油蒿(Artemisia ordosica)是我国干旱沙区天然分布的优良固沙植物种(詹科杰，2005)，是毛乌素沙地植物群落的优势种之一(那日等，2004)。一些研究表明，人工营造的固沙林密度(或覆盖度)远大于相同气候及立地条件下的自然植被(吴征镒，1980；高尚武，1984；丘明新，2000)，虽然能尽快起到防风固沙的目的，但是水分收支失衡，衰败死亡现象比较严重(韩德儒等，1996；兰登明等，1998；杨瑞珍等，1996)，致使防护期缩短，生态、经济效益降低。有研究认为：植被覆盖度低于40%，不能完全固定流沙和阻止风沙流的形成(赵兴梁，1991；朱震达等，1981；1994)，但有研究表明：在干旱、半干旱区沙地，覆盖度为10%~40%的乔灌木固沙林才能保持水量平衡(刘家琼等，1982；赵兴梁，1991)。杨文斌等(1997；1998；2004)研究发现，在低覆盖度时，油蒿群丛水平上的不同分布格局对近地表风力的阻碍作用差异显著。在点格局的研究中，基本上把种群的空间分布确定为3种类型：集群分布、随机分布和均匀分布(1985；Greig-Smith，1983)。本文研究了行带式分布(特殊的集群分布)和随机分布低覆盖度油蒿群丛的防风固沙效果，以掌握低覆盖度油蒿群丛的固沙机理。

1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地乌审旗境内(37°27′30″—39°22′30″ N；107°20′—111°30′ E)，海拔1 200~1 350 m。东南部年均降水量为440 mm，向西递减至250 mm，7—9月降水量约占年降雨量的60%~70%。降水量年际变化大，多雨年可达少雨年的2~4倍。年均蒸发量1 800~2 500 mm。年均风速3.3 m·s^-1，风速大于17 m·s^-1(≥8级)，年大风扬沙40~50 d，风季为3—5月。地貌类型有滩地(约占35%)；流动沙丘(约占45%)；固定、半固定沙丘(约占20%)。沙丘较为平缓，相对高度 < 10 m。

2 研究方法 2.1 样地选取

行带式样地(BF)选择了5条完整的有代表性的油蒿带，行带的组合为：第1、2带间距5 m、第2、3带间距4 m、第3、4带间距5 m、第4、5带间距5 m。林带走向与主害风方向呈80°~90°夹角，平均株高(0.63±0.15) m，覆盖度为19%，下垫面为固定沙地；随机分布样地(RF)(35 m×35 m)的油蒿群丛平均株高(0.67±0.23) m，覆盖度为18%，下垫面为半固定沙地；对照地选择在地势开阔平坦、无植被影响的半固定、半流动沙地。

2.2 测点布设

行带式油蒿样地共布设了22个观测点。这22个观测点沿风向呈一条直线，垂直贯穿于5条油蒿带。随机分布样地内设了25个测点，各测点间距离均为7 m, 样地外布设了4个点，其中1点设在迎风方向距样方14 m处，做为对照，四周为空旷地。

2.3 风速测定

采用多点式自记风速仪(GB-228)分别测定了2块样地及对照地的风速。每个测点都选用50和20 cm两个测量高度。由于仪器数量有限，一次只能测8个点，必须轮换收集数据，即对照点为基准点(1点)每次都测量，其他点每7个为1组，依次进行轮换(Feng-Rui Li, et al., 2003; Mohammed et al., 1999)，例如第1轮测1、2、3、4、5、6、7、8共8个点，第二轮测1、9、10、11、12、13、14、15共8个点，以后以此类推。每2 s自动记录1个值，每轮测1 000个数据。

采用下式计算防风效果(朱廷曜等，2001)：

(1)

式中：E_xz为防风效果即群丛内x处、高度为z处的风速占旷野对照风速的百分数；u_oz为同一高度旷野的平均风速；u_xz为群丛内x处、高度为z处的平均风速。

采用下式计算固沙群丛内地表粗糙度(Z₀)：

(2)

式中：Z₀为地表粗糙度，Z₁为20 cm高度；Z₂为50 cm高度；u₁为高Z₁处的风速，u₂为高Z₂处的风速。

采用下式计算群丛内的摩阻速度(u_*)：

(3)

式中：u为高Z处的风速；K为卡门常数，数值为0.38~0.43，平均取0.4。

观测时间：2005-03-30—04-18与2006-03-30—04-18分别进行重复测量。

3 结果与分析 3.1 防风效果

从群丛内不同高度处的防风效果(表 1)可以看出：行带式油蒿群丛内50和20 cm高度降低风速的差异不大。50 cm高度比对照平均低34.61%，防风效果比随机分布高21.57%；20 cm高度比对照平均低32.09%，防风效果比随机分布高30.21%。随机分布的油蒿群丛50 cm高度处平均降低风速效果较显著，比对照低13.05%；20 cm高度次之，比对照低1.89%。

进一步分析发现：低风速时，行带式群丛50 cm高度防风效果低于20 cm高度；高风速时，50 cm高度防风效果高于20 cm高度。随着风速提高，随机分布群丛降低风速的效果均随风速增大而增加(图 1)。而行带式配置降低风速的效果基本保持平稳，变幅不大。在50 cm高度处，风速3~4 m·s^-1时，行带式群丛降低风速的效果比随机分布的高33.37%；4~5 m·s^-1时，高22.36%；5~6 m·s^-1时，高16.21%；6~7 m·s^-1时，高14.32%。

3.2 与对照风速的差异概率

在分析油蒿群丛内风速时，出现了群丛内风速大于旷野对照风速的现象，因此，我们把群丛内风速与对照风速的百分比分成 < 50%，50%~100%和>100%这3个区间，统计不同风速区段群丛内各观测点风速与对照风速的百分比分布在不同区间的概率，结果见表 2。

表 2结果表明：低覆盖度时，行带式配置的油蒿群丛内的平均风速总体比对照风速低，偶尔有少次观测结果超过对照风速，在50和20 cm两个高度，出现>100%，50%~100%和 < 50%这3个区间的平均概率分别为6.55%、66.67%和26.79%；而随机分布的油蒿群丛出现>100%，50%~100%和 < 50%这3个区间的平均概率分别为38.4%、45.99%和15.63%。

在50 cm高度处，行带式配置的油蒿群丛内相对风速稳定在50%~100%，有26.19%出现在 < 50%的区间，有5.95%超过旷野对照风速；而随机分布的油蒿群丛内有33.04%观测结果超过对照风速，有51.79%出现在50%~100%区间，行带式配置的油蒿群丛内超过旷野对照风速的比随机配置的低17.09%，出现50%~100%和 < 50%区间的分别比随机配置的高16.07%和11.01%，这说明行带式配置的防风效果显著高于随机配置的。而当高度降低到20 cm处时，行带式配置的群丛降低风速的效果稍有降低，其中超过对照风速的比50 cm高度上的高1.09%，出现在50%~100%区间的比50 cm高度上的低2.38%，出现在 < 50%区间的比50 cm高度上的高1.19%；但是，随机分布的林分超过旷野对照风速百分比的概率增到40.18%，同时，另有约16.08%的概率降到 < 50%区间，这反映出低覆盖度随机分布的疏林使群丛内风场复杂化，同时，降低了防风效果。

3.3 地表粗糙度及摩阻速度

利用公式(2)计算的不同对照风速条件下，行带式与随机分布的油蒿群丛内地表粗糙度统计结果见表 3。从表 3可以看出：低覆盖度时，随机配置油蒿群丛内地表粗糙度的变化范围是0~10.394 cm，而行带式配置油蒿群丛内地表粗糙度的变化范围是0.001~16.959 cm，从其变化范围来看，行带式配置的油蒿群丛内地表粗糙度高，而随机分布的油蒿群丛内地表粗糙度低。除去最大值和最小值后，行带式配置的油蒿群丛内地表粗糙度基本在4 cm左右，而随机配置的油蒿群丛内地表粗糙度基本是在1 cm左右，充分说明行带式配置的防风效果明显高于随机配置。

利用公式(3)计算的不同对照风速条件下，行带式与随机分布的油蒿群丛内摩阻速度统计结果见表 4。从表 4中可以看出：随机配置油蒿群丛内摩阻速度的变化范围是0.015~1.087 m·s^-1，而行带式配置油蒿群丛内摩阻速度的变化范围是0.091~0.777 m·s^-1，从其变化范围来看，行带式配置的油蒿群丛内摩阻速度变化稳定，而随机分布的油蒿固沙灌丛内摩阻速度变动范围大。除去最大值和最小值后，行带式配置的油蒿群丛内摩阻速度基本在0.4 m·s^-1左右，而随机配置的油蒿群丛内摩阻速度基本是在0.3 m·s^-1左右。

图 2和图 3分别反映了随机配置和行带式配置油蒿的平均摩阻速度与风速的关系。从图中可以看出，2种配置的摩阻速度均与风速具有显著的相关性，即随着风速增大摩阻速度提高。

3.4 风速流场特征

从图 4可看出行带式配置的地形对风速的影响不是很大，形成一个相对稳定规则的流场，在每条带后大致1.5H处有一风速减弱区，第3带后减弱最强烈。进一步分析，在50 cm高度上第1带至第4带后平均风速降低百分比分别是12.7%、41.63%、50.84%和60.12%；在20 cm高度上第1带至第4带后平均风速降低百分比分别是11.97%、39.68%、48.19%和56.07%。从这些数据可看出，20 cm高度上的平均风速降低百分比比50 cm高度上的低。而且，在50 cm高度上第2带后风速降低百分比较第1带增加了28.94%，第3带后较第2带增加了9.2%，第4带后较第3带增加了9.28%；在20 cm高度上第2带后较第1带增加了27.71%，第3带后较第2带增加了8.51%，第4带后较第3带增加了7.88%；说明多带组合时，防风效果的累加作用越来越不明显。

图 5(左)是随机样地的地形相对高程等值线图。图 5(中和右)分别是当对照20 cm高度上风速为6 m·s^-1时，随机分布油蒿群丛20和50 cm高度上的风速流场特征。从图中可看出2个高度上的风速流场特征基本一致，灌丛内的流场结构都非常复杂，整体上没有相对整齐、有规则的流场特征出现。进一步分析发现：在相对集中的灌丛后出现风影区，即背风侧形成一个风速显著降低区，而在灌丛两侧的空旷区，则有比较显著的风速抬升现象，成为风速加速区；在地形较低处形成风速降低区，在地形较高处形成风速加速区。整个模式内受灌丛或灌丛组合的分布特征以及地形的影响，而形成有多个风影区和风速加速区组合的非常复杂的流场结构。在50 cm高度上随机分布的样地内平均风速降低百分比是23.51%，在20 cm高度上随机样地内平均风速降低百分比是15.6%，总体上来说，20 cm高度上平均风速降低百分比较50 cm高度上低。

综上所述，在相同的低覆盖度的情况下，行带式配置的油蒿灌丛较随机配置的油蒿灌丛防风效果好(平均风速降低百分比高20.6%)。

4 结论与讨论

1) 在半干旱区沙地，当覆盖度很低时，人为改变灌丛的水平分布格局(改变随机分布为规则分布，同时减小株距，拉大行距，形成行带式配置)形成行带式配置后，不但能提高水分利用率和生产力(杨文斌等，2004)，而且能够显著提高低覆盖度植被的防风效果。

2) 低覆盖度时，随机分布的油蒿群丛内的风速从大于对照风速(38.4%)到小于对照的50%(15.63%)均有分布，地表粗糙度从0到10.394 cm，摩阻速度从0.015到1.087 m·s^-1，变化幅度均超过行带式配置的油蒿群丛。除去2个极值后，行带式配置的油蒿群丛内平均地表粗糙度是随机配置的4倍，平均摩阻速度是随机配置的1.3倍，说明随机分布的群丛对风速的阻碍和改变作用相对较差。

3) 行带式配置的油蒿群丛形成一个相对稳定规则的流场，在每条带后大致1.5H处有一风速减弱区，第3带后减弱最强烈。而随机分布的油蒿灌丛在灌丛风影区则可显著降低风速，在灌丛与灌丛之间形成的类似“狭管”流场的局部，有提升风速的作用；在地形较低处形成风速降低区，在地形较高处形成风速加速区，致使其流场结构复杂、变化多样，因此，随机分布的油蒿灌丛覆盖度低时，沙地会处于半固定、半流动状态，群丛会存在风蚀和积沙。

4) 行带式配置的油蒿群丛中，连续3带的完整行带组合具有防风效果的累加现象(朱廷曜等，2001)，在50 cm高度上第2带后较第1带增加了28.94%，第3带后较第2带增加了9.2%，第4带后较第3带增加了9.28%；在20 cm高度上第2带后较第1带增加了27.71%，第3带后较第2带增加了8.51%，第4带后较第3带增加了7.88%。