2024, Vol. 44 
2. 鄂托克前旗林业生态保护中心, 内蒙古 鄂尔多斯 016200;
3. 鄂尔多斯市地质调查监测院, 内蒙古 鄂尔多斯 017010
2. Forestry Ecological Protection Center of Otog Front Banner, Ordos, Inner Mongolia 016200, China;
3. Ordos Geological Survey and Monitoring Institute, Ordos, Inner Mongolia 017010, China
土地荒漠化是世界上最严重的环境问题之一，且严重制约着人类的发展[1-2]。机械沙障在荒漠化治理中扮演着重要角色[3]，其中格状沙障应用最为广泛[4]。从当前关于格状沙障在防风固沙方面的研究现状中发现，国内外学者的研究主要聚焦在沙障的材质、规格以及布设坡位等方面[5-9]，并认为沙障的材质、规格以及布设坡位是影响防护效益的关键因素[10-12]。在沙障材质方面，材质结构的差异是决定防护效益的关键，不透风材质的沙障相比于疏透性沙障对近地表风沙流的改变更强烈。党晓宏等[13]在格状沙障的防风研究中发现，不论是相同地形还是相同规格的对比中，聚乳酸纤维材质沙障的降低风速比率都要显著大于麦草沙障，且风速廓线也与裸沙和麦草沙障表现出显著差异。在障体材料相同时，防护效益主要取决于沙障规格、障体高度以及孔隙度等因素。闫德仁等[14]在对4种规格纱网沙障的研究中发现，相同障体高度的纱网沙障规格越小，防风固沙能力越强。李凯崇等[15]通过对不同孔隙度芦苇沙障的风洞试验中发现，当孔隙度范围在28.6%~37.5%之间时，在现实工程应用中有较好的应用前景。张帅等[16]基于风洞模拟试验，发现硬质、地高密度聚乙烯(HDPE)格状沙障在规格为1 m×1 m，障高30 cm、孔隙度为50%时的防护效果最好。对于流动沙丘上布设的沙障，布设坡位的不同也会导致固沙效果产生差异。相较于坡中和丘间低地，沙丘顶部由于受地形对气流加速的影响会产生更强烈的风沙[17]。周炎广等[18]在对9种不同类型沙障的研究中发现，不论是沙障防护措施的沙丘还是无防护措施的裸沙丘，输沙率都整体上呈现出由迎风坡脚向坡顶增加的趋势。合理地在流动沙丘布设沙障可以获取更大的经济效益与生态效益。石麟等[8]认为，利用风力作用将沙丘顶部削平来恢复自然植被既可以起到防风固沙作用，同时也可以节约成本。
乌兰布和沙漠为黄河上游风沙入黄的主要区域[19]，黄河携带的大量沙物质主要是通过风沙流与沿岸沙丘移动进入河内[20]，因此沿黄流沙的固定为当前必须解决的问题[21]。格状沙障作为一种高效的固沙措施，已吸引国内外学者开展了大量研究[5-9]，具有一定的指导意义。但已有的研究鲜有地从障区形成稳定障面的角度出发[22]，来揭示各类沙障在形成的稳定障面后对流沙防风固沙的影响，而稳定障面对沙区长期的防风固沙效益是极其关键的。为此，本文在乌兰布和沙漠风沙入黄最前沿的流动沙丘上布设纱网、聚乳酸(PLA)以及麦草3种材质的沙障进行防风固沙研究，探讨各类沙障在形成稳定障面后对沿黄流动沙丘防风固沙的影响，为实现荒漠化快速、高效、绿色治理提供理论基础与技术支撑。
1 研究区概况研究区位于内蒙古自治区阿拉善左旗东缘的阎王鼻子，毗邻黄河，为乌兰布和沙漠风沙入黄严重的区域，地理坐标为40°04′26.40″N, 106°45′21.12″E，东部与鄂尔多斯鄂托克旗相邻，南部紧邻乌海，平均海拔800~1 500 m。该区属典型的温带大陆性气候，年降水量80~220 mm，年蒸发量平均为3 100 mm，年平均气温为7.2 ℃。该区春季风沙活动最为强烈，夏秋季节相近且次于春季，冬季最为温和，主风害为西北风，年平均风速为3.8 m/s，年平均起沙风速为6.80 m/s，最大风速为20.80 m/s，年平均起沙频率为20%。该区为荒漠钙土带，土壤主要以风沙土、灰漠土和灌淤土为主。
当地植被主要有沙枣(Elaeagnus angustifolia)、白刺(Nitraria tangutorum)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、蓼子朴(Inula salsoloides)、虫实(Corispermum hyssopifolium)、猪毛菜(Kali collinum)等。
2 材料与方法 2.1 样地布设沙障布设在风沙入黄最前沿的沙丘迎风坡上(图 1)，沙丘走向为东北—西南，迎风坡平均坡度为8.5°。沙障于2021年4月布设完毕，以坡中上部的沙障为研究对象并以裸沙为对照(CK)。共布设3种类型的格状沙障，第1种为纱网沙障(GSB)，障体高15~20 cm，是近年研发的一种疏透型沙障，材质为聚乙烯，抗老化能力强; 第2种为PLA沙障(PSB)，障体高7~9 cm，是通过就地取沙灌入聚乳酸材质的柱状袋制作而成，是一种以沙治沙的方法，特点是可降解和耐老化; 第3种为草方格沙障(SSB)，障体高15~20 cm，该沙障是防沙治沙中最常见一种沙障，价格低廉，由当地的麦草和秸秆制成。沙障布设规格均为2 m×2 m。
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图 1 沙障和仪器布设情况 Figure 1 Deployment of sand barriers and instruments |
试验区的沙障于2021年4月铺设完毕，在铺设完毕后立即对铺设好沙障的下垫面进行风速观测。风速观测时间选在铺设完毕后的第一个典型春季大风日，测定时段旷野风速为9.98 m/s。观测地点选择在沙丘迎风坡中上部位的各类沙障区中央和附近的裸沙地(CK)，各观测地点所处坡位一致。观测高度为10, 20, 50, 100和200 cm，且各高度的风速观测均在障格中心部的上方进行，每个样地设置3组风速仪。风速记录间隔为2 s。第二次的风沙观测选择在2022年的3—5月典型的春季大风日，测定时段旷野风速为10.02 m/s，风向与2021年观测风向基本一致。此时铺设好的沙障下垫面经过一年的吹蚀，障内的曲面形态已经达到稳定阶段，再次对沙障下垫面进行风速测定(风速测定方式方法与2021年一致)，来探明防风效益的变化。本试验采用美国Onset公司生产的HOBO-U30小型气象站进行风速采集。
输沙测定选择在翌年形成稳定侵蚀基准面时进行。输沙测定与风速观测同时进行，输沙测定时段旷野风速为9.79 m/s。在各样地的小型气象站附近布设自研式可旋转集沙仪(ZL201320703676.8)，布设地点为障格中央，共布设4组集沙仪，并以裸沙(CK)为对照。集沙仪的高度为50 cm, 2 cm为1层，共25层，集沙口规格为2 cm×2 cm。收沙时记录好观测的起止时间，在风沙活动最强烈的裸沙地段的集沙袋装满2/3时停止集沙，收沙完毕后使用精度为0.01 g的天平进行称重，集沙试验共重复3次。
2.3 指标计算(1) 地表粗糙度与摩阻流速。本研究采用普朗特—冯卡门的风速对数分布规律描述风速廓线方程为：
| $ U_Z=\frac{U *}{K} \ln \frac{Z}{Z_0} $ | (1) |
式中：Uz代表Z高度的平均风速(m/s); U*代表摩阻流速(m/s); Z为风速廓线上某点距地面的垂直高度(cm); Z0为空气动力学粗糙度(cm); K为卡门常数, 取值0.4[23]。
本研究采用对数廓线拟合法计算地表粗糙度和摩阻流速，测得5个高度(0.1, 0.2, 0.5, 1和2 m)的风速，通过最小二乘回归来获得风速廓线式[24-25]。计算公式为:
| $ U_Z=a+b \ln Z $ | (2) |
式中: a, b为回归系数。令Uz=0可求出地表粗糙度:
| $ Z_0=\exp (-a / b) $ | (3) |
由公式(2)和(3)计算可得摩阻流速计算方程为:
| $ U_*=K b $ | (4) |
(2) 防风效能。防风效能计算公式为:
| $ F=\frac{V_0-V_{s b}}{V_0} \times 100 \% $ | (5) |
式中: F为沙障的防风效能(%)[26]; V0，Vsb分别代表同一高度下的裸沙风速和铺设各类沙障后的风速(m/s)。
(3) 风的扰动度[27]。本文以各下垫面近地表 10和20 cm高度1 min内的风速数据为研究对象，以了解沙障对风的扰动度的影响，其计算公式为:
| $ S=\sqrt{\frac{\sum(V-\bar{V})^2}{N-1}} $ | (6) |
| $ D=\frac{S}{\bar{V}} $ | (7) |
式中：V为在某段时间观测的一组风速数据(V1, V2, V3…)(m/s); V为该时段的平均风速(m/s); N为该组风速数据的数量; S为标准差; D为风的扰动度。
(4) 固沙效应。固沙效应计算公式为:
| $ E=\frac{q_0-q_b}{q_0} \times 100 \% $ | (8) |
式中：E代表固沙效应(%)[28]; q0代表裸沙地各个高度的输沙率〔g/(cm2·min)〕之和; qb代表沙障各个高度的输沙率之和。
2.4 数据处理本次试验数据采用Excel 2019进行整理、计算，采用IBM SPSS Statistics 22进行显著性分析，采用Origin 2023进行分析、绘图。
3 结果与分析 3.1 沙障对近地表层气流的影响 3.1.1 各类沙障的风速廓线特征格状沙障的铺设改变了地表微地形，导致近地表过境风沙的能量结构发生变化，从而对近地表的风速廓线产生影响。不同材质的沙障对风速廓线的影响也存在差异(图 2), PSB的风速廓线并不同于GSB和SSB表现出简单的J形曲线，而是呈现出S形变化特征。PSB在近地表 20—50 cm处的风速增加缓慢，使风速廓线在该处的斜率出现明显增大，当高度大于50 cm时，风速又迅速恢复旷野风速使斜率变小。因此PSB的风速廓线呈现S形，并且当PSB形成稳定障面后，风速廓线的S形曲线更明显。
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图 2 各类沙障不同时期的风速廓线 Figure 2 Wind speed profiles of various sand barriers in different periods |
3种格状沙障对近地表的防风均起到了积极影响。如图 3所示，3种沙障近地表 10 cm处的防风效能均显著大于其他高度层(p＜0.05)。在近地表 10 cm, 20 cm高度处，GSB的防风效能在两时期均显著大于PSB和SSB(p＜0.05);50 cm高度处，SSB在两时期的防风效能均显著小于GSB和PSB(p＜0.05);100 cm高度处，各沙障对风的影响较小。从沙障的不同时期来看，GSB和SSB均在铺设初期的防风效果最好，10 cm处的防风效能分别为52.67%和45.05%。在障面稳定期(图 4)，GSB在障后形成了堆积, SSB的障体出现了破损和沙埋现象，造成了沙障有效高度的降低，同时出现GSB和SSB在障面稳定期的近地表防风效能低于铺设初期的情况。GSB和SSB在近地表 10 cm处的防风效能分别较初期下降了5.58%和14.92%。PSB的防风效能在障面达到稳定后会较初期有所提升，在50 cm处提升最大，达到了24.80%，较铺设初期提升了39.4%。
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注: 不同大写字母表示同一高度不同沙障的防风效能差异显著(p＜0.05)，不同小写字母表示同一类型沙障不同高度的防风效能差异显著(p＜0.05)。下同。 图 3 各类沙障不同时期的防风效能 Figure 3 Windproof efficiency of various sand barriers in different periods |
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图 4 障面稳定期障体与障面情况 Figure 4 Barrier and barrier surface conditions during stabilization period |
如图 5所示，在障面稳定期，各风速下，GSB在10 cm和20 cm处的防风效能显著高于PSB和SSB(p＜0.05), PSB在50 cm处的防风效能显著高于GSB和SSB(p＜0.05)。各类沙障不同风速下的防风效能也有所不同，GSB的防风效能在风速为10.32 m/s时最高，10 cm, 20 cm和50 cm处分别为49.73%, 32.91%和18.32%;SSB的防风效能在风速为7.94 m/s时最高，10 cm, 20 cm和50 cm处分别为42.23%, 20.44%和9.51%;PSB的防风效能在风速为9.34 m/s时最高，在10 cm, 20 cm和50 cm处分别为39.82%, 22.44%和26.67%。
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图 5 各类沙障在不同风速下的防风效能 Figure 5 Windproof efficiency of various sand barriers at different wind speeds |
如表 1所示，各类沙障的风速廓线均服从对数线性方程，回归系数均大于0.96。3类沙障均有效提高了该地的粗糙度与摩阻流速，其中GSB的提升效果更明显。从沙障的不同时期来看，GSB和SSB在障面稳定期的粗糙度和摩阻流速较初期有所降低。当稳定障面形成后，GSB的粗糙度与摩阻流速分别为CK的523和2.25倍; SSB的粗糙度与摩阻流速分别为CK的193和1.88倍。PSB在形成稳定凹曲面后的防护效益更高，其粗糙度与摩阻流速分别为CK的273和1.92倍。当沙障形成稳定障面后，各类沙障的粗糙度均随风速增加而减小，摩阻流速均随风速增加而增加。在7.94 m/s风速下，GSB, PSB和SSB的粗糙度分别为CK的119.33，80.67和64倍; 10.32 m/s风速下，GSB, PSB和SSB的摩阻流速分别为CK的2.25，1.92和1.88倍。
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表 1 各类沙障在不同时期和不同风速下的粗糙度与摩阻速度 Table 1 Roughness and frictional velocity of each type sand barrier at different times and wind speeds |
在近地表 10 cm处(图 6), PSB, SSB和CK的风的扰动度随风速的增加而显著增强(p＜0.05)。除GSB在9.03 m/s风速时风的扰动度与CK差异不显著外(p>0.05)，其余各风速下，CK的扰动度均显著高于各类沙障(p＜0.05)。大风时(10.28 m/s风速时), GSB, PSB和SSB的风的扰动度分别为0.127, 0.112, 0.11，相较于CK分别降低了15.89%, 25.83%和27.15%。由此可见，3种类型沙障均对该地近地表 10 cm处风的扰动度起到了抑制作用。在近地表 20 cm处(图 6)，当风速为9.03 m/s和10.28 m/s时，GSB的风的扰动度要高于CK，且在10.28 m/s时更加显著(p＜0.05)，为CK的1.19倍。与CK相比，PSB与SSB在各风速条件下均显著降低了风对近地表的扰动(p＜0.05)。10.28 m/s风速下，PSB和SSB风的扰动度分别较CK降低了25.29%和19.41%。7.96 m/s风速下，PSB风的扰动度显著低于SSB(p＜0.05)。10.28 m/s风速下，SSB风的扰动度显著低于PSB(p＜0.05)。
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注: 不同大写字母表示同一风速下不同沙障的风的扰动度差异显著(p＜0.05)；不同小写字母表示同一沙障类型不同风速下的风的扰动度差异显著(p＜0.05)。 图 6 各类沙障的风的扰动度 Figure 6 Degree of wind disturbance of various sand barriers |
图 7为各类沙障的风沙流结构。如图 7所示，各类沙障的风沙流曲线对指数函数模型的拟合度最高，相关系数R2均大于0.95，说明利用指数函数能够很好地说明输沙率与高度之间的关系。GSB的风沙流结构较PSB, SSB和CK有所差异，其2—50 cm的输沙率随高度的增加而上下变动，输沙率并未出现明显地随高度而减小的趋势，并且各高度输沙率较低。CK的近地表输沙量高于3种沙障措施，分别为GSB, SSB和PSB总输沙量的17.77，2.13和1.81倍。由此可见，GSB在固沙方面有较大优势。
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图 7 各类沙障的风沙流结构 Figure 7 Wind sand flow structure of various sand barriers |
如图 8所示，GSB的累计输沙率随高度呈线性关系，PSB, SSB和CK的累计输沙率随高度呈指数关系，R2均为0.99。通过累计输沙率与高度的拟合方程来确定累计输沙率为50%时的高度，从而得到沙粒的平均跃移高度。CK的平均跃移高度为2.36 cm，而GSB, PSB和SSB分别为12.63，7.92和6.07 cm。相较于CK, 3类沙障均有效抬升了沙粒的平均跃移高度。CK的输沙主要集中在近地表 0—10 cm范围，10 cm处的累计输沙量达到了总输沙量的91.17%, GSB, SSB和PSB在10 cm处的累计输沙量分别为总输沙量的48.39%, 64.09%和36.79%。如表 2所示，3种沙障的铺设均对该地的固沙起到了积极作用，其中GSB的固沙效应最大，高达94.37%。
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图 8 各类沙障的累计输沙率 Figure 8 Cumulative sand transport rate of various sand barriers |
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表 2 各类沙障的固沙效应 Table 2 Sand fixation effect of various sand barriers |
纱网沙障、PLA沙障以及草方格沙障在经历强烈风沙活动后进一步改变了流动沙丘的物理结构特征，形成了稳定障面。本研究结果表明，由于障体材质的差异，导致3类沙障表现出不同的障面形态。纱网沙障其障后形成堆积(图 4)，进而导致障体有效高度降低，防风效果较铺设初期虽有所下降，但效果依旧明显，有效提升了该区地表粗糙度与摩阻流速。纱网沙障近地10 cm处防风效能达到了49.73%，显著高于PLA沙障与草方格沙障(p＜0.05)。该研究结果与闫德仁等[14]一致，其研究结果认为纱网沙障所具备的随风摆动的特性可以对近地表风产生积极的扰动，摆动幅度越大，扰动越强烈。但对于其文中提到的扰动并未用量化的指标体现，本文引用风的扰动度指标对纱网沙障近地表风进行了分析。结果表明，在近地表 20 cm处风的扰动度会随风速的增加而增强，同时防风效能也同扰动度表现同样的趋势。高天笑等[29]所研究的羽翼袋沙障也具有随风摆动的特性，同样得出了防风效果随风速增加而更加明显的结论。PLA沙障形成了四周高中间低的稳定凹面，相较于铺设初期更加促进了近地表风沙流的阻挡与抬升，从而使防风效能、粗糙度与摩阻流速较初期有所提升，其中近地表 50 cm处的防风效能提升最大，较铺设初期提升了39.4%。党晓宏等[13]认为由于PLA沙障的不透风性和圆柱状形态会使风沙流表现独特的运动规律，一部分风沙会越过光滑的障体继续向障内运移，另一部分会与障体碰撞使风沙抬升，对近地表 50 cm处的风产生影响。该因素也是本文中PLA沙障风速廓线呈现S形的关键。草方格沙障在铺设初期表现出较好的防风效果，该研究结果与王雨浩[30]对铺设初期的沙障研究中的结果一致。本次研究的坡位为迎风坡中上部，相关研究[17]表明，受地形气流加速影响，上坡位所产生的风沙活动会较下坡位更加强烈。草方格沙障的材质韧性远不如前两者，在经历强烈的风沙后，障体必定会受到严重破损(图 4)，进而导致防风效果的减弱，地表粗糙度与近地表 10 cm处的防风效能分别较初期下降了40.21%和14.92%。周娜等[31]认为，迎风坡中部风速较强，风沙流不饱和，因此草方格中心受侵蚀后易形成稳定的凹曲面。但本研究中并未发现障内形成明显曲面(图 4)。由于风沙流在作用于障面的同时也会对沙障自身产生作用，而且草方格沙障的障体材质韧性较低，因此沙障在受到长期风沙作用下破损后，必定会对形成的凹曲面产生影响。
4.2 不同材质格状沙障对近地表输沙的影响研究结果显示，形成稳定障面后，3类沙障的近地表输沙量均低于对照样地。纱网沙障在3类沙障中固沙效果最明显，固沙效应达到了94.37%，与闫德仁等[32]在春季监测到的96.32%基本一致。其研究结果表明纱网沙障随风摆动的特性不仅是影响防风效能的关键因素，同时也与纱网沙障高效的固沙能力具有一定的相关性。从纱网沙障的风沙流结构可以看出(图 7)，纱网沙障的输沙曲线并不同于其余2类沙障一样平滑，而是出现输沙率随高度的升高而上下变动。在野外试验中发现纱网沙障的网后形成了厚度约为1 cm的物理结皮，结皮厚度在障内会随风向由上到下递减，在障前几乎不存在结皮(图 9)，这是由于纱网会滤掉粗砂将其留在障前，细沙穿过纱网分布在障后并形成结皮。流沙固定被看作是物理结皮形成的前提[33]，由此可见纱网沙障在流沙固定方面有着独特的优势。在气候环境恶劣的沙漠地区，PLA沙障凭借着使用寿命长、可完全降解以及方便运输铺设等特性，在防沙治沙领域一直起着不可或缺的作用[34]。
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图 9 纱网沙障不同部位结皮厚度 Figure 9 Thickness of soil crusts in different parts of gauze sand barriers |
本文研究结果显示，PLA沙障有效降低了该地的近地表输沙量，但不同防风效果一样明显，这与周炎广等[18]的研究结果相似。石麟等[8]认为，当上坡位较强输沙气流通过不透气沙障时，部分气流会受障内微地形的影响向上抬升，表现出不稳定的拦沙效果。因此，从合适的坡位布设PLA沙障可以更大程度地发挥PLA沙障的优势。在王雨浩[30]对铺设初期的草方格沙障研究中发现，草方格沙障具有良好的固沙效果。但本研究中发现草方格沙障的障体受损严重，障体高度严重降低，而障体高度是决定沙障防护效益的关键参数[35]，因此要保证草方格沙障固沙效益的持久性，就要定期补造沙障。
5 结论(1) 铺设格状沙障后，均提高了地表粗糙度，沙粒的平均跃移高度有效提升。纱网沙障在形成稳定障面后，障体仍具有随风摆动的特性，能做到“以风治风”，可以更好地应对大风天气。PLA沙障能形成的稳定的凹曲面，在后期防风效果优势更为明显。
(2) 根据乌兰布和沙漠沿黄段风沙活动程度及材料可获取性，建议从河岸向流动沙丘依次布设麦草沙障固沙，聚乳酸纤维沙障固沙促生，纱网沙障防风固沙，实现3种格状沙障防风固沙综合效益的最大发挥。
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