鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)探討

莫明浩,段　劍,王凌云

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)探討

莫明浩1,2,段劍1,2,王凌云1,2

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

[關(guān)鍵詞]鄱陽(yáng)湖；濱湖沙山區(qū)；風(fēng)力侵蝕；監(jiān)測(cè)

[摘要]受水蝕、風(fēng)蝕和人類不合理利用等影響，鄱陽(yáng)湖部分地區(qū)出現(xiàn)了以沙丘、沙洲、沙山組成的“水鄉(xiāng)沙漠”特殊景觀。鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，探討其風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于區(qū)域水土保持與荒漠化防治具有重要意義。采用手持風(fēng)速風(fēng)向儀、自動(dòng)氣象站進(jìn)行氣象要素的監(jiān)測(cè)，采用插釬法進(jìn)行風(fēng)蝕深的監(jiān)測(cè)，采用集沙儀進(jìn)行躍移、蠕移、懸移等沙粒運(yùn)動(dòng)的集沙監(jiān)測(cè)等，初步建立了包括氣象、植被、風(fēng)蝕、土壤等因子在內(nèi)的鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)體系。

土地沙漠化作為干旱及半干旱地區(qū)一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題受到了人們的廣泛關(guān)注，然而在濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)同樣存在風(fēng)沙活動(dòng)的區(qū)域，人們稱之為“風(fēng)沙化土地”[1]。鄱陽(yáng)湖是我國(guó)第一大淡水湖泊，也是國(guó)際重要濕地，在維系長(zhǎng)江水量平衡和生態(tài)安全方面發(fā)揮著重要的功能和作用。隨著鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，鄱陽(yáng)湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)峻[2]。除水蝕外，風(fēng)蝕現(xiàn)象在鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)廣泛存在。在全國(guó)水土流失防治分區(qū)中，鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)屬于風(fēng)蝕區(qū)中的沿河環(huán)湖濱海平原風(fēng)沙區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者們采用了多種方法對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)的水土流失進(jìn)行觀測(cè)和研究，但大多數(shù)側(cè)重于水蝕造成的水土流失，而缺少監(jiān)測(cè)手段導(dǎo)致對(duì)風(fēng)蝕造成的水土流失的監(jiān)測(cè)成果較少。因此，加強(qiáng)風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)研究對(duì)于開(kāi)展鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)、沙化土地的水土流失防治等具有重要意義。

1研究區(qū)概況

1.1鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)

受各種因素影響，鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)沙化較為嚴(yán)重，鄱陽(yáng)湖北部斷續(xù)分布著一系列由松散沙粒組成的崗丘，當(dāng)?shù)厝撕鸵恍W(xué)者稱之為“沙山”，主要分布于鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)和“五河”(贛江、撫河、信江、饒河、修河)尾閭區(qū)，如江西省湖口縣、彭澤縣、星子縣、永修縣、松門山島與磯島、都昌縣多寶鄉(xiāng)，以及南昌市新建縣厚田附近的贛江西側(cè)等地。鄱陽(yáng)湖濱湖沙山的形成是地質(zhì)構(gòu)造變遷、水土流失造成的泥沙沉積、水體頂托倒灌和風(fēng)力侵蝕共同作用的結(jié)果[3]。嚴(yán)重的風(fēng)沙侵蝕壓埋農(nóng)田、毀壞耕地，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、居民生活貧困，人地矛盾加劇，嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)安全和糧食安全。

鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)屬亞熱帶常綠闊葉林帶，具有典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候特征，高溫多雨，干濕季明顯。降水和風(fēng)是該地區(qū)土地沙化的原始動(dòng)力[4]。降水年內(nèi)分配極為不均，每年9月至次年2月的降水量?jī)H約占全年降水量的23%。尤其冬季是多風(fēng)季節(jié)，氣候干燥，“風(fēng)季”與“旱季”在時(shí)間上基本同步，且風(fēng)向比較恒定，風(fēng)力作用頻繁且強(qiáng)盛，加速了該地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)。每年3月至8月是降水較為集中的時(shí)期，多暴雨，由于林下抗侵蝕能力弱，因此加速了土地沙化的過(guò)程。該區(qū)獨(dú)特的氣候條件造就了我國(guó)亞熱帶風(fēng)沙化土地的獨(dú)特景觀。

1.2試驗(yàn)區(qū)

風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)選在都昌縣多寶沙山和星子縣沙灣小流域。

多寶沙山位于鄱陽(yáng)湖入江洪道右岸，南北長(zhǎng)10 km，東西寬2 km，海拔46.4～242.9 m(吳淞高程)[5]。自然土壤以紅壤、黃棕壤為主，在風(fēng)力作用下退化為風(fēng)沙土，土壤結(jié)構(gòu)松散，養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差[6]。該區(qū)氣溫較高，雨量充沛，年均降水量1 400～1 900 mm，年均蒸發(fā)量1 774～1 890 mm，平均氣溫17.4 ℃，最高氣溫42 ℃，全年無(wú)霜期241～304 d，年均風(fēng)速2.9～3.8 m/s，全年5級(jí)以上大風(fēng)日約20 d。整個(gè)植被景觀為草本、灌木與喬木的鑲嵌體，地貌類型以固定沙丘、半固定沙丘、流動(dòng)沙丘為主。

沙灣小流域地處星子縣東南部、鄱陽(yáng)湖下游西岸，主要涉及蓼花鎮(zhèn)勝利村、幸福村，土地總面積14.8 km2，屬于2010年第二批中央預(yù)算內(nèi)投資水土流失重點(diǎn)治理工程項(xiàng)目區(qū)。沙灣小流域?qū)贋I湖丘陵地貌，丘間多封閉的凹地(微型盆地)類負(fù)向地形，風(fēng)力作用形成了各種風(fēng)沙地貌，基本為風(fēng)蝕地貌和風(fēng)積地貌。

2風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1氣象要素監(jiān)測(cè)

(1)風(fēng)速風(fēng)向的便攜式測(cè)定。風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)中最重要的氣象要素即風(fēng)速風(fēng)向。便攜式監(jiān)測(cè)儀可采用手持風(fēng)速風(fēng)向儀，本試驗(yàn)采用的為PH-SD2手持式風(fēng)速風(fēng)向儀。風(fēng)速測(cè)量采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)級(jí)平均風(fēng)速、平均風(fēng)級(jí)和對(duì)應(yīng)浪高等參數(shù)。風(fēng)向測(cè)量采用了自動(dòng)指北裝置，測(cè)量時(shí)無(wú)需人工對(duì)北，簡(jiǎn)化了操作。該儀器帶有數(shù)據(jù)鎖存功能，便于讀數(shù)，體積小，質(zhì)量輕，可廣泛用于測(cè)量風(fēng)的參數(shù)。

在沙灣小流域選擇4個(gè)樣地進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)樣地選3個(gè)點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速求平均。2012年8月風(fēng)速測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，所測(cè)沙山0～1 m高度最小風(fēng)速為1.37～2.80 m/s，最大風(fēng)速為3.00～5.07 m/s，平均風(fēng)速為2.20～3.73 m/s；1～2 m高度最小風(fēng)速為3.70～5.00 m/s，最大風(fēng)速為4.77～6.90 m/s，平均風(fēng)速為4.23～5.37 m/s；裸露地起沙風(fēng)速為3.20～4.10 m/s。

表1　星子縣沙灣小流域風(fēng)速測(cè)定結(jié)果　m/s

(2)自動(dòng)氣象站的氣象監(jiān)測(cè)。對(duì)于完整氣象要素的定位監(jiān)測(cè)，本試驗(yàn)采用了美國(guó)進(jìn)口的HOBO U30自動(dòng)氣象站，可同時(shí)測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、土壤溫濕度、太陽(yáng)總輻射、雨量、氣壓等多種參數(shù)，并可通過(guò)USB接口定期下載數(shù)據(jù)。

2.2沙地土壤性狀監(jiān)測(cè)

沙地土壤物理化學(xué)性質(zhì)監(jiān)測(cè)仍采用傳統(tǒng)的取樣測(cè)試方法。鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)沙土與南方紅壤的區(qū)別在于沙土過(guò)于松散，因此在測(cè)量容重取樣時(shí)應(yīng)避免樣品脫落，同時(shí)還要注意因養(yǎng)分含量過(guò)低造成其中某些土壤養(yǎng)分指標(biāo)在測(cè)試中未能測(cè)出的情況。

容重測(cè)定時(shí)將一定容積的環(huán)刀插入土壤中采集土樣，經(jīng)烘干(105～110 ℃，6～8 h)后測(cè)出干土質(zhì)量，由環(huán)刀的容積算出單位容積的干土質(zhì)量。土壤水分的測(cè)定采用烘干法。土壤養(yǎng)分的測(cè)定中有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用電熱板加熱-重鉻酸鉀容量法，全氮的測(cè)定采用水楊酸比色法，全磷的測(cè)定采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法。

在星子縣沙灣小流域選擇樣地進(jìn)行了取樣測(cè)試(2012年8月)，共4個(gè)樣地，每個(gè)樣地選3個(gè)點(diǎn)求平均。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看(表2)，取樣點(diǎn)沙地的土壤容重在1.41～1.50 g/cm3，與海龍等[7]和付曉燕等[8]在北方沙地區(qū)如內(nèi)蒙古沙漠(科爾沁沙地、庫(kù)布齊沙漠、渾善達(dá)克沙地等)、河北沙地(黃羊?yàn)?等地的研究結(jié)果(1.43～1.58 g/cm3)相差不大。沙地土壤含水率0～20 cm為2.47%～3.26%，20～40 cm為3.32～4.37%，較內(nèi)蒙古庫(kù)布齊沙漠0～20 cm土壤含水率(0.54%～0.57%)[7]高出許多，但沙地的養(yǎng)分含量比內(nèi)蒙古沙漠低，主要是有機(jī)質(zhì)、全磷含量低(沙灣小流域沙地有機(jī)質(zhì)含量為0.51～1.21 g/kg、全氮為0.12～1.03 g/kg、全磷為0.07～0.09 g/kg，而內(nèi)蒙古沙漠相關(guān)指標(biāo)值分別為4.5～12.9、0.11～0.75、0.13～0.41 g/kg[7])。沙地取樣和機(jī)械組成分析結(jié)果表明，砂粒占92.34%～98.88%，粉粒占1.00%～7.65%，黏粒占0～0.50%，說(shuō)明鄱陽(yáng)湖沙山地區(qū)沙地土壤顆粒組成以砂粒為主。另?yè)?jù)付曉燕等[8]的研究成果，南方沙地與北方沙地在顆粒組成上也略有不同。

表2　星子縣沙灣小流域沙地土壤性狀測(cè)定結(jié)果

2.3風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)

(1)集沙儀安裝。為了進(jìn)行風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)，在多寶沙山試驗(yàn)地安裝了中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研制的可監(jiān)測(cè)不同沙粒運(yùn)動(dòng)的集沙儀設(shè)備，包括全方位沙粒躍移集沙儀、全方位沙粒蠕移集沙儀、全方位沙塵懸移水平通量集沙儀和50路1米梯度集沙儀[9]。

(2)輸沙率計(jì)算。蠕移集沙儀、躍移集沙儀、懸移集沙儀和梯度集沙儀等儀器于2014年9月安裝，集沙量結(jié)果見(jiàn)表3。在多寶沙山試驗(yàn)地按16個(gè)方向稱量沙粒，未能收集測(cè)出，因此本研究分北面和南面兩個(gè)方向收集沙粒稱量，結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)集沙儀測(cè)量結(jié)果，采用輸沙率計(jì)算公式

(1)

式中：q為輸沙率，g/(m·min)；m為集沙量，g；t為觀測(cè)時(shí)間，min；d為集沙儀寬度，cm。

表3　都昌縣多寶沙山試驗(yàn)地集沙儀集沙量　 g

蠕移、躍移、懸移、梯度四種集沙儀進(jìn)沙口規(guī)格和數(shù)量分別為5 mm×100 mm×16個(gè)、20 mm×500 mm×16個(gè)、20 mm×50 mm×4個(gè)和20 mm×20 mm×50個(gè)。若以g/(m·min)為單位，則試驗(yàn)區(qū)輸沙率的數(shù)量級(jí)為10-4g/(m·min)，因取樣頻率為每月一次，所以本試驗(yàn)將時(shí)間改為以d為單位，即輸沙率單位為g/(m·d)。另外本試驗(yàn)中梯度集沙量反映的是北面這一固定方向，輸沙率計(jì)算意義不大，故未做計(jì)算。本試驗(yàn)輸沙率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　輸沙率計(jì)算結(jié)果　 g/(m·d)

從氣象監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)主風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，集沙儀北面的集沙量大于南面；最大風(fēng)力為5～6級(jí)，每年11月至次年2月是發(fā)生風(fēng)力侵蝕的主要時(shí)期；從集沙量看，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)以蠕移和躍移為主，因此風(fēng)蝕防治措施應(yīng)以栽植灌草為主；從輸沙率來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輸沙率較小，遠(yuǎn)小于北方沙地[毛烏素沙地輸沙率0.01～1.52 g/(cm·min)[10]]，這可能與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置位于半固定沙丘有關(guān)。

(3)插釬法監(jiān)測(cè)。在多寶沙山采用插釬法監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕深。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榘牍潭ㄉ城?。采?根1 m長(zhǎng)竹竿制成測(cè)釬，在觀測(cè)樣地內(nèi)按2 m×2 m的間距將測(cè)釬插入地面，地面以上保留60 cm左右，標(biāo)記50 cm刻度，每月記錄測(cè)釬頂部到地面的距離以監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕深。樣地選擇了3種類型，分別為稀少植被樣地、植被覆蓋樣地和荒沙樣地。

測(cè)釬頂部到地面的距離變化量為

(2)

式中：n為在觀測(cè)樣地內(nèi)布設(shè)的測(cè)釬總數(shù)；ΔLi為第i根測(cè)釬頂部到地面的距離的變化量。

如果計(jì)算出H為負(fù)值，說(shuō)明監(jiān)測(cè)樣地發(fā)生了吹蝕；如果H為正值，則說(shuō)明監(jiān)測(cè)樣地發(fā)生了風(fēng)積。試驗(yàn)的結(jié)果表明，植被覆蓋樣地幾乎未監(jiān)測(cè)到風(fēng)蝕，僅在11月和12月的風(fēng)蝕深為0.1～0.2 cm；稀少植被樣地很少監(jiān)測(cè)到風(fēng)蝕，僅在11月至次年1月風(fēng)蝕深為0.2～0.5 cm；荒沙樣地在3月至9月幾乎未監(jiān)測(cè)到風(fēng)蝕，在10月至次年2月風(fēng)蝕深為1.2～1.6 cm。

3風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)體系探討

綜合鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)風(fēng)力侵蝕相關(guān)研究成果，可以初步建立鄱陽(yáng)湖濱湖沙山區(qū)的風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)體系，見(jiàn)表5。上述監(jiān)測(cè)體系的建立有助于實(shí)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖沙山地區(qū)風(fēng)力侵蝕指標(biāo)的常規(guī)監(jiān)測(cè)。

表5　鄱陽(yáng)湖沙山地區(qū)風(fēng)力侵蝕監(jiān)測(cè)體系

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[基金項(xiàng)目]“贛鄱英才555工程”項(xiàng)目、江西省水利科技項(xiàng)目(KT201303、KT201213、KT201418、KT201420)支持項(xiàng)目

[中圖分類號(hào)]S157

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0066-03

[作者簡(jiǎn)介]莫明浩(1981—)，男，江西撫州市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水土保持和流域生態(tài)環(huán)境研究工作。

[收稿日期]2015-09-10