石羊河流域下游干涸湖底不同下墊面的風沙流輸沙通量*

郭樹江 楊自輝,3 王強強 王多澤 王 飛 樊寶麗 張逸君 李易珺 安富博

(1.甘肅省治沙研究所 蘭州 730070； 2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站 民勤 733300； 3.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地) 武威 733000)

青土湖屬于石羊河流域的尾閭湖泊，據(jù)史料記載，水域面積曾超過400 km2，在1959年完全干涸，濕地植被演化為鹽堿化荒漠(趙強等， 2003； 2004)。干涸湖床常年處于裸露狀態(tài)，在風力作用下，細小的鹽堿粉塵被卷入空氣中，成為沙塵暴和浮塵天氣的起塵源，造成的鹽堿風沙危害非常嚴重(王曉峰， 2004)。2010年隨石羊河上游來水量增加，干涸51年之久的青土湖(馮繩武， 1963)人工濕地逐步形成，雖然對調節(jié)區(qū)域氣候、維持沙漠生態(tài)環(huán)境、保護生物多樣性、減小鹽堿沙塵的環(huán)境污染、促進沙區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活質量起到了重要作用，但由于上游來水量有限、蒸發(fā)強烈、入滲補給地下水等因素，湖底仍有部分區(qū)域常年處于裸露狀態(tài)，鹽堿風沙危害依然嚴重。

國際上關于干涸湖底風蝕及鹽塵擴散的研究主要集中在北美和中亞，科學家對干涸湖底水鹽運動特征(Reynoldsetal.， 2007)、風蝕起塵的觸發(fā)機制(Shaoetal.，1993； Cahilletal.，1996)、 影響因子(Houseretal.， 2001； Langstonetal.， 2005)、鹽塵的氣候與環(huán)境效應(Grantzetal.， 2003) 等進行了較深入探討。國內關于干涸湖底鹽堿沙塵的研究主要集中在新疆艾比湖，學者們對干涸湖底風蝕特征、沉積通量、物質組成、鹽塵的釋放、輸送過程等開展了相關研究(劉東偉等， 2014； Muetal.， 2002； 吉力力·阿不都外力， 2009)。

風沙流作為風沙物理學研究的核心內容，也是風沙地貌、沙漠化、風沙工程的基礎理論之一，在整個風沙學科中占有極重要地位(龔家棟等， 2002)。目前對風沙流的研究方法包括風洞實驗、理論計算、數(shù)值模擬和野外觀測(李清河等， 2003； 王自龍等， 2009； Valnce等， 2015； 毛東雷等，2014； 王翠等， 2014； 屈建軍等， 2012； 杜鶴強等， 2012)。干涸湖底鹽堿沙塵粒徑較小、質量輕，在強風作用下更易形成風沙流，而對干涸湖底鹽堿沙地風沙流輸沙通量特征的相關研究報道較少。目前防治沙害、改善沙區(qū)環(huán)境的根本措施還在于抑制或消弱風沙流強度，只有準確確定風沙流輸沙通量才能制定關于湖底風沙災害防治的有效措施，使治理工作事半功倍。因此本研究以青土湖干涸湖底為對象，選擇典型風沙區(qū)不同下墊面開展風沙流輸沙通量觀測，分析風沙流輸沙通量空間差異性及風沙流顆粒物粒徑分布特征，以期揭示湖底鹽堿沉積物風沙流輸沙通量特征，為湖底鹽堿化荒漠的有效治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為甘肅省民勤縣城東北處、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。區(qū)內年均氣溫7.8 ℃，大于10 ℃年有效積溫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%； 年蒸發(fā)量2 600 mm以上； 全年無霜期168天，光照3 181 h，太陽輻射630 kJ·cm-2； 全年盛行西北風，害風主要為西北風，風力強勁，年均風速4.1 m·s-1； 屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。區(qū)域地形地貌為湖相沉積基質上相互交錯分布的流動、半固定、固定沙丘和丘間低地，沙丘高度3～10 m。地帶性土壤為灰棕漠土，非地帶性土壤為草甸沼澤土和風沙土。植被類型為典型的荒漠植被，主要植被類型為白刺(Nitrariatangutorum) 灌叢、人工梭梭(Haloxylonammodendron)林和蘆葦(Phragmitesaustralis) 群落。白刺沙堆呈斑塊狀分布，面積相對較大； 蘆葦群落主要分布在地下水位較淺的區(qū)域。主要伴生灌木有黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)。草本植物有豬毛菜(Salsolacollina)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)和碟果蟲實(Corispermumpatelliforme)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

自2010年青土湖上游來水量增加，湖底人工濕地逐漸形成，本研究僅涉及湖底風沙區(qū)，未觀測人工濕地區(qū)。通過對湖底風沙區(qū)調查，湖底不同植被群落呈片狀集中分布，主要分布有天然白刺灌叢、人工梭梭林和天然鹽爪爪群落，各群落灌木植物優(yōu)勢種差異明顯。將研究區(qū)分為9類下墊面： 流動白刺灌叢(a，沙包及丘間地，無結皮)、半固定白刺灌叢(b，沙包迎風坡及丘間地部分被結皮覆蓋)、固定白刺灌叢(c，丘間地和沙包，完全被鹽結皮覆蓋)、穩(wěn)定白刺灌叢(d，位于濕地區(qū)下風向，無沙源補充，丘間地和沙包，表層砂粒較粗，沙包表面結皮覆蓋少)、流動沙地梭梭林(e)、鹽堿沙地梭梭林(f，湖底沉積沙栽植的人工梭梭林)、湖底鹽爪爪群落(g，接近湖的中心，干涸后天然植被自然演替形成)、荒地鹽爪爪群落(h，位于湖的邊緣，水面萎縮后曾從事過農耕活動，之后撂荒)和湖底灘地(i)。在每類下墊面中間位置設置1塊(面積約3萬m2)樣地(表1)，在每塊樣地內選擇地勢平坦、四周無明顯遮擋物的位置，安裝風沙流流量計2套，每月采集1次沙塵樣品(2019年1月3日至2019年7月15日)。在每塊樣地中心沿主風向每隔100 m設置1個10 m×10 m的植被監(jiān)測樣方，每塊樣地設3個，共設置樣方27個，調查群落的植物種類、數(shù)量、株高和冠幅，并計算各種植物蓋度，同時測定并記錄各樣地經(jīng)緯度等。

2.2 風沙流輸沙通量觀測

風沙流輸沙通量是指在設定的時間段通過研究斷面的總沙粒量，這個指標對風沙危害評價非常重要，它主要受沙粒粒徑、風力大小、地表性質、土壤含水率、植被覆蓋度等因素的影響(韓致文等， 2012)。本研究中測定風沙流輸沙通量時，利用甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(后面簡稱民勤站)研制的“風沙流流量計”(專利號： ZL2006110105285.0)，其為風向跟蹤式輸沙總量型風沙流收集儀，進沙口高度50 cm，寬度0.5 cm，可收集近地表0～50 cm高度內的風沙流輸沙通量。本研究中不同下墊面地表輸沙通量是通過對觀測數(shù)據(jù)計算得出的1 m(寬度)×50 cm(高度)斷面上的通過沙量。2018年12月5日布設風沙流流量計，分別在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日采集沙樣，然后105 ℃下烘12 h稱干質量，并對采集樣品用英國馬爾文MS2000激光粒度儀測試粒徑。風速數(shù)據(jù)來自民勤站建在湖底的氣象觀測系統(tǒng)，為10 m高處的風速(m·s-1)，數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘1次。民勤地區(qū)的起沙風速(郭學斌等， 2006)為5.0 m·s-1(民勤治沙綜合試驗站， 1975)，因此本研究對≥5.0 m·s-1的風速與輸沙通量進行相關性分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件統(tǒng)計野外調查收集的植被數(shù)據(jù)和風沙流輸沙量，計算植被蓋度和不同時間段內每種下墊面在1 m寬度、50 cm高度斷面上通過的風沙流輸沙通量。用SPSS17.0軟件進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 地面風沙流輸沙通量的空間差異

2018年12月5日至2019年7月15日，分7次監(jiān)測了湖底9種下墊面地表風沙流輸沙通量(圖1)。分析表明： 9種下墊面不同時間段地表1 m寬度、50 cm高度斷面風沙流輸沙通量的變化規(guī)律較明顯。在2019年4月16日至6月15日，9種下墊面的輸沙通量較大，從大到小依次為湖底灘地i、湖底鹽爪爪群落g、流動白刺灌叢a、鹽堿沙地梭梭林f、荒地鹽爪爪群落h、流動沙地梭梭林e、半固定白刺灌叢b、穩(wěn)定白刺灌叢d和固定白刺灌叢c(圖1)。2019年1月3日至2019年7月15日流動白刺灌叢a、半固定白刺灌叢b、固定白刺灌叢c、穩(wěn)定白刺灌叢d的平均輸沙通量依次為325.94、36.51、0.59和2.48 kg·m-1，流動白刺灌叢a的風沙流輸沙通量是半固定白刺灌叢b的8.93倍、固定白刺灌叢c的552.44倍、穩(wěn)定白刺灌叢d的131.43倍。每次監(jiān)測的鹽堿沙地梭梭林f風沙流輸沙通量大于流動沙地梭梭林e，它們平均為59.69和8.08 kg·m-1，前者是后者的7.39倍。湖底鹽爪爪群落g的平均風沙流輸沙通量為341.17 kg·m-1，高于荒地鹽爪爪群落h的81.97 kg·m-1，二者均較大，前者是后者的4.16倍。流動白刺灌叢c、湖底鹽爪爪群落g、湖底灘地i的輸沙通量顯著高于其他6種類型(圖2)，且7次監(jiān)測的大小關系基本一致。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation of sample plots

圖1 湖底不同下墊面地表1 m(寬)×50 cm(高)斷面上風沙流輸沙通量變化特征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

湖底灌木層植被蓋度與平均輸沙通量分布特征(圖2)表明，風沙流輸沙通量較大的湖底灘地i、湖底鹽爪爪群落g和流動白刺灌叢a。灌木層蓋度均很小。在湖底灘地零星分布白刺灌叢沙包，伴生1年生草本阿拉善堿蓬(Suaedaprzewalskii)，灌木層植被蓋度在9種下墊面中最小，僅為0.04%，且上風向1 km外分布有流動沙丘，沙源充足，因此平均輸沙通量最大； 而湖底鹽爪爪群落g，地表處于流動狀態(tài)且起伏較大，植物種單一，灌木層植被蓋度低，僅為4.32%，上風向分布流動沙丘，有沙源，輸沙通量次之； 流動白刺灌叢a下墊面的灌木層植被蓋度為5.52%，沙包處于完全流動狀態(tài)，灌叢丘間地地表風沙流輸沙通量較大。

圖2 湖底不同立地條件下地面1 m(寬)×50 cm(高)斷面上風沙流平均輸沙量分布特征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 地面風沙流輸沙通量與風速關系

分析不同下墊面的風沙流輸沙通量與大于5.0 m·s-1風速(v)的關系(圖3)表明，9種下墊面的風沙流輸沙通量均隨風速增加而增大，且符合指數(shù)函數(shù)關系，擬合函數(shù)及相關性檢驗結果見表2，其中鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落與風速極顯著相關(P<0.01),固定白刺灌叢相關性不顯著，其他6種下墊面均顯著正相關(P<0.05)。

圖3 不同下墊面地表1 m(寬)×50 cm(高)斷面上風沙流輸沙通量與風速的關系Fig.3 Relationship between sediment transport flux and wind speed at 1 m(width) × 50 cm(height) section on different underlying surfaces

表2 不同下墊面地表1 m(寬)×50 cm(高)斷面上風沙流輸沙通量與風速的擬合函數(shù)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 地面風沙流顆粒物粒徑特征

分析風沙流顆粒物的粒度，可進一步了解風沙流結構及風沙流運動規(guī)律(李凱崇等， 2011)。圖4表明，風沙流顆粒物以細砂粒為主(平均體積百分含量達90.1%),其他各粒級體積百分含量存在下墊面類型差異。粗砂粒含量較多的為湖底灘地(18.00%)、穩(wěn)定白刺灌叢(11.5%)、流動沙地梭梭林(9.66%)、湖底鹽爪爪群落(8.4%)和流動白刺灌叢(6.1%)，而荒地鹽爪爪群落的粗砂粒含量為0。粉粒和黏粒累計含量較高的有固定白刺灌叢(14.7%)、荒地鹽爪爪群落(6.9%)和半固定白刺灌叢(4.6%)，而流動沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落的粉粒和黏粒含量為0。湖底9類下墊面的風沙流顆粒物平均粒徑最大的為湖底灘地(197.84 μm)，其次是流動沙地梭梭林(167.39 μm)、湖底鹽爪爪(162.54 μm)、穩(wěn)定白刺灌叢(162.48 μm)和流動白刺灌叢(150.07 μm)； 而荒地鹽爪爪、固定白刺灌叢的平均粒徑較小于其他下墊面，分別為99.62和103.13 μm。

圖4 湖底不同下墊面地表50 cm高度范圍風沙流顆粒粒徑分布特征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 討論

在相同風速下，風沙流輸沙通量大小的決定性因素主要包括植被蓋度、沙源豐富程度和地表穩(wěn)定性等。本研究表明，灌木層植被發(fā)揮著重要的防風固沙效能，隨著灌木層蓋度增加風沙流輸沙通量顯著降低。這與韓旭嬌等(2019)、汪季等(2005)、余沛東等(2019)、董治寶等(1996)和邢恩德等(2015)在相同風速下植被蓋度是影響風沙流輸沙量重要因素的結論一致。在9種下墊面中，湖底灘地、湖底鹽爪爪群落和流動白刺灌叢的平均輸沙通量較大，是因上風向有豐富沙源，且植被稀少，白刺灌叢表層處于流動狀態(tài)。而流動沙地梭梭林、固定白刺灌叢和穩(wěn)定白刺灌叢的輸沙通量較小，其中流動沙地梭梭林為風沙土，含鹽量低，在降雨多的年份能生長一年生草本植物，從而有效減少了風沙流輸沙通量，而穩(wěn)定白刺灌叢位于濕地下風向，主風向沒有充足沙源，固定白刺灌叢地表形成了結實的鹽結皮，且植被蓋度高、種類豐富，風沙流輸沙通量很小。

湖底9種下墊面的風沙流輸沙通量與大于5.0 m·s-1風速均呈正相關，擬合曲線遵循指數(shù)關系，說明隨著風速增大和能量增加，氣流搬運的沙量會快速增大，這個結果與賀大良(1993)研究的0～10 cm高度輸沙通量與風速呈冪函數(shù)關系不一致，而與徐軍等(2013)研究的烏蘭布和沙漠0～40 cm高度輸沙通量與風速呈指數(shù)函數(shù)關系的結果一致。風速與輸沙通量的函數(shù)關系因風速大小、輸沙通量監(jiān)測高度范圍不同而有差異。本研究中不同下墊面的輸沙通量受風速影響不同，鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落受風速影響較大，而固定白刺灌叢受風速影響較小。

干旱區(qū)干涸湖底作為一種新的風蝕塵源，受到越來越多關注，阿布拉·吐合提等(2020)分析了中亞咸海干涸湖床粉塵擴散的時空變異，結果表明粉塵擴散有季節(jié)分異，春冬季擴散范圍和密度最大。吉力力·阿不都外力等(2009)通過風洞試驗模擬了艾比湖干涸湖底不同地表類型的風蝕強度和粉塵釋放通量，結果表明干涸湖底風積物、湖相沙、粉狀鹽漠、鹽堿土是主要風蝕塵源。葛擁曉等(2013)對艾比湖干涸湖底6種景觀類型不同深度富鹽沉積物粒徑的分形特征進行了研究，表明淤泥-黏土混合物和粉狀鹽漠的臨界啟動風速最低，硬質鹽殼的臨界啟動風速最大； 風蝕過程中的顆粒初始運動主要集中在 0～10 cm 高度范圍內，以近地面躍移為主，風積物、湖相沉積物和粉狀鹽漠的輸移通量最大。本研究分析表明，地表1 m(寬)×50 cm(高)斷面上風沙流輸沙通量在4、5、6月較高，存在季節(jié)性分布，主要發(fā)生在春末夏初，這與青土湖湖底風速呈明顯季節(jié)性變化且年內較大風速分布在4—6月(郭樹江等， 2016)有密切關系。其次，研究區(qū)降水甚少，植被稀疏，春季地表異常干燥松散，抗風蝕能力很弱，在較大風力下地表容易形成風沙流。湖底灘地、湖底鹽爪爪群落、流動白刺灌叢這3種下墊面的地表輸沙通量較大，這是因為湖底鹽爪爪群落和流動白刺灌叢的下墊面為湖底風積沙而湖底灘地為湖相沉積物，地表形成鹽結皮，灌木層蓋度僅0.04%，且上風向沙源充足，使地表輸沙通量最大。

本研究中湖底9種下墊面的風沙流粒徑組成以細砂粒為主。楊興華等(2011)研究的塔克拉瑪干沙漠腹地風沙流粒徑組成中的細砂、極細砂和粉砂含量合計占97%以上；周穎等(2016)在古爾班通古特沙漠的研究表明，0～40 cm風沙流粒徑組成中的細砂含量為60%～90%； 劉芳等(2014)研究表明烏蘭布和沙漠東北緣的流動沙丘、半固定、固定沙丘在地表0～100 cm高度風沙流的細砂和極細砂含量之和分別為74.1%、80.6%和86.9%； 毛東雷等(2015)研究表明策勒過渡帶及綠洲邊緣的風蝕沙粒也以極細砂和細砂為主。以上研究表明我國不同沙漠、沙地的地表風沙流輸沙的粒徑組成均以細砂為主。由于觀測高度不同，不同區(qū)域風沙流的細砂粒含量存在差異，本研究的干涸湖底風沙流的細砂含量略高于前人在沙漠區(qū)的研究結果。

在湖底9種下墊面中，湖底灘地、流動沙地梭梭林和湖底鹽爪爪群落的風沙流顆粒平均粒徑較大，主要是因上風向為巴丹吉林沙漠，部分流沙在西北風作用下翻越雅布賴山，在青土湖湖床形成積沙帶，沙源不完全為湖底沉積物。穩(wěn)定白刺灌叢、流動白刺灌叢和半固定白刺灌叢風沙流顆粒物的粒徑次之，這3種下墊面均為白刺灌叢，沙包高度1～2 m，地表粉粒和黏粒在風力作用下堆積在沙包表面或在空中輸運至下風向，而在灌叢丘間地表運動的多為沙包上風向較粗的沉積顆粒。鹽堿沙地梭梭林和荒地鹽爪爪群落的地勢較平坦，均為湖底沉積物，粉粒、黏粒在地表運動較活躍，堆積量較小， 而固定白刺灌叢的植被蓋度高，地表形成鹽結皮，風沙流顆粒中有部分為上風向遠距離輸來的粉粒和黏粒，因此這3種下墊面的風沙流顆粒物的粒徑相對較小。

5 結論

風速、沙源豐富程度、下墊面植被覆蓋度和地表狀態(tài)是影響地表風沙流輸沙通量的重要因素。本研究在青土湖干涸湖底觀測了9種下墊面地表1 m(寬)×50 cm(高)斷面上的風沙流輸沙通量。處于湖底風沙活動較頻繁區(qū)域的湖底灘地、湖底鹽爪爪群落和流動白刺灌叢的輸沙通量分別為401.17、341.17和325.94 kg·m-1。湖底灘地和湖底鹽爪爪群落的地表土壤顆粒物粒徑較大，平均值分別為197.84和162.54 μm，要積極采取措施控制上風向沙源； 流動白刺灌叢不但有較大的輸沙通量，而且風沙流中的細砂含量(93.8%)高于以上2種類型，但平均粒徑(150.07 μm)小于以上2種類型，應在丘間地栽植耐鹽堿灌木，提高植被蓋度，降低風速，使灌叢沙包逐漸形成結皮和趨于穩(wěn)定。對表層沙粒處于流動狀態(tài)的荒地鹽爪爪群落，輸沙通量為81.97 kg·m-1，雖遠低于以上3種類型，但風沙流顆粒物的平均粒徑僅為99.62 μm，在9種類型中最小，且粉粒含量較高，在強風作用下細小的顆粒物被吹起后飄浮在空氣中，增加空氣中氣溶膠含量，污染大氣環(huán)境，應積極采取生物措施，栽植耐鹽堿的固沙灌木進行治理。流動沙地梭梭林的土壤為外源風沙土，含鹽量低，可生長1年生草本，穩(wěn)定白刺灌叢、固定白刺灌叢的地表形成了結皮且植被蓋度高，因此這3種類型的輸沙通量較小，可采取封禁保護，讓其自然恢復。