鄱陽湖濱湖沙山區風力侵蝕監測技術探討

2016-06-23 01:41:33莫明浩王凌云

中國水土保持 2016年5期

莫明浩,段　劍,王凌云

(1.江西省水土保持科學研究院，江西南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西南昌 330029)

鄱陽湖濱湖沙山區風力侵蝕監測技術探討

莫明浩1,2,段劍1,2,王凌云1,2

(1.江西省水土保持科學研究院，江西南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西南昌 330029)

[關鍵詞]鄱陽湖；濱湖沙山區；風力侵蝕；監測

[摘要]受水蝕、風蝕和人類不合理利用等影響，鄱陽湖部分地區出現了以沙丘、沙洲、沙山組成的“水鄉沙漠”特殊景觀。鄱陽湖濱湖沙山區生態環境惡劣，探討其風力侵蝕監測技術對于區域水土保持與荒漠化防治具有重要意義。采用手持風速風向儀、自動氣象站進行氣象要素的監測，采用插釬法進行風蝕深的監測，采用集沙儀進行躍移、蠕移、懸移等沙粒運動的集沙監測等，初步建立了包括氣象、植被、風蝕、土壤等因子在內的鄱陽湖濱湖沙山區風力侵蝕監測體系。

土地沙漠化作為干旱及半干旱地區一個重要的環境問題受到了人們的廣泛關注，然而在濕潤及半濕潤地區同樣存在風沙活動的區域，人們稱之為“風沙化土地”[1]。鄱陽湖是我國第一大淡水湖泊，也是國際重要濕地，在維系長江水量平衡和生態安全方面發揮著重要的功能和作用。隨著鄱陽湖生態經濟區建設上升為國家戰略，鄱陽湖流域社會經濟高速發展，水土流失等生態環境問題也愈發嚴峻[2]。除水蝕外，風蝕現象在鄱陽湖濱湖地區廣泛存在。在全國水土流失防治分區中，鄱陽湖濱湖沙山區屬于風蝕區中的沿河環湖濱海平原風沙區。長期以來，學者們采用了多種方法對鄱陽湖地區的水土流失進行觀測和研究，但大多數側重于水蝕造成的水土流失，而缺少監測手段導致對風蝕造成的水土流失的監測成果較少。因此，加強風蝕監測研究對于開展鄱陽湖濱湖沙山區水土保持監測、沙化土地的水土流失防治等具有重要意義。

1研究區概況

1.1鄱陽湖濱湖沙山區

受各種因素影響，鄱陽湖濱湖地區沙化較為嚴重，鄱陽湖北部斷續分布著一系列由松散沙粒組成的崗丘，當地人和一些學者稱之為“沙山”，主要分布于鄱陽湖濱湖地區和“五河”(贛江、撫河、信江、饒河、修河)尾閭區，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，以及南昌市新建縣厚田附近的贛江西側等地。鄱陽湖濱湖沙山的形成是地質構造變遷、水土流失造成的泥沙沉積、水體頂托倒灌和風力侵蝕共同作用的結果[3]。嚴重的風沙侵蝕壓埋農田、毀壞耕地，導致生態環境惡化、居民生活貧困，人地矛盾加劇，嚴重影響了區域生態安全和糧食安全。

鄱陽湖濱湖沙山區屬亞熱帶常綠闊葉林帶，具有典型的亞熱帶濕潤季風氣候特征，高溫多雨，干濕季明顯。降水和風是該地區土地沙化的原始動力[4]。降水年內分配極為不均，每年9月至次年2月的降水量僅約占全年降水量的23%。尤其冬季是多風季節，氣候干燥，“風季”與“旱季”在時間上基本同步，且風向比較恒定，風力作用頻繁且強盛，加速了該地區的風沙活動。每年3月至8月是降水較為集中的時期，多暴雨，由于林下抗侵蝕能力弱，因此加速了土地沙化的過程。該區獨特的氣候條件造就了我國亞熱帶風沙化土地的獨特景觀。

1.2試驗區

風力侵蝕監測試驗區選在都昌縣多寶沙山和星子縣沙灣小流域。

多寶沙山位于鄱陽湖入江洪道右岸，南北長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，在風力作用下退化為風沙土，土壤結構松散，養分含量低，保水保肥能力差[6]。該區氣溫較高，雨量充沛，年均降水量1 400～1 900 mm，年均蒸發量1 774～1 890 mm，平均氣溫17.4 ℃，最高氣溫42 ℃，全年無霜期241～304 d，年均風速2.9～3.8 m/s，全年5級以上大風日約20 d。整個植被景觀為草本、灌木與喬木的鑲嵌體，地貌類型以固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘為主。

沙灣小流域地處星子縣東南部、鄱陽湖下游西岸，主要涉及蓼花鎮勝利村、幸福村，土地總面積14.8 km2，屬于2010年第二批中央預算內投資水土流失重點治理工程項目區。沙灣小流域屬濱湖丘陵地貌，丘間多封閉的凹地(微型盆地)類負向地形，風力作用形成了各種風沙地貌，基本為風蝕地貌和風積地貌。

2風蝕監測試驗

2.1氣象要素監測

(1)風速風向的便攜式測定。風力侵蝕監測中最重要的氣象要素即風速風向。便攜式監測儀可采用手持風速風向儀，本試驗采用的為PH-SD2手持式風速風向儀。風速測量采用了計算機技術，可以同時測量瞬時風速、瞬時風級平均風速、平均風級和對應浪高等參數。風向測量采用了自動指北裝置，測量時無需人工對北，簡化了操作。該儀器帶有數據鎖存功能，便于讀數，體積小，質量輕，可廣泛用于測量風的參數。

在沙灣小流域選擇4個樣地進行試驗，每個樣地選3個點測量風速求平均。2012年8月風速測定結果見表1，所測沙山0～1 m高度最小風速為1.37～2.80 m/s，最大風速為3.00～5.07 m/s，平均風速為2.20～3.73 m/s；1～2 m高度最小風速為3.70～5.00 m/s，最大風速為4.77～6.90 m/s，平均風速為4.23～5.37 m/s；裸露地起沙風速為3.20～4.10 m/s。

表1　星子縣沙灣小流域風速測定結果　m/s

(2)自動氣象站的氣象監測。對于完整氣象要素的定位監測，本試驗采用了美國進口的HOBO U30自動氣象站，可同時測量風速、風向、空氣溫濕度、土壤溫濕度、太陽總輻射、雨量、氣壓等多種參數，并可通過USB接口定期下載數據。

2.2沙地土壤性狀監測

沙地土壤物理化學性質監測仍采用傳統的取樣測試方法。鄱陽湖濱湖沙山區沙土與南方紅壤的區別在于沙土過于松散，因此在測量容重取樣時應避免樣品脫落，同時還要注意因養分含量過低造成其中某些土壤養分指標在測試中未能測出的情況。

容重測定時將一定容積的環刀插入土壤中采集土樣，經烘干(105～110 ℃，6～8 h)后測出干土質量，由環刀的容積算出單位容積的干土質量。土壤水分的測定采用烘干法。土壤養分的測定中有機質的測定采用電熱板加熱-重鉻酸鉀容量法，全氮的測定采用水楊酸比色法，全磷的測定采用硫酸-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行了取樣測試(2012年8月)，共4個樣地，每個樣地選3個點求平均。從監測結果來看(表2)，取樣點沙地的土壤容重在1.41～1.50 g/cm3，與海龍等[7]和付曉燕等[8]在北方沙地區如內蒙古沙漠(科爾沁沙地、庫布齊沙漠、渾善達克沙地等)、河北沙地(黃羊灘)等地的研究結果(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%，較內蒙古庫布齊沙漠0～20 cm土壤含水率(0.54%～0.57%)[7]高出許多，但沙地的養分含量比內蒙古沙漠低，主要是有機質、全磷含量低(沙灣小流域沙地有機質含量為0.51～1.21 g/kg、全氮為0.12～1.03 g/kg、全磷為0.07～0.09 g/kg，而內蒙古沙漠相關指標值分別為4.5～12.9、0.11～0.75、0.13～0.41 g/kg[7])。沙地取樣和機械組成分析結果表明，砂粒占92.34%～98.88%，粉粒占1.00%～7.65%，黏粒占0～0.50%，說明鄱陽湖沙山地區沙地土壤顆粒組成以砂粒為主。另據付曉燕等[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定結果

2.3風力侵蝕監測

(1)集沙儀安裝。為了進行風力侵蝕監測，在多寶沙山試驗地安裝了中國科學院寒區旱區環境與工程研究所研制的可監測不同沙粒運動的集沙儀設備，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，集沙量結果見表3。在多寶沙山試驗地按16個方向稱量沙粒，未能收集測出，因此本研究分北面和南面兩個方向收集沙粒稱量，結果見表3。

根據集沙儀測量結果，采用輸沙率計算公式

(1)

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

表3　都昌縣多寶沙山試驗地集沙儀集沙量　 g

蠕移、躍移、懸移、梯度四種集沙儀進沙口規格和數量分別為5 mm×100 mm×16個、20 mm×500 mm×16個、20 mm×50 mm×4個和20 mm×20 mm×50個。若以g/(m·min)為單位，則試驗區輸沙率的數量級為10-4g/(m·min)，因取樣頻率為每月一次，所以本試驗將時間改為以d為單位，即輸沙率單位為g/(m·d)。另外本試驗中梯度集沙量反映的是北面這一固定方向，輸沙率計算意義不大，故未做計算。本試驗輸沙率計算結果見表4。

表4　輸沙率計算結果　 g/(m·d)

從氣象監測結果來看，鄱陽湖濱湖沙山區主風向為北風，集沙儀北面的集沙量大于南面；最大風力為5～6級，每年11月至次年2月是發生風力侵蝕的主要時期；從集沙量看，風沙運動以蠕移和躍移為主，因此風蝕防治措施應以栽植灌草為主；從輸沙率來看，監測點的輸沙率較小，遠小于北方沙地[毛烏素沙地輸沙率0.01～1.52 g/(cm·min)[10]]，這可能與監測點位置位于半固定沙丘有關。

(3)插釬法監測。在多寶沙山采用插釬法監測風蝕深。試驗區域為半固定沙丘。采用9根1 m長竹竿制成測釬，在觀測樣地內按2 m×2 m的間距將測釬插入地面，地面以上保留60 cm左右，標記50 cm刻度，每月記錄測釬頂部到地面的距離以監測風蝕深。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。

測釬頂部到地面的距離變化量為

(2)

式中：n為在觀測樣地內布設的測釬總數；ΔLi為第i根測釬頂部到地面的距離的變化量。

如果計算出H為負值，說明監測樣地發生了吹蝕；如果H為正值，則說明監測樣地發生了風積。試驗的結果表明，植被覆蓋樣地幾乎未監測到風蝕，僅在11月和12月的風蝕深為0.1～0.2 cm；稀少植被樣地很少監測到風蝕，僅在11月至次年1月風蝕深為0.2～0.5 cm；荒沙樣地在3月至9月幾乎未監測到風蝕，在10月至次年2月風蝕深為1.2～1.6 cm。

3風力侵蝕監測體系探討

綜合鄱陽湖濱湖沙山區風力侵蝕相關研究成果，可以初步建立鄱陽湖濱湖沙山區的風力侵蝕監測體系，見表5。上述監測體系的建立有助于實現鄱陽湖沙山地區風力侵蝕指標的常規監測。