位山灌區(qū)沉沙池清淤高地風(fēng)蝕規(guī)律研究

陳鳳琴，田增剛，張方方，宗萍萍

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

由風(fēng)蝕所引起的土地退化和沙塵暴是中國(guó)北方最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，已成為生態(tài)環(huán)境惡化的重要標(biāo)志。土壤風(fēng)蝕過(guò)程非常復(fù)雜，是多種自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果。

山東風(fēng)沙區(qū)的土地風(fēng)沙化及土壤侵蝕狀況，在濕潤(rùn)半濕潤(rùn)風(fēng)沙區(qū)具有廣泛的代表性和典型性。山東風(fēng)沙區(qū)主要涉及魯北、魯西北、魯西南，風(fēng)沙化土地主要分布在黃河故道和引黃灌渠沿線風(fēng)蝕，造成土地退化、水土資源短缺、風(fēng)沙蔓延、環(huán)境惡化等一系列生態(tài)問(wèn)題，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活，制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)調(diào)查，2010年山東風(fēng)沙區(qū)輕度以上風(fēng)蝕面積為 8 100.59 km2，占土地總面積的15.89%，其中輕度風(fēng)蝕面積為 3 919.91 km2、中度3 292.15 km2、強(qiáng)烈888.53 km2。自2012年3月起，在位山灌區(qū)沉沙池清淤高地安裝全自動(dòng)風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備(德國(guó)UGT公司生產(chǎn))，同時(shí)配套自動(dòng)氣象站，開(kāi)展風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)研究，分別于2012、2013年對(duì)風(fēng)蝕研究區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行采樣，研究山東風(fēng)沙區(qū)主要影響因子對(duì)風(fēng)沙災(zāi)害的影響，以期為該區(qū)域風(fēng)沙治理方案的確定提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

位山灌區(qū)位于山東聊城市，地理位置為115°22′～116°34′E、35°50′～37°02′N，灌區(qū)范圍主要分布在徒駭河、馬頰河流域及黃河兩岸。位山灌區(qū)始建于1958年，1962年停灌，1970年復(fù)灌，現(xiàn)渠首設(shè)計(jì)引水流量240 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積36萬(wàn)hm2，控制東昌府、臨清、茌平、高唐、陽(yáng)谷、東阿、冠縣和開(kāi)發(fā)區(qū)8個(gè)縣(市、區(qū))的90個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的全部或大部分耕地，總土地面積達(dá)5 380 km2，是黃河下游最大的引黃灌區(qū)，居全國(guó)特大型灌區(qū)第5位。位山灌區(qū)處于暖溫帶，光熱資源充足，無(wú)霜期較長(zhǎng)，具有冬寒少雪、春旱多風(fēng)、夏熱多雨、秋晴日照長(zhǎng)的自然特點(diǎn)，以及春秋易旱、冬季干寒的氣象特征。灌區(qū)多年平均降水量為557.47 mm，其中6—9月份降水量為410.50 mm，占全年降水量的73.64%，降水量年際變化也很大，最大年降水量為987.0 mm，最小年降水量為309.7 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1 287.7 mm，為多年平均降水量的2.3倍。目前灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物以小麥、玉米為主，兼作棉花、花生、大豆等，復(fù)種指數(shù)為1.71。

2 研究方法

2.1 風(fēng)蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

SUSTRA(Suspension Sediment Trap)是由德國(guó)風(fēng)蝕研究項(xiàng)目(German Wind Erosion Reserch Project)研制(Kuntze and Beinhauer, 1989)、德國(guó)UGT公司生產(chǎn)的用于風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)的專業(yè)儀器設(shè)備，可監(jiān)測(cè)自然界的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和土壤風(fēng)蝕作用、土壤沙化與荒漠化監(jiān)測(cè)、土壤有機(jī)質(zhì)剝蝕等。SUSTRA風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶有360°自動(dòng)風(fēng)向控制的沙塵采集裝置，風(fēng)沙采集口始終朝向沙塵吹來(lái)的方向，收集隨風(fēng)揚(yáng)起的沙塵，并沉降到采集容器中，即時(shí)通過(guò)電子天平稱量，質(zhì)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)、連續(xù)采集記錄(數(shù)據(jù)采集器還可自動(dòng)記錄收集沙塵的時(shí)間)，同時(shí)利用可選的外接氣象單元，同步監(jiān)測(cè)記錄風(fēng)蝕過(guò)程中的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度和太陽(yáng)輻射等氣象因子。

2.1.1 設(shè)備特點(diǎn)

SUSTRA風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：自動(dòng)記錄風(fēng)蝕沉淀物侵蝕的起始時(shí)間、強(qiáng)度，以及沉淀物隨時(shí)間變化的累計(jì)量；記錄相關(guān)過(guò)程中的氣象參數(shù)如風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、雨量、太陽(yáng)輻射、土壤水分與土壤溫度等；采集粒徑范圍為中等到細(xì)的沙塵，采集效率達(dá)80%。

2.1.2 技術(shù)指標(biāo)

SUSTRA風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備測(cè)量間隔為5 min，RAM內(nèi)存容量可連續(xù)監(jiān)測(cè)80 d(5 min時(shí)間間隔)；測(cè)量范圍為0～1 200 g，測(cè)量精度為0.1 g；進(jìn)風(fēng)口內(nèi)徑50 mm、高度23 cm，通過(guò)調(diào)節(jié)稱重箱的埋深可以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口離地面的高度。

2.2 風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)

在位山灌區(qū)沉沙池清淤高地安裝風(fēng)蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備一套，自2012年3月至2013年8月進(jìn)行24 h連續(xù)不間斷的風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)，歷時(shí)1.5 a。儀器安裝在開(kāi)闊區(qū)域，滿足觀測(cè)試驗(yàn)條件。風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)集沙口距離地面25 cm，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，精度達(dá)0.1 g。

2.3 土壤顆粒組成測(cè)定

在2012、2013年位山灌區(qū)沉沙池清淤高地對(duì)地表(深度0～10 cm)土壤進(jìn)行土壤養(yǎng)分及土壤顆粒組成分析，共設(shè)24個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)重復(fù)取樣3次。同時(shí)，采用激光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000粒度分析儀，馬爾文有限公司生產(chǎn))對(duì)風(fēng)蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)收集的樣品進(jìn)行顆粒分析。

2.4 風(fēng)速、土壤濕度及周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)

結(jié)合自動(dòng)氣象站對(duì)研究區(qū)氣象參數(shù)進(jìn)行24 h記錄，為了與風(fēng)蝕記錄相吻合，設(shè)定為每15 min記錄一組數(shù)據(jù)。自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、溫度、降雨量等。試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)土壤濕度的探頭分別放在距離土壤表面30、60、90 cm處。周圍環(huán)境變化情況：在2012年3月底、4月初整地種植棉花，在2012年4月沉沙高地地表幾乎全部裸露，2012年底實(shí)施覆淤還耕技術(shù)后，至2013年4月地表覆蓋約20 cm高小麥。

3 研究結(jié)果

3.1 風(fēng)蝕量及風(fēng)蝕規(guī)律分析

3.1.1 風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得出，2012年3月至2013年8月監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕量共計(jì)316.6 g，考慮到儀器的精度為0.1 g，15 min內(nèi)風(fēng)蝕量為0.1 g的不計(jì)入，則有135組風(fēng)蝕量數(shù)據(jù)，共產(chǎn)生風(fēng)蝕量265.49 g。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)蝕量集中在3、4月份，分別占監(jiān)測(cè)期間風(fēng)蝕量的45.62%、51.97%。對(duì)135組風(fēng)蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，連續(xù)30 min產(chǎn)生風(fēng)蝕的事件共9次，其中有4次連續(xù)1 h以上均產(chǎn)生風(fēng)蝕；無(wú)植被覆蓋情況下，最小起沙風(fēng)速為3.71 m/s，最大起沙風(fēng)速為7.74 m/s，最小起沙瞬時(shí)風(fēng)速約為5.94 m/s，最大起沙瞬時(shí)風(fēng)速約為12.62 m/s。

由于研究區(qū)風(fēng)蝕量主要集中在3、4月份，因此選擇監(jiān)測(cè)時(shí)間相對(duì)完整的2012、2013年4月的風(fēng)蝕量及氣象參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比2012、2013年4月份氣象條件，2012年4月降雨量為64.00 mm，比2013年4月的9.18 mm多54.82 mm，但2012年4月風(fēng)蝕量卻比2013年4月多155.9 g。這是因?yàn)橹車h(huán)境條件發(fā)生了變化，2012年4月位山灌區(qū)研究區(qū)未開(kāi)展治理，沉沙高地地表幾乎全部裸露，在2012年底實(shí)施了覆淤還耕措施后，至2013年4月地表覆蓋了約20 cm高的小麥，植被覆蓋度明顯增加，受植被覆蓋度變化影響，侵蝕量大幅度降低，減少了約98%。由表1知，有作物覆蓋(2013年4月)的最小起沙風(fēng)速為4.82 m/s，無(wú)作物覆蓋(2012年4月)的最小起沙風(fēng)速為3.71 m/s；有作物覆蓋的最小起沙瞬時(shí)風(fēng)速為8.72 m/s，無(wú)作物覆蓋的最小起沙瞬時(shí)風(fēng)速為5.94 m/s；有作物覆蓋時(shí)達(dá)到最小起沙風(fēng)速(4.82 m/s)的時(shí)間為46 h，無(wú)作物覆蓋時(shí)達(dá)到最小起沙風(fēng)速(3.71 m/s)的時(shí)間為134 h。

表1 2012年4月與2013年4月研究區(qū)各參數(shù)比較

3.1.2 風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系

在位山灌區(qū)，風(fēng)蝕災(zāi)害的主要貢獻(xiàn)因素是風(fēng)速?？紤]到位山灌區(qū)在2012年3月底、4月初整地種植棉花，整地以后土壤表層含水量在同一時(shí)間段內(nèi)基本一致，周圍環(huán)境一致性高，為保證溫度一致，選擇11:00—15:00的侵蝕數(shù)據(jù)共40組，對(duì)同一時(shí)間風(fēng)蝕量與風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行分析。

用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)一步對(duì)風(fēng)蝕量與起沙風(fēng)速、起沙瞬時(shí)風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立了風(fēng)蝕量與起沙風(fēng)速、起沙瞬時(shí)風(fēng)速之間的指數(shù)關(guān)系。在外界環(huán)境高度一致的情況下，起沙風(fēng)速大于3.71 m/s時(shí)，風(fēng)蝕量與起沙風(fēng)速之間存在很好的指數(shù)關(guān)系，即y=0.001e1.206x，R2=0.885；起沙瞬時(shí)風(fēng)速大于5.94 m/s時(shí)，風(fēng)蝕量與起沙瞬時(shí)風(fēng)速之間存在較好的指數(shù)關(guān)系，即y=0.003e0.65x，R2=0.600。

3.2 風(fēng)蝕影響因子及影響機(jī)理

3.2.1 土壤顆粒組成

由于顆粒間黏聚力、地表粗糙度與持水力等不同，不同粒徑土壤的風(fēng)蝕臨界風(fēng)速值差異顯著，因此由不同粒級(jí)的顆粒組成的質(zhì)地不同的土壤在相同風(fēng)力作用下的風(fēng)蝕量大不相同。根據(jù)粒徑不同，土壤顆粒在風(fēng)的作用下將以懸移、躍移及表層蠕移的形式運(yùn)動(dòng)。一般情況下，粒徑小于0.1 mm的土壤顆粒以懸移的形式運(yùn)動(dòng)，約有88.5%的土壤顆粒以懸移質(zhì)的形式運(yùn)動(dòng)到較遠(yuǎn)的地方；粒徑為0.1～0.15 mm的土壤顆粒最容易以躍移的形式運(yùn)動(dòng)，躍移質(zhì)都在地面附近運(yùn)動(dòng)；粒徑為0.5～1.0 mm的土壤顆粒一般以表層蠕移的形式運(yùn)動(dòng)[1]。

對(duì)研究區(qū)表層土壤顆粒進(jìn)行分析，分別統(tǒng)計(jì)粒徑<0.25、0.25～0.5 mm的土壤顆粒含量，分析結(jié)果表明，表層土壤顆粒粒徑絕大部分小于0.25 mm，其中粒徑為0.1～0.25 mm的土壤顆粒占全部土壤顆粒的10%以上，具備風(fēng)蝕和土壤沙化的條件。

3.2.2 土壤水分含量

土壤風(fēng)蝕量對(duì)土壤水分含量特別敏感，水分可通過(guò)提高起沙風(fēng)速進(jìn)而影響風(fēng)蝕量。土壤水分含量越大，土壤顆粒之間的黏附性越大，在同樣的風(fēng)速吹蝕下越不容易被風(fēng)吹蝕。反之，含水量低的土壤，更容易遭受風(fēng)力的吹蝕。物質(zhì)的風(fēng)蝕可蝕性與土壤含水量成反比[2]，發(fā)生土壤風(fēng)蝕的上限含水量為3%～4%[3]，當(dāng)含水量超過(guò)4%時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)蝕[4]。土壤風(fēng)蝕量隨含水量的平方呈線性減小趨勢(shì)[5]。

研究區(qū)旱、風(fēng)同季，旱季降水量?jī)H為全年的15%，但大風(fēng)日數(shù)卻占全年的50%。低降水量及高蒸發(fā)量導(dǎo)致土壤水分含量低，地表沙性物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，在大風(fēng)天氣下風(fēng)蝕極易發(fā)生。通過(guò)對(duì)研究區(qū)連續(xù)2年土壤含水量的觀測(cè)，3—4月份土壤含水量最低，表層土壤平均含水量在2.5%左右，容易發(fā)生風(fēng)蝕。

3.2.3 風(fēng) 速

不同粒徑的土壤顆粒起沙風(fēng)速不一樣。對(duì)于較粗的土壤顆粒，根據(jù)朱震達(dá)等[6]在中國(guó)沙漠地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果，粒徑0.1～0.25 mm的土壤顆粒起沙風(fēng)速(距地面2 m處的風(fēng)速，下同)為4.0 m/s，粒徑0.25～0.5 mm的土壤顆粒起沙風(fēng)速為5.6 m/s。隨著土壤顆粒粒徑的減小，其起沙風(fēng)速也相應(yīng)減小。

據(jù)觀測(cè)，研究區(qū)風(fēng)速大于3.71 m/s時(shí)開(kāi)始飛沙。山東風(fēng)沙區(qū)大風(fēng)產(chǎn)生風(fēng)蝕主要集中在3、4月份，持續(xù)達(dá)到3 h以上起沙風(fēng)速的天數(shù)平均為10 d/a左右。對(duì)位山灌區(qū)連續(xù)2年風(fēng)蝕量與風(fēng)速關(guān)系的分析結(jié)果表明，風(fēng)蝕量很大程度上取決于風(fēng)速的大小和持續(xù)時(shí)間，風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕災(zāi)害的貢獻(xiàn)最大。

3.2.4 植被覆蓋

風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在近地表，著生于地表的植被可對(duì)風(fēng)蝕過(guò)程發(fā)生干擾。植被直接覆蓋地表，避免了覆蓋部分風(fēng)與沙的直接接觸從而防止風(fēng)蝕過(guò)程的發(fā)生，同時(shí)植被可減小一定高度內(nèi)氣流對(duì)地表的動(dòng)量傳輸，并攔截風(fēng)沙流使沙粒沉積。隨著植被覆蓋度的增加，風(fēng)沙土的風(fēng)蝕率急劇下降，當(dāng)植被覆蓋度超過(guò)30%時(shí)，基本上無(wú)風(fēng)蝕發(fā)生。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，建議在風(fēng)蝕區(qū)種植小麥，增加風(fēng)蝕季節(jié)植被覆蓋度，以減少春季整地產(chǎn)生的風(fēng)蝕。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究課題引入了先進(jìn)的風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)設(shè)施，首次在位于山東風(fēng)沙區(qū)的位山灌區(qū)沉沙池清淤高地開(kāi)展了24 h 不間斷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕量，對(duì)影響沙化區(qū)風(fēng)蝕災(zāi)害的主要貢獻(xiàn)因素(風(fēng)速)開(kāi)展了定量研究，建立了風(fēng)蝕量與起沙風(fēng)速、起沙瞬時(shí)風(fēng)速之間的指數(shù)關(guān)系，為研究區(qū)風(fēng)沙治理方案的制訂提供了數(shù)據(jù)參考。

(1)研究結(jié)果顯示，無(wú)植被覆蓋情況下最小起沙風(fēng)速為3.71m/s，最大起沙風(fēng)速為7.74m/s，最小起沙瞬時(shí)風(fēng)速約為5.94m/s，最大起沙瞬時(shí)風(fēng)速約為12.62m/s；有作物覆蓋時(shí)最小起沙風(fēng)速為4.82m/s，最小起沙瞬時(shí)風(fēng)速為8.72m/s，比無(wú)作物覆蓋時(shí)提高了30%～47%。起沙風(fēng)速大于3.71m/s的情況下，風(fēng)蝕量與起沙風(fēng)速之間的指數(shù)關(guān)系為y=0.001e1.206x，R2=0.885，起沙瞬時(shí)風(fēng)速大于5.94m/s的情況下，風(fēng)蝕量與起沙瞬時(shí)風(fēng)速之間的指數(shù)關(guān)系為y=0.003×e0.65x，R2=0.600，說(shuō)明風(fēng)蝕量很大程度上取決于起沙風(fēng)速的大小和持續(xù)時(shí)間，特別是有作物覆蓋情況下大于4.82m/s的起沙風(fēng)速和無(wú)作物覆蓋情況下大于3.71m/s的起沙風(fēng)速對(duì)侵蝕量貢獻(xiàn)最大。

(2)根據(jù)山東風(fēng)沙區(qū)大風(fēng)產(chǎn)生風(fēng)蝕主要集中在3、4月份的情況，建議在風(fēng)蝕區(qū)種植小麥等不需要春季整地的農(nóng)作物，以減少春季整地產(chǎn)生的風(fēng)蝕量，同時(shí)考慮作物留茬，通過(guò)作物留茬減弱風(fēng)速和吸附土粒防止發(fā)生風(fēng)蝕。麥田留高茬(20～30 cm)可使一般地表粗糙度提高近12倍，近地風(fēng)速降低約50%，土壤含水率提高10%～15%。

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