3.1　退化草地风蚀特征分析

3.1.1　试验设计

3.1.1.1　土壤风蚀野外定位观测

在锡林河流域选择具有代表性的典型生境地段,依据地形、土壤、植被盖度的差异,共设置5个风蚀试验观测样区,如图3-1所示,分别为样区Ⅰ(大唐排土场——东经116°12'59″,北纬44°2'19″)、样区Ⅱ(阿尔善——东经116°7'39″,北纬44°23'9″)、样区Ⅲ(白音锡勒——东经116°40'16″,北纬43°41'44″),样区Ⅳ(水库——东经116°7'8″,北纬43°50'8″),样区Ⅴ(毛登牧场——东经116°29'55″,北纬44°7'11″),在每个样区进行有关的野外定位观测试验,野外监测样地概况见表3-1。

依据锡林河流域植被盖度、土壤类型以及地形等因素,在这五处选定样区内设置风蚀观测小区。监测小区面积约8m×8m,用网围栏将周围围好,防治牲畜破坏。在风蚀监测小区内布设气象站、集沙仪、风蚀测钎、降尘缸等设备,观测风蚀小区周围的风速廓线、起沙量、风沙流结构、风蚀量以及降尘量。

每年的风季,主要在1—5月及10—12月,在各样区开展野外定位观测试验,观测各样区不同下垫面条件下有关风蚀参数(风速、输沙通量、风蚀厚度等)。风速观测采用HOBO气象站,每套风速观测系统配备风速风向传感器S-WSET-A 1个、风速传感器S-WSA-M003 4个,风速采集在20cm、50cm、100cm、150cm和200cm五个高度,每5s观测记录一个风速数据。在观测风速的同时,对各样区的输沙量进行观测,每个样区布设旋转式梯度集沙仪2个。退化草地恢复重建水土保持关键技术研究所用的集沙仪属通风式旋转集沙仪,可收集近地表100cm高度以内的来沙量,分10个梯度,分别为5～10cm、15～20cm、25～30cm、35～40cm、45～50cm、55～60cm、65～70cm、75～80cm、85～90cm、95～100cm。进沙口采用5cm×5cm规格,排风口位于集沙管中部,并安装了固定尾翼,可随风向的改变而旋转,收集任意方向的近地表沙粒。通过对收集的沙子进行称重,并配合试验地的风速和风向,可计算试验地近地表输沙率。

3.1.1.2　风洞模拟试验

1.试验设计

风洞模拟试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所风洞实验室完成,该风洞是直流闭口吹气式低速风洞,由动力段、整流段、试验段、扩散段四部分组成,洞体长37.78m,试验段长16.23m,矩形横截面积1m(宽)×0.6m(高),洞身为木质结构,风速由1～40m/s连续可调。试验土样为半干旱典型草原地区的栗钙土原状表层土及扰动土样。试验时将有效吹蚀面积为20cm×30cm的原状土样置于风洞试验段中部,土壤表面与风洞底板持平。试验风速以上风向风洞底板表面30cm高度的自由流速为准,利用皮托管测定。首先测定原状土样的临界侵蚀风速,然后分别进行10m/s、13m/s、16m/s、19m/s、22m/s、25m/s净风条件下0～10min内的吹蚀试验;然后再进行各样区扰动土风蚀试验,并进行10m/s、13m/s、16m/s、19m/s、22m/s、25m/s风速条件下的吹蚀试验。试验过程中测定了不同土样和风速条件下的风速廓线。集沙仪放置在样品盘下风向30cm中间位置,每次吹蚀结束后将其取出,收集各集沙盒内的沙土样品并称量,然后重新铺设样品盘进行下一次试验。

2.风蚀物的采集

风蚀物由旋风分离式集沙仪采集,集沙仪安置在风洞轴线上且距风洞出口1.2m处,收集待测地表在5种风速下吹蚀的风蚀物,用精度为百分之一的电子天平称重。WITSEG集沙仪总高40cm,是按垂直方向排列的线状被动式集沙仪,楔形入口段有30个进沙口,分别与30个集沙盒相连,每个进沙口为1cm(高)×0.5cm(宽),每个集沙盒的最大集沙量为18g。在数据分析时1cm高度代表0～1cm高度内集沙,2cm高度代表1～2cm高度内集沙,依次类推。

3.挟沙风的模拟

挟沙风采用排沙器定量排沙模拟,排沙器安置在风洞洞顶且位于试验段入口位置,6根排沙管与6个输沙漏斗相接从风洞洞顶插入风洞。根据风沙流结构,其运动以距地面30cm高度的范围为主。试验时排沙管底端距风洞底面距离为12cm。排沙器转速统一定为29r/min,试验前对排沙器传动部分及槽轮位置调试以确保排沙性能稳定。

4.土样采集

试验于2013年6月进行,该试验中只考虑植被因子的影响,在试验区露天矿南一号排土场采集无植被覆盖的土样(即扰动土),该土样土体结构和地表植被均已破坏。同时在矿区外北侧草地上采集植被盖度15%、30%和45%的下垫面的土样,不破坏土体结构和地表植被,取样体积为20cm×30cm×20cm。用密封的铁皮箱装集采好的土样,运往实验室进行风洞土壤风蚀模拟试验。

3.1.2　退化草地风速廓线测定分析

风况信息的测定是采用小型气象站进行风速和风向数据的采集,该仪器主要由数据采集器、风杯、风向标和支架构成。观测时将小型气象站架设在试验样地中,风杯分别设置20cm、50cm、100cm、150cm和200cm高度进行风速数据的测定,同时设置风向标测定风向。

风速廓线是指风速随高度的分布曲线。在风蚀过程中,土壤颗粒的运动是由施加于地表的风力引起的,而风速梯度变化则决定着地表物质受风力作用的强度。在近地层中,风受到地面摩擦阻力的影响而降速,一般因摩擦力随高度增加而减小,所以风速随高度增加而增大。据前人的研究,在中性层结条件下,对于光滑裸露沙面,近地层风速随高度的变化,即风速廓线方程为:

可见,地面无植被存在的条件下,风速随高度变化遵循对数规律。当地面有植被覆盖时,风速廓线分布有所变化。从图3-2可以看出,各样区风速随高度的增加而增大的趋势仍然存在,基本符合近地面层风的基本特性,但是各样区风速廓线也存在一定差异。样区Ⅴ的风速廓线形态较为复杂,呈现出S形的变化趋势:高度20～200cm范围内,在20～50cm高度,风速增长率较大,但并非最大增幅,在50～100cm高度区间风速增长率最大,而后在100～200cm高度风速增长率逐渐减小。样区Ⅳ的风速廓线变化规律性基本与此相似。样区Ⅱ的风速廓线表现出不一样的变化趋势:高度20～200cm范围内,在20～100cm高度,风速增长率较大,在100～200cm高度区间风速增长率则逐渐减小。其他几个样区的风速廓线形态较简单,基本呈现对数分布规律。产生以上差别,主要是由于风速的变化情况受到地表植被生长状况与植被覆盖度因素的影响。结合样地内植被调查情况,可以看出,样区Ⅳ和样区Ⅴ植被状况较好,植被高度和盖度均高于其他几个样区,当近地表气流经过时,地表的植被起到一定的阻碍作用,能有效降低风速;而样区Ⅱ植被受到破坏,人为干扰严重,地表植被盖度小,降低风速的作用明显降低。因此,由于各样区内植被状况不同,使得各层风速降低幅度也存在一定的差异。

风洞试验也得出同样的规律,风速沿垂直高度的分布(风速廓线)满足对数规律,在半对数纸上表现为一条直线。用最小二乘法对风洞试验获得的不同高度的风速进行拟合,结果表明风速廓线的最佳拟合曲线为对数函数,具体表达式为:

u=a ln(z)+b

式中　a,b——拟合系数,拟合系数见表3-2,相关系数R2>0.91。

研究风沙运动,首先要了解近地面层风的性质。对于确定某一种风的可能搬运沙粒数量来说,风速是最重要的。大气做湍流运动时,各点的流速大小和方向将是随时间脉动的,表现出风的阵性。因此,在讨论近地层大气的风速时,是用一定时间间隔的平均风速代替瞬时风速,风速廓线是一个主要的指标。风沙活动层的风速廓线是运动沙粒与气流相互作用的产物,它们之间存在一种互馈机制。风沙活动层中风速随高度的分布遵循对数规律,但由于不同的下垫面对气流紊动性的影响程度不同,携沙气流的能量分布变化很大,使得沙颗粒在风沙活动层的高度分布受下垫面环境参数的影响,最终导致不同下垫面风沙活动层的风速与特定的下垫面存在很大的相关性。无论是何种下垫面,由于携沙气流的能量随风速的增加在增加,相应地风沙活动层的范围也与风速呈正比增加。

3.1.3　退化草地地表粗糙度特征

地表空气动力学粗糙度z0是指近地表平均风速为零的高度,它表示地表的粗糙程度,是影响土壤抗风蚀能力的一个重要因素。在近地面气流中,由于地面对气流的阻力随高度的增加而减小,风速随高度的增加而增加。因此,在近地面的高度上可以找到风力与地面阻力相等的高度,这个高度以下的风速均为零。土壤风蚀是近地表气流与土壤物质之间相互作用的结果,而植被对气流的影响和对地表的保护作用主要是通过增大空气动力学粗糙度,提高摩阻速率来实现的。因此,地表空气动力学粗糙度是表征植被对气流影响强度的重要动力学参数。

粗糙度由风速按对数规律分布为依据的公式计算

下垫面对风速与风的结构的影响主要体现在几何方面,因此地表形态的波伏和波伏程度可以划分到粗糙性的范畴当中去。地表粗糙度是表征下垫面粗糙性的一个最重要指标,增加地表粗糙度可以有效减弱、控制风沙流。各试验样区不同利用方式下草地的地表粗糙度计算结果见表3-3～表3-7。

对各样区的地表粗糙度研究发现,植被作为地理环境的重要组成部分,处于大气圈与土壤圈之间,强烈影响着大气圈与土壤圈的能量转换与传递,因而是影响土壤风蚀最活跃的因素之一。一定地表条件下的空气动力学粗糙度z0并不是一个常数,一般随风速的增大而增大,植被盖度对地表粗糙度也有着显著的影响。由表3-3～表3-7可见,随着植被盖度增加,粗糙度呈现出不同程度增加趋势。样区Ⅴ的地表粗糙度最大,是样区Ⅰ(人为扰动地表)粗糙度的2.96倍,明显高于人为干扰后自然恢复草地的地表粗糙度。样区Ⅳ的地表粗糙度次之,是人为干扰草地地表粗糙度的2.79倍,人为干扰地表的地表粗糙度最小。这是由于样区Ⅳ和样区Ⅴ植被生长良好,植被的盖度及高度均较高,使其下垫面的波伏程度增加,可对过境的风沙流起到较好的阻碍作用,而人为干扰草地受到了外界干扰,虽经历了自然恢复阶段,但时间较短,加之破坏时覆盖土较厚,严重破坏了原地表的植被,使得人为干扰草地的植被盖度和高度均较低,当风沙流过境时,不能有效地减小风速、降低风沙的侵害。

各风速条件下粗糙度变化规律大体一致,不同植被盖度对应的粗糙度值随风速增加逐渐增加,风洞试验中,所设的几个风速水平下,18m/s风速空气动力粗糙度最大,最小为6m/s。图3-3表明,以25%为界,当植被盖度小于25%时,空气动力学粗糙度随着地表植被盖度增加近似线性增加;之后缓慢增加,只是增幅不如前者明显,表明植被盖度的变化引起近地表气流流场性质发生了本质变化,流场变化直接反映了空气动力学粗糙度动态变化的结果。植被盖度增大,摩阻速度相应增大,根据摩阻速度的定义可求得地面剪切阻力,摩阻速度越大,地表气流遇到的阻力也越大,从而有效抑制了风蚀的发生。各风速下植被盖度与空气动力学粗糙度的相关关系见表3-8。

对不同中心风速下植被盖度与空气动力学粗糙度的关系进行分析得出,空气动力学粗糙度随植被盖度的增大呈三次函数增加。

下垫面粗糙度主要取决于地面组成物质、地形地貌及覆盖物性状。试验表明,随着粗糙度的增加,相对应各测点的风速值依次降低。从粗糙度与风速的关系曲线(图3-4)也可以看出,二者呈负相关关系,粗糙度越大,摩擦阻力就越大,相应点的风速就越小,这样隔绝风蚀不起沙的作用就越大。由此可见,地面结构特征也是引起风蚀的关键因子之一,所以我们可以通过改变地表性质,增加下垫面粗糙度来有效地预防和治理草场风蚀沙化。

3.1.4　退化草地风沙流结构特征

3.1.4.1　起沙风速

静止的土壤沙粒必须在一定风力条件下才能开始运动,当风速增大到某一临界值时,地表沙粒得以从气流中获得足够的水平动量并最终脱离静止状态开始运动,这个使沙粒开始运动的临界风速称为启动风速。植被盖度与启动风速见表3-9,地表沙土的启动风速随着植被盖度的增加而增大,其中扰动土的启动风速最低,说明植被对地表起沙具有一定的保护作用。这主要是由于植被降低了风速,使启动风速增大,并且无破坏的土样表层具有结皮,能够抵御一定强度的风速,从而提高启动风速,降低风蚀。

3.1.4.2　风沙流结构

1.各样区风沙流结构特征

气流搬运的沙子在搬运层内随高度的分布称为风沙流结构。土壤风蚀过程中,风沙活动属于近地层运动,风沙活动层内输沙率随高度的分布是携沙气流能量空间梯度变化的直观表现。通过研究风沙流中沙量在垂直高度上的分布及变化规律,可以进一步认识近地表沙粒运动的特征及启动机制。从图3-5各样区风沙流结构特征中可以看出,各样区输沙率随高度分布具有一定的规律性,同时表现为单峰曲线变化,但主要集中在近地表5～25cm高度范围内。当高度大于25cm以后,随着高度的增加,输沙率呈现减少的趋势,人为扰动地表样区Ⅰ输沙率明显高于其他各样区。

2.不同植被盖度风沙流结构特征

输沙率表示一定风速条件及沙源条件下的地表输沙能力,是确定和衡量土壤抗风蚀能力的一个重要指标,在土壤风蚀研究中占有重要的地位。植被盖度是影响土壤风蚀最敏感的自然因素,植被覆盖可通过多种途径对地表土壤形成保护。不同植被盖度下的不同风速风沙流结构如图3-6～图3-9所示。

当植被盖度为0%时(图3-6),随着风速的增加,在高度0～2cm区间内输沙量逐渐增大,高度2cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减,最大输沙率均在2～3cm范围内。

当植被盖度为15%时(图3-7),不同风速下输沙率均随着高度增加呈现先增加后骤减的趋势,最大输沙率在高度2～3cm处,但风速为19m/s、22m/s和25m/s时,输沙率随着高度层(高度层大于10cm)的增加而上下波动。

当植被盖度为30%时,10m/s未收集到任何风积物。由图3-8可知,13m/s和16m/s两个风速下输沙率在0～5cm高度范围内呈增加趋势,最大输沙率在高度4cm处,然后急剧减少,风沙流中风蚀物集中在9cm高度以内;当风速为19m/s,22m/s和25m/s时,最大输沙率跳跃到高度14～15cm。

当植被盖度为45%时,10m/s未收集到任何风积物;风速13m/s时,仅在高度17cm处收到0.016g风积物;16m/s时在高度6cm和11cm分别收集到风积物0.002g和0.006g,其他高度均无风积物。由图3-9可见,风速19m/s时,0～6cm高度内没有收集到风积物,6～9cm高度内呈增加趋势,最大输沙率在高度9cm处,然后急剧减少,当风速为22m/s时,最大输沙率跳跃到高度7～11cm;风速为25m/s时,最大输沙率跳跃到高度10～12cm。

由于植被影响风速,造成气流不稳定形成紊流,使得各高度层输沙率呈跳跃式分布;随着植被盖度的增加,近地层的输沙率不断减小,最大输沙率的高度层不断上移,说明植被盖度的增加对地表风力侵蚀具有一定的防护作用。这主要是因为风速增加时,由于植被的影响,吹起来的沙粒弹跳高度增加,使这一区域输沙率明显高于高度层输沙率。

可见,植被盖度是影响土壤风蚀的最敏感的自然因素,植被覆盖可通过多种途径对地表土壤形成保护,植被覆盖率与风蚀输沙率之间的定量关系一直是风沙动力学研究中的热点和难点问题。因此,植被盖度的高低也可以认为是决定其发生的风蚀危害程度的主要因素。为了研究草原植被盖度与土壤风蚀量的定量关系,将不同盖度水平下各高度输沙量累积,分析植被盖度与输沙量的相关性,分析各风速下不同植被盖度与输沙量的相关性。

随着植被盖度的增大,土壤风蚀量迅速减少,风速越大植被对地表的保护作用越明显。相关分析表明,不同风速下植被盖度与风蚀量之间呈幂函数相关,16m/s风速下,植被盖度与输沙量呈极显著幂函数关系。植被盖度与输沙量的相关关系见表3-10。

3.1.5　地表风蚀强度空间差异

在各样区布设集沙仪观测风蚀输沙率的同时,布设测钎进行风蚀厚度的观测。于每年的风季,在各样区布设简易观测小区,将直径0.5～1.0cm、长50～100cm类似钉状的铁钎布设在划定的10m×10m观测小区内,分上、中、下三排,左、中、右三行布设铁钎。每隔15d读取一次测钎离地面高度变化值,同时设置风速风向仪,记录每天的地面风速资料,大风出现的时间、频次,整理统计监测区内各级起沙风的历时,然后分析风蚀量,计算公式见3-3,观测结果见表3-11。

通过对各样区风蚀强度的连续观测、计算,从表3-11中数据可以看出,不同地表条件下风蚀现象明显不同。人为扰动地表样区Ⅰ的风蚀强度最大,其次为样区Ⅲ,随着植被和土壤条件的改善,风蚀强度逐渐降低。