烏蘭布和沙漠東北緣綠洲防護(hù)林體系防風(fēng)阻沙能力研究*

邊 凱，高君亮，辛智鳴，羅鳳敏，郝玉光**，李新樂，譚立海，安志山

（1.中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/烏蘭布和沙漠綜合治理國(guó)家長(zhǎng)期科研基地/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 015200）

0 引 言

沙漠是近地表沙物質(zhì)的主要來源之一，沙漠與綠洲間循環(huán)往復(fù)的沙物質(zhì)搬運(yùn)、沉降過程，使地表發(fā)生的風(fēng)蝕、風(fēng)積威脅著綠洲的生態(tài)穩(wěn)定與持續(xù)發(fā)展［1-2］.沙漠-綠洲過渡帶是沙漠和綠洲之間物質(zhì)循環(huán)和能量交換的重要緩沖地帶，其生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感，是維護(hù)綠洲生態(tài)穩(wěn)定的重要屏障.綠洲防護(hù)林形成的局地小氣候減弱了風(fēng)速，從而減少了沙物質(zhì)的搬運(yùn)［3-5］.趙明等［6］評(píng)估了民勤地區(qū)沙漠-綠洲過渡帶和綠洲的阻沙效益，結(jié)果表明沙塵水平通量從沙漠到沙漠-綠洲過渡帶減少了42.0%、從沙漠到綠洲減少74.0%，證明了綠洲防護(hù)林體系具有明顯的削減沙塵功能；羅鳳敏等［7］研究表明，烏蘭布和沙漠東北緣從沙漠-綠洲過渡帶到綠洲風(fēng)速削減了31.0%，沙塵水平通量減少了298.16 g/m2；張克存等［8］以敦煌綠洲為例，證實(shí)從沙漠至綠洲方向平均風(fēng)速、起沙風(fēng)頻次和輸沙勢(shì)均逐漸減小，綠洲站點(diǎn)風(fēng)速較沙漠站點(diǎn)減小約一半，可見綠洲防護(hù)林的防風(fēng)效應(yīng)非常明顯.

沙塵水平通量指在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的沙塵質(zhì)量，是沙漠-綠洲過渡帶及綠洲沙塵輸送研究中的重要指標(biāo).沙塵水平通量的定量計(jì)算有助于提高沙塵輸送、風(fēng)沙災(zāi)害的量化認(rèn)識(shí).近年來沙塵通量的研究已取得了較大進(jìn)展：沙塵水平通量隨高度變化服從冪函數(shù)［9-12］或指數(shù)函數(shù)［13-14］關(guān)系等，也有研究認(rèn)為沙塵水平通量隨高度變化不遵循冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系［15］.沙塵輸送除受到天氣狀況影響外，還與下墊面狀況（植被、土壤和地形等）密切相關(guān).因此，不同地區(qū)的沙塵輸送特征不盡相同.

烏蘭布和沙漠是中國(guó)風(fēng)沙的策源地之一［16-17］，當(dāng)?shù)貜?qiáng)烈的風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)沙漠-綠洲過渡帶及綠洲農(nóng)田的正常運(yùn)作構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［18］.為解決綠洲風(fēng)沙危害，保障綠洲生態(tài)安全，對(duì)沙漠-綠洲過渡帶和綠洲風(fēng)沙危害問題的系統(tǒng)研究勢(shì)在必行.鑒于此，本研究在2018年春季（3—5月），收集了烏蘭布和沙漠東北緣的內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱磴口生態(tài)站）綠洲和沙漠-綠洲過渡帶中風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔的風(fēng)速和沙塵數(shù)據(jù)，對(duì)綠洲和沙漠-綠洲過渡帶這2種不同下墊面的沙塵傳輸特征進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)綠洲防護(hù)林在減輕風(fēng)沙危害方面的作用有量化認(rèn)識(shí).

1 研究區(qū)概況與采樣點(diǎn)

研究區(qū)為烏蘭布和沙漠東北緣，行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古磴口縣，地勢(shì)西南高東北低，海拔1 028～1 054 m.該區(qū)干旱少雨，西北風(fēng)為主害風(fēng)；冬冷夏熱，晝夜溫差大.據(jù)磴口生態(tài)站多年氣象觀測(cè)資料顯示：該區(qū)平均氣溫7.8℃，最高氣溫39.0℃，最低氣溫-29.6℃，年均降水量140.3 mm，年均蒸發(fā)量2 380.6 mm，日照時(shí)長(zhǎng)3 200 h，年均風(fēng)速3.70 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速最高可達(dá)24.0 m/s.研究區(qū)內(nèi)的綠洲與沙漠-綠洲過渡帶中各建設(shè)1座50 m高的風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔，綠洲風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔（1#塔）坐落在沙漠-綠洲過渡帶風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔（2#塔）北側(cè)2.3 km處（圖1）.沙漠-綠洲過渡帶下墊面為固定、半固定沙地，土壤類型為風(fēng)沙土，植被以白刺（Nitrariatangutorum）、油蒿（Artemisia ordosica）為主；絕大部分白刺形成大小為（2～6）m×（4～8）m、高1.2～3.6 m的灌叢沙堆［12］.綠洲內(nèi)部為平坦農(nóng)耕地，土壤類型為壤土和沙壤土，主要種植向日葵（Helianthusannus）和玉米（Zeamays）等；灌溉渠道兩側(cè)的新疆楊（Populus）形成綠洲防護(hù)林網(wǎng)，株距1 m×2 m，高 20～24 m［12］.

圖1 研究區(qū)位置及下墊面特征

在風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔安裝18個(gè)沙塵水平通量采集器（圖2），采集器高度從高到低依次為50.0、48.0、44.0、40.0、36.0、32.0、28.0、24.0、20.0、16.0、12.0、10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、1.0和 0.5 m.該采集器能夠跟蹤風(fēng)向變化收集沙塵，收集口徑為20 mm×50 mm.同時(shí)在風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔 48.0、36.0、24.0、16.0、12.0、8.0、4.0、2.0和1.0 m高度處各安裝1個(gè)Windsonic二維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器，啟動(dòng)風(fēng)速為0.01 m/s，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min/次.

圖2 風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔及沙塵采集器

2 研究方法

2.1 沙塵水平通量分析

分別對(duì)2018年春季2座風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔18個(gè)高度的沙塵水平通量進(jìn)行擬合：

式中：q（z）為某一高度的沙塵水平通量，單位為kg/m2；z為沙塵收集高度，單位為m；a、b為擬合系數(shù).式（1）求0～50 m高度內(nèi)積分，則2018年春季通過各觀測(cè)點(diǎn)1 m（寬）×50 m（高）斷面上的總沙塵水平量為

式中Q為觀測(cè)期間通過斷面的總沙塵通量，單位為kg.利用觀測(cè)塔12 m高處的風(fēng)速資料，統(tǒng)計(jì)16個(gè)方位的起沙風(fēng)（≥5 m/s），并計(jì)算起沙風(fēng)頻率.

2.2 輸沙勢(shì)計(jì)算

風(fēng)向數(shù)據(jù)和輸沙勢(shì)（drift potential，DP）采用Fryberger方法計(jì)算［19］，計(jì)算公式為

式中Pd為輸沙勢(shì)，以矢量單位VU表示；V和Vt分別為起沙風(fēng)風(fēng)速和臨界起沙風(fēng)風(fēng)速；t為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)所觀測(cè)的起沙風(fēng)時(shí)長(zhǎng)與總觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的百分比.

3 結(jié) 果

3.1 沙塵水平通量差異性分析

2018年春季烏蘭布和沙漠東北緣沙漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)部風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔沙塵水平通量隨高度變化特征如圖3所示.沙漠-綠洲過渡帶沙塵水平通量隨著高度上升呈明顯降低趨勢(shì)，而在綠洲中沙塵水平通量隨著高度上升緩慢增加；二者沙塵水平通量隨高度的變化關(guān)系均可用冪函數(shù)分別表示為：q（z）=3.356 5z-0.1961，R2=0.90；q（z）=0.424 5z0.2788，R2=0.92.

圖3 2018年春季2種下墊面不同高度層沙塵水平通量

同一高度的沙漠-綠洲過渡帶沙塵水平通量遠(yuǎn)大于綠洲，隨高度上升二者差異逐漸減小，在40～50 m高度之間二者近乎重合.根據(jù)每座風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔18個(gè)高度沙塵水平通量擬合的冪函數(shù)，利用沙塵通量定積分公式（2）計(jì)算2座風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔2018年春季通過1 m（寬）×50 m（高）斷面的總沙塵通量，結(jié)果表明通過沙漠-綠洲過渡帶和綠洲的總沙塵通量分別為96.93和49.39 kg.與沙漠-綠洲過渡帶的總沙塵水平量相比，綠洲內(nèi)部減少了約一半.這一結(jié)果表明綠洲防護(hù)林體系可明顯削減沙塵的傳輸量.

同一高度上沙漠-綠洲過渡帶的水平通量累計(jì)百分比均高于綠洲（圖4）.隨著高度的增加，二者沙塵水平通量累計(jì)百分比差值先增大后趨于平緩：0～12 m高度內(nèi)，二者沙塵水平通量累計(jì)百分比差值增幅較大；綠洲內(nèi)部14～50 m高度內(nèi)沙塵水平通量累計(jì)百分比增幅較小，沙漠-綠洲過渡帶68.4%的沙塵水平通量集中在20 m以下，而綠洲內(nèi)部20 m以下的沙塵水平通量累計(jì)占42.1%.以上分析表明，隨著高度增加下墊面狀況差異對(duì)沙塵水平通量的影響逐漸減弱.沙塵受到綠洲內(nèi)防護(hù)林的干擾其垂直分布結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變.

圖4 2018年春季2種下墊面沙塵水平通量累積百分比

3.2 起沙風(fēng)及輸沙勢(shì)分析

風(fēng)速是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，是沙塵輸送的動(dòng)力因素.本文對(duì)比分析了沙漠-綠洲過渡帶和綠洲的風(fēng)速資料，以從動(dòng)力條件上探討綠洲削減沙塵輸送的機(jī)理.觀測(cè)期間，沙漠-綠洲過渡帶起沙風(fēng)（≥5.00 m/s）頻率百分比為31.3%，起沙風(fēng)平均風(fēng)速為7.23 m/s；而綠洲僅為15.2%，起沙風(fēng)平均風(fēng)速為6.64 m/s，起沙風(fēng)頻率從沙漠-綠洲過渡帶至綠洲降低了約一半.這一結(jié)果表明綠洲削減風(fēng)速效應(yīng)明顯.綠洲防護(hù)林體系不僅減弱了風(fēng)速并減少了起沙風(fēng)作用時(shí)間，因而減少了沙塵的傳輸量.沙漠-綠洲過渡帶和綠洲風(fēng)以偏西風(fēng)（NW、SW、WSW、W、WNW）為主，偏東風(fēng)（NE）次之（圖5）.沙漠-綠洲過渡帶偏西風(fēng)、偏東風(fēng)分別占全部風(fēng)向的49.3%、21.2%，合計(jì)占全部風(fēng)向的70.5%.綠洲內(nèi)偏西風(fēng)、偏東風(fēng)分別占全部風(fēng)向的68.4%、14.3%，二者合計(jì)占82.8%.綠洲與沙漠-綠洲過渡帶的起沙風(fēng)風(fēng)向存在一定差異，綠洲的起沙風(fēng)風(fēng)向比沙漠-綠洲過渡帶更加集中.

輸沙勢(shì)是表征區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)弱和潛在輸沙能力大小的重要指標(biāo)，在風(fēng)沙環(huán)境領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛.根據(jù)沙漠-綠洲過渡帶與綠洲風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)（12 m高度處）和輸沙勢(shì)公式（3），計(jì)算并分析了觀測(cè)期間沙漠-綠洲過渡帶與綠洲的輸沙勢(shì)特征（圖6）.二者的輸沙勢(shì)方向分布與起沙風(fēng)分布一致，其中沙漠-綠洲過渡帶的輸沙勢(shì)為95.59 VU，合成輸沙勢(shì)為45.42 VU，合成輸沙方向?yàn)?17.28°；綠洲內(nèi)部的輸沙勢(shì)為30.94 VU，合成輸沙勢(shì)為21.06 VU，合成輸沙方向?yàn)?00.76°.綠洲內(nèi)部的輸沙勢(shì)比沙漠-綠洲過渡帶減少了67.6%，合成輸沙勢(shì)減少了53.6%.

圖5 2018年春季2種下墊面起沙風(fēng)玫瑰圖

圖6 2018年春季2種下墊面輸沙勢(shì)玫瑰圖

4 討論與結(jié)論

烏蘭布和沙漠東北緣沙漠-綠洲過渡帶和綠洲2種不同下墊面類型的沙塵水平通量隨高度的變化可用冪函數(shù)表示.然而，有學(xué)者對(duì)塔克拉瑪干沙漠平沙地的研究表明，沙塵水平通量隨高度變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系［13-14］，觀測(cè)地點(diǎn)、監(jiān)測(cè)高度、采樣儀器類型和采樣時(shí)間間隔等差異，均可能造成研究結(jié)果的不同.因此，亟待建立統(tǒng)一的觀測(cè)手段和方法來研究不同區(qū)域的風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律.2種下墊面沙塵垂直分布特征存在著明顯差異，這與下墊面狀況密切相關(guān).在沙漠-綠洲過渡帶下墊面，沙塵集中在近地表輸移，而綠洲中的防護(hù)林帶及農(nóng)作物對(duì)沙塵的干擾改變了沙塵水平通量的結(jié)構(gòu)，使得上層沙塵傳輸量高于近地表.下墊面土壤類型、地形地貌特征、植被分布特征及地表粗糙度等直接影響著風(fēng)速廓線特征與沙粒的輸移運(yùn)動(dòng)［20-21］，從而改變了沙塵通量的垂直分布特征.

從沙漠-綠洲過渡帶至綠洲，風(fēng)速減小、風(fēng)沙活動(dòng)減弱，沙塵水平通量減少了約一半，表明綠洲防護(hù)林體系阻沙效益明顯.趙明等［6］研究表明，甘肅民勤地區(qū)沙漠-綠洲過渡帶和綠洲分別比沙漠的沙塵水平通量減少了42.0%和74.0%；鞏慶［22］的研究表明策勒綠洲的沙塵水平通量比沙漠減少了87.0%.從沙漠至綠洲，風(fēng)動(dòng)力環(huán)境減弱導(dǎo)致起沙風(fēng)累計(jì)作用時(shí)間、沙粒的平均粒徑、沙塵輸移量均呈遞減趨勢(shì)［2，23］.綠洲內(nèi)形成的小氣候減弱了氣流的湍流交換，對(duì)抑制沙塵垂直輸送具有重要作用，因此，綠洲內(nèi)的沙塵通量小于沙漠-綠洲過渡帶［24］.風(fēng)動(dòng)力環(huán)境的強(qiáng)弱、沙物質(zhì)供給量和綠洲中防護(hù)林網(wǎng)疏密程度等均與沙塵量傳輸?shù)亩喙衙芮邢嚓P(guān).

在烏蘭布和沙漠東北緣沙漠-綠洲過渡帶和綠洲2種下墊面條件下，0～50 m高度范圍沙塵水平通量隨高度的變化均符合冪函數(shù)關(guān)系；在沙漠-綠洲過渡帶沙塵水平通量隨高度增加顯著降低，而綠洲內(nèi)沙塵水平通量呈現(xiàn)平緩增加趨勢(shì).與沙漠-綠洲過渡帶相比，綠洲防護(hù)林體系削減風(fēng)速明顯，降低了沙塵水平通量，具有較強(qiáng)的防風(fēng)阻沙能力.