永定河沙地風(fēng)蝕治理的風(fēng)蝕防護(hù)措施研究

永定河沙地風(fēng)蝕治理的風(fēng)蝕防護(hù)措施研究

土壤風(fēng)暴是干旱、半干旱、部分亞濕潤地區(qū)土地沙漠和土地退化過程的主要環(huán)節(jié)。也是全球環(huán)境的一個(gè)問題。在以往的土壤風(fēng)蝕過程與風(fēng)蝕機(jī)制的研究中,主要有風(fēng)和風(fēng)沙流動(dòng)力學(xué)特征,風(fēng)蝕影響因素,風(fēng)沙運(yùn)移方式,風(fēng)沙流結(jié)構(gòu),氣流速度、顆粒濃度、輸沙通量、輸沙率變異特征、風(fēng)沙工程防治機(jī)制、簡單的輸沙模型等研究成果。然而,以亞濕潤區(qū)域?yàn)閷?duì)象,對(duì)于河流沉積沙地的風(fēng)蝕機(jī)制,從風(fēng)沙物理學(xué)的角度進(jìn)行系統(tǒng)的定位觀測研究很少,且數(shù)值模擬與模型預(yù)報(bào)研究進(jìn)展緩慢。鑒于北京市永定河沙地頻繁的風(fēng)沙危害以及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)與近地層大氣特征深入研究的缺乏,本項(xiàng)研究著重于永定河沙地風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律來確定這一地區(qū)風(fēng)蝕的物理特征,對(duì)于該沙地進(jìn)行治理工程設(shè)計(jì)具有重要意義,完善永定河區(qū)域的風(fēng)沙防治機(jī)理研究具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和較高的學(xué)術(shù)價(jià)值。1降雨、土壤條件試驗(yàn)地位于北京市大興區(qū),屬于海河水系的永定河洪積—沖積平原,是永定河沙地的典型地段。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫11.5℃,多年平均降雨量為568.9mm,降雨主要集中在7,8月份,占全年降雨量的65%左右。冬春兩季干旱,風(fēng)多且風(fēng)速大,出現(xiàn)8m/s的大風(fēng)日平均每年23.3d,以西北風(fēng)為主。土壤主要為風(fēng)沙土,土壤結(jié)構(gòu)差,有機(jī)質(zhì)含量低,極易受到風(fēng)蝕。境內(nèi)以人工營造植被為主體。2材料和方法的研究2.1沙區(qū)的立地條件植被在防風(fēng)固沙方面起著主導(dǎo)作用。由于開發(fā)歷史悠久,在永定河沙地,人工植被占絕對(duì)優(yōu)勢,是區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主角,但是該沙地部分地段由于人類不合理的土地利用,在冬春季節(jié)風(fēng)沙活動(dòng)比較頻繁。本文選擇耕地、荒草地、流動(dòng)沙地等永定河沙地典型的土地利用類型,進(jìn)行沙地風(fēng)蝕原理與防治對(duì)策研究。(1)粗土造林耕地地勢平緩,有極少量玉米留茬,覆蓋度在2.5%左右,粗沙土占80%以上,易旱、易澇、易風(fēng)蝕,土壤養(yǎng)分低,外圍設(shè)有防護(hù)林網(wǎng)。在冬春季節(jié)耕地地表裸露面積最大,屬于永定河沙地風(fēng)蝕較嚴(yán)重的景觀。(2)沙面結(jié)構(gòu)及采樣是未利用地,屬于該區(qū)域比較典型的土地利用類型。根據(jù)荒草地覆蓋度,將荒草地分為稀疏荒草地與荒草地兩種類型。荒草地:該類型草地在永定河沙地分布較廣泛,主要草種是狗尾草、馬唐草(Digitariasangurinalis)、虎尾草(Chloricvirgata),平均高度為5～10cm,分布比較均勻,平均覆蓋度在26%～35%之間,沙面固結(jié),部分地表有沙結(jié)皮。在荒草地上布設(shè)面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個(gè),測量值取平均。稀疏荒草地:該類荒草地在永定河沙地分布面積具有一定的代表性,主要草種是狗尾草、馬唐草、虎尾草,呈簇狀分布,平均高度為5～10cm覆蓋度在5%～12%經(jīng)之間。沙面沒有完全固結(jié),下墊面沙粒結(jié)構(gòu)疏松。在荒草地上布設(shè)面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個(gè),測量值取平均。(3)沙粒及覆蓋度主要分布在永定河河道內(nèi),地勢開闊,沙面裸露,沙地上有零散分布的狗尾草(Setariaviridis)、馬唐草(Digitariasangurinalis)、虎尾草(Chloricvirgata)、沙米(Agriophyllumsquarrosum),平均高度在5cm左右,平均覆蓋度在5%以下。沙粒間粘結(jié)力較小,沙粒流動(dòng)性大,風(fēng)沙流動(dòng)比較強(qiáng)烈,有片狀流沙,地段出現(xiàn)了風(fēng)蝕坑,有些地段還出現(xiàn)較薄的地面結(jié)皮。平緩流動(dòng)沙地上布設(shè)面積為2m×2m的觀測小區(qū)3個(gè),測量值取平均。2.2測量儀器及分析方法風(fēng)沙流觀測:輸沙量測定用集沙儀(0～20cm),風(fēng)速測定使用DEM-6型三杯風(fēng)速儀。風(fēng)速梯度觀測:在實(shí)驗(yàn)小區(qū)中心沿垂直高度2.0m,1.5m,1.0m,0.5m,0.2m布設(shè)風(fēng)速儀,同時(shí)刻觀測并記錄風(fēng)速,50次觀測取其平均值。機(jī)械組成分析:土壤樣品取樣深度為0～10cm,室內(nèi)采用篩析法分析。風(fēng)蝕量觀測:采用定位鐵桿觀測方法。3結(jié)果與分析3.1近地面風(fēng)速特征3.1.1運(yùn)動(dòng)沙針對(duì)于一元一次線性方程從表1中看出,近地面風(fēng)速隨著高度的增加而增加。表2得出風(fēng)速隨高度分布服從對(duì)數(shù)分布規(guī)律。在擬合方程中,若把自變量看成是高度的常用對(duì)數(shù),這樣擬合方程就看作是一元一次線性方程,這個(gè)運(yùn)動(dòng)沙面上的風(fēng)速分布方程仍然符合拜格諾提出的風(fēng)速隨高度分布式,u=5.75ulog(Z/Zt)+ut。每個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)都是接近或大于90%,這說明該回歸方程較好地描述風(fēng)速梯度變化與風(fēng)速高度之間的關(guān)系。這些回歸方程的斜率大小不同,即各個(gè)梯度的風(fēng)速增加比率不同。具體表現(xiàn)為,在相同高度變化上,由于下墊面的性質(zhì)不同,導(dǎo)致下墊面對(duì)風(fēng)速的影響程度不同,其降風(fēng)比率大小次序是荒草地>稀疏荒草地>耕地>流動(dòng)沙地。3.1.2摩阻速度隨高度的變化表3為近地層2m內(nèi)不同高度摩阻速度對(duì)比表,從中可以看出,在近地面垂直高度2m內(nèi)4種不同類型的摩阻速度整體平均值是荒草地最大,其次是稀疏荒草地、耕地、流動(dòng)沙地。主要是荒草地對(duì)地面氣流層的摩擦作用增加了氣流之間的內(nèi)部摩擦,導(dǎo)致地表對(duì)氣流的阻力也增大。而其它類型的下墊面對(duì)近地氣流層的影響相對(duì)于荒草地較小,其摩阻速度就較小。在近地層0～2m的垂直高度上,各個(gè)類型的摩阻速度變化趨勢都是隨著垂直高度的增加而增加。摩阻速度是造成土壤風(fēng)蝕最主要的基本原因之一,農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)具有較高的防風(fēng)效能,減少了物質(zhì)的水平和垂直輸送能力。因此在防治風(fēng)蝕過程中通過改變下墊面性狀,來降低近地面的摩阻速度。3.2砂流特征及近地表3.2.1不同利用類型的土壤含水率對(duì)沙蝕的影響沙粒只是在一定的風(fēng)力條件下獲得能量才開始運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)風(fēng)力逐漸增大到某一臨界點(diǎn)以后,地表沙粒就開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng),這個(gè)使沙粒開始運(yùn)動(dòng)的臨界風(fēng)速稱為起沙風(fēng)速。一般來說,起動(dòng)風(fēng)速是確定風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)發(fā)生與否及其強(qiáng)度的重要依據(jù)。從表4可看出:在土壤含水率在1.0%～1.26%范圍內(nèi),不同利用類型下墊面對(duì)應(yīng)的起沙風(fēng)速顯著不同,起沙風(fēng)速大小順序?yàn)?荒草地〉耕地〉稀疏荒草地〉流動(dòng)沙地。因?yàn)榇杭撅L(fēng)大,風(fēng)是沙產(chǎn)生的動(dòng)力條件,干旱助長風(fēng)蝕的發(fā)生。尤其是春季永定河沙地不合理的耕作制度也是加速風(fēng)蝕的一個(gè)因素。北京地區(qū)永定河沙地的風(fēng)沙天氣主要是揚(yáng)沙型,這種天氣屬于北京市永定河沙地平原區(qū)的風(fēng)沙天氣特征。其結(jié)果導(dǎo)致在永定河沙地現(xiàn)代河床里分布著早期形成的小沙丘以及正在發(fā)育的流動(dòng)沙地,也是本地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)的明顯標(biāo)記。3.2.2下墊面層沙流結(jié)構(gòu)從表5可以看出,各層相對(duì)輸沙率呈現(xiàn)出隨著高度的增加而減少的趨勢,相同高度不同下墊面的相對(duì)輸沙率大小也是不同的,距近地面0～6cm高度內(nèi)分布著大部分風(fēng)沙含量。在風(fēng)速相同的條件下,近地層風(fēng)沙流在空間上分布不均勻。流動(dòng)沙地在0～2cm輸沙量占總輸沙量的43.09%,稀疏荒草地、耕地、荒草地在0～2cm輸沙量分別占總輸沙量的43.10%,34.46%,37.40%,這說明風(fēng)沙流是一個(gè)貼近地表的沙物質(zhì)的搬運(yùn)過程。由于下墊面性質(zhì)的差異性,導(dǎo)致地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)在0～20cm的相對(duì)含量不同。因此采取防治措施改變下墊面層風(fēng)沙流結(jié)構(gòu),就可消弱或減少沙子活動(dòng)的強(qiáng)度,達(dá)到防治風(fēng)沙的效果。從表6知,4種近地面粉沙流在0～20cm內(nèi)各層輸沙量百分比與高度y呈負(fù)指數(shù)函數(shù),相關(guān)系數(shù)都在90%以上,從理論上也說明輸沙量在空間上的分異性規(guī)律。3.2.3輸沙率對(duì)風(fēng)速的影響從圖1可知,輸沙律都隨風(fēng)速的增加而增加,輸沙率與風(fēng)速之間呈顯著的指數(shù)關(guān)系。不同下墊面層的性質(zhì)不同,導(dǎo)致輸沙率的增長幅度也不同。當(dāng)風(fēng)速從7m/s增大到8m/s時(shí),流動(dòng)沙地輸沙率對(duì)風(fēng)速變化反映較快,輸沙率增長1.0932倍、耕地增加0.9370倍、稀疏荒草地增加0.8477倍、荒草地增加0.8419倍。荒草地輸沙率增加的比率最小,說明植被的防護(hù)作用,能夠很好地抑制風(fēng)沙流中輸沙率的增大。3.3地表細(xì)粒化和粒徑組成從表7可知,土壤機(jī)械組成中,0.05～0.5mm粒徑含量最多,占68.68%～96.99%。說明該地區(qū)土壤具備潛在的風(fēng)蝕因子,一旦裸露很容易被風(fēng)蝕。我們可以看出,沙丘地表層土壤明顯粗化,0.25～0.1mm粒徑含量都在增大。稀疏荒草地、荒草地0.05～0.1mm的粒徑含量明顯增加,表層土壤明顯細(xì)?；?。耕地各個(gè)粒徑的含量比較均勻,沒有出現(xiàn)典型的粗?；F(xiàn)象。這主要是因?yàn)橹脖坏谋Ｗo(hù)作用使地表粉粒、粘粒不易被風(fēng)吹蝕、搬運(yùn),使地表物質(zhì)顆粒的機(jī)械組成比較均勻。相反,沙丘、平緩流動(dòng)沙地等由于缺少植被的保護(hù)作用,更容易發(fā)生風(fēng)蝕,使沙粒的組成出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。因此,在無植被覆蓋的季節(jié)地表處于易風(fēng)蝕狀態(tài),從而源源不斷地為風(fēng)沙流的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。3.4治理技術(shù)3.4.1生態(tài)治理與綜合措施根據(jù)亞濕潤干旱區(qū)永定河沙地的特點(diǎn),本著“治理與開發(fā)并重”的原則,應(yīng)用工程措施和生態(tài)工程措施相結(jié)合的辦法,宏觀控制沙害,微觀治理沙地,以風(fēng)蝕、水蝕荒漠化的預(yù)防、治理和沙地的綜合開發(fā)利用為基本出發(fā)點(diǎn),以改善其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為基礎(chǔ),同時(shí)獲取最大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益為目標(biāo)。實(shí)施建設(shè)園林景觀防護(hù)體系,果農(nóng)混作,綜合開發(fā),組合配套應(yīng)用先進(jìn)技術(shù),封育河床沙地,保護(hù)天然植被等綜合技術(shù)。通過國家“九五、十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究與示范,對(duì)于永定河沙地防治沙地風(fēng)蝕起到有力的推動(dòng)作用。3.4.2營造多功能園林景觀防護(hù)體系園林景觀型防護(hù)林體系的樹種選擇由毛白楊、刺槐為主的防護(hù)林轉(zhuǎn)向由落葉常綠樹種搭配、喬灌草相結(jié)合的樹種結(jié)構(gòu),同時(shí)喬、灌、草科學(xué)搭配,點(diǎn)、帶、網(wǎng)、片相結(jié)合。模式最終形成了以造林治沙、農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)、永定河百里長堤綠色長廊建設(shè)工程、“京九”鐵路綠化工程、村鎮(zhèn)綠化等為龍頭,營造兼具防護(hù)、生產(chǎn)、美化于一體的有特色的多功能園林景觀防護(hù)體系。其中“帶”是以鐵路、公路、河堤兩側(cè)的景觀生態(tài)型防護(hù)林帶為主,“點(diǎn)”是以人口相對(duì)集中的村鎮(zhèn)為中心的村鎮(zhèn)四旁綠化,街心公園等綠化景點(diǎn)、果園為主,“網(wǎng)”是以農(nóng)田路渠周邊以生態(tài)經(jīng)濟(jì)性農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)為主,由于帶、點(diǎn)、網(wǎng)之間特定的地理位置不同,體現(xiàn)著多種功能效益。3.4.3進(jìn)新技術(shù)和新品種永定河沙地的水、土、氣候條件非常適宜發(fā)展果樹生產(chǎn)。加大投資力度,引進(jìn)新技術(shù)和新品種,大力發(fā)展果品基地。興建綠色精品梨示范園,栽植品種觀摩試栽園、旅游觀光農(nóng)業(yè)基地,現(xiàn)已建成特色花卉觀賞基地和觀光水果基地,以精品農(nóng)業(yè)為中心發(fā)展觀光農(nóng)業(yè),既取得了農(nóng)業(yè)豐收又獲得了延伸效益。3.4.4自動(dòng)化控制其他節(jié)能技術(shù)研究、引進(jìn)、集成和示范先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品,主要試驗(yàn)、推廣的技術(shù)有:自動(dòng)化控制節(jié)水灌溉技術(shù)、生物改良土壤技術(shù)、沙地緩釋新型肥料、化學(xué)固沙、沙地節(jié)水型果農(nóng)復(fù)合種植技術(shù)、節(jié)水型草坪規(guī)?；ㄖ布夹g(shù)、組織培養(yǎng)等新技術(shù),以及固沙、改土、集水、節(jié)水綜合配套應(yīng)用技術(shù)。3.4.5活化程度較高由于河床連年干枯,地下水位逐年下降,沙地的活化程度較高,部分地段甚至出現(xiàn)較小的沙丘。因此,在該地段要實(shí)施全面的封育措施,進(jìn)行植被恢復(fù),禁止一切放牧、種植以及挖沙的活動(dòng)。4不同下墊面層的摩阻速度分布(1)近地層風(fēng)速隨高度增加而增加,風(fēng)速隨高度服從對(duì)數(shù)分布規(guī)律。若把自變量看成是高度的常用對(duì)數(shù),這樣擬合方程就看作是一元一次線性方程。就方程的斜率而言,不同下墊面降風(fēng)比率大小次序是荒草地>稀疏荒草地>耕地>流動(dòng)沙地;由于下墊面性質(zhì)不同導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的摩阻