劉 芳 郝玉光 辛智鳴 徐 軍 黃雅茹 趙英銘 孫 非

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心 內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站 磴口 015200)

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烏蘭布和沙區(qū)不同下墊面的土壤風(fēng)蝕特征*

劉 芳 郝玉光 辛智鳴 徐 軍 黃雅茹 趙英銘 孫 非

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心 內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站 磴口 015200)

【目的】研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)典型植被群落對(duì)近地層風(fēng)沙活動(dòng)的影響，揭示荒漠生態(tài)系統(tǒng)中不同下墊面條件的土壤風(fēng)蝕特征。【方法】在烏蘭布和沙區(qū)東北緣荒漠-綠洲過(guò)渡帶內(nèi)，選取油蒿半固定沙丘(蓋度約20%)、白刺半固定沙丘(蓋度約30%)、油蒿固定沙丘(蓋度約40%)、白刺固定沙丘(蓋度約40%)、流動(dòng)沙丘(CK)5種典型下墊面，運(yùn)用風(fēng)蝕釬和風(fēng)沙流采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5種下墊面的風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)，定量分析不同下墊面條件下的土壤風(fēng)蝕量、風(fēng)蝕物的垂向分布及粒度組成的差異性?！窘Y(jié)果】烏蘭布和沙區(qū)不同下墊面同期土壤風(fēng)蝕深度為： 流動(dòng)沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4.1 m·s-1時(shí)，流動(dòng)沙丘即可觀察到沙粒蠕動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)5.1 m·s-1時(shí)積沙儀可收集到風(fēng)蝕物。油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘的風(fēng)速分別達(dá)到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1時(shí)方可發(fā)生風(fēng)蝕； 5種下墊面0～100 cm垂直斷面上，67.6%～90.0%的風(fēng)蝕輸沙均分布于30 cm高度范圍之內(nèi)，挾沙氣流中輸沙率隨高度增加呈冪函數(shù)規(guī)律遞減，隨風(fēng)速增大呈冪函數(shù)規(guī)律遞增，各高度層風(fēng)蝕物粒度組成呈單峰態(tài)分布，峰值處在250～100 μm之間，0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且偏向粒徑趨大的方向； 自下而上，極細(xì)沙的粒度構(gòu)成比例呈遞增趨勢(shì)，中沙的粒度構(gòu)成比例呈遞減趨勢(shì)?！窘Y(jié)論】隨著植被蓋度的增加，土壤風(fēng)蝕程度顯著減輕，流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風(fēng)蝕深度依次降低。蓋度為40%的油蒿、白刺群落，其地表風(fēng)蝕深度僅為流動(dòng)沙丘同期風(fēng)蝕深度的1.73%～1.52%，0～100 cm高度范圍內(nèi)的輸沙率僅為流動(dòng)沙丘輸沙率的6.6%～5.1%。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，植物群落主要通過(guò)覆蓋地表、提高下墊面的粗糙度和攔截沙粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)緩解氣流對(duì)地表的侵蝕作用。因此，在防沙治沙工程實(shí)施過(guò)程中，要充分考慮和利用植被防風(fēng)抗蝕的生態(tài)效應(yīng)。關(guān)鍵詞： 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)； 輸沙率； 土壤風(fēng)蝕； 粒度分析； 烏蘭布和沙漠

土壤風(fēng)蝕(soil wind erosion)是指土壤及其母質(zhì)在風(fēng)力作用下剝蝕、分選、搬運(yùn)的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是氣流或氣固兩相流對(duì)地表物質(zhì)的吹蝕和磨蝕塑造地表景觀的一個(gè)基本地貌過(guò)程(吳正， 2003)。土壤風(fēng)蝕不僅是干旱、半干旱地區(qū)主要的土地退化過(guò)程，而且是導(dǎo)致干旱、半干旱地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災(zāi)害的首要因素(Skidmoreetal., 1982)。在沙地環(huán)境中，地表植被能夠有效降低風(fēng)速、減輕地表風(fēng)蝕，從而減少地表土壤細(xì)微顆粒及養(yǎng)分的損失(董治寶等， 1996； 張華等， 2002)。植被的這種防風(fēng)抗蝕生態(tài)效應(yīng)一直是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)(Mc Tainshetal., 1998； Wolfeetal., 1993; Baueretal., 2004; Zobecketal., 2006)。植被對(duì)風(fēng)蝕的影響直接表現(xiàn)在地表風(fēng)蝕率的變化上，影響程度主要取決于植被類(lèi)型及植被蓋度、高度、密度等特征。長(zhǎng)期以來(lái)，由于風(fēng)蝕過(guò)程的復(fù)雜性及野外觀測(cè)難度的局限，以往關(guān)于植被影響地表風(fēng)蝕的研究結(jié)果多通過(guò)理論推導(dǎo)或風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)而獲得，且得出了許多風(fēng)蝕率、摩阻速度及地表粗糙度等隨植被特征變化的重要規(guī)律(董光榮等, 1987； Wassonetal., 1986； 張春來(lái)等， 2003)。在我國(guó)干旱、半干旱區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶，研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)中沙生植被防風(fēng)抗蝕生態(tài)效應(yīng)的野外觀測(cè)尚不多見(jiàn)。本研究以地處我國(guó)干旱半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的烏蘭布和沙區(qū)為主要研究區(qū)域，選擇該區(qū)域內(nèi)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的5種典型下墊面，以2011年4—6月地表風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)及3次沙塵暴事件的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，探討烏蘭布和沙區(qū)不同下墊面條件對(duì)地表風(fēng)蝕輸沙量及其高度分布的影響、風(fēng)蝕物粒度組成與下墊面的關(guān)系，分析不同下墊面條件對(duì)地表風(fēng)蝕輸沙的影響及風(fēng)蝕物的運(yùn)動(dòng)特性，揭示烏蘭布和沙區(qū)不同下墊面條件的土壤風(fēng)蝕特征，為沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)與植被建設(shè)提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)時(shí)期的氣象條件

烏蘭布和沙區(qū)是我國(guó)干旱區(qū)沙漠化發(fā)展嚴(yán)重地區(qū)之一，地處我國(guó)荒漠草原向草原化荒漠過(guò)渡地帶，是我國(guó)沙塵暴源區(qū)之一并位于沙塵暴西北路徑上 (李鋒， 2011； 國(guó)家林業(yè)局等， 2009)。沙漠總面積9 082 km2，其中流動(dòng)沙丘占49.94%，半固定沙丘21.78%，固定沙丘23.41%。在長(zhǎng)期干旱多風(fēng)的氣候條件下，地表發(fā)育了沙丘鏈、灌叢沙堆與丘間洼地相間的風(fēng)沙地貌格局。沙丘與黃河西岸接壤20多km，每年向黃河輸沙約7.72×107kg，占黃河含沙量的37%(楊根生等， 2003)。據(jù)國(guó)家林業(yè)局磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(簡(jiǎn)稱磴口站)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)，該地區(qū)干旱少雨，風(fēng)大沙多，沙塵暴等災(zāi)害性天氣頻繁。

表1 磴口生態(tài)站1983—2012年各氣象因子統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)域(地理坐標(biāo)為40°24＇N，106°46＇E)位于我國(guó)沙塵暴的西北路徑上。2011年4月28—30日我國(guó)北方地區(qū)經(jīng)歷了當(dāng)年強(qiáng)度最大、影響范圍最廣的一次沙塵天氣過(guò)程，主要受較強(qiáng)冷空氣和蒙古氣旋影響(圖1b)。磴口站監(jiān)測(cè)到本次沙塵暴在試驗(yàn)區(qū)持續(xù)時(shí)間為29日2:00至次日1:00，起沙風(fēng)風(fēng)向?yàn)镹-NNW，期間平均風(fēng)速10.8 m·s-1，最大風(fēng)速18.0 m·s-1； 據(jù)中央氣象臺(tái)預(yù)報(bào)(圖1a)， 2011-04-24夜間至26日，受地面氣旋及冷空氣影響，內(nèi)蒙古西部、甘肅西部等地的部分地區(qū)有揚(yáng)沙或浮塵天氣，局地有沙塵暴。磴口站監(jiān)測(cè)到本次沙塵暴在試驗(yàn)區(qū)持續(xù)時(shí)間為04-24 16： 00—25 1： 00，起沙風(fēng)風(fēng)向?yàn)镹W-NNW，期間平均風(fēng)速10.4 m·s-1，最大風(fēng)速達(dá)13.3 m·s-1； 5月29日的沙塵暴持續(xù)時(shí)間為10:00—19:00，是一場(chǎng)中等強(qiáng)度的沙塵天氣，起沙風(fēng)風(fēng)向?yàn)閃NW-NW，平均風(fēng)速9.3 m·s-1，最大13.7 m·s-1。本文中的沙塵暴持續(xù)時(shí)間指一日中風(fēng)速大于8 m·s-1的時(shí)段。圖2分別給出了3次沙塵暴過(guò)境期間磴口站監(jiān)測(cè)到的12 m高度處風(fēng)速變化動(dòng)態(tài)及1.5 m高度處空氣溫濕度的動(dòng)態(tài)變化，試驗(yàn)期間無(wú)降雨，地表干燥。

圖2 沙塵暴觀測(cè)期間試驗(yàn)區(qū)氣象特征Fig.2 Meteorological characteristics of the test area during sandstorm observation

1.2 試驗(yàn)方法

在烏蘭布和沙區(qū)東北緣荒漠-綠洲過(guò)渡帶，選擇該區(qū)域代表性植被油蒿(Artemisiaordosica)群落、白刺(Nitrariatangutorum)群落，分別在油蒿半固定沙丘(蓋度約20%)、白刺半固定沙丘(蓋度約30%)、油蒿固定沙丘(蓋度約40%)、白刺固定沙丘(蓋度約40%)和流動(dòng)沙丘設(shè)30 m2(5 m×6 m)試驗(yàn)樣地，在樣地中沿主風(fēng)向呈直線布設(shè)10根風(fēng)蝕釬，于2011年4—6月采用插釬法監(jiān)測(cè)5類(lèi)樣地的土壤風(fēng)蝕狀況。根據(jù)4—6月測(cè)釬讀數(shù)變化求得這一期間的風(fēng)蝕深度，再由4—6月起沙風(fēng)占年起沙風(fēng)的比例(劉芳等， 2014)，推算2011年全年的風(fēng)蝕深度。并于大風(fēng)或沙塵暴天氣運(yùn)用立式積沙儀收集0～100 cm的風(fēng)沙流流量。積沙儀底部與地面齊平，進(jìn)沙口50層，積沙盒進(jìn)沙口寬和高均為2 cm，可監(jiān)測(cè)0～100 cm的地表風(fēng)蝕輸沙量，10 min取樣1次。風(fēng)速采用多通道自記風(fēng)速梯度測(cè)定系統(tǒng)同步測(cè)定，每1 min記錄1次風(fēng)速。將收集到的風(fēng)蝕物分層稱重并用DLY2000光電顆粒分析儀進(jìn)行粒度分析。

輸沙率是指風(fēng)沙流在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位寬度或單位面積的風(fēng)蝕物質(zhì)量，是衡量沙區(qū)沙害程度的主要指標(biāo)之一，也是治沙工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)(吳正， 2003； 朱震達(dá)等， 1980)，其與風(fēng)速擬合關(guān)系式為：

式中：Q0～100為輸沙率(g·cm-1min-1)，v為2 m高度處風(fēng)速(m·s-1)，a，b為系數(shù)。

而將輸沙率隨高度變化進(jìn)行擬合的關(guān)系式為：

(2)

式中：Q為輸沙率，H為高度，c，d為系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)區(qū)下墊面基本特征

油蒿群落與白刺群落是烏蘭布和沙區(qū)東北緣荒漠-綠洲過(guò)渡帶天然分布最廣的植被類(lèi)型，在長(zhǎng)期的植被演替與水分利用競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，形成了植被蓋度不一的半固定、固定沙地。本試驗(yàn)選取的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下墊面的基本特征如表2所示，地表土壤主要由粒徑為250～50 μm的細(xì)沙和極細(xì)沙構(gòu)成。

表2 觀測(cè)點(diǎn)下墊面基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面土壤風(fēng)蝕量

當(dāng)?shù)赝寥里L(fēng)蝕主要發(fā)生在冬春季節(jié)，以春季4—6月風(fēng)蝕危害最為強(qiáng)烈。由表3可知，5種樣地4—6月土壤風(fēng)蝕深度的大小順序： 流動(dòng)沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，隨著植被蓋度的增加，土壤風(fēng)蝕顯著減少。蓋度為40%的油蒿、白刺群落地表土壤風(fēng)蝕深度僅為流動(dòng)沙丘同期土壤風(fēng)蝕深度的1.73%～1.52%。

2011年4—6月起沙風(fēng)持續(xù)時(shí)間占年起沙風(fēng)持續(xù)時(shí)間的48.14%(劉芳， 2014)。可估算得流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風(fēng)蝕深度分別為： 55.131，2.123，0.898 cm。

表3 不同下墊面土壤風(fēng)蝕量(4—6月)

2.2 風(fēng)速對(duì)地表風(fēng)蝕的影響

野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示(圖3)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4.1 m·s-1時(shí)，流動(dòng)沙丘表面可觀察到沙粒的蠕動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5.1 m·s-1時(shí)積沙儀可收集到沙物質(zhì)。而有植被覆蓋的樣地起沙風(fēng)速明顯增大，油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘，風(fēng)速分別達(dá)到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1時(shí)才有風(fēng)蝕發(fā)生。圖3表明，流動(dòng)、半固定和固定沙丘的風(fēng)蝕輸沙率均隨風(fēng)速增大呈冪函數(shù)規(guī)律遞增，R2>0.90。流動(dòng)沙丘輸沙率隨風(fēng)速增大而增加，但當(dāng)風(fēng)速<7.1 m·s-1的范圍內(nèi)增大較緩，在>7.1 m·s-1的范圍內(nèi)增大加快，說(shuō)明氣流搬運(yùn)的沙量隨風(fēng)速增大而急劇增加。

2.3 不同下墊面風(fēng)蝕物的垂向分布

對(duì)0～100 cm垂直輸沙斷面各層沙物質(zhì)的粒度進(jìn)行分析，結(jié)果表明： 不論哪種下墊面類(lèi)型，各高度層風(fēng)蝕物的粒度組成均服從單峰態(tài)分布特征(圖4)，其峰值范圍均處在 250～100 μm之間，0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且趨向粒徑變大方向。在0～100 cm高度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕物各粒級(jí)含量中的中沙級(jí)組分含量減少，粉沙及黏土組分含量增加，即隨著高度增加，極細(xì)沙粒度構(gòu)成比例在自下而上的垂向變化過(guò)程中呈遞增趨勢(shì)，中沙粒度構(gòu)成比例則在自下而上的垂向變化過(guò)程中呈遞減趨勢(shì)，風(fēng)蝕物粒徑隨高度增加變細(xì)。

由圖5可知，固定沙丘平均粒徑由130.6 μm 減少至103.4 μm。半固定沙丘由173.5 μm 減少至96.8 μm，流動(dòng)沙丘由212.9 μm 減少至91.3 μm。在0～100 cm垂直輸沙斷面上，無(wú)論是風(fēng)蝕物粒徑范圍, 還是平均粒徑，均隨高度增加呈明顯的遞減趨勢(shì)，且風(fēng)沙流中沙粒的平均粒徑趨向更細(xì)。這表明在同一風(fēng)速條件下，氣流上升的舉力不足以把較大的沙粒帶到較高層，但可把質(zhì)量較小的顆粒運(yùn)送到較高層。

2.4 不同下墊面風(fēng)蝕輸沙隨高度分布特征

對(duì)烏蘭布和沙區(qū)5種類(lèi)型沙丘實(shí)測(cè)風(fēng)蝕輸沙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(表4)表明： 在0～100 cm垂直輸沙斷面上，不論是哪種下墊面類(lèi)型，輸沙量百分比隨高度增加呈下降趨勢(shì)，風(fēng)蝕物主要集中于貼地層0～4 cm高度內(nèi)，0～10 cm高度層輸沙量占總輸沙量的42.8%～70.7%，67.6%～90.0%的輸沙量分布于0～30 cm高度層。

對(duì)輸沙率沿高度變化進(jìn)行擬合(圖6)，可看出輸沙率隨高度增加呈冪函數(shù)衰減，相關(guān)系數(shù)R2均在0.84以上，相關(guān)性較好。將油蒿、白剌固定沙丘輸沙量百分比沿高度的變化與流動(dòng)沙丘輸沙量百分比對(duì)比得出： 由于植被蓋度的增大，2種沙丘輸沙量百分比在貼地層變小，0～10 cm高度層相對(duì)輸沙量分別比流動(dòng)沙丘0～10 cm輸沙量百分比減少27.9%和15.6%，下降到總輸沙量的42.8%和55.1%，這主要是由于地表植被改變了下墊面狀況，顯著地增大了地表粗糙度，改變了風(fēng)力作用強(qiáng)度，增大了地表剪切力，降低了風(fēng)沙流的挾沙能力，使貼地層的相對(duì)輸沙量減少，導(dǎo)致風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變異。

選擇12.3，11，9.7，7.9 m·s-1風(fēng)速條件下各沙丘輸沙率對(duì)比分析(表5)： 植被蓋度為20%的油蒿半固定沙丘、蓋度為30%的白刺半固定沙丘、蓋度為40%的油蒿固定沙丘和白刺固定沙丘輸沙率均值分別為2.553，0.786， 0.433，0.358 g·cm-1min-1，僅是流動(dòng)沙丘輸沙率均值的36.6%，11.3%，6.6%，5.1%。可見(jiàn)，當(dāng)植被蓋度達(dá)到40%以上時(shí)，下墊面風(fēng)蝕輸沙不及無(wú)植被覆蓋地段輸沙的6.6%，地表風(fēng)蝕被有效阻止。

圖3 不同下墊面風(fēng)蝕輸沙率與風(fēng)速關(guān)系Fig.3 The relationship between different underlying surface of sand transport rate and wind speed

圖4 各高度層風(fēng)蝕物粒度組成特征Fig.4 Each level sand grain size of material characteristics

圖5 風(fēng)蝕物粒徑的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of average particle size

3 討論

土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災(zāi)害的首要因素，也是干旱、半干旱地區(qū)主要的土地退化過(guò)程。相關(guān)研究表明，隨著植被蓋度的增加，下墊面土壤臨界侵蝕風(fēng)速相應(yīng)增大，植被覆蓋顯著改變沙粒的起動(dòng)風(fēng)速，使地表風(fēng)蝕輸沙顯著減少。張華等(2004)在科爾沁沙地研究表明，風(fēng)沙活動(dòng)期的輸沙量(Q)與同期植被蓋度(VC)間的最佳非線性回歸關(guān)系式為Q=3.93+93.66e-0.60VC。高尚玉等(2008)對(duì)京津風(fēng)沙源區(qū)研究表明，臨界侵蝕風(fēng)速與植被蓋度的關(guān)系表現(xiàn)為U0=a+b·exp(VC/c)，其中，U0為臨界侵蝕風(fēng)速(m·s-1)， VC為植被蓋度(%)，a,b,c為系數(shù)； 本研究得出，蓋度為40%的油蒿、白刺群落土壤風(fēng)蝕深度僅為流動(dòng)沙丘同期土壤風(fēng)蝕深度的1.73%～1.52%，0～100 cm垂直輸沙斷面上的輸沙率僅為流動(dòng)沙丘輸沙率的6.6%～5.1%，估算得流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風(fēng)蝕深度分別為： 55.131，2.123，0.898 cm。與高君亮等(2009)推算的烏蘭布和沙漠流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地年輸沙率的平均比例為1∶0.429∶0.054相符，而與其估算的年風(fēng)蝕深度(流動(dòng)沙丘9.059 cm、半固定沙地3.737 cm、固定沙地0.493 cm)差異較大，主要是由于他們?cè)跍y(cè)算風(fēng)蝕量時(shí)沒(méi)有考慮風(fēng)向問(wèn)題，導(dǎo)致估算結(jié)果偏大，而風(fēng)蝕釬法測(cè)得的風(fēng)蝕深度更貼近野外實(shí)際風(fēng)蝕情況。更準(zhǔn)確的結(jié)果應(yīng)使用長(zhǎng)時(shí)段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

表4 不同下墊面輸沙率隨高度的分布

圖6 烏蘭布和沙區(qū)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(100 cm高度)Fig.6 Sand flow structure on sand surface in Ulanbuh Desert (H=100 cm)

表5 不同類(lèi)型沙丘輸沙率(100 cm高度)

①括號(hào)內(nèi)為蓋度Value in bracket is vegetation coverage.②半固定、固定沙丘與流動(dòng)沙丘輸沙率均質(zhì)之比Average STR ratio of semi-fixed or fixed dunes to mobiledunes.

風(fēng)蝕物粒徑組成不但表征了下墊面土壤性質(zhì)或顆粒所受外力作用的強(qiáng)弱，而且和風(fēng)沙搬運(yùn)量的大小以及搬運(yùn)方式也有密切關(guān)系。烏蘭布和沙區(qū)荒漠-綠洲過(guò)渡帶5種下墊面條件的風(fēng)蝕物主要由粒徑為250～50 μm的細(xì)沙和極細(xì)沙構(gòu)成。風(fēng)蝕物含量垂直分布遵循冪函數(shù)(Q=aH-b)規(guī)律衰減，在0～100 cm垂直輸沙斷面上，各高度層風(fēng)蝕物的粒度組成均服從單峰態(tài)分布特征，其峰值范圍均處在250～100 μm之間，風(fēng)蝕物粒徑范圍、平均粒徑隨高度增加呈明顯的遞減趨勢(shì)，風(fēng)蝕物粒徑隨高度增加變細(xì)。0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且趨向粒徑變大方向，這主要是受躍移顆粒的影響，隨著高度增加, 躍移質(zhì)含量急劇降低,使風(fēng)蝕物粒徑快速減小，表明在同等條件下，沙粒的直徑越小跳躍的高度越大。認(rèn)識(shí)荒漠生態(tài)系統(tǒng)地表土壤的風(fēng)蝕特征及植被降解風(fēng)蝕輸沙規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同下墊面釋塵對(duì)大氣環(huán)境的影響有重要意義。

4 結(jié)論

隨著植被蓋度的增加，土壤風(fēng)蝕程度顯著減輕，流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風(fēng)蝕深度依次降低。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，植物群落主要通過(guò)覆蓋地表、提高下墊面的粗糙度和攔截沙粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)緩解氣流對(duì)地表的侵蝕作用。因此，在防沙治沙工程實(shí)施過(guò)程中，要充分考慮和利用植被防風(fēng)抗蝕的生態(tài)效應(yīng)。

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(責(zé)任編輯 朱乾坤)

Characteristics of Soil Wind Erosion under Different Underlying Surface Conditions in Ulanbuh Desert

Liu Fang Hao Yuguang Xin Zhiming Xu Jun Huang Yaru Zhao Yingming Sun Fei

(ExperimentalCenterofDesertForestry,CAFDengkouDesertEcosystemResearchStationofInnerMongoliaDengkou015200)

【Objective】 Influences of typical vegetation communities in desert ecosystems on the aeolian activities in the near surface were studied to reveal soil wind erosion characteristics of desert ecosystem under different underlying surface conditions. 【Method】 Five typical underlying surfaces, including semi-fixed dunes (coverage 20%) ofArtemisiaordosica, semi-fixed dunes (coverage 30%) ofNitrariatangutorum, fixed dunes (coverage 40%) ofA.ordosicaand fixed dunes (coverage 40%) ofN.tangutorum, and mobile sand dunes (served as the control), were selected in the desert-oasis ecotone at the northeast margin of the Ulanbuh desert. By using the wind erosion brazing and sand flow acquisition system, five kinds of underlying surfaces wind erosion dynamic were real-time monitored to quantitatively analyze the differences of soil wind erosion, vertical distribution and grain size composition under the different underlying surface conditions. 【Result】 Soil wind erosion thickness on different underlying surface during the same period in Ulanbuh desert was mobile sand dunes >semi-fixed dunes ofA.ordosica>semi-fixed dunes ofN.tangutorum> fixed sand dunes ofA.ordosica>fixed sand dunes ofN.tangutorum. Sand peristalsis could be observed in mobile sand dunes when the wind speed reached to 4.1 m·s-1, and the wind erosion material was able to be collected when the wind reached to 5.1 m·s-1.In semi-fixed dunes ofA.ordosica, semi-fixed dunes ofN.tangutorum, fixed dunes ofA.ordosicaand fixed dunes ofN.tangutorum, the wind erosion happened when wind speed reached to 6.3, 6.5, 6.8 and 7.9 m·s-1, respectively. In the vertical section of 0-100 cm on the five bed surfaces, sediment runoff of 67.6%-90.0% distributed in 30 cm height, carrying airflow in the transport rate expressed as a power function declined with the increase of height, and increased with the increase of wind speed. The grain size composition of the wind erosion in each layer was in a unimodal distribution, with the peak between 250-100 μm; The peak value of the grain size composition in 0 -20 cm height layers was obviously different from that of the other layers, and tended to be larger. From below to top, the proportions of very fine sand particles showed an increasing trend, but the proportions of medium sand grain size showed a decreasing trend. 【Conclusion】 With the increase of vegetation coverage, soil wind erosion decreased significantly, and the annual wind erosion depth of mobile sand dunes, semi-fixed dunes and fixed sand dunes decreased. With coverage of 40%A.ordosicaandN.tangutorumcommunity, the soil wind erosion depth was only about 1.73%-1.52% of the wind erosion depth of mobile sand dunes at the same time, and the sediment transport rate in the range of 0-100 cm height was only 6.6%-5.1% transport rate of mobile dune sand. Vegetation alleviated stream erosion to the surface mainly by covering the surface, increasing the roughness of the underlying surface and blocking the movement of sand. Therefore, in the process of implementing anti-desertification project, we should fully consider and use the ecological effects of vegetation in resisting wind erosion.

sand flow structure; sand transport rate; soil wind erosion； size analysis; Ulanbuh desert

10.11707/j.1001-7488.20170314

2015-02-20；

2016-11-09。

“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD16B0103)；中央級(jí)科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(CAFYBB2016MB003)。

S714.7

A

1001-7488(2017)03-0128-10

*郝玉光為通訊作者。