庫布其沙漠不同下墊面風沙流結構及元素特征

陳宇鑫，左合君，2，王海兵，2，閆 敏，2，席 成

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018； 2.內蒙古自治區(qū)風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室，內蒙 古呼和浩特 010018)

1 引言

風沙運動是形成土壤風蝕和沙塵暴的重要地球物理過程[1,2]，空氣與沙質土地2種不同介質之間的相互作用形成風沙流，是風沙物理學研究的核心內容[3]，而沙粒隨風在高度層中的分布被稱為風沙流結構，能直接表征沙粒隨氣流的運動特征，表現(xiàn)地表蝕積情況，且對于風蝕風積作用的研究以及防沙治沙措施的制定有重要意義[4]。因而半個世紀以來國內外研究學者通過風洞實驗、野外觀測和數(shù)值模擬等方法[5～7]，對不同下墊面各因素對風沙流特征的影響進行了大量研究，并取得了顯著成果[8～10]。

微量元素是指自然界中廣泛存在但含量極低的化學元素，如Cu、Mn、Zn等。Fe雖在土壤中含量較高，但植物體內含量很低，因此也被視為微量元素[11]。在土壤中主要以交換態(tài)、氧化物結合態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)的形態(tài)存在[12,13]。雖然在土壤中微量元素含量很低，但卻對動植物正常生長和生活有著重要影響[14,15]。如Cu、Fe、Mn參與葉綠素的合成，對植物光合作用起到重要作用。Zn參與生長素的合成，對促進植物生長和種子成熟起到重要作用[16]。干旱地區(qū)地表存在豐富的微量元素[17,18]，并且地表侵蝕以土壤風蝕為主[19,20]。 在風蝕運動過程中，地表沉積物在風力作用下搬運堆積的同時，微量元素也隨之輸移[21～23]。但有關風沙流中Cu、Fe、Mn、Zn微量元素的輸移特征，以及同一微量元素在不同下墊面的輸移特征的差異鮮有報道。

鑒于此，本文選擇庫布其沙漠區(qū)域內5種典型下墊面(流動沙地、封沙育草帶、防風阻沙林、農田防護林、農田)為研究對象，對其風沙流進行測定，分析了近地表0～100 cm高度范圍內不同下墊面近地表風速特征、風沙流結構和微量元素(Cu、Fe、Mn、Zn)的輸移特征，研究結果可為庫布其沙漠區(qū)域性防沙工程提供基礎理論和數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于庫布其沙漠北緣，行政區(qū)劃隸屬于鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)，地理位置為108°40′29″E，40°30′38″N，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均風速3.5 m/s，最大風速達28.7 m/s，風期集中在1～5、11、12月份，多為西北風，并伴隨沙塵暴天氣。土壤類型主要以風沙土為主，流動沙地、農田無植被，封沙育草帶植被主要有沙米(Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.)、沙鞭(Psammochloavillosa(Trin.) Bor)、砂藍刺頭(EchinopsgmeliniiTurcz.)，防風阻沙帶植被主要有北沙柳(SalixpsammophilaC. Wang & C. Y. Yang)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)，農田防護林植被主要有小葉楊(PopulussimoniiCarrière)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.)等。

2.2 研究方法

2.2.1 野外數(shù)據(jù)收集

(1)實驗時間與樣地選取。實驗時間選在風沙活動較為強烈的4月份；選取地勢平緩的封沙育草帶、防風阻沙林、農田防護林、農田、流動沙地5種典型下墊面的進行測定。

(2)風速數(shù)據(jù)。風速風向采用美國Onset公司生產的HOBO風速數(shù)據(jù)采集儀觀測(量程為0～45 m/s，精度為±1.1 m/s或4.00%讀數(shù))，采集時間設置為2 s/個。在各下墊面內分別布置一組風速風向采集儀，測量高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和100 cm。

(3)輸沙數(shù)據(jù)。風沙流測定采用旋轉型集沙儀，集沙儀高度為100 cm，每層集沙口徑為2 cm×2 cm，共50層。集沙口隨風向旋轉迎風收集，保證進沙口始終垂直來沙風向。集沙實驗與風速采集同步進行，當風沙活動較強烈時集沙10 min，測試結束后收集樣品裝入自封袋，并在同一空氣動力背景下重復集沙3次。

(4)近地表樣品(CK)。分別對每種下墊面集沙儀周圍均勻采集5處0～2 cm地表樣品，裝入自封袋后均勻混合。

2.2.2 室內實驗測定

微量元素特征測定：微量元素測定使用日立ZA3000系列偏振塞曼原子吸收分光光度計，測定樣品需≥10 g。因此，本文微量元素測定將各層樣品稱出10 g后，加入20 mL DTPA溶液，放在震蕩機上震蕩2 h使樣品中元素充分溶解于DTPA溶液中，結束后過濾2 h。處理結束后對風沙流各高度層中的Cu、Fe、Mn、Zn元素含量進行測定。實驗中，由于微量元素測定需要10 g樣品，諸多高度層不足，因此將0～4 cm、4～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～70 cm和70 cm以上集沙依采集高度為間隔，各自分別混合，可滿足測定需要。測定結束后將3組實驗數(shù)據(jù)同一高度層元素含量進行平均，減少實驗誤差。

3 結果與分析

3.1 不同下墊面風速廓線變化特征

風速廓線可以直觀地表現(xiàn)隨高度上升風速的變化特征，通過對同一空氣動力條件下不同下墊面風速廓線整理對比可知(圖1)，各下墊面風速隨高度上升總體呈J形增長，流動沙地各高度層風速整體大于其余下墊面風速。風速為11 m/s時，封沙育草帶、防風阻沙帶、農田防護林風速較流動沙地減速明顯，10 cm高度處，防風阻沙帶和農田防護林風速減速差異相近，較流動沙地風速降低30.6 %，封沙育草帶較流動沙地大幅降低，降低了76.3 %，農田內風速較流動沙地風速僅降低15.2 %。50 cm處各防護帶風速大小為防風阻沙林>農田>農田防護林>封沙育草帶，較流動沙地風速分別降低了11 %、11.3 %、29 %、36.1 %。其余風速下各下墊面風速變化趨勢相同，各防護帶隨高度上升防風效能降低，越接近地表風速受植被影響越顯著。

圖1 不同風速背景下各下墊面風速廓線特征

3.2 不同下墊面風沙流結構特征

由圖2可知，在11 m/s風速背景下，各下墊面輸沙率隨高度上升均呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。為進一步呈現(xiàn)出輸沙率隨高度遞減的趨勢，將高度(H)與輸沙率(q)進行擬合，建立輸沙率隨高度變化的函數(shù)模型，各下墊面輸沙率隨高度呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減的趨勢，表達式為：q=aH-b。流動沙地風沙流結構符合y=6.8363x-1.063(R2=0.89)，輸沙率在0～20 cm高度層內迅速下降，20～50 cm下降幅度減慢，50 cm以上輸沙量變化趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內輸沙量占總輸沙量的57.1%。防風阻沙林流結構符合y=14.798x-1.674(R2=0.97)，輸沙率在0～17 cm高度層內迅速下降，17～50 cm下降幅度減慢，50 cm以上輸沙量變化趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內輸沙量占總輸沙量的87.3%。封沙育草帶、農田防護林、農田風沙流結構擬合方程分別為y=1.8234x-1.814(R2=0.93)、y=0.6237x-1.127(R2=0.96)、y=0.1351x-0.724(R2=0.95)，輸沙率均在0～10 cm迅速下降，10 cm以上趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內輸沙量分別占總輸沙量的89.73 %、78.4 %、58.6 %。

3.3 不同下墊面地表及其風沙流中Cu、Fe、Mn、Zn含量差異

由圖3可以看出，各下墊面地表沉積物中Cu、Fe、Mn、Zn元素含量有明顯差異，其中Fe元素含量最高(8.168 mg/kg)，其次為Mn元素(1.096 mg/kg)，

圖2 11m/s風速背景下各下墊面風沙流結構特征

Cu、Zn元素含量相對較低，分別為0.406 mg/kg、0.418 mg/kg。各元素在不同下墊面地表沉積物含量存在差異，其中Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防風阻沙林中含量最高，分別為0.74 mg/kg、9.3 mg/kg、1.08 mg/kg和0.57 mg/kg；各下墊面風沙流中元素的平均含量均明顯高于地表沉積物中元素含量，且不同下墊面風沙流中元素含量與地表相比增加幅度不同，其中Fe元素增加幅度較小，且各下墊面增加幅度差異不大，增加了20%～33%，Cu、Zn、Mn元素中除Mn元素在封沙育草帶和農田防護林中增加幅度較小，分別增加了37%和44%外，其余Cu、Zn、Mn元素在各下墊面風沙流中含量與地表中含量相比均增加了60%以上。

圖3 各下墊面地表沉積物及其風沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素平均含量

3.4 風沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素分布特征

由圖4可知，不同微量元素在0～100 cm風沙流中隨高度上升含量變化規(guī)律不同，Cu、Zn、Mn元素在各下墊面風沙流中含量隨高度上升含量逐漸增加，流動沙地、封沙流育草帶、防風阻沙林、農田防護林、農田風沙流最高層Cu元素含量較最底層含量分別增加1.63 g、1.27 g、2.97 g、1.57 g、0.18 g，Zn元素含量分別增加0.79 g、0.71 g、0.82 g、0.73 g、1.04 g，Mn元素含量分別增加1.28 g、1.01 g、1.94 g、0.49 g、1.16 g。農田風沙流中Fe元素含量隨高度上升而增加，最高層Fe元素含量較最底層含量增加1.7 g，流動沙地、封沙流育草帶、防風阻沙林、農田防護林風沙流中隨高度上升分別在40 cm、10 cm、30 cm、30 cm處含量達到峰值，此處Fe元素含量較最底層含量分別增加3.28 g、2.0 g、3.42 g、2.52 g，隨高度繼續(xù)上升含量逐漸降低，最高層Fe元素含量較最底層含量分別增加1.32 g、0.5 g、1.52 g、1.82 g仍大于最底層含量。

4 討論

近地層風速多變但絕大多數(shù)風速隨高度上升而增加，呈J形增長趨勢，且風速廓線不僅與下墊面地形、土壤、植被相關，還與季節(jié)變化、海拔高度、風速大小等因素密切相關[24,25]。各下墊面風速隨高度增加呈J形增加，與前人研究結果相同。封沙育草帶、防風阻沙林、農田防護林由于地表有植被覆蓋，較流動沙地有明顯降低，在11 m/s風速背景下，10 cm處封沙育草帶風速降低幅度最大，較流動沙地降低了76.3%，防風阻沙帶和農田防護林風速減速差異相近，降低30.6%，農田風速較流動沙地風速降低15.2%。越接近地表風速受植被影響越顯著，隨高度的上升防風效能降低，50 cm處封沙育草帶、防風阻沙林、農田防護林、農田較流動沙地風速分別降低了36.1%、29%、11%、11.3%。

不同下墊面由于對近地表風場產生不同程度的影響，呈現(xiàn)出不同的風沙流結構。郭樹江等得出，各立地類型高度與輸沙率成負冪數(shù)函數(shù)關系，輸沙主要集中在0～20 cm[26]。丁延龍等對吉蘭泰風沙防護林防砂效益進行研究，發(fā)現(xiàn)隨蓋度的增加近地表風速減弱更明顯，受防護林帶的影響，林帶內輸沙量84.7%在地表30 cm高度內[27]。本研究中，各下墊面輸沙率隨高度上升呈負冪函數(shù)遞減，與流動沙地對比有植被覆蓋地表輸沙量顯著降低，農田地表隨無植被覆蓋但地處防護林內部，輸沙量明顯降低。流動沙地和防風阻沙林在0～20 cm高度內輸沙率迅速降低，在20～50 cm高度內降低幅度減緩，50 cm以上趨于穩(wěn)定，其余下墊面在0～10 cm高度內輸沙率迅速降低，10 cm以上趨于穩(wěn)定。各下墊面風沙流活動主要集中在0～20 cm高度內，流動沙地、封沙育草帶、防風阻沙林、農田防護林、農田0～20 cm高度層內輸沙量分別占總輸沙量的57.1%、87.3%、89.73%、78.4%和58.6%。

土壤風蝕在對地表顆粒剝蝕、搬運的過程中，也使得土壤中植物生長所需的大量養(yǎng)分隨風沙運動流失。有研究表明，風沙流中隨高度上升極細砂、粉砂含量增加，進而沉積物中C、N含量隨之增加，但不同下墊面C、N的增加幅度不盡相同[28]。Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防風阻沙林中含量最高，且風沙流中微量元素含量均明顯高于地表中含量，但不同元素風沙流與地表中含量的增漲幅度不同，其中Fe元素增加幅度較小，且各下墊面增加幅度差異不大，增加了20～33%；Cu、Zn、Mn元素中Mn元素在封沙育草帶和農田防護林中增加幅度較小，分別增加了37%和44%，其余下墊面風沙流中含量與地表中含量相比均增加了60%以上。各下墊面風沙流中隨高度上升，細顆粒含量增加，Cu、Mn、Zn元素含量隨高度上升而增加，這與前人研究結果相近。而Fe元素在農田風沙流中隨高度上升含量增加，而其余下墊面呈先增加后減少的趨勢，可能是由于Fe元素在地表沉積物中在較粗顆粒中含量較高，隨高度上升在0～30 cm高度內該顆粒含量增加Fe元素含量增加，而30 cm以上含量減少Fe元素含量也隨之減少。

5 結論

(1)有植被覆蓋地表、近地表0～30 cm高度層內風速較流動沙地顯著降低，其中封沙育草帶減弱幅度最大，其次為防風阻沙林和農田防護林，且隨高度上升降低幅度減小。

(2)不同下墊面風沙流結構有所差異，近地表輸沙量主要集中在0～20 cm高度層，且輸沙率隨高度呈負冪函數(shù)遞減，流動沙地和防風阻沙林在0～20 cm高度內輸沙率迅速降低，在20～50 cm高度內降低幅度減緩，50 cm以上趨于穩(wěn)定，其余下墊面在0～10 cm高度內輸沙率迅速降低，10 cm以上趨于穩(wěn)定。

(3)各下墊面風沙中 Cu、Fe、Mn、Zn元素含量均大于其地表中含量，且隨著高度上升，Cu、Mn、Zn元素含量逐漸增加，F(xiàn)e元素呈現(xiàn)出在農田中線性遞增，而其余下墊面呈先增加后減少的趨勢。