位山灌区沉沙池清淤高地风蚀规律研究

陈凤琴，田增刚，张方方，宗萍萍

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013； 2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250013； 3.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

由风蚀所引起的土地退化和沙尘暴是中国北方最严重的环境问题之一，已成为生态环境恶化的重要标志。土壤风蚀过程非常复杂，是多种自然因素和人为因素共同作用的结果。

山东风沙区的土地风沙化及土壤侵蚀状况，在湿润半湿润风沙区具有广泛的代表性和典型性。山东风沙区主要涉及鲁北、鲁西北、鲁西南，风沙化土地主要分布在黄河故道和引黄灌渠沿线风蚀，造成土地退化、水土资源短缺、风沙蔓延、环境恶化等一系列生态问题，严重影响了当地群众的生产生活，制约了经济社会的可持续发展。经调查，2010年山东风沙区轻度以上风蚀面积为 8 100.59 km2，占土地总面积的15.89%，其中轻度风蚀面积为 3 919.91 km2、中度3 292.15 km2、强烈888.53 km2。自2012年3月起，在位山灌区沉沙池清淤高地安装全自动风蚀监测设备(德国UGT公司生产)，同时配套自动气象站，开展风蚀监测研究，分别于2012、2013年对风蚀研究区内土壤进行采样，研究山东风沙区主要影响因子对风沙灾害的影响，以期为该区域风沙治理方案的确定提供参考依据。

1 研究区概况

位山灌区位于山东聊城市，地理位置为115°22′～116°34′E、35°50′～37°02′N，灌区范围主要分布在徒骇河、马颊河流域及黄河两岸。位山灌区始建于1958年，1962年停灌，1970年复灌，现渠首设计引水流量240 m3/s，设计灌溉面积36万hm2，控制东昌府、临清、茌平、高唐、阳谷、东阿、冠县和开发区8个县(市、区)的90个乡(镇)的全部或大部分耕地，总土地面积达5 380 km2，是黄河下游最大的引黄灌区，居全国特大型灌区第5位。位山灌区处于暖温带，光热资源充足，无霜期较长，具有冬寒少雪、春旱多风、夏热多雨、秋晴日照长的自然特点，以及春秋易旱、冬季干寒的气象特征。灌区多年平均降水量为557.47 mm，其中6—9月份降水量为410.50 mm，占全年降水量的73.64%，降水量年际变化也很大，最大年降水量为987.0 mm，最小年降水量为309.7 mm，多年平均水面蒸发量为1 287.7 mm，为多年平均降水量的2.3倍。目前灌区内农作物以小麦、玉米为主，兼作棉花、花生、大豆等，复种指数为1.71。

2 研究方法

2.1 风蚀自动监测设备

SUSTRA(Suspension Sediment Trap)是由德国风蚀研究项目(German Wind Erosion Reserch Project)研制(Kuntze and Beinhauer, 1989)、德国UGT公司生产的用于风蚀监测的专业仪器设备，可监测自然界的风沙运动趋势和土壤风蚀作用、土壤沙化与荒漠化监测、土壤有机质剥蚀等。SUSTRA风蚀监测系统带有360°自动风向控制的沙尘采集装置，风沙采集口始终朝向沙尘吹来的方向，收集随风扬起的沙尘，并沉降到采集容器中，即时通过电子天平称量，质量数据由数据采集器自动、连续采集记录(数据采集器还可自动记录收集沙尘的时间)，同时利用可选的外接气象单元，同步监测记录风蚀过程中的风速、风向、温湿度和太阳辐射等气象因子。

2.1.1 设备特点

SUSTRA风蚀监测系统具有如下特点：自动记录风蚀沉淀物侵蚀的起始时间、强度，以及沉淀物随时间变化的累计量；记录相关过程中的气象参数如风速、风向、温湿度、雨量、太阳辐射、土壤水分与土壤温度等；采集粒径范围为中等到细的沙尘，采集效率达80%。

2.1.2 技术指标

SUSTRA风蚀监测系统设备测量间隔为5 min，RAM内存容量可连续监测80 d(5 min时间间隔)；测量范围为0～1 200 g，测量精度为0.1 g；进风口内径50 mm、高度23 cm，通过调节称重箱的埋深可以调节进风口离地面的高度。

2.2 风蚀量监测

在位山灌区沉沙池清淤高地安装风蚀自动监测设备一套，自2012年3月至2013年8月进行24 h连续不间断的风蚀量监测，历时1.5 a。仪器安装在开阔区域，满足观测试验条件。风蚀监测设备自动集沙口距离地面25 cm，每15 min记录一次数据，精度达0.1 g。

2.3 土壤颗粒组成测定

在2012、2013年位山灌区沉沙池清淤高地对地表(深度0～10 cm)土壤进行土壤养分及土壤颗粒组成分析，共设24个取样点，每个取样点随机重复取样3次。同时，采用激光粒度仪(Malvern Mastersizer 2000粒度分析仪，马尔文有限公司生产)对风蚀自动监测设备内收集的样品进行颗粒分析。

2.4 风速、土壤湿度及周围环境监测

结合自动气象站对研究区气象参数进行24 h记录，为了与风蚀记录相吻合，设定为每15 min记录一组数据。自动气象站监测风速、瞬时风速、风向、土壤湿度、温度、降雨量等。试验时，监测土壤湿度的探头分别放在距离土壤表面30、60、90 cm处。周围环境变化情况：在2012年3月底、4月初整地种植棉花，在2012年4月沉沙高地地表几乎全部裸露，2012年底实施覆淤还耕技术后，至2013年4月地表覆盖约20 cm高小麦。

3 研究结果

3.1 风蚀量及风蚀规律分析

3.1.1 风蚀量监测结果

由风蚀监测结果可以得出，2012年3月至2013年8月监测风蚀量共计316.6 g，考虑到仪器的精度为0.1 g，15 min内风蚀量为0.1 g的不计入，则有135组风蚀量数据，共产生风蚀量265.49 g。监测期间风蚀量集中在3、4月份，分别占监测期间风蚀量的45.62%、51.97%。对135组风蚀数据进行分析，连续30 min产生风蚀的事件共9次，其中有4次连续1 h以上均产生风蚀；无植被覆盖情况下，最小起沙风速为3.71 m/s，最大起沙风速为7.74 m/s，最小起沙瞬时风速约为5.94 m/s，最大起沙瞬时风速约为12.62 m/s。

由于研究区风蚀量主要集中在3、4月份，因此选择监测时间相对完整的2012、2013年4月的风蚀量及气象参数进行对比分析，结果见表1。对比2012、2013年4月份气象条件，2012年4月降雨量为64.00 mm，比2013年4月的9.18 mm多54.82 mm，但2012年4月风蚀量却比2013年4月多155.9 g。这是因为周围环境条件发生了变化，2012年4月位山灌区研究区未开展治理，沉沙高地地表几乎全部裸露，在2012年底实施了覆淤还耕措施后，至2013年4月地表覆盖了约20 cm高的小麦，植被覆盖度明显增加，受植被覆盖度变化影响，侵蚀量大幅度降低，减少了约98%。由表1知，有作物覆盖(2013年4月)的最小起沙风速为4.82 m/s，无作物覆盖(2012年4月)的最小起沙风速为3.71 m/s；有作物覆盖的最小起沙瞬时风速为8.72 m/s，无作物覆盖的最小起沙瞬时风速为5.94 m/s；有作物覆盖时达到最小起沙风速(4.82 m/s)的时间为46 h，无作物覆盖时达到最小起沙风速(3.71 m/s)的时间为134 h。

表1 2012年4月与2013年4月研究区各参数比较

3.1.2 风蚀量与风速的关系

在位山灌区，风蚀灾害的主要贡献因素是风速。考虑到位山灌区在2012年3月底、4月初整地种植棉花，整地以后土壤表层含水量在同一时间段内基本一致，周围环境一致性高，为保证温度一致，选择11:00—15:00的侵蚀数据共40组，对同一时间风蚀量与风速、瞬时风速的关系进行分析。

用SPSS数据统计分析软件进一步对风蚀量与起沙风速、起沙瞬时风速之间的关系进行分析，建立了风蚀量与起沙风速、起沙瞬时风速之间的指数关系。在外界环境高度一致的情况下，起沙风速大于3.71 m/s时，风蚀量与起沙风速之间存在很好的指数关系，即y=0.001e1.206x，R2=0.885；起沙瞬时风速大于5.94 m/s时，风蚀量与起沙瞬时风速之间存在较好的指数关系，即y=0.003e0.65x，R2=0.600。

3.2 风蚀影响因子及影响机理

3.2.1 土壤颗粒组成

由于颗粒间黏聚力、地表粗糙度与持水力等不同，不同粒径土壤的风蚀临界风速值差异显著，因此由不同粒级的颗粒组成的质地不同的土壤在相同风力作用下的风蚀量大不相同。根据粒径不同，土壤颗粒在风的作用下将以悬移、跃移及表层蠕移的形式运动。一般情况下，粒径小于0.1 mm的土壤颗粒以悬移的形式运动，约有88.5%的土壤颗粒以悬移质的形式运动到较远的地方；粒径为0.1～0.15 mm的土壤颗粒最容易以跃移的形式运动，跃移质都在地面附近运动；粒径为0.5～1.0 mm的土壤颗粒一般以表层蠕移的形式运动[1]。

对研究区表层土壤颗粒进行分析，分别统计粒径<0.25、0.25～0.5 mm的土壤颗粒含量，分析结果表明，表层土壤颗粒粒径绝大部分小于0.25 mm，其中粒径为0.1～0.25 mm的土壤颗粒占全部土壤颗粒的10%以上，具备风蚀和土壤沙化的条件。

3.2.2 土壤水分含量

土壤风蚀量对土壤水分含量特别敏感，水分可通过提高起沙风速进而影响风蚀量。土壤水分含量越大，土壤颗粒之间的黏附性越大，在同样的风速吹蚀下越不容易被风吹蚀。反之，含水量低的土壤，更容易遭受风力的吹蚀。物质的风蚀可蚀性与土壤含水量成反比[2]，发生土壤风蚀的上限含水量为3%～4%[3]，当含水量超过4%时，一般不会出现风蚀[4]。土壤风蚀量随含水量的平方呈线性减小趋势[5]。

研究区旱、风同季，旱季降水量仅为全年的15%，但大风日数却占全年的50%。低降水量及高蒸发量导致土壤水分含量低，地表沙性物质结构松散，在大风天气下风蚀极易发生。通过对研究区连续2年土壤含水量的观测，3—4月份土壤含水量最低，表层土壤平均含水量在2.5%左右，容易发生风蚀。

3.2.3 风 速

不同粒径的土壤颗粒起沙风速不一样。对于较粗的土壤颗粒，根据朱震达等[6]在中国沙漠地区的观测结果，粒径0.1～0.25 mm的土壤颗粒起沙风速(距地面2 m处的风速，下同)为4.0 m/s，粒径0.25～0.5 mm的土壤颗粒起沙风速为5.6 m/s。随着土壤颗粒粒径的减小，其起沙风速也相应减小。

据观测，研究区风速大于3.71 m/s时开始飞沙。山东风沙区大风产生风蚀主要集中在3、4月份，持续达到3 h以上起沙风速的天数平均为10 d/a左右。对位山灌区连续2年风蚀量与风速关系的分析结果表明，风蚀量很大程度上取决于风速的大小和持续时间，风速对风蚀灾害的贡献最大。

3.2.4 植被覆盖

风力侵蚀主要发生在近地表，着生于地表的植被可对风蚀过程发生干扰。植被直接覆盖地表，避免了覆盖部分风与沙的直接接触从而防止风蚀过程的发生，同时植被可减小一定高度内气流对地表的动量传输，并拦截风沙流使沙粒沉积。随着植被覆盖度的增加，风沙土的风蚀率急剧下降，当植被覆盖度超过30%时，基本上无风蚀发生。

根据研究区的实际情况，建议在风蚀区种植小麦，增加风蚀季节植被覆盖度，以减少春季整地产生的风蚀。

4 结 语

本研究课题引入了先进的风蚀监测设施，首次在位于山东风沙区的位山灌区沉沙池清淤高地开展了24 h 不间断监测试验，监测风蚀量，对影响沙化区风蚀灾害的主要贡献因素(风速)开展了定量研究，建立了风蚀量与起沙风速、起沙瞬时风速之间的指数关系，为研究区风沙治理方案的制订提供了数据参考。

(1)研究结果显示，无植被覆盖情况下最小起沙风速为3.71m/s，最大起沙风速为7.74m/s，最小起沙瞬时风速约为5.94m/s，最大起沙瞬时风速约为12.62m/s；有作物覆盖时最小起沙风速为4.82m/s，最小起沙瞬时风速为8.72m/s，比无作物覆盖时提高了30%～47%。起沙风速大于3.71m/s的情况下，风蚀量与起沙风速之间的指数关系为y=0.001e1.206x，R2=0.885，起沙瞬时风速大于5.94m/s的情况下，风蚀量与起沙瞬时风速之间的指数关系为y=0.003×e0.65x，R2=0.600，说明风蚀量很大程度上取决于起沙风速的大小和持续时间，特别是有作物覆盖情况下大于4.82m/s的起沙风速和无作物覆盖情况下大于3.71m/s的起沙风速对侵蚀量贡献最大。

(2)根据山东风沙区大风产生风蚀主要集中在3、4月份的情况，建议在风蚀区种植小麦等不需要春季整地的农作物，以减少春季整地产生的风蚀量，同时考虑作物留茬，通过作物留茬减弱风速和吸附土粒防止发生风蚀。麦田留高茬(20～30 cm)可使一般地表粗糙度提高近12倍，近地风速降低约50%，土壤含水率提高10%～15%。

[参考文献]

[1] 许晓华,史红玲.位山灌区泥沙淤积对生态环境的影响及对策分析[J].灌溉排水学报,2007,26(4):32-37.

[2] CHEPIL S W.Dynamics of wind erosion:Ⅰ.nature of movement of soil by wind[J].Soil Science,1945,60(4):305-320.

[3] NICKLING W G.Eolian sediment transport during dust storms:Slims River Valley,Yukon Territory[J].Canadian Journal of Earth Sciences,1978,15(7):1069-1084.

[4] CHEPIL W S.Influence of moisture on erodibility of soil by wind[J].Soil Science Society Proceedings,1956,20(2):143-146.

[5] 董治宝,陈渭南,李振山,等.风沙土水分抗风蚀性研究[J].水土保持通报,1996,16(2):17-22.

[6] 朱震达,吴正,刘恕.中国沙漠概论[M].修订版.北京:科学出版社,1980:1-10.