綠洲-沙漠過渡帶不同下墊面風況及輸沙勢對比分析

綠洲-沙漠過渡帶不同下墊面風況及輸沙勢對比分析

風作為一個向量，不僅有大小，還有方向。風是近地表土壤風蝕和沙物質(zhì)搬運、堆積的主要動力,而沙物質(zhì)的堆積和風沙地貌的形成和發(fā)展則是風力作用的結果。因此,風動力研究是區(qū)域土壤風蝕、風沙活動強度評價的基礎。許多學者針對南疆沙漠地區(qū)的起沙風和風沙活動強度進行了研究。輸沙勢(sanddriftpotential,DP)是衡量區(qū)域風沙活動強度及風沙地貌演變的重要指標。由于計算輸沙率需要考慮實地切應速度、粗糙度、地表植被狀況、沙的平均粒徑、含水量等因素,所以用相對潛在的輸沙率即輸沙勢來探討各地沙粒輸送能力。不同的學者在風洞和野外觀測下針對植被蓋度、土壤水分等因素與地表風蝕量之間的定量關系展開了大量研究。綠洲-沙漠過渡帶是綠洲與沙漠生態(tài)系統(tǒng)的連接地帶,其生境脆弱、敏感、易變,是綠洲與沙漠生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞的場所。有關針對沙漠邊緣過渡帶不同下墊面的風沙活動強度空間分布規(guī)律研究較少,本文對策勒綠洲-沙漠過渡帶不同下墊面風況和地表蝕積變化差異進行分析,初步探討了不同下墊面地表風沙活動強度的時空分布規(guī)律,對提出合理的綠洲-沙漠過渡帶生態(tài)修復建議、建立合理的防風固沙措施、維護綠洲生態(tài)安全具有重要的理論和實踐意義。1沙區(qū)主要天氣策勒縣位于塔克拉瑪干沙漠南緣與昆侖山北麓之間,地理位置80°03′24″-82°10′34″E,35°l7′55″-39°30′00″N,屬典型內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候,夏季炎熱,干旱少雨,光熱充足,日照時間長,晝夜溫差大,極端最高氣溫41.9℃,極端最低氣溫-23.9℃。多年平均降水量為35.1mm,年潛在蒸發(fā)量2600mm。由于地處塔里木盆地兩大主導風向(NW,NE)的下風區(qū)域,風沙災害頻繁,多年平均沙塵天數(shù)25.2d,最多年高達59d,每年8級以上大風3~9次。在歷史上策勒縣城曾3次因風沙埋沒而被迫遷移,風沙災害天氣嚴重制約著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。研究區(qū)風向以WNW、W風為主,頻率占62.43%~76.25%,NW風次之,頻率占17.75%;策勒流動沙丘沙粒度以極細沙為主,其中極細沙含量多在70%左右,粉沙含量20%。策勒綠洲-沙漠過渡帶大面積分布于縣城西北方向,研究區(qū)面積約50km2,從流沙前沿到半固定沙地、固定沙地、綠洲內(nèi)部2m高年平均風速分別為2.36,1.75,1.6,0.96m/s,過渡帶地表土壤平均容重為1.422g/cm3。2地表覆蓋及樣方設置在策勒綠洲-沙漠過渡帶流沙前沿沿主風向方向至綠洲內(nèi)部不同下墊面依次布置4個氣象觀測站,氣象站型號為HOBOU30。1號氣象站下有流動沙丘分布,地表植被以稀疏高大的檉柳灌叢為主及稀疏的鹽生草、荷西菊等,檉柳沙堆平均高2~3.5m,地勢較為平坦;2號氣象站地表主要分布檉柳、花花柴、駱駝刺等混生群落,地勢較為起伏,西北方向有1條寬約100m的高大檉柳灌叢沙堆鏈,沙堆鏈基本垂直于主風向呈南北走向,代表半固定沙地;3號氣象站地表分布蓋度較大的駱駝刺群落,駱駝刺沙堆形態(tài)較為扁平,多不發(fā)育,地勢相對較平緩,為固定沙地。1~3號氣象站下墊面底部檉柳沙堆的密度分別為176,572,80個/km2。4號氣象站位于綠洲內(nèi)部,種植棉花、石榴等農(nóng)作物,為平沙地,植被蓋度20%以上。1號距離3號氣象站4.7km,為天然植被過渡帶,每個氣象站安裝0.5,1,2,4,8m共5層高度風速風杯和10m高的風速風向標,觀測指標有風速、風向等。1~3號點地表植被蓋度逐漸增加,分別為3%,27%,67%,地形總體逐漸升高。在1~3號點底部設置樣方,并采用插釬法觀測地表蝕積變化。1號樣方插121根風蝕釬,間隔1m×2m,原始樣地為人工推平沙地;2號樣方插87根風蝕釬,間隔1m×1m;3號樣方插82根風蝕釬。每個樣方風蝕釬和植被位置用全站儀測量確定,利用風蝕釬在一定時間內(nèi)的高度差確定樣方內(nèi)地表蝕積變化量,并繪制等蝕線圖。2號樣方因放牧破壞部分數(shù)據(jù)缺失故未用,采用風蝕釬數(shù)據(jù)時段為2011年7-10月。所有的氣象數(shù)據(jù)及風蝕釬高度數(shù)據(jù)用Excel2003、Origin8.0、Surfer8.0、AutoCAD2010軟件分析并繪制相關圖件。采用目前國內(nèi)外常用的計算公式計算輸沙勢:DP=V2(V-Vt)t。式中:DP為輸沙勢,在數(shù)值上用矢量單位(VU)表示;V為大于臨界起動值的風速(海里/h);Vt為臨界起動風速(海里/h);t為起沙風作用的時間,一般以頻率表示。由于風是一種矢量,根據(jù)矢量合成法則將16個方位輸沙勢進行合成,就得到合成輸沙勢(RDP)和合成輸沙方向(RDD),它可以反映一個地區(qū)凈輸沙能力的大小。合成輸沙勢與輸沙勢的比值稱為方向變率指數(shù)(RDP/DP),用來反映一個地區(qū)風向組合情況。Fryberger根據(jù)輸沙勢大小,將風環(huán)境分為高能(>400VU)、中能(200~400VU)及低能(<200VU);另外,他還將方向變率指數(shù)分為大比率(>0.8)、中比率(0.3~0.8)及小比率(<0.3)3種。研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠盆地西南緣,一般2m高瞬時沖擊起沙風速取5m/s,10m高瞬時沖擊起沙風速取6m/s,所有氣象數(shù)據(jù)都是每1min間隔采集1次,按4個氣象站全年的2m高和10m高大于起沙風的風速、風向氣象數(shù)據(jù)進行篩選,統(tǒng)計分析,最后得出全年4個下墊面的輸沙勢、合成輸沙勢、方向變率、合成輸沙方向。3風動力和輸沙場的空間變化3.1月內(nèi)日沙風頻率隨時間的變化由單從策勒流沙前沿到綠洲內(nèi)部,越接近地表、月平均風速越大時其平均風速削減得越多,流沙地在0.5~2m相同高度上比半固定沙地、固定沙地平均風速都要大很多(圖1)。隨著地表植被覆蓋度的增加,增大了地表的粗糙度,并且離地面高度越低風速降低得越多,不同高度的風速進入綠洲內(nèi)部后由于受到高大防護林網(wǎng)和農(nóng)作物的影響都有很大程度的減弱。6月份是1號流沙地下墊面底部月平均風速的最大月,與流沙地相比,綠洲-沙漠過渡帶半固定、固定沙地0.5m高處月平均風速依次減少了47.46%,64.75%,半固定沙地、固定沙地、綠洲內(nèi)部2m高處的月平均風速依次減少了25.22%,27.93%,65.27%。策勒流沙前沿2011年全年主風向以WNW和W風為主,分別占全年起沙風頻率的42.04%和28.4%,2個方位的起沙風向頻率占全年起沙風向的70.44%,起沙風次風向以NW、E、ESE風為主,其余方向的起沙風頻率很小(圖2)。這與全年16個方位輸沙勢分布玫瑰圖分布相一致。1~4號氣象站全年的起沙風時間和頻率由流沙前沿到綠洲內(nèi)部有很大程度的減少(表1)。1號流沙地全年2m高起沙風頻率別為2號,3號的4.73,4.35倍,1號流沙地10m起沙風頻率分別為2號,3號的1.44,1.74倍,尤其是受多道人工防護林網(wǎng)及農(nóng)作物影響進入綠洲內(nèi)部后,4號氣象站點的起沙風頻率很小,幾乎為0。2號半固定沙地近地表受高大檉柳沙堆的影響較大,其全年起沙風頻率略小于3號氣象站點。3.2輸沙勢與方向變率1~4號氣象站2m高全年輸沙勢分別為31.87,3.673,3.57,0.0077VU,1號氣象站年輸沙勢和合成輸沙勢分別為2號、3號、4號的8.68,8.93,4138.96倍和13.76,7.62,3541.89倍(圖3(a)),1~4號氣象站10m高年輸沙勢分別為70.89,36.93,33.04,2.51VU,1號氣象站10m高輸沙勢和合成輸沙勢分別為2號、3號、4號氣象站的1.92,2.15,28.24倍和1.72,1.90,22.65倍(圖3(b))。從1號到3號氣象站,隨著植被蓋度的增加2m高輸沙勢較10m高的輸沙勢減少更加明顯。4,5,6,7月幾個月輸沙勢比較大,其中全年最大輸沙勢月份集中在6月份,其次為7月、5月、4月,1月份4個下墊面的輸沙勢都為0(表2),這4個月輸沙勢均約占全年輸沙勢的50%。表明策勒每年風季主要集中在春夏季節(jié),冬季風沙活動很微弱。年輸沙勢在16個方位上以WNW、W方向輸沙勢最大(表3),2個方位的輸沙勢均占全年輸沙勢的75%以上。說明策勒為低能風沙環(huán)境,風況為單峰狀況,這與俎瑞平的研究結論相一致。方向變率RDP/DP除2號氣象站點2m高受地形的影響較大,為0.52,為鈍雙峰風況外,其余的都介于0.77~0.96之間,3號點2m高度方向變率為0.96,屬大比率單峰風況,其余基本都屬于大比率方向變率。從流沙前沿經(jīng)半固定沙地到固定沙地進入綠洲內(nèi)部,1~4號下墊面風力、輸沙勢及合成輸沙勢急劇減弱,過渡帶合成輸沙勢方向在108°左右,與1年內(nèi)起沙風風向分布頻率相一致,進入綠洲內(nèi)部由于多道農(nóng)田防護林網(wǎng)和農(nóng)作物的防護作用,平均風速、合成輸沙勢在近地表變得極小,且合成輸沙勢方向有所改變,變成WSW方向,地表很少起沙,對于農(nóng)田有極好的防風蝕作用。2號半固定沙地2m高的輸沙勢大于3號點,而合成輸沙勢又小于3號點,說明了2號半固定沙地總體風沙活動強度大于3號點,而由于高大檉柳沙堆的阻擋造成地表起伏度增加,同時造成起沙風向多變,總體風沙搬運能力減弱,使更多的起沙沙粒堆積在高大檉柳、花花柴等灌叢沙堆周圍。4個不同下墊面2m高月輸沙勢從3月份開始到7月份,隨著月平均風速的增加1號流沙地增加顯著,2號、3號過渡帶由于天然植被及地形的影響平均風速依次消減,月輸沙勢有所增加,但增加幅度不大,進入綠洲內(nèi)部輸沙勢很小,幾乎可以忽略(圖4)。1號流沙地4,5,6,7月的輸沙勢分別為4.85,5.45,7.51,7.63VU,說明了4,5,6,7月是策勒風沙活動最為頻繁的階段,7月份達到風沙活動最強烈階段,同時從3月份開始地表月平均氣溫逐漸增加,7月份達到月平均氣溫最高點,從8月開始月平均氣溫開始下降,翌年1月份到達到最低,也是4個氣象站輸沙勢都是0的月份,這也反映了綠洲-沙漠過渡帶風熱同步的現(xiàn)象,9月份是一個風沙活動的小高峰期。秋冬季節(jié)起沙風頻次大大減少,所以做好策勒春夏季節(jié)的農(nóng)田地表防護措施至關重要。4,5月份過渡帶植被還未返青,防護效益差,應保護好過渡帶的天然植被,有效地發(fā)揮綠洲外圍生態(tài)防護屏障作用。3.3號半固定沙地沙堆植被覆蓋度高、土壤風蝕量大的柳、林分沙場分布1號流沙地1年內(nèi)地表單位面積凈風蝕量為48.682kg/m2,2號半固定沙地在4個月內(nèi)凈風積量為11.649kg/m2,3號固定平沙地年單位面積凈堆積量為2.54kg/m2(表4),2號點為靠近綠洲邊緣植被蓋度為67%的3號固定沙地1年內(nèi)凈蝕積量的4.5倍之多。趙彩霞等表明,在防風蝕的作用效應中以灌木>多年生牧草>林木>作物>一年生牧草;總時空植被覆蓋度與總土壤風蝕量呈“反相位”的動態(tài)變化。2號下墊面附近多發(fā)育地形高大的檉柳灌叢沙堆,其防風蝕效應大于花花柴和駱駝刺、鹽生草群落,2號半固定沙地1年的合成輸沙勢為1.91VU,小于3號固定沙地年合成輸沙勢(3.44VU),說明2號點附近地表阻沙效益強于3號點下墊面。1號流沙地為強烈的風蝕區(qū),并伴隨流動沙丘前移(圖5),1號流沙地經(jīng)過強烈的侵蝕,搬運在2號點附近密度較大檉柳和駱駝刺、花花柴根部發(fā)生大量堆積(圖6),3號平沙地由于植被蓋度大,使地表風速繼續(xù)降低、風沙活動持續(xù)減弱,駱駝刺沙堆間裸露沙地易輕微風蝕,而灌叢容易使沙粒受阻,輕微堆積在根部背后及附近(圖7)。由于綠洲內(nèi)部的防護林網(wǎng)和農(nóng)作物的影響,綠洲內(nèi)部很少發(fā)生地表風蝕。除了植被蓋度以外,植被的密度、類型、高度、冠幅、排列方式等又影響著過渡帶風沙地貌的發(fā)育。4地表沙門氏地區(qū)的地表風蝕和土壤風蝕。在一般濕地(1)有效評價一個地區(qū)地表風沙活動強度除了考慮輸沙勢大小外,還要考慮植被蓋度和地形等因素的影響,近2m高地表輸沙勢更能實際地反映一個地區(qū)地表風沙活動強度,10m高度輸沙勢更能反映大面積裸露平沙地高空中風力的狀況,而不能代表近地表實際的風沙活動強弱程度。(2)策勒綠洲-沙漠過渡帶3個觀測點(1號、2號、3號)和綠洲內(nèi)部觀測點(4號)的月平均風速、起沙風頻數(shù)和起沙風平均風速、DP、RDP都呈現(xiàn)出由綠洲外圍向內(nèi)部逐漸減少的趨勢。這主要是由下墊面的植被差異引起的,表明植被具有顯著的防風效應。(3)流沙前沿表現(xiàn)出強烈的地表風蝕,并伴隨流動沙丘前移,半固定沙地上整體表現(xiàn)出地表大量風積,固定平沙地上整體表現(xiàn)為輕微的地表風蝕和風積,綠洲內(nèi)部地表很少發(fā)生風蝕。(4)策勒風沙活動主要集中在4-7月春夏季節(jié),在春季天然植被還未返青,地表裸露程度高、防護效益較差,做好天然植被的保護措施對維護策勒綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)安全至關重要。土壤風蝕是干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一,受氣候、土壤、植被和人類等因素的共同制約,更加體現(xiàn)出風蝕系統(tǒng)的復雜性和綜合性。評價一個地區(qū)地表風沙活動強度時,不僅要考慮下墊面的植被覆蓋度、地形