北京市半濕潤區(qū)農(nóng)田風蝕特征研究

北京市半濕潤區(qū)農(nóng)田風蝕特征研究

北京位于中國北方半干旱氣候沙化區(qū)附近，受沙氣候影響。近年來,多次發(fā)生嚴重的災害性沙塵天氣,給首都市民的生產(chǎn)、生活造成嚴重影響,引起社會各界的廣泛關注。有研究表明,北京市的大氣沙塵顆粒物既有外來源,也有本地源,浮塵和塵暴顆粒物以外來源為主,而揚沙顆粒物主要產(chǎn)生于本地源。北京市近50a的沙塵天氣中,浮塵和沙塵暴分別占20%和9%,其余71%均為揚沙?？梢?北京市本地的風蝕起沙問題也是比較嚴重的,是大氣沙塵顆粒物的重要來源。對北京市本地沙塵源的調(diào)查結果表明,在各類裸地中,以裸露農(nóng)田的面積最大,是導致北京冬、春季節(jié)沙塵污染最重要的本地沙源。不同土地利用類型起沙起塵的野外觀測也表明,在同等風速條件下,可起沙性從大到小分別為翻耕地、留茬地、經(jīng)濟林地、荒地、防護林地和草地。裸露農(nóng)田、沙荒地、留茬地、建筑工地是北京市幾類主要的沙塵源地,其中裸露農(nóng)田面積最大,起沙(塵)最嚴重,是首要的沙塵源。之前,已有學者對北京市的農(nóng)田風蝕問題進行了研究。馮曉靜等利用可移動野外風蝕風洞對北京周邊典型農(nóng)田進行了農(nóng)田風蝕的研究,考察了耕作制度、地表狀況、風速、地表結皮和作物行向等因素對風蝕的影響規(guī)律。李曉娜等應用風蝕圈方法測定了延慶縣康莊不同土地利用方式下的月風蝕量,王升堂等利用集沙儀對玉米留茬地的地表風蝕量進行了野外觀測。目前來看,對北京市農(nóng)田風蝕問題的研究還很不充分,尤其缺乏深入的實地觀測。為此,于2009年春季開展了針對北京市本地主要風蝕農(nóng)田類型的土壤風蝕野外觀測工作,得到一些有益的結果,有助于加強對北京市農(nóng)田地表風沙活動規(guī)律的認識。1觀測地類和場地選擇1.1春季主要的風蝕農(nóng)田類型根據(jù)野外調(diào)查結果,在土壤風蝕最嚴重的春季,北京市主要的農(nóng)田地表類型包括小麥地、玉米留茬地和翻耕地3大類,合計可占到全市農(nóng)田面積的90%以上(不包括大棚蔬菜),其中小麥地地表在3月初還未解凍,到3月15日前后已開始反青,到3月底麥苗高度已達10cm,地表蓋度達到70%以上,基本不會起沙起塵,因此,春季主要的風蝕農(nóng)田類型是玉米留茬地和翻耕地,而翻耕地又分為耙平和不耙平兩類,二者風蝕特征存在顯著差異,因此,確定玉米留茬地、耙平翻耕地和不耙平翻耕地為本研究中主要的觀測地類。1.2春翻耕地的野外觀測北京市春季主導風向為西北風,野外觀測主要在位于主城區(qū)上風向的北郊進行。根據(jù)野外調(diào)查結果,北京市春季各類風蝕農(nóng)田中,秋翻耕地只在延慶盆地有大面積分布,玉米留茬地在全市各地都有大面積分布。4月中旬以后留茬地逐步被翻耕,到5月初,春翻耕地已成為北京市郊區(qū)一類主要的風蝕農(nóng)田類型。因此,秋翻耕地的野外觀測在有大面積分布的延慶縣舊縣鎮(zhèn)進行,玉米留茬地的野外觀測主要在順義區(qū)牛欄山鎮(zhèn)進行,春翻耕地的野外觀測在所觀測玉米留茬地被翻耕后的同一地點進行(表1)。具體的觀測位置在進行大面積的調(diào)查后確定,保證各觀測點的代表性和典型性。1.3風蝕物粒度和垂直結構的測量野外風場觀測使用的儀器是北京市防沙治沙工程技術中心與北京市氣象局聯(lián)合研制的野外用梯度風速儀,可同時觀測不同高度上的9個風速,風速的測量范圍為0.3～30m,分辨率為0.1m·s-1。該儀器配有數(shù)據(jù)采集器,能自動采集1min、10min和1h滑動平均數(shù)據(jù),結果以ASCII碼數(shù)據(jù)輸出,可直接用Excel軟件進行統(tǒng)計分析,以4m高度處風速作為野外觀測風速。地表風蝕起沙(塵)的收集主要使用的是北京市防沙治沙工程技術中心研制的新型平口式積沙儀(圖1),該儀器總高度85cm,沙塵采集高度60cm,采集梯度為30個連續(xù)的2cm×2cm進沙口,采集效率大于80%。此外,考慮到北京市地處半濕潤區(qū),春季大風日數(shù)不多、農(nóng)田風蝕較弱,地表起沙起塵量較小,一次大風天氣過程積沙儀收集的沙塵量有限,很難對風蝕物粒度特征和垂直結構等進行分析,本研究設計采用插桿黏捕加電鏡分析的方法對以上問題進行補充觀測。該方法的核心是利用了掃描電鏡分析中專門使用的一種含碳導電膠帶,這種膠帶具有黏性和導電性的雙重功能,可以較好的黏捕地表的風蝕物,并可置于電鏡下進行分析,因此,可以獲取在地表起沙起塵量較小,沙塵顆粒較細情況下的風蝕物粒度和垂直結構特征。具體做法是:將1m長、0.006m寬的導電膠帶貼在直徑為0.015m,長度為1.3m的插桿的一端,將剩余的0.3m插桿插入地下,使導電膠帶垂向直立于農(nóng)田地表,地上部分高1m(圖2)。導電膠帶面向沙塵來向,在風速達到起沙(塵)風速后迅速去除膠帶表面的保護膜,開始黏捕沙塵。根據(jù)風力大小和地表起沙起塵強度確定觀測時間,保證最下層膠帶上沙塵覆蓋度不超過40%,以保證集沙(塵)效率。在試驗結束后迅速將保護膜覆蓋在導電膠帶表面,固定后送到電鏡室進行分析。按照2cm間隔從插桿上取下導電膠帶置于電鏡下進行分析,確定0～1m高度內(nèi)風蝕沙塵的粒度特征和垂直結構。對比表明,同等風速下采用此方法收集的沙塵量與積沙儀收集的沙塵量相差小于10%。2效地表風蝕樣品2009年春季,在選定的兩處地點、4種地類上進行了7次的野外觀測,取得有效地表風蝕樣品14份,其中玉米留茬地6份,耙平翻耕地5份,不耙平翻耕地3份。同時,測定了各類風蝕農(nóng)田的地表粗糙度,采集了每一觀測點的表土樣品和每次觀測時的土壤水分樣品,以分析土壤的機械組成和濕度等與農(nóng)田風蝕密切相關的因子。2.1不同類型地表粗糙度對風蝕的影響在近地層中,風速與高度的對數(shù)成正比,即風速廓線是隨高度呈對數(shù)分布的,在半對數(shù)紙上表現(xiàn)為一條直線。根據(jù)風速廓線可以計算地表粗糙度。地表粗糙度是描述各種表面空氣動力學特征的重要參數(shù),粗糙度越大,地表起沙起塵越困難。即粗糙度反映了地表抗風蝕的能力,提高地表粗糙度可以有效地防止風蝕的發(fā)生。圖3為所觀測的各類風蝕農(nóng)田地表的風速廓線圖。從圖上可以看出,不同農(nóng)田地表類型的地表粗糙度存在差異。玉米留茬地的地表粗糙度相對較大(0.11m),翻耕不耙平地盡管有地壟存在,但高度較低、間距較小,地表粗糙度較之翻耕前有所降低(0.1m),翻耕并耙平地由于2m間距高地壟的存在,地表粗糙度大于不耙平地,與玉米留茬地相差不大。耙平后的秋翻耕地地表平坦,并且沒有地壟的影響,地表粗糙度最低(0.07)。由此可見,翻耕后耙平能夠顯著降低地表的粗糙度,有利于增加地表風蝕;不耙平、留茬和增加地壟高度均可以起到增加地表粗糙度,減少農(nóng)田風蝕的作用。2.2高度可蝕部分表土微團粒粒度分布是影響起動摩阻風速和地表風蝕的關鍵因素。為能夠最大限度地避免表土微團粒的破壞,本研究采用干篩篩析法對各類風蝕農(nóng)田表土樣品進行處理和分析。結果表明(表2),各類風蝕農(nóng)田中,不耙平翻耕地的土壤顆粒最粗,耙平翻耕地次之,玉米留茬地最細。根據(jù)Chepil的分類標準,不可蝕部分(粒徑大于1mm)分別占不耙平翻耕地、耙平翻耕地和玉米留茬地的56.51%、43.37%和38.42%;高度可蝕部分(粒徑小于0.4mm)分別占不耙平翻耕地、耙平翻耕地和玉米留茬地的25.83%、40.87%和45.77%。由此可知,從表土粒度角度分析,玉米留茬地最易風蝕,耙平翻耕地次之,不耙平翻耕地最弱。秋耙平翻耕地與春耙平翻耕地的表土粒度分布對比表明,二者在粒徑大于0.25mm部分的顆粒含量相差不大,在0.1～0.25mm部分秋耙平翻耕地含量較高,在粒徑小于0.08mm部分春耙平翻耕地含量較高,這很有可能是由于秋翻耕地發(fā)生土壤風蝕的時間較長,使懸移顆粒物不斷損失,而躍移顆粒物則在地表不斷累積造成的。同一地點的春耙平翻耕地與玉米留茬地表土粒度分布對比表明,二者粒度分布相似,只是春耙平翻耕地在粒徑小于0.08mm部分的含量明顯少于玉米留茬地,這進一步說明了在北京市冬春季風況條件下,粒徑小于0.08mm的細顆粒最易因土壤風蝕而損失。2.3不同農(nóng)田表土的水分含量土壤中的含水率亦是影響風蝕的重要因素,因為在濕潤狀態(tài)下,水分子與土壤顆粒之間的張力增大了顆粒間的黏聚力,從而增大了起動風速。在同一地點不同時間所采集的各種農(nóng)田表土的水分含量分析結果表明(表3),不同時間各種風蝕農(nóng)田中的水分含量有所不同,不同農(nóng)田類型表土水分含量的差異性也十分的顯著,但始終存在著玉米留茬地>耙平翻耕地>未耙平翻耕地的規(guī)律性,這說明翻耕可導致土壤中水分的損失,而耙平則可以減少土壤中水分的損失。從影響土壤風蝕的角度考慮,未耙平翻耕地土壤含水率最低,土壤顆粒之間的黏著力最小,有利于土壤風蝕的發(fā)生。耙平翻耕地次之,玉米留茬地土壤含水率最高,土壤顆粒之間的黏著力最大,不易發(fā)生土壤風蝕。2.4農(nóng)田風蝕特征2.4.1臨界起沙起塵風速考慮到北京市農(nóng)田風蝕的強度較弱,短時間內(nèi)用積沙儀難以收集到可供稱量的有效量,因此,實地野外觀測中,每次積沙的時間均較長。野外風具有較強的陣性,觀測時段內(nèi)風速波動很大,而只有超過臨界起沙(塵)風速的部分對于土壤風蝕才是有意義的。使用上面提到的插桿黏捕法觀測發(fā)現(xiàn),當風速達到4m·s-1后,一段時間內(nèi)膠帶上就可以沉積一定量的沙塵,并且風速越大,沉積的速率越快,由此可以推斷,對于北京市農(nóng)田來講,起沙起塵的臨界風速在4m·s-1左右。當然,不同農(nóng)田地表類型,甚至同一農(nóng)田類型在不同地表狀況下其臨界起沙起塵風速也有所不同,但為了統(tǒng)計的方便和相互之間的比較,本文中統(tǒng)一將臨界風速定為4m·s-1。這樣在每次風沙觀測中,統(tǒng)計大于4m·s-1風速的累計時間,并將其平均值作為積集沙時段內(nèi)的有效平均風速。2.4.2不同農(nóng)田地表風速對風蝕強度的影響積沙(塵)結果表明(圖4),北京市各類農(nóng)田地表的風蝕狀況存在顯著差異,耙平翻耕地風蝕強度最大,留茬地次之,不耙平翻耕地最弱。4.73m·s-1平均風速條件下,耙平翻耕地的輸沙量達到3g·m-1·h-1,同期玉米留茬地輸沙量為1.75g·m-1·h-1,而不耙平翻耕地為0.45g·m-1·h-1,與耙平翻耕地相差了將近7倍。5.65g·m-1·h-1平均風速條件下,耙平翻耕地的輸沙量為3.45g·m-1·h-1,玉米留茬地為2.92g·m-1·h-1,不耙平翻耕地為0.77g·m-1·h-1,與耙平翻耕地又相差了將近5倍?？梢?翻耕后的耙平可以顯著增加農(nóng)田地表的風蝕強度,而翻耕后不耙平與原來的玉米留茬地相比,風蝕強度有所降低。由前面的分析可知,與其他兩類農(nóng)田地表相比,不耙平翻耕地的地表粗糙度更低,表土的含水量也更少,風蝕強度較弱應該主要是由于表土顆粒較粗,可蝕物含量較少造成的。耙平使表土顆粒變細,粒徑小于0.08mm部分含量增加,顆粒之間的黏結力減弱,因此,最易發(fā)生風蝕。留茬地盡管地表也有較多的細顆粒物,但由于土壤含水率較高,土壤顆粒之間黏結力較強,因此,風蝕強度弱于耙平翻耕地。隨著風速增大,各類農(nóng)田地表的風蝕強度均呈增加的趨勢,并且都表現(xiàn)出較好的指數(shù)規(guī)律性,擬合得到的土壤風蝕經(jīng)驗方程的相關系數(shù)均在0.9以上(圖4)。各類農(nóng)田地表風速與風蝕強度的關系都可以表達為:y=AeBxy=AeBx式中:y為風蝕強度,g·m-1·h-1;x為大于起沙風速部分的平均風速,m·s-1;A,B為經(jīng)驗系數(shù),因農(nóng)田地表風蝕特征的不同而發(fā)生改變。從我們得到的結果分析,A值隨各類農(nóng)田地表風蝕強度的增加而增加,B值則隨農(nóng)田地表風蝕強度的增加而減小。據(jù)此分析,盡管在目前觀測到的風速條件下,各類農(nóng)田地表風蝕強度的差異非常顯著,但隨著風速的增加,不耙平翻耕地較之耙平翻耕地和玉米留茬地風蝕強度增加的更快,也就是說,隨著風速增大,各類農(nóng)田地表風蝕強度的差距將越來越小。2.4.3農(nóng)田地表輸沙量的垂線分布風蝕物垂直分布是指風蝕物含量乃至機械組成隨高度的變化,是表征農(nóng)田地表風蝕特征的重要參數(shù)。積沙結果表明(圖5),各類農(nóng)田地表輸沙(塵)量均隨高度增加而減少,并且在0～10cm層輸沙量減少較快,降幅達80%以上,10～60cm層內(nèi)輸沙量降幅放緩,70%左右的輸沙量集中在近地表30cm高度內(nèi)。對輸沙量隨高度變化規(guī)律進行擬合表明,各類農(nóng)田地表輸沙量的垂線分布均服從冪函數(shù)變化規(guī)律,相關系數(shù)均在0.7以上,其中耙平翻耕地盡管整體亦服從冪函數(shù)變化規(guī)律,但在0～25cm高度內(nèi)服從指數(shù)函數(shù)的相關系數(shù)大于冪函數(shù)。有研究表明,農(nóng)田風蝕物在0～20cm高度內(nèi)以指數(shù)函數(shù)規(guī)律遞減,反映了以躍移質(zhì)為主的風沙流結構;在20～100cm高度內(nèi)以冪函數(shù)規(guī)律遞減,反映的是懸移質(zhì)為主的風沙流結構。本研究中各類農(nóng)田地表的風蝕物垂直分布主要以冪函數(shù)規(guī)律遞減,可能是由于本地區(qū)風力較弱,粒徑相對較大的躍移質(zhì)不易被吹起,風蝕顆粒物以粒徑較細的懸移質(zhì)為主造成的,這與前面對表土微團粒粒度分布的分析結果是相一致的。耙平翻耕地最易風蝕,因此,表現(xiàn)出了與干旱、半干旱區(qū)農(nóng)田地表相似的風沙流結構特征。2.4.4沙化學和沉積相關系數(shù)法利用前面提到的插桿黏捕法采集農(nóng)田地表的風蝕物,在北京師范大學分析測試中心使用掃描電子顯微鏡對放大150倍后的沙塵顆粒進行拍照,然后使用一套MiVnt圖像分析軟件系統(tǒng)對照片上所有沙塵顆粒的粒度特征進行統(tǒng)計分析。由于采用此種方法花費較大,需要的時間也較長,因此,本研究中重點對在耙平翻耕地上所取得的一組樣品進行了分析。當時平均風速為4.7m·s-1,采樣時間為20min。按照2cm間隔共分析了0～100cm高度上的50個樣品,統(tǒng)計沙塵顆粒49381個。結果表明,采用此方法得到的沙塵百分含量隨高度的變化亦遵循冪函數(shù)遞減規(guī)律,相關系數(shù)在0.9以上(圖6A),并且在0～30cm高度內(nèi)遵循指數(shù)函數(shù)的相關系數(shù)(0.91)大于冪函數(shù)(0.84),這與采用集沙儀觀測所得結果是基本一致的,說明這種方法具有一定的科學性和合理性。對各個高度上沙塵粒度特征的統(tǒng)計分析表明(圖6B),風蝕物的粒徑范圍在0.1～120μm之間,以10～80μm粒徑為主,占到總量的90%以上,這與前面對表土粒度特征分析得到的結論是相統(tǒng)一的。粒徑小于100μm的顆粒物由于質(zhì)量較輕,在大氣中主要以懸移方式運動。本研究中絕大部分風蝕物粒徑都在100μm以下,反映了以懸移質(zhì)為主的風沙流結構特征。風蝕物平均粒徑為44μm,中值粒徑為33μm,偏度值為負,表明風蝕物中粒度更加集中在粗段部分。分選系數(shù)(SO)在2～3之間,根據(jù)菲赫特鮑爾提出的SO的分級標準,分選度中等。風蝕物粒度特征沿垂直方向變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。隨著高度增加,風蝕物的最大粒徑和平均粒徑均呈減少的趨勢(圖6C和圖6D)。2cm高度處風蝕物最大粒徑為117μm,平均粒徑為57μm;50cm高度處最大粒徑為68μm,平均粒徑為42μm;100cm高度處最大粒徑為55μm,平均粒徑為27μm。對風蝕物粒度特征沿高度變化進行擬合表明,無論是最大粒徑還是平均粒徑沿高度的變化都服從冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)遞減規(guī)律,并且相關系數(shù)都在0.75以上,只是服從指數(shù)函數(shù)的相關系數(shù)稍大于冪函數(shù)。地表0～30cm高度內(nèi)風蝕物粒徑遞減較快,向上逐漸變緩,這與輸沙量沿高程的分布特征是一致的,主要是由于下層受到躍移顆粒的影響,向上隨著高度增加,躍移質(zhì)含量不斷降低,風蝕物粒徑快速減小,30cm以上風蝕物主要以懸移質(zhì)為主,輸沙(塵)量與粒徑變化較之躍移層要小得多。3農(nóng)田地表結構風蝕強度分布特征目前,我國對于土壤風蝕的研究主要集中在干旱和半干旱地區(qū),在半濕潤區(qū)相關研究開展的不多。北京市作為中國的首都,其農(nóng)田風蝕問題受到了一定的關注,開展了部分研究,但與干旱、半干旱區(qū)相比,研究的深度和廣度均存在較大差距,尤其缺少系統(tǒng)的野外定量觀測工作,致使學術界在本地沙塵源對北京市沙塵顆粒物的貢獻問題上