荒漠化是中国西北干旱、半干旱地区最为严重的自然灾难之一，对该地区生态安全构成威胁^[1]。一定覆盖度的植被能够有效地保护土壤表层，是防止荒漠化最有效、最生态的方法之一^[2-3]。当地表被植被所覆盖时，可以降低地表风速，从而阻拦沙子的迁移。在西北的干旱、半干旱地区的沙漠边沿构建防风林带，对防风阻沙工作有重大意义^[4]。

地表植被通过盖度、弹性和树冠的疏透性能等不同因素影响地表风速和沙流的迁移速率，其中树冠疏失度是极为重要的因素^[5]。树冠疏失度是指乔木和灌木的冠幅在外观形态上的丰满程度或者树冠叶子的茂盛情况；理想树冠(叶子茂盛)的疏失度通常为0％，完全枯萎的疏失度为100％。它是判断乔木和灌木疏失度大小与长势优劣的一个重要指标，20世纪末在德国丛林健康探测领域就开始被引用^[6]。树冠疏失度通过3-4个人肉眼观察而判断的，5％为最小取值单位，其数值一般为5％ 、 10％ 、 15％ 、 20% 、 25%等，疏失度越大说明植被的长势越差，反之疏失度越小说明树体长势越好，越茂盛^[7]。

20世纪50年代以来，由于人类对水资源和土地的不合理开发和利用，导致塔里木河下游天然荒漠植被因水资源的贫乏而大量枯死。虽然枯死的植被仍有一定的防风固沙作用，但远远不如活体植被^[8]。植被的大面积枯萎导致塔里木河下游沙(荒)漠化，造成塔里木河下游沙漠化进度加速、 “绿色长城”逐步萎缩、生物多样性急降和消失、生态环境日渐恶劣，沙尘天气经常发生，尤其在春季，严重影响了当地居民的正常生产和其他日常活动，妨碍了当地社会和经济发展^[9-10]。在这种背景下，诸多学者为有效防止塔里木河下游植被继续退化，对具有防风阻沙功能的植被类型进行探究^[11-19]，但单株植物对防风阻沙功能方面的研究较少。植被的防风阻沙作用取决于个体的多种指标，比如树冠冠幅及疏失度、 、树高、胸径、枝下高、郁闭度等。通过研究塔里木河下游主要天然荒漠植被周围风速和输沙量的变化，分析单株胡杨和3种灌丛的防风阻沙效应，以期为保护和建设防风林提供理论依据。

研究区位于新疆塔里木河下游大西海子水库到台特玛湖之间若羌县的阿拉干村，北纬40°08′50″，东经88°21′28″，东侧为库鲁克沙漠，西侧为塔克拉玛干沙漠。生长在塔里木河下游冲积平原上的荒漠天然植被——胡杨(Populus euphratica Oliv.)林、灌丛林以及多种多年生草本一起形成了“绿色走廊” ^[20]，代表植物主要有胡杨、沙枣(Elaeagnus angustifolia L.) 、多枝柽柳(Tamarix ramosissima Ledeb) 、黑刺(Lycium ruthenicum Murr.) 、铃铛刺[Halimodendron halodendron (Pall.) Vos] 、盐节木[Halocnemum strobiaceum (Pall.) Bieb.] 、盐穗木[Halostachys caspica (Bieb.) C. A. Mey.] 、骆驼刺(Alhagi pseudoalhagi Shap.) 、花花柴[Karelinia caspica (Pall.) Less] 、芦苇[Phragmites communis (Cav.) Trin. ex Steud.] 、胀果甘草(Glycyrrhiza uralensis Batalin.) 、罗布麻(Apocynum venetum L.) 、沙地旋覆花[Inula salsoloides (Turcz.) Ostrnf.] 、蒲公英(Taraxacum mongolicum Hand.) 、河西菊[Hexinia polydichotoma (Ostenf.) H. L. Yang] 、苦马豆[Sphaerophysa salsula (Pall.) Taub] 、水葱(Scirpus validus Vahl.)以及鹅绒藤(Cynanchum sibiricum R. Br.)等，构成了以乔、灌、草本植被连群成片分布的荒漠河岸林植被景观^[21]。

2015年4月15日至5月5日，在塔里木河下游阿拉干断面进行了乔灌木单株防风阻沙效应的野外观测实验。研究区春季主要风向是西南—南风向，植被在冲积平原上分布得较松散，故在单株尺度上进行观测。胡杨是塔里木河下游荒漠河岸林的建群种，也是最常见的乔木树种；多枝柽柳、黑刺和铃铛刺是当地主要灌丛类型。野外调查中选择2棵胡杨(A1 、 A2) 、 2丛多枝柽柳包(B1 、 B2) 、 2丛铃铛刺(C1 、 C2)和2丛黑刺(D1 、 D2)进行风速和集沙的观测，分析单株植物对风速和输沙量的影响，植株个体特征及周围的地形条件如表 1所示。

树冠疏失度是评定植被长势好坏的指标。把理想形态的树冠疏失度视为0%，树冠疏失度中上等为11%-25%，中等为26%-50%，衰弱木为51%-75%，濒死木为76%-99%，完全枯萎的为100％^[22]。判定树冠疏失度主观性较强，所以在野外目测疏失度时，测定人员数必须大于等于2人，根据多人的判定值，对比得出最后平均疏失度^[23]。

单株周围风速的观测：采用GM 816型风速仪测定单个灌丛周围风速。把风速仪稳定在单个灌丛迎风面水平距离2倍树高(tree high，TH) 、 1TH处，背风面1TH 、 2TH 、 3TH 、 4TH处，以及垂直于风向的植株南北两侧100 cm处测定单株周围风速。测定时间设为每次1 min，测定30次，共有30组数据。单株植被周围输沙量的测定：集沙仪的布设与风速的测定同步进行，安装在单株迎风面2TH 、 1TH处，背风面1TH 、 2TH处，以及侧面1TH处设置集沙仪收集地表的沙量，采集时间30 min。通过计算各观测点单位时间内的输沙量来分析单个灌丛周围的风速和输沙量变化情况。

从图 1可以看出，胡杨周围风速没有明显差别。从图 2-图 4可以看出，灌丛两侧的风速大于迎风面的风速，背风面的风速有一定程度衰减，但是衰减程度随植物种类和疏失度不同而不同，背风面的风速到一定距离后恢复原来的风速。

A1疏失度小，树冠长势旺盛；A2的疏失度大，长势较差；A1减弱风速和阻沙效应比A2好(图 1)。B1的树冠茂盛而紧密，迎风面1TH处风速为7.7 m · s^-1(图 2)，气流到多枝柽柳迎风面大部分被迫上升而形成高速区，一小部分在灌丛前形成涡旋而在灌丛迎风面近处形成坑。气流到达背风面1TH处时，又形成涡旋而快速减速，风速从7.7 m · s^-1衰减为2.7 m · s^-1，形成静区，在背风面2TH处风速开始上升，到了4TH处恢复到迎风面风速(7.5 m · s^-1)，该区即恢复区^[11]。两侧的风速均大于迎风面，两侧1TH处与2TH处没有明显区别。气流到达多枝柽柳B2背风面1TH时，风速从7.8 m · s^-1衰减为4 m · s^-1，衰减的幅度小于多枝柽柳B1，原因是疏失度越大，气流穿过灌丛时所消耗的能量就越少，因此速度衰减也较少；侧面的风速变化幅度不如多枝柽柳B1明显，这说明冠幅越大，树木侧面的风速衰减越明显。

	图 1 胡杨周围风速变化 Fig. 1 Curve of wind velocity around Populus euphratica
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	图 2 多枝柽柳灌丛周围风速变化 Fig. 2 Curve of wind velocity around Tamarix ramosissima
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与C2相比，C1的冠幅不大，疏失度较小，气流穿过灌丛时受到阻挡和摩擦作用，在流动过程中所消耗的能量较大，风速衰减较明显(图 3)。黑刺D1与D2的形态结构上也有差别，D1的长势较D2好。由图 4可知，黑刺灌丛迎风面由于气流受阻，形成一个减速区，迎风面2TH处风速大于迎风面1TH处；两侧1TH处的风速大于迎风面1TH 、 2TH处风速；气流到达灌丛顶部和两侧时风速增加，形成一个加速区，到达背风面因涡旋作用而减速。远离灌丛后，风速逐渐恢复而形成尾流区，但是在背风面风速较慢恢复。

	图 3 铃铛刺灌丛周围风速变化 Fig. 3 Curve of wind velocity around Halimodendron halodendron
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	图 4 黑刺灌丛周围风速变化 Fig. 4 Curve of wind velocity around Lycium ruthenicum
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从图 5可以看出，4种植物减少周围风速效应的大小。这些植被降低风速的效益大小依次为B1 > A1 > B2 > C1 > D1 > C2 > D2 > A2。这主要由灌丛的疏失度和冠幅大小决定的。

	图 5 不同灌丛背风面风速变化 Fig. 5 Curve of the decrease of leeward wind velocity on different shrubs
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以多枝柽柳B1和B2为例说明单个灌丛周围的输沙量变化(图 6)，灌丛侧面1TH的输沙量最大，背风面1TH处的输沙量最小，迎风面2TH处输沙量大于迎风面1TH处。这与各个观测点的风速变化是相同的，符合风速越大输沙量就越大的规律。铃铛刺和黑刺的输沙量实验结果与多枝柽柳的基本一致。

	图 6 同样的时间和风速下多枝柽柳B1和B2的输沙量 Fig. 6 Sand transporting quantity around Tamarix ramosissima B1 and B2 in the same time and same velocity
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气流通过灌丛时因受阻(迎风面1TH处)，风速衰减，输沙量下降，卸载一部分沙粒因背风面(1TH)风速降低而沉积小部分，则输沙量很小；而在两侧因风速增大，输沙量也增大，容易出现风蚀，因此灌丛前后沙粒堆积，两侧出现风蚀。但一般风向是多变的，所以很容易形成灌丛沙丘。

单株灌丛冠幅的疏失度大小对气流的影响很大，有一定疏失度的单株对防风阻沙有所帮助，可以避免在迎风面多数回旋，紧密的结构可以在迎风面形成较大的湍流。有一定冠幅疏失度灌丛衰减地表风速和防止输沙量效益比紧密结构(疏失度为0)的单个灌丛效果更明显。当沙粒飞到灌丛迎风面近处，风速很快就下降；当飞沙穿过灌丛时，风速继续降低，沙粒慢慢沉积，在灌丛背风面形成沙舌。如主导风向长期不变，沉积物就逐渐增大形成沙丘。这些沙丘随着时间推移不断变大，并提高灌丛的存活率和发育，这使沙丘由流动向半固定、固定状态转化。天然荒漠植被是通过若干单株灌丛的聚集效应而加强了其固沙作用，并增强了对流动沙丘的控制。

不同疏失度植被的防风效应的观测结果表明：胡杨作为乔木对地表风速和输沙量的防阻作用不明显，多枝柽柳、铃铛刺和黑刺灌丛对地表风速和输沙量的影响较明显。它们降低风速的效益大小依次为B1 > A1 > B2 > C1 > D1 > C2 > D2 > A2。这可能与它们树冠的疏失度、株高以及冠幅的大小有密切的关系，对于灌丛疏失度、株高以及冠幅越大，地表风速变化越明显；灌丛对地表风速的影响比胡杨大。此外，灌丛对地表的覆盖度比较紧密，近地处枝叶较密集；而胡杨乔木由于其枝下高离地面有一定的高度，对于地表的盖度和防护作用相对较差。

从阻沙效果来看，相对乔木而言，灌木植被对地表的防护作用较高。根据灌木的这种优势，可以在干旱、半干旱地区适量发展^[24-27]。而乔木对水的要求较高，因此继续发展有一定的难度。灌丛的迎风面1TH处存在一个减速区，灌丛顶部以及两侧为加速区，背风面存在一个静区和尾流区。灌丛侧面的输沙量最大，背风面1TH处的输沙量最小，迎风面2TH处输沙量大于迎风面1TH处的输沙量，这与各点的风速变化是一致的。在干旱区想要获得一个有效的防风阻沙效果，要针对当地多年生灌木和小灌木对地面覆盖特性，重视当地灌木的建设，以有效控制沙源，使防风阻沙实践获得有效和理想的效果。