植被蓋度對典型草原區地表風沙流結構及風蝕量影響

邢恩德，馬少薇，郭建英，李錦榮，藍登明

（1.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特010020；2.內蒙古農業大學 生態環境學院，呼和浩特010019）

土壤風蝕是指土壤及其母質在風力作用下的剝蝕、分選、搬運過程［1］，嚴重的土壤風蝕不僅會使土壤流失、質地發生變化，還會使土地生產力急劇降低，同時造成了當地及周邊地區生態環境的惡化［2－3］。中國是世界上受土壤風蝕危害最嚴重的國家之一，主要分布于北方干旱、半干旱和部分半濕潤地區［4］，其中內蒙古自治區是荒漠化強烈發展的地區之一，風力侵蝕面積52.66萬km2，占全區土壤侵蝕總面積的83.27%。地表植被對土壤風蝕具有一定的保護性作用，劉艷萍等［5］通過風洞試驗研究了荒漠草原區植被對土壤風蝕的影響，證明了風速越大植被對地表的保護作用越明顯，各風速下風蝕量與植被蓋度之間呈冪函數相關。董治寶等［6－7］研究了植被對土壤風蝕作用的影響，證明了增加植物密度對有效防止風蝕具有重要作用。何京麗等［8］對半干旱草原土壤風蝕的空間格局進行研究，結果表明風力侵蝕各影響因子的時空異質性是導致半干旱草原風力侵蝕空間異質性的主要原因。徐軍等［9］對烏蘭布和沙漠不同下墊面風沙流結構進行了研究，結果表明不同的風速下，總輸沙量大小為流動沙丘（植被覆蓋度＜15%）＞半固定沙丘（植被覆蓋度＞15%）＞固定沙丘（植被覆蓋度＞30%）。目前對北方干旱、半干旱荒漠化地區的土壤風蝕做了大量研究，而關于典型草原區土壤風蝕的定量化研究較少，因此，對內蒙古錫林郭勒盟典型草原不同植被蓋度的土壤進行風洞模擬試驗研究，探究植被蓋度對起動風速、風沙流結構特征及土壤風蝕量影響的規律，為進一步研究典型草原地區土壤風蝕過程、制定合理的防風固沙技術提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于錫林郭勒盟錫林浩特市神華北電勝利能源有限公司露天礦南，地理位置43°59′29.24″N，116°02′10.26″E。該地區屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫2.2℃，極端最高氣溫39.9℃，極端最低氣溫－42.4℃；年平均降水量289.2mm，主要集中在6—9月，年平均蒸發量1 805.1mm；年平均無霜期106d；多年平均風速3.5m/s，全年主導風向西南，年大風日數58d，沙塵天數為52d。試驗區土壤主要為栗鈣土，土壤腐殖質層厚度20～30cm，有機質含量2%～3%。試驗區屬于典型草原植被類型，主要優勢植物種有克氏針茅（StipakryloviiRoshev.）、羊草（LeymuschinensisTrin.Tzvel.）、小葉錦雞兒（CaraganamicrophyllaLam.）、冷蒿（ArtemisiafrigidaWilld.）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 土樣采集 試驗于2011年4月進行，本試驗中只考慮植被因子的影響，在試驗區露天礦南一號排土場采集無植被覆蓋的土樣（即擾動土），該土樣土體結構和地表植被均已破壞；同時在礦區外北側草地上采集植被蓋度15%，30%和45%的下墊面土樣，不破壞土體結構和地表植被，取樣體積為20cm×30cm×20cm。用密封的鐵皮箱裝集采好的土樣，運回實驗室進行風洞土壤風蝕模擬試驗。

1.2.2 試驗設計 風洞模擬試驗風速（洞體試驗段內部30cm高度處風速）分別控制為7m/s，10m/s，13m/s，16m/s，19m/s，22m/s，25m/s，將土樣置于風洞試驗段中部，土壤表面與風洞底板持平，將放置在樣品盤下風向30cm中間位置，每個土樣在不同風速水平下吹蝕10min。每次吹蝕結束后將其取出，收集集沙儀內各沙盒的沙土樣品并用精度為千分之一克的天平稱量，然后將吹蝕后的樣品重新鋪設進行下一次試驗。試驗過程中測定不同土樣和風速條件下的起動風速、距地表30cm高度內的風沙流結構特征及風速對土壤風蝕量的影響。

本試驗在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所沙漠與沙漠化重點試驗室風沙環境風洞進行，該風洞是直流閉口吹氣式低速風洞，由動力段、整流段、試驗段、擴散段四部分組成，洞體長37.78m，試驗段長16.23m，矩形橫截面積1m（寬）×0.6m（高），洞身為木制結構，風速由1～40m/s連續可調。

WITSEG集沙儀總高40cm，是按垂直方向排列的線狀被動式集沙儀，楔形入口段有30個進沙口，分別與30個集沙盒相連，每個進沙口為1cm（高）×0.5cm（寬），每個集沙盒的最大集沙量為18g。在數據分析時1cm高度代表0～1cm高度內集沙，2cm高度代表1～2cm高度內集沙，依次類推。

1.2.3 數據處理 本次試驗所采集的數據利用Excel 2010進行統計整理和相關性分析處理。

2 結果與分析

2.1 起動風速

靜止的土壤沙粒必須在一定風力條件下才能開始運動，當風速增大到某一臨界值時，地表沙粒得以從氣流中獲得足夠的水平動量并最終脫離靜止狀態開始運動，這個使沙粒開始運動的臨界風速稱為起動風速［10］。如表1所示，地表沙土的起動風速隨著植被蓋度的增加而增大，其中擾動土的起動風速最低，說明植被對地表起沙具有一定的保護作用。這主要是由于植被降低了風速，使起動風速增大，并且無破壞的土樣表層具有結層，能夠抵御一定強度的風速，從而提高起動風速，降低風蝕。

表1 植被蓋度與起動風速

2.2 風沙流結構特征

輸沙率表示一定風速條件及沙源條件下的地表輸沙能力［11］，是確定和衡量土壤抗風蝕能力的一個重要指標，在土壤風蝕研究中占有重要的地位。植被蓋度是影響土壤風蝕最敏感的自然因素，植被覆蓋可通過多種途徑對地表土壤形成保護，本文只研究植被蓋度對風沙流結構特征的影響。

當植被蓋度為0時（圖1），隨著風速的增加，在0～2cm區間內輸沙量逐漸增大，2cm以上輸沙量隨高度呈指數函數衰減，最大輸沙率均在2～3cm范圍內。

當植被蓋度為15%時（圖2），不同風速下輸沙率均隨著高度增加呈現先增加后驟減的趨勢，最大輸沙率在2～3cm高度處，但風速為19m/s，22m/s和25m/s時，輸沙率隨著高度層（高度層＞10cm）的增加而上下波動。

當植被蓋度為30%時，10m/s未收集到任何風積物。圖3可知，13m/s和16m/s兩個風速在0～5 cm范圍內呈增加趨勢，最大輸沙率在4cm高度處，然后急劇減少，風沙流中風蝕物集中在9cm高度以內；當風速為19m/s，22m/s和25m/s時，最大輸沙率跳躍到14～15cm。

當植被蓋度為45%時，10m/s未收集到任何風積物；風速13m/s時，僅在17cm高度層收到0.016g風積物；16m/s時在6cm和11cm高度層分別收集到風積物0.002g和0.006g，其他高度均無風積物。由圖4可見，風速19m/s時，0～6cm高度內沒有收集到風蝕物，6～9cm高度內呈增加趨勢，最大輸沙率在9cm高度處，然后急劇減少，風沙流高度在21cm以下；當風速為22m/s時，最大輸沙率跳躍到7～11cm；風速為25m/s時，最大輸沙率跳躍到10～12cm。

綜上，由于植被影響風速，造成氣流不穩定形成紊流，使得各高度層輸沙率呈跳躍式分布；隨著植被蓋度的增加，近地層的輸沙率不斷減小，最大輸沙率的高度層不斷上移，說明植被蓋度的增加對地表風力侵蝕具有一定的防護作用。這主要是因為風速增加時，植被影響吹起來的沙粒彈跳高度增加，使這一區域輸沙率明顯高于其他高度層輸沙率。

圖1 植物蓋度0的不同風速風沙流結構

圖2 植物蓋度15%的不同風速風沙流結構

圖3 植物蓋度30%的不同風速風沙流結構

圖4 植物蓋度45%的不同風速風沙流結構

2.3 對土壤風蝕量的影響

圖5所示不同植被蓋度下0～30cm內總輸沙量與風速的關系曲線。不同植被蓋度下，總輸沙量均隨著風速的增加而增加，且總輸沙量（y）與風速（x）的擬合關系曲線均為冪函數曲線。各風速水平下，總輸沙量大小呈現規律性變化，表現為0＞15%＞30%＞45%，風速為19m/s時，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的30.09倍；風速為22m/s時，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的20.51倍；風速為25m/s時，植被蓋度0的總輸沙量是植被蓋度45%的11.04倍。

圖5 不同植被蓋度下風速與總輸沙量的關系曲線

3 結論與討論

植被蓋度是影響土壤風蝕的重要因素，對地表土壤具有保護作用。不同植被覆蓋度下，起動風速隨植被蓋度的增加而增大，植被蓋度0的起動風速最低；受植被的影響風沙流結構呈跳躍式分布，近地層的輸沙率隨著植被蓋度的增加而減小，最大輸沙率的高度層隨植被蓋度的增加不斷上移；相關性分析表明，不同植被蓋度下，總輸沙量均隨風速的增加呈冪函數曲線趨勢增大，各風速水平下，總輸沙量隨著植被蓋度的增加而減少。

風洞模擬試驗具有不受自然條件的限制、可控性強等優點，克服了野外觀測典型草原區風蝕過程中由于多影響因子的耦合，以至于難以區分單因子對風蝕特征影響的不足。但是，由于風洞模擬土壤風蝕過程缺乏了其他自然因素的影響，所以與野外實際結果比較時存在一定的差距。因此，風洞模擬結果如何有效地與野外觀測土壤風蝕之間進行對比分析是今后研究工作應加強的內容。

［1］ 陳渭南.蒙陜接壤地區土壤母質的風蝕試驗研究［J］.水土保持學報，1991，5（1）：33－40.

［2］ 何文清，高旺盛，妥德寶，等.北方農牧交錯帶土壤風蝕沙化影響因子的風洞試驗研究［J］.水土保持學報，2004，18（3）：1－4，8.

［3］ 劉鐵軍，趙顯波，趙愛國，等.東北黑土地土壤風蝕風洞模擬試驗研究［J］.水土保持學報，2013，27（2）：67－70.

［4］ 董治寶，董光榮，陳廣庭.以北方旱作農田為重點開展我國的土壤風蝕研究［J］.干旱區資源與環境，1996，10（2）：31－37.

［5］ 劉艷萍，劉鐵軍，蒙仲舉.草原區植被對土壤風蝕影響的風洞模擬試驗研究［J］.中國沙漠，2013，33（3）：668－672.

［6］ 董治寶，陳渭南，董光榮，等.植被對風沙土風蝕作用的影響［J］.環境科學學報，1996，16（4）：442－446.

［7］ 董治寶，高尚玉，董光榮.土壤風蝕預報研究述評［J］.中國沙漠，1999，19（4）：312－317.

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［9］ 徐軍，郝玉光，劉芳，等.烏蘭布和沙漠不同下墊面風沙流結構與變異特征［J］.水土保持研究，2013，20（4）：95－98.

［10］ 董智.烏蘭布和沙漠綠洲農田沙害及其控制機理研究［D］.北京：北京林業大學，2004.

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