浑善达克沙地春季风沙活动特征研究

浑善达克沙地春季风沙活动特征研究

1材料和方法1.1沙漠化土地特征选择浑善达克沙地中南部不同固定程度且相对平缓的沙地,作为主要实验场地(图1)。其中,图1中A,观测点平坦流沙裸露,是植被覆盖度为0的严重沙漠化土地,远处有缓起伏的灌丛沙堆;图1中B,具有稀疏禾本科植物的重度沙漠化土地,被覆盖度为5%~10%;图1中C,不远处有起伏的小叶锦鸡儿灌丛,高约20~30cm,观测点主要是刚萌发的蒿属植物,高度2~10cm,盖度约15%~20%的中度沙漠化土地;图1中D,同C点,但地表植物高度和盖度都已经较大,盖度约25%~30%的轻度沙漠化土地;图1中E,为固定程度较高的沙地,盖度大于50%,且土壤生物结皮发育。1.2风速对沙物质的影响研究内容主要有:通过测量植被覆盖度与地表沙物质组成特征与风蚀输沙率之间的关系;不同地表特征对风场的响应,以及风沙流结构特征和物质特征等,探讨不同程度沙漠化土地春季风沙活动特征。2结果与分析土地沙漠化以土壤风蚀为主要物理过程之一。但影响土壤风蚀的自然因子,主要是风速、植被覆盖度、土壤含水量、地表物质组成以及地形地貌等。2.1沙物质及植被覆盖度2.2沙漠化土地对风力作用的影响在不同风速、不同下垫面条件下,2m高度处风速对风蚀总量的影响(表2)。相同植被盖度条件下,输沙率随风速的增加迅速增大。由于植被对近地表风力,有明显的削弱作用,植被盖度小于10%的严重沙漠化土地上的输沙率,比植被盖度大于25%的轻度沙漠化土地上的输沙率多出几十倍到上百倍。拟合观测到的数据,尽管可以有多种多样的表达方式,但输沙率随平均风速增大而成非线性增加的函数关系,则再次被证实(图2)。统计分析表明,同一风速下,在不同程度的沙漠化土地上,0~20cm总输沙量随沙地植被覆盖度的增大,成非线性减小(图2)。通过对比测量分析研究区3个典型样区,发现在经过一个大风季节后(2003年10月1日至2004年5月10日),不同程度的沙漠化土地,对春季风力作用表现出截然不同的响应特征。强烈活化的沙丘高度降低了约70cm,迎风坡风蚀窝强烈扩展向下风向延伸;有稀疏小叶锦鸡儿灌丛的重度沙漠化土地,灌丛沙丘的高度普遍增高了4~5cm;而在褐沙蒿与其他蒿属沙生植物和多年生禾本科植物为主的固定沙地区,由于较高的植被盖度和较发育的土壤微生物结皮,未观测到明显的风沙运动痕迹。可见,不同程度的沙漠化土地,在相同的风速条件下,具有明显不同的风沙运动特征。2.3沙物质跃移运动的发生机制输沙量增加第一层风积物含量比重相对减少,表明输移物高度随风速增大、跃移运动的发展而增加;由第二层开始,随高度增加风积物含量递减,其中大致以10~12cm为界,风积物递减率在下层(2~12cm)高于上层(12~20cm),说明沙物质跃移运动主要发生在12cm以下,这与其他研究者的观测结果一致,说明风沙运动是一种贴近地表的物质搬运过程。在半固定沙地上,虽然植被盖度较大,但其高度很小(主要为1~4cm)。风沙流出现了双峰结构,这一点与以往研究结果不同。当风速较小时有一峰在近地层(0~2cm)内,另外一层主要集中在12~20cm高处,随着风速的增大,底层第一峰的高度上移,而高处的第二峰下移(图3中B)。这也说明随着风速的增大,风沙运动主要发展为近地表的跃移形式。而12~20cm高处出现的新峰值,可能主要与春季植被低矮有关,低矮的植被不足以有效地降低大风对沙物质的搬运。2.4沙物质及粒度特征在重度沙漠化的稀疏植被地上,地表1~0.25mm的沙粒虽仍居多数,但含量较流沙地有所减少,而细物质的含量相对增加(图4中D)。同时积沙仪中细沙物质的含量也相对增加。当风速较小时,发生风蚀的主要是2.64~3.64Φ(或0.2~0.08mm)的细、微沙;随着风速的增大,0.2~0.4mm的中、细沙才开始被风蚀(图4中E、F)。发生在较高植被覆盖的、轻度沙漠化土地上的风沙运动,无论是风沙活动前地表沙物质还是积沙仪中的沙物质,粒度曲线特征相似,都呈单峰形。粒度为2.32~4Φ(或0.25~0.063mm)的细沙和微沙的含量占绝对多数,分别可达77%和96%(图4中G、H)。在轻度沙漠化土地上被搬运的物质中仅3.32~4Φ(或0.125~0.063mm)段的细、微沙约占85%。而≤2.64Φ(或≥0.2mm)的沙粒已几乎不再发生运动。可见,轻度沙漠化土地上植被明显地减少了风沙活动的机会,而且可能指示着轻度沙漠化土地同时具有一定的对风沙流的拦截作用。在固定沙地上,由于植被、生物土壤结皮的保护,基本不发生风蚀。通过采样进行的粒度分析表明。其富含细物质,表层10cm内易风蚀部分(0.05~0.5mm的物质)占到94%以上,一旦破坏将可能成为沙尘暴新的物源区。2.5降水和沙粒变化对植物返青的影响春季降水对抑制风沙活动有特殊的重要作用。它通过增加了沙子含水量,促进了其他化学成分的溶解,增大了沙粒间的粘结力,从而提高了起沙风速,减少了风沙活动机会,已有不少研究论证了这一事实。但在实验中观测到,水分本身对风蚀的抑制作用持续时间短,在春季它主要是通过促进植物的萌发和快速生长,来保护地表的。3沙漠化土地的沙物质组成(1)植被覆盖通过降低来流风速和增大植被保护下的沙粒起动风速,极大地减少了土壤风蚀。同一植被盖度下,输沙率随风速增加成指数式增大。同一风速下,随着植被盖度的增加,土壤风蚀率成指数式减少。(2)风沙运动是一种贴近地面的物质搬运过程,风沙运动主要在12cm以下进行。但在春季即使在沙漠化程度较轻、植被盖度较大的固定、半固定沙丘上,有限的植被高度尚不足以完全防止风蚀。(3)不同植被盖度的沙漠化土地,对风场的响应表现出不同的风沙流结构。在植被盖度小于10%的严重沙漠化土地上,随着风速的增加,风沙流结构由向上单一递减,变成了先增大后减小;且含沙量最大的层位有随风速增加逐步上移的趋势。而在由低矮植物组成的植被盖度大于25%的轻度沙漠化土地上,由于植被高度太小,不足以抵制大风对沙物质的搬运,风沙流通常呈双峰结构;且随着风速的增大,两峰的位置向10~12cm附近靠拢。(5)土壤含水量对风沙活动的抑制作用很大,但春季降水主要是通过促进植物返青来保护地表、减少土壤风蚀的。(6)春季灌木和