沙漠-綠洲過渡帶天然植被防風(fēng)阻沙效益分析

沙漠-綠洲過渡帶天然植被防風(fēng)阻沙效益分析

1土地風(fēng)蝕和風(fēng)積研究風(fēng)蝕和荒漠化對地表土壤的大規(guī)模運(yùn)輸和積聚是干旱和半干旱地區(qū)最重要、最直接的過程之一。植被以覆蓋地表免受直接吹蝕、分散地表風(fēng)動量、阻止被蝕物質(zhì)運(yùn)動3種形式影響風(fēng)蝕,風(fēng)蝕率隨植被覆蓋度增加呈指數(shù)或冪函數(shù)遞減。王訓(xùn)明等研究了戈壁礫石覆蓋度與風(fēng)蝕強(qiáng)度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)礫石覆蓋度在40%以內(nèi),隨著礫石覆蓋度增大地表風(fēng)蝕強(qiáng)度下降。李雙權(quán)等研究了呼倫貝爾沙質(zhì)草地碟形風(fēng)蝕坑形態(tài)-氣流相互作用及蝕積空間變化。植被覆蓋度、土壤水分、土壤粒徑、地形等都會影響到土壤風(fēng)蝕量,不同的學(xué)者在風(fēng)洞或野外試驗(yàn)中針對影響土壤風(fēng)蝕的主要因素及植被對防止風(fēng)蝕作用、農(nóng)田風(fēng)蝕等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。風(fēng)積是和風(fēng)蝕緊密結(jié)合的相反過程,目前有關(guān)研究對于土壤風(fēng)蝕關(guān)注較多而對風(fēng)積過程關(guān)注較少。大多數(shù)試驗(yàn)是在風(fēng)洞內(nèi)模擬完成的,試驗(yàn)很少考慮野外植被類型、微地形等的影響,而針對野外不同植被覆蓋度和地形下的地表風(fēng)蝕、風(fēng)積量變化差異研究較少。沙漠-綠洲過渡帶是受沙漠生態(tài)系統(tǒng)與綠洲生態(tài)系統(tǒng)的雙重影響且具有敏感的退化趨勢的生態(tài)交錯帶。本文針對風(fēng)沙危害十分嚴(yán)重的新疆策勒沙漠-綠洲過渡帶的流沙地、半固定沙地、固定沙地,以不同下墊面地表為研究對象,探討不同植被覆蓋度和地形下的地表風(fēng)蝕、風(fēng)積量變化特征及其影響因素,從而為策勒沙漠-綠洲過渡帶天然植被防風(fēng)阻沙效益的定量評價和植被、微地形等對地表風(fēng)蝕、風(fēng)積影響的認(rèn)識和綠洲農(nóng)田免受大面積的地表風(fēng)蝕危害提供一定科學(xué)依據(jù)和理論支撐。2數(shù)據(jù)來源與研究方法2.1沙區(qū)年降水量及土壤沙特征策勒縣位于塔克拉瑪干沙漠南緣與昆侖山北麓之間,地理位置35°l7′55″—39°30′00″N,80°03′24″—82°10′34″E(圖1、圖2),屬典型內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候,夏季炎熱,干旱少雨,光熱充足,日照時間長,晝夜溫差大,極端最高氣溫41.9℃,極端最低氣溫-23.9℃。多年平均降水量為35.1mm,年潛在蒸發(fā)量2600mm。由于地處塔里木盆地兩大主導(dǎo)風(fēng)向(NW和NE)的下風(fēng)區(qū)域,風(fēng)沙災(zāi)害頻繁,多年平均沙塵日數(shù)25.2d,最多年高達(dá)59d,每年8級以上大風(fēng)3~9次。在歷史上策勒縣城曾3次因風(fēng)沙埋沒而被迫遷移,風(fēng)沙災(zāi)害天氣嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究區(qū)風(fēng)向以WNW、W風(fēng)為主,頻率占62.43%~76.25%,NW風(fēng)次之,頻率占17.75%;土壤以風(fēng)沙土為主,流動沙丘沙粒以極細(xì)沙為主,極細(xì)沙含量多在70%左右,粉沙含量20%,細(xì)沙含量較低。過渡帶上主要分布多枝檉柳(Tamarixramosissima)、花花柴屬(Kareliniacas-piaspp.)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)、鹽生草屬(Halogetonspp.)、豬毛菜屬(Salsola)、河西菊屬(Hexinia)等旱生天然植被。2.2地表剖面及觀測系統(tǒng)在策勒沙漠-綠洲過渡帶1號氣象站、2號氣象站附近各選取1個天然樣地,在綠洲邊緣3號氣象站附近選取4個不同植被覆蓋度和地形的天然樣地(圖1),對樣地植被冠幅等進(jìn)行測量,采用全站儀測量地形,用插釬法進(jìn)行地表蝕積變化同步觀測,插釬間距在0.4~1m范圍內(nèi)(圖2)。流沙地、半固定沙地、固定沙地以100m×100m面積植被覆蓋度<10%、10%~29%和>30%為劃分標(biāo)準(zhǔn)。在3個氣象站附近分別選取一個100m×100m樣方,植被覆蓋度分別為3%、27%、67%。1號氣象站附近有流動沙丘分布,地表植被以稀疏高大的檉柳灌叢為主,還分布有稀疏的鹽生草、河西菊等,檉柳沙堆平均高2~3.5m,地勢較為平坦,代表流沙地;2號氣象站附近主要分布檉柳、花花柴、駱駝刺混生群落,地勢較為起伏,代表半固定沙地;3號氣象站附近主要分布植被覆蓋度較大的駱駝刺群落和少量的1年生鹽生草,地勢相對平緩,代表固定沙地。1號氣象站距離3號氣象站4.7km,從流沙地到固定沙地地勢總體逐漸升高,半固定沙地地形起伏較大(圖1)。氣象站型號為HOBOU30,每個氣象站安裝0.5、1、2、4、8m等5層高度風(fēng)速風(fēng)杯和10m高的風(fēng)速風(fēng)向標(biāo),觀測指標(biāo)有風(fēng)速、風(fēng)向等。在大樣方內(nèi)分別選取呈斑塊狀的8m×8m面積的小片樣地進(jìn)行插釬觀測。風(fēng)蝕釬長60cm,插入地下30cm,露出地表30cm。流沙地插釬樣地植被覆蓋度3%,半固定沙地插釬樣地植被覆蓋度36.12%,流沙地、半固定沙地樣地地形起伏度分別為0.3、1.4m。固定沙地4個插釬觀測樣地植被覆蓋度分別為17.87%、28.26%、35.22%、41.27%。按植被覆蓋度從小到大4個樣地分別為1號、2號、3號、4號樣地,4個樣地地形起伏度分別為1、0.75、0.8、0.6m,1號樣地植被覆蓋度最小、地形起伏度相對最大。用全站儀測定每個樣地的原始地形和風(fēng)蝕釬、植被根部的位置,基于各個觀測階段各樣地內(nèi)風(fēng)蝕釬的高度差用Surfer8.0軟件來計(jì)算地表蝕積變化,基于不同樣地表層20cm風(fēng)沙土容重計(jì)算出每次蝕積重量。觀測時間為2012年4月15日—2012年10月20日,共有5~6個觀測階段。全站儀型號為南方STS-750系列,測距精度為固定誤差2mm,比例誤差2mm·km-1。先利用Surfer8.0軟件基于地形測點(diǎn)數(shù)據(jù)和克里格法進(jìn)行插值形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù),然后繪出三維立體圖,再疊加觀測階段內(nèi)風(fēng)蝕釬測定的等蝕積線圖。所有氣象數(shù)據(jù)1s記錄一次、平均1min采集一次。流沙地2m高瞬時起動風(fēng)速按5m·s-1計(jì)算。觀測期間部分8m和10m高的風(fēng)速數(shù)據(jù)缺失,故未具體分析。蝕積數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)采用Excel2003、Surf-er8.0、Origin8.0軟件分析并制圖。3結(jié)果與分析3.1地表風(fēng)蝕量特征2012年流沙地6個觀測階段近地表平均風(fēng)速從大到小依次為:8月14日—8月28日、6月3日—6月11日、5月11日—6月3日、4月15日—5月11日、6月11日—8月14日、8月28日—10月20日,起沙風(fēng)時間由長到短依次為:6月11日—8月14日、5月11日—6月3日、4月15日—5月11日、8月28日—10月20日、6月3日—6月11日、8月14日—8月28日(表1、圖3)。6個觀測階段的起沙風(fēng)風(fēng)向以W、WNW等風(fēng)向?yàn)橹鳌８鱾€階段的風(fēng)蝕量不與相應(yīng)的平均風(fēng)速呈線性關(guān)系,2012年5月11日—6月3日地表風(fēng)蝕量最大,為6.636kg·m-2,原因是起沙風(fēng)的強(qiáng)度和時間、風(fēng)向不同導(dǎo)致地表蝕積量的差異,平均風(fēng)速只能代表平均風(fēng)力強(qiáng)度而不能代表起沙風(fēng)蝕的時間。6月11日—8月14日雖然平均風(fēng)速相對較小但起沙時間最長,由于夏季階段地表鹽生草大量生長,在一定程度上抑制了地表風(fēng)蝕的發(fā)生,所以該階段地表蝕積量最小。4月15日—10月20日整個半年觀測期內(nèi)流沙地地表平均單位面積凈風(fēng)蝕重量是15.552kg·m-2(表2),是植被覆蓋度17.87%的固定沙地相同觀測時間段內(nèi)平均單位面積凈風(fēng)蝕量的4.42倍。地勢越低地表風(fēng)蝕量越大,最大風(fēng)蝕深度7.5cm,整體表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的地表風(fēng)蝕(圖4)。在平均風(fēng)速較大且起沙時間較長的6月3日—6月11日,流沙地表整體出現(xiàn)了輕微的風(fēng)積,其余5個階段都表現(xiàn)出整體地表風(fēng)蝕,說明大于起沙風(fēng)的平均風(fēng)速越大、起沙持續(xù)時間越長,越有利于增加地表風(fēng)蝕量。3.2地表風(fēng)積量和風(fēng)蝕量的變化在植被覆蓋度為36.12%的半固定沙地插釬樣方,6月3日—6月11日的平均風(fēng)速依次大于5月11日—6月3日、6月11日—8月14日、8月28日—10月20日、8月14日—8月28日階段(4月15日—5月11日風(fēng)速缺失)。只有在8月14日—8月28日整體發(fā)生了輕微的風(fēng)蝕,可能這個輸沙階段東風(fēng)增多,使地表風(fēng)蝕量相應(yīng)增大,其余階段凈蝕積量都表現(xiàn)為不同程度的地表風(fēng)積(表3)?？梢钥闯銎骄L(fēng)速越大、起沙時間越長,地表風(fēng)積量和風(fēng)蝕量都相應(yīng)增加。6月11日—8月14日觀測期長,表現(xiàn)出最大的凈風(fēng)積量,其次是5月11日—6月3日、4月15日—5月11日,在半年觀測期內(nèi),地表凈風(fēng)積重量達(dá)20.3559kg·m-2,表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的地表風(fēng)積。5月11日—6月3日為平均風(fēng)速次大的觀測階段(圖5),地表風(fēng)蝕量和風(fēng)積量都同步增加,但風(fēng)積量是風(fēng)蝕量的3倍左右,說明風(fēng)力越大,起沙風(fēng)持續(xù)時間越長,風(fēng)蝕量和風(fēng)積量都會相應(yīng)快速增加,但風(fēng)積量增加的幅度明顯大于風(fēng)蝕量增加幅度。觀測期內(nèi)半固定沙地地表灌叢沙堆背風(fēng)坡和迎風(fēng)坡以風(fēng)積為主(常年主風(fēng)向?yàn)閃NW、W風(fēng)向,WNW為迎風(fēng)坡,ESE為背風(fēng)坡),背風(fēng)坡風(fēng)積量明顯大于迎風(fēng)坡風(fēng)積量,最大堆積深度6.5cm,相鄰較近的連體花花柴、駱駝刺沙堆間的地勢較高的裸沙地及上風(fēng)向地勢較高裸沙地地表以風(fēng)積為主,并且連體沙丘間地勢較高裸沙地風(fēng)積量達(dá)到最大。灌叢沙堆間地勢較低的裸沙地以輕微風(fēng)蝕為主,最大風(fēng)蝕深度1.5cm,整體風(fēng)蝕量不大(圖6)。在2012年4月15日—10月20日期間,樣地單位面積風(fēng)積量為0.0153m3·m-2,單位面積風(fēng)蝕量為0.001m3·m-2,單位面積凈蝕積量為0.0143m3·m-2,表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的地表風(fēng)積。整個觀測期內(nèi)半固定沙地樣地單位面積凈風(fēng)積量是同時間段內(nèi)固定沙地蓋度接近的3號樣地的凈風(fēng)積量的2.8倍之多。3.3不同植被覆蓋度下的地表風(fēng)蝕靠近綠洲邊緣的固定沙地4個樣地駱駝刺植株的平均高度和平均冠幅隨樣地覆蓋度的增加總體也逐漸增大,樣地3和樣地4的植株平均冠幅差異不大。樣地3的鹽生草平均冠幅最大,樣地1的鹽生草冠幅最小,并且其駱駝刺和鹽生草植株近半為干枯死的植株,樣地1的駱駝刺和鹽生草植株數(shù)量分布最多但其植被覆蓋度最低(表4)。植被覆蓋度最大的4號樣地地表凈蝕積量不是最大,35.22%蓋度3號樣地內(nèi)地表風(fēng)積量最大。在駱駝刺的東南向根后、西北向根前出現(xiàn)輕微風(fēng)積,在駱駝刺灌叢沙包兩側(cè)裸沙地地表表現(xiàn)為輕微風(fēng)蝕,植被覆蓋度為17.87%、28.26%、35.22%、41.27%的4個樣地相同階段的單位面積凈蝕積重量分別為-3.516、2.992、7.055、3.540kg·m-2(表5),植被覆蓋度小于20%的樣地地表出現(xiàn)中等程度風(fēng)蝕,因?yàn)槠湎鄬Φ貏葺^高和較多干枯死的駱駝刺植株,增加了沙堆前后和兩側(cè)的地表風(fēng)速,減少了灌叢根部周圍的堆積量。35.22%蓋度樣地內(nèi)地表相對起伏度比41.27%蓋度樣地小,駱駝刺空間密度排列方式比41.27%蓋度樣地均勻,所以其防沙阻沙能力相對更好,除了植被覆蓋度外,植被的高度、寬度、地形起伏度、植被排列均勻方式等都會影響到地表蝕積變化,但地表植被覆蓋能起到防風(fēng)阻沙的關(guān)鍵作用,地表植被覆蓋度大于20%以上就能防風(fēng)阻沙,小于20%地表就會出現(xiàn)中等程度的風(fēng)蝕。3號樣地的植株排列相對較為均勻,植株高度也較大,表現(xiàn)出4個樣地內(nèi)同時間段內(nèi)最大的風(fēng)積量,其植被覆蓋度小于4號樣地,但其單位面積凈風(fēng)積量是4號樣地的2倍,說明植株排列方式和地形等對風(fēng)蝕、風(fēng)積量的影響也較為重要。連體的灌叢沙堆群中間的包間裸沙地也表現(xiàn)為風(fēng)積,1號樣地沙堆背風(fēng)處裸平沙地上也表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的地表風(fēng)蝕,說明了風(fēng)吹向地形起伏度較大的灌叢沙堆障礙物時,地勢越高,其沙堆迎風(fēng)坡前和兩翼及其高地形沙堆背后的裸平沙地繞流風(fēng)速得到加強(qiáng),其地表風(fēng)蝕量也相應(yīng)增加(圖7)。6個觀測階段,固定沙地4個高度的平均風(fēng)速廓線不呈指數(shù)關(guān)系變化,受地表植被的影響,2m以下近地表風(fēng)速比相同時間段內(nèi)流沙地地表風(fēng)速削減很多(圖5、圖8),2m以下高度平均風(fēng)速差異較大,2m和3m高平均風(fēng)速差異不明顯,但在平均風(fēng)速最大的6月3日—6月11日2m和3m高平均風(fēng)速差異較顯著。平均風(fēng)速從大到小依次為6月3日—6月11日、5月11日—6月3日、4月15日—5月11日、8月14日—10月20日、6月11日—8月14日。隨著平均風(fēng)速的增大和起沙風(fēng)時間的變長,固定沙地地表風(fēng)蝕量和風(fēng)積量都明顯增加,但風(fēng)積量增加的幅度明顯大于風(fēng)蝕量增加的幅度(表6、圖8)。3.4植被覆蓋度對半固定沙地地表風(fēng)蝕的影響選取6個插釬樣地在相同時間段即在2012年4月15日—10月20日內(nèi)風(fēng)蝕量與風(fēng)積量的數(shù)據(jù),采用函數(shù)擬合過渡帶地表植被覆蓋度與單位面積風(fēng)蝕量、風(fēng)積量的關(guān)系,這里暫不考慮地形的影響因素。植被覆蓋度與樣地單位面積風(fēng)蝕量呈現(xiàn)多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系或指數(shù)關(guān)系遞減,確定系數(shù)分別為0.96、0.94,植被覆蓋度越高,地表風(fēng)蝕量越小(圖9),這與董治寶等基于風(fēng)洞模擬試驗(yàn)得出的風(fēng)蝕量隨植被覆蓋度增加呈指數(shù)函數(shù)遞減的結(jié)論基本一致。植物特征對土壤風(fēng)蝕的影響以密度最甚,其次是高度和寬度。地表植被覆蓋度與單位面積的風(fēng)積量不呈一定規(guī)律的函數(shù)分布關(guān)系,隨樣地植被覆蓋度增加,半固定沙地地表風(fēng)積量明顯突增,然后到了固定沙地植被覆蓋度增大時風(fēng)積量又急劇減少。半固定沙地地形高大,分布較多的阻沙固沙能力較強(qiáng)的檉柳灌叢沙堆,整體表現(xiàn)為明顯的風(fēng)積,綠洲邊緣固定沙地地表植被覆蓋度相對大,風(fēng)速降低得多,地表不易起沙導(dǎo)致沙源不充足,說明不同蓋度下地表風(fēng)積量與地形、植被類型和高度、植被排列方式等都有很大的關(guān)系。4地表覆蓋、覆蓋度、氣候變化的影響機(jī)制策勒沙漠-綠洲過渡帶流沙地地表植被覆蓋度低,表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的地表風(fēng)蝕,半固定沙地表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的