吉林省西部沙地風蝕危害的調(diào)查研究

吉林省西部沙地風蝕危害的調(diào)查研究

吉林省西部的沙地是中國東北商品糧庫的重要組成部分，但沙地資源受到嚴重的土壤侵蝕（尤其是風蝕）造成的損害。據(jù)資料顯示,松嫩平原平播麥地每年被大風剝蝕的表土厚度0.5～1.0cm。風蝕不僅可造成土壤退化,還能引起沙塵暴等環(huán)境危害,嚴重地影響著我國的糧食安全。因而,開展該地區(qū)土壤風蝕自然環(huán)境、動力因子分析,探識風蝕運動規(guī)律,從地面粗糙度、理化性質(zhì)和風力作用等方面探索其時空動態(tài),具有重要的理論和現(xiàn)實意義,同時可為該區(qū)防治土壤風蝕決策和保證糧食安全提供科學理論依據(jù)。本文是在劉明義等開展沙地土壤風蝕動力因子分析的基礎上,新引入了土壤含水量、有機質(zhì)等理化性狀,分析了其與風蝕的關系,對沙地土壤風蝕機理做了進一步地探索,為該區(qū)防治土壤風蝕決策和保證糧食安全提供了科學理論依據(jù)。1—研究區(qū)概況吉林省西部沙地位于松嫩平原西南部,是由部分科爾沁沙地和部分松嫩沙地組成,地理坐標為東經(jīng)121°58′—129°11′,北緯43°59′—46°18′,是我國沙地的東部邊緣,也是除沿海沙地外,我國沙地中水分條件最好的沙地。地勢西北高,中間低,中南略微隆起,海拔180～600m。年均氣溫4.4℃,年降水量400～500mm,日照時數(shù)2800～3000h,干燥度1～1.5,年蒸發(fā)量1846.1mm,年均風速3.4～4.4m/s,8級以上風日年均46d,以3—5月份為最多,平均達27d,且西南風居多,頻率為59%,各月都有出現(xiàn)風沙天氣的可能。3—6月份揚沙天氣平均出現(xiàn)133d,占全年平均出現(xiàn)揚沙天氣153d的87%;沙塵暴92d,占全年平均出現(xiàn)日數(shù)96d的96%,4—5月尤為集中,屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候。在區(qū)域地質(zhì)構造上,該區(qū)位于松嫩斷陷盆地西部斜坡地帶,其底為白堊系紅色夾灰白、灰綠、灰黑色的礫巖、砂礫巖、砂巖和泥頁巖,地帶性土壤為栗鈣土,地帶性植被為草原。2材料和方法2.1試驗樣地的采集在研究區(qū)選取草地、風蝕耕地(裸地、玉米地、西瓜地、大豆地、向日葵、馬鈴薯等)、流沙地作為試驗樣地,測定土壤含水量、起沙風速、觀測推算地表粗糙度、大于起沙風速風日,采集用于風洞試驗的土樣。2.2地表粗糙度值的計算采用DEM6型輕便風速風向表在不同樣地地表分別測定據(jù)地表50cm和200cm高處1min的平均風速,每種地表共測9點,每一點測兩個高度各5次,并分別取平均值。每種地表兩個高度分別有9組風速值,據(jù)此推算地表粗糙度值,其計算公式為k=10lgz2?lgz11?A(1)k=10lgz2-lgz11-A(1)式中:k——粗糙度;z1,z2——地表以上兩個不同高度;A=v2/v1(v2,v1分別為z2,z1高度處的風速)。2.3土壤含水量和有機質(zhì)含量土壤含水量采用常規(guī)的105℃烘干法測定,土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定。2.4洞穴實驗段土壤樣品本研究風洞實驗在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所風沙物理與工程實驗室的直流閉口吹氣式沙風洞中進行,風洞實驗段長16.23m,截面積0.6m×1.0m。實驗樣品放置在可任意升降的土壤槽中,土壤樣品表面與風洞底部齊平,土壤槽位于實驗段入口下風向12.06m處。在土壤槽后放置20cm高的階梯式集沙儀,集沙儀入口截面積為2cm×2cm。風蝕量采用感量為1%的電子天平測定,風速用畢托管測定。2.5風蝕性氣候因子法目前關于風蝕性氣候因子的計算公式有多種,本研究根據(jù)吉林省西部沙地的氣候條件,采用1979年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)修正的公式計算風蝕性氣候因子。C=1100∑i=1nu3(ETPi?PiETPi)d(2)C=1100∑i=1nu3(EΤΡi-ΡiEΤΡi)d(2)式中:C——風蝕性氣候因子;u——月平均風速(m/s);Pi——月平均降水量(mm);d——月天數(shù);ETPi——月潛在蒸發(fā)量(mm)。3結果與分析3.1播種方向的確定地表粗糙度是表征下墊面(地表)的一個重要物理量,也是衡量防沙治沙效益的一個重要指標。它是指地表上平均風速減小到零的某一高度(一般以厘米為單位),可以反映地表對風速減弱的作用以及對風沙流的影響。它對風力有削弱作用,其值大小主要取決于地形的起伏、植被覆蓋及作物的播種方向。地表粗糙度增加,在一定程度上可以控制土壤風蝕,抑制揚沙天氣出現(xiàn),改善生態(tài)環(huán)境,因而,地表粗糙度是衡量土壤風蝕沙塵危害防治效應的重要指標之一。研究結果表明,不同植被覆蓋的地表粗糙度均不相同,天然草地最大,平播耕地出苗前最小。對不同粗糙度地表的風洞試驗結果表明,在相同風速條件下,土壤風蝕量隨粗糙度增大而減小。在風蝕量隨粗糙度減小的過程中,最初隨粗糙度的增大,風蝕量急劇減小,這種減小的幅度隨著地表粗糙度的增加而變小。風蝕量急劇減小的轉(zhuǎn)折點在粗糙度為0.045cm附近,隨著粗糙度的增大,風蝕量的減小已經(jīng)很不明顯,曲線已變得比較平直,二者近似地呈負指數(shù)關系。當風速為較小,如為8m/s和10m/s時沙塵隨粗糙度的增大已有所沉積。3.2土壤的物理和化學性質(zhì)3.2.1含水量對風蝕的影響土壤含水量與其風蝕關系極為密切。有研究表明,當土壤中有水分存在時,水分子與土壤顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內(nèi)聚力,增強了土壤的抗風蝕性。Chipil和Bisa等分別利用風洞研究了土壤含水量與風蝕之間的關系,認為土壤含水量是抑制風蝕的主要因素之一。胡孟春等的風洞模擬結果顯示,沙土含水量是重要的抗風蝕因子。本研究通過對流沙地和風蝕耕地不同含水量土壤的風洞試驗結果也表明,土壤含水量與土壤風蝕程度和風蝕臨界風速關系密切。風蝕程度的大小受很多因素的影響,而對土壤來說,最直接和常見的是土壤水分的變化。在相同風速吹蝕下,流沙地土樣和風蝕耕地土樣的風蝕量均隨含水量的增加而減小。在風蝕量隨含水量減小的過程中,起初隨著含水量的增加,風蝕量急劇減小,這種減小的幅度會隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達到近飽和時,就基本沒有風蝕產(chǎn)生了(圖1)。雖然流沙地和風蝕耕地土樣的風蝕量隨含水率的變化具有相同的趨勢,但又有各自不同的特點。主要表現(xiàn)在3個方面。(1)流沙地土樣對含水率的響應要更敏感一些,在開始時少許的水分增加,所引起風蝕量的減小要比風蝕耕地更大;(2)流沙地土樣在含水率3%附近時,風蝕量已減小到一個很低的程度,而風蝕耕地土樣的這一轉(zhuǎn)折點在含水率4.5%附近;(3)2種土樣在同一含水量情況下的風蝕量不同,風蝕耕地土樣的風蝕量要大于流沙土樣,但隨著含水量的增加,其差異會趨于縮小。風蝕量與土壤含水量間近似地呈負指數(shù)關系。臨界風速也是反映土壤風蝕性的一個重要指標。臨界風速高,說明土壤不易風蝕;臨界風速低,則表明土壤易受風力侵蝕。臨界風速的大小不僅與土壤質(zhì)地有關,不同的土壤含水量,也會對臨界風速產(chǎn)生不同的影響。土壤風蝕臨界風速隨土壤含水量的增大而增大,且在相同含水量情況下,流沙地土樣的臨界風速要明顯高于風蝕耕地土樣。因而,含水量對流沙地臨界風速的影響要比風蝕耕地大。土壤含水量的增加增強了土壤顆粒之間的結合力,提高了土壤風蝕的臨界風速,從而增強了土壤的抗風蝕能力(圖2)。3.2.2土壤有機質(zhì)含量與土壤水穩(wěn)性關系風蝕作用是荒漠化地區(qū)土壤養(yǎng)分變異的重要動力。風蝕造成土壤表層粗化,細物質(zhì)減少,同時有機質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)也減少。因而,有機質(zhì)含量較高的土壤具有較強的抵抗侵蝕的能力,土壤有機質(zhì)是土壤水穩(wěn)性結構的膠結劑,含有機質(zhì)豐富的土壤可形成較多良好結構,增強了土壤抗蝕能力。通過土壤有機質(zhì)含量與其風蝕量關系的風洞試驗研究表明,在風速和其它條件一定的條件下,土壤風蝕量與土壤有機質(zhì)含量呈負相關(圖3)。土壤有機質(zhì)含量一定時,土壤風蝕量隨風速的增大而增大。3.3土壤侵蝕方程風是土壤侵蝕的直接動力來源,1965年美國學者伍德拉弗(N.P.Woodruff)和西多威(F.H.Siddoway)從土壤可蝕性、風蝕性氣候因子等5個方面對土壤侵蝕進行了分析研究,提出了土壤風蝕方程式,且在許多方面都得到了廣泛的應用。筆者運用該方程式從風蝕性氣候因子和侵蝕性風能及挾沙風等方面對吉林省西部風蝕進行了分析探索。3.3.1決定風速大小的因素風是風沙運動的原動力。在沙粒的整個運動過程中,在風向一定的條件下,風速的大小始終起著決定性的作用。起沙風速是決定沙粒運動的外在根本因素,它與氣流輸沙量亦存在一定的數(shù)量關系,是產(chǎn)生風沙流輸沙過程的必要條件。(1)沙地的起沙風速沙經(jīng)過連續(xù)幾年風季的野外測試[用手持式風速儀測定耕地風沙起動的速度(1m高處風速)]表明,該區(qū)的主要風向為西南風,且風向頻率高達50%以上。歷年平均風速由西向東遞減,以西部的通榆、白城一帶為最大。同時,不同地表類型,其起沙風速也不盡相同,流動沙丘的起沙風速為9.0～10.3m/s,流沙地的起沙風速為7.3～8.8m/s,草地的起沙風速為8.3～12.1m/s,風蝕耕地的起沙風速為6.3～7.9m/s。顯然耕地更易受到風蝕的危害,因而要求在開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時,更應注意對土地的保護。吉林省西部沙地大于起沙風速的風日數(shù)在空間分布上也很不均勻,總體為自西北向東南逐漸減小,西北的通榆≥起沙風速10.3m/s的風日為86.28d,≥起沙風速6.7m/s的風日為229.80d,到了東南的扶余、前郭就分別減為≥起沙風速10.3m/s的風日43.32d和21.60d,≥起沙風速6.7m/s的風日143.28d和131.76d。(2)影響因素:主要因素風速的大小直接影響風蝕的強度,是影響土壤風蝕量的主要因素。草地、耕地和沙地不同地類風洞試驗結果表明,當風速大于臨界起沙風速時,土壤風蝕量隨風速增大呈冪函數(shù)增長,即近似地與風速的立方呈正比。(3)沙粒的旋轉(zhuǎn)作用挾沙風的運動具有氣、固兩相特征,在氣流作用下的沙粒有3種運動形式,即蠕移、躍移和懸移。沙粒躍移是最為重要的運動形式,這不僅是因為躍移沙粒占全部輸沙量的75%以上,而且它也是導致蠕移和懸移的重要原因。躍移沙粒在風場中運動時,除受到重力、空氣的拖曳力外,還會因為碰撞等原因?qū)е律沉ＰD(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速每秒高達幾百至上千轉(zhuǎn),因此具有更大的動能,對土壤表面直接撞擊,使風蝕量加大。另外,粒徑較大的沙粒在蠕移過程中對土壤表面產(chǎn)生磨蝕作用,也加大了對地表結構的破壞,使土壤變得更易風蝕。挾沙風中含有大量的沙塵,根據(jù)慣性原理可知,在速度相同的條件下,其能量比凈風要大得多,攜沙能力也遠遠地大于凈風。凈風、挾沙風不同風速與風蝕量關系風洞試驗結果顯示,不論是草地、耕地,還是沙地在風速相同的情況下,挾沙風的風蝕模數(shù)都比凈風大得多,這進一步說明了挾沙風比凈風更易產(chǎn)生風蝕。同時當風速超過臨界風速后,風蝕模數(shù)隨著風速的增大而增加,土壤風蝕程度隨風速近似地呈3次方遞增。3.3.2風蝕性氣候因子風蝕氣候侵蝕力是對影響風蝕的可能程度的量度,國際上一般用風蝕氣候因子來表示。風蝕氣候因子(C)是過去20余年內(nèi)國外廣泛應用的風蝕預報方程中的5個自變量之一,亦是荒漠化評價的重要指標。風力是引起風蝕的主要因素,但氣候條件對風蝕的作用與影響,不僅僅表現(xiàn)在風力的作用上,而是風速、降水和溫度等因子綜合作用的結果,因而風蝕性氣候因子是評價某一地區(qū)潛在風蝕的主要指標。據(jù)公式(2)計算,吉林省西部沙地風蝕性氣候因子為155.2,是我國氣候侵蝕力較強的地區(qū)。在季節(jié)變化上,春季3—5月份最大(76.2),其次為秋季9—11月份(35.6)和冬季12—2月份(26.3),夏季最小,在6—8月份(17.0)。在空間分布上,也很不均勻,西北部的通榆縣最大,達318.7,東南部的前郭最小,僅為82.2,從西北部向東南部逐步遞減(表1)。春季降雨較少,下墊面植被覆蓋率低,風速較大,因而風蝕氣候侵蝕力最大,冬季下墊面植被覆蓋率較低,風速最大,但有降雪覆蓋,其風蝕氣候侵蝕力較小。夏季降雨較多,且下墊面植被覆蓋率最大,其風蝕氣候侵蝕力最小?？臻g分布上是由于降雨、風速自西北向東南遞減的原因,導致風蝕氣候侵蝕力自西北向東南遞減。4土壤風蝕。據(jù)風蝕的中心,其也有3.(1)吉林省西部沙地多西南風,風向頻率超過50%,為主害風。歷年平均風速由西向東遞減,以西部的通榆、白城一帶為最大。同時,不同地類的臨界起沙風速亦不相同,草地為8.3～12.1m/s,流沙地為7.3～8.8m/s,流動沙丘為10.3m/s,風蝕耕地為6.3～7.9m/s。(2)該區(qū)土壤風蝕隨地表粗糙度、土壤含水量和有機質(zhì)含量的增加而減小,其風蝕量與地表粗糙度、土壤含水量近似地成負指數(shù)關系,與土壤有機質(zhì)含