石羊河流域下游干涸湖底不同下垫面的风沙流输沙通量*

郭树江 杨自辉,3 王强强 王多泽 王 飞 樊宝丽 张逸君 李易珺 安富博

(1.甘肃省治沙研究所 兰州 730070； 2.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站 民勤 733300； 3.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地) 武威 733000)

青土湖属于石羊河流域的尾闾湖泊，据史料记载，水域面积曾超过400 km2，在1959年完全干涸，湿地植被演化为盐碱化荒漠(赵强等， 2003； 2004)。干涸湖床常年处于裸露状态，在风力作用下，细小的盐碱粉尘被卷入空气中，成为沙尘暴和浮尘天气的起尘源，造成的盐碱风沙危害非常严重(王晓峰， 2004)。2010年随石羊河上游来水量增加，干涸51年之久的青土湖(冯绳武， 1963)人工湿地逐步形成，虽然对调节区域气候、维持沙漠生态环境、保护生物多样性、减小盐碱沙尘的环境污染、促进沙区经济发展和提高人民生活质量起到了重要作用，但由于上游来水量有限、蒸发强烈、入渗补给地下水等因素，湖底仍有部分区域常年处于裸露状态，盐碱风沙危害依然严重。

国际上关于干涸湖底风蚀及盐尘扩散的研究主要集中在北美和中亚，科学家对干涸湖底水盐运动特征(Reynoldsetal.， 2007)、风蚀起尘的触发机制(Shaoetal.，1993； Cahilletal.，1996)、 影响因子(Houseretal.， 2001； Langstonetal.， 2005)、盐尘的气候与环境效应(Grantzetal.， 2003) 等进行了较深入探讨。国内关于干涸湖底盐碱沙尘的研究主要集中在新疆艾比湖，学者们对干涸湖底风蚀特征、沉积通量、物质组成、盐尘的释放、输送过程等开展了相关研究(刘东伟等， 2014； Muetal.， 2002； 吉力力·阿不都外力， 2009)。

风沙流作为风沙物理学研究的核心内容，也是风沙地貌、沙漠化、风沙工程的基础理论之一，在整个风沙学科中占有极重要地位(龚家栋等， 2002)。目前对风沙流的研究方法包括风洞实验、理论计算、数值模拟和野外观测(李清河等， 2003； 王自龙等， 2009； Valnce等， 2015； 毛东雷等，2014； 王翠等， 2014； 屈建军等， 2012； 杜鹤强等， 2012)。干涸湖底盐碱沙尘粒径较小、质量轻，在强风作用下更易形成风沙流，而对干涸湖底盐碱沙地风沙流输沙通量特征的相关研究报道较少。目前防治沙害、改善沙区环境的根本措施还在于抑制或消弱风沙流强度，只有准确确定风沙流输沙通量才能制定关于湖底风沙灾害防治的有效措施，使治理工作事半功倍。因此本研究以青土湖干涸湖底为对象，选择典型风沙区不同下垫面开展风沙流输沙通量观测，分析风沙流输沙通量空间差异性及风沙流颗粒物粒径分布特征，以期揭示湖底盐碱沉积物风沙流输沙通量特征，为湖底盐碱化荒漠的有效治理提供参考依据。

1 研究区概况

研究区为甘肃省民勤县城东北处、石羊河流域下游的青土湖(103°31′—103°40′ E，39°04′—39°12′ N)，海拔1 292～1 310 m。区内年均气温7.8 ℃，大于10 ℃年有效积温3 289.1 ℃； 多年平均降水量110 mm，降水集中于7—9月，占全年降水量的73%； 年蒸发量2 600 mm以上； 全年无霜期168天，光照3 181 h，太阳辐射630 kJ·cm-2； 全年盛行西北风，害风主要为西北风，风力强劲，年均风速4.1 m·s-1； 属典型温带大陆性干旱荒漠气候。区域地形地貌为湖相沉积基质上相互交错分布的流动、半固定、固定沙丘和丘间低地，沙丘高度3～10 m。地带性土壤为灰棕漠土，非地带性土壤为草甸沼泽土和风沙土。植被类型为典型的荒漠植被，主要植被类型为白刺(Nitrariatangutorum) 灌丛、人工梭梭(Haloxylonammodendron)林和芦苇(Phragmitesaustralis) 群落。白刺沙堆呈斑块状分布，面积相对较大； 芦苇群落主要分布在地下水位较浅的区域。主要伴生灌木有黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和盐爪爪(Kalidiumfoliatum)。草本植物有猪毛菜(Salsolacollina)、驼蹄瓣(Zygophyllumfabago)、戟叶鹅绒藤(Cynanchumsibiricum)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂蓝刺头(Echinopsgmelinii)和碟果虫实(Corispermumpatelliforme)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

自2010年青土湖上游来水量增加，湖底人工湿地逐渐形成，本研究仅涉及湖底风沙区，未观测人工湿地区。通过对湖底风沙区调查，湖底不同植被群落呈片状集中分布，主要分布有天然白刺灌丛、人工梭梭林和天然盐爪爪群落，各群落灌木植物优势种差异明显。将研究区分为9类下垫面： 流动白刺灌丛(a，沙包及丘间地，无结皮)、半固定白刺灌丛(b，沙包迎风坡及丘间地部分被结皮覆盖)、固定白刺灌丛(c，丘间地和沙包，完全被盐结皮覆盖)、稳定白刺灌丛(d，位于湿地区下风向，无沙源补充，丘间地和沙包，表层砂粒较粗，沙包表面结皮覆盖少)、流动沙地梭梭林(e)、盐碱沙地梭梭林(f，湖底沉积沙栽植的人工梭梭林)、湖底盐爪爪群落(g，接近湖的中心，干涸后天然植被自然演替形成)、荒地盐爪爪群落(h，位于湖的边缘，水面萎缩后曾从事过农耕活动，之后撂荒)和湖底滩地(i)。在每类下垫面中间位置设置1块(面积约3万m2)样地(表1)，在每块样地内选择地势平坦、四周无明显遮挡物的位置，安装风沙流流量计2套，每月采集1次沙尘样品(2019年1月3日至2019年7月15日)。在每块样地中心沿主风向每隔100 m设置1个10 m×10 m的植被监测样方，每块样地设3个，共设置样方27个，调查群落的植物种类、数量、株高和冠幅，并计算各种植物盖度，同时测定并记录各样地经纬度等。

2.2 风沙流输沙通量观测

风沙流输沙通量是指在设定的时间段通过研究断面的总沙粒量，这个指标对风沙危害评价非常重要，它主要受沙粒粒径、风力大小、地表性质、土壤含水率、植被覆盖度等因素的影响(韩致文等， 2012)。本研究中测定风沙流输沙通量时，利用甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站(后面简称民勤站)研制的“风沙流流量计”(专利号： ZL2006110105285.0)，其为风向跟踪式输沙总量型风沙流收集仪，进沙口高度50 cm，宽度0.5 cm，可收集近地表0～50 cm高度内的风沙流输沙通量。本研究中不同下垫面地表输沙通量是通过对观测数据计算得出的1 m(宽度)×50 cm(高度)断面上的通过沙量。2018年12月5日布设风沙流流量计，分别在2019年的1月3日、2月27日、3月19日、4月16日、5月15日、6月15日和7月15日采集沙样，然后105 ℃下烘12 h称干质量，并对采集样品用英国马尔文MS2000激光粒度仪测试粒径。风速数据来自民勤站建在湖底的气象观测系统，为10 m高处的风速(m·s-1)，数据采集频率为每分钟1次。民勤地区的起沙风速(郭学斌等， 2006)为5.0 m·s-1(民勤治沙综合试验站， 1975)，因此本研究对≥5.0 m·s-1的风速与输沙通量进行相关性分析。

2.3 数据处理

用Excel软件统计野外调查收集的植被数据和风沙流输沙量，计算植被盖度和不同时间段内每种下垫面在1 m宽度、50 cm高度断面上通过的风沙流输沙通量。用SPSS17.0软件进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 地面风沙流输沙通量的空间差异

2018年12月5日至2019年7月15日，分7次监测了湖底9种下垫面地表风沙流输沙通量(图1)。分析表明： 9种下垫面不同时间段地表1 m宽度、50 cm高度断面风沙流输沙通量的变化规律较明显。在2019年4月16日至6月15日，9种下垫面的输沙通量较大，从大到小依次为湖底滩地i、湖底盐爪爪群落g、流动白刺灌丛a、盐碱沙地梭梭林f、荒地盐爪爪群落h、流动沙地梭梭林e、半固定白刺灌丛b、稳定白刺灌丛d和固定白刺灌丛c(图1)。2019年1月3日至2019年7月15日流动白刺灌丛a、半固定白刺灌丛b、固定白刺灌丛c、稳定白刺灌丛d的平均输沙通量依次为325.94、36.51、0.59和2.48 kg·m-1，流动白刺灌丛a的风沙流输沙通量是半固定白刺灌丛b的8.93倍、固定白刺灌丛c的552.44倍、稳定白刺灌丛d的131.43倍。每次监测的盐碱沙地梭梭林f风沙流输沙通量大于流动沙地梭梭林e，它们平均为59.69和8.08 kg·m-1，前者是后者的7.39倍。湖底盐爪爪群落g的平均风沙流输沙通量为341.17 kg·m-1，高于荒地盐爪爪群落h的81.97 kg·m-1，二者均较大，前者是后者的4.16倍。流动白刺灌丛c、湖底盐爪爪群落g、湖底滩地i的输沙通量显著高于其他6种类型(图2)，且7次监测的大小关系基本一致。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation of sample plots

图1 湖底不同下垫面地表1 m(宽)×50 cm(高)断面上风沙流输沙通量变化特征Fig.1 Variation characteristics of sediment transport flux of wind-sand flow at 1 m(width) × 50 cm(height) section on different underlying surfaces of lake bottom

湖底灌木层植被盖度与平均输沙通量分布特征(图2)表明，风沙流输沙通量较大的湖底滩地i、湖底盐爪爪群落g和流动白刺灌丛a。灌木层盖度均很小。在湖底滩地零星分布白刺灌丛沙包，伴生1年生草本阿拉善碱蓬(Suaedaprzewalskii)，灌木层植被盖度在9种下垫面中最小，仅为0.04%，且上风向1 km外分布有流动沙丘，沙源充足，因此平均输沙通量最大； 而湖底盐爪爪群落g，地表处于流动状态且起伏较大，植物种单一，灌木层植被盖度低，仅为4.32%，上风向分布流动沙丘，有沙源，输沙通量次之； 流动白刺灌丛a下垫面的灌木层植被盖度为5.52%，沙包处于完全流动状态，灌丛丘间地地表风沙流输沙通量较大。

图2 湖底不同立地条件下地面1 m(宽)×50 cm(高)断面上风沙流平均输沙量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of average sediment transport flux of wind-sand flow at 1m(width) × 50 cm(height) section on different underlying surfaces of lake bottom

3.2 地面风沙流输沙通量与风速关系

分析不同下垫面的风沙流输沙通量与大于5.0 m·s-1风速(v)的关系(图3)表明，9种下垫面的风沙流输沙通量均随风速增加而增大，且符合指数函数关系，拟合函数及相关性检验结果见表2，其中盐碱沙地梭梭林、湖底盐爪爪群落与风速极显著相关(P<0.01),固定白刺灌丛相关性不显著，其他6种下垫面均显著正相关(P<0.05)。

图3 不同下垫面地表1 m(宽)×50 cm(高)断面上风沙流输沙通量与风速的关系Fig.3 Relationship between sediment transport flux and wind speed at 1 m(width) × 50 cm(height) section on different underlying surfaces

表2 不同下垫面地表1 m(宽)×50 cm(高)断面上风沙流输沙通量与风速的拟合函数①Tab.2 Fitting function of sediment transport flux and wind speed at 1 m(width) × 50 cm(height) section on different underlying surfaces

3.3 地面风沙流颗粒物粒径特征

分析风沙流颗粒物的粒度，可进一步了解风沙流结构及风沙流运动规律(李凯崇等， 2011)。图4表明，风沙流颗粒物以细砂粒为主(平均体积百分含量达90.1%),其他各粒级体积百分含量存在下垫面类型差异。粗砂粒含量较多的为湖底滩地(18.00%)、稳定白刺灌丛(11.5%)、流动沙地梭梭林(9.66%)、湖底盐爪爪群落(8.4%)和流动白刺灌丛(6.1%)，而荒地盐爪爪群落的粗砂粒含量为0。粉粒和黏粒累计含量较高的有固定白刺灌丛(14.7%)、荒地盐爪爪群落(6.9%)和半固定白刺灌丛(4.6%)，而流动沙地梭梭林、湖底盐爪爪群落的粉粒和黏粒含量为0。湖底9类下垫面的风沙流颗粒物平均粒径最大的为湖底滩地(197.84 μm)，其次是流动沙地梭梭林(167.39 μm)、湖底盐爪爪(162.54 μm)、稳定白刺灌丛(162.48 μm)和流动白刺灌丛(150.07 μm)； 而荒地盐爪爪、固定白刺灌丛的平均粒径较小于其他下垫面，分别为99.62和103.13 μm。

图4 湖底不同下垫面地表50 cm高度范围风沙流颗粒粒径分布特征Fig.4 Particle size distribution characteristics of wind-sand flow at 1 m(width) × 50 cm(height) section on the different underlying surfaces of lake bottom

4 讨论

在相同风速下，风沙流输沙通量大小的决定性因素主要包括植被盖度、沙源丰富程度和地表稳定性等。本研究表明，灌木层植被发挥着重要的防风固沙效能，随着灌木层盖度增加风沙流输沙通量显著降低。这与韩旭娇等(2019)、汪季等(2005)、余沛东等(2019)、董治宝等(1996)和邢恩德等(2015)在相同风速下植被盖度是影响风沙流输沙量重要因素的结论一致。在9种下垫面中，湖底滩地、湖底盐爪爪群落和流动白刺灌丛的平均输沙通量较大，是因上风向有丰富沙源，且植被稀少，白刺灌丛表层处于流动状态。而流动沙地梭梭林、固定白刺灌丛和稳定白刺灌丛的输沙通量较小，其中流动沙地梭梭林为风沙土，含盐量低，在降雨多的年份能生长一年生草本植物，从而有效减少了风沙流输沙通量，而稳定白刺灌丛位于湿地下风向，主风向没有充足沙源，固定白刺灌丛地表形成了结实的盐结皮，且植被盖度高、种类丰富，风沙流输沙通量很小。

湖底9种下垫面的风沙流输沙通量与大于5.0 m·s-1风速均呈正相关，拟合曲线遵循指数关系，说明随着风速增大和能量增加，气流搬运的沙量会快速增大，这个结果与贺大良(1993)研究的0～10 cm高度输沙通量与风速呈幂函数关系不一致，而与徐军等(2013)研究的乌兰布和沙漠0～40 cm高度输沙通量与风速呈指数函数关系的结果一致。风速与输沙通量的函数关系因风速大小、输沙通量监测高度范围不同而有差异。本研究中不同下垫面的输沙通量受风速影响不同，盐碱沙地梭梭林、湖底盐爪爪群落受风速影响较大，而固定白刺灌丛受风速影响较小。

干旱区干涸湖底作为一种新的风蚀尘源，受到越来越多关注，阿布拉·吐合提等(2020)分析了中亚咸海干涸湖床粉尘扩散的时空变异，结果表明粉尘扩散有季节分异，春冬季扩散范围和密度最大。吉力力·阿不都外力等(2009)通过风洞试验模拟了艾比湖干涸湖底不同地表类型的风蚀强度和粉尘释放通量，结果表明干涸湖底风积物、湖相沙、粉状盐漠、盐碱土是主要风蚀尘源。葛拥晓等(2013)对艾比湖干涸湖底6种景观类型不同深度富盐沉积物粒径的分形特征进行了研究，表明淤泥-黏土混合物和粉状盐漠的临界启动风速最低，硬质盐壳的临界启动风速最大； 风蚀过程中的颗粒初始运动主要集中在 0～10 cm 高度范围内，以近地面跃移为主，风积物、湖相沉积物和粉状盐漠的输移通量最大。本研究分析表明，地表1 m(宽)×50 cm(高)断面上风沙流输沙通量在4、5、6月较高，存在季节性分布，主要发生在春末夏初，这与青土湖湖底风速呈明显季节性变化且年内较大风速分布在4—6月(郭树江等， 2016)有密切关系。其次，研究区降水甚少，植被稀疏，春季地表异常干燥松散，抗风蚀能力很弱，在较大风力下地表容易形成风沙流。湖底滩地、湖底盐爪爪群落、流动白刺灌丛这3种下垫面的地表输沙通量较大，这是因为湖底盐爪爪群落和流动白刺灌丛的下垫面为湖底风积沙而湖底滩地为湖相沉积物，地表形成盐结皮，灌木层盖度仅0.04%，且上风向沙源充足，使地表输沙通量最大。

本研究中湖底9种下垫面的风沙流粒径组成以细砂粒为主。杨兴华等(2011)研究的塔克拉玛干沙漠腹地风沙流粒径组成中的细砂、极细砂和粉砂含量合计占97%以上；周颖等(2016)在古尔班通古特沙漠的研究表明，0～40 cm风沙流粒径组成中的细砂含量为60%～90%； 刘芳等(2014)研究表明乌兰布和沙漠东北缘的流动沙丘、半固定、固定沙丘在地表0～100 cm高度风沙流的细砂和极细砂含量之和分别为74.1%、80.6%和86.9%； 毛东雷等(2015)研究表明策勒过渡带及绿洲边缘的风蚀沙粒也以极细砂和细砂为主。以上研究表明我国不同沙漠、沙地的地表风沙流输沙的粒径组成均以细砂为主。由于观测高度不同，不同区域风沙流的细砂粒含量存在差异，本研究的干涸湖底风沙流的细砂含量略高于前人在沙漠区的研究结果。

在湖底9种下垫面中，湖底滩地、流动沙地梭梭林和湖底盐爪爪群落的风沙流颗粒平均粒径较大，主要是因上风向为巴丹吉林沙漠，部分流沙在西北风作用下翻越雅布赖山，在青土湖湖床形成积沙带，沙源不完全为湖底沉积物。稳定白刺灌丛、流动白刺灌丛和半固定白刺灌丛风沙流颗粒物的粒径次之，这3种下垫面均为白刺灌丛，沙包高度1～2 m，地表粉粒和黏粒在风力作用下堆积在沙包表面或在空中输运至下风向，而在灌丛丘间地表运动的多为沙包上风向较粗的沉积颗粒。盐碱沙地梭梭林和荒地盐爪爪群落的地势较平坦，均为湖底沉积物，粉粒、黏粒在地表运动较活跃，堆积量较小， 而固定白刺灌丛的植被盖度高，地表形成盐结皮，风沙流颗粒中有部分为上风向远距离输来的粉粒和黏粒，因此这3种下垫面的风沙流颗粒物的粒径相对较小。

5 结论

风速、沙源丰富程度、下垫面植被覆盖度和地表状态是影响地表风沙流输沙通量的重要因素。本研究在青土湖干涸湖底观测了9种下垫面地表1 m(宽)×50 cm(高)断面上的风沙流输沙通量。处于湖底风沙活动较频繁区域的湖底滩地、湖底盐爪爪群落和流动白刺灌丛的输沙通量分别为401.17、341.17和325.94 kg·m-1。湖底滩地和湖底盐爪爪群落的地表土壤颗粒物粒径较大，平均值分别为197.84和162.54 μm，要积极采取措施控制上风向沙源； 流动白刺灌丛不但有较大的输沙通量，而且风沙流中的细砂含量(93.8%)高于以上2种类型，但平均粒径(150.07 μm)小于以上2种类型，应在丘间地栽植耐盐碱灌木，提高植被盖度，降低风速，使灌丛沙包逐渐形成结皮和趋于稳定。对表层沙粒处于流动状态的荒地盐爪爪群落，输沙通量为81.97 kg·m-1，虽远低于以上3种类型，但风沙流颗粒物的平均粒径仅为99.62 μm，在9种类型中最小，且粉粒含量较高，在强风作用下细小的颗粒物被吹起后飘浮在空气中，增加空气中气溶胶含量，污染大气环境，应积极采取生物措施，栽植耐盐碱的固沙灌木进行治理。流动沙地梭梭林的土壤为外源风沙土，含盐量低，可生长1年生草本，稳定白刺灌丛、固定白刺灌丛的地表形成了结皮且植被盖度高，因此这3种类型的输沙通量较小，可采取封禁保护，让其自然恢复。