摘要：以土地沙漠化迅速發(fā)展的河北壩上康?？h為研究區(qū)域，選取典型的風(fēng)蝕農(nóng)田小麥留茬地、莜麥留茬地及翻耕地作為樣地，采用野外實(shí)地調(diào)查和遙感影像解譯，總結(jié)康保縣20余年土地利用空間分布特征，分析風(fēng)蝕農(nóng)田分布空間格局動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究表明，旱作風(fēng)蝕農(nóng)田主要分布在南部波狀平原區(qū)和東部緩坡丘陵區(qū)，面積降幅較為明顯；同時(shí)分析地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及風(fēng)蝕強(qiáng)度對(duì)風(fēng)蝕的影響，風(fēng)蝕季節(jié)多發(fā)在農(nóng)作物收獲后至來年春季播種前。由于耕地不斷減少，康?？h主要風(fēng)蝕農(nóng)田作物小麥和莜麥的種植面積呈減少趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；土壤風(fēng)蝕；影響因素；空間分布；時(shí)間變化；康?？h

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2012）23-5301-06

Effects of Spatial-Temporal Dynamic Characteristics on Soil Wind Erosion in Bashing Region of Hebei Province

KANG Yu-mei1，WANG Ren-de2，CHANG Chun-ping1，MA Li3，LI Zan4

（1.College of Resource and Environment Sciences/Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，Hebei Normal University， Shijiazhuang 050024，China； 2.Institute of Gcoscience，Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang 050024，China；

3. Resource Environment and Tourism College， Capital Normal University， Beijing 100048，China；

4. College of Chemical and Materials Science， Hebei Normal University， Shijiazhuang 050024，China）

Abstract： Taking kangbao county in Bashang of Hebei province where soil desertification was developing fast as the investigation region， and typical wind erosion farmland， wheat stubble field， naked oak stubble field and plowed land as sample lands， field survey and romote sensing image interpretation was conducted to sum up the spatial- temporal dynamic characteristics of farmland use over 20 years in kangbao county. The investigation revealed that dry cultivation wind erosion farmland mainly distributed in the southern wavy plain and eastern gentle slopes where the decrease of farmland area was obvious. The effects of earth surface aerodynamic roughness and wind strength on wind erosion were also studied. The wind erosion season often occurred after the harvest of the crop to the following spring before sowing. Due to the decreasing of farmland， the planting area of the main wind erosion farmland crops， wheat and naked oak was decreasing.

Key words： farmland； wind-erosion； influence factors； spatial-temporal distribution； time variation； Kangbao county

土壤風(fēng)蝕是全球性環(huán)境問題之一，是干旱半干旱地區(qū)土地沙漠化的首要環(huán)節(jié)[1，2]，我國受土壤風(fēng)蝕及土地沙化影響的面積占全國總面積的1/2以上，其主要分布在北方地區(qū)，尤其以旱作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕最為嚴(yán)重[3]。河北壩上地處我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是我國土壤風(fēng)蝕發(fā)生及危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。2000年以來我國政府在農(nóng)牧交錯(cuò)帶實(shí)施的一系列退耕還林還草和風(fēng)沙源治理措施，使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了一定的改善[4，5]。但裸露旱作農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕問題仍十分突出。

強(qiáng)烈的土壤風(fēng)蝕使土地沙化并降低土壤肥力和作物產(chǎn)量，對(duì)農(nóng)業(yè)的持續(xù)性和生產(chǎn)力是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境威脅[6]。與此同時(shí)，該區(qū)地處河北省最北端，是京津的北大門和水源地，其生態(tài)環(huán)境的好壞對(duì)京津地區(qū)有直接的影響[7]。因此，為防治壩上地區(qū)旱作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕及土地沙化，并從根本上減輕京津地區(qū)受沙塵天氣的困擾，對(duì)該區(qū)域開展農(nóng)田時(shí)空變化特征及土壤風(fēng)蝕影響研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度出發(fā)，對(duì)干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕問題進(jìn)行了大量的研究，通過實(shí)地觀測(cè)、風(fēng)洞模擬測(cè)量及理論計(jì)算，從農(nóng)田風(fēng)蝕物理機(jī)制[8，9]、風(fēng)蝕影響因子[10-13]、風(fēng)蝕控制措施[14]及風(fēng)蝕預(yù)報(bào)[15]等方面開展了大量的研究工作。初步定量化揭示了農(nóng)田土壤風(fēng)蝕物與風(fēng)速、作物殘茬、土壤粗糙度等因素的關(guān)系，證實(shí)在不同的風(fēng)力作用下，農(nóng)田風(fēng)蝕顆粒物的起跳速度和躍移軌跡受下墊面粗糙度等因素的影響，并表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。但將河北壩上空間布局與土壤風(fēng)蝕結(jié)合在一起研究的尚不多見。本研究以河北康?？h不同風(fēng)蝕農(nóng)田類型為研究對(duì)象，通過野外觀測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)及遙感影像解譯近20年土地利用變化趨勢(shì)，系統(tǒng)開展不同風(fēng)蝕農(nóng)田類型土壤風(fēng)蝕研究，分析風(fēng)蝕農(nóng)田類型及風(fēng)蝕特征，探討風(fēng)蝕農(nóng)田空間分布及時(shí)間變化，從而為土地合理利用、防沙治沙提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

康保縣地處壩上地區(qū)位于張家口市的北部，內(nèi)蒙古高原東南緣，三面與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，東與內(nèi)蒙古太仆寺旗相連，西北與內(nèi)蒙古化德毗鄰，背靠錫林浩特大草原，南面為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的京津地區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°11′-114°56′，北緯41°25′-42°08′。據(jù)2009年統(tǒng)計(jì)，全縣總?cè)丝?8.191 5萬，國土總面積3 365.9 km2，是河北省深入內(nèi)蒙古腹地最北端的縣。該區(qū)屬中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特征十分顯著，全年多受蒙古高壓所控制，氣候條件較為惡劣。年降水量少且集中，年均不足400.0 mm，年蒸發(fā)量較大，平均為1 762.7 mm，是降水量的4.4倍，年干燥度達(dá)2.15。全縣由北向南無霜期為85～100 d，熱量資源不足，因此只能種植生育期100 d左右的春小麥、莜麥、馬鈴薯及胡麻等喜涼作物。全縣年均大風(fēng)日數(shù)60.4 d，大風(fēng)不僅對(duì)土地造成侵蝕，而且威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。植被類型屬于半干旱草原，由于傳統(tǒng)農(nóng)耕文化的影響，草原生態(tài)系統(tǒng)已為農(nóng)牧業(yè)生態(tài)系統(tǒng)所代替，目前該縣生態(tài)環(huán)境脆弱，土地荒漠化非常嚴(yán)重[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 基于以下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，包括2011年4月野外觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、康?？h1988年、2000年、2004年及2009年遙感解譯土地利用現(xiàn)狀及相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等。

1.2.2 研究方法 觀測(cè)點(diǎn)選擇：為選擇具有代表性的觀測(cè)點(diǎn)，掌握不同土地利用類型地塊的地表狀況，于2011年4月進(jìn)行多次實(shí)地踏查，最終選定康?？h康保鎮(zhèn)五百頃村、盧家營鄉(xiāng)賈家營村及盧家營鄉(xiāng)三面井村為試驗(yàn)地點(diǎn)（圖1）。選定具有代表性的試驗(yàn)樣地，即翻耕磨耙地、10 cm春小麥留茬地、10 cm莜麥留茬地。測(cè)量及計(jì)算方法：地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Z0（簡稱地表粗糙度）是描述不同表面空氣動(dòng)力學(xué)特征的重要參數(shù)，指氣流受到地表的阻滯作用改變流速梯度，從而產(chǎn)生風(fēng)速等于零的某一幾何高度[17]。風(fēng)速廓線利用便攜式梯度風(fēng)速廓線儀觀測(cè)。同時(shí)觀測(cè)5、30、100、150、180、200、250、300及400 cm 9個(gè)不同高度上1、10及60 min的平均風(fēng)速高度上的風(fēng)速。該儀器風(fēng)速測(cè)量范圍為0.3～30.0 m/s，分辨率為0.001 m/s，結(jié)果以ASCII碼數(shù)據(jù)輸出。Z0可利用董治寶等[18，19]提出的方法，通過將風(fēng)速廓線儀所測(cè)得的不同高度的風(fēng)速值在Excel軟件中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用曲線擬合得到農(nóng)田地表風(fēng)速廓線，進(jìn)而計(jì)算Z0值。將風(fēng)速廓線觀測(cè)數(shù)據(jù)回歸曲線擬合，擬合公式為：V=a+blnH 式中，V是高度H處的風(fēng)速；a、b是回歸系數(shù)。將V=0代入公式，可以得到Z0的值。即Z0=exp（-a/b）。就各種土地利用類型而言，Z0越大，即對(duì)地表風(fēng)速的削弱作用越明顯，表明地表抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)[6]，該值用于比較不同用地類型土壤風(fēng)蝕特征。利用遙感解譯結(jié)果分析土地利用現(xiàn)狀分布格局。將1988年、2000年、2004年及2009年遙感影像在ArcView軟件支持下，通過人機(jī)交互式目視判讀方法，對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯，利用隨機(jī)抽樣的方法將實(shí)地調(diào)查結(jié)果與遙感影像解譯結(jié)果進(jìn)行比對(duì)[20]。利用公式計(jì)算各類農(nóng)田在不同風(fēng)速下的風(fēng)蝕強(qiáng)度：Qt=■，式中，Qt表示風(fēng)蝕強(qiáng)度[g/（m2·h）]；F表示風(fēng)蝕量（g）；S表示試驗(yàn)樣品表面積（m2）；t表示風(fēng)蝕持續(xù)時(shí)間（h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田時(shí)空變化特征

2.1.1 時(shí)間變化特征 ①面積變化特征。根據(jù)康?？h經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒，康?？h農(nóng)田面積總體呈現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì)（圖2）。1960年康?？h耕地面積為146 729 hm2，達(dá)到歷史最高，比解放初期1949年增加了54 576 hm2，1960年之后，耕地面積逐年下降。隨著國家對(duì)壩上生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度加大，2000-2005年下降幅度最大，平均每年減少4 385.6 hm2，減少了23.7%，2005年后耕地面積基本穩(wěn)定，稍有增加。②季節(jié)變化特征?？当？h屬于中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，由于深居大陸內(nèi)部，該區(qū)受海洋暖濕氣流影響較小，大陸性氣候特點(diǎn)十分顯著。氣候干燥寒冷，年降水量少，年平均蒸發(fā)量為1 762.7 mm，是降水量的5倍，年干燥度達(dá)2.15。冬春季節(jié)多大風(fēng)天氣，年均大風(fēng)日數(shù)60.4 d，不僅對(duì)土地造成侵蝕，而且威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]。因此，本研究重點(diǎn)關(guān)注的是春季地表狀況的變化及其對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。

2.1.2 空間變化特征 康?？h因地制宜地分為3個(gè)不同的農(nóng)業(yè)自然區(qū)：北部低山丘陵區(qū)、東部緩坡丘陵區(qū)及南部波狀平原區(qū)[21]。旱作風(fēng)蝕農(nóng)田主要分布在南部波狀平原區(qū)和東部緩坡丘陵區(qū)，而北部低山丘陵區(qū)草地、林地分布較廣，這種分布規(guī)律在1988-2009年間并未發(fā)生明顯變化（圖3）。

2.2 農(nóng)田風(fēng)蝕影響因素

農(nóng)田風(fēng)蝕影響因素包括土壤不可蝕性顆粒、土壤微地形（春翻地土壟高度）、作物殘余物及耕作方式等。本研究主要針對(duì)地表粗糙度和風(fēng)蝕強(qiáng)度這兩大因素進(jìn)行野外試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，分析其對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響。地表粗糙度和農(nóng)田土壤風(fēng)蝕關(guān)系密切。通過比較各觀測(cè)點(diǎn)地表狀況可知，地壟高度越高，地表土塊粒徑越大，則地表粗糙度越大，其抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。根據(jù)康?？h野外調(diào)查結(jié)果、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料及當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣，冬春季節(jié)主要風(fēng)蝕農(nóng)田類型有翻耕地、春小麥留茬地、莜麥留茬地3大類。計(jì)算得到3類風(fēng)蝕農(nóng)田地表風(fēng)速廓線的變化情況（圖4），風(fēng)速與高度呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，風(fēng)速隨高度增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增加。計(jì)算得到3類風(fēng)蝕農(nóng)田地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Z0（表1、圖5），結(jié)果表明，農(nóng)作物留茬的農(nóng)田地表Z0明顯偏大，3類農(nóng)田中10 cm春小麥留茬地地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度最大，翻耕磨耙地的Z0值最小。

風(fēng)蝕強(qiáng)度反映了農(nóng)田受風(fēng)蝕程度，是判斷農(nóng)田風(fēng)蝕程度的重要指標(biāo)，也是農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的影響因素之一。不同農(nóng)田地類風(fēng)蝕強(qiáng)度隨風(fēng)速增加呈增長趨勢(shì)。翻耕磨耙地的風(fēng)蝕強(qiáng)度大于任何留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度（圖6）。不同茬高農(nóng)田的風(fēng)蝕強(qiáng)度不同，在6、8、10、12、15及18 m/s 6個(gè)風(fēng)速吹蝕下，壟向平行主風(fēng)向春小麥5 cm留茬地風(fēng)蝕強(qiáng)度大于春小麥10 cm留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度；壟向平行主風(fēng)向莜麥5 cm留茬地大于莜麥10 cm留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度；同一農(nóng)田地類并且壟向相同時(shí)，農(nóng)作物留茬越高，農(nóng)田的風(fēng)蝕強(qiáng)度越小。不同壟向農(nóng)田的風(fēng)蝕強(qiáng)度也不相同。壟向平行主風(fēng)向春小麥10 cm留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度大于壟向垂直主風(fēng)向的春小麥10 cm留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度。表明農(nóng)田壟向與風(fēng)向之間的夾角越小，農(nóng)田的風(fēng)蝕強(qiáng)度越大。

綜上所述，農(nóng)田留茬是減弱農(nóng)田風(fēng)蝕的有效措施之一。農(nóng)田留茬越高，壟向與風(fēng)向夾角越大，越有利于減小風(fēng)蝕強(qiáng)度。隨留茬高度增加和壟向風(fēng)向夾角增大，農(nóng)田地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度變大，農(nóng)田風(fēng)蝕強(qiáng)度會(huì)隨之減小，抗風(fēng)蝕能力隨之增強(qiáng)。

2.3 農(nóng)田時(shí)空變化對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響分析

2.3.1 時(shí)間變化對(duì)土壤風(fēng)蝕影響 由于耕地減少，康保縣主要風(fēng)蝕農(nóng)田作物小麥和莜麥的種植面積呈減少趨勢(shì)，二者降幅不盡相同（圖7）。莜麥種植面積由1949年的33 824 hm2減少到2008年的17 459 hm2，減少了48.4%；小麥種植面積由1949年的19 108 hm2減少到2008年的4 275 hm2，減少了77.6%，小麥種植面積降幅更加明顯。

康保縣春季主要風(fēng)蝕農(nóng)田類型是莜麥留茬地、春小麥留茬地及翻耕磨耙地。冬春季節(jié)3種主要風(fēng)蝕農(nóng)田地表狀況變化大體可分為以下3個(gè)階段。第一階段是留茬或地表裸露期，從上年農(nóng)作物收獲后到次年4月份之前，地表農(nóng)作物留茬或直接翻耕后裸露，地表覆蓋度為10%，易風(fēng)蝕；第二階段是翻耕耙平期，從4月份到5月份，春季多大風(fēng)，地表起沙現(xiàn)象明顯；第三個(gè)階段是播種和農(nóng)作物生長期，從5月份到9月份，地表完全被農(nóng)作物覆蓋，基本不會(huì)起沙。因此，風(fēng)蝕農(nóng)田地表起沙較嚴(yán)重的時(shí)間是從9月份收獲期到次年5月份播種前（表2）。

2.3.2 空間變化對(duì)土壤風(fēng)蝕影響 康?？h耕地大體分為旱作農(nóng)田和水澆地。該縣2009年耕地面積為1 264.19 km2（表3），其中旱作農(nóng)田面積1 150.38 km2，占耕地總面積的91%，旱地多為大塊農(nóng)田，主要分布在東部和南部，水源主要靠自然降水，而該縣氣候干旱，降水較少，易發(fā)生風(fēng)蝕，因此旱作農(nóng)田是研究的核心；水澆地面積113.81 km2，占耕地總面積的9%，水澆地水源主要為人工澆灌，地表濕度較大，不易發(fā)生風(fēng)蝕，因此不是本研究重點(diǎn)。土地利用類型不同其地表覆蓋性質(zhì)和表土結(jié)構(gòu)存在顯著差異，抗風(fēng)蝕能力也大不相同[22-24]。1988～2009年康?？h主要土地利用方式均以農(nóng)田、草地和林地為主（圖8）。1988～2009年農(nóng)田比重由69.69%下降為37.56%，林、草地分別由2.91%和22.45%上升為22.56%和31.02%。草地面積變化幅度平緩，與1988年相比，2009年上升了8.57個(gè)百分點(diǎn)；農(nóng)田與林地則出現(xiàn)了較大幅度的變動(dòng)，農(nóng)田面積37.56%，與1988年相比下降了32.13個(gè)百分點(diǎn)；林地面積占總面積22.56%，比1988年上升了19.65個(gè)百分點(diǎn)。因此，1988～2009年間，隨著林草地面積增加，風(fēng)蝕農(nóng)田面積總體呈縮小趨勢(shì)（表3、圖8）。

3 結(jié)論

河北省壩上康?？h為河北省北部生態(tài)屏障，其風(fēng)沙問題倍受關(guān)注。對(duì)康?？h農(nóng)田時(shí)空變化特征對(duì)土壤風(fēng)蝕影響的研究表明：①康保縣主要風(fēng)蝕農(nóng)田類型為莜麥留茬地、春小麥留茬地和翻耕磨耙地，3類風(fēng)蝕農(nóng)田中農(nóng)作物留茬地地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Z0明顯偏大， 10 cm春小麥留茬地Z0大于10 cm莜麥留茬地Z0大于翻耕磨耙地Z0，風(fēng)蝕強(qiáng)弱程度與此呈正相關(guān)。不同的農(nóng)田地類風(fēng)蝕強(qiáng)度，隨風(fēng)速增加呈增長的趨勢(shì)。翻耕磨耙地的風(fēng)蝕強(qiáng)度大于任何留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度。不同茬高農(nóng)田風(fēng)蝕強(qiáng)度比較結(jié)果為：壟向平行主風(fēng)向春小麥5 cm留茬地風(fēng)蝕強(qiáng)度大于春小麥10 cm留茬地；壟向平行主風(fēng)向莜麥5 cm留茬地風(fēng)蝕強(qiáng)度大于莜麥10 cm留茬地的；不同壟向農(nóng)田的風(fēng)蝕強(qiáng)度比較：壟向平行主風(fēng)向春小麥10 cm留茬地的風(fēng)蝕強(qiáng)度大于壟向垂直主風(fēng)向的春小麥10 cm留茬地的。②康?？h風(fēng)蝕農(nóng)田多為旱作農(nóng)田，主要分布于南部波狀平原區(qū)和東部緩坡丘陵區(qū)，而北部低山丘陵區(qū)草地、林地分布較廣。這種分布規(guī)律在1988年到2009年間并未發(fā)生明顯變化，但隨著林草地面積增加，風(fēng)蝕農(nóng)田面積總體呈縮小趨勢(shì)。③根據(jù)康?？h經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒，康?？h農(nóng)田面積總體呈現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì)，因此主要風(fēng)蝕農(nóng)田作物小麥和莜麥的種植面積呈減少趨勢(shì)，小麥降幅相對(duì)較明顯。農(nóng)作物收獲后留茬或翻耕，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的土壤風(fēng)蝕問題。本研究不僅對(duì)河北壩上地區(qū)康?？h風(fēng)蝕農(nóng)田影響因素、時(shí)空分布及其對(duì)風(fēng)蝕影響有了全面了解，同時(shí)也為解決風(fēng)沙問題、沙漠化治理工作及研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯 張 毅）