内蒙古希拉穆仁草原风蚀水平观测研究

张瑞强， 高天明， 郭建英

(水利部 牧区水利科学研究所， 内蒙古 呼和浩特 010020)

阴山北麓地区位于中国北方边陲，涉及内蒙古自治区11个旗县，总面积约6×104km2，是中国北方重要的生态安全屏障。近年来，由于干旱和人为干扰加剧，该地区草原出现了严重退化、沙化，风蚀现象愈演愈烈，不仅对当地人民的生产生活造成影响，而且威胁北方地区的生态安全[1-2]。因此，防治草原退化、沙化，降低草原风蚀水平刻不容缓。研究区位于阴山北麓的达茂旗希拉穆仁草原，其地理位置和植被类型在内蒙古草原中部地区具有较强的代表性，有关该区风蚀特征的长期观测研究目前未见报道。本文通过观测该地区草原的风蚀特征，揭示草原风蚀机理，总结风蚀估算方法，为该地区草原退化、沙化防治，遏止草原风蚀提供理论指导和技术支撑。

1 研究区概况

希拉穆仁草原地处内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)，地理坐标为北纬41°12′—41°31′，东经111°00′—111°20′。气候类型属中温带半干旱大陆性季风气候，春秋季干旱多风，夏季雨量较充沛，冬季干燥寒冷，多年平均降水量为284 mm，集中于7，8月；多年平均蒸发量2 305 mm；年平均气温2.5 ℃，≥10 ℃年积温1 985～2 800℃；年平均日照时数3 100 h，无霜期83 d左右；年平均风速4.5 m/s，主要风向为北风和西北风，年大风日数为63 d，沙尘暴日数20～25 d。该地区位于阴山山脉向内蒙古高原的过渡带，地形低缓起伏，由于长期受风蚀作用，地貌多呈浑圆丘陵波状，平均海拔1 600 m。土壤为各种基岩上发育的幼年土壤，高处表土层较薄，且多为石质质地，粗糙，腐殖质含量很低。地带性植被群落建群种为克氏针茅(Stipakrylovii)，其他主要或优势种有冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)、狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)等多年生旱生草本半灌木植物，呈现典型草原特征。

2 研究方法

2.1 样地设置

研究区位于达茂旗希拉穆仁镇以北3 km的水利部牧区水利科学研究所试验基地，基地面积133.3 hm2，2007年实现完全禁牧，其中100 hm2为自然修复区，无任何人为干扰。选取基地内自然修复区典型地段草地为研究样地。

2.2 研究方法

研究区布置两种集沙仪。一种为德国产UGT型固定进沙口高度的全向集沙仪，该设备进沙口为直径5 cm圆管形，安装高度为25 cm，工作时由调向叶片控制可以始终朝向来风方向，风蚀物收集于密闭腔室的容器内，自动称重电子天平精度0.1 g，测量范围0～1 200 g。该集沙仪共3台，分别布置于坡顶、坡中和坡下部。另一种为自制固定朝向垂直集沙仪，集沙盒安装在0—5,15—20,30—35,45—50,95—100,145—150 cm 6个不同的高度。集沙盒尺寸为：总高11.5 cm，其中进沙口5 cm，下部储沙盒高4 cm，连接处2.5 cm；集沙盒前端进沙口宽2 cm，尾部宽8 cm，总长28 cm，集沙盒通风网为400目的筛孔。自制固定朝向垂直集沙仪沿80 m直径圆周分布，分别布置在8个方向上，每个方向上设置2个集沙仪，分别朝向圆周内和圆周外。该集沙仪总共布置16个。

采用内蒙古农业大学研制的移动式风洞，在草地不同植被盖度下垫面条件下进行了野外模拟试验。该风洞由过渡段、整流段(包括开孔板、蜂窝器、阻尼网和非均匀网格)、收缩段和试验段组成，具有可拆装、可移动特点，能够根据试验需要安置在现场进行试验。其试验段为矩形无底截面，长为7.2 m，截面宽为1 m，高为1.2 m，风速为2～20 m/s连续可调，野外测试由40 kW柴油发电机提供动力。该风洞各截面不同高度上紊流度ε≤1%，气流稳定度η≤3%，气流速度均匀性σv<1%，试验段几乎没有静压损失，其轴向静压梯度≤0.005，风洞能量比达到0.15。经中国科学院寒区旱区环境与工程研究所测定，性能符合开展风蚀模拟试验要求。

对研究区内草地采用1 m×1 m的样方法进行植被监测，进行植被盖度和高度的测量。

风蚀物粒径和肥力分析化验交由内蒙古林科院完成。

3 结果与分析

3.1 植被对风沙活动的抑制作用

许多研究表明，植被对抑制地表风沙活动，减少土壤风蚀有决定性的作用[3-7]。图1为研究区植被高度和盖度的年际变化，图2为3台UGT集沙仪总集沙量平均值的年际变化。由图1—2可以看出，2007年基地封禁初期，植被尚未恢复，风蚀比较强烈。2008年以后随着植被的恢复，近地表风沙活动骤降，风蚀被明显遏制。近几年风蚀水平基本为围封前的1/4左右。

图1 研究区植被高度和盖度年际变化

图2 UGT集沙仪集沙量年际变化

将历年植被高度和盖度分别与3台UGT集沙仪集沙量平均值进行回归分析(图3)。植被高度和盖度与集沙量均呈乘幂关系，回归分析显示集沙量与植被高度：相关系数r=0.813>r0.05,4=0.811，回归效果F=7.79>F0.05(1,4)=7.71，相关较显著，回归效果较强；集沙量与植被盖度：相关系数r=0.638

图3 植被高度和盖度与UGT集沙仪集沙量回归关系

3.2 近地表风沙流廓线规律

根据自制固定朝向垂直集沙仪(6个高度，分别为0—5,15—20,30—35,45—50,95—100,145—150 cm)实地监测和风洞模拟试验结果(12个高度，分别为0—10,10—20,…,110—120 cm)，分析近地表风沙流廓线规律符合半对数线性关系，而且其活动范围基本在1 m高度范围内。研究区集沙仪和风洞模拟试验监测数据拟合整理得如下经验公式：

W=-125.53ln(h)+580.8

(1)

式中：h——集沙仪进沙口离地高度(cm)；W——集沙量(代表风沙流密度)(g)。

拟合相关性指标R2=0.932 2，r=0.966>r0.05,4=0.811，r0.05,10=0.57，F=17.98>F0.05(1,4)=7.71，F0.05(1,10)=4.97，相关显著，回归效果较好。

沙粒跃移是最为重要的运动形式, 这不仅是因为跃移沙粒占全部输沙量的75%以上,而且它也是导致蠕移和悬移的重要原因，如戴全厚等[8]，董治宝等[9]。20—30 cm高度内沙粒移动以跃移为主，如董治宝等[10]，赵永来等[11]，王嘉珺等[12]。

(2)

3.3 风蚀模数估算

根据上述观测研究成果，可推导出如下估算研究区风蚀模数的经验公式，即：

(3)

式中：FW——风蚀模数〔kg/(hm2·a)〕；W25——25 cm高度集沙仪全年集沙量(g)；L——风蚀仪控制范围半径(m)，L取2.5 m。

因此，风蚀模数经验公式又可以简化为：

FW=273.1W25+1 562.1

(4)

用式(4)和集沙仪监测结果估算近年风蚀模数如表1所示。

表1 风蚀模数估算结果

由表1可以看出，2007年风蚀模数明显大于其他年份，2008年以后，风蚀模数呈现出波动下降的趋势。

3.4 风蚀物分析

对风蚀仪收集风蚀物进行粒径分析，发现其中黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、细沙粒(0.02～0.5 mm)3种粒径所占比例分别为1.52%～3.79%，15.27%～35.9%，60.31%～83.03%。不同地势、不同年份收集的风蚀沙粒径组成基本一致。对风蚀物进行肥力分析，得结果如表2所示。

表2 风蚀物养分含量化验结果

由表2中可以看出，风蚀使土壤养分也遭受损失。根据表2可以估算出，每侵蚀1 000 kg土壤，同时就损失15 kg有机质，227 g速效氮， 262 g速效磷和120 g速效钾，肥力损失量惊人。

4 结 论

(1)草原封禁促使植被恢复良好，有效地控制了风沙活动。因此，科学利用，适时封育，是保障中国北方草原生态安全的有效途径。

(2)希拉穆仁草原地区在风力的作用下，地表土壤颗粒被吹起形成近地表风沙流，其范围基本在1 m高度内。植被高度与集沙量呈明显乘幂关系，植被盖度与集沙量的相关关系由于目前样本数量较小而无法明确，这需要今后继续开展监测工作增加样本数量。

(3)风蚀物以细沙粒为主，含量占60%以上。本地区每风蚀1 000 kg土壤，同时就损失15 kg有机质，227 g速效氮，262 g速效磷和120 g速效钾，肥力损失量惊人。

(4)本研究推导出的风蚀经验公式，在该地区具有一定的指导意义，给广大基层水土保持工作者带来了方便。目前这些成果已应用于当地水土保持部门的工作中。

[参考文献]

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