起沙風(fēng)速的觀測方式及其影響因素研究綜述

伊力哈木·伊馬木，李菊艷，玉米提·吾提庫爾，劉金苗

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830002；2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083)

目前，隨著國內(nèi)外對土壤風(fēng)蝕、土地荒漠化、風(fēng)沙運動等多種研究課題的持續(xù)關(guān)注，學(xué)者們對起沙風(fēng)速的研究持續(xù)推進(jìn)。沙粒起動是地表沙粒運移的開端，當(dāng)風(fēng)力不斷增加達(dá)到臨界值時，地表沙粒開始運動，此臨界風(fēng)速稱為起動風(fēng)速，凡是超過起動風(fēng)速的風(fēng)稱為起沙風(fēng)。起動風(fēng)速包括流體起動風(fēng)速和沖擊起動風(fēng)速。流體起動指純氣流對沙粒的直接推動作用使沙粒發(fā)生滾動或躍起，此情況是在上風(fēng)向沒有來沙時產(chǎn)生的；沖擊起動是指已形成的風(fēng)沙流不斷地對地面產(chǎn)生沖擊而使沙粒進(jìn)入運動狀態(tài)，此情況是上風(fēng)向的挾沙氣流和運動沙粒共同作用的結(jié)果[1]。目前，大多數(shù)學(xué)者對起沙風(fēng)速進(jìn)行野外實測試驗是以研究流體起動風(fēng)速為主[1-2]。通常情況下，起沙風(fēng)速即沙粒開始移動的最低風(fēng)速，沙粒受風(fēng)力的起動機(jī)制是研究起沙風(fēng)速的首要內(nèi)容[3]。

1 起沙風(fēng)速的一般觀測方式

學(xué)者們通常采用不同的方法研究起沙風(fēng)速，總體上可以分為兩種。第一種是采用風(fēng)速儀直接進(jìn)行野外起沙風(fēng)速的測量，測量方法也較為簡單，即在測量點旁立測風(fēng)速桿，記錄下肉眼觀察到或者傳感器監(jiān)測到沙粒發(fā)生移動時刻的風(fēng)速，通過多次試驗減小誤差得到起沙風(fēng)速[1,4-9]。第二種是利用學(xué)者們提出的理論模型，通過計算臨界摩擦速度、地表粗糙度等進(jìn)而求得起沙風(fēng)速，如根據(jù)近地面沙塵濃度計算得到起沙風(fēng)速[10-11]。各模型所適用的邊界條件存在差別，利用理論模型進(jìn)行起沙風(fēng)速的測定時應(yīng)以獲得研究區(qū)的沙粒密度、空氣密度、土壤水分、植被覆蓋度等多個待測參數(shù)為前提[1]。在野外自然狀態(tài)下，地面狀況、大氣狀態(tài)會不斷發(fā)生改變，因此真實的臨界起沙風(fēng)速是一個變化的值[12]。一部分學(xué)者則通過理論模型測算臨界起沙風(fēng)速的閾值[13-14]。

2 起沙風(fēng)速主要影響因素的影響效應(yīng)

2.1 起沙風(fēng)速與沙粒粒徑的關(guān)系

沙粒粒徑是影響起沙風(fēng)速大小的一個重要因素，部分學(xué)者對其開展了研究。陳渭南等[1]通過試驗得到塔克拉瑪干沙漠的起沙風(fēng)速為5～6 m/s。李凱崇等[15]測得河岸地區(qū)沙質(zhì)地表、半固定沙地、沙礫戈壁的起沙風(fēng)速分別達(dá)到7、7～10、11～12 m/s，從沙漠到戈壁，沙粒粒徑逐漸增大，起沙風(fēng)速隨之增大。王宇等[3]根據(jù)土壤沙粒粒徑對研究區(qū)沙地進(jìn)行劃分，對粒徑<0.25 mm沙粒占總量比例逐漸減少的3種土壤類型進(jìn)行觀測，得到它們的起沙風(fēng)速分別為5.5、6.1、6.4 m/s。在造成此差異的一系列因素中，土壤顆粒粒徑組成發(fā)揮主導(dǎo)作用，不同粒徑沙粒起沙風(fēng)速及其脫離靜止后的運動方式均存在差異。在研究粒徑更小的塵粒時，韓桂波等[16]通過試驗發(fā)現(xiàn)不同于粒徑稍大的沙粒，粉塵顆粒的起動風(fēng)速除與粒徑有關(guān)外，還受制于水分條件。當(dāng)含水率較低時，起沙風(fēng)速隨著粒徑的增大而增大，但當(dāng)含水率較高時，一定粒徑范圍內(nèi)的沙粒，起沙風(fēng)速隨粒徑的增大而減小，粒徑為0.25～0.5 mm沙粒的起沙風(fēng)速為5.1 m/s，粒徑為0.5～1 mm沙粒的起沙風(fēng)速減小到4.85 m/s，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與不同粒徑沙粒間產(chǎn)生的引力大小不同有一定的關(guān)系。一般情況下，沙粒粒徑越大，起沙風(fēng)速越大，但在某些因素的影響下，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。沙粒粒徑對起沙風(fēng)速的影響受制于各方面的條件，因此應(yīng)對試驗進(jìn)行細(xì)化，控制其影響因素，以進(jìn)行更加深入的研究。

2.2 起沙風(fēng)速與植被的關(guān)系

地表植被在防止土壤風(fēng)蝕、減緩風(fēng)沙運動方面具有十分顯著的作用，部分學(xué)者進(jìn)行了起沙風(fēng)速與地表植被關(guān)系的相關(guān)研究。在有關(guān)植被覆蓋度對起沙風(fēng)速影響的研究中，賀晶等[17]在草地-流沙地過渡帶設(shè)置樣點，通過監(jiān)測樣點的各因素指標(biāo)計算得到裸沙地的起沙風(fēng)速為5.47 m/s，植被覆蓋度為24%～34%時起沙風(fēng)速大大增加，植被覆蓋度24%時起沙風(fēng)速為7.58 m/s，34%時達(dá)到7.82 m/s，說明植被覆蓋度能有效地降低風(fēng)速，阻止沙粒移動，促進(jìn)沙粒沉降，這與董治寶等[8]的研究結(jié)果一致。但黃富祥等[7]通過對毛烏素沙地不同植被覆蓋度起沙風(fēng)速的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植被覆蓋度為30%時，起沙風(fēng)速為6.1 m/s，在相似植被覆蓋度下，其起沙風(fēng)速與賀晶等人觀測結(jié)果存在差別，說明在與地表沙粒特征存在關(guān)系的同時，植被類型及組合模式也會對起沙風(fēng)速產(chǎn)生一定的影響。為研究不同植被類型及造林模式的防風(fēng)治沙效果，王愛軍等[9]對10種不同造林模式的起沙風(fēng)速進(jìn)行觀測研究發(fā)現(xiàn)：無造林建設(shè)的流動沙丘起沙風(fēng)速最小，僅為5.2 m/s，這與多數(shù)普通沙地的研究結(jié)果相近；喬灌草造林模式起沙風(fēng)速最大，達(dá)到24.8 m/s，在該造林模式下，植物高度內(nèi)的風(fēng)速受阻減小，沙粒沉降，同時地表低矮植物有效降低了地表沙粒的流動幅度，形成的有機(jī)土壤層厚度相對較大，因此起沙風(fēng)速大大增加。不同的植被覆蓋度、植被類型及組合模式對起沙風(fēng)速的影響具有一定的差異，在對不同地區(qū)開展防風(fēng)治沙時應(yīng)著重分析區(qū)域內(nèi)各項條件，因地制宜，合理選擇治理方案。

2.3 起沙風(fēng)速與其他因素的關(guān)系

在研究起沙風(fēng)速的其他影響因素方面，張鵬等[6]根據(jù)地表結(jié)皮率對研究區(qū)進(jìn)行劃分，測得結(jié)皮率>90%、結(jié)皮率<50%、結(jié)皮率<15%、結(jié)皮率<10%的不同地表的起沙風(fēng)速分別為9.3、8.9、7.2、6.6 m/s，起沙風(fēng)速與地表結(jié)皮率呈正相關(guān)關(guān)系，隨著地表結(jié)皮率的增加，其風(fēng)蝕的可能性大大降低。地表粗糙程度會對所經(jīng)流體產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響起沙風(fēng)速，李寧等[18]對地表粗糙度分別為1.42、1.48、1.58的3種不同地表的起沙風(fēng)速進(jìn)行試驗，測得其起沙風(fēng)速分別為5.3、5.7、7.5 m/s，隨著地表粗糙度的增加，其起沙風(fēng)速明顯增大。因此，在農(nóng)墾用地進(jìn)行留茬處理對于增大起沙風(fēng)速、防止土壤風(fēng)蝕具有十分顯著的作用[19-20]。為研究不同防風(fēng)阻沙體系下的防風(fēng)沙效果，馬韞娟等[21]通過試驗發(fā)現(xiàn)不同防風(fēng)阻沙體系防風(fēng)沙效果差異顯著，蘆葦、草簾子方格防風(fēng)阻沙體系的起沙風(fēng)速最大，為8.0～9.0 m/s，高于裸地的起沙風(fēng)速，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同條件下生長植被地表的起沙風(fēng)速。分析其原因可知，雖然蘆葦、草簾子方格防風(fēng)阻沙體系同樣具有減小風(fēng)速、沉降塵土、降低地表沙粒流動幅度的作用，但較難形成有機(jī)土壤層等生物作用，使得其增大起沙風(fēng)速的作用大大減小。與之相似，董治寶等[22-23]發(fā)現(xiàn)通過控制礫石覆蓋度同樣可以起到防風(fēng)阻沙的效果。

3 討 論

受下墊面特征、氣候特征、植物類型等多種因素的共同影響，起沙風(fēng)速本身并不是一個確定的值，而是具有一定的變化范圍。例如在對塔克拉瑪干沙漠起沙風(fēng)速的研究中，周成龍等[13]通過經(jīng)驗公式計算了該地區(qū)起沙風(fēng)速閾值，綜合研究區(qū)土壤濕度、空氣密度等多項影響因素，求得2 m高度的臨界起沙風(fēng)速為3.9～5.9 m/s(5月份的起沙風(fēng)速僅為3.9 m/s，這是由于此時處于春季末尾，土壤濕度非常小，地表土壤水分對起沙的阻礙作用減小，起沙風(fēng)速相應(yīng)減小，而夏季降水增加，起沙風(fēng)速隨之增大，綜合該地區(qū)一年平均起沙風(fēng)速為5.1 m/s)，同陳渭南、楊興華等人的研究結(jié)果一致。短時間內(nèi)區(qū)域中影響起沙風(fēng)速的各因子變化幅度較小，特性相對穩(wěn)定，所以起沙風(fēng)速在一個較長時期的尺度下觀測得到的結(jié)果會更加準(zhǔn)確[14]。

眾多學(xué)者對起沙風(fēng)速的研究目的不同，研究區(qū)類型多種多樣，沙粒粉塵有也一定區(qū)別，例如戈壁地區(qū)[15,24]、荒漠沙地[9,12-14]、防護(hù)林地區(qū)[5,9]、道路兩側(cè)[21,25]的沙粒及煤炭粉塵[16]的起沙風(fēng)速均存在差異。采用的觀測手段及理論模型也會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，為獲得更精確的結(jié)果需要采用合適而非通用的方法。部分學(xué)者為研究某些因素對起沙風(fēng)速的影響選擇設(shè)置對比試驗組及多組不同條件的試驗[9,17,26]，但野外條件復(fù)雜，各影響因素指標(biāo)相互聯(lián)系、關(guān)系密切，其通過綜合作用共同影響起沙風(fēng)速，因此野外試驗很難達(dá)到理想的對照試驗效果；部分學(xué)者選擇進(jìn)行風(fēng)洞試驗[5,16,27]，但風(fēng)洞試驗在模擬野外條件時會存在一定的偏差。因此，對起沙風(fēng)速的研究還需要進(jìn)一步綜合多種研究方法，以得到更精確的研究結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)起沙風(fēng)速通常可以通過兩種方法獲得，即野外直接測量和理論模型計算，兩種方法的觀測方式不同，但都必須以實地觀測為前提。

(2)通常情況下，起沙風(fēng)速與沙粒粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，但含水量變化會使這種現(xiàn)象發(fā)生改變；植被覆蓋度、植被類型及組合模式均會對起沙風(fēng)速產(chǎn)生影響；地表結(jié)皮率、地表粗糙度、礫石覆蓋度等因素均可影響起沙風(fēng)速。因此，可以綜合考慮其相關(guān)影響因素和地區(qū)特征，設(shè)置合理的防風(fēng)阻沙體系。