李菁菁，李得祿，滿(mǎn)多清，嚴(yán)子柱，張德魁，馬俊梅，郭樹(shù)江

（甘肅省治沙研究所，蘭州730070）

0 引言

風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指氣流搬運(yùn)沙粒在高度層上的分布形式和變化規(guī)律。它能直接表征沙粒的運(yùn)動(dòng)形式，是判斷地表的侵蝕狀況，評(píng)估近地面輸沙強(qiáng)度，掌握風(fēng)成地貌的形態(tài)發(fā)育及演變規(guī)律的重要參數(shù)之一，在沙漠治理的理論與實(shí)踐中占有重要地位[1-3]。在干旱荒漠區(qū)，風(fēng)沙流活動(dòng)頻繁，不僅使地表養(yǎng)分被帶走，而且容易危害道路、農(nóng)田、村莊，對(duì)人們?nèi)粘３鲂?，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活造成危害。開(kāi)展風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及其特征研究，進(jìn)而監(jiān)測(cè)和掌握沙塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，可以為防沙治沙工程提供參考依據(jù)。對(duì)風(fēng)沙流的研究主要集中在近地面0～100 cm范圍[4-7]，在50 m高度范圍內(nèi)對(duì)沙塵暴的研究也有一些報(bào)道[8-9]，還有根據(jù)風(fēng)向進(jìn)行多角度的觀測(cè)研究[10]。風(fēng)沙流受下墊面、風(fēng)速等很多因素的影響，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)的儀器不同，其結(jié)果也有一定差異。

近年來(lái)隨著人們對(duì)干旱荒漠區(qū)水土資源的過(guò)度干擾，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，荒漠植物因水分虧缺出現(xiàn)了不同程度的衰敗，沙丘活化，流沙四起，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重[11-12]，以石羊河流域下游民勤為典型代表。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減小人類(lèi)對(duì)水土資源的依賴(lài)程度，以“關(guān)井壓田、節(jié)約用水”為主要導(dǎo)向的石羊河流域下游綜合治理項(xiàng)目啟動(dòng)，節(jié)約水土資源的同時(shí)，卻導(dǎo)致民勤出現(xiàn)了大面積的退耕地，再加上一些因風(fēng)沙危害嚴(yán)重或土壤瘠薄而逐漸被棄耕的土地，近年來(lái)，在民勤出現(xiàn)了大面積的退耕地，對(duì)民勤的生態(tài)環(huán)境有很大的負(fù)面影響。退耕地年代不同，地表受風(fēng)沙和植被的作用對(duì)地面風(fēng)沙流產(chǎn)生的影響也不同，而不同的風(fēng)沙流對(duì)環(huán)境的危害程度也不同，目前對(duì)不同時(shí)間退耕地風(fēng)沙流活動(dòng)研究鮮有報(bào)道。為了了解不同年代退耕地風(fēng)沙流特征和不同儀器對(duì)風(fēng)沙流研究結(jié)果的差異，本研究利用2種不同類(lèi)型的儀器研究了不同年代退耕地風(fēng)沙流特征，以期為石羊河流域下游退耕地治理提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于石羊河流域下游民勤縣境內(nèi)的治沙站，地理位置102°02′—104°02′E、38°05′—39°06′N(xiāo)，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)大沙多。全年盛行西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)。站區(qū)內(nèi)耕地與林地交錯(cuò)分布，星羅棋布，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，風(fēng)沙危害嚴(yán)重，土壤瘠薄地段的土地開(kāi)始陸續(xù)退耕，2008年政府實(shí)施關(guān)井壓田以來(lái)，又有部分土地進(jìn)行了退耕，因此在站區(qū)內(nèi)形成了不同退耕年代的退耕地。以不同年代退耕地為試驗(yàn)對(duì)象，安裝2種積沙儀進(jìn)行風(fēng)沙流觀測(cè)。試驗(yàn)地概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地概況

2 試驗(yàn)及分析方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)所用積沙儀是由原中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所研制的20/2型階梯式積沙儀。該積沙儀高100 cm，單口斷面2.0 cm×2.0 cm，共分15層，高50 cm（1號(hào)積沙儀），為了便于與另一個(gè)積沙儀數(shù)據(jù)比較，僅采用與之等高為30 cm的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。另一種積沙儀為風(fēng)向跟蹤濾袋式積沙儀，分層收集和測(cè)定不同下墊面0～30 cm氣流層內(nèi)（每層2 cm×2 cm，共15層）的輸沙量及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)（2號(hào)積沙儀）。安裝時(shí)積沙儀下口底部與地面平齊，積沙口正對(duì)主風(fēng)向。觀測(cè)開(kāi)始時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)打開(kāi)各個(gè)積沙儀的口蓋，觀測(cè)結(jié)束時(shí)記錄時(shí)間并同時(shí)關(guān)閉各個(gè)積沙儀的口蓋。取樣前將自封袋進(jìn)行稱(chēng)重，然后分層（以2 cm高為梯度）收集近地表0～100 cm的沙塵，烘干后在1/10000 g電子稱(chēng)上稱(chēng)重。風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)站，試驗(yàn)采用1 m高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為5 min。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

起沙風(fēng)速(Ut)是沙粒在一定強(qiáng)度風(fēng)的作用下開(kāi)始移動(dòng)時(shí)的風(fēng)速。起沙風(fēng)速是一個(gè)相對(duì)概念，是鑒定不同風(fēng)力的風(fēng)是否為該風(fēng)的一個(gè)風(fēng)速臨界值[13]。民勤起沙風(fēng)速為5.0 m/s[14]，所以，本試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速大于等于5.0 m/s以上的時(shí)間作為計(jì)算輸沙率(Q)的時(shí)間。風(fēng)沙流觀測(cè)過(guò)程中的平均風(fēng)速用起沙風(fēng)開(kāi)始到結(jié)束的平均風(fēng)速代替。

3 結(jié)果與分析

3.1 2種積沙儀年輸沙量比較

不同的積沙儀由于其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的不同，對(duì)風(fēng)沙流的收集數(shù)量存在明顯的差異。從圖1可以看出，2號(hào)積沙儀年輸沙量明顯高于1號(hào)積沙儀，其主要原因是2種積沙儀收集裝置不同，1號(hào)積沙儀收集裝置的材質(zhì)是不透風(fēng)的鐵質(zhì)材料（不透風(fēng)，空氣沙子均不能通過(guò)），2號(hào)積沙儀收集裝置是由具有一定透風(fēng)稀疏的紙袋做成（空氣可以通過(guò)，沙子不能通過(guò)），而且風(fēng)沙流越大，差異越大，風(fēng)沙流越小，差異越小。從不同退耕年代來(lái)看，退耕時(shí)間越早風(fēng)沙流越大，風(fēng)沙流的大小與退耕地所處的位置也有很大關(guān)系，退耕較早且處于風(fēng)沙邊緣的積沙儀輸沙率大。

圖1 2種積沙儀年輸沙量

3.2 2種積沙儀年輸沙量相關(guān)性

分析2號(hào)積沙儀和1號(hào)積沙儀年輸沙量之間的相關(guān)性，結(jié)果為二者之間呈顯著地線性相關(guān)（圖2），相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9981，表明二者對(duì)風(fēng)沙流的收集在量上呈一定的線性關(guān)系。在同一地點(diǎn)安裝的2種積沙儀僅在沙子數(shù)量上有一定差異，對(duì)風(fēng)沙流收集的研究結(jié)果上沒(méi)有差異。2號(hào)積沙儀的輸沙量是1號(hào)積沙儀積沙量的1.70～1.99倍。在相同高度范圍，相同的進(jìn)沙口，相同的時(shí)間內(nèi)2號(hào)積沙儀收集的量明顯高于1號(hào)積沙儀的積沙量，在風(fēng)沙流較大的區(qū)域研究風(fēng)沙流可以采用1號(hào)或2號(hào)積沙儀，而在風(fēng)沙流較小的區(qū)域盡量采用2號(hào)積沙儀，能夠獲得較好的研究結(jié)果。

圖2 2種積沙儀年輸沙量的相關(guān)性分析

3.3 2種積沙儀輸沙量月變化

圖3為不同退耕年代退耕地上風(fēng)沙流輸沙量月變化圖，從圖中可以看出，2種積沙儀輸沙量月變化總體變化規(guī)律是一致的，從數(shù)量上來(lái)看，在2月和4—6月各退耕年代的退耕地輸沙量相對(duì)較大，這和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)季有很大的關(guān)系，2—6月為多風(fēng)季節(jié)，輸沙量相對(duì)較大；從2種積沙儀來(lái)看，2號(hào)積沙儀的輸沙量明顯高于1號(hào)積沙儀；從不同年代退耕地來(lái)看，越是靠近沙源，退耕較早的地塊風(fēng)沙流輸沙量越大，波動(dòng)幅度也大，而靠近綠洲范圍的退耕地風(fēng)沙流輸沙量相對(duì)較小，而且波動(dòng)幅度也小。

圖3 2種積沙儀輸沙量月變化特征

3.4 2種積沙儀在同一風(fēng)速條件下的輸沙率比較

統(tǒng)計(jì)了大于等于起沙風(fēng)速，平均風(fēng)速為5.58 m/s同一時(shí)間段退耕時(shí)間為17年、10年、7年和2年的退耕地上的風(fēng)沙流輸沙率（圖4）。從圖中可以看出，在同一退耕年代同一退耕地上，風(fēng)沙流輸沙率均為積沙儀2大于積沙儀1，退耕時(shí)間越早，植被越稀疏，風(fēng)沙流輸沙率在0～30 cm范圍內(nèi)變化幅度越大，退耕時(shí)間越晚，植被較多，風(fēng)沙流輸沙率越小，在0～30 cm垂直梯度上變化幅度也很小，因此風(fēng)沙流輸沙率與植被蓋度有很大的關(guān)系。其次從同一地點(diǎn)2種積沙儀來(lái)看，積沙儀2風(fēng)沙流輸沙率明顯高于積沙儀1，這與積沙儀收集裝置關(guān)系密切，積沙儀1是金屬材質(zhì)收集儀，不通透，積沙儀2收集裝置為紙袋，有一定的透氣性，空氣可以通過(guò)，沙子不能通過(guò)，因此能夠收集到的沙量更多。

圖4 不同退耕年代退耕地2種積沙儀輸沙率

4 結(jié)論與討論

為了研究地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人們研制出了各種類(lèi)型的積沙儀。一般來(lái)說(shuō)積沙儀可分為水平積沙儀與垂直積沙儀[15]。目前在國(guó)內(nèi)使用最多的有2種，分別為階梯式積沙儀和垂直積沙儀[16-17]。從風(fēng)沙流收集角度來(lái)看，常見(jiàn)的一般為與主風(fēng)向平行的收集儀，也有從不同方位進(jìn)行收集的，如從4到12個(gè)方位均有[10]。積沙效率的高低直接影響近地表輸沙率的測(cè)定，從而影響著風(fēng)沙地貌的研究和風(fēng)沙工程設(shè)計(jì)[18]。俎瑞平等[18]測(cè)定，3種積沙儀在相同條件下的輸沙量，楔形積沙儀積沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直立式積沙儀和階梯式積沙儀，造成這些差異的原因在于楔形積沙儀采用的流線型構(gòu)造和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而對(duì)風(fēng)沙流的阻擋程度較小。本研究使用了2種積沙儀測(cè)定了不同退耕年代退耕地上的風(fēng)沙流輸沙量，在不同年代退耕地上0～30 cm范圍內(nèi)，積沙儀1和積沙儀2收集的沙量不一樣，但是總體規(guī)律表現(xiàn)十分相似，通過(guò)二者之間的散點(diǎn)圖可以看出，積沙儀2年輸沙量為積沙儀1的1.70～1.99倍，二者之間呈線性相關(guān)，方程為y=0.551x-5.5482，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9981。造成差異的主要原因是收集裝置通透性差異造成的，積沙儀1是金屬材質(zhì)的收集儀，不通透，積沙儀2收集裝置為紙袋，有一定的透氣性，空氣可以通過(guò)，沙子不能通過(guò)，因此能夠收集到的沙量更多。在風(fēng)沙較大的區(qū)域可以使用2種積沙儀觀測(cè)風(fēng)沙流，而在風(fēng)沙較小的區(qū)域使用積沙儀2觀測(cè)風(fēng)沙流能取得較好的結(jié)果。

在同一退耕地上兩種積沙儀月變化規(guī)律基本一致，輸沙率在2月、4—6月相對(duì)較大，而在其他月份相對(duì)較小，這與當(dāng)?shù)仫L(fēng)季出現(xiàn)的時(shí)間相一致。表明風(fēng)速是影響風(fēng)沙流輸沙量最關(guān)鍵的因素之一。從2種積沙儀各月輸沙量來(lái)看，均表現(xiàn)為積沙儀2大于積沙儀1。與年輸沙率相一致。從輸沙率來(lái)看，退耕時(shí)間越早，同一風(fēng)速條件下輸沙率越大，風(fēng)沙流輸沙率在高度上變化幅度也越大；退耕時(shí)間越晚，同一風(fēng)速條件下輸沙率越小，風(fēng)沙流輸沙率在高度上變化也較小。因此退耕地退耕時(shí)間不同、植被不同，對(duì)輸沙率在高度上的分布也不一致。

在同一退耕地上，相同風(fēng)速下，積沙儀2收集的沙量比積沙儀1收集的量大，而且隨著退耕年限的增加，輸沙率呈增加趨勢(shì)，這與退耕地下墊面植被的蓋度顯著相關(guān)[19]。在退耕初期，土壤水分較好，有利于一年生植物的生長(zhǎng)，植被蓋度較大，隨著土壤水分的消耗，植被的演替，草本植物缺乏生長(zhǎng)的條件，而逐漸被灌木取代，植被稀疏，植被數(shù)量的減少影響了風(fēng)沙流輸沙率。退耕時(shí)間越早，植被越稀疏，風(fēng)沙流輸沙率在0～30 cm范圍內(nèi)變化幅度較大，退耕時(shí)間越晚，植被較多，風(fēng)沙流輸沙率越小，在0～30 cm垂直梯度上變化幅度也很小，因此風(fēng)沙流輸沙率與植被蓋度有很大的關(guān)系。