北京市不同土地利用類型起沙起塵的觀測分析

北京市不同土地利用類型起沙起塵的觀測分析

1京郊農(nóng)地起沙起塵防治北京的沙氣日候引起了中國政府和社會各界的廣泛關(guān)注。一些學(xué)者對北京沙塵天氣過程、沙塵源地以及沙塵對大氣環(huán)境的影響等方面做了大量的研究。對于沙塵源地,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為是遠(yuǎn)距離的內(nèi)蒙古等地的沙漠、沙漠化土地和農(nóng)田以及近距離的北京周邊裸露農(nóng)田和建設(shè)裸地。北京市對沙塵與浮塵天氣的調(diào)查表明,僅有20%的沙塵與浮塵天氣為異地沙塵源所致(多為中強(qiáng)度以上沙塵、浮塵天氣),80%是京郊就地起沙,包括由建筑施工產(chǎn)生的松散堆積物(土)、未加處理的開挖斷面、市郊的翻耕農(nóng)田與撂荒地等。按照北京地區(qū)耕地風(fēng)蝕模數(shù)與現(xiàn)有耕地面積估算,農(nóng)田年風(fēng)蝕量約為燃煤排放煙塵粉塵量的49倍,同時(shí)北京市PM10本地污染源調(diào)查結(jié)果也表明揚(yáng)塵所占比例高達(dá)48.73%。由此可見,京郊農(nóng)地起沙起塵是造成大氣重度污染的重要原因之一,也使得大氣顆粒物濃度高居不下。特別是在沙塵暴期間,大氣中顆粒物的濃度能比平日高出數(shù)十倍。例如2002年3月北京發(fā)生沙塵暴天氣時(shí),總顆粒物濃度高達(dá)10.9mg/m3,高出國家顆粒物污染標(biāo)準(zhǔn)的54倍,主要地殼元素Ca、Al、Fe、Mg、Na、Ti等高達(dá)平日的30～58倍,污染元素Zn、Cu、Pb、As、Cd、S比平時(shí)高出近10倍。因此,如何有效地防治京郊農(nóng)地起沙起塵就成為降低大氣顆粒物濃度、改善大氣質(zhì)量的一個(gè)亟待解決的重要問題。根據(jù)2003年、2004年連續(xù)2年對京郊主要的土地利用類型進(jìn)行的大量野外風(fēng)沙觀測結(jié)果,并結(jié)合京郊土地資源特點(diǎn)和利用現(xiàn)狀,提出調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、完善平原區(qū)防護(hù)林體系、全面實(shí)行保護(hù)性耕作以及硬化鄉(xiāng)間道路等防治農(nóng)地起沙起塵的措施,還北京一片藍(lán)天,確保2008年“綠色奧運(yùn)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2農(nóng)民年生時(shí)期農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀北京市位于華北平原西北隅,處于華北平原向西北黃土帶、內(nèi)蒙古高原的過渡地帶。北京平原區(qū)主要由永定河、潮白河、溫榆河、拒馬河、溝河、錯(cuò)河洪沖積作用形成,土壤沙物質(zhì)含量高,內(nèi)聚力弱,在人為干擾和強(qiáng)風(fēng)共同作用下,極易發(fā)生風(fēng)蝕而形成揚(yáng)沙天氣。截止2003年10月,全市農(nóng)業(yè)用地1118121.8hm2,占土地總面積的68.12%;建設(shè)用地308501.5hm2,占18.8%;未利用土地214430.4hm2,占13.08%(表1)。在農(nóng)業(yè)用地中,耕地259860.3hm2,占土地總面積的15.83%,其中90%的耕地分布在北京平原及延慶山間盆地。北京市土地利用格局仍然以農(nóng)業(yè)用地為主,耕地所占比例仍很高,面積較大,對耕地進(jìn)行耕作活動(dòng)的必然結(jié)果,就是嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu),尤其在冬春大風(fēng)季節(jié),耕地表面基本呈裸露狀態(tài),為風(fēng)蝕起沙起塵提供了有利條件。3京郊不同土地利用類型起沙起塵規(guī)律為了有效地防治北京地區(qū)農(nóng)業(yè)用地的起沙起塵,在2003年和2004年對北京郊區(qū)不同土地利用類型地表粗糙度與起沙情況進(jìn)行了多次重復(fù)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起沙起塵的規(guī)律。為通過調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),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)。3.1地表沿邊界層觀測地表粗糙度(Z0)是描述地表空氣動(dòng)力學(xué)特征的重要參數(shù),Z0值越大,地表起沙起塵越困難,它能夠準(zhǔn)確反映地表抗風(fēng)蝕能力。通過提高地表Z0值可以有效地防止風(fēng)蝕的發(fā)生。考慮到北京的常年主風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng),南北郊區(qū)的土地利用類型地表特征基本相近,因此,重點(diǎn)在北京上風(fēng)向的北郊進(jìn)行觀測。共選取了32個(gè)觀測點(diǎn),分別布置在昌平、延慶、懷柔、密云、順義、平谷六個(gè)區(qū)(縣)。觀測對象分別為:玉米留茬地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(果園)4處,苜蓿地2處,裸地1處。對這些觀測點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)兩年的觀測。在近地層中,地表風(fēng)速廓線滿足對數(shù)關(guān)系:U=a+blnz,式中:U——高度z(cm)處的風(fēng)速(m/s),a、b——回歸系數(shù),隨風(fēng)速的變化而改變。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度(Z0)的定義,Z0的值為:Z0=exp(-a/b)。經(jīng)計(jì)算,各類地表Z0的平均值分別為:翻耕地0.2123cm,留茬地0.228cm,經(jīng)濟(jì)林(果園)0.2448cm,荒地0.5798cm,防護(hù)林1.0827cm,草地1.5848cm,冬小麥地1.7289cm。觀測計(jì)算結(jié)果表明,不僅不同地類Z0值不同,就是同一地類不同觀測點(diǎn)的Z0值也相差很大。這是因?yàn)殡m屬同一地類,但不同觀測點(diǎn)的地表狀況卻有很大差別。例如,同是玉米留茬地,留茬的高度及植株的密度不同,Z0值有很大差異(表2)。從表2中可清楚看出留茬高度及株行距對地表抗蝕性的影響,后面的起沙觀測結(jié)果也表明,玉米地留茬高度過低不能起到明顯的防風(fēng)蝕作用。此外,翻耕后沒有平整,地表為土塊壟脊的耕地,Z0值明顯大于翻耕后平整的耕地;林下有灌草植被的林地的Z0也顯著大于林下沒有灌草植被的林地。就不同土地利用類型相比而言,秋收后翻耕土地的地表Z0值普遍偏小,加之土壤質(zhì)地疏松,地表沒有覆蓋物保護(hù),極易發(fā)生風(fēng)蝕而起沙起塵,污染大氣環(huán)境,并損失大量養(yǎng)分。3.2地表沙紋及氣候變化2003年和2004年春季大風(fēng)日數(shù)較少,使得地表起沙的收集較為困難。在野外觀測時(shí)?？捎^察到風(fēng)吹沙起的現(xiàn)象,但由于風(fēng)有極強(qiáng)的陣性,用積沙儀很難收集到可供稱量的有效沙塵量。盡管如此,北京郊區(qū)農(nóng)地的風(fēng)蝕起沙是十分嚴(yán)重的。如2004年3月9日夜里的一場大風(fēng),使京郊農(nóng)地普遍發(fā)生了較嚴(yán)重的風(fēng)蝕(圖1),圖1a顯示出土壤風(fēng)蝕物受地塊邊坡處幼小林帶的阻擋,沉積在地塊邊坡處,并在表面形成了清晰的沙波紋。沙紋的出現(xiàn)表明沉積的沙塵較厚,沉積厚度達(dá)10～15cm,而林帶前面被吹蝕的地塊地表粗化則十分明顯(圖1b),表層細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕殆盡。在起沙觀測時(shí),同時(shí)對風(fēng)速進(jìn)行不同高度的同步梯度觀測。為了更好地與其他研究成果進(jìn)行對比,均以2m高度處的風(fēng)速值為標(biāo)準(zhǔn),積沙儀開口都是2cm×2cm。沙塵的收集是2004年3月16日傍晚在延慶康莊觀測時(shí)收集到的,觀測地類為玉米留茬地,地形空曠,沙質(zhì)地表,玉米殘茬均高8cm,株間距25～35cm,行間距50～60cm,蓋度<5%,地表粗糙度僅有0.097cm。當(dāng)時(shí)遇上了一場持續(xù)時(shí)間較長的大風(fēng),2m高平均風(fēng)速為8.6m/s,共收集到17.9g沙塵量(兩臺積沙儀平均),輸沙通量高達(dá)0.597kg/(m·h)。對比賀大良等的觀測結(jié)果(表3),可清楚地看出,風(fēng)速、植被覆蓋度對輸沙通量具有顯著的影響。降低近地面風(fēng)速,或提高地表植被覆蓋度都是防治地表起沙起塵的有效途徑。當(dāng)京郊農(nóng)地發(fā)生風(fēng)蝕而起沙起塵時(shí),北京市大氣環(huán)境質(zhì)量都很差,常屬于中、重度污染。如2004年3月10日和3月16日,北京市空氣污染指數(shù)分別為446和206,屬重度污染和中度污染。這充分說明京郊土壤風(fēng)蝕是造成北京市空氣中、重度污染的重要原因之一。4土壤風(fēng)蝕防治對策土壤風(fēng)蝕是風(fēng)和地表物質(zhì)相互作用的結(jié)果,其中風(fēng)是動(dòng)力因素,地表組成是物質(zhì)基礎(chǔ)。風(fēng)動(dòng)力受制于大氣環(huán)流,人類目前還無法改變,當(dāng)前防治土壤風(fēng)蝕的主要途徑就是改變地表物質(zhì)組成,通過下墊面性質(zhì)的改變來消除風(fēng)蝕發(fā)生的條件,從而達(dá)到防治土壤風(fēng)蝕的目的。根據(jù)這一基本原理和京郊農(nóng)地風(fēng)蝕起沙起塵的現(xiàn)狀,提出以下防治措施。4.1土地資源的利用不同土地利用類型地表粗糙度存在顯著差異的觀測結(jié)果表明調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)是防止京郊農(nóng)用地起沙起塵的重要途徑。從防沙治沙角度出發(fā),土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向是增大地表植被覆蓋率,提高地表粗糙度,即要增加林地、草地面積,逐步減少耕地面積。根據(jù)北京土地資源的特點(diǎn)和利用現(xiàn)狀,西北部山區(qū)全部綠化,建設(shè)生態(tài)林,建立起第一道生態(tài)屏障;平原區(qū)加強(qiáng)林帶、林網(wǎng)更新完善,增加經(jīng)濟(jì)林和草地面積,建立起第二道生態(tài)屏障;同時(shí)加強(qiáng)北京市區(qū)的綠化和環(huán)北京城區(qū)綠化帶建設(shè),建立起第三道生態(tài)屏障。這里需要強(qiáng)調(diào)的是,在實(shí)施土地利用調(diào)整過程中,要注重農(nóng)民收入保持同步增長,否則難以取得理想效果。因此,在進(jìn)行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí),應(yīng)充分利用北京人才、資金、技術(shù)和區(qū)位優(yōu)勢,大力發(fā)展高技術(shù)的新型農(nóng)業(yè),實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收,保證農(nóng)民收入持續(xù)增長。同時(shí)積極接納北京市的第一、二產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移,并大力發(fā)展以休閑度假為主要形式的旅游業(yè)。4.2防護(hù)林體系結(jié)構(gòu)布局不合理,防護(hù)作用差農(nóng)田防護(hù)林是最主要的防止耕地土壤風(fēng)蝕的生物措施,同時(shí)兼有改善農(nóng)田小氣候以及為動(dòng)物提供良好生境之功效。京郊現(xiàn)存農(nóng)田防護(hù)林大多是20世紀(jì)70～80年代所造,目前多數(shù)已到了更新的年齡。現(xiàn)有林網(wǎng)在景觀上的結(jié)構(gòu)布局處于不合理狀態(tài),林網(wǎng)中缺株斷帶現(xiàn)象嚴(yán)重,甚至人為地加大網(wǎng)格;林帶數(shù)量嚴(yán)重不足,林網(wǎng)的分布很不均勻,成型狀況也較差,嚴(yán)重影響了防護(hù)林體系的整體防護(hù)效益與景觀效益,也就是說京郊現(xiàn)存防護(hù)林對農(nóng)田的防護(hù)作用已很微弱。因此,加強(qiáng)防護(hù)林網(wǎng)的更新完善,建立起完整的防護(hù)林體系勢在必行。4.3種植覆蓋物對農(nóng)業(yè)種植的影響保護(hù)性耕作措施是十分有效的防治風(fēng)蝕方法,在北美地區(qū)獲得了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的防護(hù)效果。北京郊區(qū)部分地塊也采取了以留茬為主要形式的保護(hù)性耕作措施,但實(shí)地觀測表明,京郊玉米留茬的高度應(yīng)達(dá)到30～50cm,目前的留茬高度普遍較低,不足以起到明顯的防止風(fēng)蝕作用。另外,冬麥地的地表粗糙度較高的觀測結(jié)果表明種植覆蓋植物可有效防止土壤風(fēng)蝕。北京地區(qū)種植越冬植物的品種既可以選擇夏收作物,也可以選擇綠肥,所種植的作物品種可根據(jù)來年的種植計(jì)劃進(jìn)行選擇。在冬春多大風(fēng)季節(jié),農(nóng)田有植物覆蓋,可有效防止土壤風(fēng)蝕起沙起塵。4.4道路有機(jī)物排放量估算機(jī)動(dòng)車輛的二次揚(yáng)塵是大氣顆粒物的一個(gè)很重要的來源。北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平較高,各種機(jī)