植被蓋度對(duì)典型草原區(qū)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕量影響

邢恩德，馬少薇，郭建英，李錦榮，藍(lán)登明

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019）

土壤風(fēng)蝕是指土壤及其母質(zhì)在風(fēng)力作用下的剝蝕、分選、搬運(yùn)過程［1］，嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕不僅會(huì)使土壤流失、質(zhì)地發(fā)生變化，還會(huì)使土地生產(chǎn)力急劇降低，同時(shí)造成了當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化［2－3］。中國是世界上受土壤風(fēng)蝕危害最嚴(yán)重的國家之一，主要分布于北方干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)［4］，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)是荒漠化強(qiáng)烈發(fā)展的地區(qū)之一，風(fēng)力侵蝕面積52.66萬km2，占全區(qū)土壤侵蝕總面積的83.27%。地表植被對(duì)土壤風(fēng)蝕具有一定的保護(hù)性作用，劉艷萍等［5］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了荒漠草原區(qū)植被對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，證明了風(fēng)速越大植被對(duì)地表的保護(hù)作用越明顯，各風(fēng)速下風(fēng)蝕量與植被蓋度之間呈冪函數(shù)相關(guān)。董治寶等［6－7］研究了植被對(duì)土壤風(fēng)蝕作用的影響，證明了增加植物密度對(duì)有效防止風(fēng)蝕具有重要作用。何京麗等［8］對(duì)半干旱草原土壤風(fēng)蝕的空間格局進(jìn)行研究，結(jié)果表明風(fēng)力侵蝕各影響因子的時(shí)空異質(zhì)性是導(dǎo)致半干旱草原風(fēng)力侵蝕空間異質(zhì)性的主要原因。徐軍等［9］對(duì)烏蘭布和沙漠不同下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同的風(fēng)速下，總輸沙量大小為流動(dòng)沙丘（植被覆蓋度＜15%）＞半固定沙丘（植被覆蓋度＞15%）＞固定沙丘（植被覆蓋度＞30%）。目前對(duì)北方干旱、半干旱荒漠化地區(qū)的土壤風(fēng)蝕做了大量研究，而關(guān)于典型草原區(qū)土壤風(fēng)蝕的定量化研究較少，因此，對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原不同植被蓋度的土壤進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究，探究植被蓋度對(duì)起動(dòng)風(fēng)速、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征及土壤風(fēng)蝕量影響的規(guī)律，為進(jìn)一步研究典型草原地區(qū)土壤風(fēng)蝕過程、制定合理的防風(fēng)固沙技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于錫林郭勒盟錫林浩特市神華北電勝利能源有限公司露天礦南，地理位置43°59′29.24″N，116°02′10.26″E。該地區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫2.2℃，極端最高氣溫39.9℃，極端最低氣溫－42.4℃；年平均降水量289.2mm，主要集中在6—9月，年平均蒸發(fā)量1 805.1mm；年平均無霜期106d；多年平均風(fēng)速3.5m/s，全年主導(dǎo)風(fēng)向西南，年大風(fēng)日數(shù)58d，沙塵天數(shù)為52d。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為栗鈣土，土壤腐殖質(zhì)層厚度20～30cm，有機(jī)質(zhì)含量2%～3%。試驗(yàn)區(qū)屬于典型草原植被類型，主要優(yōu)勢植物種有克氏針茅（StipakryloviiRoshev.）、羊草（LeymuschinensisTrin.Tzvel.）、小葉錦雞兒（CaraganamicrophyllaLam.）、冷蒿（ArtemisiafrigidaWilld.）等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土樣采集 試驗(yàn)于2011年4月進(jìn)行，本試驗(yàn)中只考慮植被因子的影響，在試驗(yàn)區(qū)露天礦南一號(hào)排土場采集無植被覆蓋的土樣（即擾動(dòng)土），該土樣土體結(jié)構(gòu)和地表植被均已破壞；同時(shí)在礦區(qū)外北側(cè)草地上采集植被蓋度15%，30%和45%的下墊面土樣，不破壞土體結(jié)構(gòu)和地表植被，取樣體積為20cm×30cm×20cm。用密封的鐵皮箱裝集采好的土樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)洞土壤風(fēng)蝕模擬試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 風(fēng)洞模擬試驗(yàn)風(fēng)速（洞體試驗(yàn)段內(nèi)部30cm高度處風(fēng)速）分別控制為7m/s，10m/s，13m/s，16m/s，19m/s，22m/s，25m/s，將土樣置于風(fēng)洞試驗(yàn)段中部，土壤表面與風(fēng)洞底板持平，將放置在樣品盤下風(fēng)向30cm中間位置，每個(gè)土樣在不同風(fēng)速水平下吹蝕10min。每次吹蝕結(jié)束后將其取出，收集集沙儀內(nèi)各沙盒的沙土樣品并用精度為千分之一克的天平稱量，然后將吹蝕后的樣品重新鋪設(shè)進(jìn)行下一次試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中測定不同土樣和風(fēng)速條件下的起動(dòng)風(fēng)速、距地表30cm高度內(nèi)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征及風(fēng)速對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響。

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)試驗(yàn)室風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行，該風(fēng)洞是直流閉口吹氣式低速風(fēng)洞，由動(dòng)力段、整流段、試驗(yàn)段、擴(kuò)散段四部分組成，洞體長37.78m，試驗(yàn)段長16.23m，矩形橫截面積1m（寬）×0.6m（高），洞身為木制結(jié)構(gòu)，風(fēng)速由1～40m/s連續(xù)可調(diào)。

WITSEG集沙儀總高40cm，是按垂直方向排列的線狀被動(dòng)式集沙儀，楔形入口段有30個(gè)進(jìn)沙口，分別與30個(gè)集沙盒相連，每個(gè)進(jìn)沙口為1cm（高）×0.5cm（寬），每個(gè)集沙盒的最大集沙量為18g。在數(shù)據(jù)分析時(shí)1cm高度代表0～1cm高度內(nèi)集沙，2cm高度代表1～2cm高度內(nèi)集沙，依次類推。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 本次試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)利用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理和相關(guān)性分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 起動(dòng)風(fēng)速

靜止的土壤沙粒必須在一定風(fēng)力條件下才能開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速增大到某一臨界值時(shí)，地表沙粒得以從氣流中獲得足夠的水平動(dòng)量并最終脫離靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng)，這個(gè)使沙粒開始運(yùn)動(dòng)的臨界風(fēng)速稱為起動(dòng)風(fēng)速［10］。如表1所示，地表沙土的起動(dòng)風(fēng)速隨著植被蓋度的增加而增大，其中擾動(dòng)土的起動(dòng)風(fēng)速最低，說明植被對(duì)地表起沙具有一定的保護(hù)作用。這主要是由于植被降低了風(fēng)速，使起動(dòng)風(fēng)速增大，并且無破壞的土樣表層具有結(jié)層，能夠抵御一定強(qiáng)度的風(fēng)速，從而提高起動(dòng)風(fēng)速，降低風(fēng)蝕。

表1 植被蓋度與起動(dòng)風(fēng)速

2.2 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

輸沙率表示一定風(fēng)速條件及沙源條件下的地表輸沙能力［11］，是確定和衡量土壤抗風(fēng)蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)，在土壤風(fēng)蝕研究中占有重要的地位。植被蓋度是影響土壤風(fēng)蝕最敏感的自然因素，植被覆蓋可通過多種途徑對(duì)地表土壤形成保護(hù)，本文只研究植被蓋度對(duì)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征的影響。

當(dāng)植被蓋度為0時(shí)（圖1），隨著風(fēng)速的增加，在0～2cm區(qū)間內(nèi)輸沙量逐漸增大，2cm以上輸沙量隨高度呈指數(shù)函數(shù)衰減，最大輸沙率均在2～3cm范圍內(nèi)。

當(dāng)植被蓋度為15%時(shí)（圖2），不同風(fēng)速下輸沙率均隨著高度增加呈現(xiàn)先增加后驟減的趨勢，最大輸沙率在2～3cm高度處，但風(fēng)速為19m/s，22m/s和25m/s時(shí)，輸沙率隨著高度層（高度層＞10cm）的增加而上下波動(dòng)。

當(dāng)植被蓋度為30%時(shí)，10m/s未收集到任何風(fēng)積物。圖3可知，13m/s和16m/s兩個(gè)風(fēng)速在0～5 cm范圍內(nèi)呈增加趨勢，最大輸沙率在4cm高度處，然后急劇減少，風(fēng)沙流中風(fēng)蝕物集中在9cm高度以內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速為19m/s，22m/s和25m/s時(shí)，最大輸沙率跳躍到14～15cm。

當(dāng)植被蓋度為45%時(shí)，10m/s未收集到任何風(fēng)積物；風(fēng)速13m/s時(shí)，僅在17cm高度層收到0.016g風(fēng)積物；16m/s時(shí)在6cm和11cm高度層分別收集到風(fēng)積物0.002g和0.006g，其他高度均無風(fēng)積物。由圖4可見，風(fēng)速19m/s時(shí)，0～6cm高度內(nèi)沒有收集到風(fēng)蝕物，6～9cm高度內(nèi)呈增加趨勢，最大輸沙率在9cm高度處，然后急劇減少，風(fēng)沙流高度在21cm以下；當(dāng)風(fēng)速為22m/s時(shí)，最大輸沙率跳躍到7～11cm；風(fēng)速為25m/s時(shí)，最大輸沙率跳躍到10～12cm。

綜上，由于植被影響風(fēng)速，造成氣流不穩(wěn)定形成紊流，使得各高度層輸沙率呈跳躍式分布；隨著植被蓋度的增加，近地層的輸沙率不斷減小，最大輸沙率的高度層不斷上移，說明植被蓋度的增加對(duì)地表風(fēng)力侵蝕具有一定的防護(hù)作用。這主要是因?yàn)轱L(fēng)速增加時(shí)，植被影響吹起來的沙粒彈跳高度增加，使這一區(qū)域輸沙率明顯高于其他高度層輸沙率。

圖1 植物蓋度0的不同風(fēng)速風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖2 植物蓋度15%的不同風(fēng)速風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖3 植物蓋度30%的不同風(fēng)速風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖4 植物蓋度45%的不同風(fēng)速風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

2.3 對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響

圖5所示不同植被蓋度下0～30cm內(nèi)總輸沙量與風(fēng)速的關(guān)系曲線。不同植被蓋度下，總輸沙量均隨著風(fēng)速的增加而增加，且總輸沙量（y）與風(fēng)速（x）的擬合關(guān)系曲線均為冪函數(shù)曲線。各風(fēng)速水平下，總輸沙量大小呈現(xiàn)規(guī)律性變化，表現(xiàn)為0＞15%＞30%＞45%，風(fēng)速為19m/s時(shí)，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的30.09倍；風(fēng)速為22m/s時(shí)，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的20.51倍；風(fēng)速為25m/s時(shí)，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的11.04倍。

圖5 不同植被蓋度下風(fēng)速與總輸沙量的關(guān)系曲線

3 結(jié)論與討論

植被蓋度是影響土壤風(fēng)蝕的重要因素，對(duì)地表土壤具有保護(hù)作用。不同植被覆蓋度下，起動(dòng)風(fēng)速隨植被蓋度的增加而增大，植被蓋度0的起動(dòng)風(fēng)速最低；受植被的影響風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈跳躍式分布，近地層的輸沙率隨著植被蓋度的增加而減小，最大輸沙率的高度層隨植被蓋度的增加不斷上移；相關(guān)性分析表明，不同植被蓋度下，總輸沙量均隨風(fēng)速的增加呈冪函數(shù)曲線趨勢增大，各風(fēng)速水平下，總輸沙量隨著植被蓋度的增加而減少。

風(fēng)洞模擬試驗(yàn)具有不受自然條件的限制、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了野外觀測典型草原區(qū)風(fēng)蝕過程中由于多影響因子的耦合，以至于難以區(qū)分單因子對(duì)風(fēng)蝕特征影響的不足。但是，由于風(fēng)洞模擬土壤風(fēng)蝕過程缺乏了其他自然因素的影響，所以與野外實(shí)際結(jié)果比較時(shí)存在一定的差距。因此，風(fēng)洞模擬結(jié)果如何有效地與野外觀測土壤風(fēng)蝕之間進(jìn)行對(duì)比分析是今后研究工作應(yīng)加強(qiáng)的內(nèi)容。

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