遼西北地區(qū)風力侵蝕過程分析

鄭 帥, 李德明, 郭成久, 寧 睿

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866)

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遼西北地區(qū)風力侵蝕過程分析

鄭 帥, 李德明, 郭成久, 寧 睿

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866)

遼西北地區(qū)土壤沙漠化形成的主要原因是土壤風蝕，為了定量評價遼西北沙化土壤在風力作用下的侵蝕狀況，研究采用埋釬法，觀測風速與土壤剝蝕深度及堆積厚度的關(guān)系。研究得出固定沙丘和流動沙丘的土壤剝蝕深度均隨著風速的加大而增加；流動沙丘和固定沙丘，隨著風速的加大，背風坡的坡中與坡腳的土壤堆積厚度均有不同程度的增加，而由于風力的剝蝕作用，坡頂?shù)亩逊e厚度與風速呈負相關(guān)；一年內(nèi)觀測到的流動沙丘，半流動沙丘，固定沙丘的平均風蝕強度分別為167.9，57.8，4.2 mm/d。

風蝕; 堆積厚度; 剝蝕深度; 風蝕強度

風蝕沙化是指干旱、半干旱和某些半濕潤區(qū)，在多風的沙質(zhì)地表條件下，由于人為強烈活動破壞了當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)平衡，從而造成地表以風沙活動為主要標志的土地退化[1-2]。風蝕沙化使這些區(qū)域的生物和經(jīng)濟生產(chǎn)潛力減少，甚至基本喪失[3]。在我國，由強烈風力侵蝕所造成的災害事件主要表現(xiàn)在以下方面：強烈的土壤侵蝕直接導致土地荒漠化發(fā)展；中國風蝕荒漠化土地平均擴展速度在20世紀50年代至70年代中期為每年1 560 km2，70年代中期至80年代中期增至每年2 100 km2，至90年代中期己達到每年2 460 km2，約相當于一個中等縣的面積[4-6]。遼西北沙化區(qū)是遼寧省內(nèi)陸沙地，地處遼寧省西北部，與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，屬科爾沁沙漠區(qū)域的南緣。遼寧是我國土地沙漠化危害比較嚴重的省份之一，現(xiàn)有沙化土地面積為54.96萬hm2，具有明顯沙化趨勢的土地60.66萬hm2，占全省土地總面積的7.94%[7]。概括來講遼寧境內(nèi)的沙漠化土地大致分三種，分別是以遼河、大凌河沖擊形成的法庫縣、新民市等沿河沙地；以興城市、大洼縣為代表的沿海沙地和以彰武縣、康平縣、北票市為代表的遼北內(nèi)陸沙地,其中遼寧省西北部內(nèi)陸沙地屬其中發(fā)展速度最快、規(guī)模最為宏大,危害性也最為嚴重的一塊[8-9]。遼寧省西北部沙化土地占全省沙化和荒漠化土地的比重為95.4%，主要分布在與內(nèi)蒙古科爾沁沙地接壤的西北部地區(qū)(包括彰武、康平、昌圖、法庫、北票、建平、黑山、義縣、新民等)。針對遼西北地區(qū)土壤沙化嚴重這一特點，本文對沙地風力侵蝕的形式、類型和侵蝕強度展開觀測分析，研究遼西北地區(qū)沙地土壤風力侵蝕的基本規(guī)律，為沙地土壤風力侵蝕防治措施和沙漠化土地生態(tài)修復與土地綜合利用提供科學依據(jù)。

1　試驗方法

為了定量評價遼西北沙化土壤在風力作用下的侵蝕狀況，本項研究采用埋釬法，“地貌類型”系列分流動(半流動)沙丘和固定沙丘2組，每組3次重復。按照地貌類型：流動沙丘(半流動)沙丘和固定沙丘，選擇試驗地。在4—5月大于起沙風速的天氣進行風蝕觀測。在每種試驗地上，均勻的設(shè)置30個觀測點，采取插釬法，測試風蝕深度或積沙厚度。在觀測場地內(nèi)按1 m×1 m的間距將鋼釬插入地面，每根鋼釬長50 cm，地面以上保留30 cm左右，每根鋼釬都必須按順序編號，并繪制鋼釬在觀測樣地內(nèi)的分布圖,布設(shè)鋼釬的同時用鋼尺沿鋼釬測量頂部到地面的距離，并按編號記錄。監(jiān)測每次大風天氣造成的風蝕量，需在刮風前后對觀測場地內(nèi)的每根鋼釬進行測量，記錄鋼釬頂部到地面的距離。監(jiān)測一定時期內(nèi)的風蝕量或風蝕量的動態(tài)變化，則需每隔一段時間對鋼釬頂部到地面的距離進行一次測量，測量間隔可根據(jù)大風發(fā)生的頻率確定。大風頻率高，監(jiān)測的間隔可以相對短一些，大風的頻率低，監(jiān)測的間隔可以相對長一些，一般的間隔為15～30 d。為了防止因踩踏鋼釬周圍而造成測量誤差，觀測時觀測人員的腳應(yīng)該離開鋼釬一定距離，需要大于30 cm。觀測風速與土壤剝蝕深度及堆積深度的關(guān)系。

2　試驗區(qū)簡介

試驗區(qū)選擇在遼寧省西北部沙地最具典型性的彰武縣阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)。彰武縣阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)東、西、北三面與內(nèi)蒙古科左后旗相鄰，地處科爾沁沙地南緣，東西寬度達到2 600 m，南北長度達到2 450 m，面積為293 hm2。彰武縣屬于遼寧省西北部風沙干旱區(qū)，處于科爾沁沙地的東南部，位于東經(jīng)121°53′—122°59′，北緯42°7′—45°51′，海拔57.6 m～313.4 m。全縣總土地面積36.14萬hm2，其中沙地8.47萬hm2，占23.4%，是遼寧省的重點風沙區(qū)，也是遼寧省沙漠化最嚴重的地區(qū)。據(jù)調(diào)查，試驗區(qū)沙地土質(zhì)在遼西北地區(qū)具備代表性和典型性。試驗區(qū)沙地根據(jù)地貌特點、地形情況可分為四種類型，即流動及半流動沙丘、固定沙丘、平緩沙地和丘間洼地[10-11]。流動及半流動沙丘占試驗區(qū)面積的18.9%，固定沙丘和平緩沙地占69.1%，丘間洼地占12.0%。沙地類型劃分見表1。

表1　沙地土壤類型特征

據(jù)調(diào)查，彰武北部沙地植被屬于蒙古植物區(qū)系西遼河小區(qū)，共有維管束植物89科338屬564種[12]。其中天然植物501種，引種造林樹木29種，園林樹木31種，綠肥牧草3種。菊科種類達到68種，為主要的天然植物，其次是禾本科45種，豆科44種，再次是薔薇科34種，莎草科29種[13]代表性植物有色木(Acermono)、山里紅(CrataegusPinnatfida)、家榆(UImusPumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)山杏(ArmeniacaSibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黃柳(Salixgordejeuii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。同時還分布著華北植物區(qū)系常見的一些種，如小葉樸(CeltisBungeana)、花曲柳(Flaxinusrhynchophylla)。

試驗區(qū)沙地土質(zhì)主要為風沙土，其次是草甸土、草炭土和水稻土。其中風沙土最多，占試區(qū)面積的89.4%，草甸土占8.74%，草炭土和水稻土僅占0.86%[13]。風沙土又分為固定風沙土、半固定風沙土和流動風沙土三種亞類。由于極早的得到了開發(fā)和利用，土壤表層風蝕和積沙現(xiàn)象很普遍，土壤性質(zhì)受風蝕強度與積沙層厚度影響很大。

風沙土中的機械顆粒以中細沙粒為主，占比達94.74%，物理性黏粒含量較低，為5.26%，土壤貧瘠，有機質(zhì)僅為0.064%～1.294%，pH值約為7.0。各類型風沙土的機械組成和養(yǎng)分含量分別見表2-3。

3　風力侵蝕的形式及類型

遼西北地區(qū)土壤沙漠化形成的主要原因是土壤風蝕，其侵蝕的主要營力是風。如果可以掌握沙地土壤風力侵蝕的形式及類型，對于防治土壤沙漠化有著極其重要意義。通過對試驗區(qū)內(nèi)土壤風蝕的觀測和調(diào)查，初步了解遼西北地區(qū)風力侵蝕形式及類型。

3.1風力侵蝕的形式

通過觀察分析，遼西北沙地土壤風蝕的形式主要有懸移、躍移和表層蠕移。在觀測過程中發(fā)現(xiàn)，風沙運動中大多為躍移的形式。在氣流搬運的砂?？偭恐校S移質(zhì)約占3/4，蠕移質(zhì)約占1/4，懸移質(zhì)的數(shù)量極少。

表2　風沙土機械組成

表3　風沙土養(yǎng)分含量

3.2風力侵蝕的類型

依據(jù)風和風沙對地表物質(zhì)的侵蝕作用方式不同，風蝕可以分為吹蝕和磨蝕兩種類型。而根據(jù)沙丘被侵蝕的狀態(tài)不同，風蝕可分為剝蝕與堆積兩種類型。

據(jù)觀測，一次刮風過程，平均風速6.8 m/s，最大風速12.8 m/s，持續(xù)時間6 h，沙丘迎風面最大剝蝕量達到831 mm。沙丘背風面的最大堆積厚度可以達到1.3 m。由于剝蝕和堆積現(xiàn)象的交替發(fā)生，促使沙丘流動。據(jù)觀測，該地區(qū)流動沙丘的最大移動速度為4～15 m/a，平均速度為1.2～5.1 m/a。

3.3試驗區(qū)風速與風向特征

為了摸清試驗區(qū)的風速、風向和風蝕特征，試驗人員于2008—2012年對試驗區(qū)進行了五年完整的風速、風向觀測，并進行了整理分析，數(shù)據(jù)詳見表4。大風主要出現(xiàn)在3月，4月，5月份，4月份平均風速最大。因此，春季是風蝕最為嚴重的時期，詳見圖1。

表4　試驗區(qū)大風天數(shù)出現(xiàn)頻率統(tǒng)計

圖1　試驗區(qū)觀測期月平均風速變化

4　風力侵蝕過程觀測

4.1風速與剝蝕深度的關(guān)系

通過測量流動沙丘和固定沙丘迎風坡坡腳、坡中、坡頂?shù)耐寥绖兾g深度，建立風速與剝蝕深度的變化曲線，分別見圖2，圖3。

從風速與沙丘迎風坡各部位土壤剝蝕深度的變化曲線可以看出，無論是流動沙丘還是固定沙丘，各部位的土壤剝蝕深度均隨著風速的加大而增加，呈明顯的正相關(guān)。流動沙丘三個部位的剝蝕深度由小到大的排序為坡腳、坡頂和坡中。通過對坡頂和坡中剝蝕深度的對比分析中可以看出，在沙丘的迎風坡中部，坡面不僅受到風力的直接“吹蝕”，而且風力遇到坡面的阻擋，形成了一股能量很大的上升力，使之產(chǎn)生風沙流，對地表物質(zhì)進行沖擊，即稱為“磨蝕”。通過“吹蝕”和“磨蝕”的共同作用，使得坡面中部的剝蝕深度高于坡頂和坡腳。

圖2　風速與流動沙丘迎風坡各部位剝蝕深度變化

圖3　風速與固定沙丘迎風坡各部位剝蝕深度變化曲線

從風速與固定沙丘各部位土壤剝蝕深度關(guān)系曲線可以看出，固定沙丘坡頂?shù)膭兾g深度明顯高于坡腳和坡中。這是因為固定沙丘坡腳和坡中的植被覆蓋度高于坡頂，抗“吹蝕”和“磨蝕”作用較坡頂強。

4.2風速與堆積厚度的關(guān)系

試驗同時也對沙丘背風坡各部位土壤堆積厚度進行了觀測，通過觀測流動沙丘和固定沙丘背風坡坡腳、坡中、坡頂?shù)耐寥蓝逊e厚度，建立風速與堆積厚度的變化曲線，分別見圖4，圖5。

圖4　風速與流動沙丘背風坡各部位堆積厚度變化

從風速與沙丘背風坡各部位土壤堆積厚度的變化曲線可以看出，無論是流動沙丘還是固定沙丘，隨著風速的加大，背風坡的坡中與坡腳的土壤堆積厚度均有不同程度的增加，呈顯著的正相關(guān)，而由于受到風力的剝蝕影響，坡頂?shù)亩逊e厚度與風速呈負相關(guān)。

圖5　風速與固定沙丘背風坡各部位堆積厚度變化

流動沙丘坡頂部最終不會產(chǎn)生堆積，背風坡坡中的堆積厚度較坡腳有顯著增加。通過對坡中和坡腳堆積厚度的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在沙丘背風坡的坡中部至坡底部，由于氣流的回旋作用，使得風速驟然下降，懸浮的沙粒逐漸停留在坡中位置，因此形成坡面中部土壤堆積厚度高于坡腳。

通過分析風速與固定沙丘背風坡土壤堆積厚度變化曲線可以得出，固定沙丘的坡頂部最終不會形成堆積，而背風坡中的堆積厚度要高于坡腳。這是由于固定沙丘坡中的植被覆蓋相較坡頂有明顯優(yōu)勢，可以對沙粒起到良好的“攔蓄”作用，大部分沙粒留在坡中部，只有少部分堆積于坡腳。

4.3沙丘的風蝕強度

流動沙丘的土壤為流動的風沙土，植被覆蓋度小于20%，沙面極不穩(wěn)定，流動性相對比較強。經(jīng)觀測：4—5月份，平均風速為6.64 m/s，最大風速為11.39 m/s 時，流動沙丘的丘頂、丘中和丘底風蝕強度分別為186.9，273.8，43.1 mm/d，平均為167.9 mm/d。

半流動沙丘的植被覆蓋度在20%～45%之間，地表穩(wěn)定狀況也較差，雖然能減低部分地表風速，但土壤風蝕強度依然較高。當平均風速為6.64 m/s，最大風速為11.39 m/s 時，半流動沙丘的丘頂、丘中和丘底風蝕強度分別為115.7，28.6，29.1 mm/d，平均為57.8 mm/d。

固定沙丘由于植被蓋度在50%以上，植物根系發(fā)達，地表穩(wěn)定狀況較好，可以有效的減低地表風速，土壤抗風蝕能力強，風蝕強度低。當平均風速為6.64 m/s，最大風速為11.39 m/s 時，固定沙丘的丘頂、丘中和丘底風蝕強度分別為3.8，0.5，8.3 mm/d，平均為4.2 mm/d。

5　結(jié) 論

(1) 遼西北地區(qū)風力侵蝕的形式主要為躍移和表層蠕移，在氣流搬運的砂?？偭恐校S移質(zhì)約占3/4，蠕移質(zhì)約占1/4，懸移質(zhì)的數(shù)量極少。風力侵蝕的類型有吹蝕、磨蝕及剝蝕和堆積。

(2) 無論是流動沙丘還是固定沙丘，沙丘迎風坡各部位的土壤剝蝕深度均隨著風速的加大而增加，呈明顯的正相關(guān)。流動沙丘三個部位的剝蝕深度由小到大的排序為坡腳、坡頂和坡中，固定沙丘坡頂?shù)膭兾g深度明顯高于坡腳和坡中。

(3) 無論是流動沙丘還是固定沙丘，隨著風速的加大，背風坡的坡中與坡腳的土壤堆積厚度均有不同程度的增加，呈顯著的正相關(guān)，而坡頂?shù)亩逊e厚度與風速呈負相關(guān)。

(4) 一年內(nèi)觀測到的流動沙丘，半流動沙丘，固定沙丘的平均風蝕強度分別為167.9，57.8，4.2 mm/d。

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Analysis of Wind Erosion in Northwest Area of Liaoning Province

ZHENG Shuai, LI Deming, GUO Chengjiu, NING Rui

(College of Water Conservancy, Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, China)

The main reason for formation of soil desertification in northwestern Liaoning is the wind erosion. With respect to quantitative evaluation the Liaoning Northwest sandy soil under the action of wind, this study adopted embedded brazing method to observe the relationship between wind speed and soil erosion depth and stack depth. Soil erosion depth of fixed dunes and mobile dune increased with the increase of flow velocity; mobile dune and fixed dune, as the wind speed increased, the accumulation thickness increased in the middle and toe of soil leeward slope at different degrees, due to wind erosion action, the accumulated thickness at the top was negatively related to wind speed; the average intensities of wind erosion of the mobile dune, semi mobile dune, fixed sand dunes, were 167.9 mm/day, 57.8 mm/day, 4.2 mm/day, respectively, within one observed year.

wind erosion; accumulation thickness; erosion thickness; wind erosion intensity

2014-09-19

2014-10-15

遼寧省自然科學基金項目(20102197)

鄭帥(1986—)，男,遼寧阜新人,碩士,主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理研究。E-mail:lvshuai5403@163.com

郭成久(1964—)，男,遼寧沈陽人,教授,主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理研究。E-mail:chengjiuguo11@163.com

S157

A

1005-3409(2015)04-0138-05