北京地區(qū)起沙起塵的土壤粒度特征分析

北京地區(qū)起沙起塵的土壤粒度特征分析

近年來，北京經(jīng)常發(fā)生沙害，這引起了科學(xué)家和相關(guān)政府機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，并喚醒了人們的環(huán)境保護(hù)意識。北京作為中國首都、國際知名的大都市,風(fēng)沙活動、沙塵暴備受國際社會的關(guān)注,早在1977年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃暑內(nèi)羅畢沙漠化會議上就將北京市列為受沙漠化危害的地區(qū),由此引起國內(nèi)學(xué)術(shù)界對北京風(fēng)沙問題展開了一場討論。1985～1986年,原中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所受國家計委的委托,在北京市有關(guān)單位協(xié)同下,對北京風(fēng)沙問題進(jìn)行了調(diào)查研究。其主要結(jié)論:威脅北京的風(fēng)沙物質(zhì)有不同的來源,揚(yáng)沙物質(zhì)為就地起沙;沙塵暴沙塵的主要提供地為產(chǎn)生沙塵暴的中心和過往路徑;一部分飄塵來自更遠(yuǎn)的內(nèi)陸沙漠。隨著北京植被覆蓋度的增加,北京的揚(yáng)沙(指就地起沙)日趨減少。從北京氣象臺近50年風(fēng)沙日數(shù)統(tǒng)計看(表1),沙塵天氣日數(shù)總體呈減少態(tài)勢,20世紀(jì)90年代沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵及大風(fēng)日數(shù)分別為50年代的8.2%,9.7%,27.4%,70.5%。沙塵天氣日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)并不是同比例減少的,其大風(fēng)天氣日數(shù)與風(fēng)沙天氣日數(shù)的比值(即每個大風(fēng)日所產(chǎn)生的風(fēng)沙天氣日數(shù)),在50年代為1∶4.1,即平均一個大風(fēng)日產(chǎn)生4.1個沙塵日;90年代比值為1∶0.74,即平均一個大風(fēng)日產(chǎn)生0.74個沙塵日,可見北京沙塵日數(shù)的減少并不是僅僅因為大風(fēng)日數(shù)的減少,這說明北京長期的風(fēng)沙治理工作取得了一定的成效。但北京的風(fēng)沙威脅依然存在,且十分嚴(yán)重,就地起沙揚(yáng)塵問題也還遠(yuǎn)末解決,特別是2008年的奧運(yùn)會已迫在眉睫,使得北京的防沙治沙任務(wù)十分緊迫,形勢十分嚴(yán)峻。為了科學(xué)合理、有效地防治北京本地農(nóng)業(yè)用地的就地起沙起塵,我們在2003和2004年連續(xù)兩年對北京郊區(qū)不同土地利用類型進(jìn)行了廣泛的野外觀測,以了解不同的土地利用方式對起沙起塵的影響,掌握京郊不同土地利用類型的起沙起塵的規(guī)律。為通過建立合理的土地利用方式來防治沙塵危害提供科學(xué)依據(jù)。1觀測儀和觀測點的選擇1.1風(fēng)速、風(fēng)向、模型簡化野外風(fēng)場觀測使用的儀器是北京市防沙治沙工程技術(shù)中心與北京市氣象局研制的野外用梯度風(fēng)速儀,可測不同高度上的9個風(fēng)速及0～360°風(fēng)向,風(fēng)速的測量范圍為0.3～30m,分辨率為0.1m/s;風(fēng)向的分辨率為3°。該儀器配有數(shù)據(jù)采集器,能自動采集1min,10min滑動平均數(shù)據(jù),結(jié)果以ASCII碼數(shù)據(jù)輸出,可直接用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。地表起沙塵的收集使用的是北京市防沙治沙工程技術(shù)中心研制的新型平口式積沙儀,該儀器總高度85cm,沙塵采集高度60cm,采集梯度為30個連續(xù)的2cm×2cm進(jìn)沙口,采集效率>80%。1.2北京南北努力地類地表類型的劃分從防沙治沙技術(shù)的角度出發(fā),根據(jù)不同地表覆被類型對防風(fēng)治沙的作用差異,確定觀測的地類有林地(包括防護(hù)林地、幼林地、經(jīng)濟(jì)林地、林灌草地四種),種植業(yè)用地有玉米留茬地、翻耕地、冬小麥地三種,草業(yè)用地有飼草地(苜蓿)和草坪地兩種,荒地有低矮草地(草本植物)和雜草地(禾本植物)兩種,其他類型有采砂礦區(qū)和河灘地兩種?？紤]到北京的常年主風(fēng)向為北風(fēng)、西北風(fēng),南北郊區(qū)的各種土地利用類型地表特征基本相近,因此重點在北京上風(fēng)向的北郊進(jìn)行觀測,南郊暫未觀測。在北郊的昌平、延慶、懷柔、密云、順義、平谷等六個郊區(qū)共選取了32個觀測點。觀測樣點分別為:留茬農(nóng)地6處,翻耕地6處,冬小麥地2處,草地3處,荒地4處,林地(包括防護(hù)林及幼林)4處,經(jīng)濟(jì)林地4處,苜蓿地2處,裸地1處。典型樣點的位置與地表特征見表2。在2003和2004年連續(xù)兩年的春季里,對這些樣點進(jìn)行了地表粗糙度和起沙(塵)的實地觀測。在每一觀測點都進(jìn)行了土壤的常規(guī)采樣,每個采樣點的統(tǒng)一采樣規(guī)范為地表0cm,地下5、10、15、20、25和30cm,共7個樣品為一組,樣品總數(shù)224個,以分析土壤的機(jī)械組成和理化性質(zhì)。2地表粗糙度、地表蓋度在近地層中,風(fēng)速與高度的對數(shù)成正比,即風(fēng)速廓線是隨高度呈對數(shù)分布的,在半對數(shù)紙上表現(xiàn)為一條直線。根據(jù)風(fēng)速廓線可以計算地表粗糙度。地表粗糙度是描述各種表面空氣動力學(xué)特征的重要參數(shù),粗糙度越大,地表起沙起塵越困難。即粗糙度反映了地表抗風(fēng)蝕的能力,提高地表粗糙度可以有效地防止風(fēng)蝕的發(fā)生。圖1為所觀測的各種地類的風(fēng)速廓線圖。從圖上可以直接看出,不同土地利用類型的地表粗糙度明顯不同。地表粗糙度計算結(jié)果表明(表3),不僅不同地類地表粗糙度不同,就是同一地類不同觀測點的值相差也很大。這是因為雖屬同一地類,但各地的地表狀況卻有很大差別。例如,同是留茬地,留茬的高度及植株的密度不同,地表蓋度不同,地表粗糙度就有很大差異。再如同是翻耕地,有的翻耕后沒有平整,土塊壟脊覆蓋地表,粗糙度就大一些,反之就小。各種地類中,粗糙度最大的是順義趙全營鎮(zhèn)的苜蓿地,苜蓿平均高度30cm,地表蓋度大于97%,粗糙度高達(dá)3.545cm;粗糙度最小的是昌平的翻耕地,地表裸露平坦,無任何植物覆蓋,其粗糙度僅為0.016cm。相比之下,秋收后翻耕土地的地表粗糙度普遍偏小,加之土壤質(zhì)地疏松,沒有地表覆蓋物的保護(hù),在大風(fēng)吹揚(yáng)下,土壤中粒徑較小的粘粒部分很容易遭受侵蝕,并損失大量養(yǎng)分。這里還值得一提的是,不同的防護(hù)林結(jié)構(gòu)其地表粗糙度有很大差異。喬灌草復(fù)合的防護(hù)林粗糙度最大,其次為地表有一定灌草覆蓋的喬木林地,地表無植被覆蓋的單一喬木防護(hù)林地表粗糙度最小,三者粗糙度的平均值分別為1.359cm,0.933cm和0.475cm?？梢妴坦嗖輳?fù)合的防護(hù)林防風(fēng)效果最佳,單一喬木防護(hù)林只能降低一定高度上的風(fēng)速,但貼地層風(fēng)速降低效果并不好。此外冬小麥地表粗糙度較大是因為兩個觀測點的觀測日期分別為4月15日和4月20日,兩處的小麥苗高平均已達(dá)25cm,蓋度大于95%,已同草地相當(dāng)。需要指出的是冬小麥地在小麥返青撥苗之前,地表粗糙度應(yīng)是較低的。3觀測沙量與沙量2003年大風(fēng)日數(shù)驟然減少,2004年大風(fēng)日數(shù)也不多,使得地表起沙的采集較為困難。在野外測風(fēng)過程中,常能觀察到當(dāng)一陣風(fēng)速大于起沙風(fēng)速的風(fēng)吹過時,裸露的地表上揚(yáng)起一層薄霧狀的沙塵,但由于風(fēng)有極強(qiáng)的陣性,起沙揚(yáng)塵的持續(xù)時間一般很短,用積沙儀難以收集到可供稱量的有效量。幸好,2004年3月16日傍晚在延慶康莊觀測時,遇上了一場持續(xù)時間較長的大風(fēng),收集到了可供稱量的沙量。那天延慶康莊大約從下午4:30開始起風(fēng),風(fēng)速較大,10分鐘后觀察到裸露耕地表面開始起沙,能看到薄霧狀的沙塵。從4:30～4:40的10分鐘期間2m高的平均風(fēng)速為6.36m/s,最高瞬時風(fēng)速7.34m/s,最低瞬時風(fēng)速5.45m/s。由此可以推測,北京郊區(qū)裸露地表的起沙風(fēng)速在6m/s左右。為采集到足可以稱量的沙量,在起沙塵的玉米留茬地共觀測了1小時30分鐘。此玉米留茬地的地表特征為沙質(zhì)地表,壟播的壟已不明顯,呈東西走向,和風(fēng)向的夾角大于50°。玉米殘茬高約8cm,株間距25～35cm,行間距50～60cm,蓋度<5%,地表粗糙度為0.097cm。在觀測期間,2m高處的最高瞬時風(fēng)速為13.2m/s,最低為6m/s,平均風(fēng)速8.6m/s,共采集到沙塵17.9g(兩臺積沙儀的平均值),輸沙通量高達(dá)0.597kg/(m·h)。輸沙量隨高度分布如圖2所示,較好地符合負(fù)指數(shù)分布,這和眾多學(xué)者研究的結(jié)果是一致的。4農(nóng)田不同立地條件對土壤抗風(fēng)蝕能力的影響圖3是不同土地類型的土壤機(jī)械組成圖。從表層土壤的機(jī)械組成可以看出,荒地成分最粗,農(nóng)田、林地次之,草地土壤成分最細(xì),其中冬季翻耕地又比留茬地成分略粗。由于土壤風(fēng)蝕過程中細(xì)粒成分首先被風(fēng)力帶走,導(dǎo)致地表粗化,因此表層土壤的粒度變化直觀反映了土壤抗風(fēng)蝕能力的大小,即荒地抗風(fēng)蝕能力最差,農(nóng)田次之,而草地土壤抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng)。林地雖然作為防風(fēng)蝕的主要生物措施,但如果缺乏貼地層灌草植被覆蓋,防風(fēng)蝕效果不及覆蓋良好的草地植被。就農(nóng)田而言,留茬地比冬季翻耕地明顯提高了抗風(fēng)蝕能力。以上通過地表空氣動力學(xué)特征的觀測和地表土壤粒度特征的分析表明,土地利用方式深刻影響著地表起沙揚(yáng)塵的特性,這為通過土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整來防止土壤風(fēng)蝕,從而達(dá)到防沙治沙的目的提供了依據(jù)。5不同植被覆蓋物對風(fēng)蝕起沙的影響1)北京地區(qū)永定河谷、潮白河谷50～60年代廣泛存在的流沙地現(xiàn)已不復(fù)存,防沙治沙工作取得了明顯成效,說明北京本地的起沙起塵是可防可治的。雖然起沙揚(yáng)塵的強(qiáng)度有所減弱,但問題依然突出。在2m高的平均風(fēng)速為8.6m/s時,旱作玉米留茬地上觀測到的輸沙通量仍然高達(dá)0.597kg/(m·h)。雖然京郊產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)非農(nóng)化進(jìn)程較快,但仍存在大面積旱作農(nóng)田,是本地起沙起塵的巨大面源,因而防治就地起沙起塵的任務(wù)仍十分艱巨,形勢仍十分嚴(yán)峻。2)不同土地利用類型起沙起塵特性有很大不同,在同等風(fēng)速條件下,可起沙性從大到小依次為翻耕地、留茬地、經(jīng)濟(jì)林、荒地、林地、草地。地表植物覆蓋情況對風(fēng)蝕起沙有顯著影響,風(fēng)洞模擬結(jié)果表明,在風(fēng)速12.7m/s條件下,植被蓋度大于60%左右時,風(fēng)蝕率幾乎為零;植被蓋度小于20%時,出現(xiàn)強(qiáng)烈的風(fēng)沙流,因風(fēng)沙流侵蝕,風(fēng)蝕率陡增。風(fēng)蝕率和植被蓋度之間的關(guān)系表現(xiàn)為風(fēng)蝕率隨植被蓋度的減少呈指數(shù)增加。保護(hù)植被和提高植被覆蓋率能有效改變氣流性質(zhì),抑制風(fēng)沙流的產(chǎn)生,此為防治土壤風(fēng)蝕的關(guān)鍵措施之一。3)京郊旱作耕地的風(fēng)蝕在所難免,因在冬春風(fēng)季里,難以確保廣大旱作耕地的地表植物覆蓋率都大于60%?，F(xiàn)在的問題是在耕作過程中,采取怎樣的措施使風(fēng)蝕率降到最低,輸沙通量減到最小,使其控制一個可以容忍的程度范圍內(nèi),一方面減少本地起沙對北京沙塵天氣的貢獻(xiàn),另一方面防止土壤流失以保護(hù)地力。免耕、留茬、壟播、翻耕覆蓋、條帶耕作、糧灌草間作套種、建設(shè)防護(hù)林網(wǎng)等都是可以采取的技術(shù)措施,如何將這些技術(shù)集成應(yīng)用以達(dá)到最佳的防治效果,還有待進(jìn)一步研究。4)土地利用方式對地表起沙揚(yáng)塵的深刻影響表明,調(diào)整土地