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仿真固沙灌木构型参数及防风固沙效应研究

刘虎俊  
【摘要】:我国干旱区面积约占陆地面积的32.8%,而风沙则是引发区域灾害的重要因素之一。控制风沙危害对于干旱区工农业生产和人居环境意义深远。由于水资源限制,沙障成为干旱区治沙的主要措施。选用替代材料,对于区域风沙危害防治具有现实意义。沙旱生灌木构型和防风固沙特性研究将对植物治沙理论完善、干旱区的植物治沙工程设计、风沙灾害防治和植物防风固沙工程评价提供参考。通过野外观测和风洞模拟实验,观测了民勤治沙综合实验站周围的7种灌木,分析了其构型与枝系格局;测定了仿真固沙灌木构型及其对风沙流作用,并对其构成的灌木林的水平和垂直梯度风速、输沙量、风蚀量或风积量进行了观测,分析了空气动力粗糙度、风沙流结构和输沙率等。初步确定了防风固沙灌木结构参数,比较了仿真固沙灌木的防风固沙效能。仿真固沙灌木以优良的固沙灌木为原型,结合多种植物构件优势组合而成,是化学固沙的立体化,也是植物固沙的工程应用。应用仿真固沙灌木建立防风固沙林随时可以栽植,基本不受立地条件约束,可以补充和优化防风固沙林,也为灌木林防风固沙机理的野外模拟研究提供了材料。通过观测分析7种沙旱生灌木以及仿真固沙灌木及其灌木林,获得如下结论。 1)梭梭、花棒、沙拐枣、白刺、红砂、沙篙和油篙的构型可归为两类,而枝系格局也属于两种类型,灌木个体的空间结构影响其防风固沙能力。 (1)从生物形态学特征分析,以叶的多少和相对大小,将白刺定为有叶型灌木,梭梭、沙拐枣、红砂、花棒、沙篙和油篙都归入叶特化类型。以枝的密度可分为密生型和疏生型灌木,红砂、白刺、油篙和花棒可归为密生型灌木,梭梭、沙拐枣和沙篙则可定为疏生型灌木。 (2)从枝系格局分析,叶特化灌木的各级枝分枝角变化较小,有65.0%的分枝角为25o~50o,有叶灌木的冠层的一级枝的分枝角度大于叶特化灌木。7种灌木分枝角度平均值趋势是自冠层内向外分枝角度逐渐变大,枝序都可分为四级。油篙、花棒、沙拐枣、白刺和红砂为外层枝较短而内层枝较长,梭梭和沙篙则为外层枝较长,而中间枝较短的逐级增长型灌木,所有观测灌木枝长主要是5~30cm;分枝分维数都小于1,也就是说随着枝长的增加,分枝数增加的趋势变小,即枝长达到一定值时就不再产生分枝。除梭梭外,6种灌木的总体分枝率都小于1,说明6种灌木的枝条分布都是外密内疏。所观测灌木的积沙量与枝条分布的高度和密度均匀度相关,迎风面枝条的密度约在20%~30%积沙量相对较大。 (3)白刺和红砂的树冠近似成坛状,白刺和红砂的侧影面积在高度10cm内最大,而红砂的侧影面积随高度变化幅度较白刺为小。花棒、梭梭和沙篙的侧影面积最宽处则为高度20-40cm范围,略成梭形。沙拐枣的侧影面积则随高度变化幅度与其他几种灌木相反,在最高处宽度最大,近乎扫帚形态。 2)仿真固沙灌木采用高分子聚合材料加工而成,仿照固沙灌木结构制作,参考天然灌木的构型与枝系,制作了有叶仿真固沙灌木和无叶仿真固沙灌木两种。仿真固沙灌木可以单独应用建立防护林,也可与其它机械沙障、雨养植被配置,形成工程治沙为主的防护体系,也可形成以植物为主、仿真植物补充的植物治沙体系。 (1)仿真固沙灌木总枝序为3~4级,分枝数自树体冠层内向冠层外逐级增加;分枝角介于25o~50o之间,自树冠层内向冠层外,分枝角逐级增大;枝长介于5~50cm之间;有叶仿真固沙灌木高度为50cm;叶披针形长4-7cm,无主干,主枝上不再分枝,直接在枝上连接叶,叶充当一级枝,形成二级枝序的独根仿真固沙灌木。无叶仿真固沙灌木高40cm,分为三级枝序,第三级枝全部集中凝结形成独根。两种仿真固沙灌木皆以钢丝为骨架,具有柔韧性,为无主干的丛枝灌木。 (2)仿真固沙灌木的冠形为半球状,构型为内疏外密,侧影面的枝密度为25%-50%。仿真固沙灌木的冠幅覆盖面积为0.50-0.78m~2,侧影面积等于冠幅覆盖面积50%。可以设置成不同覆盖度纯林,也可以与其他植物或沙障等搭配组合,形成防风固沙体系。 3)通过野外和风洞仿真固沙灌木个体对风速影响和积沙形态比较,仿真固沙灌木增大了地表粗糙度,降低了风速,减弱了风力,拦截运动沙粒形成积沙,仿真固沙灌木纯林及与梭梭混交林防风防风固沙效应显著。 (1)在野外对照观测无叶仿真固沙灌木、有叶仿真固沙灌木和沙篙周围风速,仿真固沙灌木风速削减率随风速增大而增加;不同风速等级,仿真固沙灌木风速削减率不同。在20cm高度,无叶仿真固沙灌木最大降低风速达75.08%,有叶仿真固沙灌木最大风速削减率达50.23%。当风速大于5m/s时,有叶仿真固沙灌木风速削减率相对较大。有叶和无叶仿真固沙灌木的平均透风系数大于50%,最大可达92.23%,但小于对照观测的沙篙透风系数。 (2)无叶仿真固沙灌木的积沙范围可达0.50m2,每株无叶仿真固沙灌木积沙体积约为其冠幅体积的3倍,无叶仿真固沙灌木的积沙以其为中心呈饼状。有叶仿真固沙灌木形成漏斗形积沙形态,每株有叶仿真固沙灌木积沙体积约为其冠幅体积的1.04倍。 (3)无叶仿真固沙灌木纯林的防风效能低于有叶仿真固沙灌木林,但二者都随风速增加而增大。当风速为8.0-10.7m/s,有叶仿真固沙灌木林降低风速率约是无叶仿真固沙灌木林的1.5倍。不同风速和不同高度,两种仿真固沙灌木平均削弱风速差异显著。两种仿真固沙灌木纯林风速与高度变化关系都呈指数函数关系,仿真固沙灌木林粗糙度是流沙地2.01倍。 (4)仿真固沙灌木+梭梭林平均降低风速率小于塑料方格沙障,但随着风速等级的增加,仿真固沙灌木与塑料方格沙障降低风速的差值缩小。在风速为8.1-8.9m/s时,仿真固沙灌木降低风速率达塑料方格沙障的80%。在20cm高度,梭梭+仿真固沙灌木林输沙率随高度变化为指数递减相关;裸沙地平均输沙率是梭梭+仿真固沙灌木林输沙率的4.13倍。在流沙地仿真固沙灌木林内,观测50cm高度输沙率,仿真灌木林密度越大,输沙率越小。裸沙地输沙率最小输沙率是仿真固沙灌木林输沙率的1355.70倍,仿真固沙灌木林具有显著的阻沙和固沙作用。 (5)在7m/s、9m/s、12m/s、15m/s实验室控制风速下,有叶仿真固沙灌木在风洞内形成6个减速区和4个加速区。仿真固沙灌木的主枝条数量为16-20根,疏透度为30%-40%之间的防风阻沙效能相对较大,在不同风速下输沙率的变异系数较小,是相对较优的仿真固沙灌木构型。


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