永定河沙地不同土地利用类型下垫面输沙结构研究

永定河沙地不同土地利用类型下垫面输沙结构研究

土壤风暴是指土壤及其母亲在风和力的作用下发生的侵蚀、分类和运输过程。其实质是气流或气固流对地表物质的侵蚀和研磨（陈渭南，1991；董志宝，1995）。风蚀是土地沙化的一个基本过程和重要原因(吴正,2002)。在风蚀地区开展风沙运移方式(刘贤万,1995;董治宝,1995)、风沙流结构(刘贤万,1995;黄福祥,2001;2002)、人为活动对风蚀的影响等方面的研究(董治宝,1997;刘玉璋,1992;王涛,1999),对区域土地沙化的防治有重要的理论和实践意义。永定河沙地是北京市五大风沙源之一,区域内分布着北京市面积最大的风蚀沙化土地。由于长期开发利用,北京市永定河流域的绝大部分地区受到了人为活动的巨大影响,不同土地利用方式下土壤性质和土壤风蚀的影响因子明显不同,风蚀规律差异较大。本文选择北京市永定河沙地4种典型土地利用类型(耕地、林地、荒草地、河滩地),在野外观测、调查的基础上,对起沙风速、粗糙度、输沙量、风沙流结构、机械组成、风蚀量等进行研究。1降雨、风势分析试验地位于北京市大兴区,属于海河水系的永定河洪积-冲积平原,是永定河沙地的典型地段。试验区年平均气温11.5℃,多年平均降雨量为568.9mm,降雨主要集中在7、8月份,占全年降雨量的65%左右。冬春两季干旱,多风且风速大,出现8m·s-1的大风日平均每年23.3d,以西北风为主。主要为风沙土,土壤结构差,有机质含量低,极易受到风蚀。境内人工营造植被为主体。2学习方法2.1林地及河滩地类型试验地选择永定河河漫滩典型沙带,北起芦城乡高家堡,南至榆垡镇十里铺,全长42km。大部分沙层在2m以上,土壤瘠薄、干旱,下垫面结构较均一。根据土地利用分类标准,该区域目前可分成4种典型的土地利用类型:耕地、林地、荒草地、河滩地。其中耕地和林地属于土地利用一级分类中的农用地,在当地居主导地位;荒草地和河滩地属于未利用地,在研究区域属于比较典型的土地利用类型。根据覆盖度将荒草地分为稀疏荒草地与荒草地2种类型。耕地:耕地有极少量玉米(Zeamays)留茬,覆盖度在2.5%左右,耕地外围设有防护林网,在林网内部的耕地上沿防护林带主害风向轴线,距背风林缘120、240、360m处布设面积为2m×2m的观测小区3个,10次观测取平均值为耕地的风蚀量。林地:长240m,宽125m,树种为毛白杨(Populustomentosa),22年生,平均树高18m,株行距4m×4m。地势平坦,林分内地面覆盖物主要为狗尾草(Setariaviridis),平均盖度30%。在林分内部距林缘0、120、240m处布设面积为2m×2m的观测小区3个,10次观测取平均值。荒草地:该类型草地在永定河沙地分布较广泛,主要草种是狗尾草、马唐草(Digitariasangurinalis)、虎尾草(Chloricvirgata),平均高度5~10cm,分布比较均匀,平均覆盖度26%~35%,沙面固结,部分地表有沙结皮。在荒草地上布设面积为2m×2m的观测小区3个,10次观测取其平均值。稀疏荒草地:该类荒草地具有一定的代表性,主要草种是狗尾草、马唐草、虎尾草,呈簇状分布,平均高度5~10cm覆盖度5%~12%。沙面没有完全固结,下垫面沙粒结构疏松,部分沙地出现大小不等的风蚀破口,受人类活动的影响严重。在荒草地上布设面积为2m×2m的观测小区3个,10次观测取其平均值。河滩地:地势开阔,沙面裸露,沙地上有零散分布的狗尾草、马唐草、虎尾草、沙米(Agriophllumsquarrosum),平均覆盖度在10%以下。风沙流动比较强烈,有片状流沙,部分地段出现小型沙丘与风蚀坑。裸露沙面上布设面积2m×2m的观测小区3个,10次观测取其平均值。2.2地表沙化的观测在2002、2003年北京市永定河沙地风沙活动最频繁的春季进行试验数据采集。定位观测与半定位观测相结合,试验数据采集基本是同时、同步进行。观测指标主要有:起沙风速、风速、风蚀量、输沙量、植被覆盖度、粗糙度以及土壤机械组成等。风速的观测采用DEM-6型三杯风向风速表(精度为0.2m·s-1),观测垂直高度为2m,多次观测取平均值。风蚀量的观测采用插杆法,铁杆上标有刻度,每次大风前后观测其距地表的高度,单位采用mm,差值为“+”表示风积,差值为“-”表示风蚀。河滩地、荒草地以及农田地的样地对角线的中心点、样地边缘的4个点以及样地对角线的中心点,分别布设铁杆,铁杆顶端高度距离地面20cm。输沙量的观测采用阶梯式积沙仪,积沙仪的进沙孔宽2cm,共分10层,观测时集沙仪布设在观测样地内竖立,进沙口与主风向垂直,底部与地面平齐。观测开始时记录时间,同时打开各个集沙仪的口盖,观测结束时关闭集沙仪的口盖。每次观测结束后,将集沙仪内的集沙进行分层称重。观测时间为5min。用DEM-6型三杯风向风速表同时刻观测2m高处风速,10次测量取平均值。土壤机械组成的测定:在每个样地内取土壤样品,取样深度为0~10cm。室内采用筛析法分析,3个重复取平均值。起沙风速观测:采用DEM-6型三杯风向风速表(精度在0.2m·s-1),风速仪设在距下垫面垂直高度2m处。观测人员观测下垫面沙粒的起动情况,当在风力作用下沙粒开始运动时,记录该时刻的风速,多次测量取其平均值。粗糙度:依据公式lgZ0=(lgu2-lgu1×u2/u1)/(1-u2/u1)计算,式中:Z0为地表粗造度,u1,u2分别为同一时刻2个不同高度处风速。在本研究中粗糙度风速观测高度为0.5m、2m。3结果与分析3.1不同林分类型土地的抗风蚀作用由表1可看出,在0~10cm内土壤含水量变化不大的情况下,不同利用类型下垫面对应的起沙风速明显不同。起沙风速大小顺序为:林地>荒草地>耕地>稀疏荒草地>河滩地。荒草地有植被覆盖,使植被对气流摩擦阻力增大,所以荒草地的起沙风速较大;耕地有少量玉米残茬、外围防护林网的庇护作用以及土壤颗粒粘结力较大等原因,起沙风速较大;而河滩地表面裸露,缺少植被保护,沙粒结构松散,沙面极不稳定,抗风蚀作用最差,其起沙风速最小;林地下垫面有林分的保护作用,极大地增加了下垫面的起沙风速,在试验小区当风速达到7.21m·s-1时还没有出现起沙现象,表明该林分下垫面的起沙风速在所研究的对象中最大。根据陈效逑等(2003)的研究,在永定河沙地,冬春季裸露土地集中在河滩地、覆盖度较低的荒草地和耕地,而且这个季节恰好风速大,上述地类的风蚀较其他地类严重。这一结论和本文的研究结果相吻合。3.2林分密度和粗糙度粗糙度Z0用来描述下垫面对近地面层气流的阻碍作用,是衡量治沙防沙防护效益最重要的指标之一。如表2,下垫面覆盖不同,地表粗糙度也不同,林地粗糙度最大为1.231cm,其次为荒草地0.04456cm,稀疏荒草地为0.002282cm,耕地为0.01463cm,河滩地最小为0.00002692cm。河滩地与林地粗糙度相差5个数量级,主要是林分枝叶对气流的扰动,削弱了贴近地层的风速,使风的水平作用面抬升,粗糙度就增大,风力就不能直接作用于地表,达到防治风蚀的作用。而其他类型下垫面在观测期间植被对近地面气流的削弱作用相对于林地而言要相对小一些,所以对应的粗糙度就小。3.3稀疏荒草地的沙面沙面从表3可以看出,不同利用类型下垫面在相同的风速下输沙量明显不同。风速为7.45~7.5m·s-1时,在0~20cm河滩地的输沙量为3.32g·min-1cm-2;稀疏荒草地的输沙量为2.51g·min-1cm-2,也就是说在风速基本相同的情况下,不同利用类型下垫面的输沙量会有差异。由于河滩地地表裸露、沙粒间的粘结力小;而稀疏荒草地表面有部分植被覆盖,沙面比较稳定,对风沙流有一定的消减作用,这样部分沙粒就发生沉降使得相应的输沙量减少。同样耕地、荒草地和林地利用类型下垫面性质存在差异,输沙量也不同,在6.6~6.9m·s-1时对应的输沙量分别为2.10、1.65、0.73g·min-1cm-2。这种输沙量的差异性也是不同土地利用类型下垫面风蚀的一个显著特点。3.4沙物质输沙量分布从表4可以看出,各层相对输沙率随着高度的增加有减少的趋势,不同下垫面相同高度的相对输沙率大小也不同,在近地面0~6cm内集中了风沙含量的大部分。风速相同的条件下,河滩地在0~2cm输沙量占总输沙量的43.09%,稀疏荒草地、耕地、荒草地和林地在0~2cm输沙量分别占总输沙量的43.10%、34.46%、37.40%、34.46%,这说明风沙流是一个贴近地表的沙物质的搬运过程。下垫面性质的差异性,导致地表风沙流结构在0~20cm的相对含量不同。3.5地表矿物成分从表5可以看出,河滩地和稀疏荒草地土壤粒径在0.10~0.25mm之间的含量占总量的80.20%和74.85%;农田、林地、荒草地的这部分含量则占总量的44.29%、30.89%和37.34%;荒草地粒径在0.05~0.10mm之间的含量为38%,高于其他3种沙地,这主要是因为植被的保护作用使地表粉粒、粘粒不易被风吹蚀、搬运,使地表物质颗粒的机械组成比较均匀。相反,稀疏荒草地、河滩地以及耕地等由于缺少植被的保护作用,更容易发生风蚀,使下垫面沙粒的组成出现粗化现象。3.6河滩地风蚀由连续2年的定位观测可以知道(见表6),河滩地的风蚀量为18.5mm,稀疏荒草地为11.9mm,耕地为3.4mm、荒草地为2.1mm,林地出现风积现象,其风积量为2.8mm,河滩地风蚀量是荒草地的近9倍。产生这种风蚀与风积量的差异主要是不同土地利用类型的下垫面性质所致。据前面研究结果,河滩地缺少植被保护,沙粒松散,下垫面抗风蚀性弱,所以在大风季节就会产生强烈的风蚀。据作者调查,在永定河部分河滩地出现了类似微型沙丘的风蚀景观,可以从侧面证明上述结论。林地由于林分对下垫面的保护作用没有出现风蚀现象,反而产生积沙现象,其积沙量为2.8mm,表明植被在风蚀防治方面有重要作用。4沙区典型区域沙区的沙化问题不同利用类型起沙风速、粗糙度大小顺序为:林地>荒草地>耕地>稀疏荒草地>河滩地。不同下垫面类型在相同风速时的输沙量明显不同,近地面0~20cm随高度增加输沙率逐渐减少,不同下垫面的风沙流结构垂直分布明显不同,河滩地和稀疏荒草地的机械组成主要以细沙为主;耕地、林地、荒草地(30%)主要由细沙、极细沙以