梭梭人工林配置结构对防风固沙效果的影响及机理

Shrub is the key component of desert ecosystem in arid land and plays an important role in maintaining the desert ecosystem diversity, in wind breaking and sand fixation and other ecosystem service. However, the planting methods widely used currently in large area and area with high density are not suitable for the regime of water shortages in arid land, which means it is unable to realize the maximum of ecological and economic benefits. There were few reports about the research on optimizing the shrub forest configuration structures to better effect of wind break and sand fixation under rainfed conditions in arid land. This study is aimed to analyze and evaluate the positive effects of the configuration structural changes of Haloxylon ammodendron forest on filed local scale. Wind tunnel was used to simulated the optimal structure processes of Haloxylon ammodendron forest from local scale to landscape scale on the basic of “areas of effective protection” and “wind erosion amount” through combination of field observation and wind tunnel experiments. On the basic of these experiments, a series wind erosion models and transformation models will be built under the different scales and scale diversions. Several optimal Haloxylon ammodendron forest configuration modes will be presented by field experiments. A series scientific managements and practical models will be developed to the planting of Haloxylon ammodendron windbreak system in arid land.

灌木林是干旱区荒漠生态系统植被的主要成分，在维持荒漠生态系统多样性、发挥防风固沙等生态系统服务方面具有至关重要的作用。然而当前广泛采用的大面积高密度的栽植方法不适用于干旱区水资源缺乏的造林前提，无法实现生态、经济效益最大化。关于如何在干旱区雨养条件下通过优化灌木林配置结构，以达到更好防风固沙效果的研究目前还鲜有报道。本项目拟采用野外实验和风洞实验相结合的方法，以“有效防护面积”和“土壤风蚀量”为主要评价指标，分析评价了野外局地尺度梭梭林配置结构变化对防风固沙效果的影响；用风洞模拟了局地和景观尺度不同配置梭梭林结构优化的过程；在此基础上，建立了不同尺度及尺度变化下的土壤风蚀输沙率模型及关系转换模型，经野外验证提出了几种梭梭林优化配置模式，为干旱区人工梭梭林的营建提供了理论依据和应用范式。

灌木林是干旱区荒漠生态系统植被的主要成分，在维持荒漠生态系统多样性、发挥防风固沙等生态系统服务方面具有至关重要的作用。然而当前广泛采用的大面积高密度的栽植方法不适用于干旱区水资源缺乏的造林前提，无法实现生态、经济效益最大化。关于如何在干旱区雨养条件下通过优化灌木林配置结构，以达到更好防风固沙效果的研究目前还鲜有报道。本项目拟采用野外实验和风洞实验相结合的方法，通过分析评价野外局地尺度梭梭林配置结构变化对防风固沙效果的影响及建立不同尺度及尺度变化下的土壤风蚀输沙率模型及关系转换模型，筛选出几种梭梭林优化配置模式，为干旱区人工梭梭林的营建提供理论依据和应用范式。主要结果如下：（1）建立了基于野外观测的不同风速下局地尺度梭梭林12种配置模式对应的土壤风蚀模型：有梭梭植被覆盖的12块样地风速廓线均为多项式分布，旷野风速廓线为对数分布；3种盖度（15%、25%、35%） “田”字型均匀分布梭梭林样地输沙量与垂直高度的拟合呈较好的幂函数和多项式关系，3种盖度行带式“田”字型梭梭林样地输沙量与垂直高度的拟合均呈较好的指数函数和幂函数关系，而3种盖度“品”字型均匀分布梭梭林与3种盖度行带式“品”字型梭梭林样地输沙量与垂直高度的拟合均呈较好的幂函数关系，揭示了不同梭梭样地风速廓线变化特征与土壤风蚀输沙量模型间的关系。（2）基于风洞实验评估12种配置模式梭梭林防风效果提出优化模式： 15%盖度的梭梭林“品”字型均匀配置防风效果最佳，其次为行带式“品”字型配置；25%盖度的梭梭林行带式“品”字型配置防风效果最佳，其次为“品”字型均匀配置;35%盖度的梭梭林行带式“品”字型配置防风效果最佳，其次为行带式“田”字型配置。（3）耦合野外观测和风洞实验的梭梭林配置模式优化：对比分析12种配置模式梭梭林各项防风固沙效果评价指标（风速廓线、风速流场、风速频数分布特征、防护面积、输沙量、土壤风蚀模型）提出最优化配置模式，其中15%盖度为均匀配置的“品”字型梭梭林输沙量模型为y=-1.93x2+6.523x+2.2325（R2=99.25），25%盖度为行带式配置的“品”字型梭梭林输沙量模型为y=1.73x2+6.135x+2.1225（R2=96.94），35%盖度为行带式配置的“品”字型梭梭林输沙量模型为y=-1.81x2+6.563x+1.887（R2=99.69）。