毛烏素沙地新墾地土壤風(fēng)蝕特征

周炎廣，武子豐，胡日娜，李紅悅，王卓然，哈斯額爾敦

毛烏素沙地新墾地土壤風(fēng)蝕特征

周炎廣，武子豐，胡日娜，李紅悅，王卓然，哈斯額爾敦※

（北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院，北京 100875）

為了理解近期沙地農(nóng)業(yè)開發(fā)的土壤風(fēng)蝕風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)區(qū)域沙漠化的影響。該文對(duì)毛烏素沙地灌叢沙堆地、沙質(zhì)草地以及耕地不同位置進(jìn)行了多組風(fēng)沙同步觀測(cè)，并對(duì)所收集的沙物質(zhì)進(jìn)行粒度分析。結(jié)果表明：草地與灌叢地被開墾為耕地后，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度成倍數(shù)增長(zhǎng)。在可蝕性顆粒充足的耕地，輸沙率順風(fēng)向趨于增加的同時(shí)，隨高度的增加，輸沙率在0～10 cm高度內(nèi)以指數(shù)函數(shù)規(guī)律遞減，在10～20 cm高度內(nèi)以冪函數(shù)規(guī)律遞減；總輸沙率與風(fēng)速呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，侵蝕模數(shù)約為9 657 t/(km2·a)。該文認(rèn)為，新墾地的出現(xiàn)對(duì)區(qū)域沙漠化具有重要影響，其面積應(yīng)作為評(píng)價(jià)區(qū)域沙漠化的重要指標(biāo)；減小裸露耕地面積，建立防風(fēng)固沙林，保留一定高度的留茬，可有效控制新墾地的土壤風(fēng)蝕問(wèn)題。

風(fēng)；侵蝕；粒度；輸沙率；風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)；毛烏素沙地

0 引 言

土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱區(qū)沙漠化的首要環(huán)節(jié)[1-4]，并受下墊面及氣候環(huán)境要素等[5-7]的共同影響。強(qiáng)烈的土壤風(fēng)蝕加速區(qū)域沙漠化的發(fā)展，影響人類生活質(zhì)量，進(jìn)而引起嚴(yán)重的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題[8-9]。毛烏素沙地位于中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中部，對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)具有較高的敏感性和脆弱性[10-12]。在歷史時(shí)期曾經(jīng)歷了多次沙丘活化、沙漠?dāng)U張與沙丘固定、沙漠收縮。在過(guò)去幾十年前該區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈、沙漠化比較嚴(yán)重。后來(lái)尤其是2000年以來(lái)，隨著政府實(shí)施多項(xiàng)生態(tài)治理工程（諸如京津風(fēng)沙源治理、三北防護(hù)林、退耕還林等），植被覆蓋度得到大幅度增加，大部分沙丘得以固定，沙漠化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，整體的生態(tài)環(huán)境得到有效改善[13-15]。與此同時(shí)，隨著快速城市化和工礦交通建設(shè)占用農(nóng)田，以及農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，地下淡水資源較為豐富的毛烏素沙地成為農(nóng)業(yè)開發(fā)的主要場(chǎng)所。近年來(lái)，在毛烏素沙地東南部與西南部，大面積草地與灌叢地開墾為耕地的現(xiàn)象極為普遍，致使新墾地的面積快速增長(zhǎng)[16]。這些開墾后的耕地在干旱多風(fēng)的冬、春季節(jié)多處于裸露狀態(tài)，易遭受強(qiáng)烈風(fēng)蝕。因此，研究新墾地的土壤風(fēng)蝕問(wèn)題，并找出控制方法具有重要意義。本文以毛烏素沙地南部為研究區(qū)域，在該區(qū)的灌叢沙堆地、沙質(zhì)草地與新墾地的不同位置上進(jìn)行氣流與集沙的同步觀測(cè)，試圖闡明新墾地的土壤風(fēng)蝕特征，揭示新墾地對(duì)區(qū)域沙漠化的影響。同時(shí)，通過(guò)分析耕地輸沙率與高度、風(fēng)速的關(guān)系，結(jié)合前人的研究成果，探討出減輕新墾地土壤風(fēng)蝕的有效方法與措施。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地南部的鄂爾多斯市鄂托克前旗，地理坐標(biāo)為：38°05′27″～38°13′58″N，107°24′28″～107°37′30″E（圖1），地貌景觀以NW-SE向的帶狀沙地與平坦灘地相間分布為特色。該區(qū)屬溫帶半干旱氣候，冬春季干冷多風(fēng)，夏季溫暖濕潤(rùn)。根據(jù)鄂托克前旗氣象站多年（1959－2015年）觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，年均溫7.9oC，平均年降水量254.3 mm，年蒸發(fā)量2 456.10 mm，年均風(fēng)速2.4 m/s，尤以4－5月風(fēng)速最高。起沙風(fēng)風(fēng)向主要集中于西北，且來(lái)自WNW方向所占比例最大。土壤類型以風(fēng)沙土、栗鈣土和草甸土為主。植被主要為沙地植被和一些草甸植被，以油蒿（）、北沙柳（）、藏錦雞兒（）、紫花苜蓿（）與芨芨草（）等為主。

注：圖中小框?yàn)橛^測(cè)區(qū)域。

1.2 研究方法

1.2.1 觀測(cè)點(diǎn)位置

在研究區(qū)中，選取一片地勢(shì)平坦且具有多種下墊面類型的小塊區(qū)域。依據(jù)下墊面類型，依次分為灌叢地、草地與耕地3類。灌叢地的主要植被類型為油蒿（），平均高度約60 cm，蓋度達(dá)40%，且地表無(wú)明顯結(jié)皮現(xiàn)象；草地分布較為均勻，植被高度在10 cm左右，蓋度約50%，地表有近2 mm厚的物理-生物結(jié)皮；耕地為2011年后開墾種植玉米，地表平坦且均為松軟沙物質(zhì)。觀測(cè)期間，耕地裸露且無(wú)灌溉裝置。

沿順風(fēng)向，選取5個(gè)典型位置作為階梯式集沙儀的布設(shè)點(diǎn)位，分別用字母A、B、C、D及E表示（圖2）。A點(diǎn)選在距草地邊界一定距離的灌叢地中部；B點(diǎn)在耕地與灌叢地邊界等間距的草地中部；C、D、E代表了耕地上的不同位置，C點(diǎn)與耕地上邊界相距5m，D點(diǎn)與C點(diǎn)相距45m，E點(diǎn)與C點(diǎn)相距85m。風(fēng)沙觀測(cè)期間，在A、B、C、D、E位置及其附近進(jìn)行多組重復(fù)。

注：A、B、C、D和E為階梯式集沙儀的布設(shè)點(diǎn)位。

1.2.2 氣流觀測(cè)

觀測(cè)儀器為已校準(zhǔn)的 EC 9-1型三杯風(fēng)速儀，與Campell公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集儀相連，該系統(tǒng)可每5 s自動(dòng)采集并儲(chǔ)存觀測(cè)數(shù)據(jù)。選定風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈的大風(fēng)日，在D點(diǎn)位置0.2、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0及4.0 m共9個(gè)高度處架設(shè)杯狀風(fēng)速儀，并在4.0 m高度處架設(shè)校準(zhǔn)后的風(fēng)向標(biāo)。本次野外觀測(cè)時(shí)間為2018年5月，共進(jìn)行12組風(fēng)沙觀測(cè)。其中5組為順風(fēng)向A、B、C、D、E 5個(gè)位置同步進(jìn)行的風(fēng)沙觀測(cè)，意在對(duì)比灌叢地、草地與耕地在同流情況下的輸沙情況，觀測(cè)時(shí)段分別為12:25－12:55、12:56－13:25、14:43－15:13、15:24－15:54及15:55－16:24。剩余7組為耕地內(nèi)部3個(gè)位置（C、D、E）的風(fēng)沙同步觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段分別為09:37－09:57、09:58－10:17、10:18－10:37、10:38－10:47、10:48－11:07、11:08－11:27、11:28－11:47。

1.2.3 輸沙率觀測(cè)與粒度測(cè)量

本文使用的階梯式集沙儀總高度為20 cm，共10個(gè)進(jìn)沙口，進(jìn)沙單口面積為2 cm×2 cm，集沙效率為90%[17-18]。集沙儀的進(jìn)沙口中心距地面高度分別為1、3、5、7、9、11、13、15、17和19 cm。風(fēng)沙觀測(cè)時(shí)，所有集沙儀的底部與地面齊平，集沙與測(cè)風(fēng)同步進(jìn)行。為保證集沙量的充足性與準(zhǔn)確性，集沙口的方向需依據(jù)當(dāng)時(shí)風(fēng)向做出相應(yīng)的調(diào)整，且每次集沙觀測(cè)時(shí)間至少20 min，同步觀測(cè)記錄多組數(shù)據(jù)。集沙儀所采集的沙粒樣品經(jīng)風(fēng)干處理后用千分之一電子天平（精度0.001 g）稱質(zhì)量記錄，并以觀測(cè)高度內(nèi)單位時(shí)間單位寬度的總輸沙量表示輸沙率。觀測(cè)開始前，在所設(shè)的5個(gè)觀測(cè)位置（A、B、C、D、E）采集表層沉積物采樣，且在每個(gè)位置上采取3組樣品，用以平均。觀測(cè)結(jié)束后，通過(guò)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀，分別對(duì)研究區(qū)地表所采樣品與集沙儀所收集物質(zhì)進(jìn)行粒度分析。

2 研究結(jié)果

圖3是觀測(cè)期間距地表2m高度處的風(fēng)向與風(fēng)速。風(fēng)向集中于NNW（326.26°～348.75°）與N（348.76°～11.25°）之間，且絕大多數(shù)在NNW方向，平均風(fēng)速集中于6～8 m/s。

注：各觀測(cè)時(shí)段以虛線劃分，并用羅馬數(shù)字表示。

耕地表層與對(duì)應(yīng)風(fēng)蝕物的粒徑頻率曲線（圖4）均呈逼近正態(tài)分布的單峰。耕地不同位置（C、D、E）表層沉積物粒徑級(jí)配均以中、細(xì)砂（64～500m）組分為主（占總組分的85%～95%），且眾數(shù)對(duì)應(yīng)的粒徑均介于150～250m之間，頻率在12%～16%之間。與其相對(duì)應(yīng)的風(fēng)蝕物粒徑級(jí)配也以中、細(xì)砂（64～500m）組分為主（占總組分的90%～96%），眾數(shù)對(duì)應(yīng)的粒徑介于150～210m之間，頻率在15%～18%之間。

圖4 耕地（C、D、E）表層及對(duì)應(yīng)風(fēng)蝕物粒徑頻率曲線

2.1 輸沙率的順風(fēng)向變化

圖5是同流條件下順風(fēng)向不同地表的輸沙率變化。耕地表面的輸沙率較高，且總體隨風(fēng)速增大而增大；而草地和灌叢地的輸沙率極低，與風(fēng)速的大小無(wú)明顯關(guān)系。這說(shuō)明草地和灌叢地幾乎不遭受風(fēng)蝕，而裸露的耕地較易遭受侵蝕。在耕地，順風(fēng)向由C點(diǎn)至E點(diǎn)，輸沙率整體呈增大趨勢(shì)。在平均風(fēng)速為5.78、7.38與7.56 m/s時(shí)，耕地輸沙率由順風(fēng)向依次增加，且增幅較大；在平均風(fēng)速為6.46與7.20 m/s時(shí)，E點(diǎn)的輸沙率低于D點(diǎn)，但高于C點(diǎn)，這可能是與復(fù)雜多變的野外環(huán)境有關(guān)[19]。

表1為各地表輸沙率之間的對(duì)比關(guān)系。耕地與灌叢地輸沙率的比值為2.409～41.792，平均18.63；耕地與草地的比值2.605～41.952，平均17.95；草地與灌叢地的比值趨近于1。耕地與灌叢地和耕地與草地的輸沙率比值，隨著風(fēng)速的增大，呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)（2：0.921，0.857）。

圖5 順風(fēng)向不同地表的輸沙率變化

表1 各地表輸沙率之間的對(duì)比關(guān)系

2.2 輸沙率的垂線變化

圖6是不同風(fēng)速條件下的耕地（C、D、E）輸沙率隨高度的變化圖。隨高度增加，輸沙率趨于減少。但是，以距地表10 cm高度為界，出現(xiàn)兩種遞減形式：以上顯示輸沙率與高度均呈現(xiàn)較好的直線關(guān)系，以下則呈明顯的曲線形態(tài)。這說(shuō)明在10 cm高度上下，耕地輸沙率與高度之間的關(guān)系可能有兩種函數(shù)關(guān)系。

2.2.1 距地表10 cm高度內(nèi)的輸沙率變化

在耕地0～10 cm高度范圍內(nèi)的輸沙通量占總輸沙通量（0～20 cm高度內(nèi)）的90%以上。圖7是耕地（C、D、E）輸沙率與高度（范圍0～10 cm）的關(guān)系圖。在10 cm高度內(nèi)，輸沙率隨高度的增加而迅速減少，減少率范圍在80%～96%。近地表0～2 cm高度內(nèi)的風(fēng)蝕物含量變化較大，且無(wú)明顯規(guī)律，這與近地表沙粒復(fù)雜移動(dòng)方式（蠕移和躍移）相關(guān)。在0～10 cm區(qū)間，耕地（C、D、E）的輸沙率與高度呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。指數(shù)函數(shù)公式為

=ab（1）

式中為輸沙率，g/(cm·min)；為高度，cm；、為回歸系數(shù)。隨風(fēng)速的增大，氣流中的總輸沙量整體呈增大趨勢(shì)；在0～10 cm高度區(qū)間內(nèi)，輸沙率與高度的指數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.99以上，說(shuō)明相關(guān)性極高。由此，指數(shù)函數(shù)關(guān)系式能夠充分且準(zhǔn)確反映10cm高度內(nèi)輸沙率與高度的關(guān)系。

圖6 耕地（C、D、E）輸沙率與高度的關(guān)系

圖7 耕地（C、D、E）輸沙率在0～10 cm高度內(nèi)的垂線變化

2.2.2 距地表10-20cm高度內(nèi)的輸沙率變化

圖8是高度在10～20cm范圍內(nèi)耕地（C、D、E）輸沙率與高度之間的關(guān)系。在10～20cm高度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕物含量隨高度的增加而減少，但減少程度較?。浑S風(fēng)速的增加，各層輸沙率呈增加的趨勢(shì)。在10～20 cm高度內(nèi)，風(fēng)蝕物含量隨高度的分布更趨近于冪函數(shù)形式。冪函數(shù)公式為

=ax（2）

式中為輸沙率，g/(cm·min)；為高度，cm；、為回歸系數(shù)。在10～20 cm高度內(nèi)，輸沙率與高度的冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)（2）均達(dá)0.93以上，相關(guān)性極高。由此，冪函數(shù)關(guān)系式能夠充分反映10～20cm高度范圍內(nèi)的風(fēng)蝕物含量隨高度分布的實(shí)際。

圖8 耕地（C、D、E）輸沙率在10～20 cm高度內(nèi)的垂線變化

2.2.3 總輸沙率的計(jì)算

利用上述經(jīng)驗(yàn)公式（1）和（2）模擬出的輸沙率值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比結(jié)果顯示（圖9），模擬公式可以較為準(zhǔn)確地模擬耕地風(fēng)沙流輸沙率與高度的關(guān)系。至于近地表1 cm處的輸沙率值與函數(shù)模擬值具有較大的差異，說(shuō)明貼近地表處沙物質(zhì)移動(dòng)方式的復(fù)雜性。模擬后的輸沙率與高度的關(guān)系在10 cm高度處上下具有明顯的改變。在0～10 cm以內(nèi)，輸沙率與高度呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律；而在10～20 cm高度內(nèi)，輸沙率與高度呈冪函數(shù)規(guī)律。函數(shù)公式所算出的模擬值與集沙儀所測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合，說(shuō)明依據(jù)模擬函數(shù)可以準(zhǔn)確計(jì)算出不同高度上的輸沙率值。

注：C-1指在觀測(cè)點(diǎn)C上進(jìn)行的第一次測(cè)量時(shí)，所得輸沙率實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比關(guān)系，余同。v為平均風(fēng)速。

本文所用集沙儀高度為20 cm，低于風(fēng)沙層高度。因此，為得出耕地近地面層的總輸沙率，需通過(guò)上述模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式與步驟如下

式中()是高度在時(shí)的輸沙率，g/(cm·min)，為高度，cm，數(shù)值0.9為集沙儀的集沙效率，為回歸系數(shù)。通過(guò)公式（3），可計(jì)算出耕地不同位置（C、D、E）上每組積沙的總輸沙率。

2.3 總輸沙率與風(fēng)速的關(guān)系

圖10是耕地（C、D、E）上總輸沙率與風(fēng)速之間的關(guān)系圖。其中輸沙率是通過(guò)模擬函數(shù)公式（3），計(jì)算所得的總輸沙率，風(fēng)速為每組觀測(cè)期間2 m處的平均風(fēng)速。耕地不同位置的總輸沙率與平均風(fēng)速呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（2）均在0.86以上，說(shuō)明隨風(fēng)速的增加，輸沙率顯著增高。同時(shí)，順風(fēng)向距耕地上邊界越遠(yuǎn)，輸沙率隨風(fēng)速增長(zhǎng)的增幅更大?；诳傒斏陈逝c平均風(fēng)速間的關(guān)系公式，可通過(guò)平均風(fēng)速而反推出耕地各位置在此時(shí)期的總輸沙率。

圖10 耕地（C、D、E）上總輸沙率與風(fēng)速的關(guān)系

2.4 耕地風(fēng)蝕模數(shù)的估算

通過(guò)風(fēng)速與總輸沙率的關(guān)系（圖10），結(jié)合鄂托克旗氣象站的風(fēng)速數(shù)據(jù)，可初步推算出該片新墾地的風(fēng)蝕模數(shù)。因區(qū)域氣象站所測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)為10 m處曠野風(fēng)速，而文中各類分布關(guān)系均是以2 m高度處平均風(fēng)速計(jì)算，故在使用氣象站風(fēng)速數(shù)據(jù)前，需將10 m處風(fēng)速轉(zhuǎn)換為2 m處風(fēng)速。本次野外連續(xù)觀測(cè)了9個(gè)不同高度處的平均風(fēng)速，可通過(guò)下式推算10 m高處風(fēng)速

式中*是摩阻風(fēng)速，0.2、2、10分別表示高度為0.2、2及10 m高度處的平均風(fēng)速。由公式（4），結(jié)合0.2 m與2 m處實(shí)際測(cè)量的多組數(shù)據(jù)，推出對(duì)應(yīng)10 m高處的平均風(fēng)速。將所得10 m處平均風(fēng)速與2 m處平均風(fēng)速進(jìn)行擬合，可得公式（5），擬合系數(shù)2等于0.988。

因此，研究區(qū)的2 m處風(fēng)速與10 m處風(fēng)速可由公式（5）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

耕地在5月底至10月底常種有玉米作物，在此時(shí)期耕地幾乎不發(fā)生風(fēng)蝕。因而估算耕地的風(fēng)蝕模數(shù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮耕地處于裸露狀態(tài)時(shí)的風(fēng)蝕量，即冬春季期間。耕地下風(fēng)向（C點(diǎn)）與耕地上風(fēng)向（E點(diǎn)）之間相距85m，用E點(diǎn)位置的風(fēng)蝕量減去C點(diǎn)位置的風(fēng)蝕量，便可得出兩位置間風(fēng)蝕物的流失量，計(jì)算公式如下。

式中()是平均風(fēng)速在時(shí)的輸沙率，g/(cm·min)；為平均風(fēng)速。若該片耕地長(zhǎng)期保持此地表狀態(tài)，那么便可通過(guò)公式（6），結(jié)合該區(qū)氣象站的風(fēng)速數(shù)據(jù)，初步推算出該片耕地一年的風(fēng)蝕量。結(jié)果顯示，該片新墾地風(fēng)蝕模數(shù)為9 657 t/(km2·a)。

3 討 論

耕地風(fēng)蝕強(qiáng)度的大小受區(qū)域風(fēng)速、土壤含水量、不可蝕性顆粒含量、耕作方式等[9,20-21]多種因素的影響。本文單一考慮了區(qū)域風(fēng)速對(duì)耕地風(fēng)蝕強(qiáng)度的影響，而未考慮其他因素，故文中所用風(fēng)蝕模型具有較大的局限性，僅能反映所研究耕地的風(fēng)蝕狀況。盡管如此，通過(guò)該模型計(jì)算所得的風(fēng)蝕模數(shù)已能充分反映出新墾地風(fēng)蝕強(qiáng)烈。近年來(lái)，對(duì)不同區(qū)域的農(nóng)田風(fēng)蝕量問(wèn)題開展了各類模型研究[22-26]。王仁德等[24]通過(guò)粒度對(duì)比法，測(cè)得河北壩上無(wú)覆蓋物農(nóng)田2013年的風(fēng)蝕模數(shù)為960～5 700 t/(km2·a)，平均為2 852.14 t/(km2·a)。李勝龍等[25]通過(guò)修正風(fēng)蝕方程（RWEQ）估算得出,東北地區(qū)的壟作無(wú)覆蓋農(nóng)田風(fēng)蝕模數(shù)高達(dá)181.7～86 582.9 t/(km2·a)。遲文峰等[26]同樣使用（RWEQ）方法估算得出，內(nèi)蒙古西部2015年土壤風(fēng)蝕模數(shù)為5 946 t/(km2·a)。綜上可知，無(wú)覆蓋耕地在不同區(qū)域和狀態(tài)條件下均表現(xiàn)為中強(qiáng)度侵蝕，其土壤風(fēng)蝕問(wèn)題極為嚴(yán)重。

近幾十年來(lái)，毛烏素沙地的耕地面積大幅度增長(zhǎng)[11,27]，且仍有加劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)研究[16]，從2010年到2015年，毛烏素沙地的耕地面積共增加了411.29 km2。究其原因，主要包括以下3個(gè)方面：一是區(qū)域政府的占補(bǔ)平衡政策[28-29]，即城市建設(shè)所占用的耕地，需通過(guò)增加新墾地得到補(bǔ)充；二是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與水平的提高，隨著各類噴灌、滴灌技術(shù)[30-31]的普及，半干旱區(qū)耕種已成為一種高效而經(jīng)濟(jì)的選擇；三是禁牧政策的間接影響，草場(chǎng)被封育后，牧民需開墾新耕地用于種植畜牧飼料。觀測(cè)結(jié)果表明，灌叢地與草地被開墾為耕地后，風(fēng)蝕強(qiáng)度增強(qiáng)，輸沙率呈倍數(shù)增長(zhǎng)。大面積開墾耕地不僅直接導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕問(wèn)題的加重，同時(shí)還會(huì)間接引發(fā)眾多環(huán)境問(wèn)題，如地下水位下降及水污染問(wèn)題等[32]。因此，耕地面積的大小對(duì)區(qū)域沙漠化程度的強(qiáng)弱具有重要影響。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)區(qū)域沙漠化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的指標(biāo)做過(guò)較多研究[33-34]，構(gòu)建了多種沙漠化評(píng)價(jià)體系，但所選指標(biāo)往往集中在裸沙面積與植被蓋度等，并未考慮耕地面積的影響，故而可能低估了區(qū)域沙漠化程度。同時(shí)，在進(jìn)行遙感解譯和監(jiān)測(cè)時(shí)，常忽略了影像時(shí)間的問(wèn)題。若影像在夏、秋季期間，此時(shí)耕地上具有作物覆蓋，對(duì)區(qū)域沙漠化的影響較低；而在冬、春季期間，耕地上幾乎無(wú)作物覆蓋，對(duì)區(qū)域沙漠化的影響巨大。由此，該文認(rèn)為在評(píng)價(jià)區(qū)域沙漠化程度時(shí)，應(yīng)將耕地面積作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將各季節(jié)分開進(jìn)行評(píng)價(jià)。

風(fēng)蝕物含量隨高度的變化規(guī)律，在不同的高度區(qū)間具有一定差異，這與風(fēng)蝕物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變具有密切聯(lián)系。Fryrear等[35-37]在美國(guó)得克薩斯州大斯普林土壤風(fēng)蝕研究站長(zhǎng)期觀測(cè)研究后認(rèn)為，躍移層輸沙量隨高度的分布可用指數(shù)函數(shù)表示，而懸移層則可用冪函數(shù)表示。哈斯[38]在河北壩上高原研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)蝕物含量隨高度的增加，在0～20 cm高度內(nèi)以指數(shù)規(guī)律遞減，反映了以躍移質(zhì)為主的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)；而在20～100 cm高度內(nèi)以冪函數(shù)規(guī)律遞減，反映了以懸移質(zhì)為主的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。本文研究中，輸沙率與高度的關(guān)系同樣具有分段性，在0～10 cm高度區(qū)間內(nèi)服從指數(shù)函數(shù)分布，在10～20 cm高度區(qū)間服從冪函數(shù)規(guī)律。文中的分段處在10 cm高度處，與哈斯[38]研究的20 cm高度處分段具有一定的差異，這可能是由于所研究區(qū)域下墊面性質(zhì)的差異而導(dǎo)致。僅使用以躍移運(yùn)動(dòng)為主的指數(shù)函數(shù)對(duì)總輸沙率與高度的關(guān)系進(jìn)行模擬，將無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)到懸移物質(zhì)的含量。文中通過(guò)分段函數(shù)計(jì)算耕地上的總輸沙率值是更接近實(shí)際情況的一種方式。

新墾地土壤風(fēng)蝕問(wèn)題的根本原因在于干旱且大風(fēng)日多的冬春季，耕地常處在裸露狀態(tài)，沒(méi)有基本的防風(fēng)固沙措施。因此，對(duì)于新墾地本身的防護(hù)和管理也應(yīng)引起足夠的重視。本文通過(guò)所得結(jié)果分析，結(jié)合前人的研究[39-43]，提出以下幾點(diǎn)基本的防護(hù)措施。首先，減少對(duì)草地與灌叢地的破壞，控制新墾地的開墾面積。區(qū)域政府應(yīng)高度重視并把控住耕地的開墾面積，不應(yīng)以犧牲環(huán)境來(lái)促進(jìn)發(fā)展。其次，在耕地周圍建立科學(xué)配置后的防風(fēng)固沙林[39-41]。因在可蝕性物質(zhì)充足的耕地上，風(fēng)蝕物含量隨風(fēng)速的增大呈倍數(shù)增長(zhǎng)，故降低耕地周圍風(fēng)速是解決風(fēng)蝕問(wèn)題的必要手段。最后，保留適當(dāng)高度的留茬和殘存物[42-43]。耕地留茬和殘存物可增加耕地表面的粗糙度，改變近地表的氣流狀況，同時(shí)阻攔沙物質(zhì)的流失，進(jìn)而減輕土壤侵蝕危害。

4 結(jié) 論

根據(jù)分析結(jié)果及討論，得出以下結(jié)論：

1）沙質(zhì)草地和灌叢沙丘地被開墾后，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度成倍增長(zhǎng)。

2）耕地上，輸沙率隨高度的增加而減小，在0～10 cm高度內(nèi)服從指數(shù)分布，在10～20 cm高度內(nèi)服從冪函數(shù)規(guī)律；沙源充足的耕地上，隨風(fēng)速的增大，總輸沙率呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)。

3）毛烏素沙地新墾地的出現(xiàn)對(duì)區(qū)域沙漠化具有重要影響，其面積應(yīng)被考慮到區(qū)域沙漠化的評(píng)價(jià)體系中。

4）控制耕地面積，建立防風(fēng)防沙林，保留適宜高度的留茬，可有效減輕土壤風(fēng)蝕危害。

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Characteristics of soil wind erosion in new reclaimation land of Mu Us sandy land, China

Zhou Yanguang, Wu Zifeng, Hu Rina, Li Hongyue, Wang Zhuoran, Hasi Eerdun※

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Soil wind erosion is the main cause of land degradation in arid and semi-arid areas in northern China, which is mainly affected by surface type, climate and so on. Strong soil wind-erosion will not only accelerate regional desertification and influence the quality of human life, but also cause serious ecological and environmental problems. Since the 2000 s, our country has gradually strengthened the control of land desertification and carried out a series of sand control works, which effectively improved the overall ecological environment of the sandy land. But in recent years, there are some common phenomenon that extensive grassland and brushland was turned into cultivated land in the southeast and southwest of Mu Us sandy land. However, in the dry and windy winter or spring, these new reclaimation land is usually so exposed that it is vulnerable to suffer from strong wind erosion. Therefore, it is great significance to study the characteristics of soil wind erosion in new reclaimation land and find out the control methods. Based on the above question, this paper selected the southern part of Mu Us sandy land (38°05′27″-38°13′58″N, 107°24′28″-107°37′30″E) as the research area, as well as set up 5 observation points on different surfaces, which were represented respectively by A, B, C, D and E. Point A was on the brushland, point B was on the middle of the grassland, and other three points were respectively on different parts of the cultivated land. On the day with strong wind activity, 12 groups simultaneous observation of wind and sand were made at these 5 points (A, B, C, D, E), with each observation time at least 20 minutes. After these observations, the material of the sand samplers were weighed with an electronic balance of 1/1 000, and the material of surface and sand samplers on cultivated land were analyzed by Mastersizer2000 Laser Particle Size Analyzer. The results showed that the soil wind erosion intensity increased exponentially after grassland and shrubland were cultivated; on cultivated land, with the increase of height, the sediment transport rate decreases with exponential function within 0-10 cm height and power function within 10-20 cm height. Due to the height of the sand collector used in this paper is 20cm, lower than the height of the sand flow layer. In order to obtain the total sediment transport rate of the surface of the cultivated land, this paper must calculate it through the function simulation obtained from the above result. After calculating the total sediment transport rate, fitting it with the wind speed. We found that the total sediment transport rate has a good power function relationship with the wind speed in the cultivated land with sufficient erodibility particles. Based on the formula of the relationship between wind speed and total sediment transport rate, as well as the wind speed data of the meteorological stations in the region, the wind erosion modulus of the new reclaimation land can be preliminarily calculated. The result shows that the wind erosion modulus of the new reclaimed land is 9 657t/(km2·a). Through the results obtained in this paper, combined with the former research results, this paper argues that the emergence of new reclaimed land has an important impact on regional desertification, and its area should be used as an important index when evaluating regional desertification. Meanwhile, Controlling cultivated land area, establishing windbreak and sand fixation forest, as well as retaining stubble at a certain height can effectively control soil wind erosion in newly reclaimed land.

wind; erosion; particle size; sediment transport rate; structure of drifting sand flux; Mu Us sandy land

周炎廣，武子豐，胡日娜，李紅悅，王卓然，哈斯額爾敦. 毛烏素沙地新墾地土壤風(fēng)蝕特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(1)：138－147.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.016 http://www.tcsae.org

Zhou Yanguang, Wu Zifeng, Hu Rina, Li Hongyue, Wang Zhuoran, Hasi Eerdun. Characteristics of soil wind erosion in new reclaimation land of Mu Us sandy land, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 138－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.016 http://www.tcsae.org

2019-08-27

2019-11-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0500805）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41671002）

周炎廣，博士生，主要從事干旱區(qū)地貌研究。Email：201521190011@mail.bnu.edu.cn

哈斯額爾敦，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事干旱區(qū)地貌與環(huán)境研究。Email：hasi@bnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.016

S157.1; S157.3

A

1002-6819(2020)-01-0138-10