吉林省西部沙地風(fēng)蝕危害的調(diào)查研究

吉林省西部的沙地是中國(guó)東北商品糧庫(kù)的重要組成部分，但沙地資源受到嚴(yán)重的土壤侵蝕（尤其是風(fēng)蝕）造成的損害。據(jù)資料顯示,松嫩平原平播麥地每年被大風(fēng)剝蝕的表土厚度0.5～1.0cm。風(fēng)蝕不僅可造成土壤退化,還能引起沙塵暴等環(huán)境危害,嚴(yán)重地影響著我國(guó)的糧食安全。因而,開(kāi)展該地區(qū)土壤風(fēng)蝕自然環(huán)境、動(dòng)力因子分析,探識(shí)風(fēng)蝕運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從地面粗糙度、理化性質(zhì)和風(fēng)力作用等方面探索其時(shí)空動(dòng)態(tài),具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)可為該區(qū)防治土壤風(fēng)蝕決策和保證糧食安全提供科學(xué)理論依據(jù)。本文是在劉明義等開(kāi)展沙地土壤風(fēng)蝕動(dòng)力因子分析的基礎(chǔ)上,新引入了土壤含水量、有機(jī)質(zhì)等理化性狀,分析了其與風(fēng)蝕的關(guān)系,對(duì)沙地土壤風(fēng)蝕機(jī)理做了進(jìn)一步地探索,為該區(qū)防治土壤風(fēng)蝕決策和保證糧食安全提供了科學(xué)理論依據(jù)。1—研究區(qū)概況吉林省西部沙地位于松嫩平原西南部,是由部分科爾沁沙地和部分松嫩沙地組成,地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°58′—129°11′,北緯43°59′—46°18′,是我國(guó)沙地的東部邊緣,也是除沿海沙地外,我國(guó)沙地中水分條件最好的沙地。地勢(shì)西北高,中間低,中南略微隆起,海拔180～600m。年均氣溫4.4℃,年降水量400～500mm,日照時(shí)數(shù)2800～3000h,干燥度1～1.5,年蒸發(fā)量1846.1mm,年均風(fēng)速3.4～4.4m/s,8級(jí)以上風(fēng)日年均46d,以3—5月份為最多,平均達(dá)27d,且西南風(fēng)居多,頻率為59%,各月都有出現(xiàn)風(fēng)沙天氣的可能。3—6月份揚(yáng)沙天氣平均出現(xiàn)133d,占全年平均出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣153d的87%;沙塵暴92d,占全年平均出現(xiàn)日數(shù)96d的96%,4—5月尤為集中,屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上,該區(qū)位于松嫩斷陷盆地西部斜坡地帶,其底為白堊系紅色夾灰白、灰綠、灰黑色的礫巖、砂礫巖、砂巖和泥頁(yè)巖,地帶性土壤為栗鈣土,地帶性植被為草原。2材料和方法2.1試驗(yàn)樣地的采集在研究區(qū)選取草地、風(fēng)蝕耕地(裸地、玉米地、西瓜地、大豆地、向日葵、馬鈴薯等)、流沙地作為試驗(yàn)樣地,測(cè)定土壤含水量、起沙風(fēng)速、觀測(cè)推算地表粗糙度、大于起沙風(fēng)速風(fēng)日,采集用于風(fēng)洞試驗(yàn)的土樣。2.2地表粗糙度值的計(jì)算采用DEM6型輕便風(fēng)速風(fēng)向表在不同樣地地表分別測(cè)定據(jù)地表50cm和200cm高處1min的平均風(fēng)速,每種地表共測(cè)9點(diǎn),每一點(diǎn)測(cè)兩個(gè)高度各5次,并分別取平均值。每種地表兩個(gè)高度分別有9組風(fēng)速值,據(jù)此推算地表粗糙度值,其計(jì)算公式為k=10lgz2?lgz11?A(1)k=10lgz2-lgz11-A(1)式中:k——粗糙度;z1,z2——地表以上兩個(gè)不同高度;A=v2/v1(v2,v1分別為z2,z1高度處的風(fēng)速)。2.3土壤含水量和有機(jī)質(zhì)含量土壤含水量采用常規(guī)的105℃烘干法測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定。2.4洞穴實(shí)驗(yàn)段土壤樣品本研究風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所風(fēng)沙物理與工程實(shí)驗(yàn)室的直流閉口吹氣式沙風(fēng)洞中進(jìn)行,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)16.23m,截面積0.6m×1.0m。實(shí)驗(yàn)樣品放置在可任意升降的土壤槽中,土壤樣品表面與風(fēng)洞底部齊平,土壤槽位于實(shí)驗(yàn)段入口下風(fēng)向12.06m處。在土壤槽后放置20cm高的階梯式集沙儀,集沙儀入口截面積為2cm×2cm。風(fēng)蝕量采用感量為1%的電子天平測(cè)定,風(fēng)速用畢托管測(cè)定。2.5風(fēng)蝕性氣候因子法目前關(guān)于風(fēng)蝕性氣候因子的計(jì)算公式有多種,本研究根據(jù)吉林省西部沙地的氣候條件,采用1979年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)修正的公式計(jì)算風(fēng)蝕性氣候因子。C=1100∑i=1nu3(ETPi?PiETPi)d(2)C=1100∑i=1nu3(EΤΡi-ΡiEΤΡi)d(2)式中:C——風(fēng)蝕性氣候因子;u——月平均風(fēng)速(m/s);Pi——月平均降水量(mm);d——月天數(shù);ETPi——月潛在蒸發(fā)量(mm)。3結(jié)果與分析3.1播種方向的確定地表粗糙度是表征下墊面(地表)的一個(gè)重要物理量,也是衡量防沙治沙效益的一個(gè)重要指標(biāo)。它是指地表上平均風(fēng)速減小到零的某一高度(一般以厘米為單位),可以反映地表對(duì)風(fēng)速減弱的作用以及對(duì)風(fēng)沙流的影響。它對(duì)風(fēng)力有削弱作用,其值大小主要取決于地形的起伏、植被覆蓋及作物的播種方向。地表粗糙度增加,在一定程度上可以控制土壤風(fēng)蝕,抑制揚(yáng)沙天氣出現(xiàn),改善生態(tài)環(huán)境,因而,地表粗糙度是衡量土壤風(fēng)蝕沙塵危害防治效應(yīng)的重要指標(biāo)之一。研究結(jié)果表明,不同植被覆蓋的地表粗糙度均不相同,天然草地最大,平播耕地出苗前最小。對(duì)不同粗糙度地表的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同風(fēng)速條件下,土壤風(fēng)蝕量隨粗糙度增大而減小。在風(fēng)蝕量隨粗糙度減小的過(guò)程中,最初隨粗糙度的增大,風(fēng)蝕量急劇減小,這種減小的幅度隨著地表粗糙度的增加而變小。風(fēng)蝕量急劇減小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在粗糙度為0.045cm附近,隨著粗糙度的增大,風(fēng)蝕量的減小已經(jīng)很不明顯,曲線已變得比較平直,二者近似地呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速為較小,如為8m/s和10m/s時(shí)沙塵隨粗糙度的增大已有所沉積。3.2土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)3.2.1含水量對(duì)風(fēng)蝕的影響土壤含水量與其風(fēng)蝕關(guān)系極為密切。有研究表明,當(dāng)土壤中有水分存在時(shí),水分子與土壤顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內(nèi)聚力,增強(qiáng)了土壤的抗風(fēng)蝕性。Chipil和Bisa等分別利用風(fēng)洞研究了土壤含水量與風(fēng)蝕之間的關(guān)系,認(rèn)為土壤含水量是抑制風(fēng)蝕的主要因素之一。胡孟春等的風(fēng)洞模擬結(jié)果顯示,沙土含水量是重要的抗風(fēng)蝕因子。本研究通過(guò)對(duì)流沙地和風(fēng)蝕耕地不同含水量土壤的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也表明,土壤含水量與土壤風(fēng)蝕程度和風(fēng)蝕臨界風(fēng)速關(guān)系密切。風(fēng)蝕程度的大小受很多因素的影響,而對(duì)土壤來(lái)說(shuō),最直接和常見(jiàn)的是土壤水分的變化。在相同風(fēng)速吹蝕下,流沙地土樣和風(fēng)蝕耕地土樣的風(fēng)蝕量均隨含水量的增加而減小。在風(fēng)蝕量隨含水量減小的過(guò)程中,起初隨著含水量的增加,風(fēng)蝕量急劇減小,這種減小的幅度會(huì)隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達(dá)到近飽和時(shí),就基本沒(méi)有風(fēng)蝕產(chǎn)生了(圖1)。雖然流沙地和風(fēng)蝕耕地土樣的風(fēng)蝕量隨含水率的變化具有相同的趨勢(shì),但又有各自不同的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。(1)流沙地土樣對(duì)含水率的響應(yīng)要更敏感一些,在開(kāi)始時(shí)少許的水分增加,所引起風(fēng)蝕量的減小要比風(fēng)蝕耕地更大;(2)流沙地土樣在含水率3%附近時(shí),風(fēng)蝕量已減小到一個(gè)很低的程度,而風(fēng)蝕耕地土樣的這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)在含水率4.5%附近;(3)2種土樣在同一含水量情況下的風(fēng)蝕量不同,風(fēng)蝕耕地土樣的風(fēng)蝕量要大于流沙土樣,但隨著含水量的增加,其差異會(huì)趨于縮小。風(fēng)蝕量與土壤含水量間近似地呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。臨界風(fēng)速也是反映土壤風(fēng)蝕性的一個(gè)重要指標(biāo)。臨界風(fēng)速高,說(shuō)明土壤不易風(fēng)蝕;臨界風(fēng)速低,則表明土壤易受風(fēng)力侵蝕。臨界風(fēng)速的大小不僅與土壤質(zhì)地有關(guān),不同的土壤含水量,也會(huì)對(duì)臨界風(fēng)速產(chǎn)生不同的影響。土壤風(fēng)蝕臨界風(fēng)速隨土壤含水量的增大而增大,且在相同含水量情況下,流沙地土樣的臨界風(fēng)速要明顯高于風(fēng)蝕耕地土樣。因而,含水量對(duì)流沙地臨界風(fēng)速的影響要比風(fēng)蝕耕地大。土壤含水量的增加增強(qiáng)了土壤顆粒之間的結(jié)合力,提高了土壤風(fēng)蝕的臨界風(fēng)速,從而增強(qiáng)了土壤的抗風(fēng)蝕能力(圖2)。3.2.2土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤水穩(wěn)性關(guān)系風(fēng)蝕作用是荒漠化地區(qū)土壤養(yǎng)分變異的重要?jiǎng)恿ΑｏL(fēng)蝕造成土壤表層粗化,細(xì)物質(zhì)減少,同時(shí)有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)也減少。因而,有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤具有較強(qiáng)的抵抗侵蝕的能力,土壤有機(jī)質(zhì)是土壤水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)的膠結(jié)劑,含有機(jī)質(zhì)豐富的土壤可形成較多良好結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了土壤抗蝕能力。通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)含量與其風(fēng)蝕量關(guān)系的風(fēng)洞試驗(yàn)研究表明,在風(fēng)速和其它條件一定的條件下,土壤風(fēng)蝕量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)(圖3)。土壤有機(jī)質(zhì)含量一定時(shí),土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增大而增大。3.3土壤侵蝕方程風(fēng)是土壤侵蝕的直接動(dòng)力來(lái)源,1965年美國(guó)學(xué)者伍德拉弗(N.P.Woodruff)和西多威(F.H.Siddoway)從土壤可蝕性、風(fēng)蝕性氣候因子等5個(gè)方面對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行了分析研究,提出了土壤風(fēng)蝕方程式,且在許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。筆者運(yùn)用該方程式從風(fēng)蝕性氣候因子和侵蝕性風(fēng)能及挾沙風(fēng)等方面對(duì)吉林省西部風(fēng)蝕進(jìn)行了分析探索。3.3.1決定風(fēng)速大小的因素風(fēng)是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。在沙粒的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,在風(fēng)向一定的條件下,風(fēng)速的大小始終起著決定性的作用。起沙風(fēng)速是決定沙粒運(yùn)動(dòng)的外在根本因素,它與氣流輸沙量亦存在一定的數(shù)量關(guān)系,是產(chǎn)生風(fēng)沙流輸沙過(guò)程的必要條件。(1)沙地的起沙風(fēng)速沙經(jīng)過(guò)連續(xù)幾年風(fēng)季的野外測(cè)試[用手持式風(fēng)速儀測(cè)定耕地風(fēng)沙起動(dòng)的速度(1m高處風(fēng)速)]表明,該區(qū)的主要風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),且風(fēng)向頻率高達(dá)50%以上。歷年平均風(fēng)速由西向東遞減,以西部的通榆、白城一帶為最大。同時(shí),不同地表類型,其起沙風(fēng)速也不盡相同,流動(dòng)沙丘的起沙風(fēng)速為9.0～10.3m/s,流沙地的起沙風(fēng)速為7.3～8.8m/s,草地的起沙風(fēng)速為8.3～12.1m/s,風(fēng)蝕耕地的起沙風(fēng)速為6.3～7.9m/s。顯然耕地更易受到風(fēng)蝕的危害,因而要求在開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí),更應(yīng)注意對(duì)土地的保護(hù)。吉林省西部沙地大于起沙風(fēng)速的風(fēng)日數(shù)在空間分布上也很不均勻,總體為自西北向東南逐漸減小,西北的通榆≥起沙風(fēng)速10.3m/s的風(fēng)日為86.28d,≥起沙風(fēng)速6.7m/s的風(fēng)日為229.80d,到了東南的扶余、前郭就分別減為≥起沙風(fēng)速10.3m/s的風(fēng)日43.32d和21.60d,≥起沙風(fēng)速6.7m/s的風(fēng)日143.28d和131.76d。(2)影響因素:主要因素風(fēng)速的大小直接影響風(fēng)蝕的強(qiáng)度,是影響土壤風(fēng)蝕量的主要因素。草地、耕地和沙地不同地類風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)速大于臨界起沙風(fēng)速時(shí),土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速增大呈冪函數(shù)增長(zhǎng),即近似地與風(fēng)速的立方呈正比。(3)沙粒的旋轉(zhuǎn)作用挾沙風(fēng)的運(yùn)動(dòng)具有氣、固兩相特征,在氣流作用下的沙粒有3種運(yùn)動(dòng)形式,即蠕移、躍移和懸移。沙粒躍移是最為重要的運(yùn)動(dòng)形式,這不僅是因?yàn)檐S移沙粒占全部輸沙量的75%以上,而且它也是導(dǎo)致蠕移和懸移的重要原因。躍移沙粒在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),除受到重力、空氣的拖曳力外,還會(huì)因?yàn)榕鲎驳仍驅(qū)е律沉ＰD(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速每秒高達(dá)幾百至上千轉(zhuǎn),因此具有更大的動(dòng)能,對(duì)土壤表面直接撞擊,使風(fēng)蝕量加大。另外,粒徑較大的沙粒在蠕移過(guò)程中對(duì)土壤表面產(chǎn)生磨蝕作用,也加大了對(duì)地表結(jié)構(gòu)的破壞,使土壤變得更易風(fēng)蝕。挾沙風(fēng)中含有大量的沙塵,根據(jù)慣性原理可知,在速度相同的條件下,其能量比凈風(fēng)要大得多,攜沙能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于凈風(fēng)。凈風(fēng)、挾沙風(fēng)不同風(fēng)速與風(fēng)蝕量關(guān)系風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示,不論是草地、耕地,還是沙地在風(fēng)速相同的情況下,挾沙風(fēng)的風(fēng)蝕模數(shù)都比凈風(fēng)大得多,這進(jìn)一步說(shuō)明了挾沙風(fēng)比凈風(fēng)更易產(chǎn)生風(fēng)蝕。同時(shí)當(dāng)風(fēng)速超過(guò)臨界風(fēng)速后,風(fēng)蝕模數(shù)隨著風(fēng)速的增大而增加,土壤風(fēng)蝕程度隨風(fēng)速近似地呈3次方遞增。3.3.2風(fēng)蝕性氣候因子風(fēng)蝕氣候侵蝕力是對(duì)影響風(fēng)蝕的可能程度的量度,國(guó)際上一般用風(fēng)蝕氣候因子來(lái)表示。風(fēng)蝕氣候因子(C)是過(guò)去20余年內(nèi)國(guó)外廣泛應(yīng)用的風(fēng)蝕預(yù)報(bào)方程中的5個(gè)自變量之一,亦是荒漠化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。風(fēng)力是引起風(fēng)蝕的主要因素,但氣候條件對(duì)風(fēng)蝕的作用與影響,不僅僅表現(xiàn)在風(fēng)力的作用上,而是風(fēng)速、降水和溫度等因子綜合作用的結(jié)果,因而風(fēng)蝕性氣候因子是評(píng)價(jià)某一地區(qū)潛在風(fēng)蝕的主要指標(biāo)。據(jù)公式(2)計(jì)算,吉林省西部沙地風(fēng)蝕性氣候因子為155.2,是我國(guó)氣候侵蝕力較強(qiáng)的地區(qū)。在季節(jié)變化上,春季3—5月份最大(76.2),其次為秋季9—11月份(35.6)和冬季12—2月份(26.3),夏季最小,在6—8月份(17.0)。在空間分布上,也很不均勻,西北部的通榆縣最大,達(dá)318.7,東南部的前郭最小,僅為82.2,從西北部向東南部逐步遞減(表1)。春季降雨較少,下墊面植被覆蓋率低,風(fēng)速較大,因而風(fēng)蝕氣候侵蝕力最大,冬季下墊面植被覆蓋率較低,風(fēng)速最大,但有降雪覆蓋,其風(fēng)蝕氣候侵蝕力較小。夏季降雨較多,且下墊面植被覆蓋率最大,其風(fēng)蝕氣候侵蝕力最小。空間分布上是由于降雨、風(fēng)速自西北向東南遞減的原因,導(dǎo)致風(fēng)蝕氣候侵蝕力自西北向東南遞減。4土壤風(fēng)蝕。據(jù)風(fēng)蝕的中心,其也有3.(1)吉林省西部沙地多西南風(fēng),風(fēng)向頻率超過(guò)50%,為主害風(fēng)。歷年平均風(fēng)速由西向東遞減,以西部的通榆、白城一帶為最大。同時(shí),不同地類的臨界起沙風(fēng)速亦不相同,草地為8.3～12.1m/s,流沙地為7.3～8.8m/s,流動(dòng)沙丘為10.3m/s,風(fēng)蝕耕地為6.3～7.9m/s。(2)該區(qū)土壤風(fēng)蝕隨地表粗糙度、土壤含水量和有機(jī)質(zhì)含量的增加而減小,其風(fēng)蝕量與地表粗糙度、土壤含水量近似地成負(fù)指數(shù)關(guān)系,與土壤有機(jī)質(zhì)含