绿洲-沙漠过渡带不同下垫面风况及输沙势对比分析

绿洲-沙漠过渡带不同下垫面风况及输沙势对比分析

风作为一个向量，不仅有大小，还有方向。风是近地表土壤风蚀和沙物质搬运、堆积的主要动力,而沙物质的堆积和风沙地貌的形成和发展则是风力作用的结果。因此,风动力研究是区域土壤风蚀、风沙活动强度评价的基础。许多学者针对南疆沙漠地区的起沙风和风沙活动强度进行了研究。输沙势(sanddriftpotential,DP)是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变的重要指标。由于计算输沙率需要考虑实地切应速度、粗糙度、地表植被状况、沙的平均粒径、含水量等因素,所以用相对潜在的输沙率即输沙势来探讨各地沙粒输送能力。不同的学者在风洞和野外观测下针对植被盖度、土壤水分等因素与地表风蚀量之间的定量关系展开了大量研究。绿洲-沙漠过渡带是绿洲与沙漠生态系统的连接地带,其生境脆弱、敏感、易变,是绿洲与沙漠生态系统间物质循环、能量转换及信息传递的场所。有关针对沙漠边缘过渡带不同下垫面的风沙活动强度空间分布规律研究较少,本文对策勒绿洲-沙漠过渡带不同下垫面风况和地表蚀积变化差异进行分析,初步探讨了不同下垫面地表风沙活动强度的时空分布规律,对提出合理的绿洲-沙漠过渡带生态修复建议、建立合理的防风固沙措施、维护绿洲生态安全具有重要的理论和实践意义。1沙区主要天气策勒县位于塔克拉玛干沙漠南缘与昆仑山北麓之间,地理位置80°03′24″-82°10′34″E,35°l7′55″-39°30′00″N,属典型内陆暖温带荒漠气候,夏季炎热,干旱少雨,光热充足,日照时间长,昼夜温差大,极端最高气温41.9℃,极端最低气温-23.9℃。多年平均降水量为35.1mm,年潜在蒸发量2600mm。由于地处塔里木盆地两大主导风向(NW,NE)的下风区域,风沙灾害频繁,多年平均沙尘天数25.2d,最多年高达59d,每年8级以上大风3~9次。在历史上策勒县城曾3次因风沙埋没而被迫迁移,风沙灾害天气严重制约着当地经济的发展。研究区风向以WNW、W风为主,频率占62.43%~76.25%,NW风次之,频率占17.75%;策勒流动沙丘沙粒度以极细沙为主,其中极细沙含量多在70%左右,粉沙含量20%。策勒绿洲-沙漠过渡带大面积分布于县城西北方向,研究区面积约50km2,从流沙前沿到半固定沙地、固定沙地、绿洲内部2m高年平均风速分别为2.36,1.75,1.6,0.96m/s,过渡带地表土壤平均容重为1.422g/cm3。2地表覆盖及样方设置在策勒绿洲-沙漠过渡带流沙前沿沿主风向方向至绿洲内部不同下垫面依次布置4个气象观测站,气象站型号为HOBOU30。1号气象站下有流动沙丘分布,地表植被以稀疏高大的柽柳灌丛为主及稀疏的盐生草、荷西菊等,柽柳沙堆平均高2~3.5m,地势较为平坦;2号气象站地表主要分布柽柳、花花柴、骆驼刺等混生群落,地势较为起伏,西北方向有1条宽约100m的高大柽柳灌丛沙堆链,沙堆链基本垂直于主风向呈南北走向,代表半固定沙地;3号气象站地表分布盖度较大的骆驼刺群落,骆驼刺沙堆形态较为扁平,多不发育,地势相对较平缓,为固定沙地。1~3号气象站下垫面底部柽柳沙堆的密度分别为176,572,80个/km2。4号气象站位于绿洲内部,种植棉花、石榴等农作物,为平沙地,植被盖度20%以上。1号距离3号气象站4.7km,为天然植被过渡带,每个气象站安装0.5,1,2,4,8m共5层高度风速风杯和10m高的风速风向标,观测指标有风速、风向等。1~3号点地表植被盖度逐渐增加,分别为3%,27%,67%,地形总体逐渐升高。在1~3号点底部设置样方,并采用插钎法观测地表蚀积变化。1号样方插121根风蚀钎,间隔1m×2m,原始样地为人工推平沙地;2号样方插87根风蚀钎,间隔1m×1m;3号样方插82根风蚀钎。每个样方风蚀钎和植被位置用全站仪测量确定,利用风蚀钎在一定时间内的高度差确定样方内地表蚀积变化量,并绘制等蚀线图。2号样方因放牧破坏部分数据缺失故未用,采用风蚀钎数据时段为2011年7-10月。所有的气象数据及风蚀钎高度数据用Excel2003、Origin8.0、Surfer8.0、AutoCAD2010软件分析并绘制相关图件。采用目前国内外常用的计算公式计算输沙势:DP=V2(V-Vt)t。式中:DP为输沙势,在数值上用矢量单位(VU)表示;V为大于临界起动值的风速(海里/h);Vt为临界起动风速(海里/h);t为起沙风作用的时间,一般以频率表示。由于风是一种矢量,根据矢量合成法则将16个方位输沙势进行合成,就得到合成输沙势(RDP)和合成输沙方向(RDD),它可以反映一个地区净输沙能力的大小。合成输沙势与输沙势的比值称为方向变率指数(RDP/DP),用来反映一个地区风向组合情况。Fryberger根据输沙势大小,将风环境分为高能(>400VU)、中能(200~400VU)及低能(<200VU);另外,他还将方向变率指数分为大比率(>0.8)、中比率(0.3~0.8)及小比率(<0.3)3种。研究区位于塔克拉玛干沙漠盆地西南缘,一般2m高瞬时冲击起沙风速取5m/s,10m高瞬时冲击起沙风速取6m/s,所有气象数据都是每1min间隔采集1次,按4个气象站全年的2m高和10m高大于起沙风的风速、风向气象数据进行筛选,统计分析,最后得出全年4个下垫面的输沙势、合成输沙势、方向变率、合成输沙方向。3风动力和输沙场的空间变化3.1月内日沙风频率随时间的变化由单从策勒流沙前沿到绿洲内部,越接近地表、月平均风速越大时其平均风速削减得越多,流沙地在0.5~2m相同高度上比半固定沙地、固定沙地平均风速都要大很多(图1)。随着地表植被覆盖度的增加,增大了地表的粗糙度,并且离地面高度越低风速降低得越多,不同高度的风速进入绿洲内部后由于受到高大防护林网和农作物的影响都有很大程度的减弱。6月份是1号流沙地下垫面底部月平均风速的最大月,与流沙地相比,绿洲-沙漠过渡带半固定、固定沙地0.5m高处月平均风速依次减少了47.46%,64.75%,半固定沙地、固定沙地、绿洲内部2m高处的月平均风速依次减少了25.22%,27.93%,65.27%。策勒流沙前沿2011年全年主风向以WNW和W风为主,分别占全年起沙风频率的42.04%和28.4%,2个方位的起沙风向频率占全年起沙风向的70.44%,起沙风次风向以NW、E、ESE风为主,其余方向的起沙风频率很小(图2)。这与全年16个方位输沙势分布玫瑰图分布相一致。1~4号气象站全年的起沙风时间和频率由流沙前沿到绿洲内部有很大程度的减少(表1)。1号流沙地全年2m高起沙风频率别为2号,3号的4.73,4.35倍,1号流沙地10m起沙风频率分别为2号,3号的1.44,1.74倍,尤其是受多道人工防护林网及农作物影响进入绿洲内部后,4号气象站点的起沙风频率很小,几乎为0。2号半固定沙地近地表受高大柽柳沙堆的影响较大,其全年起沙风频率略小于3号气象站点。3.2输沙势与方向变率1~4号气象站2m高全年输沙势分别为31.87,3.673,3.57,0.0077VU,1号气象站年输沙势和合成输沙势分别为2号、3号、4号的8.68,8.93,4138.96倍和13.76,7.62,3541.89倍(图3(a)),1~4号气象站10m高年输沙势分别为70.89,36.93,33.04,2.51VU,1号气象站10m高输沙势和合成输沙势分别为2号、3号、4号气象站的1.92,2.15,28.24倍和1.72,1.90,22.65倍(图3(b))。从1号到3号气象站,随着植被盖度的增加2m高输沙势较10m高的输沙势减少更加明显。4,5,6,7月几个月输沙势比较大,其中全年最大输沙势月份集中在6月份,其次为7月、5月、4月,1月份4个下垫面的输沙势都为0(表2),这4个月输沙势均约占全年输沙势的50%。表明策勒每年风季主要集中在春夏季节,冬季风沙活动很微弱。年输沙势在16个方位上以WNW、W方向输沙势最大(表3),2个方位的输沙势均占全年输沙势的75%以上。说明策勒为低能风沙环境,风况为单峰状况,这与俎瑞平的研究结论相一致。方向变率RDP/DP除2号气象站点2m高受地形的影响较大,为0.52,为钝双峰风况外,其余的都介于0.77~0.96之间,3号点2m高度方向变率为0.96,属大比率单峰风况,其余基本都属于大比率方向变率。从流沙前沿经半固定沙地到固定沙地进入绿洲内部,1~4号下垫面风力、输沙势及合成输沙势急剧减弱,过渡带合成输沙势方向在108°左右,与1年内起沙风风向分布频率相一致,进入绿洲内部由于多道农田防护林网和农作物的防护作用,平均风速、合成输沙势在近地表变得极小,且合成输沙势方向有所改变,变成WSW方向,地表很少起沙,对于农田有极好的防风蚀作用。2号半固定沙地2m高的输沙势大于3号点,而合成输沙势又小于3号点,说明了2号半固定沙地总体风沙活动强度大于3号点,而由于高大柽柳沙堆的阻挡造成地表起伏度增加,同时造成起沙风向多变,总体风沙搬运能力减弱,使更多的起沙沙粒堆积在高大柽柳、花花柴等灌丛沙堆周围。4个不同下垫面2m高月输沙势从3月份开始到7月份,随着月平均风速的增加1号流沙地增加显著,2号、3号过渡带由于天然植被及地形的影响平均风速依次消减,月输沙势有所增加,但增加幅度不大,进入绿洲内部输沙势很小,几乎可以忽略(图4)。1号流沙地4,5,6,7月的输沙势分别为4.85,5.45,7.51,7.63VU,说明了4,5,6,7月是策勒风沙活动最为频繁的阶段,7月份达到风沙活动最强烈阶段,同时从3月份开始地表月平均气温逐渐增加,7月份达到月平均气温最高点,从8月开始月平均气温开始下降,翌年1月份到达到最低,也是4个气象站输沙势都是0的月份,这也反映了绿洲-沙漠过渡带风热同步的现象,9月份是一个风沙活动的小高峰期。秋冬季节起沙风频次大大减少,所以做好策勒春夏季节的农田地表防护措施至关重要。4,5月份过渡带植被还未返青,防护效益差,应保护好过渡带的天然植被,有效地发挥绿洲外围生态防护屏障作用。3.3号半固定沙地沙堆植被覆盖度高、土壤风蚀量大的柳、林分沙场分布1号流沙地1年内地表单位面积净风蚀量为48.682kg/m2,2号半固定沙地在4个月内净风积量为11.649kg/m2,3号固定平沙地年单位面积净堆积量为2.54kg/m2(表4),2号点为靠近绿洲边缘植被盖度为67%的3号固定沙地1年内净蚀积量的4.5倍之多。赵彩霞等表明,在防风蚀的作用效应中以灌木>多年生牧草>林木>作物>一年生牧草;总时空植被覆盖度与总土壤风蚀量呈“反相位”的动态变化。2号下垫面附近多发育地形高大的柽柳灌丛沙堆,其防风蚀效应大于花花柴和骆驼刺、盐生草群落,2号半固定沙地1年的合成输沙势为1.91VU,小于3号固定沙地年合成输沙势(3.44VU),说明2号点附近地表阻沙效益强于3号点下垫面。1号流沙地为强烈的风蚀区,并伴随流动沙丘前移(图5),1号流沙地经过强烈的侵蚀,搬运在2号点附近密度较大柽柳和骆驼刺、花花柴根部发生大量堆积(图6),3号平沙地由于植被盖度大,使地表风速继续降低、风沙活动持续减弱,骆驼刺沙堆间裸露沙地易轻微风蚀,而灌丛容易使沙粒受阻,轻微堆积在根部背后及附近(图7)。由于绿洲内部的防护林网和农作物的影响,绿洲内部很少发生地表风蚀。除了植被盖度以外,植被的密度、类型、高度、冠幅、排列方式等又影响着过渡带风沙地貌的发育。4地表沙门氏地区的地表风蚀和土壤风蚀。在一般湿地(1)有效评价一个地区地表风沙活动强度除了考虑输沙势大小外,还要考虑植被盖度和地形等因素的影响,近2m高地表输沙势更能实际地反映一个地区地表风沙活动强度,10m高度输沙势更能反映大面积裸露平沙地高空中风力的状况,而不能代表近地表实际的风沙活动强弱程度。(2)策勒绿洲-沙漠过渡带3个观测点(1号、2号、3号)和绿洲内部观测点(4号)的月平均风速、起沙风频数和起沙风平均风速、DP、RDP都呈现出由绿洲外围向内部逐渐减少的趋势。这主要是由下垫面的植被差异引起的,表明植被具有显著的防风效应。(3)流沙前沿表现出强烈的地表风蚀,并伴随流动沙丘前移,半固定沙地上整体表现出地表大量风积,固定平沙地上整体表现为轻微的地表风蚀和风积,绿洲内部地表很少发生风蚀。(4)策勒风沙活动主要集中在4-7月春夏季节,在春季天然植被还未返青,地表裸露程度高、防护效益较差,做好天然植被的保护措施对维护策勒绿洲农业生态安全至关重要。土壤风蚀是干旱半干旱地区土地退化的主要原因之一,受气候、土壤、植被和人类等因素的共同制约,更加体现出风蚀系统的复杂性和综合性。评价一个地区地表风沙活动强度时,不仅要考虑下垫面的植被覆盖度、地形