第二章風(fēng)蝕荒漠化與防治第一節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的風(fēng)沙物理學(xué)原理風(fēng)蝕荒漠化是以風(fēng)力為主要侵蝕營(yíng)力造成的土地退化。其主要是指在干旱多風(fēng)的沙質(zhì)地表?xiàng)l件下，由于人為過(guò)度活動(dòng)的影響，在風(fēng)力侵蝕作用下，使土壤及細(xì)小顆粒被剝離、搬運(yùn)、沉積、磨蝕，造成地表出現(xiàn)風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的土地退化。風(fēng)力侵蝕結(jié)果常常形成風(fēng)蝕劣地、粗化地表、片狀流沙堆積，以及沙丘的形成和發(fā)展。在陸地上到處都有風(fēng)和土，但并不是任何地方都會(huì)發(fā)生風(fēng)蝕，因而也不是任何地方都發(fā)生和存在風(fēng)蝕荒漠化土地。嚴(yán)重的風(fēng)蝕必須具備２個(gè)基本條件，即：一是要有強(qiáng)大的風(fēng)；二是要有干燥、松散的土壤。因而風(fēng)蝕主要發(fā)生在蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量的干旱、半干旱地區(qū)及有海岸、河流沙普遍存在的、受季節(jié)性干旱影響的亞濕潤(rùn)干旱區(qū)。1.1風(fēng)力侵蝕作用1.1.1沙粒的起動(dòng)(1)風(fēng)是沙粒運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力，氣流對(duì)沙粒的作用力為：式中P—風(fēng)的作用力；C—與沙粒形狀有關(guān)的作用系數(shù)；ρ—空氣密度；V—?dú)饬魉俣?；A—沙粒迎風(fēng)面面積。由上式可見，隨風(fēng)速增大，風(fēng)的作用力增大。當(dāng)風(fēng)速作用力大于沙粒慣性力時(shí)，沙粒即被起動(dòng)，使沙粒沿地表開始運(yùn)動(dòng)所必需的最小風(fēng)速稱為起動(dòng)風(fēng)速（或臨界風(fēng)速）。一切大于臨界風(fēng)速的風(fēng)都是起沙風(fēng)。(2)拜格諾根據(jù)風(fēng)和水的起沙原理相似性及風(fēng)速隨高程分布的規(guī)律，得出起動(dòng)風(fēng)速理論公式，其表達(dá)式為：式中Vt—任意點(diǎn)高度處的起動(dòng)風(fēng)速值；A—風(fēng)力作用系數(shù)；ρs、ρ—分別為沙粒和空氣的密度；d—沙粒粒徑；y—任意點(diǎn)高程；k—粗糙度。起動(dòng)風(fēng)速的大小與沙粒的粒徑大小、沙層表土濕度狀況及地面粗糙度等有關(guān)。一般沙粒愈大，沙層表土愈濕，地面越粗糙，植被覆蓋度越大，起動(dòng)風(fēng)速也愈大。在一定粒徑范圍內(nèi)，隨粒徑增大，起動(dòng)風(fēng)速也增大。起沙風(fēng)速與粒徑平方根成正比。但對(duì)特別大和特別細(xì)的粒徑（受附面層的掩護(hù)和表面吸附水膜的粘著力的作用）都不易起動(dòng)。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，粒徑約為0.015～0.5mm時(shí)，0.1mm左右的沙粒最容易起動(dòng)。地表土壤含水狀況對(duì)起動(dòng)風(fēng)速也有明顯的影響。在沙粒粒徑相同時(shí)，濕度越大，由于受表面吸附水膜黏著力的影響，沙子黏滯性和團(tuán)聚作用增強(qiáng)，起動(dòng)風(fēng)速也相應(yīng)增大。不同的地表狀況因其粗糙度不同，對(duì)風(fēng)的擾動(dòng)作用也不同，相應(yīng)的起動(dòng)風(fēng)速也不相同。地面越粗糙，起動(dòng)風(fēng)速越大。1.1.2風(fēng)力作用過(guò)程風(fēng)力作用過(guò)程包括風(fēng)對(duì)土壤物質(zhì)的分離、搬運(yùn)和沉積3個(gè)過(guò)程。(1)風(fēng)力侵蝕作用風(fēng)力侵蝕作用包括吹蝕和磨蝕2種方式。風(fēng)的侵蝕能力是摩阻流速的函數(shù)，可用下式表示：式中D為侵蝕動(dòng)力,v。為蝕床面上的摩阻流速。地表附近風(fēng)速梯度較大，使凸出于氣流中的顆粒受到較強(qiáng)的風(fēng)力作用。顆粒越大，凸出于氣流中的高度越高，受到風(fēng)的作用力也越大，然而，這些顆粒由于質(zhì)量較大，需要更大的風(fēng)力才能被分離。能夠被風(fēng)移動(dòng)的最大顆粒粒徑，取決于顆粒垂直于風(fēng)向的切面面積及本身的質(zhì)量。粒徑為0.05～0.5mm的顆粒都可以被風(fēng)分離，以躍移形式運(yùn)動(dòng)，其中粒徑為0.1～0.15mm的顆粒最易被分離侵蝕。風(fēng)沙流中躍移的顆粒，增加了風(fēng)對(duì)土壤顆粒的侵蝕力。因?yàn)檫@些顆粒不僅將易蝕的土壤顆粒從土壤中分離出來(lái)，而且還通過(guò)磨蝕，將那些小顆粒從難蝕或粗大的顆粒上分離下來(lái)帶入氣流。磨蝕強(qiáng)度用單位質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)顆粒從被蝕物上磨掉的物質(zhì)量來(lái)表示。對(duì)于一定的沙粒與被蝕物，磨蝕強(qiáng)度是沙粒的運(yùn)動(dòng)速度、粒徑及入射角的函數(shù)。研究表明：沙質(zhì)磨蝕物比土質(zhì)磨蝕物的磨蝕強(qiáng)度大；磨蝕度隨磨蝕物顆粒速度Vp按冪函數(shù)增加，冪值變化范圍為1.5～2.3；隨著被蝕物穩(wěn)定度Sa增加，磨蝕度W非線性減小。入射角α為10°～30°時(shí)，磨蝕度最大；當(dāng)磨蝕物顆粒平均直徑由0.125mm增加到0.175mm時(shí)，磨蝕度只有輕微的增加。風(fēng)對(duì)土壤顆粒成團(tuán)聚體的侵蝕過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，特別是當(dāng)氣流中挾帶了沙粒而形成風(fēng)沙流后，侵蝕更復(fù)雜。(2)風(fēng)力搬運(yùn)作用當(dāng)風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)力作用下，土壤和沙粒物質(zhì)隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式有懸移、躍移、蠕移多種形式，運(yùn)動(dòng)方式主要取決于風(fēng)力強(qiáng)弱和搬運(yùn)顆粒粒徑大小。在一定條件下，風(fēng)的搬動(dòng)能力主要取決于風(fēng)速，與被搬物質(zhì)的粒徑關(guān)系不密切。切皮爾研究了懸移質(zhì)、躍移質(zhì)和蠕移質(zhì)的搬運(yùn)比例，不同土壤中團(tuán)聚體及顆粒的大小有不同搬運(yùn)比例，而與風(fēng)速無(wú)關(guān)。在團(tuán)聚良好的土壤上，無(wú)論其結(jié)構(gòu)很粗或很細(xì)，懸移質(zhì)都很少而蠕移質(zhì)較多；在粉沙土和細(xì)沙土上懸移搬運(yùn)相對(duì)增多。對(duì)各種土壤，躍移質(zhì)搬運(yùn)總是大于蠕移質(zhì)和懸移質(zhì)。3種搬運(yùn)方式的土壤顆粒所占比例大約為懸移質(zhì)占3%～38%，躍移質(zhì)占55%～72%，蠕移質(zhì)占7%～25%。而自然界影響風(fēng)搬運(yùn)能力的因素十分復(fù)雜，它不僅取決于風(fēng)力的大小，還受沙粒的粒徑、形狀、比重、濕潤(rùn)程度、地表狀況和空氣穩(wěn)定度等影響。因此我國(guó)研究了新疆莎車一帶近10cm高度內(nèi)輸沙量與2米高度的風(fēng)速關(guān)系，為：式中Q—輸沙率[g/(cm·min)]；V—風(fēng)速(m/s)(3)風(fēng)力沉積作用土壤顆粒被風(fēng)搬運(yùn)的距離取決于風(fēng)速大小、土壤顆粒或團(tuán)聚體的粒徑和重量，以及地表狀況。(a)沉降堆積當(dāng)風(fēng)速減弱，使紊流漩渦的垂直分速小于重力產(chǎn)生的沉速時(shí)，在氣流中懸浮運(yùn)行的沙粒就要降落堆積在地表，稱為沉降堆積。沙粒沉速隨粒徑增大而增大（表2-1和圖2-1）。表2-1沙粒直徑與沉速的關(guān)系砂粒直徑(mm)0.010.020.050.060.100.202.0塵速(cm/s)2.85.516.050.0167.0250.0500.0圖2-1空中沙粒自由沉降(２)遇阻堆積風(fēng)沙流運(yùn)行時(shí)，遇到障阻使沙粒堆積起來(lái)，稱遇阻堆積。風(fēng)沙流因遇障阻發(fā)生減慢，而把部分沙粒卸積下來(lái)；也可能全部（或部分）越過(guò)和繞過(guò)障礙物繼續(xù)前進(jìn)，在障礙物的背風(fēng)坡形成渦流（圖2-2）。圖2-2遇阻堆積當(dāng)風(fēng)沙流在運(yùn)行過(guò)程中，遇到了濕潤(rùn)或較冷的氣流會(huì)被迫上升，這時(shí)部分沙粒不能隨氣流上升而沉積下來(lái)。兩股風(fēng)沙流相遇，即或在風(fēng)向幾乎平行的條件下，也會(huì)發(fā)生干擾，降低風(fēng)速，減小輸沙的能力，從而使部分懸浮的沙粒降落下來(lái)。在風(fēng)沙流經(jīng)常發(fā)生的地區(qū)，粒徑小于0.05mm高的大氣層中，遇到冷濕氣團(tuán)時(shí)，粉粒和塵土成為雨滴的凝結(jié)核隨降雨大量沉降，成為氣象學(xué)上的塵暴或降塵現(xiàn)象。從搬運(yùn)方式來(lái)看，蠕移質(zhì)搬運(yùn)距離很近，若被磨蝕作用崩解成細(xì)小顆粒，可轉(zhuǎn)化成懸移和躍移方式。躍移質(zhì)多沉積在被蝕地塊的附近，在灌叢、土埂的背后堆成沙壟。沙丘沙中的粗粒堆積于沙丘迎風(fēng)坡，細(xì)粒沉積在背風(fēng)坡。懸移質(zhì)及受打擊崩解而進(jìn)入氣流中的懸浮顆粒，搬運(yùn)距離最長(zhǎng)。這部分顆粒數(shù)量雖少，但多是含有大量土壤養(yǎng)分的黏粒及腐殖質(zhì)。1.1.3影響風(fēng)蝕的因素風(fēng)蝕作用的大小、強(qiáng)弱除與風(fēng)力有關(guān)外，還受土壤抗蝕性、地形、降水、地表狀況等因素影響。(1)土壤抗蝕性土壤抵抗風(fēng)蝕的性能主要取決于土粒質(zhì)量及土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等。風(fēng)力作用時(shí)，受作用力的單個(gè)土壤顆粒（團(tuán)聚體或土塊）的質(zhì)量（或大?。┳銐虼?，不能被風(fēng)力吹移、搬運(yùn)；若顆粒質(zhì)量很小，極易被風(fēng)吹移。因之，常把粗大的顆粒稱為抗蝕性顆粒，把輕細(xì)的顆粒稱為易蝕性顆粒?？刮g性顆粒不僅不易被風(fēng)吹移，還能保護(hù)風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)的易蝕性顆粒不被移動(dòng)。由此可見，土壤中抗蝕性顆粒的含量多少，能夠表示土壤抗蝕性強(qiáng)弱。在持續(xù)風(fēng)力的作用下，任何表面相對(duì)平滑的地表都會(huì)隨風(fēng)蝕過(guò)程而變得粗糙不平。這是因?yàn)榭刮g性顆粒不僅難以起動(dòng)，而且保護(hù)下邊的顆粒免受風(fēng)蝕，阻礙了風(fēng)蝕的發(fā)展，只有那些易蝕性顆粒隨風(fēng)搬遷，使風(fēng)蝕得以繼續(xù)，從而造成地表細(xì)微起伏?？刮g性顆粒的機(jī)械穩(wěn)定性，影響風(fēng)蝕的進(jìn)一步發(fā)展。若抗蝕性顆粒（或團(tuán)聚體）形狀大（或成復(fù)粒），在風(fēng)沙流的沖擊和磨蝕作用下，僅被分離成較大的顆粒或不易分離，表示顆粒穩(wěn)定性高；相反，易分離的顆粒穩(wěn)定性差。顆粒穩(wěn)定性與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。在不同質(zhì)地的土壤中，沙土和黏土是最易被風(fēng)蝕的土壤。因?yàn)?，質(zhì)地較粗的沙土中缺少黏粒物質(zhì)，不能將沙粒膠結(jié)成有結(jié)構(gòu)的土壤；黏土易于形成團(tuán)聚體和土塊，但穩(wěn)定性很差，特別是凍融作用和干濕交替而使其破碎。切皮爾的分析表明，當(dāng)土壤中黏粒含量約在27%時(shí)，最有利于抗風(fēng)蝕性團(tuán)聚體或土塊的形成；小于15%時(shí)，很難形成抗風(fēng)蝕的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。極粗沙和礫石很難被風(fēng)所移動(dòng)，有助于提高土壤的抗蝕性。我國(guó)干旱區(qū)風(fēng)成沙的粒度成分，以細(xì)砂（0.25～0.10mm）為主，其次為極細(xì)砂和中砂，粉砂含量不多，粗砂最少。半干旱風(fēng)沙區(qū)，受風(fēng)沙的侵蝕和埋壓，地帶性土壤發(fā)育很弱，且與風(fēng)成沙相間分布，毛烏素沙區(qū)各地帶性土壤的粒度表明，表層土壤中黏粒含量均在10%以下。這樣的土壤質(zhì)地很難形成抗風(fēng)蝕的結(jié)構(gòu)單位，因而造成干旱、半干旱風(fēng)沙區(qū)土壤極易被吹蝕的特點(diǎn)。土壤有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并提高其穩(wěn)定性，不利于風(fēng)蝕發(fā)展，因而，在生產(chǎn)中常通過(guò)增施有機(jī)肥及植物秸桿來(lái)改良土壤結(jié)構(gòu)，提高抗蝕能力。(2)地表土壟由耕作過(guò)程形成的地表土壟，能夠通過(guò)降低地表風(fēng)速和攔截運(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒來(lái)減慢土壤風(fēng)蝕。阿姆拉斯特等研究了不同高度土壟的作用得出：當(dāng)土壟邊坡比為1：4、高5～10cm時(shí)，減緩風(fēng)蝕的效果最好；低于這個(gè)高度的土壟在降低風(fēng)速和攔截過(guò)境土壤物質(zhì)方面，效果不明顯；當(dāng)土壟高度大于10cm時(shí)，在其頂部產(chǎn)生較多的渦旋，摩阻流速增大，從而加劇了風(fēng)蝕的發(fā)展。(3)降雨降雨使表層土壤濕潤(rùn)而不能被風(fēng)吹蝕。切皮爾在美國(guó)大平原地區(qū)的研究表明，當(dāng)?shù)?5cm高處風(fēng)速為8.9～14.3m/s、表層土壤實(shí)際含水量相當(dāng)于水分張力在1520Pa時(shí)土壤含水量倍的狀態(tài)下，風(fēng)蝕可能發(fā)生。降雨還通過(guò)促進(jìn)植物生長(zhǎng)間接地減少風(fēng)蝕。特別是在干旱地區(qū)，這種作用更加明顯。由于植物覆蓋是控制風(fēng)蝕最有效的途徑之一，作物對(duì)降雨的這種反應(yīng)也就顯得特別重要。降雨還有促進(jìn)風(fēng)蝕的一面。原因是雨滴的打擊破壞了地表抗蝕性土塊和團(tuán)聚體，并使地面變平坦，從而提高了土壤的可蝕性。一旦表層土壤變干，將會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的風(fēng)蝕。(4)土丘坡度對(duì)于短而較陡的坡，坡頂處風(fēng)的流線密集，風(fēng)速梯度變大，使高風(fēng)速層更貼近地面。這就使坡頂部的摩阻流速比其他部位都大，風(fēng)蝕程度也較嚴(yán)重。表2-2為切皮爾計(jì)算出的不同坡度土丘頂部及坡上部相對(duì)于平坦地面的風(fēng)蝕量.表2-2坡面上相對(duì)平坦的封面的風(fēng)蝕量坡度（%）相對(duì)風(fēng)蝕量坡度（%）相對(duì)風(fēng)蝕量坡頂坡上部坡頂坡上部0～1.5（平坦）1001006.03202303.015013010.0660370(5)裸露地塊長(zhǎng)度風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度隨被侵蝕地塊長(zhǎng)度而增加，在寬闊無(wú)防護(hù)的地塊上，靠近上風(fēng)的地塊邊緣，風(fēng)開始將土壤顆粒吹起并帶入氣流中，接著吹過(guò)全地塊，所攜帶的吹蝕物質(zhì)也逐漸增多，直到飽和。把風(fēng)開始發(fā)生吹蝕至風(fēng)沙流達(dá)到飽和需要經(jīng)過(guò)的距離稱飽和路徑長(zhǎng)度。對(duì)于一定的風(fēng)力，它的挾沙能力是一定的。當(dāng)風(fēng)沙流達(dá)到飽和后，還可能將土壤物質(zhì)吹起帶入氣流，但同時(shí)也會(huì)有大約相等重量的土壤物質(zhì)從風(fēng)沙流中沉積下來(lái)。盡管一定的風(fēng)力所攜帶的土壤物質(zhì)的總量是一定的，但飽和路徑長(zhǎng)度隨土壤可蝕性的不同而不同。土壤可蝕性越高（抗蝕性越低），則飽和路徑長(zhǎng)度越短。切皮爾和伍德拉夫的觀測(cè)表明，當(dāng)距地面10m高處風(fēng)速約18m/s時(shí)，對(duì)于無(wú)結(jié)構(gòu)的細(xì)沙土，飽和路徑長(zhǎng)度約50m，而對(duì)結(jié)構(gòu)體較多的中壤土，則在1500m以上。若風(fēng)沙流由可蝕區(qū)域進(jìn)入受保護(hù)的地面時(shí)，蠕移質(zhì)和躍移質(zhì)會(huì)沉積下來(lái)，而懸移質(zhì)仍可能隨風(fēng)飄移；風(fēng)沙流再進(jìn)入另一可蝕性區(qū)域時(shí)，又會(huì)有風(fēng)蝕發(fā)生。(6)植被覆蓋增加地面植被覆蓋（生長(zhǎng)的作物或作物殘?bào)w），是降低風(fēng)的侵蝕性最有效的途徑。植被的保護(hù)作用與植物種類（決定覆蓋度和覆蓋季節(jié)）、植物個(gè)體形狀和群體結(jié)構(gòu)、行的走向等有關(guān)。高而密的作物殘茬，其保護(hù)作用常與生長(zhǎng)的作物相同。地面全部為生長(zhǎng)的植物覆蓋時(shí)，地面所受的保護(hù)作用最大；單獨(dú)的植物個(gè)體或與風(fēng)向垂直的作物也能顯著地降低風(fēng)速，減少風(fēng)蝕。因之，在植物周圍和風(fēng)障前后，?？梢娡寥牢镔|(zhì)的堆積現(xiàn)象。因而，風(fēng)障及防風(fēng)林帶降低風(fēng)速的作用與其高度及孔隙度（疏透度）有關(guān)。1.2風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.2.1風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征風(fēng)沙流是指含有沙粒的運(yùn)動(dòng)氣流。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒在風(fēng)的作用下，隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)沙流。風(fēng)沙流是風(fēng)對(duì)沙輸移的外在表現(xiàn)形式。氣流中搬運(yùn)的沙量在搬運(yùn)層內(nèi)隨高度的分布狀況稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度與沙的輸移和沉積直接相關(guān)。(1)沙粒粒徑隨高度的分布特征風(fēng)沙流中不同高度分布的粒徑大小不同。一般離地表愈高，細(xì)粒愈多，主要為懸移；愈近地表粗粒愈多，主要是躍移和蠕移。風(fēng)沙流中沙粒大小隨高度的分布如圖2-3和表2-3所示。表2-3風(fēng)沙流中沙粒粒徑隨高度的分布特征高度（cm）粒徑%高度（cm）粒徑%>0.1mm<0.1mm>0.1mm<0.1mm120.9679.0467.9292.08218.2581.7574.4995.51312.8087.2082.1997.81410.5589.4592.0297.9858.7291.28101.7598.25圖2-3風(fēng)沙動(dòng)力3種基本形式含沙量隨高度的分布特征由于沙粒粒徑和運(yùn)動(dòng)方式的差異，造成了氣流中的含沙量在距地表不同高度的密度不同，含沙量隨高度迅速遞減，在較高氣流層中搬運(yùn)的沙量少，而貼地面含沙量大。大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，絕大部分沙粒（約90%）都在離地表30㎝以下，特別集中在10㎝以下。如下表。表2-4不同高度風(fēng)沙流中含沙量的分布高度（cm）0～1010～2020～3030～4040～5050～6060～70沙量（%）79.3212.34.791.500.950.400.74(3)含沙量隨風(fēng)速變化風(fēng)沙流中含沙量不僅隨高度變化，也隨風(fēng)速變化，當(dāng)風(fēng)速顯著超過(guò)起動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)沙流中的含沙量急劇增加（表2-5）它們之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系：式中S為絕對(duì)含砂量；v為風(fēng)速；e為常數(shù)（e=2.718）。表2-5新疆莎車風(fēng)速與含沙量的關(guān)系離地面2m高處風(fēng)速4.55.56.57.413.215.00~10cm高度的含沙量[g/(cm·min)]0.371.041.202.2719.4435.58隨風(fēng)速變化，在近地表10㎝內(nèi)的含沙量分布也不是均勻的。含沙量隨高度迅速遞減，而且高度與輸沙量（百分比值）對(duì)數(shù)尺度之間呈線性關(guān)系（圖2-4）。同一粒徑沙粒組成的地表上，無(wú)論風(fēng)速大小，近地表氣流中總有一層（2～3㎝處）的含沙量是相對(duì)穩(wěn)定的（約占15%～20%），隨著風(fēng)速增大，下層氣流中的沙量（%）相對(duì)減少，上層沙量（%）相對(duì)增加，但由于輸沙總量隨風(fēng)速增大而增大，所以上下層絕對(duì)含沙量都增加（表2-6）。圖2-4不同風(fēng)速下含沙量與高度的關(guān)系為了反映上述風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，前蘇聯(lián)學(xué)者茲納門斯基提出用結(jié)構(gòu)數(shù)S表征，其表達(dá)式為：式中Qmax為氣流中0～1cm層內(nèi)的最大含沙量,EQ—?dú)饬髦?～10cm內(nèi)每1cm的平均含沙量。隨S增大，表明近地面風(fēng)沙流的含沙量所占比例增加。當(dāng)值增大到某一值時(shí)，近地面的含沙量會(huì)達(dá)到飽和，這時(shí)將有部分沙粒脫離氣流而沉積下來(lái)。因此S值就成為判別風(fēng)蝕發(fā)展趨勢(shì)的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)各種粗糙表面（黏土、細(xì)粒、粗粒），在正常搬運(yùn)情況下（非堆積搬運(yùn)），S的平均值為2.6；當(dāng)有部分沙粒出現(xiàn)下落堆積時(shí)，S的平均值為3.8。我國(guó)一些學(xué)者觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在0～10cm層的高度范圍內(nèi)，1～2cm層的沙量在各種風(fēng)速下保持在20%左右，在該層以上和以下兩層中的沙量各占約40%，據(jù)此吳正等人提出以風(fēng)沙流中0～1cm和2～10cm兩層沙量的比值（特征值λ）來(lái)判斷風(fēng)沙流的飽和程度，反映沙子的吹蝕、搬運(yùn)和堆積的關(guān)系。特征值λ表達(dá)式為：式中Q2～10為2～10cm層內(nèi)的沙量；Q0～1為0～1cm層內(nèi)沙量。表2-6不同風(fēng)速下不同高度層含沙量的平均百分?jǐn)?shù)高度（cm）風(fēng)洞軸部氣流速度（cm/s）21354657100.961.651.671.8791.302.102.162.4981.782.652.553.1672.383.523.564.1563.364.524.855.4054.846.116.887.5947.708.889.709.45312.1412.9513.7013.20220.9620.1821.2119.96144.5837.4433.7332.73當(dāng)λ=1時(shí)，表示由地面進(jìn)入風(fēng)沙流中的沙量與從風(fēng)沙流中落回地面的沙量基本相等，表現(xiàn)為風(fēng)沙流對(duì)地面的吹蝕量和堆積量相等，因而地面呈現(xiàn)無(wú)風(fēng)也無(wú)堆積狀態(tài)；當(dāng)λ<1時(shí)，下層沙量增加，風(fēng)沙流為飽和狀態(tài)，因氣流能量消耗使從風(fēng)沙流中落回地面的沙量大于地面吹蝕進(jìn)入風(fēng)沙流中的沙量，形成沙的堆積；當(dāng)λ>1時(shí)，下層沙量減少，風(fēng)沙流為不飽和狀態(tài)，氣流還有能力攜帶更多的沙量，表現(xiàn)為風(fēng)沙流對(duì)地面的繼續(xù)吹蝕。S和λ2個(gè)指標(biāo)，共同反映了氣流對(duì)沙粒的搬運(yùn)能力。當(dāng)氣流的動(dòng)能小于沙的阻力時(shí)，氣流無(wú)力搬運(yùn)更多的沙量，風(fēng)沙流為飽和狀態(tài)，形成沙的堆積。也有的學(xué)者根據(jù)0～10cm層內(nèi)沙量隨高度分布的特征，直接用0～1cm、1～2cm、2～10cm3層內(nèi)的輸沙量和輸沙率來(lái)反映風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征，稱為結(jié)構(gòu)式，其表達(dá)式為：可利用上下兩層輸沙量和輸沙率的變化表示風(fēng)流沙的變化規(guī)律。1.2.2沙丘的移動(dòng)沙丘的移動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，它與風(fēng)力、沙丘高度、水分、植被狀況等因素有關(guān)。在風(fēng)力作用下，沙粒被從沙丘迎風(fēng)坡吹揚(yáng)搬運(yùn)，而在背風(fēng)坡堆積。這種運(yùn)動(dòng)只有起沙風(fēng)才起作用。從我國(guó)沙區(qū)的觀測(cè)資料看，起沙風(fēng)僅占各地全年風(fēng)的很小一部分。如新疆且末的起沙風(fēng)（>5m/s）出現(xiàn)頻率為19.7%，占全年總風(fēng)速的42.8%；于田更小，出現(xiàn)頻率為4.2%，僅占年總風(fēng)速的10.8%。而沙丘移動(dòng)的方向、方式和強(qiáng)度正是取決于這一小部分起沙風(fēng)的狀況。1.2.2.1沙丘移動(dòng)的方向和方式(1)沙丘移動(dòng)的方向隨著起沙風(fēng)方向的變化而變化。移動(dòng)的總方向是和起沙風(fēng)的年合成風(fēng)向大致相一致。根據(jù)氣象資料，我國(guó)沙漠地區(qū)，影響沙丘移動(dòng)的風(fēng)主要為東北風(fēng)和西北風(fēng)兩大風(fēng)系。受它們的影響，沙丘移動(dòng)方向，表現(xiàn)在新疆塔克拉瑪干沙漠廣大地區(qū)及東疆、甘肅河西走廊西部等地，在東北風(fēng)的作用下，沙丘自東北向西南移動(dòng)；其他各地區(qū)，都是在西北風(fēng)作用下向東南移動(dòng)。(2)沙丘移動(dòng)的方式沙丘移動(dòng)的方式取決于風(fēng)向及其變律，分為下面3種情況（圖2-5）：第一種方式是前進(jìn)式，這是單一的風(fēng)向作用產(chǎn)生的。如我國(guó)新疆塔克拉瑪干沙漠和甘肅、寧夏的騰格里沙圖2-5沙丘移動(dòng)的方式漠的西部等地，是受單一的西北風(fēng)和東北風(fēng)的作用，沙丘均以前進(jìn)式運(yùn)動(dòng)為主。第二種是往復(fù)前進(jìn)式，它是在個(gè)方向相反而風(fēng)力大小不等的情況下產(chǎn)生的。如我國(guó)沙漠中部和東部各沙區(qū)（毛烏素沙地等），則都處于2個(gè)相反方向的冬、夏季風(fēng)交替作用下，沙丘移動(dòng)具有往復(fù)前進(jìn)的特點(diǎn)。冬季在主風(fēng)西北風(fēng)作用下，沙丘由西北向東南移動(dòng)；在夏季，受東南季風(fēng)的影響，沙丘則產(chǎn)生逆向運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，由于東南風(fēng)的風(fēng)力一般較弱，所以不能完全抵償西北風(fēng)的作用，故總的說(shuō)來(lái)，沙丘慢慢地向東南移動(dòng)。第三種是往復(fù)式，是在2個(gè)方向相反風(fēng)力大致相等的情況下產(chǎn)生的，這種情況一般較少，沙丘將停在原地?cái)[動(dòng)或僅稍向前移動(dòng)。1.2.2.2沙丘移動(dòng)的速度沙丘移動(dòng)的速度主要取決于風(fēng)速和沙丘本身的高度。如果沙丘在移動(dòng)過(guò)程中，形狀和大小保持不變，則向風(fēng)坡吹蝕的沙量，應(yīng)該等于背風(fēng)坡堆積的沙量。在這種情況下，沙丘在單位時(shí)間里前移的距離D與背風(fēng)坡一側(cè)堆積的總沙量G有如下關(guān)系（圖2-6）。式中Q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位寬度，從向風(fēng)坡搬運(yùn)到背風(fēng)坡的總沙量；D為單位時(shí)間內(nèi)沙丘前移的距離；H為沙丘的高度；r為沙子的容重。圖2-6沙丘移動(dòng)的幾何圖解由上式可以看出，沙丘移動(dòng)速度與其高度成反比，而與輸沙量成正比。沙丘移動(dòng)速度除了主要受風(fēng)速和沙丘本身高度的影響外，還與風(fēng)向頻率、沙丘的形態(tài)、密度和水分狀況以及植被等多種因素有關(guān)。因此，在實(shí)際工作中，通常采用野外插標(biāo)桿、重復(fù)多次地形測(cè)量、多次重合航片的量測(cè)等方法，以求得各個(gè)地區(qū)沙丘移動(dòng)的速度。根據(jù)觀測(cè)研究，在古爾班通古特沙漠、騰格里沙漠中許多湖盆附近、烏蘭布和沙漠西部、毛烏素沙地的大部、渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地以及呼倫貝爾沙地等，由于水分、植被條件較好，沙丘大部分處于固定、半固定狀態(tài)，移動(dòng)速度很緩慢；只有在植被破壞、流沙再起的地方，沙丘才有較大移動(dòng)速度。在廣大的塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠的內(nèi)部地區(qū)，雖然屬于裸露的流動(dòng)沙丘，但因沙丘十分高大、密集，所以移動(dòng)速度也很小，不超過(guò)2m/s。而在沙漠的邊緣地區(qū)，沙丘低矮且分散，移動(dòng)速度較大，通常前移值達(dá)5m/s。最大者，如塔克拉瑪干沙漠西南緣的皮山和東南緣的且末地區(qū)，那些分布在平坦沙礫戈壁裸露的低矮新月形沙丘，前移值更大。沙丘移動(dòng)常常侵入農(nóng)田、牧場(chǎng)、埋沒(méi)房屋、侵襲道路（鐵路、公路），給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和工礦、交通建設(shè)造成很大危害。1.2.3風(fēng)蝕與沙質(zhì)荒漠化沙質(zhì)荒漠化（簡(jiǎn)稱沙漠化）是在干旱多風(fēng)的沙質(zhì)地表?xiàng)l件下，由于人為活動(dòng)，破壞脆弱生態(tài)平衡，在風(fēng)力作用下，產(chǎn)生風(fēng)蝕劣地、粗化地表、片狀流沙堆積及沙丘形成等風(fēng)沙活動(dòng)現(xiàn)象的土地退化過(guò)程。因而沙質(zhì)荒漠化過(guò)程在外形上表現(xiàn)為沙漠景觀的形成和擴(kuò)大；在實(shí)質(zhì)上是土壤性質(zhì)的一系列變化，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)崩潰。1.2.3.1土地風(fēng)蝕退化強(qiáng)勁的風(fēng)是沙漠化形成的主要營(yíng)力，是塑造沙漠地表形態(tài)的動(dòng)力。在風(fēng)力侵蝕作用下，土地退化表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）土壤流失由于風(fēng)及風(fēng)沙流對(duì)地表土壤顆粒剝離、搬運(yùn)作用，使土壤產(chǎn)生嚴(yán)重流失。趙羽等根據(jù)沙土開墾后風(fēng)蝕深度的調(diào)查，推導(dǎo)出科爾沁大青溝地表風(fēng)蝕量可達(dá)23250t/(km2/a)；林儒耕推算出烏盟后山地區(qū)伏沙帶風(fēng)蝕量為56250t/(km2/a)，呂悅來(lái)等用風(fēng)蝕方程估算出陜北靖邊灘地農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量為1450t/(km2/a)。大量的土壤物質(zhì)被吹蝕，使土壤質(zhì)地變差、生產(chǎn)力降低、土地退化。同時(shí)被吹蝕的土壤物質(zhì)的沉積又造成淤塞河道，埋壓農(nóng)田、村莊，甚至堆積形成流動(dòng)沙丘，如呼倫貝爾地區(qū)的磋崗牧場(chǎng)，50年代初期，開墾的23333hm2耕地中，到80年代形成的流動(dòng)沙丘及半流動(dòng)沙丘面積占復(fù)墾區(qū)面積的39.4%；從寧夏中衛(wèi)區(qū)到山西河曲段，由于風(fēng)蝕直接進(jìn)入黃河干流的沙量達(dá)5321萬(wàn)t/(km2/a)。（2）土壤質(zhì)地變化由于風(fēng)力搬運(yùn)的分選作用，導(dǎo)致土壤質(zhì)地的變化，最細(xì)的土壤物質(zhì)以懸移狀態(tài)隨風(fēng)漂浮到很遠(yuǎn)距離；躍移物質(zhì)則沉積在地邊及田間障礙物附近；粗粒物質(zhì)停留在原地或蠕移到很短的距離。這種侵蝕分選過(guò)程使土壤細(xì)粒物質(zhì)損失，粗粒物質(zhì)相對(duì)增多，原有結(jié)構(gòu)遭受破壞（表2-7）,土壤性能變差，肥力損失，地力衰退，導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)退化并出現(xiàn)風(fēng)沙微地貌。這種粗化過(guò)程隨風(fēng)力的變化而間隙式發(fā)生，在大風(fēng)初期持續(xù)一定時(shí)間，當(dāng)風(fēng)力不再增加，處于相對(duì)穩(wěn)定狀況時(shí)，風(fēng)蝕強(qiáng)度隨之減弱，只有當(dāng)風(fēng)力再度增加時(shí)，粗化又重復(fù)出現(xiàn)。多次的風(fēng)蝕粗化作用使土壤耕作層不斷粗化，直至不能繼續(xù)耕作而被迫棄耕，甚至最終形成風(fēng)蝕劣地、礫石戈壁和沙丘分布等荒漠景觀。表2-7不同類型沙漠化土地表層沙粒含量的變化(科爾沁沙地)沙漠化土地類型土層深（cm）沙粒（1～0.01mm）含量（%）固定沙地0～1079～89半固定沙地0～1091～93半流動(dòng)沙地0～1093～98流動(dòng)沙地0～1098～99風(fēng)蝕的這種粗化作用，在粒徑變化幅度較大的土壤中，表現(xiàn)的尤為突出。(3)養(yǎng)分流失土壤中的黏粒膠體和有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的載體，風(fēng)蝕使這些細(xì)粒物質(zhì)流失導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量顯著降低。對(duì)于質(zhì)地較粗的土壤來(lái)說(shuō)，隨風(fēng)蝕過(guò)程的繼續(xù)，土壤質(zhì)地變得更粗，養(yǎng)分流失導(dǎo)致肥力的下降更為嚴(yán)重。表土中的養(yǎng)分含量較底土高，而表土又在侵蝕過(guò)程中首先流失，從而使土壤肥力不斷下降，直至接近母質(zhì)狀態(tài)（表2-8）。表2-8內(nèi)蒙古伊蒙牧場(chǎng)不同沙質(zhì)荒漠化程度土壤養(yǎng)分含量（%）沙化程度土層深（cm）有機(jī)質(zhì)全NP2O5K2O潛在0～100.4910.1210.1122.39中度0～100.1770.0320.0852.35極度0～100.1730.0370.0882.50(4)生產(chǎn)力降低土壤生產(chǎn)力是土壤提供植物生長(zhǎng)所需要的潛在能力，是土壤物理、化學(xué)以及生物性質(zhì)的綜合反映。風(fēng)蝕通過(guò)養(yǎng)分的流失、結(jié)構(gòu)的粗化、持水能力的降低、耕作層的減薄以及不適宜耕作或難以耕作的底土層的出露等方面降低土壤生產(chǎn)力。對(duì)不同的土壤，在同樣侵蝕條件下，生產(chǎn)力降低的途徑及程度有所不同。作物產(chǎn)量是衡量土壤生產(chǎn)力最直觀的指標(biāo)。為評(píng)價(jià)風(fēng)蝕對(duì)生產(chǎn)力的影響，萊爾斯、朱震達(dá)等建立了風(fēng)蝕深度與作物產(chǎn)量的關(guān)系，再根據(jù)風(fēng)蝕方程推算的風(fēng)蝕量來(lái)預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量的變化過(guò)程。（5）磨蝕由風(fēng)力推動(dòng)沙粒沿地面的沖擊力而引起的磨蝕作用，不僅使土壤表層的薄層結(jié)皮被破壞，造成下層土壤暴露出來(lái)，使不易蝕的土塊和團(tuán)聚體被沖擊破碎，變得可蝕了。同時(shí)，磨蝕作用也對(duì)植物產(chǎn)生危害（俗稱“沙割”），影響苗期的存活率以及后期生長(zhǎng)和產(chǎn)量，作物受害程度取決于作物種類、風(fēng)速、輸沙量、磨蝕時(shí)間及苗齡。1.2.3.2風(fēng)蝕荒漠化的成因類型在我國(guó)北方草原及干草地區(qū)，常常因擴(kuò)大耕地面積造成強(qiáng)烈風(fēng)蝕，隨風(fēng)蝕深度的加深、土壤粗化、肥力降低、土地單位面積生物產(chǎn)量下降，迫使部分被墾殖的農(nóng)田棄耕；隨著人口和牲畜壓力增大，促使再度擴(kuò)大從而導(dǎo)致更強(qiáng)烈的風(fēng)蝕過(guò)程，如此循環(huán)往復(fù)，使沙質(zhì)荒漠化土地面積不斷擴(kuò)展。此外，其他如過(guò)度放牧、樵采、不合理用水等也造成沙漠化土地發(fā)生、發(fā)展。因而荒漠化的發(fā)生也與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切聯(lián)系，人為的不合理經(jīng)濟(jì)活動(dòng)為風(fēng)蝕的產(chǎn)生和發(fā)展創(chuàng)造了條件，起到了誘導(dǎo)作用，加速了荒漠化的發(fā)生和發(fā)展。特別在我國(guó)北方現(xiàn)代沙漠化土壤中94.5%為人為因素所致。可見，人為不合理活動(dòng)已成為現(xiàn)代荒漠化發(fā)生發(fā)展的主導(dǎo)因素（表2-9）表2-9我國(guó)北方現(xiàn)代沙漠化土地成因成因類型占北方沙漠化土地百分比（%）過(guò)度農(nóng)墾形成的沙漠化土地23.3過(guò)度放牧形成的沙漠化土地29.3過(guò)度樵采形成的沙漠化土地32.4水資源利用不當(dāng)形成的沙漠化土地8.6工礦交通城鎮(zhèn)建設(shè)引起的沙漠化土地0.8風(fēng)力作用下沙丘前進(jìn)入侵5.51.2.4風(fēng)蝕荒漠化防治的基本原理及工程技術(shù)風(fēng)蝕作用是由風(fēng)的動(dòng)壓力及風(fēng)沙流中沙粒的沖蝕、磨蝕作用，使地表物質(zhì)被吹蝕和磨蝕，造成土壤養(yǎng)分流失、質(zhì)地粗化、結(jié)構(gòu)變差、生產(chǎn)力降低、沙丘及劣地形成等土地退化的作用過(guò)程。因而風(fēng)蝕荒漠化的實(shí)質(zhì)就是土地的風(fēng)蝕退化過(guò)程。制定風(fēng)蝕荒漠化防治的技術(shù)措施主要依據(jù)土壤風(fēng)蝕原因及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即蝕積原理。產(chǎn)生風(fēng)蝕必須具備一定的條件，即一要有強(qiáng)大的風(fēng)，二要有裸露、松散、干燥的沙質(zhì)地表或易風(fēng)化的基巖。根據(jù)風(fēng)蝕產(chǎn)生的條件和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，所采取的技術(shù)措施多種多樣，但就其原理和途徑可概括為下述幾個(gè)方面：1增大地表粗糙度，降低近地層風(fēng)速當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)地表時(shí)，對(duì)地表土壤顆粒（或沙粒）產(chǎn)生動(dòng)壓力，使沙粒運(yùn)動(dòng)，風(fēng)的作用力大小與風(fēng)速大小直接相關(guān)。所以當(dāng)風(fēng)速增大，作用力與風(fēng)速的二次方成正比，即有P=1/2CρV2A大，風(fēng)對(duì)沙粒產(chǎn)生的作用力就增大，反之，作用力就小。同時(shí)根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，輸沙率也受風(fēng)速大小影響，即有，風(fēng)速越大，其輸沙能力就越大，對(duì)地表侵蝕力也越強(qiáng)。所以只要降低風(fēng)速就可以降低風(fēng)的作用力，也可降低風(fēng)攜帶沙子的能量，使沙子下沉堆積。近地層風(fēng)受地表粗糙度影響，地表粗糙度越大，對(duì)風(fēng)的阻力就越大，風(fēng)速就被削弱降低。因此，可以通過(guò)植樹種草或布設(shè)障蔽以增大地表粗糙度、降低風(fēng)速、削弱氣流對(duì)地面的作用力（如直立式沙障和透風(fēng)結(jié)構(gòu)沙障），以達(dá)到固沙和阻沙作用。2阻止氣流對(duì)地面直接作用風(fēng)及風(fēng)沙流只有直接作用于裸露地表，才能對(duì)地表土壤顆粒吹蝕和磨蝕，產(chǎn)生風(fēng)蝕。因而可以通過(guò)增大植被覆蓋度，使植被覆蓋地表（平鋪式沙障），或使用柴草、秸稈、礫石等材料鋪蓋地表，對(duì)沙面形成保護(hù)殼（如：化學(xué)固沙技術(shù)亦屬此類，它是利用稀釋了的具有一定膠結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)噴灑于松散的流沙沙地表面，水分迅速滲入到沙層以下，而那些化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)則滯留于一定厚度的沙層間隙中，將單粒的沙子膠結(jié)成一層保護(hù)殼，以此來(lái)隔開氣流與松散沙面的直接接觸，從而起到防止風(fēng)蝕的作用），以阻止風(fēng)及風(fēng)沙流與地面的直接接觸，也可達(dá)到固沙作用。3提高沙粒起動(dòng)風(fēng)速，增大抗蝕能力使沙粒開始運(yùn)動(dòng)的最小風(fēng)速稱為起動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速只有超過(guò)起動(dòng)風(fēng)速才能使沙粒隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)，形成風(fēng)沙流產(chǎn)生風(fēng)蝕。因而只要加大地表顆粒的起動(dòng)風(fēng)速，使風(fēng)速始終小于起動(dòng)風(fēng)速，地面就不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)蝕作用。起動(dòng)風(fēng)速大小與沙粒粒徑大小及沙粒之間粘著力有關(guān)。粒徑越大，或沙粒之間粘著力越強(qiáng)，起動(dòng)風(fēng)速就越大，抗風(fēng)蝕能力就越強(qiáng)。所以，可以通過(guò)噴灑化學(xué)膠結(jié)劑或增施有機(jī)肥，改變沙土結(jié)構(gòu)，增加沙粒間的粘著力，提高抗風(fēng)蝕能力，使得風(fēng)雖過(guò)而沙不起，從而達(dá)到固沙作用。4改變風(fēng)沙流蝕積規(guī)律根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水土流失規(guī)律，以風(fēng)（水）力為動(dòng)力（如水力治沙技術(shù)），通過(guò)人為控制增大流速，提高流量，降低地面粗糙度，改變蝕積關(guān)系，從而拉平沙丘造田或延長(zhǎng)飽和路徑輸導(dǎo)沙害，以達(dá)到治理目的。第二節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的生態(tài)學(xué)原理及技術(shù)植物治沙以其比較經(jīng)濟(jì)、作用持久、穩(wěn)定，并可改良流沙的理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤形成，改善、美化環(huán)境及提供木材、燃料、飼料、肥料等原料，具有多種生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)，成為防治土地沙質(zhì)荒漠化最有效的首選措施，植物是流沙上重建人工生態(tài)系統(tǒng)的最主要的角色。植物治沙需要具備植物成活、生長(zhǎng)、發(fā)育的必要條件。因而利用植物改造沙質(zhì)荒漠化土地，首要問(wèn)題是植物在流沙上如何成活與保存，及其改造流沙環(huán)境的生態(tài)功能。2.1植物對(duì)流沙環(huán)境的適應(yīng)性原理流沙上分布的天然植物的種類和數(shù)量很少，但它們卻有規(guī)律地分布在一定的流沙環(huán)境之中。它們對(duì)不同的流沙環(huán)境有各自的要求與適應(yīng)性。這種特性是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果，是它們對(duì)流沙環(huán)境具有一定適應(yīng)能力的反映。由于自然界已經(jīng)產(chǎn)生了能夠適應(yīng)流沙環(huán)境的植物，我們便可以利用這些植物在流沙地區(qū)去恢復(fù)和建立植被，這便是植物治沙的物質(zhì)條件和理論基礎(chǔ)。流沙環(huán)境具有多種條件，因而在長(zhǎng)期的自然選擇過(guò)程中，形成植物對(duì)流沙環(huán)境有多種適應(yīng)方式和途徑，這就為人們選擇更合適的樹種提供了依據(jù)。嚴(yán)酷的流沙環(huán)境對(duì)植物的影響是多方面的。其中干旱和流沙的活動(dòng)性是影響植物最普遍、最深刻的2個(gè)限制因素，是制定各項(xiàng)植物治沙技術(shù)措施的主要依據(jù)。2.1.1植物對(duì)干旱的適應(yīng)性流沙地區(qū)的氣候和土壤條件，決定了它的干旱性特征。由于流沙是干燥氣候下的產(chǎn)物。因而降水量低、蒸發(fā)強(qiáng)烈、干燥度大、氣候干燥是流沙地區(qū)最顯著的環(huán)境特點(diǎn)。在長(zhǎng)期干旱氣候條件下，流沙上分布的植物，產(chǎn)生一定的適應(yīng)干旱的特征，表現(xiàn)為以下3個(gè)方面：1萌芽快，根系生長(zhǎng)迅速而發(fā)達(dá)流沙上植物發(fā)芽后，主根具有迅速延伸達(dá)到穩(wěn)定濕沙層的能力，同時(shí)具有龐大的根系網(wǎng)，可以從廣闊的沙層內(nèi)吸取水分和養(yǎng)分，以供給植物地上部分蒸騰和生長(zhǎng)發(fā)育需要。2具有旱生形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能如葉退化，具較厚角質(zhì)層、濃密的表皮毛，氣孔下陷，柵欄組織發(fā)達(dá)，機(jī)械組織強(qiáng)化，貯水組織發(fā)達(dá)，細(xì)胞持水力強(qiáng)，束縛水含量高，滲透壓和吸水力高，水勢(shì)低等。3植物化學(xué)成分發(fā)生變化如含有乳狀汁、揮發(fā)油等。揮發(fā)油含量與光有密切關(guān)系，也即與旱生結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。2.1.2植物對(duì)風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)沙丘流動(dòng)性表現(xiàn)在其迎風(fēng)坡可能遭受風(fēng)蝕，其背風(fēng)坡可能遭受沙埋。沙生植物對(duì)流沙的適應(yīng)性，首先表現(xiàn)在抗風(fēng)蝕和沙埋上。分布于流動(dòng)沙丘上的植物對(duì)風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)能力，根據(jù)其適應(yīng)特征，可歸納為4種類型，即速生型、穩(wěn)定型、選擇型和多種繁殖型。1速生型適應(yīng)很多沙丘上的植物都具有迅速生長(zhǎng)的能力，以適應(yīng)流沙的活動(dòng)性，特別是苗期速生更為重要。因?yàn)橛酌缈剐匀?，易受傷害，同時(shí)一般認(rèn)為植物的自然選擇過(guò)程，主要在發(fā)芽和苗期階段，像沙拐棗、花棒、楊柴等植物，種子發(fā)芽后一伸出地面，主根已深達(dá)10多厘米，10d后根可達(dá)20多厘米，地上部分高于5厘米。當(dāng)年秋天，根深大于60厘米,，地徑粗約0.2厘米，最大植株高大于40厘米。主根迅速延伸和增粗，可減輕風(fēng)蝕危害和風(fēng)蝕后引起的機(jī)械損傷，根愈粗固持能力愈強(qiáng)，植株愈穩(wěn)定。同時(shí)根愈粗風(fēng)蝕后抵抗風(fēng)沙流的破壞能力也愈大，植株不易受害。而莖的迅速生長(zhǎng)，可減少風(fēng)沙流對(duì)葉片的機(jī)械損傷危害，以保持光合作用的進(jìn)行，同時(shí)植株愈高，適應(yīng)沙埋的能力也就愈強(qiáng)。屬于苗期速生類型的植物有：沙拐棗、花棒、楊柴、梭梭、木蓼等。而在沙丘背風(fēng)坡腳能夠安然保存下來(lái)的植物，則是那些高生長(zhǎng)速度大于沙丘前移埋壓的積沙速度的植物，如檉柳、沙柳、楊柴、檸條、油蒿、小葉楊、旱柳、沙棗、刺槐等。苗期速生程度決定于植物的習(xí)性，而成年后能否速生與有無(wú)適度沙埋條件以及萌發(fā)不定根能力有關(guān)。2穩(wěn)定型適應(yīng)有些沙生植物及其種子，具有穩(wěn)定自己的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)沙的流動(dòng)性，如楊柴種子扁圓形，表皮上有皺紋，布于沙表不易吹失，易覆沙發(fā)芽，其幼苗地上部分分枝較多，分枝角較大，呈匍匐狀斜向生長(zhǎng)，對(duì)于風(fēng)沙阻力較強(qiáng)，易積沙而無(wú)風(fēng)蝕，穩(wěn)定性較好。沙蒿則以種子小，數(shù)量多，易群聚和自然覆沙，種皮含膠質(zhì)，遇水與沙粒結(jié)成沙團(tuán)，不易吹失，易發(fā)芽、生根，植株低矮，枝葉稠密，叢生性強(qiáng)，易積沙等特點(diǎn)適應(yīng)沙的流動(dòng)性。這類植物在流沙上全面撒播或飛播后，當(dāng)年發(fā)芽成苗，效果較好，苗期易產(chǎn)生灌叢堆效應(yīng)。3選擇型適應(yīng)花棒、沙拐棗、沙柳等植物的種子呈圓球形，上有絨毛、翅或小冠毛，易為風(fēng)吹移到背風(fēng)坡腳，丘間地或植叢周圍等弱風(fēng)處，通常風(fēng)蝕少而輕，有一定的沙埋，對(duì)種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)有利。植物生長(zhǎng)迅速，不定根萌發(fā)力強(qiáng)，極耐沙埋，愈埋愈旺。這類植物能夠以自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)利用風(fēng)力選擇有利的環(huán)境條件發(fā)芽、生長(zhǎng)，以適應(yīng)沙的活動(dòng)性。4多種繁殖型適應(yīng)很多沙生植物，既能有性繁殖，又能無(wú)性繁殖，當(dāng)環(huán)境條件不利于有性繁殖時(shí)，它就以無(wú)性繁殖進(jìn)行更新，以適應(yīng)流沙環(huán)境。這類植物有楊柴、沙拐棗、紅柳、駱駝刺、沙柳、麻黃、沙蒿、白刺、沙竹、牛心樸子、沙旋復(fù)花等。上述4種類型是沙生植物適應(yīng)流沙風(fēng)蝕、沙埋的基本類型（或基本特征），但是有些植物可以歸屬多種適應(yīng)類型，而屬于同種適應(yīng)類型的不同植物種之間也有強(qiáng)烈差異?？梢钥闯觯成参飳?duì)流沙環(huán)境活動(dòng)性的適應(yīng)途徑主要是避免風(fēng)蝕，適度沙埋。風(fēng)蝕愈深危害愈嚴(yán)重。適度沙埋則利于種子發(fā)芽、生根，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，有利于固沙。但過(guò)度沙埋則造成危害。研究表明，沙埋的適度范圍可用沙埋厚度與灌木本身高度之比值（A）來(lái)衡量，A=0～0.7為適度沙埋，A>0.7為過(guò)度沙埋。分布于流沙中的天然灌木、半灌木，常常利用自己近地層的濃密枝葉覆蓋一定沙面，以阻截流沙形成灌叢堆，產(chǎn)生灌叢沙堆效應(yīng)，以消除風(fēng)蝕，適度沙埋，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，適應(yīng)流沙環(huán)境。2.1.3植物對(duì)流沙環(huán)境變異性的適應(yīng)流沙是一個(gè)不斷發(fā)生變化的環(huán)境，尤其是在生長(zhǎng)植物以后，隨著植物的增多，流沙活動(dòng)性減弱，流沙的機(jī)械組成、物理性質(zhì)、水分性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物種類和數(shù)量、水分狀況及小氣候等均發(fā)生變化。隨著這種環(huán)境的變化，植物的種類、組成、數(shù)量和結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)的變化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究，植物對(duì)環(huán)境變異的適應(yīng)性變化，亦遵循一定的方向，一定的順序，是有規(guī)律的。這種適應(yīng)規(guī)律亦即沙地植被演替規(guī)律，這是恢復(fù)天然植被和建立人工植被各項(xiàng)技術(shù)措施的理論基礎(chǔ)。2.2植物對(duì)流沙環(huán)境的作用原理2.2.1植物固沙作用植物以其茂密的枝葉和聚積枯落物庇護(hù)表層沙粒，避免風(fēng)的直接作用；同時(shí)植物作為沙地上一種具有可塑性結(jié)構(gòu)的障礙物，使地面粗糙度增大，大大降低近地層風(fēng)速；植物可加速土壤形成過(guò)程，提高粘結(jié)力，根系也起到固結(jié)沙粒作用；植物還能促進(jìn)地表形成“結(jié)皮”，從而提高臨界風(fēng)速值，增強(qiáng)了抗風(fēng)蝕能力，起到固沙作用。其中植物降低風(fēng)速作用最為明顯也最為重要。植物降低近地層風(fēng)速作用大小與覆蓋度有關(guān)。覆蓋度越大，風(fēng)速降低值越大。內(nèi)蒙古林學(xué)院通過(guò)對(duì)各種灌木測(cè)定，當(dāng)植被蓋度大于30%時(shí)，一般都可降低風(fēng)速40%以上。不同植物種，對(duì)地表庇護(hù)能力也不同。據(jù)新疆生物土壤研究所測(cè)定，老鼠瓜的覆蓋度為30%時(shí)，風(fēng)蝕面積約占56.6%；覆蓋度45%時(shí)，風(fēng)蝕面積約占9.4%；覆蓋度達(dá)72%時(shí)完全無(wú)風(fēng)蝕。而沙拐棗覆蓋度20%～25%時(shí)，地表風(fēng)蝕強(qiáng)烈，林地常出現(xiàn)槽、丘相間地形，覆蓋度大于40%時(shí)，沙地平整，地表吹蝕痕跡不明顯，林地已開始固定。當(dāng)沙面逐漸穩(wěn)定以后，便開始了成土過(guò)程。據(jù)陳文瑞研究，沙坡頭地區(qū)在植被覆蓋下的成土作用，每年約以1.73mm的厚度發(fā)展。地表形成的“結(jié)皮”可抵抗25m/s的強(qiáng)風(fēng)（風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)）。因此，能起到很好的固沙作用。2.2.2植物的阻沙作用根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，輸沙量與風(fēng)速的三次方成正相關(guān)，因而風(fēng)速被削弱后，搬運(yùn)能力下降，輸沙量就減少。植物在降低近地層風(fēng)速，減輕地表風(fēng)蝕的同時(shí)，因風(fēng)速的降低，可使風(fēng)沙流中沙粒下沉堆積，起到阻沙作用。據(jù)新疆生物土壤研究所測(cè)定，艾比湖沙拐棗和老鼠瓜一般在種植第二年開始積沙，4年平均積沙量可達(dá)3m2（m3）以上。同時(shí)灌木較草本植物和半灌木單株阻積沙量多，也比較穩(wěn)定，半灌木和草本植物積沙量有限且不穩(wěn)定，全年中蝕積交替出現(xiàn)。另?yè)?jù)陳世雄測(cè)定，植被阻沙作用大小與覆蓋度有關(guān)，當(dāng)植被覆蓋度達(dá)40%～50%時(shí)，風(fēng)沙流中90%以上沙粒被阻截沉積。由于風(fēng)沙流是一種貼近地表的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，因此，不同植物固沙和阻沙能力的大小，主要取決于近地層枝葉分布狀況。近地層枝葉濃密，控制范圍較大的植物其固沙和阻沙能力也較強(qiáng)。在喬、灌、草3類植物中，灌木多在近地表處叢狀分枝，固沙和阻沙能力較強(qiáng)。喬木只有單一主干，固沙和阻沙能力較小，有些喬木甚至樹冠已郁閉，表層沙仍繼續(xù)流動(dòng)。多年生草本植物基部叢生亦具固沙和阻沙能力，但比之灌木植株低矮，固沙范圍和積沙數(shù)量均較低，加之入冬后地上部分全部干枯，所積沙堆因重新裸露而遭吹蝕，因此不穩(wěn)定。這也正是在治沙工作中選擇植物種時(shí)首選灌木的原因之一。而不同灌木其近地層枝葉分布情況和數(shù)量亦不同，其固沙和阻沙能力也有差異，因而選擇時(shí)應(yīng)進(jìn)一步分析。2.2.3植物改善小氣候作用小氣候是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，流沙上植被形成以后，小氣候?qū)⒌玫胶艽蟾纳?。在植被覆蓋下，反射率、風(fēng)速、水面蒸發(fā)量顯著降低，相對(duì)濕度提高。而且隨植被蓋度增大，對(duì)小氣候影響也愈顯著。小氣候改變后，反過(guò)來(lái)影響流沙環(huán)境，使流沙趨于固定，加速成土過(guò)程。2.2.4植物對(duì)風(fēng)沙土的改良植物固定流沙以后，大大加速了風(fēng)沙土的成土過(guò)程。植物對(duì)風(fēng)沙土的改良作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①機(jī)械組成發(fā)生變化，粉粒、黏粒含量增加。②物理性質(zhì)發(fā)生變化，比重、容重減小，孔隙度增加。③水分性質(zhì)發(fā)生變化，田間持水量增加，透水性減慢。④有機(jī)質(zhì)含量增加。⑤氮、磷、鉀三要素含量增加。⑥碳酸鈣含量增加，PH值提高。⑦土壤微生物數(shù)量增加。據(jù)中國(guó)科學(xué)院沙漠所陳祝春等人測(cè)定，沙坡頭植物固沙區(qū)（25年），表面1cm厚土層微生物總數(shù)243.8萬(wàn)個(gè)／g干土，流沙僅為7.4萬(wàn)個(gè)／g干土，約比流沙增加30多倍。⑧沙層含水率減少，據(jù)陳世雄在沙坡頭觀測(cè)，幼年植株耗水量少，對(duì)沙層水分影響不大，隨著林齡的增長(zhǎng)，對(duì)沙層水分產(chǎn)生顯著影響。在降水較多年份，1979年4～6月所消耗的水分，能在雨季得到一定補(bǔ)償，沙層內(nèi)水分可恢復(fù)到2.0%左右；而降水較少年份，如1974年，僅降雨154mm，補(bǔ)給量少，0～150cm深的沙層內(nèi)含水率下降至1.0%以下，嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。陳文瑞在沙坡頭多年研究結(jié)果表明，沙坡頭人工林下形成的土壤已經(jīng)發(fā)育到明顯的結(jié)皮層（A0）和腐殖質(zhì)層（A1）,剖面分化比較明顯，與流沙相比，在物理性質(zhì)方面具有質(zhì)地細(xì)、容重低、孔隙度高、持水性強(qiáng)、滲透性慢等特征；在化學(xué)性質(zhì)方面，養(yǎng)分含量高，碳酸鈣積累顯著，易溶性鹽含量增加等；在抗蝕強(qiáng)度方面，結(jié)皮層可抗十一級(jí)大風(fēng)。但所形成的土壤土層仍較薄，25年生人工林下，平均土層厚度4.33cm，每年平均成土速度1.73mm，土層中粗粉砂含量高，黏粒少，較松脆，故應(yīng)防止人畜踐踏。2.3荒漠化地區(qū)植被建設(shè)技術(shù)2.3.1封沙育林育草恢復(fù)天然植被在干旱半干旱地區(qū)，原有植被遭到破壞或有條件生長(zhǎng)植被的地段，實(shí)行一定的保護(hù)措施（設(shè)置圍欄），建立必要的保護(hù)組織（護(hù)林站），把一定面積的地段封禁起來(lái)，嚴(yán)禁人畜破壞，給植物以繁衍生息的時(shí)間，逐步恢復(fù)天然植被。在我國(guó)半干旱風(fēng)沙地區(qū)，封育是常用的措施，在幾年內(nèi)可使流沙地達(dá)到固定、半固定狀態(tài)。以內(nèi)蒙古為例，在50年代全區(qū)封沙育草260萬(wàn)hm2，使大面積流沙基本得到固定。在半干旱地區(qū)，遼寧的建平、臺(tái)安、錦縣、蓋平等地，通過(guò)封育使35㎞長(zhǎng)的大凌河兩岸沙地長(zhǎng)滿了各種喬灌草植物，很快覆蓋了沙面。內(nèi)蒙古伊盟伊金霍洛旗毛烏聶蓋村從1952年年起封沙育草1700多公頃，至1960年已由流沙變成以沙蒿為主的固定沙地。據(jù)調(diào)查，鄂托克旗開墾的荒漠化草原，一經(jīng)棄耕封禁，天然植被很快繁生，1～2年以星星草、狗尾草、灰藜、蒺藜為主，總蓋度達(dá)70%；3～5年賴草、白草等根莖植物繁生，6～10年恢復(fù)到接近當(dāng)?shù)氐姆€(wěn)定植被。2.3.2飛機(jī)播種造林種草固沙飛機(jī)播種造林種草固沙恢復(fù)植被是治理風(fēng)蝕荒漠化土地的重要措施，也是綠化荒山荒坡的有效手段。具有速度快、用工少、成本低、效果好的特點(diǎn)，尤其對(duì)地廣人稀，交通不便，偏遠(yuǎn)荒沙、荒山地區(qū)恢復(fù)植被意義更大。2.3.3在荒漠化地區(qū)通過(guò)植物播種、扦插、植苗造林種草固定流沙是最基本的措施。流沙治理的重點(diǎn)在沙丘迎風(fēng)坡，這個(gè)部位風(fēng)蝕嚴(yán)重，條件最差，占地多，最難固定。解決了迎風(fēng)坡的固定，整個(gè)沙丘就基本固定了。經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐，在草原地區(qū)的流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡可通過(guò)不設(shè)沙障的直接植物固沙方法來(lái)解決?？煞譃椋?直播固沙直播是用種子作材料，直接播于沙地建立植被的方法。2植苗固沙植苗（即栽植）是以苗木為材料進(jìn)行植被建設(shè)的方法。由于苗木種類不同，植苗可分為一般苗木、容器苗、大苗深栽3種方法。3扦插造林固沙很多植物具營(yíng)養(yǎng)繁殖能力，可利用營(yíng)養(yǎng)器官（根、莖、枝等）繁殖新個(gè)體。如插條、插干、埋干、分根、分蘗、地下莖等，在沙區(qū)植被建設(shè)中，群眾采用上述多種培育方法。其中應(yīng)用較廣、效果較大的是插條、插干造林，簡(jiǎn)稱扦插造林。扦插優(yōu)點(diǎn)是：①方法簡(jiǎn)單，便于推廣；②生長(zhǎng)迅速，固沙作用大；③就地取條、干，不必培育苗木。適于扦插造林的植物是營(yíng)養(yǎng)繁殖力強(qiáng)的植物，主要是楊、柳、黃柳、沙柳、檉柳、花棒、楊柴等。盡管植物種不多，但在植被建設(shè)中作用很大，沙區(qū)大面積黃柳、沙柳、高干造林全是扦插發(fā)展起來(lái)的。2.3.4沙結(jié)皮固沙利用壤藻類的生態(tài)作用，在于它是植物演替最初階段的先鋒植物，強(qiáng)調(diào)它有助于土壤的形成。秋山優(yōu)等指出一般沙漠和火山地帶演替最初階段的土壤藻類是藍(lán)藻和地衣構(gòu)成的土壤皮殼，依靠它固定空氣中的氮，使土壤有機(jī)化，依靠它分泌的黏液來(lái)保持土壤水分及防止黏土粒流出，給以后植物演替創(chuàng)造了條件。以低等生物藻類等為主形成的沙結(jié)皮有著重要作用。它固定了植物之間的沙表。越是植叢下面沙結(jié)皮越厚。2.3.5風(fēng)沙區(qū)防護(hù)林體系風(fēng)蝕荒漠化地區(qū)干旱風(fēng)沙嚴(yán)重，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)極不穩(wěn)定。為此，必須因害設(shè)防，因地制宜地建立各種類型的防護(hù)林。因風(fēng)沙區(qū)自然條件復(fù)雜，必須因地制宜地設(shè)計(jì)喬灌草種。總體上應(yīng)是帶網(wǎng)片線點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)成完善體系，發(fā)揮綜合效益。其“體系”組成主要有：1干旱區(qū)綠洲防護(hù)體系（1）封育灌草固沙沉沙帶該部分為綠洲最外防線，它接壤沙漠戈壁，地表疏松，處于風(fēng)蝕風(fēng)積都很嚴(yán)重的生態(tài)脆弱帶。為制止就地起沙和攔截外來(lái)流沙，需建立寬闊的抗風(fēng)蝕、耐干旱的灌草帶。其方法，一靠自然繁生；二靠人工培養(yǎng)；實(shí)際上常是二者兼之。新疆吐魯番縣利用冬閑水灌溉和人工補(bǔ)播栽植形成灌草帶。（2）防風(fēng)阻沙帶它是第二道防線，位于灌草帶和農(nóng)田之間。作用是繼續(xù)削弱越過(guò)灌草帶的風(fēng)速，沉降風(fēng)沙流中剩余沙粒，進(jìn)一步減輕風(fēng)沙危害。此帶因條件不同差異很大，勿要強(qiáng)求統(tǒng)一模式。在不需要灌溉的地方，當(dāng)沙丘帶與農(nóng)田之間有廣闊低洼荒