譚立海, 張偉民, 邊 凱, 高 揚(yáng), 鐘 帥

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 蘭州 730000; 2.億利資源集團(tuán), 內(nèi)蒙古 東勝 017000)

礫石覆蓋固沙措施水土保持作用研究
——以庫(kù)布齊沙漠北緣為例

譚立海1, 張偉民1, 邊 凱1, 高 揚(yáng)1, 鐘 帥2

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 敦煌戈壁荒漠研究站, 蘭州 730000; 2.億利資源集團(tuán), 內(nèi)蒙古 東勝 017000)

庫(kù)布齊沙漠發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)，風(fēng)沙防護(hù)是必要舉措。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與野外觀測(cè)探討了礫石覆蓋固沙措施的風(fēng)沙防護(hù)效益及其對(duì)土壤溫濕度的影響，旨在為礫石覆蓋在庫(kù)布齊沙漠防風(fēng)固沙中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。研究表明：3 cm粒徑礫石床面具有顯著的防風(fēng)固沙效應(yīng)：10～16 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，10%～90%覆蓋度礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)介于49.4%～100%，其中，50%覆蓋度礫石床面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度達(dá)到最大值，風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在96%以上，已達(dá)到理想的防風(fēng)固沙效果。鑒于庫(kù)布齊沙漠風(fēng)況特征，從工程防護(hù)角度講，40%覆蓋度礫石覆蓋固沙措施能夠達(dá)到防風(fēng)蝕的目的，風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在93%以上，且能起到白天降溫、夜間保溫的作用，減少極端氣溫對(duì)作物的傷害，還能提高土壤含水量。本研究可為礫石覆蓋固沙措施在干旱區(qū)風(fēng)蝕防護(hù)中的應(yīng)用提供借鑒作用。

礫石覆蓋; 風(fēng)蝕; 土壤溫濕度; 庫(kù)布齊沙漠

庫(kù)布齊沙漠是中國(guó)第七大沙漠，地處中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是中國(guó)北方重要的生態(tài)屏障，也是生態(tài)脆弱帶和荒漠化發(fā)展嚴(yán)重帶[1]。經(jīng)過(guò)40 a各方面的努力，庫(kù)布齊沙漠治理取得了巨大的成就，通過(guò)發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)沙漠治理和生態(tài)恢復(fù)是庫(kù)布齊沙漠治理的基本經(jīng)驗(yàn)和突出特色[2]。植物固沙是庫(kù)布齊沙漠荒漠化治理的重要措施[3]，而機(jī)械固沙措施是植物固沙的重要輔助措施，使固沙植物免受風(fēng)蝕與沙埋，同時(shí)可以改善沙地的水分狀況，有利于植物的成活與生長(zhǎng)[4]。礫石覆蓋是一種重要的機(jī)械防沙措施[5-6]。礫石對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的抑制作用早為人所知，礫石面對(duì)底層水分和細(xì)沙物質(zhì)具有保護(hù)作用，被稱為“黑色植被”[7]；我國(guó)西北風(fēng)蝕較嚴(yán)重的地區(qū)如甘肅中部地區(qū)很早就采用礫石覆蓋的方式栽培作物[8-9]。嘗試將礫石覆蓋固沙措施應(yīng)用于庫(kù)布齊沙漠治理開(kāi)發(fā)中，例如在種植甘草、苦豆子等中蒙藥材沙地進(jìn)行礫石覆蓋，防風(fēng)蝕的同時(shí)還有助于提高藥材產(chǎn)量，能更好地促進(jìn)該區(qū)沙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

礫石作為天然不可蝕粗糙元能夠顯著地抑制風(fēng)蝕的發(fā)生，這主要通過(guò)增加地表粗糙度，吸收和分解地表風(fēng)動(dòng)量，降低可蝕床面上的剪切力來(lái)抑制風(fēng)蝕，即增大了礫石間沙粒的起動(dòng)風(fēng)速[10-13]。另外，礫石覆蓋還可減少風(fēng)和地表土壤的直接作用面積，對(duì)可蝕地表形成保護(hù)[14]。礫石覆蓋度是評(píng)價(jià)礫石覆蓋防沙工程防護(hù)效益的一個(gè)重要因子[6,15-16]。Dong等[17]從空氣動(dòng)力學(xué)角度探討了礫石覆蓋的防護(hù)效益，得出當(dāng)?shù)[石覆蓋度在40%～50%以上時(shí)戈壁蝕余面達(dá)到穩(wěn)定。不少學(xué)者探討了礫石覆蓋度對(duì)風(fēng)蝕強(qiáng)度的影響，研究表明，風(fēng)蝕強(qiáng)度隨礫石覆蓋度增加呈指數(shù)規(guī)律遞減[7,18-19]。王訓(xùn)明等[20]研究了阿拉善高原戈壁地表風(fēng)蝕強(qiáng)度與礫石覆蓋度的關(guān)系后認(rèn)為，40%蓋度以下的戈壁地表其風(fēng)蝕強(qiáng)度隨著礫石覆蓋度的增加而增大，這可能與低礫石蓋度下，礫石周?chē)臏u流侵蝕作用較強(qiáng)有關(guān)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石粒徑對(duì)風(fēng)蝕強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生影響，小粒徑礫石(如2 cm)要比大粒徑礫石(如10 cm)風(fēng)蝕防護(hù)效益要好[21-22]。此外，礫石的排列方式也會(huì)對(duì)風(fēng)蝕強(qiáng)度產(chǎn)生影響：劉連友等[7]風(fēng)洞試驗(yàn)表明，隨機(jī)排列的礫石床面具有更好地抑制風(fēng)蝕效應(yīng)；然而，Brown等[23]認(rèn)為不可蝕粗糙元密度是風(fēng)蝕防護(hù)的主控因子而不受排列方式的影響。綜上所述，以往研究主要探討礫石覆蓋特征參數(shù)如礫石覆蓋度、粒徑和排列方式等對(duì)風(fēng)蝕的影響，礫石覆蓋防護(hù)效益主要是從防風(fēng)固沙角度來(lái)考慮。雖然在中國(guó)西北地區(qū)礫石覆蓋廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤保墑中，但關(guān)于礫石覆蓋水土保持作用的系統(tǒng)研究較少[24]。

本文對(duì)礫石覆蓋防風(fēng)固沙效益以及對(duì)土壤溫濕度的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，來(lái)綜合分析礫石覆蓋固沙措施的水土保持作用，旨在為礫石覆蓋應(yīng)用于庫(kù)布齊沙漠開(kāi)發(fā)治理中的風(fēng)蝕防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫(kù)布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線的北部，西、北、東三面均以黃河為界(圖1)。庫(kù)布齊沙漠以流動(dòng)沙丘為主，面積占80%，類型以沙丘鏈和格狀沙丘為主，一般高10～15 m[25]。研究區(qū)位于鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征，年降水量150～250 mm，主要集中于7、8兩個(gè)月；年蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年平均氣溫6～7.5℃，積溫3 000℃，無(wú)霜期122～144 d；沙塵暴天氣日數(shù)在21～55 d，主要集中于春季[26]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位示意圖和2014年研究區(qū)輸沙勢(shì)

通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)所架設(shè)氣象站2014年風(fēng)況資料的分析，結(jié)果表明，該區(qū)年輸沙勢(shì)為269.03 VU，屬中風(fēng)能環(huán)境，合成方向?yàn)?45.13°，合成輸沙勢(shì)與總輸沙勢(shì)比值(RDP/DP)為0.19，表明該區(qū)域?yàn)殁g雙峰風(fēng)況(圖1)。2014年2 m平均風(fēng)速為3.4 m/s，最大風(fēng)速達(dá)16.6 m/s；起沙風(fēng)頻率占24.18%，其中，偏東風(fēng)(ENE和E；116.22 VU)與偏西風(fēng)(SW，WSW，W，WNW和NW；104.71 VU)為主要起沙風(fēng)風(fēng)向(圖1)。

2 研究方法

2.1 風(fēng)蝕防護(hù)風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院敦煌戈壁荒漠研究站直流閉口吹氣式可移動(dòng)式風(fēng)洞中進(jìn)行，洞體總長(zhǎng)12.9 m，工作段長(zhǎng)6 m，橫斷面為0.6 m×0.6 m(內(nèi)壁尺寸)，電機(jī)功率為13 kW，洞內(nèi)風(fēng)速0～16 m/s連續(xù)可調(diào)。通過(guò)對(duì)下墊面風(fēng)速廓線的測(cè)量，風(fēng)洞邊界層厚度可達(dá)20 cm左右。

床面風(fēng)蝕速率變化過(guò)程采用稱重傳感器來(lái)測(cè)量。該傳感器臺(tái)面面積為30 cm×30 cm，采用2通道數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，每2秒鐘采集1個(gè)數(shù)據(jù)，精度為1 g。在試驗(yàn)中，將面積為0.4(長(zhǎng))×0.4(寬)m2，深度為2 cm的方形鐵盤(pán)放置于上，鐵盤(pán)內(nèi)加滿沙顆粒，并刮平沙面與自然地面齊平，作為風(fēng)蝕速率變化測(cè)量樣方(圖2)。在進(jìn)行風(fēng)蝕速率觀測(cè)前，先對(duì)不同覆蓋度礫石床面風(fēng)速廓線進(jìn)行測(cè)量，來(lái)分析床面的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

試驗(yàn)礫石采用塊狀礫石，經(jīng)篩分后，平均粒徑為3 cm。選用10%～90%(間隔10%)9組蓋度礫石床面。以30%礫石覆蓋度床面為例，說(shuō)明礫石覆蓋度的測(cè)量方法：礫石覆蓋風(fēng)洞底面面積Sw是固定的，30%蓋度礫石總底面積為0.3Sw，利用一張與礫石底面積相同的坐標(biāo)紙，在上面鋪滿3 cm粒徑礫石，則這些礫石就是用在30%蓋度礫石床面風(fēng)蝕速率測(cè)量試驗(yàn)中的礫石。床面礫石按照叉排式結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在風(fēng)洞底面面板上，鋪設(shè)總長(zhǎng)度為4.8 m(圖2)。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)布局

2.2 土壤溫濕度實(shí)地觀測(cè)

礫石覆蓋土壤溫濕度觀測(cè)試驗(yàn)在庫(kù)布齊沙漠杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)沙地中進(jìn)行，選取觀測(cè)樣方，設(shè)置礫石覆蓋機(jī)械防護(hù)措施處理(圖3)，并設(shè)置一空白對(duì)照，利用HOBO溫濕度探頭對(duì)0—5，10，30，50，100 cm深度土壤溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集間隔為15 min。礫石覆蓋度在40%左右，礫石粒徑約3 cm，均勻鋪設(shè)礫石，鋪設(shè)面積200 m2。

3 結(jié)果與分析

3.1 礫石覆蓋防風(fēng)固沙效應(yīng)

3.1.1 防風(fēng)效應(yīng) 不同覆蓋度礫石床面防風(fēng)效應(yīng)(WR)用以下公式表示：

(1)

式中：uz為礫石床面不同高度風(fēng)速；u0z為無(wú)礫石覆蓋床面不同高度風(fēng)速。WR值越大表示礫石床面風(fēng)速相對(duì)于無(wú)礫石覆蓋床面衰減越大，防風(fēng)效應(yīng)越好。WR隨礫石覆蓋度的變化見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，隨著礫石覆蓋度的增加風(fēng)速衰減逐漸增大，礫石床面防風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng)。在10～16 m/s時(shí)，當(dāng)?shù)[石覆蓋度從10%增加到40%或50%時(shí)，風(fēng)速衰減隨礫石覆蓋度的增加顯著增大，防風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng)，而該臨界蓋度以上風(fēng)速衰減基本趨于穩(wěn)定，表明礫石床面防風(fēng)效應(yīng)無(wú)顯著變化。風(fēng)速衰減主要發(fā)生地表以上0.9～2.2 cm 高度范圍內(nèi)，2.2 cm以上高度礫石床面防風(fēng)效應(yīng)隨礫石覆蓋度增加而增強(qiáng)的變化趨勢(shì)越來(lái)越小，到地表以上8.3 cm高度處礫石床面的防風(fēng)效應(yīng)已不明顯。因此，10～16 m/s風(fēng)速下，3 cm粒徑礫石當(dāng)?shù)[石覆蓋度達(dá)到40%或50%時(shí)，礫石床面即可取得較好的防風(fēng)效應(yīng)。

圖3 庫(kù)布齊沙漠沙地礫石覆蓋處理

圖4 不同試驗(yàn)風(fēng)速(U)下防風(fēng)效應(yīng)WR隨礫石覆蓋度的變化

空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是表征氣流與地表相互作用的重要參數(shù)之一，對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)產(chǎn)生重要影響[27]。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)風(fēng)速下不同覆蓋度礫石床面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的計(jì)算，計(jì)算方法采用Wiggs等[28]計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度方法，結(jié)果表明，在10～16 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨礫石覆蓋度增加先增大后減小并趨于穩(wěn)定(圖5)。具體而言，10%～50%覆蓋度范圍內(nèi)，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨礫石覆蓋度的增大而顯著增大，到50%蓋度達(dá)到最大值，50%蓋度后，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨礫石覆蓋度增大而減小并趨于穩(wěn)定。因此，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度講，增加礫石覆蓋對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的增大是有一定極限的，50%蓋度后再增加礫石所起的防護(hù)作用不大，即3 cm粒徑礫石床面在50%蓋度時(shí)達(dá)到空氣動(dòng)力學(xué)上的穩(wěn)定。風(fēng)速衰減達(dá)到最大時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度同樣達(dá)到最大，這表明空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度增大是同高度風(fēng)速隨礫石覆蓋度增大而衰減的內(nèi)在原因，礫石床面隨礫石覆蓋度增大而風(fēng)速衰減是床面粗糙度增大的直接表現(xiàn)。

3.1.2 防風(fēng)蝕效應(yīng) 不同覆蓋度礫石床面防風(fēng)蝕效應(yīng)(ER)用以下公式表示：

ER=(1-er/es)×100%

(2)

式中：er為礫石床面風(fēng)蝕速率；es為對(duì)照沙床風(fēng)蝕速率。ER值越大表示防風(fēng)蝕效應(yīng)越好。ER值隨礫石覆蓋度的變化過(guò)程見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn)，10～16 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，10%～90%覆蓋度礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效果明顯，防風(fēng)蝕效應(yīng)達(dá)49.4%～100%。當(dāng)?shù)[石覆蓋度從10%增加到50%時(shí)，ER值顯著增大，50%覆蓋度以上礫石床面風(fēng)蝕速率隨礫石覆蓋度增大而趨于穩(wěn)定。具體而言，當(dāng)?shù)[石蓋度達(dá)到40%時(shí)，各試驗(yàn)風(fēng)速下礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)達(dá)93.8%～99.2%；50%蓋度礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)達(dá)96.4%～100%?？梢?jiàn)，理論上，10～16 m/s風(fēng)速下，3 cm粒徑礫石在50%覆蓋度時(shí)即可達(dá)到理想的風(fēng)蝕防護(hù)效果。

圖5 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨礫石蓋度的變化

3.2 礫石覆蓋對(duì)土壤溫濕度的影響

3.2.1 土壤溫度 以2016年4月14日—27日和2016年7月2日—15日各15 d礫石覆蓋沙地與無(wú)礫石覆蓋沙地0—5 cm和10 cm土壤溫度隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化過(guò)程為例，來(lái)分析礫石覆蓋對(duì)土壤溫度的影響(圖7)。由圖7可見(jiàn)，礫石覆蓋沙地相比無(wú)礫石覆蓋對(duì)照沙地具有白天降溫、夜間保溫的作用。在4月份監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，礫石覆蓋沙地相比于無(wú)礫石覆蓋對(duì)照沙地0—5 cm土壤白天最大降溫達(dá)5.1～12.8℃，夜間最大增溫可達(dá)1.3～5.2℃；而10 cm土壤溫度白天最大降溫達(dá)1.1～2.0℃，夜間最大增溫可達(dá)0.05～0.2℃。

圖6 風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)(ER)隨礫石覆蓋度的變化

相應(yīng)的，7月份礫石覆蓋沙地0—5 cm土壤溫度白天最大降溫達(dá)0.1～9.7℃，夜間最大增溫可達(dá)0.7～6.0℃；而10 cm土壤溫度白天最大降溫達(dá)0.6～2.6℃，夜間最大增溫可達(dá)0.6～4.2℃。以上結(jié)果表明，礫石覆蓋沙地后，在白天土壤表層溫度顯著降低：7月份觀測(cè)期間無(wú)礫石覆蓋沙地土壤表層最高溫度為41.3℃，而礫石覆蓋沙地相應(yīng)土壤溫度為32.1℃，降低9.2℃；礫石覆蓋層在夜間起保溫作用，具有儲(chǔ)熱功能，防止低溫對(duì)沙生植物的傷害：4月份觀測(cè)期間無(wú)礫石覆蓋土壤表層(0—5 cm)夜間最低溫度為3.8℃，而礫石覆蓋后夜間最低氣溫為6.3℃，提高2.7℃?？梢?jiàn)，礫石覆蓋使沙地土壤溫度在白天與夜間的波動(dòng)幅度降低，且隨著土層深度的增加波動(dòng)幅度減小。

3.2.2 土壤含水量 圖8說(shuō)明了2016年4月14日—27日礫石覆蓋與無(wú)礫石覆蓋對(duì)照沙地10 cm和30 cm深度土壤含水量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化過(guò)程。結(jié)果表明，礫石覆蓋能顯著的抑制蒸發(fā)，與無(wú)礫石覆蓋沙地相比，礫石覆蓋沙地土壤含水量變化速率明顯降低。4月份在無(wú)降水的影響下，礫石覆蓋沙地和無(wú)礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量都隨時(shí)間的推移逐漸降低，而對(duì)照沙地土壤含水量衰減速率明顯大于礫石覆蓋沙地，前者是后者衰減速率的1.9倍；相同時(shí)間段內(nèi)，無(wú)礫石覆蓋沙地30 cm土壤含水量隨時(shí)間變化逐漸降低，而礫石覆蓋沙地土壤含水量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)基本保持不變。此外，無(wú)礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量受蒸發(fā)影響具有明顯的日變化規(guī)律，每日出現(xiàn)一波峰和波谷，而礫石覆蓋沙地10 cm土壤含水量日變化規(guī)律相對(duì)不明顯，這與礫石覆蓋使地表蒸發(fā)減弱有關(guān)。

礫石覆蓋3個(gè)月后，選取7月17日—31日時(shí)間段，對(duì)其30 cm與50 cm土壤含水量與無(wú)礫石覆蓋對(duì)照沙地進(jìn)行比較，結(jié)果表明，礫石覆蓋沙地30 cm深度土壤含水量是無(wú)礫石覆蓋沙地的1.1～1.5倍；礫石覆蓋沙地50 cm深度土壤含水量是無(wú)礫石覆蓋沙地的1.0～2.3倍(圖9)。可見(jiàn)，礫石覆蓋能夠顯著地提高土壤含水量。

圖7 4月(A-B)與7月(C-D)礫石覆蓋沙地與無(wú)礫石覆蓋沙地土壤溫度變化過(guò)程

圖8 2016年4月14日-27日礫石蓋度沙地與無(wú)礫石覆蓋沙地10 cm和30 cm土壤含水量變化趨勢(shì)

圖9 2016年7月17日-31日礫石覆蓋沙地與無(wú)礫石覆蓋沙地30 cm和50 cm土壤含水量變化過(guò)程

4 討 論

礫石覆蓋風(fēng)蝕防護(hù)機(jī)理可以由剪切壓分解理論來(lái)解釋，即作用在不可蝕粗糙元覆蓋地表的剪切壓可以分解為作用在不可蝕粗糙元上和不可蝕粗糙元之間的可蝕地表上兩部分[10]。剪切壓的分解使作用在礫石間可蝕地表的剪切壓減小，相應(yīng)增大了礫石間可蝕地表的沙粒起動(dòng)風(fēng)速，從而抑制風(fēng)蝕作用。研究表明，10%～90%覆蓋度礫石使沙粒起動(dòng)剪切風(fēng)速增大了1.8～4.5倍[19]。此外，礫石覆蓋使可蝕床面的暴露面積直接減小，即減小了風(fēng)與躍移沙粒對(duì)可蝕床面的直接作用和沖擊作用面積，從而直接減少風(fēng)蝕量。從理論上講，本研究結(jié)果表明，3 cm粒徑礫石在達(dá)到50%礫石覆蓋度時(shí)就可取得理想的防風(fēng)固沙效果，此蓋度下風(fēng)速消減與空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度達(dá)到最大值，且風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在96%以上。礫石覆蓋風(fēng)蝕防護(hù)最優(yōu)蓋度一直是風(fēng)沙物理和風(fēng)沙工程學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。富寶鋒等[21]對(duì)礫石覆蓋沙床風(fēng)蝕防護(hù)效益進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，55%礫石覆蓋度后礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效益趨于穩(wěn)定。Wang等[29]，張偉民等[30]和王志強(qiáng)等[22]認(rèn)為60%礫石覆蓋度后礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效益趨于穩(wěn)定。以上研究結(jié)果中最優(yōu)礫石覆蓋度的差異受試驗(yàn)風(fēng)速影響較大，而且也受集沙儀收集效率的影響。因此，將礫石覆蓋固沙措施應(yīng)用于風(fēng)蝕防護(hù)時(shí)，要充分考慮所應(yīng)用地區(qū)的局地風(fēng)況如最大風(fēng)速。本研究中，應(yīng)用稱重傳感器使地表風(fēng)蝕速率實(shí)現(xiàn)了定量化測(cè)量，因而不受集沙儀收集效率問(wèn)題的影響，且試驗(yàn)風(fēng)速與庫(kù)布齊沙漠基本一致。此外，風(fēng)沙防護(hù)工程上，防護(hù)措施在達(dá)到有效的風(fēng)沙防護(hù)效果的同時(shí)還要使工程成本降到最低。40%覆蓋度礫石床面風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在93%以上，從40%礫石覆蓋度增加到50%，風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)只提高3%。因此，兼顧風(fēng)沙工程成本和防護(hù)效益，筆者認(rèn)為3 cm粒徑礫石、40%覆蓋度礫石覆蓋固沙措施應(yīng)用于庫(kù)布齊沙漠風(fēng)蝕防護(hù)能夠起到較好的效果。

礫石覆蓋除消減風(fēng)速、降低風(fēng)蝕量外，其還具有蓄熱功能，好比天然的塑料薄膜，減少低溫傷害，有利于作物根系生長(zhǎng)；并能使土壤結(jié)凍期推遲，解凍期提前，這對(duì)喜溫作物來(lái)說(shuō)，不僅能豐產(chǎn)，還能提前成熟，改善其品質(zhì)。礫石覆蓋割斷了土壤通向大氣的毛細(xì)管，毛管作用被破壞，抑制土壤蒸發(fā)；沙地表層減少了毛管上升水，蒸發(fā)方式主要為蒸汽擴(kuò)散以及植物蒸騰[31]。此外，礫石覆蓋能夠增加降雨入滲量，減小徑流和改善土壤結(jié)構(gòu)，從而有效的提高土壤含水量[32]。Li等[24]研究表明，礫石覆蓋能夠顯著地提高土壤含水量，特別是20—60 cm深度土壤。本研究土壤溫濕度觀測(cè)中礫石覆蓋度的設(shè)置主要從防風(fēng)蝕角度來(lái)考慮，今后需深入研究不同粒徑、覆蓋度礫石床面對(duì)土壤溫濕度的影響。

5 結(jié) 論

沙地開(kāi)發(fā)必須有一定的風(fēng)沙防護(hù)措施，礫石覆蓋不僅能夠防風(fēng)固沙，而且對(duì)土壤具有保濕保溫作用。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，理論上3 cm粒徑礫石在50%蓋度時(shí)即可達(dá)到理想的防風(fēng)固沙效果：空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度達(dá)到最大值，風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在96%以上。結(jié)合庫(kù)布齊沙漠風(fēng)況特征以及礫石覆蓋應(yīng)用成本，3 cm粒徑礫石在40%覆蓋度時(shí)，風(fēng)蝕防護(hù)效應(yīng)在93%以上，能夠起到較好的風(fēng)蝕防護(hù)效果，同時(shí)對(duì)土壤具有較好的保墑作用。

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EffectofGravelMulchonSoilandWaterConversation—ACaseStudyintheNorthernEdgeofHobqDesert

TAN Lihai1, ZHANG Weimin1, BIAN Kai1, GAO Yang1, ZHONG Shuai2

(1.DunhuangGobiDesertResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.ElianResourcesGroup,Dongsheng,InnerMongolia017000,China)

The control of wind erosion is crucial to the development of deserticulture in the Hobq Desert. This study discussed the protective effect of gravel mulch against wind erosion as well as its influence on soil temperature and humidity through wind tunnel experiments and field observation, aiming to provide the scientific basis for the application of gravel mulch to wind erosion control in the Hobq Desert. The results show that gravel beds composed of gravels in 3 cm diameter have significant effect of wind-reducing and erosion control, and the inhibition ratio of wind erosion ranges 49.4%～100%. Under experimental wind speeds of 10 to 16 m/s and as gravel coverage reaching 50%, gravel beds are aerodynamically stabile, and the inhibition ratio of wind erosion is more than 96%. In aeolian engineering, gravel mulch in coverage of 40%, with a wind erosion inhibition ratio of more than 93%, can achieve the purpose of preventing wind erosion in the Hobq Desert. Meantime, it can play a role of cooling in daytime and preserving heat at night, thus reducing the damage of extreme temperature to crops and also improving soil moisture content. This study can provide reference for the application of gravel mulch to wind erosion protection in the other arid areas.

gravel mulch; wind erosion; soil temperature and moisture; Hobq Desert

S157

A

1005-3409(2017)06-0172-07

2016-12-07

2017-01-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC06B01-02);中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院青年人才成長(zhǎng)資助基金(51Y651K41)

譚立海(1985—),男,山東臨朐人,博士,助理研究員,主要從事風(fēng)沙物理與風(fēng)沙工程學(xué)研究。E-mail:tanlihai18@163.com