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        內(nèi)蒙古希拉穆仁草原風蝕水平觀測研究

        2014-09-13 10:03:22張瑞強高天明郭建英
        水土保持通報 2014年1期
        關鍵詞:沙量風蝕蓋度

        張瑞強, 高天明, 郭建英

        (水利部 牧區(qū)水利科學研究所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

        陰山北麓地區(qū)位于中國北方邊陲,涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)11個旗縣,總面積約6×104km2,是中國北方重要的生態(tài)安全屏障。近年來,由于干旱和人為干擾加劇,該地區(qū)草原出現(xiàn)了嚴重退化、沙化,風蝕現(xiàn)象愈演愈烈,不僅對當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活造成影響,而且威脅北方地區(qū)的生態(tài)安全[1-2]。因此,防治草原退化、沙化,降低草原風蝕水平刻不容緩。研究區(qū)位于陰山北麓的達茂旗希拉穆仁草原,其地理位置和植被類型在內(nèi)蒙古草原中部地區(qū)具有較強的代表性,有關該區(qū)風蝕特征的長期觀測研究目前未見報道。本文通過觀測該地區(qū)草原的風蝕特征,揭示草原風蝕機理,總結(jié)風蝕估算方法,為該地區(qū)草原退化、沙化防治,遏止草原風蝕提供理論指導和技術支撐。

        1 研究區(qū)概況

        希拉穆仁草原地處內(nèi)蒙古包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗(簡稱達茂旗),地理坐標為北緯41°12′—41°31′,東經(jīng)111°00′—111°20′。氣候類型屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候,春秋季干旱多風,夏季雨量較充沛,冬季干燥寒冷,多年平均降水量為284 mm,集中于7,8月;多年平均蒸發(fā)量2 305 mm;年平均氣溫2.5 ℃,≥10 ℃年積溫1 985~2 800℃;年平均日照時數(shù)3 100 h,無霜期83 d左右;年平均風速4.5 m/s,主要風向為北風和西北風,年大風日數(shù)為63 d,沙塵暴日數(shù)20~25 d。該地區(qū)位于陰山山脈向內(nèi)蒙古高原的過渡帶,地形低緩起伏,由于長期受風蝕作用,地貌多呈渾圓丘陵波狀,平均海拔1 600 m。土壤為各種基巖上發(fā)育的幼年土壤,高處表土層較薄,且多為石質(zhì)質(zhì)地,粗糙,腐殖質(zhì)含量很低。地帶性植被群落建群種為克氏針茅(Stipakrylovii),其他主要或優(yōu)勢種有冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)等多年生旱生草本半灌木植物,呈現(xiàn)典型草原特征。

        2 研究方法

        2.1 樣地設置

        研究區(qū)位于達茂旗希拉穆仁鎮(zhèn)以北3 km的水利部牧區(qū)水利科學研究所試驗基地,基地面積133.3 hm2,2007年實現(xiàn)完全禁牧,其中100 hm2為自然修復區(qū),無任何人為干擾。選取基地內(nèi)自然修復區(qū)典型地段草地為研究樣地。

        2.2 研究方法

        研究區(qū)布置兩種集沙儀。一種為德國產(chǎn)UGT型固定進沙口高度的全向集沙儀,該設備進沙口為直徑5 cm圓管形,安裝高度為25 cm,工作時由調(diào)向葉片控制可以始終朝向來風方向,風蝕物收集于密閉腔室的容器內(nèi),自動稱重電子天平精度0.1 g,測量范圍0~1 200 g。該集沙儀共3臺,分別布置于坡頂、坡中和坡下部。另一種為自制固定朝向垂直集沙儀,集沙盒安裝在0—5,15—20,30—35,45—50,95—100,145—150 cm 6個不同的高度。集沙盒尺寸為:總高11.5 cm,其中進沙口5 cm,下部儲沙盒高4 cm,連接處2.5 cm;集沙盒前端進沙口寬2 cm,尾部寬8 cm,總長28 cm,集沙盒通風網(wǎng)為400目的篩孔。自制固定朝向垂直集沙儀沿80 m直徑圓周分布,分別布置在8個方向上,每個方向上設置2個集沙儀,分別朝向圓周內(nèi)和圓周外。該集沙儀總共布置16個。

        采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的移動式風洞,在草地不同植被蓋度下墊面條件下進行了野外模擬試驗。該風洞由過渡段、整流段(包括開孔板、蜂窩器、阻尼網(wǎng)和非均勻網(wǎng)格)、收縮段和試驗段組成,具有可拆裝、可移動特點,能夠根據(jù)試驗需要安置在現(xiàn)場進行試驗。其試驗段為矩形無底截面,長為7.2 m,截面寬為1 m,高為1.2 m,風速為2~20 m/s連續(xù)可調(diào),野外測試由40 kW柴油發(fā)電機提供動力。該風洞各截面不同高度上紊流度ε≤1%,氣流穩(wěn)定度η≤3%,氣流速度均勻性σv<1%,試驗段幾乎沒有靜壓損失,其軸向靜壓梯度≤0.005,風洞能量比達到0.15。經(jīng)中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所測定,性能符合開展風蝕模擬試驗要求。

        對研究區(qū)內(nèi)草地采用1 m×1 m的樣方法進行植被監(jiān)測,進行植被蓋度和高度的測量。

        風蝕物粒徑和肥力分析化驗交由內(nèi)蒙古林科院完成。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 植被對風沙活動的抑制作用

        許多研究表明,植被對抑制地表風沙活動,減少土壤風蝕有決定性的作用[3-7]。圖1為研究區(qū)植被高度和蓋度的年際變化,圖2為3臺UGT集沙儀總集沙量平均值的年際變化。由圖1—2可以看出,2007年基地封禁初期,植被尚未恢復,風蝕比較強烈。2008年以后隨著植被的恢復,近地表風沙活動驟降,風蝕被明顯遏制。近幾年風蝕水平基本為圍封前的1/4左右。

        圖1 研究區(qū)植被高度和蓋度年際變化

        圖2 UGT集沙儀集沙量年際變化

        將歷年植被高度和蓋度分別與3臺UGT集沙儀集沙量平均值進行回歸分析(圖3)。植被高度和蓋度與集沙量均呈乘冪關系,回歸分析顯示集沙量與植被高度:相關系數(shù)r=0.813>r0.05,4=0.811,回歸效果F=7.79>F0.05(1,4)=7.71,相關較顯著,回歸效果較強;集沙量與植被蓋度:相關系數(shù)r=0.638

        圖3 植被高度和蓋度與UGT集沙儀集沙量回歸關系

        3.2 近地表風沙流廓線規(guī)律

        根據(jù)自制固定朝向垂直集沙儀(6個高度,分別為0—5,15—20,30—35,45—50,95—100,145—150 cm)實地監(jiān)測和風洞模擬試驗結(jié)果(12個高度,分別為0—10,10—20,…,110—120 cm),分析近地表風沙流廓線規(guī)律符合半對數(shù)線性關系,而且其活動范圍基本在1 m高度范圍內(nèi)。研究區(qū)集沙儀和風洞模擬試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合整理得如下經(jīng)驗公式:

        W=-125.53ln(h)+580.8

        (1)

        式中:h——集沙儀進沙口離地高度(cm);W——集沙量(代表風沙流密度)(g)。

        擬合相關性指標R2=0.932 2,r=0.966>r0.05,4=0.811,r0.05,10=0.57,F(xiàn)=17.98>F0.05(1,4)=7.71,F(xiàn)0.05(1,10)=4.97,相關顯著,回歸效果較好。

        沙粒躍移是最為重要的運動形式, 這不僅是因為躍移沙粒占全部輸沙量的75%以上,而且它也是導致蠕移和懸移的重要原因,如戴全厚等[8],董治寶等[9]。20—30 cm高度內(nèi)沙粒移動以躍移為主,如董治寶等[10],趙永來等[11],王嘉珺等[12]。

        (2)

        3.3 風蝕模數(shù)估算

        根據(jù)上述觀測研究成果,可推導出如下估算研究區(qū)風蝕模數(shù)的經(jīng)驗公式,即:

        (3)

        式中:FW——風蝕模數(shù)〔kg/(hm2·a)〕;W25——25 cm高度集沙儀全年集沙量(g);L——風蝕儀控制范圍半徑(m),L取2.5 m。

        因此,風蝕模數(shù)經(jīng)驗公式又可以簡化為:

        FW=273.1W25+1 562.1

        (4)

        用式(4)和集沙儀監(jiān)測結(jié)果估算近年風蝕模數(shù)如表1所示。

        表1 風蝕模數(shù)估算結(jié)果

        由表1可以看出,2007年風蝕模數(shù)明顯大于其他年份,2008年以后,風蝕模數(shù)呈現(xiàn)出波動下降的趨勢。

        3.4 風蝕物分析

        對風蝕儀收集風蝕物進行粒徑分析,發(fā)現(xiàn)其中黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)、細沙粒(0.02~0.5 mm)3種粒徑所占比例分別為1.52%~3.79%,15.27%~35.9%,60.31%~83.03%。不同地勢、不同年份收集的風蝕沙粒徑組成基本一致。對風蝕物進行肥力分析,得結(jié)果如表2所示。

        表2 風蝕物養(yǎng)分含量化驗結(jié)果

        由表2中可以看出,風蝕使土壤養(yǎng)分也遭受損失。根據(jù)表2可以估算出,每侵蝕1 000 kg土壤,同時就損失15 kg有機質(zhì),227 g速效氮, 262 g速效磷和120 g速效鉀,肥力損失量驚人。

        4 結(jié) 論

        (1)草原封禁促使植被恢復良好,有效地控制了風沙活動。因此,科學利用,適時封育,是保障中國北方草原生態(tài)安全的有效途徑。

        (2)希拉穆仁草原地區(qū)在風力的作用下,地表土壤顆粒被吹起形成近地表風沙流,其范圍基本在1 m高度內(nèi)。植被高度與集沙量呈明顯乘冪關系,植被蓋度與集沙量的相關關系由于目前樣本數(shù)量較小而無法明確,這需要今后繼續(xù)開展監(jiān)測工作增加樣本數(shù)量。

        (3)風蝕物以細沙粒為主,含量占60%以上。本地區(qū)每風蝕1 000 kg土壤,同時就損失15 kg有機質(zhì),227 g速效氮,262 g速效磷和120 g速效鉀,肥力損失量驚人。

        (4)本研究推導出的風蝕經(jīng)驗公式,在該地區(qū)具有一定的指導意義,給廣大基層水土保持工作者帶來了方便。目前這些成果已應用于當?shù)厮帘3植块T的工作中。

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