烏蘭布和沙區不同下墊面的土壤風蝕特征*

劉 芳 郝玉光 辛智鳴 徐 軍 黃雅茹 趙英銘 孫 非

(中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心 內蒙古磴口荒漠生態系統定位觀測研究站 磴口 015200)

?

烏蘭布和沙區不同下墊面的土壤風蝕特征*

劉 芳 郝玉光 辛智鳴 徐 軍 黃雅茹 趙英銘 孫 非

(中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心 內蒙古磴口荒漠生態系統定位觀測研究站 磴口 015200)

【目的】研究荒漠生態系統典型植被群落對近地層風沙活動的影響，揭示荒漠生態系統中不同下墊面條件的土壤風蝕特征。【方法】在烏蘭布和沙區東北緣荒漠-綠洲過渡帶內，選取油蒿半固定沙丘(蓋度約20%)、白刺半固定沙丘(蓋度約30%)、油蒿固定沙丘(蓋度約40%)、白刺固定沙丘(蓋度約40%)、流動沙丘(CK)5種典型下墊面，運用風蝕釬和風沙流采集系統，實時監測5種下墊面的風蝕動態，定量分析不同下墊面條件下的土壤風蝕量、風蝕物的垂向分布及粒度組成的差異性。【結果】烏蘭布和沙區不同下墊面同期土壤風蝕深度為： 流動沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，當風速達到4.1 m·s-1時，流動沙丘即可觀察到沙粒蠕動，當風速達5.1 m·s-1時積沙儀可收集到風蝕物。油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘的風速分別達到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1時方可發生風蝕； 5種下墊面0～100 cm垂直斷面上，67.6%～90.0%的風蝕輸沙均分布于30 cm高度范圍之內，挾沙氣流中輸沙率隨高度增加呈冪函數規律遞減，隨風速增大呈冪函數規律遞增，各高度層風蝕物粒度組成呈單峰態分布，峰值處在250～100 μm之間，0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且偏向粒徑趨大的方向； 自下而上，極細沙的粒度構成比例呈遞增趨勢，中沙的粒度構成比例呈遞減趨勢。【結論】隨著植被蓋度的增加，土壤風蝕程度顯著減輕，流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風蝕深度依次降低。蓋度為40%的油蒿、白刺群落，其地表風蝕深度僅為流動沙丘同期風蝕深度的1.73%～1.52%，0～100 cm高度范圍內的輸沙率僅為流動沙丘輸沙率的6.6%～5.1%。在荒漠生態系統中，植物群落主要通過覆蓋地表、提高下墊面的粗糙度和攔截沙粒的運動來緩解氣流對地表的侵蝕作用。因此，在防沙治沙工程實施過程中，要充分考慮和利用植被防風抗蝕的生態效應。關鍵詞： 風沙流結構； 輸沙率； 土壤風蝕； 粒度分析； 烏蘭布和沙漠

土壤風蝕(soil wind erosion)是指土壤及其母質在風力作用下剝蝕、分選、搬運的過程，其實質是氣流或氣固兩相流對地表物質的吹蝕和磨蝕塑造地表景觀的一個基本地貌過程(吳正， 2003)。土壤風蝕不僅是干旱、半干旱地區主要的土地退化過程，而且是導致干旱、半干旱地區土地沙漠化與沙塵暴災害的首要因素(Skidmoreetal., 1982)。在沙地環境中，地表植被能夠有效降低風速、減輕地表風蝕，從而減少地表土壤細微顆粒及養分的損失(董治寶等， 1996； 張華等， 2002)。植被的這種防風抗蝕生態效應一直是國內外專家學者們關注和研究的焦點(Mc Tainshetal., 1998； Wolfeetal., 1993; Baueretal., 2004; Zobecketal., 2006)。植被對風蝕的影響直接表現在地表風蝕率的變化上，影響程度主要取決于植被類型及植被蓋度、高度、密度等特征。長期以來，由于風蝕過程的復雜性及野外觀測難度的局限，以往關于植被影響地表風蝕的研究結果多通過理論推導或風洞模擬實驗而獲得，且得出了許多風蝕率、摩阻速度及地表粗糙度等隨植被特征變化的重要規律(董光榮等, 1987； Wassonetal., 1986； 張春來等， 2003)。在我國干旱、半干旱區農牧交錯帶，研究荒漠生態系統中沙生植被防風抗蝕生態效應的野外觀測尚不多見。本研究以地處我國干旱半干旱農牧交錯帶的烏蘭布和沙區為主要研究區域，選擇該區域內荒漠生態系統中的5種典型下墊面，以2011年4—6月地表風蝕監測及3次沙塵暴事件的觀測數據為依據，探討烏蘭布和沙區不同下墊面條件對地表風蝕輸沙量及其高度分布的影響、風蝕物粒度組成與下墊面的關系，分析不同下墊面條件對地表風蝕輸沙的影響及風蝕物的運動特性，揭示烏蘭布和沙區不同下墊面條件的土壤風蝕特征，為沙區生態恢復與植被建設提供理論支持。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況及試驗時期的氣象條件

烏蘭布和沙區是我國干旱區沙漠化發展嚴重地區之一，地處我國荒漠草原向草原化荒漠過渡地帶，是我國沙塵暴源區之一并位于沙塵暴西北路徑上 (李鋒， 2011； 國家林業局等， 2009)。沙漠總面積9 082 km2，其中流動沙丘占49.94%，半固定沙丘21.78%，固定沙丘23.41%。在長期干旱多風的氣候條件下，地表發育了沙丘鏈、灌叢沙堆與丘間洼地相間的風沙地貌格局。沙丘與黃河西岸接壤20多km，每年向黃河輸沙約7.72×107kg，占黃河含沙量的37%(楊根生等， 2003)。據國家林業局磴口荒漠生態系統定位研究站(簡稱磴口站)氣象數據統計(表1)，該地區干旱少雨，風大沙多，沙塵暴等災害性天氣頻繁。

表1 磴口生態站1983—2012年各氣象因子統計

試驗區域(地理坐標為40°24＇N，106°46＇E)位于我國沙塵暴的西北路徑上。2011年4月28—30日我國北方地區經歷了當年強度最大、影響范圍最廣的一次沙塵天氣過程，主要受較強冷空氣和蒙古氣旋影響(圖1b)。磴口站監測到本次沙塵暴在試驗區持續時間為29日2:00至次日1:00，起沙風風向為N-NNW，期間平均風速10.8 m·s-1，最大風速18.0 m·s-1； 據中央氣象臺預報(圖1a)， 2011-04-24夜間至26日，受地面氣旋及冷空氣影響，內蒙古西部、甘肅西部等地的部分地區有揚沙或浮塵天氣，局地有沙塵暴。磴口站監測到本次沙塵暴在試驗區持續時間為04-24 16： 00—25 1： 00，起沙風風向為NW-NNW，期間平均風速10.4 m·s-1，最大風速達13.3 m·s-1； 5月29日的沙塵暴持續時間為10:00—19:00，是一場中等強度的沙塵天氣，起沙風風向為WNW-NW，平均風速9.3 m·s-1，最大13.7 m·s-1。本文中的沙塵暴持續時間指一日中風速大于8 m·s-1的時段。圖2分別給出了3次沙塵暴過境期間磴口站監測到的12 m高度處風速變化動態及1.5 m高度處空氣溫濕度的動態變化，試驗期間無降雨，地表干燥。

圖2 沙塵暴觀測期間試驗區氣象特征Fig.2 Meteorological characteristics of the test area during sandstorm observation

1.2 試驗方法

在烏蘭布和沙區東北緣荒漠-綠洲過渡帶，選擇該區域代表性植被油蒿(Artemisiaordosica)群落、白刺(Nitrariatangutorum)群落，分別在油蒿半固定沙丘(蓋度約20%)、白刺半固定沙丘(蓋度約30%)、油蒿固定沙丘(蓋度約40%)、白刺固定沙丘(蓋度約40%)和流動沙丘設30 m2(5 m×6 m)試驗樣地，在樣地中沿主風向呈直線布設10根風蝕釬，于2011年4—6月采用插釬法監測5類樣地的土壤風蝕狀況。根據4—6月測釬讀數變化求得這一期間的風蝕深度，再由4—6月起沙風占年起沙風的比例(劉芳等， 2014)，推算2011年全年的風蝕深度。并于大風或沙塵暴天氣運用立式積沙儀收集0～100 cm的風沙流流量。積沙儀底部與地面齊平，進沙口50層，積沙盒進沙口寬和高均為2 cm，可監測0～100 cm的地表風蝕輸沙量，10 min取樣1次。風速采用多通道自記風速梯度測定系統同步測定，每1 min記錄1次風速。將收集到的風蝕物分層稱重并用DLY2000光電顆粒分析儀進行粒度分析。

輸沙率是指風沙流在單位時間內通過單位寬度或單位面積的風蝕物質量，是衡量沙區沙害程度的主要指標之一，也是治沙工程設計的主要依據(吳正， 2003； 朱震達等， 1980)，其與風速擬合關系式為：

式中：Q0～100為輸沙率(g·cm-1min-1)，v為2 m高度處風速(m·s-1)，a，b為系數。

而將輸沙率隨高度變化進行擬合的關系式為：

(2)

式中：Q為輸沙率，H為高度，c，d為系數。

1.3 試驗區下墊面基本特征

油蒿群落與白刺群落是烏蘭布和沙區東北緣荒漠-綠洲過渡帶天然分布最廣的植被類型，在長期的植被演替與水分利用競爭過程中，形成了植被蓋度不一的半固定、固定沙地。本試驗選取的5個觀測點下墊面的基本特征如表2所示，地表土壤主要由粒徑為250～50 μm的細沙和極細沙構成。

表2 觀測點下墊面基本特征

2 結果與分析

2.1 不同下墊面土壤風蝕量

當地土壤風蝕主要發生在冬春季節，以春季4—6月風蝕危害最為強烈。由表3可知，5種樣地4—6月土壤風蝕深度的大小順序： 流動沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，隨著植被蓋度的增加，土壤風蝕顯著減少。蓋度為40%的油蒿、白刺群落地表土壤風蝕深度僅為流動沙丘同期土壤風蝕深度的1.73%～1.52%。

2011年4—6月起沙風持續時間占年起沙風持續時間的48.14%(劉芳， 2014)。可估算得流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風蝕深度分別為： 55.131，2.123，0.898 cm。

表3 不同下墊面土壤風蝕量(4—6月)

2.2 風速對地表風蝕的影響

野外實測數據顯示(圖3)，當風速達到4.1 m·s-1時，流動沙丘表面可觀察到沙粒的蠕動，當風速達到5.1 m·s-1時積沙儀可收集到沙物質。而有植被覆蓋的樣地起沙風速明顯增大，油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘，風速分別達到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1時才有風蝕發生。圖3表明，流動、半固定和固定沙丘的風蝕輸沙率均隨風速增大呈冪函數規律遞增，R2>0.90。流動沙丘輸沙率隨風速增大而增加，但當風速<7.1 m·s-1的范圍內增大較緩，在>7.1 m·s-1的范圍內增大加快，說明氣流搬運的沙量隨風速增大而急劇增加。

2.3 不同下墊面風蝕物的垂向分布

對0～100 cm垂直輸沙斷面各層沙物質的粒度進行分析，結果表明： 不論哪種下墊面類型，各高度層風蝕物的粒度組成均服從單峰態分布特征(圖4)，其峰值范圍均處在 250～100 μm之間，0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且趨向粒徑變大方向。在0～100 cm高度范圍內，風蝕物各粒級含量中的中沙級組分含量減少，粉沙及黏土組分含量增加，即隨著高度增加，極細沙粒度構成比例在自下而上的垂向變化過程中呈遞增趨勢，中沙粒度構成比例則在自下而上的垂向變化過程中呈遞減趨勢，風蝕物粒徑隨高度增加變細。

由圖5可知，固定沙丘平均粒徑由130.6 μm 減少至103.4 μm。半固定沙丘由173.5 μm 減少至96.8 μm，流動沙丘由212.9 μm 減少至91.3 μm。在0～100 cm垂直輸沙斷面上，無論是風蝕物粒徑范圍, 還是平均粒徑，均隨高度增加呈明顯的遞減趨勢，且風沙流中沙粒的平均粒徑趨向更細。這表明在同一風速條件下，氣流上升的舉力不足以把較大的沙粒帶到較高層，但可把質量較小的顆粒運送到較高層。

2.4 不同下墊面風蝕輸沙隨高度分布特征

對烏蘭布和沙區5種類型沙丘實測風蝕輸沙數據統計分析(表4)表明： 在0～100 cm垂直輸沙斷面上，不論是哪種下墊面類型，輸沙量百分比隨高度增加呈下降趨勢，風蝕物主要集中于貼地層0～4 cm高度內，0～10 cm高度層輸沙量占總輸沙量的42.8%～70.7%，67.6%～90.0%的輸沙量分布于0～30 cm高度層。

對輸沙率沿高度變化進行擬合(圖6)，可看出輸沙率隨高度增加呈冪函數衰減，相關系數R2均在0.84以上，相關性較好。將油蒿、白剌固定沙丘輸沙量百分比沿高度的變化與流動沙丘輸沙量百分比對比得出： 由于植被蓋度的增大，2種沙丘輸沙量百分比在貼地層變小，0～10 cm高度層相對輸沙量分別比流動沙丘0～10 cm輸沙量百分比減少27.9%和15.6%，下降到總輸沙量的42.8%和55.1%，這主要是由于地表植被改變了下墊面狀況，顯著地增大了地表粗糙度，改變了風力作用強度，增大了地表剪切力，降低了風沙流的挾沙能力，使貼地層的相對輸沙量減少，導致風沙流結構變異。

選擇12.3，11，9.7，7.9 m·s-1風速條件下各沙丘輸沙率對比分析(表5)： 植被蓋度為20%的油蒿半固定沙丘、蓋度為30%的白刺半固定沙丘、蓋度為40%的油蒿固定沙丘和白刺固定沙丘輸沙率均值分別為2.553，0.786， 0.433，0.358 g·cm-1min-1，僅是流動沙丘輸沙率均值的36.6%，11.3%，6.6%，5.1%。可見，當植被蓋度達到40%以上時，下墊面風蝕輸沙不及無植被覆蓋地段輸沙的6.6%，地表風蝕被有效阻止。

圖3 不同下墊面風蝕輸沙率與風速關系Fig.3 The relationship between different underlying surface of sand transport rate and wind speed

圖4 各高度層風蝕物粒度組成特征Fig.4 Each level sand grain size of material characteristics

圖5 風蝕物粒徑的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of average particle size

3 討論

土壤風蝕是干旱、半干旱地區土地沙漠化與沙塵暴災害的首要因素，也是干旱、半干旱地區主要的土地退化過程。相關研究表明，隨著植被蓋度的增加，下墊面土壤臨界侵蝕風速相應增大，植被覆蓋顯著改變沙粒的起動風速，使地表風蝕輸沙顯著減少。張華等(2004)在科爾沁沙地研究表明，風沙活動期的輸沙量(Q)與同期植被蓋度(VC)間的最佳非線性回歸關系式為Q=3.93+93.66e-0.60VC。高尚玉等(2008)對京津風沙源區研究表明，臨界侵蝕風速與植被蓋度的關系表現為U0=a+b·exp(VC/c)，其中，U0為臨界侵蝕風速(m·s-1)， VC為植被蓋度(%)，a,b,c為系數； 本研究得出，蓋度為40%的油蒿、白刺群落土壤風蝕深度僅為流動沙丘同期土壤風蝕深度的1.73%～1.52%，0～100 cm垂直輸沙斷面上的輸沙率僅為流動沙丘輸沙率的6.6%～5.1%，估算得流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風蝕深度分別為： 55.131，2.123，0.898 cm。與高君亮等(2009)推算的烏蘭布和沙漠流動沙地、半固定沙地和固定沙地年輸沙率的平均比例為1∶0.429∶0.054相符，而與其估算的年風蝕深度(流動沙丘9.059 cm、半固定沙地3.737 cm、固定沙地0.493 cm)差異較大，主要是由于他們在測算風蝕量時沒有考慮風向問題，導致估算結果偏大，而風蝕釬法測得的風蝕深度更貼近野外實際風蝕情況。更準確的結果應使用長時段的實測數據分析。

表4 不同下墊面輸沙率隨高度的分布

圖6 烏蘭布和沙區地表風沙流結構(100 cm高度)Fig.6 Sand flow structure on sand surface in Ulanbuh Desert (H=100 cm)

表5 不同類型沙丘輸沙率(100 cm高度)

①括號內為蓋度Value in bracket is vegetation coverage.②半固定、固定沙丘與流動沙丘輸沙率均質之比Average STR ratio of semi-fixed or fixed dunes to mobiledunes.

風蝕物粒徑組成不但表征了下墊面土壤性質或顆粒所受外力作用的強弱，而且和風沙搬運量的大小以及搬運方式也有密切關系。烏蘭布和沙區荒漠-綠洲過渡帶5種下墊面條件的風蝕物主要由粒徑為250～50 μm的細沙和極細沙構成。風蝕物含量垂直分布遵循冪函數(Q=aH-b)規律衰減，在0～100 cm垂直輸沙斷面上，各高度層風蝕物的粒度組成均服從單峰態分布特征，其峰值范圍均處在250～100 μm之間，風蝕物粒徑范圍、平均粒徑隨高度增加呈明顯的遞減趨勢，風蝕物粒徑隨高度增加變細。0～20 cm高度層峰值與其余各層的峰值范圍差異明顯且趨向粒徑變大方向，這主要是受躍移顆粒的影響，隨著高度增加, 躍移質含量急劇降低,使風蝕物粒徑快速減小，表明在同等條件下，沙粒的直徑越小跳躍的高度越大。認識荒漠生態系統地表土壤的風蝕特征及植被降解風蝕輸沙規律，對進一步研究荒漠生態系統不同下墊面釋塵對大氣環境的影響有重要意義。

4 結論

隨著植被蓋度的增加，土壤風蝕程度顯著減輕，流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年風蝕深度依次降低。在荒漠生態系統中，植物群落主要通過覆蓋地表、提高下墊面的粗糙度和攔截沙粒的運動來緩解氣流對地表的侵蝕作用。因此，在防沙治沙工程實施過程中，要充分考慮和利用植被防風抗蝕的生態效應。

董光榮,李長治,金 炯,等. 1987.關于土壤風蝕風洞模擬實驗的某些結果.科學通報, 32(4):297．

(Dong G R, Li C Z, Jin J,etal. 1987. Some simulation experimental results of soil wind erosion in wind tunnel. Chinese Science Bulletin, 32(4):297．[in Chinese])

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

(Dong Z B, Chen W N,Dong G R,etal.1996. Influences of vegetation cover on the wind erosion of sandy soil.Acta Scientiae Circumstantiae,16(4):442-446.[in Chinese])

高君亮,郝玉光,丁國棟,等.2013.烏蘭布和荒漠生態系統防風固沙功能價值初步評估.干旱區資源與環境，27(12):41-46.

(Gao J L，Hao Y G，Ding G D,etal.2013. Primary assessment on the wind-breaking and sand-fixing function of the vegetation and its value in Ulan Buh desert ecosystem.Journal of Arid Land Resources and Environment, 27(12):41-46. [in Chinese])

高尚玉,張春來,鄒學勇,等. 2008.京津風沙源治理工程效益.北京:科學出版社,94-101.

(Gao S Y,Zhang C L,Zou X Y,etal. 2008. Benefits of Beijing-Tianjin sand source control engineering. Beijing: Science Press, 94- 101. [in Chinese])

國家林業局.2009.中國荒漠化和沙化土地圖集. 北京：科學出版社, 9-15.

(State Forestry Administration. 2009.Atlas of desertified and sandified land in China.2009. Beijing:Science Press,9-15. [in Chinese])

何京麗,張三紅,崔 崴,等. 2011.黃河內蒙古段烏蘭布和沙漠入黃風積沙監測研究.中國水利, (10):46-48.

(He J L,Zhang S H,Cui W,etal.2011. Monitoring and research on aeolian sand flowed into Yellow River from Ulan Buh desert in Inner Mongolia. China Water Resources,(10):46-48.[in Chinese])

胡海華,吉祖穩,曹文洪,等. 2006.風蝕、水蝕交錯區小流域的風沙輸移特性及其影響因素.水土保持學報, 20(5):20-25.

(Hu H H, Ji Z W, Cao W H,etal. 2006. Wind-sand flow transportation characteristics and effect factor of typical valley in wind-water erosion crisscross region.Journal of Soil and Water Conservation, 20(5): 20 -25.[in Chinese])

黃富祥,牛海山,王明星,等. 2001.毛烏素沙地植被覆蓋率與風蝕輸沙率定量關系.地理學報, 56(6):700-710.

(Huang F X, Niu H S, Wang M X,etal. 2001. The relationship between vegetation cover and sand transport flux at Mu Us Sandland. Acta Geographica Sinica, 56(6):700-710.[in Chinese])

李 鋒. 2011.沙塵暴災害風險評估指標體系初探.災害學, 26(4):8-13.

(Li F.2011.A preliminary discussion on risk assessment index system of sandstorm disasters.Journal of Catastrophology,26(4):8-13. [in Chinese])

李清河,包耀賢,王志剛,等. 2003.烏蘭布和沙漠風沙運動規律研究.水土保持學報, 17(4):86-89.

(Li Q H,Bao Y X, Wang Z G，etal. 2003. Study on aeolian sand movement law in Ulanbuhe Desert. Journal of Soil and Water Conservation, 17(4):86-89. [in Chinese])

劉 芳，郝玉光，徐 軍,等. 2014.烏蘭布和沙區風沙運移特征分析.干旱區地理, 37(6):1163- 1169.

(Liu F,Hao Y G， Xu J,etal.2014.Sand flow characteristics in Ulan Buh Desert. Arid Land Geography, 37(6):1163- 1169.[in Chinese])

滿朝旭. 2011. 我國北方地區遭遇今春以來最強沙塵天氣. 中國廣播網， 2011年4月30日 15:25.

(Man C X.2011.The strongest dust weather since this spring in north China. Chinese Radio Network, at 15:25 on April 30, 2011. [in Chinese])

王志剛. 1995.烏蘭布和沙漠東北部風沙災害與防護林帶參數探討.中國沙漠, 15(1):179-183.

(Wang Z G. 1995. A study on the features of drifting sand disaster and the parameters of the protective shelterbelts in the northeastern Ulan Buh desert. Journal of Desert Research, 15(1):179-183.[in Chinese])

吳 正. 2003.風沙地貌與治沙工程學.北京:科學出版社, 61-69.

(Wu Z. 2003. Aeolian geomorphology and sand control engineering. Beijing: Science Press, 61-69. [in Chinese])

楊根生,拓萬全, 戴豐年,等. 2003.風沙對黃河內蒙古河段河道泥沙淤積的影響.中國沙漠, 23(2):152-159.

(Yang G S, Tuo W Q, Dai F N,etal. 2003. Contribution of sand sources to the silting of riverbed in Inner Mongolia section of Huanghe River. Journal of Desert Research, 23(2): 152-159. [in Chinese])

楊興華,何 清,艾力·買買提明. 2011.塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區風沙流輸沙特征研究.干旱區地理, 34(3):479-485.

(Yang X H, He Q, Maimaitiming Aili,etal.2011.Sand-transporting of sand flow at the Tazhong Area in the hinterland of the Taklimakan Desert.Arid Land Geography,34(3):479-485. [in Chinese])

張春來,鄒學勇,董光榮,等. 2003.植被對土壤風蝕影響的風洞實驗研究.水土保持學報, 17(3):31-33．

(Zhang C L, Zou X Y, Dong G R,etal. 2003. Wind tunnel studies on influences of vegetation on soil wind erosion. Journal of Soil Water Conservation,17(3):31-33．[in Chinese])

張 華,李鋒瑞,伏乾科,等. 2004.沙質草地植被防風抗蝕生態效應的野外觀測研究.環境科學, 25(2):119-124.

(Zhang H, Li F R, Fu Q K,etal.2004. Field investigation on ecological effect of windbreak and soil erosion reduction from sandy grasslands.Environmental Science, 25(2):119-124.[in Chinese])

張 華,李鋒瑞,張銅會,等. 2002.春季裸露沙質農田土壤風蝕量及變異特征.水土保持學報, 16(1):29-32.

(Zhang H, Li F R, Zhang T H,etal.2002.Field observations of wind erosion sediment in bare sandy farmland during erosion-prone spring. Journal of Soil and Water Conservation, 16(1):29-32.[in Chinese])

朱震達,吳 正,劉 恕. 1980.中國沙漠概論.北京:科學出版社, 93-105.

(Zhu Z D, Wu Z, Liu S. 1980. Chinese desert. Beijing: Science Press, 93-105.[in Chinese])

Bauer B, Houser C A, Nicking W G. 2004. Analysis of velocity profile measurements from wind-tunnel experiments with siltation. Geo-morphology, (59):81-98.

Mc Tainsh G H, Lynch A W, Tews E K. 1998. Climate controls upon dust storm occurrence in eastern Australia.Journal of Arid Environments, 39： 457-466．

Skidmore E L, Powers D H. 1982. Dry soil-aggregate stability: energy-based index.Soil Sci Soc Am J,46:1274-1278．

Wasson R J,Nanninga P M．1986. Estimating wind transport of sand on vegetated surface．Earth Surface Processes and Landforms, 11(4):505．

Wolfe S A, Nickling W G. 1993. The protective role of sparse vegetation in wind erosion. Progress on Physical Geography, 17:50-68．

Zobeck T M, Van Pelt R S. 2006. Wind induced dust generation and transport mechanics on a bare agriculture field.J Hazard Materi, 132(1):26-38.

(責任編輯 朱乾坤)

Characteristics of Soil Wind Erosion under Different Underlying Surface Conditions in Ulanbuh Desert

Liu Fang Hao Yuguang Xin Zhiming Xu Jun Huang Yaru Zhao Yingming Sun Fei

(ExperimentalCenterofDesertForestry,CAFDengkouDesertEcosystemResearchStationofInnerMongoliaDengkou015200)

【Objective】 Influences of typical vegetation communities in desert ecosystems on the aeolian activities in the near surface were studied to reveal soil wind erosion characteristics of desert ecosystem under different underlying surface conditions. 【Method】 Five typical underlying surfaces, including semi-fixed dunes (coverage 20%) ofArtemisiaordosica, semi-fixed dunes (coverage 30%) ofNitrariatangutorum, fixed dunes (coverage 40%) ofA.ordosicaand fixed dunes (coverage 40%) ofN.tangutorum, and mobile sand dunes (served as the control), were selected in the desert-oasis ecotone at the northeast margin of the Ulanbuh desert. By using the wind erosion brazing and sand flow acquisition system, five kinds of underlying surfaces wind erosion dynamic were real-time monitored to quantitatively analyze the differences of soil wind erosion, vertical distribution and grain size composition under the different underlying surface conditions. 【Result】 Soil wind erosion thickness on different underlying surface during the same period in Ulanbuh desert was mobile sand dunes >semi-fixed dunes ofA.ordosica>semi-fixed dunes ofN.tangutorum> fixed sand dunes ofA.ordosica>fixed sand dunes ofN.tangutorum. Sand peristalsis could be observed in mobile sand dunes when the wind speed reached to 4.1 m·s-1, and the wind erosion material was able to be collected when the wind reached to 5.1 m·s-1.In semi-fixed dunes ofA.ordosica, semi-fixed dunes ofN.tangutorum, fixed dunes ofA.ordosicaand fixed dunes ofN.tangutorum, the wind erosion happened when wind speed reached to 6.3, 6.5, 6.8 and 7.9 m·s-1, respectively. In the vertical section of 0-100 cm on the five bed surfaces, sediment runoff of 67.6%-90.0% distributed in 30 cm height, carrying airflow in the transport rate expressed as a power function declined with the increase of height, and increased with the increase of wind speed. The grain size composition of the wind erosion in each layer was in a unimodal distribution, with the peak between 250-100 μm; The peak value of the grain size composition in 0 -20 cm height layers was obviously different from that of the other layers, and tended to be larger. From below to top, the proportions of very fine sand particles showed an increasing trend, but the proportions of medium sand grain size showed a decreasing trend. 【Conclusion】 With the increase of vegetation coverage, soil wind erosion decreased significantly, and the annual wind erosion depth of mobile sand dunes, semi-fixed dunes and fixed sand dunes decreased. With coverage of 40%A.ordosicaandN.tangutorumcommunity, the soil wind erosion depth was only about 1.73%-1.52% of the wind erosion depth of mobile sand dunes at the same time, and the sediment transport rate in the range of 0-100 cm height was only 6.6%-5.1% transport rate of mobile dune sand. Vegetation alleviated stream erosion to the surface mainly by covering the surface, increasing the roughness of the underlying surface and blocking the movement of sand. Therefore, in the process of implementing anti-desertification project, we should fully consider and use the ecological effects of vegetation in resisting wind erosion.

sand flow structure; sand transport rate; soil wind erosion； size analysis; Ulanbuh desert

10.11707/j.1001-7488.20170314

2015-02-20；

2016-11-09。

“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD16B0103)；中央級科研院所基本科研業務專項(CAFYBB2016MB003)。

S714.7

A

1001-7488(2017)03-0128-10

*郝玉光為通訊作者。