方 橋,張克海，張鈺佳

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

生態(tài)水文學(xué)在1992年的Dublin國(guó)際水與環(huán)境大會(huì)上被作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科提出[1]，它是研究生態(tài)格局和生態(tài)過(guò)程變化的水文學(xué)機(jī)制的一門(mén)邊緣學(xué)科，介于生態(tài)學(xué)與水文學(xué)之間，它的一個(gè)重要研究方向是在不同時(shí)空尺度上和一系列環(huán)境條件下探討生態(tài)水文過(guò)程[2，3]與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用機(jī)制。在不同時(shí)空尺度上，生態(tài)過(guò)程如何作用于水文過(guò)程，水文過(guò)程變化又如何影響生態(tài)過(guò)程，是生態(tài)水文學(xué)研宄的兩大核心主體。 在干旱地區(qū)，水文過(guò)程控制著植被的生長(zhǎng)發(fā)育，又是水土流失和土地荒漠化的主要調(diào)控者，所以水文循環(huán)過(guò)程的改變往往是干旱區(qū)所有生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的直接驅(qū)動(dòng)力。因此，研究生態(tài)水文過(guò)程對(duì)風(fēng)力侵蝕的響應(yīng)機(jī)制是干旱區(qū)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中必須解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

2 風(fēng)力侵蝕的自然影響因素

2.1 土壤含水量

土壤含水量與風(fēng)力侵蝕之間有密切的聯(lián)系。首先，土壤顆粒起動(dòng)風(fēng)速的大小取決于土壤含水量，而且臨界風(fēng)速的大小也和土壤含水率有著密切的聯(lián)系。同一地區(qū)，不同的土壤含水量，風(fēng)蝕的臨界風(fēng)速不同。有研究表明，土壤含水率愈大，臨界風(fēng)蝕風(fēng)速愈大，土壤抵抗風(fēng)蝕的能力就愈強(qiáng)[4]。雖然各學(xué)者對(duì)土壤含水量對(duì)風(fēng)蝕臨界風(fēng)速影響研究的方法有所不同，但得出的結(jié)論基本一致，臨界風(fēng)速高，土壤越不易風(fēng)蝕。海春興、趙燁等[5]提出，當(dāng)土壤中有水分存在時(shí)，顆粒間的內(nèi)聚力就會(huì)增加，從而增強(qiáng)了土壤的抗風(fēng)蝕性。胡孟春[6]等利用風(fēng)洞試驗(yàn)，得出沙土含水量是很重要的抗風(fēng)蝕因子，2%的沙土含水率為重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)含水率大于2%時(shí)，抗風(fēng)蝕能力變化趨于穩(wěn)定。vanDijk[7]等通過(guò)探究降雨對(duì)荷蘭海灘風(fēng)沙傳輸?shù)挠绊?，其?yàn)結(jié)果得出風(fēng)蝕起動(dòng)風(fēng)速隨土壤表層含水量的增加而增大。總之，土壤含水量是決定土壤風(fēng)蝕情況的重要因素，而且通過(guò)大量研究不難得出在一定范圍內(nèi)，隨著土壤含水量的增加，土壤的抗風(fēng)蝕的能力增強(qiáng)。

2.2 植被

植被可通過(guò)覆蓋地表的部分和利用根部增強(qiáng)土壤凝聚力來(lái)抑制地面輸沙等多種途徑的抑制作用，從而起到減弱風(fēng)蝕對(duì)地表土壤的影響[8]。植被蓋度對(duì)風(fēng)速、地表粗糙度、風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)具有不同的影響[9]。因此合理的植被空間格局和較高的植被覆蓋率等對(duì)風(fēng)蝕有很好的預(yù)防和削弱作用。目前，在我國(guó)西北干旱地區(qū)對(duì)風(fēng)蝕的防護(hù)措施主要是種植防護(hù)林。同時(shí)，風(fēng)蝕也會(huì)對(duì)植被的生長(zhǎng)形成重要的影響。唐偉[10]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型與系統(tǒng)動(dòng)力模型在對(duì)干旱半干旱地區(qū)侵蝕與植被相互作用模型的研究中指出，風(fēng)蝕對(duì)植被在不同的環(huán)境條件下既有促進(jìn)作用，也有抑制作用。當(dāng)風(fēng)蝕的沉積物堆在該地區(qū)，會(huì)通過(guò)風(fēng)蝕的分離作用，從地表剝蝕出無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)質(zhì)，用以植被生長(zhǎng)繁殖所需。則當(dāng)植被被沉積物全掩埋時(shí)，植被會(huì)因缺少光合作用而死亡。王兆印、鞏同梁[11]等在研究雅魯藏布植被類(lèi)型與侵蝕類(lèi)型的關(guān)系中得出風(fēng)力侵蝕以沙丘的方式改變植被的空間格局及覆蓋度。植被與風(fēng)蝕之間的相互影響決定了干旱地區(qū)對(duì)植被生長(zhǎng)特性研究的重要性，不同的植被格局、覆蓋度等都會(huì)對(duì)風(fēng)蝕產(chǎn)生一定的影響。由此可見(jiàn)，良好的植被狀況是預(yù)防與減弱風(fēng)蝕的重要措施。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)

風(fēng)蝕作用是導(dǎo)致干旱半干旱地區(qū)土壤養(yǎng)分變化的一個(gè)重要因素。風(fēng)蝕造成土壤粗化，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分減少。在吉林省西部沙地土壤風(fēng)蝕機(jī)理分析研究表明，在其它條件一定的情況下，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤風(fēng)蝕率越小[12]。王禹[13]通過(guò)對(duì)比兩類(lèi)開(kāi)墾時(shí)間不同坡耕地土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量的深度分布發(fā)現(xiàn)，開(kāi)墾時(shí)間較長(zhǎng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于開(kāi)墾時(shí)間較短的耕地，并對(duì)兩個(gè)坡面侵蝕速率與各養(yǎng)分含量逐步回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩個(gè)坡面上侵蝕速率均可用養(yǎng)分含量的函數(shù)表示，這反應(yīng)了土壤養(yǎng)分流失與土壤侵蝕的密切關(guān)系?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是在哪種類(lèi)型的土壤中，土壤抗風(fēng)蝕能力隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增高而增高。

2.4 風(fēng)力因素

風(fēng)是風(fēng)蝕的主要?jiǎng)恿?，風(fēng)力的空間分布，在一定程度上決定著風(fēng)蝕的空間分布，二者具有較好的相關(guān)性[14]。鄭帥、李德明[15]等通過(guò)對(duì)風(fēng)速與風(fēng)蝕風(fēng)積的關(guān)系研究得出隨著風(fēng)速的加大，流動(dòng)沙丘和固定沙丘背風(fēng)坡的坡中與坡腳的土壤堆積厚度均有不同程度的增加，而由于風(fēng)力的剝蝕作用，坡頂?shù)亩逊e厚度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；也有學(xué)者指出[16]9 m/s風(fēng)速基本上是風(fēng)蝕物空間動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的臨界點(diǎn)。低于臨界風(fēng)速，風(fēng)蝕物收集量高度符合指數(shù)曲線變化規(guī)律，高于臨界風(fēng)速，二者符合冪函數(shù)曲線變化規(guī)律。林藝、李和平[17]等在東北黑土區(qū)農(nóng)田土壤的研究發(fā)現(xiàn)，高風(fēng)速對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響大于低風(fēng)速，這是因?yàn)榈惋L(fēng)速時(shí)土壤抗風(fēng)蝕能力較為穩(wěn)定，而當(dāng)風(fēng)速增大后，土壤的穩(wěn)定性遭到破壞，抗風(fēng)蝕能力變?nèi)?。同時(shí)，劉明義[18]等指出風(fēng)向也會(huì)對(duì)風(fēng)蝕產(chǎn)生影響。因此，風(fēng)對(duì)風(fēng)蝕的影響是通過(guò)風(fēng)速與風(fēng)向來(lái)決定的，只有對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向有一定的控制，才會(huì)大大減少當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)蝕程度。

3 風(fēng)力侵蝕人為影響因素

土壤風(fēng)蝕的成因包括自然因素和人為因素，而人為因素是造成土壤風(fēng)蝕的主要因素。人為因素引起的風(fēng)蝕量約占78.6%[4]。在很多干旱地區(qū)，由于人們對(duì)自然資源的大范圍開(kāi)發(fā)和粗放型運(yùn)用，使原本就比較脆弱的生態(tài)環(huán)境遭受進(jìn)一步破壞、惡化，從而引起該區(qū)土地荒漠化的發(fā)生[19]，使土壤抵抗風(fēng)力侵蝕的性能迅速降低。柴成武[20]在對(duì)民勤地區(qū)土地荒漠化研究中分別從人類(lèi)水資源利用方式及數(shù)量、植被保護(hù)、土地利用方式轉(zhuǎn)變等角度分析了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)赝恋鼗哪M(jìn)程的影響，認(rèn)為導(dǎo)致的民勤現(xiàn)代荒漠化主要原因?yàn)榉磸?fù)墾殖、棄耕、過(guò)度水資源利用。因此，在干旱地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，從而間接影響到土壤的抗風(fēng)蝕能力。此外，吳波和慈龍駿[21]、王濤[22]等的研究分別表明，毛烏素沙地和科爾沁地區(qū)現(xiàn)代荒漠化的主要驅(qū)動(dòng)因素也是人類(lèi)活動(dòng)。造成我國(guó)荒漠化的不合理人類(lèi)活動(dòng)主要表現(xiàn)為濫牧、濫墾、濫樵、濫采、濫用水資源、濫開(kāi)礦等[23，24]。在一個(gè)地區(qū)土地沙漠化過(guò)程中，人類(lèi)扮演了決定性的角色，因此，控制土壤沙漠化的前提就是控制人類(lèi)對(duì)其進(jìn)行的大量的危害，通過(guò)一系列人類(lèi)活動(dòng)，來(lái)預(yù)防和削弱風(fēng)蝕是非常有效的措施。

4 生態(tài)水文過(guò)程與風(fēng)力侵蝕的響應(yīng)機(jī)制

干旱地區(qū)降水稀少，氣候干燥，蒸發(fā)量大，導(dǎo)致干旱地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，因此水分傳輸和水分平衡顯得尤為重要，而土壤含水量又是水分傳輸和平衡過(guò)程中的主要驅(qū)動(dòng)力。土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)決定著生態(tài)系統(tǒng)格局和動(dòng)態(tài)，而生態(tài)系統(tǒng)演變又不斷改變著沙地的水文過(guò)程[25-27]韓蘭英、張強(qiáng)[28]等通過(guò)利用ARCGIS和SPASS軟件對(duì)石羊河流域土壤含水量生態(tài)水文各因素之間進(jìn)行主成分分析得到土壤含水量由降雨量、蒸發(fā)、下滲、徑流等9個(gè)指標(biāo)決定，并通過(guò)相對(duì)濕度，海拔高度，溫度和年氣象資料可以對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓龀鱿鄬?duì)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。因此，我們可以初步確定生態(tài)水文過(guò)程直接影響土壤含水量，而土壤含水量又直接決定土壤抗風(fēng)蝕的能力。張定海、李新榮[29]等以固沙植被中人工種植的灌木和喬木的蓋度與深層土壤水分含量互饋互調(diào)作用的長(zhǎng)期變化為依據(jù)，基于對(duì)中國(guó)不同氣候帶沙區(qū)典型人工植被系統(tǒng)生態(tài)和水文過(guò)程的模擬，通過(guò)建立生態(tài)水文模型初步界定了不同沙區(qū)適宜于人工植被生態(tài)系統(tǒng)管理的生態(tài)水文閾值，提出生態(tài)水文閾值能夠很好地反映沙區(qū)人工植被系統(tǒng)生態(tài)和水文過(guò)程互饋互調(diào)的作用機(jī)理。依據(jù)不同氣候帶沙區(qū)人工植被穩(wěn)定性維持的這些閾值，不僅可對(duì)現(xiàn)有人工植被進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理，進(jìn)而維持其防風(fēng)固沙功能的可持續(xù)性，而且對(duì)未來(lái)不同沙區(qū)以植被建設(shè)為主要途徑的生態(tài)重建和恢復(fù)提供了量化的參考指標(biāo)。由此，我們可以看出，生態(tài)水文過(guò)程決定著土壤含水量、植被格局與覆蓋度、溫度、大氣相對(duì)濕度等因素，這些因素又在一定程度上影響著風(fēng)力侵蝕，同樣，風(fēng)力侵蝕也反作用于這些指標(biāo)。因此，我們可以看出生態(tài)水文過(guò)程間接影響著風(fēng)力侵蝕，風(fēng)力侵蝕又反饋這種影響于生態(tài)水文過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)蝕不僅導(dǎo)致土壤水分流失、土壤肥力下降、表層土壤養(yǎng)分流失，而且導(dǎo)致水體的破壞、土壤顆粒及農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)隨徑流到達(dá)河流或湖泊，使水質(zhì)降低[30]。因此，研究生態(tài)水文過(guò)程對(duì)風(fēng)力侵蝕的響應(yīng)機(jī)制可為我國(guó)廣大干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供重要的生態(tài)水文學(xué)依據(jù)。給出自然因素和人為因素對(duì)風(fēng)力侵蝕的影響，聯(lián)系這些因素與生態(tài)水文過(guò)程之間的聯(lián)系，提出預(yù)防和削弱的措施，為干旱區(qū)土壤風(fēng)力侵蝕治理提供科學(xué)依據(jù)。