新疆和田河流域灌丛沙堆风洞流场的实验研究（Ⅰ）

灌丛沙堆是一种重要的风积地貌类型,风力、沙源、植物是影响灌丛沙堆发育的主要因素。依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域实测的灌丛沙堆数据为基础,按40∶1的比例缩小制作成无植被“灌丛沙堆”模型,在风洞中选用区间在6~14 m\5s-1的5组不同风速分别对沙堆模型作纯气流模拟实验流场观测,探讨在不同风力作用下灌丛沙堆表面的流场结构变化特征。模拟实验表明,气流在半球形沙堆迎风坡下部受到正面风压影响有较明显反射涡流,丘顶具有高速气流风蚀区域,而圆锥形沙堆迎风坡气流均匀爬坡加速,背风坡涡流强盛,因此两者在无沙情况下的纯气流流场结构特征、沙堆形态动力平衡特点有较明显差异。     

鄂尔多斯高原油蒿(Artemisia ordosica)灌丛沙堆风沙气流结构及其地貌学意义

鄂尔多斯高原广泛分布的油蒿(Artemisia ordosica)灌丛与风沙流相互作用形成灌丛沙堆,其形态发育主要受控于周围风沙输移状况.利用EC9-1型风向风速传感器和阶梯式集沙仪对平坦覆沙地上油蒿灌丛沙堆周围的风沙气流进行了观测,系统地分析了近地表水平流场、风速廓线和输沙率的分布和变化特征.结果 表明:气流结构和输...     

灌丛沙堆表面压力分布特征的实验研究

风成沙丘表面压力分布特征直接反映沙丘表面风蚀风积特点,因而是研究沙丘表面地貌过程的重要依据。依据风沙运动实验相似性理论,以新疆和田河流域实测柽柳沙堆为基础,按一定比例缩小制作成四组模型,选用起沙风速区间在6~14 m/s的5组不同风速分别对四组模型在风洞中作纯气流表面压力的模拟实验。结果表明,无植物覆盖的半球形沙堆和圆锥形沙堆的表面压力分布特征存在着较大差异,其中半球形沙堆迎风坡下部有较明显反射涡流,丘顶存在高压剪切气流区域,圆锥形沙堆则不存在这种风压变化,此外半球形和圆锥形沙堆两翼的高低压风蚀区域分布特点也不一致。人工“植物”引发的沙堆丘顶和背风坡区域表面风压的显著变化有利于截留沙尘、保护沙堆免受风蚀并促进沙堆增长。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

新疆和田河流域柽柳沙堆的生物地貌发育过程

柽柳沙堆是我国干旱区分布最为广泛的灌丛沙堆类型之一。在实地考察新疆和田河流 域柽柳生态地理特征、测量223 个柽柳沙堆形态, 并在两个野外观测点上实测4 个沙堆的风沙流剖面, 结合室内风洞实验段风速8 m/s 条件下模拟沙堆风流场结构等综合分析方法, 本文探讨了柽柳沙堆的生物地貌学特征及其发育过程。结果表明: 研究区柽柳的生态类型属于以胡杨林与灌木林下土壤为基础的吐加依土生境类型, 这个生境类型可以进一步划分为三个亚生境, 这些亚生境反映了柽柳沙堆不同发育阶段的生态环境特征。由于柽柳灌丛的寿命长、木质化枝干的刚性较强、根株萌发力强耐风蚀沙埋, 可对地面风沙流运行产生强烈扰动, 其风速剖面有别于芦苇沙堆和骆驼刺沙堆, 风流场结构有利于聚集风沙, 因此风沙依托柽柳灌丛堆积发育而成的柽柳沙堆平均坡度较大、沙堆存活与发育的周期也较长     

柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作背景植被盖度依次为0%、4%、10%、16%和26%五组灌丛沙堆模型,在风洞中进行蚀积变化规律模拟实验。结果表明：柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布可划分为6个区域,依次为沙堆前积沙区、沙堆迎风坡风蚀区、沙堆两侧风蚀区、沙堆背风侧涡流积沙区、沙堆后尾流积沙区和不受沙堆影响区。随着指示风速增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围缩小而沙堆两侧风蚀区面积明显增大。随着背景植被盖度的增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围增大而沙堆两侧风蚀区范围明显减小。灌丛沙堆及丘间地整体风蚀面积比、风蚀率、各分区蚀积强度均呈指数规律递减。背景植被盖度为0%时,灌丛沙堆影响区风蚀率明显高于不受沙堆影响区,说明裸露地表条件下灌丛沙堆的存在会加剧地表风蚀;当背景植被盖度为4%~16%时,灌丛沙堆影响区风蚀率均低于不受沙堆影响区,可见丘间地植被存在可使灌丛沙堆起到一定的防风阻沙作用。当背景植被盖度>16%时,柽柳灌丛沙堆及丘间地整体蚀积强度和风蚀率变化趋于平稳。据此认为维持不低于16%的背景植被覆盖,是沙漠-绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆科学保育的关键。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

沙质草原灌丛沙堆研究综述

灌丛沙堆是干旱、半干旱及半湿润荒漠地区风沙流遇到灌丛阻拦而堆积形成的一种地貌形态。普遍的研究表明灌丛沙堆是伴随人类不合理的土地利用和环境的变化而出现,是土壤风蚀和土地退化的标志,也是沙漠化的一种表现形式。灌丛沙堆在我国分布范围很广,但目前研究还不够深入。笔者主要阐述了国内外对灌丛沙堆形态、沉积物、演变及其环境意义等几个方面研究所取得的进展及其存在的争议,并提出了灌丛沙堆研究的发展趋势,以期引起国内对灌丛沙堆研究的关注。     

干旱地区灌丛沙堆研究现状与展望

从灌丛沙堆的形成演变、形态特征及其空间格局、表面气流特征及其风蚀堆积平衡、表面植被生态生理特性及其对降水和地下水的响应、土壤理化性质和保育措施等几个方面进行综述。认为目前灌丛沙堆研究只是针对某一区域或多个区域的静态研究,对灌丛沙堆演化过程中的形态、气流、土壤以及植被等因素的变化特征及其相互作用研究不足,难以解释灌丛沙堆的演化机制及其影响因素。同时灌丛沙堆研究过于强调其作为土地退化的指示,而忽略了其在退化生态系统中的重要生态功能,不利于干旱和半干旱区的生态环境恢复。今后的研究应该加强对灌丛沙堆演化过程中的土壤、植被、水分的变化特征及其不同影响因素之间相互作用过程的研究,深入探讨灌丛沙堆在干旱半干旱退化生态系统中的积极作用。基于以上基础数据和理论依据,对灌丛沙堆的保育措施进行探索,找出合理的灌丛沙堆保育措施。     

毛乌素沙地南缘油蒿(Artemisia ordosica)灌丛沙堆形态特征

对毛乌素沙地南缘不同演化阶段油蒿(Artemisia ordosica)灌丛沙堆进行了调查和统计分析,探讨了演化过程中沙堆形态特征变化及其与灌丛形态间相互关系。结果显示:(1)研究区油蒿灌丛沙堆以发育阶段和稳定阶段主,衰退阶段灌丛沙堆较少。随灌丛沙堆演化,油蒿灌丛高度保持相对稳定,灌丛长轴和沙堆长轴、短轴都显著增大;(2)沙堆的形态参数间存在显著的相关性,其中发育阶段沙堆长轴、短轴和高度之间显著线性相关,且长轴和短轴相对高度增长较快,稳定阶段沙堆3个参数间协同发展到稳定,而衰退阶段沙堆形态参数间相关性下降;(3)除衰退阶段外,沙堆形态参数与灌丛形态参数间有显著的相关关系,其中沙堆长轴与灌丛长轴、沙堆短轴与灌丛短轴、沙堆底面积与灌丛投影面积,均呈显著线性关系。在环境因素作用下,油蒿灌丛沙堆间整体相互协调发展,使其呈现不同形态特征。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

油蒿(Artemisia ordosica)退化阶段对灌丛沙堆形态的影响

典型固沙灌木油蒿(Artemisia ordosica)退化过程中如何影响灌丛沙堆的形态特征,仍然未知。在腾格里沙漠东南缘1990年建立的人工固沙植被区,分别对油蒿生殖株、半死株和死株3个阶段灌丛沙堆形态特征进行了调查。结果表明:半死株油蒿灌丛沙堆的高度和体积显著高于死株和生殖株形成的灌丛沙堆,生殖株、半死株和死株灌丛沙堆高度分别为4.8cm、21.0cm和12.4cm,体积分别为0.031m3、0.159m3和0.109m3,坡度分别为3.5°~7.8°、32°~36°和16°~26°。植株特征的改变及所引起的气流变化影响到灌丛沙堆形态特征,不同退化阶段的油蒿显著影响到灌丛沙堆的形成和发育。因此,油蒿灌丛逐渐退化的过程,是灌丛沙堆逐渐演化的过程,也是干旱、半干旱区微地形塑造和景观逐渐变化的过程。     

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。     

海岸横向沙脊表面风沙流结构的野外观测研究

选择中国规模最大、形态最为典型的河北昌黎黄金海岸的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部的风沙流结构进行了观测.观测结果表明,海岸横向沙脊表面的风沙流结构特征基本表现为0～40 cm高程内气流搬运的沙尘物质浓度或质量随高度递减并符合指数分布,20～60 cm高程内符合幂函数分布,40～60 cm高程内输沙量与高度之间则为多项式函数关系.同时,海岸横向沙脊表面的风沙流结构受风速与总输沙量的影响较大,随风速增大或总输沙量的增加,风沙流下层输沙量相对减少、上层则相应增加.     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

南昌市厚田沙地蔓荆灌丛沙堆的形态与沉积特征

为探究亚热带湿润地区河湖周边发育的灌丛沙堆形态与沉积特征,以南昌市厚田沙地为研究区,对其优势种蔓荆（Vitex trifolia）所形成的灌丛沙堆开展野外调查,通过对不同部位的沉积物进行采样与分析,研究沙堆形态、沉积特征及其与植被特性之间的关系。结果表明：蔓荆灌丛沙堆形态大多为盾形,水平尺度大,高度矮,坡度缓。沙堆沉积物以中沙为主,分选性较差,呈正偏和窄峰态分布,沙源来自附近平沙地和丘间地,为近源沉积。平均粒径从迎风坡底部至背风坡底部呈现为先变细后变粗的趋势,体现了灌丛沙堆的防风滞沙功能和对沙粒的重新分选作用。灌丛与沙堆的各形态参数（灌丛高度除外）均存在高度的正相关性（P＜0.01）,说明各形态参数在沙堆发育过程中得以协调发展。受植被类型和区域环境的影响,与干旱-半干旱地区直立生长且分支少的灌丛形成的椭球形或圆锥形沙堆形态不同,蔓荆匍匐生长且高度较矮的形态常形成低矮且范围较大的灌丛沙堆。亚热带湿润地区风力资源不丰富及厚田沙地沙源不足使沉积物主要来源于附近平沙地与丘间地,但不同坡位沉积规律与干旱-半干旱地区相同。     

白刺灌丛沙堆形态与沉积特征

白刺灌丛沙堆在我国西北干旱区分布广泛,但对其的研究程度较低.选择沙漠、戈壁和荒漠草地三种生境下发育的白刺灌丛沙堆,通过典型样方(100 m×100 m)调查和采样分析,探讨了沙堆形态、沉积物特征及其控制因素.在三个样区,沙堆总底面积和总体积从小到大依次为戈壁、沙漠、荒漠草地,沙堆密度从小到大的顺序为荒漠草地、沙漠、戈壁,表明植物生长状况和沙源是控制沙堆单体规模的主要因素.沙堆形态参数之间的相关分析结果显示,在三种生境下沙堆水平尺度与高度之间存在良好的二次多项式相关,且目前的沙堆尚处在垂向增长阶段.灌丛沙堆沉积物粒度组成以细砂为主,其粘土、粉沙和粗砂含量均少于丘间地,表明灌丛沙堆沉积物属短距离风力搬运、分选产物.沙堆表层沉积物平均粒径由迎风坡脚至背风坡脚趋于变细,由沙堆顶部垂直向下至底部趋于变粗但变化不明显.     

新月形沙丘表面风速廓线与风沙流结构变异研究

在风沙地貌学中,跃移沙粒与风场的耦合作用下,其最直观的表现形式为风速廓线和风沙流结构的变异。通过对塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘迎风坡坡脚、沙丘顶部、沙丘的两个兽角前端、沙丘背风坡坡脚5个典型部位的风速廓线和风沙流结构进行了实地观测,并与参照点（丘间粗沙地）的风速廓线和风沙流结构进行了对比。发现受地形扰动作用,沙丘背风坡坡脚处和沙丘的两个兽角前端的风速廓线形式均呈现非对数形式分布。除迎风坡坡脚处风沙流结构与参照点处相似之外,其余各个部位风沙流均表现出不同于参照点的结构形式。直接采用曲线拟合方法对风沙流结构函数进行拟合,并针对有明显分段现象的风沙流结构形式,采取分段拟合,并对造成风速廓线和风沙流结构变异的原因进行了讨论。     

艾比湖周边灌丛沙堆风沙沉积记录的气候环境演化

选择位于西风区的新疆艾比湖周边灌丛沙堆为研究对象,利用光释光测年初步建立风沙沉积的时间序列,分析了风沙沉积粒度和地球化学元素两个环境代用指标的古气候意义,并通过区域对比和综合分析,初步建立区域风沙气候环境演变序列。结果表明:研究区灌丛沙堆主要发育于晚全新世,缺失早中全新世的风沙沉积。晚冰期以来,艾比湖地区的风沙气候环境演变经历了一系列冷湿（凉湿）-暖干（温干）的变化过程,其中暖干（温干）时期气候干旱,风力强劲,湖滨阶地主要发生风蚀过程,不利于灌丛沙堆的发育。晚全新世以来,艾比湖周边灌丛沙堆发育较普遍,风沙沉积至少记录了3次相对干旱期和3次相对湿润期。灌丛沙堆记录的风沙气候环境演化序列与北疆其他全新世沉积记录有较好的一致性,基本遵循晚次冰期以来气候变化的西风模式,同时也受到局地风沙地貌环境的影响。     

不同类型林带防护效应的数值模拟

分别对紧密、疏透、通风型林带绕林流场进行了数值模拟,分析了林带结构特征对绕林带流场的影响,比较了不同林带结构在同一高度上的沿流相对风速变化情况,并指出了它们各自的适用范围和在防沙治沙中的作用。