ABSTRACT

Polylactic acid fiber (PLA) is a new type of sand fixing material. In order to understand the vertical distribution rule of different sand particles in the windblown sand flow in different specifications of PLA sand barriers, this paper takes the bare sand dunes in front of the sand barriers, 1.5 m × 1.5 m and 1 m × 1 m PLA sand barriers as the research objects, and analyzes the vertical spatial distribution characteristics of different sand particles in the windblown sand flow by means of field observation and indoor experiment. The results show that within the height of 0 - 30 cm, the sand transport volume of the study area, 1.5 m × 1.5 m PLA sand barrier and 1 m × 1 m PLA sand barrier accounts for 96.6%, 87.78% and 86.96% of the total sand transport respectively; the sand transport rate within the PLA sand barriers of the two specifications decreases with a height as a power function, and the sand transport rate within the study area decreases with a logarithmic function; the sand transport rate for each height layer is the study area > 1.5 m × 1.5 m PLA sand barrier > 1 m × 1 m PLA sand barrier; with the increase in height within 0 - 10 cm of the two types of PLA sand barriers and the study area in the airflow, the content of fine-grained sand increased, while the content of very fine sand, medium sand and coarse sand showed a downward trend; within 10 cm – 90 cm, the amount of fine powder and very fine sand showed an upward trend, and the content of fine sand, medium sand and coarse sand showed a downward trend; when the wind sand entered the PLA sand barrier, the content of coarse sand and medium sand decreases, and the content of extremely fine sand and fine sand increases. The setting of the PLA sand barrier can significantly change the mechanical composition of the sand material in the wind sand flow, and effectively block the sand particles in the wind sand flow. The 1 m × 1 m specification has a more significant wind and sand fixation effect than the 1.5 m × 1.5 m specification PLA sand barrier.

Keywords:PLA Sand Barrier, Granularity, Vertical Differentiation

PLA沙障的风沙流颗粒分布特征

吴雪琴^1,2

¹内蒙古师范大学，地理科学学院，内蒙古 呼和浩特

²内蒙古自治区湿地环境修复工程实验室，内蒙古 呼和浩特

收稿日期：2020年4月2日；录用日期：2020年4月15日；发布日期：2020年4月22日

摘 要

聚乳酸纤维(PLA)作为一种新型固沙材料，为了解不同规格PLA沙障内风沙流不同粒级沙物质的垂直分布规律，本文以沙障前裸沙丘、1.5 m × 1.5 m和1 m × 1 m规格PLA沙障为研究对象，通过野外观测和室内实验的方法，对风沙流中不同粒级沙物质的垂直空间分布特征进行分析。结果表明：0~30 cm高度内研究区、1.5 m × 1.5 m PLA沙障和1 m × 1 m PLA沙障输沙量分别占总输沙量的96.6%、87.78%和86.96%；两种规格PLA沙障内输沙率随高度呈幂函数递减，研究区内输沙率随高度呈对数函数递减；各高度层输沙率的大小为研究区 > 1.5 m × 1.5 m PLA沙障 > 1 m × 1 m PLA沙障；两种规格PLA沙障和研究区气流中不同粒级沙物质在0~10 cm内随着高度的增加，细沙含量呈上升趋势，极细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势；在10~90 cm内中粉粒和极细沙量呈上升趋势，细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势；当风沙进入PLA沙障后，粗沙和中沙含量减少，极细沙和细沙含量增多。PLA沙障的设置能显著改变风沙流中沙物质的机械组成，有效阻拦风沙流中的沙粒，1 m × 1 m规格比1.5 m × 1.5 m规格PLA沙障的防风固沙效果显著。

关键词 :PLA沙障，粒度，垂直分异

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1. 引言

绿洲–荒漠过渡带是生态脆弱带，是沙漠和绿洲两大生态系统间物质、能量和信息转换传递的敏感区域 [1] [2]。腾格里沙漠东南缘的绿洲-荒漠过渡带位于中国西北内陆干旱区，属于典型的温带大陆性气候，风沙活动频繁、干旱少雨、日照充足且蒸发强烈 [3]，再加上长期的人类活动，导致了严重的土地退化 [4]，使得绿洲–荒漠过渡带成为干旱区荒漠化发生最频繁的地带 [5]。因此，对绿洲–荒漠过渡带的荒漠化防沙研究引起了众多学者的关注。防治荒漠化的方法主要包括机械措施、化学措施和生物措施(也叫植物措施)。研究表明沙障是防沙治沙工程建设中最常用有效的技术措施，尤其在流动沙地治理和植被恢复中具有重要的作用，可以大幅度降低地表风速，减缓沙漠流动，在保护沙漠工程、遏制沙漠侵蚀方面起着重要作用 [6]。在干旱风沙区，受地形和气候条件的限制，植被稀少，难以生长，在设计防沙阻沙措施时应该优先考虑适于现场实际、就地取材、便于施工等因素。随着固沙技术措施的逐年发展，成功研制出多种类型的沙障，如土工沙障、枝条沙障、黏土沙障、防沙栅栏、卵石黏土、麦草方格沙障、塑料沙障、尼龙网沙障、生物体活沙障等 [7] [8]。聚乳酸纤维(PLA, Poly Lactic Acid)作为一种新型人工合成材料，在自然条件下可完全降解成对环境无害的水和二氧化碳，是一种新型的生物可降解固沙材料 [9]。PLA沙障是将PLA纤维纺织制成筒状沙袋，就地取材将沙子灌入其中进行铺设，省时省力，简便易行 [10]。目前，诸多学者对PLA沙障的研究多集中在PLA沙障对风速廓线、风速流场、地表粗糙度、输沙量、土壤性质的改良、植被恢复、地表沉积物粒径的影响等方面 [10] - [15]，关于PLA沙障气流中不同粒级沙物质在垂直方向的分布特征的研究鲜有涉及。

基于此，本文以腾格里沙漠东南缘绿洲–荒漠过渡带边缘流动沙丘上1.5 m × 1.5 m和1 m × 1 m规格PLA沙障为研究对象，并以沙障前裸沙丘为对照，通过野外观测和室内实验的方法，探讨PLA沙障的设置对风沙流中不同粒级沙物质的垂直空间分布特征，弥补PLA沙障研究的不足，进而为PLA沙障在防沙治沙中的应用提供支撑和科学依据。

2. 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区阿拉善左旗巴彦浩特镇格林滩(38˚43'N，105˚44') (图1)，在阿拉善左旗中南部，地处腾格里沙漠东南缘，北面临近阿拉善盟政府所在地巴彦浩特，南面靠近银川市，西面毗邻腾格里沙漠，东面连接贺兰山及宁夏分水岭。属于温带干旱荒漠区，典型的大陆性气候，境内多风沙天气，以西北风为主，日照充足，蒸发强烈。降水多集中于5~9月，多年平均降雨量80~220毫米，蒸发量2900~3300毫米，日照时间3316小时，年平均气温7.2℃，无霜期120~180天。光照时间长，适合发展沙生植物资源。地带性土壤主要有灰漠土、半固定风沙土和流动风沙土。该区域植被稀疏、种类稀少、结构简单，多为旱生、超旱生和盐生灌木、半灌木，如白刺(Nitraria tangutorum Bor.)、梭梭(Haloxylon ammodendron (C. A. Mey.) Bunge)、花棒(Hedysarum scoparium Fisch. et Mey.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng. Syst. Veg.)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon (Bunge) Maxim.)、红沙(Reaumuria songarica (Pall.) Maxim.)、沙冬青(mmopiptanthus mongolicus (Maxim. ex Kom.) Cheng f.)、绵刺(Potaninia mongolica Maxim.)等。

图1. 研究区位置示意图

3. 研究方法

3.1. 样品采集

本文在立地条件相同的流动沙丘上沿着西北主风向铺设了1.5 m × 1.5 m PLA沙障和1 m × 1 m PLA沙障(图2、图3)，为确保所布设的沙障严格按照实验设计方案进行，提前规划施工线，施工时沿线铺设沙障，在沙障的中垂线后缘处平行布设大、小旋转式梯度集沙仪(图4)，底部与地面齐平，并以沙障前缘立地条件相同的裸沙丘代表研究区，观测不同规格PLA沙障影响下近地表0~90 cm高度内的输沙状况。小旋转式梯度用来收集近地面0~30 cm范围内的沙物质，进沙口为1.5 cm × 1.5 cm，分左右两排平行交替放置，共20层；大旋转式梯度集沙仪用来观测30-90 cm范围内的输沙状况，进沙口为2 cm × 2 cm，呈竖排放置，每个集沙盒与水平方向成30˚夹角，共30层。大、小旋转式梯度集沙仪均可以根据风向来自动调节进沙口的方向，且十分灵敏。

本次观测时间为4月~5月，风沙较全年其余月份大，三种样地沙样同时收集，观测前先将集沙盒清空，并记录开始时间，观测结束后，记录结束时间，取出集沙盒，将集沙土样装入自封袋中并标记，带回实验室后烘干，用电子天平(d = 0.0001 g)称重并记录。

图2. 实验方案设计示意图

图3. 沙障铺设效果图

图4. 旋转式梯度集沙仪

3.2. 粒度测定

将样品自然风干后，筛除枯落物等杂质，后用双氧水去除样品中的有机质，稀盐酸去除样品中的碳酸钙，加入六偏磷酸钠作为分散剂，震荡后采用Mastersizer 3000型激光粒度分析仪进行土壤粒度的测定，其中分散装置采用大容量湿式样品分散装置Hydro LV，该仪器的测量范围为0.01~3500 μm，精确度高于0.6%，每个样品重复测量三次后取算术平均值，可以很好的完成所需样品的测量工作 [16]。

粒径分级标准依据美国制：砾石(>2000 μm)、极粗沙(1000~2000 μm)、粗沙(500~1000 μm)、中沙(250~500 μm)、细沙(100~250 μm)、极细沙(50~100 μm)、粉粒(2~50 μm)和黏粒(<2 μm) [17]。测量结果采用Krumbein等 [18] 提出的算法进行对数转化，转化公式为

$\varphi =-{\log }_{2}d$ (1)

式中d为土壤颗粒直径，单位mm。

3.3. 输沙率

输沙率表征近地表气流在单位时间内通过单位宽度或单位面积内输送的沙粒质量，是评估地表土壤侵蚀和土地荒漠化的重要参数 [19]，也是衡量风沙流挟沙量的重要参数，它与风速的关系直接影响沙漠迁移和扩展，是长期以来人们集中研究的核心课题之一 [20]。计算公式为：

$q_i=\frac{m_i}{s\cdot t}$ (2)

式中： $m_i$ 为每层沙量(g)；s为积沙仪进沙口面积(cm²)；t为积沙时间(min)； $q_i$ 为每层集沙仪的输沙率(g·min⁻¹·cm⁻²)。

3.4. 数据处理

采用Excel 2017对输沙率和粒度组成进行计算，ArcGIS进行研究区位置示意图的绘制，并利用Origin 8.5进行图表的绘制。

4. 结果与分析

4.1. 风沙流特征

大量研究已表明，风沙运动是一种贴近地表的沙子搬运现象，约90%的沙粒集中在地表30 cm以下 [9]，以裸沙丘(对照)的风沙流特征代表本研究区的风沙流特征，图5为1.5 m × 1.5 m PLA沙障、1 m×1 m PLA沙障和裸沙丘(对照) 0~90 cm高度内累积输沙量随高度的变化图，图中高度为每个集沙盒的上部高度。

由图可知，三种样地90 cm高度内累计输沙量百分含量变化规律相同，整体呈“凸”形曲线，从斜率上看，三种样地累积输沙量的随高度的增长速度呈先增后减的变化趋势，研究区的变化率比两种规格PLA沙障大，两种规格PLA沙障累积输沙量百分含量随高度的变化差异很小。0~30 cm高度内研究区输沙量占总输沙量的96.6%，1.5 m × 1.5 m PLA沙障输沙量占总输沙量的87.78%，1 m × 1 m PLA沙障输沙量占总输沙量的86.96%，由上可知，PLA沙障的设置很好的阻挡了当地风沙的移动，且1 m × 1 m PLA沙障的阻沙效果最好。

图5. 累积输沙量随高度的变化

由图6可知，1.5 m × 1.5 m PLA沙障、1 m×1 m PLA沙障和裸沙丘(对照) 0~90 cm高度内输沙率随高度的变化规律相同，均随着高度的增加而逐渐减少。与研究区相比，两种规格PLA沙障内各高度层的输沙率均显著减少，且1.5 m×1.5 m规格沙障内的各层输沙率高于1 m×1 m PLA沙障。研究区0~90 cm内的总输沙量为315.98 g，1.5 m×1.5 m PLA沙障和1 m×1 m PLA沙障内总输沙量为分别为87.91 g和66.60 g，分别为研究区的0.28和0.21倍。研究区风沙输移活动发生在距地表40 cm左右高度内，1.5 m×1.5 m PLA沙障的风沙输移活动高度与1 m×1 m PLA沙障相比略高，但均在20 cm左右。这可能是由PLA沙障材料自身特性造成的，PLA沙障为管状，无孔隙度，有研究表明PLA沙障对20 cm 高度的风速有明显的降低作用 [9]，表明PLA沙障具有很好的阻沙效果，且1 m×1 m规格沙障阻沙效果高于1.5 m×1.5 m 规格沙障。

图6. 输沙率随高度的变化

对三种样地近地表90 cm高度内输沙率与高度进行指数函数、线性函数、对数函数、幂函数和二次多项式曲线拟合，建立各层输沙率与高度之间的函数模型(表1)。由表1可知，1.5 m × 1.5 m PLA沙障和1 m × 1 m PLA沙障内各层输沙率随高度呈幂函数递减，拟合效果最好(R² = 0.9532和R² = 0.939)，研究区内风沙流结构遵循对数函数分布，拟合效果最好。

表1. 各层输沙率随高度(H)的拟合函数

4.2. 风沙流中不同粒级沙物质的垂直分布特征

1.5 m × 1.5 m PLA沙障、1 m × 1 m PLA沙障和裸沙丘(对照)内风沙流中沙物质在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~90 cm高度内不同粒级百分含量的变化，以每个高度的上限为横坐标作图，如图7所示。由图可知，下垫面条件不同，粒级含量也不同，三种样地风沙流中沙物质的粒级级配为细沙 > 中沙 > 极细沙 > 粗沙 > 粉粒。

图7. 不同粒级百分含量随高度的变化

三种样地风沙流中粉粒含量分布在40~90 cm高度内。对于极细沙，两种规格沙障和裸沙丘均表现为在0~10 cm高度内随着高度的增加而减少，且极细沙含量表现为1 m × 1 m PLA沙障 > 1.5 m × 1.5 m PLA沙障 > 裸沙丘(对照)；10~90 cm内随着高度的增加而增加，极细沙含量为1.5 m × 1.5 m PLA沙障 > 1 m × 1 m PLA沙障 > 裸沙丘(对照)，进入沙障后极细沙含量增多。对于细沙，PLA沙障和裸沙丘内均随着高度的增加呈先增后减的趋势，在0~10 cm高度层内1 m × 1 m PLA沙障风沙流沙物质中细沙含量最少，10~90 cm各高度层1.5 m × 1.5 m PLA沙障风沙流内细沙含量最多，其次为1 m × 1 m PLA沙障，裸沙丘风沙流沙物质细沙含量最少。对于中沙含量，三种样地均随高度的增加而减少，且裸沙丘含量最多，进入沙障后中沙含量减少。粗沙含量均随高度的增加波动减少，在0~10 cm高度层内裸沙丘风沙流沙物质中粗沙含量最多，1 m × 1 m PLA沙障风沙流沙物质中粗沙含量最少。10~90 cm各高度层内粗沙含量随高度的变化与极细沙、细沙含量变化规律不同，表现为裸沙丘 > 1 m × 1 m PLA沙障 > 1.5 m × 1.5 m PLA沙障。三种样地内风沙流中沙物质的粗沙含量随高度的增加呈先减后增再减的趋势，粗沙含量在0~10 cm和10~90 cm高度内的变化均与中沙含量变化规律相同。

沙粒粒径的大小影响着沙粒的运动，而风是沙粒运动的主要动力，由于研究区的风力较强，细颗粒物质在较高范围内运动，粗颗粒物质在相对较低范围内运动，因此，细颗粒物质(粉粒、极细沙)含量随着高度的升高而增加，粗颗粒物质(细沙、中沙和粗沙)含量随着高度的增加而减少。研究区流动沙地地表无阻碍物质，粗沙和中沙含量较PLA沙障高；当风进入障高为10 cm的PLA沙障后，与研究区相比，地表粗糙度和摩阻风速逐渐增加，风力减小，风沙流的携沙能力减弱，同时，近地表起沙沙粒急剧减少，从沙障前缘裸沙地即研究区到PLA沙障内，随着风沙搬运距离的增加，粗颗粒物质受PLA沙障的阻挡而堆积，使得土壤颗粒有变细的趋势，与研究区相比细沙和极细沙含量增多 [21] [22]。因此，PLA沙障的设置能显著改变风沙流中沙物质的机械组成，能有效阻拦风沙流中的沙粒，防风固沙效果显著。

5. 讨论

关于风沙流中输沙量的分布，众多学者进行了研究，有学者发现乌兰布和沙漠的风沙流输沙量集中在0~30 cm内，塔克拉玛干沙漠0~30 cm高度内的风沙流占总输沙量的47.3% [23]；张正偲等研究发现腾格里沙漠风沙流主要集中在地表100 cm内，占总输沙量的95.46% [24]。吴强等研究发现裸沙丘和留茬样地80%的累计含沙量均集中在0~30 cm [25]，本文研究发现0~30 cm高度内裸沙丘输沙量占总输沙量的96.6%，1.5 m × 1.5 m PLA沙障输沙量占总输沙量的87.78%，1 m × 1 m PLA沙障输沙量占总输沙量的86.96%。

关于风沙流结构，众多学者对风沙流中沙量的垂直分布做了许多研究，而我们知道影响风沙流结构的因素很多 [26]，大部分学者认为随着高度的增加其输沙量呈指数规律递减 [27]，但也有不同观点，认为高度与输沙量之间遵循对数函数、二次多项式、指数函数、分段函数。例如，李振全等在对黄河石嘴山至巴彦高勒段风沙入黄量的研究中发现风沙流输沙率与高度之间存在着幂函数关系，且随高度的增加输沙量不断衰减 [23]；闫德仁通过研究直压立式纱网沙障对近地表输沙量及风速的影响，发现直压立式纱网沙障输沙量随高度增加而降低，其拟合曲线均呈现出幂函数变化特征 [7]；董玉祥等对海岸横向沙脊表面0~40 cm高程内气流搬运的沙尘物质浓度或质量随高度进行分段函数拟合 [28]；沙丘背风坡输沙量以距沙面8~12 cm高度为界，下部输沙量随高度呈指数函数形式递减，上部为幂函数规律减少 [29]；康永德等在塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区对沙尘天气过程贴地层风沙流结构进行了研究，发现随着风速的增大，各高度层输沙量也随之增大，且幂函数是描述该地输沙通量的最优函数 [30]；包岩峰等通过野外观测分析毛乌素沙地流沙地表30 cm高度内的风沙流结构，认为随着风速的增加，气流中总输沙率增加，各高度层输沙率随风速的变化分别呈幂函数或指数函数关系，在风速相同的情况下，输沙率随高度增加而减小，呈幂函数或指数函数关系 [31]；哈斯对腾格里沙漠东南缘沙丘表面各部位输沙量观测数据的分析结果发现，在距沙面0~20 cm高度范围内，沙丘迎风坡各部位和丘顶输沙量垂线分布均符合单一指数递减规律。周丹丹等研究发现PLA沙障内风沙流结构遵循二次多项式分布 [9]，与本文研究结果不符，这可能是因为研究区域、下垫面、风速等条件不同。

有研究者认为离地表愈高气流所含的沙粒越细，而靠近地表的气流所含的沙粒越粗。王翠研究策勒绿洲—荒漠过渡带处流动沙丘和半流动沙丘风沙流沙物质在垂直高度层的变化特征，表明垂直高度层中粉沙和极细沙百分含量最大，黏粒百分含量最少，细沙百分含量次之，粉沙含量随着高度的增加，极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减 [32]；杨欢对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流粒径组成进行研究，结果表明随着高度的增加，三种沙丘中的中沙含量呈下降趋势，而极细沙和粉沙含量呈现出逐渐上升的趋势 [33]；徐军对乌兰布和沙漠流动、半固定、固定沙丘3种不同下垫面0~40 cm气流层内的风沙流结构的研究表明随高度的增加，中沙粒基本呈递减趋势，细沙粒呈现递增趋势 [34]。本文研究发现随着高度的增加，0~10 cm内两种规格PLA沙障和裸沙丘中细沙含量呈上升趋势，极细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势，在10~90 cm内两种规格PLA沙障和裸沙丘中粉粒和极细沙量呈上升趋势，细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势，与前人研究结果相同。

6. 结论

通过对1.5 m × 1.5 m PLA沙障、1 m × 1 m PLA沙障和沙障前裸沙丘(对照)内风沙流结构及气流中不同粒级沙物质在垂直方向的分布特征进行研究，得到以下结论：

1) 0~30 cm高度内研究区的输沙量占总输沙量的96.6%，1.5 m × 1.5 m PLA沙障输沙量占总输沙量的87.78%，1 m × 1 m PLA沙障输沙量占总输沙量的86.96%。

2) 1.5 m × 1.5 m PLA沙障和1 m × 1 m PLA沙障内输沙率随高度呈幂函数递减，研究区内输沙率随高度呈对数函数递减。与研究区相比，两种规格PLA沙障内各高度层的输沙率均显著减少，且1.5 m × 1.5 m规格沙障内的各层输沙率高于1 m × 1 m PLA沙障。

3) 两种规格PLA沙障和研究区风沙流中不同粒级沙物质在0~10 cm内含量随着高度的增加，细沙含量呈上升趋势，极细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势；在10~90 cm内中粉粒和极细沙量呈上升趋势，细沙、中沙和粗沙含量呈下降趋势。

4) 与研究区相比，当PLA沙障风沙流中粗沙和中沙含量减少，极细沙和细沙含量增多，颗粒有变细的趋势。PLA沙障的设置能显著改变风沙流中沙物质的机械组成，有效阻拦风沙流中的沙粒，1 m × 1 m 规格比1.5 m × 1.5 m规格PLA沙障的防风固沙效果显著。

基金项目

国家重点研发计划“内蒙古干旱荒漠区沙化土地治理与沙产业技术研发与示范”课题“绿洲、盐碱湖区沙害防治关键技术研究与示范(课题编号：2016YFC0501003)”子课题“绿洲、盐碱湖区动态演变过程”。

文章引用

吴雪琴. PLA沙障的风沙流颗粒分布特征
Particle Distribution Characteristics of Aeolian Sand Flow in PLA Sand Barrier[J]. 地理科学研究, 2020, 09(02): 77-87. https://doi.org/10.12677/GSER.2020.92009

参考文献