吉林省西部地表粗糙度对风蚀性风沙的影响

吉林省西部地表粗糙度对风蚀性风沙的影响

1月扬沙天气概况吉林省西部沙地位于北纬43594618和东经1215812911之间，面积77.2万hm。这是科尔沁沙地东端和松鹿沙地的一部分。地势西北高，中部低，南部高。高度180.600米，年平均气温4.4，年降水量350.05mm，干燥度1.1.5，年蒸发量846.1毫米，年平均风速3.4.4.4ms，最大风速40ms，年平均风速27d，3月至5月最大，年平均27d，其中大部分为西南风，频率为51%。每个月都可以避免沙气候。3～6月份扬沙天气年均出现133d,占全年出现日数153d的87%;沙尘暴92d,占全年出现96d的96%,4～5月份尤为集中。该区属典型的温带半湿润大陆性季风气候。2地表风速变化的影响地表粗糙度是地表上平均风速减小到零的某一高度,它可以反映地表对风速减弱的作用以及对风沙流的影响,其值大小主要取决于地形的起伏、植被覆盖及作物的播种方向。2.1风速之比值、风速粗糙度的确定通常是以风速按对数规律分布为依据的。1993年在不同地表利用式(1)对粗糙度进行了测算,其结果见表1。K=10lgZ2−AlgZ11−A(1)Κ=10lgΖ2-AlgΖ11-A(1)式中K——粗糙度,cm;Z1、Z2——地表以上两个不同的高度,cm;A——地表以上两个不同高度处风速之比值,即A=v2/v1(v2、v1分别为Z2、Z1高度处的风速)。从表1看出,不同植被覆盖的地表粗糙度是不相同的,天然草地粗糙度最大,平播耕地出苗前最小。2.2粗糙度对风蚀的影响中科院兰州沙漠研究所对不同粗糙度的原始地表所做的风洞试验结果表明,粗糙度越大风蚀强度越小,粗糙度越小风蚀强度越大(表2)。3土壤风蚀方程1965年美国学者伍德拉弗(N.P.Woodruff)和西多威(F.H.Siddoway)从土壤可蚀性、风蚀性气候因子等5个方面对土壤侵蚀做了研究,提出了土壤风蚀方程式,笔者运用该方程式从风蚀性气候因子、侵蚀性风能及挟沙风等方面对吉林省西部的风蚀进行了分析。3.1风蚀耕地和流动沙丘的起沙风速起沙风速是土壤产生风蚀的关键。据1993年进行的观测,不同地表类型的起沙风速是不尽相同的(表3)。从表3看出,流动沙丘的起沙风速为10.3m/s,风蚀耕地的起沙风速为6.3～7.9m/s,这说明耕地更易受到风蚀的危害。因而,在开展农业生产的同时,应注意对土地的保护。吉林省西部沙地的起沙风速在地域分布上也很不均匀,自西北向东南逐渐减小,其年均大于起沙风速的风日统计见表4。3.2风蚀性气候因子的计算风力是引起风蚀的主要因素,气候条件对风蚀的作用与影响,不仅仅表现在风力的作用上,它是风速、降水和温度等因子综合作用的结果,因而风蚀性气候因子是评价某一地区潜在风蚀的主要指标。目前已有几种关于风蚀性气候因子计算的公式,笔者根据吉林省西部沙地的气候条件,采用下列公式计算风蚀性气候因子:C=1100Σi=1nU3(ETPi−PiETPi)d(2)C=1100Σi=1nU3(EΤΡi-ΡiEΤΡi)d(2)式中C——风蚀性气候因子;U——月平均风速,m/s;Pi——月平均降水量,mm;d——月天数;ETPi——月潜在蒸发量,mm。采用式(2)计算,吉林省西部沙地风蚀性气候因子为155.1,是我国气候侵蚀力较强的地区。在季节分布上,春季3～5月份最大(76.2),其次为秋季9～11月份(35.6)和冬季12～2月份(26.3),夏季6～8月份最小(17.0)。在空间分布上,也很不均匀,西北部的通榆最大,达318.7,东南部的前郭最小,仅为82.2,是从西北部向东南部逐步递减的(表5)。3.3区域强沙风的风速作用于土壤表面的风能可分为两种,一种是消耗于土壤颗粒之间及颗粒本身阻力的非侵蚀性风能,另一种是能够使土粒发生运动的侵蚀性风能。对某一地区土壤风蚀有影响的是侵蚀性风能,侵蚀性风能与非侵蚀性风能之间的风速界线是起动风速,故侵蚀性风能的风速必是起沙风。据观测,吉林省西部沙地的起动风速为10.3m/s,耕地的起动风速为6.7m/s。根据风洞试验和野外观测结果,笔者采用如式(3)所示的弗雷博格(Fryberger)提出的公式计算区域侵蚀性风能:E=∑V2(V−Vt)t(3)E=∑V2(V-Vt)t(3)式中E——侵蚀性风能,(v·u);V——≥起动风速的风速,m/s;Vt——起动风速,m/s;t——V的作用时间,以频率表示。表6是根据公式(3)计算的有效风季的土壤侵蚀性风能。由表6知,本区春季总侵蚀性风能为172.18(v·u),西北部的通榆最大,达327.60(v·u),东南部的扶余最小,仅为102.30(v·u),各地自西北向东南逐渐减小。由此可见,吉林省西部沙地的土壤侵蚀潜力很大,危害极为严重。3.4沙好的风要大得多挟沙风中含有大量的沙尘,根据惯性原理可知,在速度相同的条件下,其能量比净风要大得多,挟沙能力也远远大于净风。由净风、挟沙风不同风速与风蚀量关系的风洞试验可知,不论是草地、耕地还是沙地,在风速相同的情况下,挟沙风的风蚀模数都比净风大得多,这进一步说明了挟沙风比净风更易产生风蚀(表7、图1)。4付款时(1)吉林省西部的沙地主要为西南风，风向频率约为51%。这是主要的风历年平均风速由西向东递减,以西部的通榆、白城一带为最大。(2)流动沙丘类型草地8.3～12.1m/s,耕地5.7～9.1m/s,流沙地7.3～8.8m/s,流动沙丘10.3m/s,风蚀耕地6.3～7.9m/s。当风速超过临界风速后,风蚀模数随着风速的提高而增加,土壤风蚀程度与风速的3次方成正比,风蚀性气候因子和侵蚀性风能都是由东向西递增,西北部的通榆为最大。(3)沙风作用下