对照分别布设观测点，具体布设方法如图3。
4.2 行距对防风效果影响对2种植物3种行距林带的布置方式进行1 h的风速观测，计算出风速平均值，并根据防风效能的计算公式计算出林带的防风效果，结果见表2。
方差分析（ANOVA）表明，林带行距、植物种类和试验测点位置对植株林带防风效果影响差异性极显著（α<0.000 1），说明在3种行距布设方式下两种植物防风效果变化规律显著不同。由表2可知，每种植物在林带背风面1H～7H范围内，防风效果均随着林带行距的增大而减弱，在林带背风面7H～9H的范围内，行距大的林带背风面防风效果大于行距小的林带，说明林带行距大的配置能够延缓林带背风面防风效能的衰减。对于两种植物，随着行距逐渐增大，林带的防风效果逐渐减弱。在相同的行距下，柠条林带的防风效果大于沙棘林带。
4.3 行距对粗糙度的影响研究 由图4可知，两种植物林带对地表粗糙度明显增大，随着林带行距增大，林带背风面的地表粗糙度影响逐渐减小。两种植物林带在3种行距下均在背风面1H处的粗糙度为最大，随着距林带距离增大而逐渐减小。行距为1 m时，两种植物林带对地表粗糙度的增大最明显。两种植物林带当行距为1 m，林带后1H处地表粗糙度最大，其中柠条林带是对照的42倍，沙棘林带是对照
的17倍。
5 结论与讨论
在4种株距的单行单带布设方式下，两种植物林带均能有效降低风速，均在林带后1H处防风效能最大。随着株距
的减小，防风效能逐渐增大。在相同的株距情况下，柠条的防风效果优于沙棘。不同株距林带均有效增加粗糙度，柠条林带后1H的粗糙度是对照的25倍，沙棘1H处的粗糙度是对照的11倍。两种植物在3种行距配置下，随着行距的增大，林带背风面的防风效果和地表粗糙度逐渐减小；行距为1 m的林带后1H处地表粗糙度最大，其中柠条林带是对照的42倍，沙棘林带是对照的17倍。
林带的防风效能主要影响因子是林带的透风系数，影响林带透风系数的因素也很多，主要有密度、覆盖度、株型、冠幅、株高、分枝数[12-13]等，其中株距不同，林带的透风系数不同。由于透风系数较难观测，株距间接反映植物的透风系数，不同植物株距与其透风系数的关系有待进一步的研究。根据试验可知，林带防风作用总体规律基本为株行距越小，防风效能越大。但在实际的生态恢复建设工程中，不仅要考虑林带起到的防风效能作用，同时也应考虑林带的耗水量。
参考文献
[1]宋阳，刘连友，严平.风水复合侵蚀研究述评[J].地理学报，2006（1）：77-88.
[2] YAO X J，LIU J，WANG L H.Study on the plant roots to improve shear characteristics in Coal Mining Subsidence Area[R].EPPH，2009.
[3] 邢会文，刘静，王林和，等.柠条、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性[J].摩擦学学报，2010，30（1）：87-91.
[4] 苑淑娟，牛国权，邢会文，等. 瞬时拉力下2个生长期4种植物单根抗拉力与抗拉强度的研究[J].水土保持通报，2009（5）：21-25.
[5] 范志平，曾德慧.农田防护林生态作用特征研究[J].水土保持学报，2002，16（4）：130-133.
[6] 王成龙.四种同龄植物防风作用的比较研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.
[7] LIU X P，DONG Z B.Wind tunnel tests of the roughness and drag partition on vegetated surfaces [J].Journal of Desert Research，2002，22（1）：82-87.
[8] 黄富祥，王明星，王跃思.风蚀地表保护作用研究的某些新进展[J].植物生态学报，2002，26（5）：627-633.
[9] 杨文斌，丁国栋，王晶莹，等.行带式柠条固沙林防风效果[J].生态学报，2006，26（12）： 4106-4112.
[10] 刘发民，金燕，张小军.荒漠地区柽柳人工固沙林土壤水分动态研究[J].西北植物学报，2001，21（5）：937-943.
[11] 杨明元.地表粗糙度计算方法的分析与研究[J].干旱区资源与环境，2008，10（4）：55-57.
[12] MA R，WANG J H，LIU H J.Effection on Wind Speed of Haloxylon ammodendron Forest with Different Density[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2009，23（2）：249-252.
[13] GUO Y H，ZHAO T N，DING G D，et al.Influence of Shrub Coverage on the Wind Erosion of Sandy Soil[J].Research of Soil and Water Conservation，2006，13（5）：245-251.
责任编辑 宋平 责任校对 李岩
关键词 风水复合侵蚀区；株距；行距；防风效果；地表粗糙度
中图分类号 S181.3 文献标识码A 文章编号 0517-6611（2015）11-235-03
风水复合侵蚀是在干旱、半干旱地区的一种侵蚀类型，该类侵蚀是在水力和风力两种自然外营力的作用下，在某一特定区域内形成水力侵蚀和风力侵蚀在时间上交替、在空间上叠加的侵蚀类型，其危害程度也常常大于单独的风蚀与水蚀[1]。对于该类侵蚀地区而言，生物措施是最积极最有效的防治措施。因为植物的根系发挥着良好的固体抗蚀作用[2-4]，同时当气流通过植被覆盖的地表时，在植株的阻挡作用下，气流穿越植株枝条时的摩擦和引起枝条摇晃摆动消耗了一些动能，使风速减弱，起到防治风蚀的作用；另外由于植物树干及枝条的阻挡，气流形成无数不定向的紊流，不同方向的紊流相互缓冲、抵消，使风力减弱或降低流动速度[5-6]。植被分解了运动气流的剪应力，减弱气流对地表土壤的吹蚀，从而起到保护地表土壤防治风蚀的作用[8]。以往的研究表明，灌木防护林行带式配置方式的防护效益优于等行距配置林带及随机配置[9]，但具体的配置模式是生产实际中需进一步解决的问题。笔者针对这一问题设计了野外模拟试验，为风水复合侵蚀区进行灌木防护林防护体系建设提供了理论依据。
1 研究区概况
研究区位于内蒙古鄂尔多斯杭锦旗独贵塔拉镇境内（108°41′ E，40°32′ N），海拔1 050 m左右。该地区气候属干旱半干旱大陆性季风气候，降雨较少且集中，年平均降水量281 mm左右。年平均风速2.3 m/s，每年沙暴日数在21～55 d之间。年平均日照时数3 129.5 h，多年平均气温为5.6 ℃，全年无霜期为122～144 d。该地区主要植物种有油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）、沙柳Salix psammophila C.Wang et C.Y.Yang）、柠条锦鸡儿（Caragana intermedia Kuang et H.C.Fu）、沙地柏（Sabina valgaris Ant.）、白沙蒿（Artemisia sphaerocephala Krasch.）等。
2 研究材料与方法
2.1 试验场地及试验材料该试验场地选择在内蒙古亿利公司独贵塔拉镇园区内进行。为了克服常规野外测风试验寻找理想试验场地和被测林带的困难，笔者采用模拟试验的方法，即从人工大面积种植区把试验样株挖出，移栽到试验场地，人工移动变化来达到不同配置的试验要求。该方法具有布设灵活方便的特点，比较容易实施，同时造价也远低于风洞模拟试验。风速观测场地选择在一块地势平坦开阔的沙地上，沙地上无其他植被的生长。在风速观测之前进行地形平整，使风速受地形影响较小。
在园区内，试验样株选择分布均匀、生长良好、无病虫害的沙棘和柠条种植样地，均为四年生植株。在样地内每种植物随机选择120株，采用整株挖掘。挖掘出植株后，人工移运到试验场地，按试验需求模拟种植成行带状。为了消除边缘效应对林带观测点上观测数据的影响，模拟种植的生长林带需长于50 m。
2.2 风速观测风速测定仪器使用HTSW18多通道风向风速监测系统，所测出的风速为瞬时风速和平均风速。测定仪器瞬时风速测量范围0～70 m/s，启动风速0.1 m/s，风速观测精度±0.3 m/s，试验仪器数据采集设置间隔为1 min，每次观测时间1 h。
风速野外观测的时间在4月25日～5月5日，因为这个时期是研究区大风季节，是风水复合侵蚀区发生风力侵蚀最严重时期。在这个时期灌木林带起到明显的抗风蚀作用，也是风速观测的最佳时期。
2.3 风速分析方法防风效果用相对风速来表示。采用下式计算防风效果：Exz=（uoz- uxz）/uoz[10]，式中，Exz为防风效果，即林内x处、高度为z处的风速占旷野对照风速的百分数，uoz为同一高度旷野的平均风速，uxz为林内x处、高度为z处的平均风速。
地表粗糙度是近地表风速为零的高度，它是反映地表对风阻抗的重要参数。计算粗糙度公式如下[11]：logz0 = （v1logz2-v2logz1）/（v1-v2）。式中z1、z2为观测高度值（cm），u1、u2为高度z1、z2处的风速（m/s），z0为地面粗糙度（cm）。该研究中z1、z2分别取200和50 cm高度。
3 林带株距对防风作用的影响
3.1 植株的布设 为了研究不同株距对风速影响作用，采用单带一行的种植方式，设定株距D=0.5、1.0、1.5和2.0 m。模拟的4 种不同株距植物林带的疏透度采用
数码相机正面拍照，照片用Photoshop 软件处理求得。结果表明，沙棘株
距为0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分别为72%、78%、85%和88%；柠条株距为0.5、1.0、1.5和2.0 m的疏透度分别为60%、67%、75%和80%。在布设的林地后和旷野对照分别
布设观测点，风杯观测高度为0.5和2.0 m，具体布设方法如图1。
3.2 株距对防风效能影响对两种植物不同株距的布置方式进行1 h的风速观测，计算出风速平均值，并根据防风效能计算公式计算出林带的防风效果，结果见表1。 通过方差分析（ANOVA），不同株距的2种植物的防风效应，树种之间差异性极显著（α<0.000 1），说明植物种对防风效能有着重要的影响；株距的差异性显著（α=0.000 1），说明植株株距不同，变化规律也不同，株距对防风效能的影响显著。测点间防风效能有较大差异，因为随着林带后距离的增大，风速逐渐恢复到旷野的风速值，各个测点间的防风效能差距较大。
由表1可知，两种植物不同株距的单带布设方式均能有效降低风速，均在林带后1H处防风效能最大，随着林带后距离的增大，防护效能逐渐降低，风速值也逐渐恢复到旷野风速。在相同的株距条件下，柠条的防风效果优于沙棘。对于不同的株距，总体趋势为随着株距的减小，防风效能逐渐增大。
3.3 株距对粗糙度的影响研究 在每个测点根据200和50 cm高处风速值，利用粗糙度公式计算出不同株距下林带背后的粗糙度。计算粗糙度时，风速统一选择旷野对照风速在2 m高处为6 m/s时的风速值。粗糙度在一定程度上反映林带的抗风蚀作用，结果见图2。由图2可知，两种植物均显著增大了粗糙度，均明显大于旷野对照的粗糙度，其中柠条增大幅度最明显，在株距为0.5 m时，林带后1H处增大幅度最大，是对照数值的25倍；沙棘增大幅度较小，林带后1H处旷野粗糙度是对照的11倍。
4 林带行距对防风作用的影响
4.1 植株的布设为了研究不同行距对风速的影响，笔者采用双行一带的种植方式。为了消除株距对风速的影响，模拟的双行一带林带株距均为1 m，设定行距L=1、2和3 m，两带植株带与带之间的个体布设呈“品”字型配置。在布设的林地后和旷野对照分别布设观测点，具体布设方法如图3。
4.2 行距对防风效果影响对2种植物3种行距林带的布置方式进行1 h的风速观测，计算出风速平均值，并根据防风效能的计算公式计算出林带的防风效果，结果见表2。
方差分析（ANOVA）表明，林带行距、植物种类和试验测点位置对植株林带防风效果影响差异性极显著（α<0.000 1），说明在3种行距布设方式下两种植物防风效果变化规律显著不同。由表2可知，每种植物在林带背风面1H～7H范围内，防风效果均随着林带行距的增大而减弱，在林带背风面7H～9H的范围内，行距大的林带背风面防风效果大于行距小的林带，说明林带行距大的配置能够延缓林带背风面防风效能的衰减。对于两种植物，随着行距逐渐增大，林带的防风效果逐渐减弱。在相同的行距下，柠条林带的防风效果大于沙棘林带。
4.3 行距对粗糙度的影响研究 由图4可知，两种植物林带对地表粗糙度明显增大，随着林带行距增大，林带背风面的地表粗糙度影响逐渐减小。两种植物林带在3种行距下均在背风面1H处的粗糙度为最大，随着距林带距离增大而逐渐减小。行距为1 m时，两种植物林带对地表粗糙度的增大最明显。两种植物林带当行距为1 m，林带后1H处地表粗糙度最大，其中柠条林带是对照的42倍，沙棘林带是对照
的17倍。
5 结论与讨论
在4种株距的单行单带布设方式下，两种植物林带均能有效降低风速，均在林带后1H处防风效能最大。随着株距
的减小，防风效能逐渐增大。在相同的株距情况下，柠条的防风效果优于沙棘。不同株距林带均有效增加粗糙度，柠条林带后1H的粗糙度是对照的25倍，沙棘1H处的粗糙度是对照的11倍。两种植物在3种行距配置下，随着行距的增大，林带背风面的防风效果和地表粗糙度逐渐减小；行距为1 m的林带后1H处地表粗糙度最大，其中柠条林带是对照的42倍，沙棘林带是对照的17倍。
林带的防风效能主要影响因子是林带的透风系数，影响林带透风系数的因素也很多，主要有密度、覆盖度、株型、冠幅、株高、分枝数[12-13]等，其中株距不同，林带的透风系数不同。由于透风系数较难观测，株距间接反映植物的透风系数，不同植物株距与其透风系数的关系有待进一步的研究。根据试验可知，林带防风作用总体规律基本为株行距越小，防风效能越大。但在实际的生态恢复建设工程中，不仅要考虑林带起到的防风效能作用，同时也应考虑林带的耗水量。
参考文献
[1]宋阳，刘连友，严平.风水复合侵蚀研究述评[J].地理学报，2006（1）：77-88.
[2] YAO X J，LIU J，WANG L H.Study on the plant roots to improve shear characteristics in Coal Mining Subsidence Area[R].EPPH，2009.
[3] 邢会文，刘静，王林和，等.柠条、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性[J].摩擦学学报，2010，30（1）：87-91.
[4] 苑淑娟，牛国权，邢会文，等. 瞬时拉力下2个生长期4种植物单根抗拉力与抗拉强度的研究[J].水土保持通报，2009（5）：21-25.
[5] 范志平，曾德慧.农田防护林生态作用特征研究[J].水土保持学报，2002，16（4）：130-133.
[6] 王成龙.四种同龄植物防风作用的比较研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.
[7] LIU X P，DONG Z B.Wind tunnel tests of the roughness and drag partition on vegetated surfaces [J].Journal of Desert Research，2002，22（1）：82-87.
[8] 黄富祥，王明星，王跃思.风蚀地表保护作用研究的某些新进展[J].植物生态学报，2002，26（5）：627-633.
[9] 杨文斌，丁国栋，王晶莹，等.行带式柠条固沙林防风效果[J].生态学报，2006，26（12）： 4106-4112.
[10] 刘发民，金燕，张小军.荒漠地区柽柳人工固沙林土壤水分动态研究[J].西北植物学报，2001，21（5）：937-943.
[11] 杨明元.地表粗糙度计算方法的分析与研究[J].干旱区资源与环境，2008，10（4）：55-57.
[12] MA R，WANG J H，LIU H J.Effection on Wind Speed of Haloxylon ammodendron Forest with Different Density[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2009，23（2）：249-252.
[13] GUO Y H，ZHAO T N，DING G D，et al.Influence of Shrub Coverage on the Wind Erosion of Sandy Soil[J].Research of Soil and Water Conservation，2006，13（5）：245-251.
责任编辑 宋平 责任校对 李岩