永定河沙地不同土地利用類型下墊面輸沙結構研究

永定河沙地不同土地利用類型下墊面輸沙結構研究

土壤風暴是指土壤及其母親在風和力的作用下發(fā)生的侵蝕、分類和運輸過程。其實質是氣流或氣固流對地表物質的侵蝕和研磨（陳渭南，1991；董志寶，1995）。風蝕是土地沙化的一個基本過程和重要原因(吳正,2002)。在風蝕地區(qū)開展風沙運移方式(劉賢萬,1995;董治寶,1995)、風沙流結構(劉賢萬,1995;黃福祥,2001;2002)、人為活動對風蝕的影響等方面的研究(董治寶,1997;劉玉璋,1992;王濤,1999),對區(qū)域土地沙化的防治有重要的理論和實踐意義。永定河沙地是北京市五大風沙源之一,區(qū)域內分布著北京市面積最大的風蝕沙化土地。由于長期開發(fā)利用,北京市永定河流域的絕大部分地區(qū)受到了人為活動的巨大影響,不同土地利用方式下土壤性質和土壤風蝕的影響因子明顯不同,風蝕規(guī)律差異較大。本文選擇北京市永定河沙地4種典型土地利用類型(耕地、林地、荒草地、河灘地),在野外觀測、調查的基礎上,對起沙風速、粗糙度、輸沙量、風沙流結構、機械組成、風蝕量等進行研究。1降雨、風勢分析試驗地位于北京市大興區(qū),屬于海河水系的永定河洪積-沖積平原,是永定河沙地的典型地段。試驗區(qū)年平均氣溫11.5℃,多年平均降雨量為568.9mm,降雨主要集中在7、8月份,占全年降雨量的65%左右。冬春兩季干旱,多風且風速大,出現(xiàn)8m·s-1的大風日平均每年23.3d,以西北風為主。主要為風沙土,土壤結構差,有機質含量低,極易受到風蝕。境內人工營造植被為主體。2學習方法2.1林地及河灘地類型試驗地選擇永定河河漫灘典型沙帶,北起蘆城鄉(xiāng)高家堡,南至榆垡鎮(zhèn)十里鋪,全長42km。大部分沙層在2m以上,土壤瘠薄、干旱,下墊面結構較均一。根據(jù)土地利用分類標準,該區(qū)域目前可分成4種典型的土地利用類型:耕地、林地、荒草地、河灘地。其中耕地和林地屬于土地利用一級分類中的農(nóng)用地,在當?shù)鼐又鲗У匚?荒草地和河灘地屬于未利用地,在研究區(qū)域屬于比較典型的土地利用類型。根據(jù)覆蓋度將荒草地分為稀疏荒草地與荒草地2種類型。耕地:耕地有極少量玉米(Zeamays)留茬,覆蓋度在2.5%左右,耕地外圍設有防護林網(wǎng),在林網(wǎng)內部的耕地上沿防護林帶主害風向軸線,距背風林緣120、240、360m處布設面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個,10次觀測取平均值為耕地的風蝕量。林地:長240m,寬125m,樹種為毛白楊(Populustomentosa),22年生,平均樹高18m,株行距4m×4m。地勢平坦,林分內地面覆蓋物主要為狗尾草(Setariaviridis),平均蓋度30%。在林分內部距林緣0、120、240m處布設面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個,10次觀測取平均值。荒草地:該類型草地在永定河沙地分布較廣泛,主要草種是狗尾草、馬唐草(Digitariasangurinalis)、虎尾草(Chloricvirgata),平均高度5~10cm,分布比較均勻,平均覆蓋度26%~35%,沙面固結,部分地表有沙結皮。在荒草地上布設面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個,10次觀測取其平均值。稀疏荒草地:該類荒草地具有一定的代表性,主要草種是狗尾草、馬唐草、虎尾草,呈簇狀分布,平均高度5~10cm覆蓋度5%~12%。沙面沒有完全固結,下墊面沙粒結構疏松,部分沙地出現(xiàn)大小不等的風蝕破口,受人類活動的影響嚴重。在荒草地上布設面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個,10次觀測取其平均值。河灘地:地勢開闊,沙面裸露,沙地上有零散分布的狗尾草、馬唐草、虎尾草、沙米(Agriophllumsquarrosum),平均覆蓋度在10%以下。風沙流動比較強烈,有片狀流沙,部分地段出現(xiàn)小型沙丘與風蝕坑。裸露沙面上布設面積2m×2m的觀測小區(qū)3個,10次觀測取其平均值。2.2地表沙化的觀測在2002、2003年北京市永定河沙地風沙活動最頻繁的春季進行試驗數(shù)據(jù)采集。定位觀測與半定位觀測相結合,試驗數(shù)據(jù)采集基本是同時、同步進行。觀測指標主要有:起沙風速、風速、風蝕量、輸沙量、植被覆蓋度、粗糙度以及土壤機械組成等。風速的觀測采用DEM-6型三杯風向風速表(精度為0.2m·s-1),觀測垂直高度為2m,多次觀測取平均值。風蝕量的觀測采用插桿法,鐵桿上標有刻度,每次大風前后觀測其距地表的高度,單位采用mm,差值為“+”表示風積,差值為“-”表示風蝕。河灘地、荒草地以及農(nóng)田地的樣地對角線的中心點、樣地邊緣的4個點以及樣地對角線的中心點,分別布設鐵桿,鐵桿頂端高度距離地面20cm。輸沙量的觀測采用階梯式積沙儀,積沙儀的進沙孔寬2cm,共分10層,觀測時集沙儀布設在觀測樣地內豎立,進沙口與主風向垂直,底部與地面平齊。觀測開始時記錄時間,同時打開各個集沙儀的口蓋,觀測結束時關閉集沙儀的口蓋。每次觀測結束后,將集沙儀內的集沙進行分層稱重。觀測時間為5min。用DEM-6型三杯風向風速表同時刻觀測2m高處風速,10次測量取平均值。土壤機械組成的測定:在每個樣地內取土壤樣品,取樣深度為0~10cm。室內采用篩析法分析,3個重復取平均值。起沙風速觀測:采用DEM-6型三杯風向風速表(精度在0.2m·s-1),風速儀設在距下墊面垂直高度2m處。觀測人員觀測下墊面沙粒的起動情況,當在風力作用下沙粒開始運動時,記錄該時刻的風速,多次測量取其平均值。粗糙度:依據(jù)公式lgZ0=(lgu2-lgu1×u2/u1)/(1-u2/u1)計算,式中:Z0為地表粗造度,u1,u2分別為同一時刻2個不同高度處風速。在本研究中粗糙度風速觀測高度為0.5m、2m。3結果與分析3.1不同林分類型土地的抗風蝕作用由表1可看出,在0~10cm內土壤含水量變化不大的情況下,不同利用類型下墊面對應的起沙風速明顯不同。起沙風速大小順序為:林地>荒草地>耕地>稀疏荒草地>河灘地?；牟莸赜兄脖桓采w,使植被對氣流摩擦阻力增大,所以荒草地的起沙風速較大;耕地有少量玉米殘茬、外圍防護林網(wǎng)的庇護作用以及土壤顆粒粘結力較大等原因,起沙風速較大;而河灘地表面裸露,缺少植被保護,沙粒結構松散,沙面極不穩(wěn)定,抗風蝕作用最差,其起沙風速最小;林地下墊面有林分的保護作用,極大地增加了下墊面的起沙風速,在試驗小區(qū)當風速達到7.21m·s-1時還沒有出現(xiàn)起沙現(xiàn)象,表明該林分下墊面的起沙風速在所研究的對象中最大。根據(jù)陳效逑等(2003)的研究,在永定河沙地,冬春季裸露土地集中在河灘地、覆蓋度較低的荒草地和耕地,而且這個季節(jié)恰好風速大,上述地類的風蝕較其他地類嚴重。這一結論和本文的研究結果相吻合。3.2林分密度和粗糙度粗糙度Z0用來描述下墊面對近地面層氣流的阻礙作用,是衡量治沙防沙防護效益最重要的指標之一。如表2,下墊面覆蓋不同,地表粗糙度也不同,林地粗糙度最大為1.231cm,其次為荒草地0.04456cm,稀疏荒草地為0.002282cm,耕地為0.01463cm,河灘地最小為0.00002692cm。河灘地與林地粗糙度相差5個數(shù)量級,主要是林分枝葉對氣流的擾動,削弱了貼近地層的風速,使風的水平作用面抬升,粗糙度就增大,風力就不能直接作用于地表,達到防治風蝕的作用。而其他類型下墊面在觀測期間植被對近地面氣流的削弱作用相對于林地而言要相對小一些,所以對應的粗糙度就小。3.3稀疏荒草地的沙面沙面從表3可以看出,不同利用類型下墊面在相同的風速下輸沙量明顯不同。風速為7.45~7.5m·s-1時,在0~20cm河灘地的輸沙量為3.32g·min-1cm-2;稀疏荒草地的輸沙量為2.51g·min-1cm-2,也就是說在風速基本相同的情況下,不同利用類型下墊面的輸沙量會有差異。由于河灘地地表裸露、沙粒間的粘結力小;而稀疏荒草地表面有部分植被覆蓋,沙面比較穩(wěn)定,對風沙流有一定的消減作用,這樣部分沙粒就發(fā)生沉降使得相應的輸沙量減少。同樣耕地、荒草地和林地利用類型下墊面性質存在差異,輸沙量也不同,在6.6~6.9m·s-1時對應的輸沙量分別為2.10、1.65、0.73g·min-1cm-2。這種輸沙量的差異性也是不同土地利用類型下墊面風蝕的一個顯著特點。3.4沙物質輸沙量分布從表4可以看出,各層相對輸沙率隨著高度的增加有減少的趨勢,不同下墊面相同高度的相對輸沙率大小也不同,在近地面0~6cm內集中了風沙含量的大部分。風速相同的條件下,河灘地在0~2cm輸沙量占總輸沙量的43.09%,稀疏荒草地、耕地、荒草地和林地在0~2cm輸沙量分別占總輸沙量的43.10%、34.46%、37.40%、34.46%,這說明風沙流是一個貼近地表的沙物質的搬運過程。下墊面性質的差異性,導致地表風沙流結構在0~20cm的相對含量不同。3.5地表礦物成分從表5可以看出,河灘地和稀疏荒草地土壤粒徑在0.10~0.25mm之間的含量占總量的80.20%和74.85%;農(nóng)田、林地、荒草地的這部分含量則占總量的44.29%、30.89%和37.34%;荒草地粒徑在0.05~0.10mm之間的含量為38%,高于其他3種沙地,這主要是因為植被的保護作用使地表粉粒、粘粒不易被風吹蝕、搬運,使地表物質顆粒的機械組成比較均勻。相反,稀疏荒草地、河灘地以及耕地等由于缺少植被的保護作用,更容易發(fā)生風蝕,使下墊面沙粒的組成出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。3.6河灘地風蝕由連續(xù)2年的定位觀測可以知道(見表6),河灘地的風蝕量為18.5mm,稀疏荒草地為11.9mm,耕地為3.4mm、荒草地為2.1mm,林地出現(xiàn)風積現(xiàn)象,其風積量為2.8mm,河灘地風蝕量是荒草地的近9倍。產(chǎn)生這種風蝕與風積量的差異主要是不同土地利用類型的下墊面性質所致。據(jù)前面研究結果,河灘地缺少植被保護,沙粒松散,下墊面抗風蝕性弱,所以在大風季節(jié)就會產(chǎn)生強烈的風蝕。據(jù)作者調查,在永定河部分河灘地出現(xiàn)了類似微型沙丘的風蝕景觀,可以從側面證明上述結論。林地由于林分對下墊面的保護作用沒有出現(xiàn)風蝕現(xiàn)象,反而產(chǎn)生積沙現(xiàn)象,其積沙量為2.8mm,表明植被在風蝕防治方面有重要作用。4沙區(qū)典型區(qū)域沙區(qū)的沙化問題不同利用類型起沙風速、粗糙度大小順序為:林地>荒草地>耕地>稀疏荒草地>河灘地。不同下墊面類型在相同風速時的輸沙量明顯不同,近地面0~20cm隨高度增加輸沙率逐漸減少,不同下墊面的風沙流結構垂直分布明顯不同,河灘地和稀疏荒草地的機械組成主要以細沙為主;耕地、林地、荒草地(30%)主要由細沙、極細沙以