梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验

梭梭(Haloxylon anmodendron)是荒漠地区重要的固沙灌木,株高、构型与防风固沙乔木具有明显差异。通过风洞模拟实验,在12 m·s~(-1)风速条件下,对3种高度和密度的梭梭林带模型的风速流场和防风效果进行了研究。结果表明:不同配置的梭梭林带模型后风速流场差异显著。1～2 cm高的梭梭林带后风速频数集中在8～8.7 m·s~(-1);4 cm高的梭梭林带后风速频数集中在7～8 m·s~(-1),平均防风效能分别为38.49%、32.29%、26.88%,有效防护距离分别为10H、7.5H、5H,优于1～2 cm高的配置类型。其中4 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后风速恢复迅速,最大风速大于等高度其他两种株行距的林带;高度1 cm、株行距2 cm×2 cm林带防风效果优于同高度密度稀疏的林带;2 cm高、株行距4 cm×4 cm的林带与1 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后的最小风速接近,表明随着梭梭林带高度的增加,林带密度优势开始减弱。因此合理的株行距有助于梭梭林带长期发挥最大防风效益。     

不同结构单排林带防风效应的风洞模拟

风速大小、林带疏透度及高度都会对林带周围气流产生影响,使气流在林带两侧发生分离或积聚,从而形成不同的防护功能区。为探求林带结构对防风效应的影响机理,选取10组高度和疏透度不同的林带模型,对其防风效应进行了风洞模拟实验,通过绘制加速率等值线图及其变化趋势线、防风效应图,并计算不同结构单排林带的有效防护距离,进而揭示风速、林带疏透度和高度对林带上风向和下风向风速、防风效应和有效防护距离的影响规律。     

绿洲-荒漠交错带防护林与自然植被的协同防风效能及优化模式探讨

以新疆准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠交错带为研究区,研究了该区防护林与其外围自然植被的协同防风效能,进而构建了二者协同配置的优化模式。结果表明:①在有障碍物(防护林、自然植被)存在时,风表现出显著的规律性,即在0.5 m和1.5 m高度处,防护林与自然植被协同后对风速起到了减弱作用。对于疏透结构林带,风速的减弱程度为自然植被内部>自然植被与防护林之间>防护林外部;对于紧密结构林带,当风速较小时,风速的减弱程度为自然植被与防护林之间>自然植被内部>防护林外部。②防护林带的冠层体积(V)、单位长度林带段胸高断面积(S)、株行距(Q)与自然植被的平均高度(H)、覆盖度(C)协同后和两高度处的相对风速存在极显著相关关系,据此以编程运算得到最小相对风速下二者协同配置的优化模式,即在0.5 m高度处,当V=62.1476 m3、S=0.5756 m2/50m、Q=5.5645 m2、H=1.6889 m、C=0.2878时,二者的协同防风效能达到85.07%;在1.5 m高度处,当V=62.1476 m3、S=0.5237 m2/50m、Q=5.5645 m2、H=1.8154 m、C=0.3073时,二者的协同防风效能达到74.67%。对不同相对风速下二者协同配置的优化模式进行了预测。     

黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应北大核心CSCD

为探究黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应,通过野外调查观测,定量分析了固沙植物梭梭(Haloxylonam modendron)、泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)对风沙流流量及风沙流结构的影响规律,并应用空气动力学原理分析了影响机制。结果表明:固沙植物防风效果表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺,且在迎风面和背风面差异显著,梭梭与其他灌丛植物相比防风效果更加显著,风速降幅可达到62.9%,有效防护距离最大;梭梭、泡泡刺、沙拐枣的阻沙效率分别为60.7%、51.0%、46.3%,且各灌丛植物在相同风速下输沙率随高度呈阶梯式递减;灌丛植物输沙率与风速符合指数函数或多项式函数关系,风速超过7.0 m·s-1时输沙率增加速度最为剧烈。梭梭的阻风效果优于泡泡刺和沙拐枣,但其近地表防风蚀效果一般,泡泡刺因为低矮密集的植株结构表现出较好的防风蚀性,但有效防护距离最小,且在高度较大时防风效果较差。     

基于最优训练期的PP与MOS的风电功率趋势预报对比

利用某一风电场区域内33台风机观测资料以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的100 m高度风速预报产品,引进最优训练期方案,通过一元线性回归方法先对模式的100 m高度风速预报进行订正,再分别采用完全预报方法(PP法)和模式输出统计预报方法(MOS法)进行风电功率预报的对比研究。结果表明:ECMWF的100 m高度风速预报值与风机轮毂高度处风速观测值之间的偏差并不大,订正后的预报误差进一步减小。将订正后的风速预报代入PP法和MOS法建立的风电功率预报方程,可以显著减小PP法的预报误差,但是并没有改进MOS法的预报结果。与利用风速预报订正产品进行风电功率预报的PP法相比,MOS法可以省去风速预报的订正环节而略胜一筹,简化了业务流程。这2种方法计算的33台风机站3～72 h预报的均方根误差和平均绝对误差分别在17%～25%和11%～18%之间,具有业务应用价值。     

干旱区新垦绿洲防护林体系的防护效益分析——以克拉玛依农业综合开发区为例

克拉玛依新垦绿洲内部光、热、水、土资源丰富,但生态环境极为恶劣,存在干旱、风沙和盐碱等生态问题,严重阻碍着农业生产的持续发展。通过建立有效的防护林体系来改善种植区生态环境,以保证农业生产的顺利进行。结合野外实地调查资料,对研究区内绿洲防护林林带特征和现有防护林的防风效能、气温、相对湿度等小气候等指标进行了测定比较,结果表明：背风面随着距林带距离的增加,其防风效能呈现递减的趋势,随着防护林的生长,其防风效果也随之提高;在背风面垂直方向上自上而下防风效能呈现递增的趋势,林带有叶期的防风效果明显优于无叶期。林带较之荒漠区具有一定程度的降温增湿作用,同时林带对于防护林内土壤温度和土壤水分的调节作用也很显著。     

绿洲-荒漠过渡带典型防护林体系环境效益及其生态功能

 在塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带,选取乔灌草结构（胡杨-柽柳-花花柴群落）、乔灌结构（胡杨-柽柳群落）和单一乔木结构（胡杨群落）三种典型防护林为研究对象,采用野外监测和室内分析相结合的方法,探讨了不同类型防护林对空气温湿度、土壤理化特性及防护效应等的作用,并分析了产生差异的原因及生态功能。结果表明：(1）干旱区绿洲-荒漠过渡带不同结构组成的防护林均可提高群落内温湿度的稳定性,改善土壤理化性质,其中乔灌草结构防护林较其它群落更有利于增加0~50 cm土壤有机质、[WTBX]全N、全P[WTBZ]和20~100 cm土壤全[WTBX]K[WTBZ]的积累;能更有效地增加0~30 cm土壤水分、抑制0~100 cm土壤盐分、稳定0~50 cm土壤温度;(2）单一胡杨林群落的有效防护高度为2~3 m,横向有效防护距离为40 m;胡杨-柽柳群落的有效防护高度为2～4 m,横向有效防护距离为60 m;胡杨-柽柳-花花柴群落的有效防护高度分别为小于1 m和2~4 m,高度超过1 m以上的横向有效防护距离为60 m,在1 m以下其横向有效防护距离可达100 m;(3)群落结构、植物密度和覆盖度是影响防护林环境特征和生态功能的主要原因。     

沙漠绿洲过渡带典型下垫面风速脉动特征——以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为例

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部沙漠-绿洲过渡带为研究区,选择植被盖度 < 5%裸沙样地、植被盖度10%～15%柽柳样地和植被盖度20%～25%骆驼刺样地,利用可移动梯度风测量系统,获取了系统性天气过程中距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm高度的风速及200 cm高度的风向系列数据,对3个样地平均风速、风速脉动和风向脉动进行分析和研究。结果表明:(1)植被的存在大幅度消弱了平均风速,随着植物密度的增加平均风速逐渐降低,风速廓线显示平均风速发生明显降低的转折高度与植被冠层的平均高度相对应。(2)3个样地脉动风速均近似服从高斯分布,可见植被的存在并未改变风速脉动分布规律。各样地风速脉动强度均随指示风速的增大而增大,随距离地表高度的降低而下降。风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势,植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。(3)风向脉动幅度以裸沙样地最小、柽柳样地次之、骆驼刺样地最大,即随植物密度增加而增大。同一样地内风向脉动值不随指示风速的变化而发生明显变化。     

干旱荒漠风沙区沙化土地综合整治技术研究——以古浪县黄花滩治沙示范区为例

采用“四带一体”的模式,对示范区沙漠化土地进行综合整治。试验结果表明：在干旱荒漠区,以低矮流动沙丘为主的沙漠化土地,采用“前沿阻沙林带+固沙林带+植物活体沙障阻沙带+封沙育林育草带”的“四带一体”防护模式,取得了显著的防护效果。示范区农作物受沙害面积从治理前的37.7%减少到治理后第1年的14.2%,第2、3年未受风沙危害;防护带后0.5 m和1.5 m高处平均风速较旷野分别降低75.9%和63.4%,平均输沙量从防护带前的2 556.1 mg·cm^-1·h^-1降低到防护带后的3.41 mg·cm^-1·h^-1;筛选出沙拐枣、花棒、沙枣、白榆、沙蒿为流动沙丘和丘间低地适宜的造林树种;粘土沙障设置以2 m×2 m为宜,麦草、尼龙网沙障1 m×1 m效果较好。造林初期,以沙米和碱蓬为主的一年生植物能够在林下大量繁衍, 盖度达到50.2%和34.1%, 对初期的沙丘固定发挥作用, 但也大量的消耗了浅层沙丘土壤水分。随着人工林的生长,一年生植物逐渐衰退,3年后深根系的天然沙蒿逐渐繁衍,盖度达到10%。     

不同下垫面沙通量估算——以策勒绿洲—沙漠过渡带为例北大核心CSCD

通过对研究区域风速和沙通量的实测数据,分析了策勒绿洲—沙漠过渡带上流动沙地、半流动沙地和固定沙地下垫面风沙活动参数,并进行了不同下垫面模型的推导与验证。研究结果表明:(1)空气动力学粗糙度受到地表植被盖度和风速的共同影响,流动沙漠起沙后,空气动力学粗糙度随风速的增大而升高,半流动沙漠和固定沙漠空气动力学粗糙度随风速的增大而降低,空气动力学粗糙度随地表植被盖度和植被高度等的增大而升高。(2)策勒绿洲—沙漠过渡带流动沙漠、半流动沙漠、固定沙漠的沙通量模型利用Bagnold模型与实际沙通量校正后确定,流动沙漠、半固定沙漠、固定沙漠的幂值分别为3.65、3.57、2.92,B值分别为4.33×10^(-11)、6.27×10^(-11)、2.61×10^(-9)。(3)2014年3~9月,策勒绿洲沙漠过渡带流动沙漠、半流动沙漠(植被盖度约为10%)、固定沙漠(植被盖度约为40%)的输沙通量分别为5 679.4 kg·m^(-1)、1 033 kg·m^(-1)和176.2 kg·m^(-1),植被对下垫面沙通量的影响显著,半流动沙漠的沙通量为流动沙漠的18.2%,固定沙漠沙通量占流动沙漠沙通量的3%。     

均匀配置的两种仿真灌木林防风效应野外观测

建立灌木林是一种有效的防风固沙方法,灌木林空间配置是防护林体系研究与建设取得最佳效益的关键.应用两种仿真固沙灌木,建立株行距相等的均匀配置灌木林,观测林内与林前不同风速,比较其防风效能.结果表明:在风速为4.6～10.7 m·s^-1时,侧影面积为0.25 m²的无叶仿真灌木林比侧影面积为0.39 m²的有叶仿真灌木林防风效能低10%～20%.仿真固沙灌木林风速与高度变化关系呈指数函数关系,但在风沙流中拟合系数更高.仿真固沙灌木林空气动力粗糙度平均值是流沙地的5倍多,但不同风速下的粗糙度值差异较大.对相同配置的防风固沙林,调节灌丛结构可以提高其防风固沙效能.     

不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验

林带宽度是防风固沙林建植时要考虑的基本参数,研究不同带宽林带的防护效果对防风固沙林配置及构建具有重要的指导意义。通过风洞模拟实验,在7、10、15 m·s^-1风速条件下,对单行一带（Ⅰ型）、三行一带（Ⅱ型）、六行一带（Ⅲ型）和九行一带（Ⅳ型）共4种带宽的林带的迎风面、带中和背风面的风速进行了测定,分析了4种林带的风速流场、风速加速率和防风效果。结果表明：（1）4种林带流场结构和垂直风速变化规律相似,沿来风向均形成了林带上方和迎风面林缘附近的小范围高风速区及其后的风影区相互组合的流场结构;依据风速垂直变化规律划分为上部变化层（高度30~60 cm,受林带的影响最小）、中间变化层（高度5~20 cm,风速受林冠遮蔽作用,影响最大,且为风影区形成层）和近床面变化层（高度1~3 cm）。（2）4种林带在垂直纵剖面上的平均风速加速率随林带宽度的增大而减小,即Ⅰ型（0.90） > Ⅱ型（0.87） > Ⅲ型（0.79） > Ⅳ型（0.78）。（3）4种林带的防风效果为Ⅰ型和Ⅱ型林带相同,Ⅲ型和Ⅳ型林带相同,后2种林带的防风效果优于前2种林带,且4种林带的防风效能均随着风速的增大而减小。     

腾格里沙漠西南缘植被季节变化及风沙活动

腾格里沙漠西南缘沙区,3种植被条件下的盖度四季波动情况为:在林带背风面封育区25.89%~35.35%,封育区19.4%~29.39%,流沙区11.39%~16.05%之间; 各季节植被盖度表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季,其中,流沙区植被盖度春季增幅最大,旱季降幅最小,而林带背风面封育区则雨季增幅最显著,封育区次之。流沙区草本植物株（丛）数比例从春季开始近似线性增加,旱季变缓,雨季又有所增加,8月底至9月上旬达最大值,灌木植物比例则相反;封育区和林带背风面封育区草本植物株（丛）数比例变化相似,均为春季迅速上升,旱季下降,雨季显著增加,9月底达最大值,灌木植物相反。流沙区因植被稀疏,牲畜采踏,植被难恢复,裸露地面风沙流活动强烈,沙丘前移;封育区植被盖度较大,形成了比较稳定的自然生态植被区域;林带背风面封育区则在多层防护林防护下,区域内风速低,植被盖度大,枯枝落叶多,普遍有1~1.5 mm厚的结皮,形成了更加稳定的生态环境。试验研究表明：在当地降水条件下,只要在沙漠边缘建立足够的封育区,禁止或减少人为活动,自然植被恢复,可大大降低风沙活动,遏制沙漠前移,实现当地的生态可持续发展。     

再议绿洲－沙漠过渡带——以策勒绿洲－沙漠过渡带为例

 被长期质疑的绿洲－荒漠过渡带在不断观测和丰富积累的基础上让我们有了一个完整的认识。以策勒绿洲为例对其进行剖析,作为绿洲－荒漠过渡带的一种典型类型,绿洲－沙漠过渡带可以界定为自绿洲边缘（人工防护体系或天然稀疏灌木林边界）到植被盖度为20%～25%的固定－半固定沙地为外缘边界（绿洲与流动沙漠之间）的荒漠地带。过渡带的内缘边界为绿洲外缘的人工防护体系,包括防风阻沙林带或天然稀疏灌木林。过渡带形成是因为从绿洲到外部荒漠存在水热环境因子的梯度变化,导致植被、土壤、地貌等综合景观展现出过渡特征,其组成与结构模式为：由绿洲向沙漠方向,稀疏灌木林（或边缘防护林体系）地－缓起伏灌草沉沙地－起伏灌丛沙堆和高起伏灌丛沙堆地。过渡带是乡土动植物重要的保留与保护地,是绿洲与沙漠间能流物流输送交换的缓冲带、绿洲的天然生态屏障,对地貌、土壤以及植被具有保护功能,且具有重要的固碳作用。     

Field determination for roughness length above the different non-erodible surfaces

Non-erodible elements, for its disturbance to the near-surface airflow, have been widely used in arid and semi-arid regions to protect the surface from wind erosion. Roughness length was usually used to evaluate the protection effect of non-erodible elements from wind erosion. In this study, the wind profiles above five types of non-erodible surfaces including gravel, wheat straw checkerboard barriers, cotton stem checkerboard barriers, shrubs, and herbs were measured and analyzed. The wind velocities above these surfaces increased with height approximately in logarithmic functions. The roughness length of different non-erodible surfaces was calculated by the functions of wind profiles. The results reveal that:(1) Roughness length increased with wind velocity in given wind velocity ranges. (2) On vegetative surfaces, wind did not effectively bend the stems. The threshold wind velocity for bending the stems of Achnatherum splendens was 4 m/s, 10 m/s for Agropyron cristatum, and for Artemisia ordosica, no obvious bending of stems even for wind velocity reaching 12 m/s. (3) Correlation analysis results show that the vegetation''s coverage and frontal area affect the roughness length more significantly than the other parameters. (4) The protective results of these non-erodible elements were evaluated. The checkerboard sand barriers made of cotton stem could provide more effective protection than that made of wheat straw. In the same coverage conditions, vegetation could provide more effective protection from wind erosion than gravel, and the blending of different non-erodible elements especially the combination of blending of vegeation and checkerboard sand barriers could provide more effective protection to the surface.     

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带不同下垫面地表蚀积变化特征

沙漠-绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益,对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。在新疆策勒沙漠-绿洲过渡带流沙地、半固定沙地、绿洲边缘固定沙地6个不同植被覆盖度样地风蚀、风积变化观测基础上,结合地表风速数据,探讨流沙地、半固定沙地、固定沙地不同植被覆盖度和地形下地表风蚀风积变化特征及其影响因素。结果表明：流沙地表现出较强烈的地表风蚀;半固定沙地整体表现出强烈的地表风积;固定沙地上植被覆盖度越高、植株越高和排列方式越均匀、整体地势越低,单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈多项式或指数函数关系递减,植被覆盖度与单位面积风积量不呈函数分布,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。     

人工绿洲防护林体系稳定性评价——以景泰县引黄灌区绿洲防护林体系为例

通过引水灌溉发展起来的人工绿洲是干旱区社会经济发展的主要依托。稳定的人工绿洲防护林体系是绿洲稳定的前提条件。根据人工绿洲防护林体系稳定性的含义和实质,构建评价其稳定性的指标体系,该指标体系由4个层次19个评估因子组成;通过分级量化指标;用层次分析法对指标进行权重分析;提出了人工绿洲防护林体系稳定性评判标准和具体的评判方法。以甘肃景泰县引黄灌区人工绿洲为例,对其防护林体系稳定性进行评判,结果与实际基本相符,说明本评价方法具有应用价值。     

新疆策勒沙漠—绿洲过渡带水平输沙通量

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带的天然植被对绿洲内部的农田起到了很好的保护作用,具有良好的防风阻沙效益。对策勒沙漠-绿洲过渡带的流沙地、半固定沙地、固定沙地的水平输沙通量和风速进行了分析。结果表明：（1）近地表的输沙通量和平均风速从流沙地至半固定、固定沙地大幅度地减少。在0～202.5 cm高度范围,半固定沙地、固定沙地水平输沙通量相比流沙地分别少了56.91%、90.23%;在0～70 cm高度范围内,输沙通量分别少了85.31%、99.55%;（2）平均风速越大,半固定沙地、固定沙地相比流沙地的输沙通量减少得愈多,流沙地、半固定沙地、固定沙地近地表输沙通量与平均风速分别服从指数、线性和多项式函数关系;（3）策勒沙漠-绿洲过渡带的有效宽度不小于1.74 km,才能保护绿洲免受风沙危害。