乌兰布和沙区不同下垫面的土壤风蚀特征*

刘 芳 郝玉光 辛智鸣 徐 军 黄雅茹 赵英铭 孙 非

(中国林业科学研究院沙漠林业实验中心 内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站 磴口 015200)



乌兰布和沙区不同下垫面的土壤风蚀特征*

刘 芳 郝玉光 辛智鸣 徐 军 黄雅茹 赵英铭 孙 非

(中国林业科学研究院沙漠林业实验中心 内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站 磴口 015200)

【目的】研究荒漠生态系统典型植被群落对近地层风沙活动的影响，揭示荒漠生态系统中不同下垫面条件的土壤风蚀特征。【方法】在乌兰布和沙区东北缘荒漠-绿洲过渡带内，选取油蒿半固定沙丘(盖度约20%)、白刺半固定沙丘(盖度约30%)、油蒿固定沙丘(盖度约40%)、白刺固定沙丘(盖度约40%)、流动沙丘(CK)5种典型下垫面，运用风蚀钎和风沙流采集系统，实时监测5种下垫面的风蚀动态，定量分析不同下垫面条件下的土壤风蚀量、风蚀物的垂向分布及粒度组成的差异性。【结果】乌兰布和沙区不同下垫面同期土壤风蚀深度为： 流动沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，当风速达到4.1 m·s-1时，流动沙丘即可观察到沙粒蠕动，当风速达5.1 m·s-1时积沙仪可收集到风蚀物。油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘的风速分别达到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1时方可发生风蚀； 5种下垫面0～100 cm垂直断面上，67.6%～90.0%的风蚀输沙均分布于30 cm高度范围之内，挟沙气流中输沙率随高度增加呈幂函数规律递减，随风速增大呈幂函数规律递增，各高度层风蚀物粒度组成呈单峰态分布，峰值处在250～100 μm之间，0～20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且偏向粒径趋大的方向； 自下而上，极细沙的粒度构成比例呈递增趋势，中沙的粒度构成比例呈递减趋势。【结论】随着植被盖度的增加，土壤风蚀程度显著减轻，流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度依次降低。盖度为40%的油蒿、白刺群落，其地表风蚀深度仅为流动沙丘同期风蚀深度的1.73%～1.52%，0～100 cm高度范围内的输沙率仅为流动沙丘输沙率的6.6%～5.1%。在荒漠生态系统中，植物群落主要通过覆盖地表、提高下垫面的粗糙度和拦截沙粒的运动来缓解气流对地表的侵蚀作用。因此，在防沙治沙工程实施过程中，要充分考虑和利用植被防风抗蚀的生态效应。关键词： 风沙流结构； 输沙率； 土壤风蚀； 粒度分析； 乌兰布和沙漠

土壤风蚀(soil wind erosion)是指土壤及其母质在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程，其实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀塑造地表景观的一个基本地貌过程(吴正， 2003)。土壤风蚀不仅是干旱、半干旱地区主要的土地退化过程，而且是导致干旱、半干旱地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素(Skidmoreetal., 1982)。在沙地环境中，地表植被能够有效降低风速、减轻地表风蚀，从而减少地表土壤细微颗粒及养分的损失(董治宝等， 1996； 张华等， 2002)。植被的这种防风抗蚀生态效应一直是国内外专家学者们关注和研究的焦点(Mc Tainshetal., 1998； Wolfeetal., 1993; Baueretal., 2004; Zobecketal., 2006)。植被对风蚀的影响直接表现在地表风蚀率的变化上，影响程度主要取决于植被类型及植被盖度、高度、密度等特征。长期以来，由于风蚀过程的复杂性及野外观测难度的局限，以往关于植被影响地表风蚀的研究结果多通过理论推导或风洞模拟实验而获得，且得出了许多风蚀率、摩阻速度及地表粗糙度等随植被特征变化的重要规律(董光荣等, 1987； Wassonetal., 1986； 张春来等， 2003)。在我国干旱、半干旱区农牧交错带，研究荒漠生态系统中沙生植被防风抗蚀生态效应的野外观测尚不多见。本研究以地处我国干旱半干旱农牧交错带的乌兰布和沙区为主要研究区域，选择该区域内荒漠生态系统中的5种典型下垫面，以2011年4—6月地表风蚀监测及3次沙尘暴事件的观测数据为依据，探讨乌兰布和沙区不同下垫面条件对地表风蚀输沙量及其高度分布的影响、风蚀物粒度组成与下垫面的关系，分析不同下垫面条件对地表风蚀输沙的影响及风蚀物的运动特性，揭示乌兰布和沙区不同下垫面条件的土壤风蚀特征，为沙区生态恢复与植被建设提供理论支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况及试验时期的气象条件

乌兰布和沙区是我国干旱区沙漠化发展严重地区之一，地处我国荒漠草原向草原化荒漠过渡地带，是我国沙尘暴源区之一并位于沙尘暴西北路径上 (李锋， 2011； 国家林业局等， 2009)。沙漠总面积9 082 km2，其中流动沙丘占49.94%，半固定沙丘21.78%，固定沙丘23.41%。在长期干旱多风的气候条件下，地表发育了沙丘链、灌丛沙堆与丘间洼地相间的风沙地貌格局。沙丘与黄河西岸接壤20多km，每年向黄河输沙约7.72×107kg，占黄河含沙量的37%(杨根生等， 2003)。据国家林业局磴口荒漠生态系统定位研究站(简称磴口站)气象数据统计(表1)，该地区干旱少雨，风大沙多，沙尘暴等灾害性天气频繁。

表1 磴口生态站1983—2012年各气象因子统计

试验区域(地理坐标为40°24＇N，106°46＇E)位于我国沙尘暴的西北路径上。2011年4月28—30日我国北方地区经历了当年强度最大、影响范围最广的一次沙尘天气过程，主要受较强冷空气和蒙古气旋影响(图1b)。磴口站监测到本次沙尘暴在试验区持续时间为29日2:00至次日1:00，起沙风风向为N-NNW，期间平均风速10.8 m·s-1，最大风速18.0 m·s-1； 据中央气象台预报(图1a)， 2011-04-24夜间至26日，受地面气旋及冷空气影响，内蒙古西部、甘肃西部等地的部分地区有扬沙或浮尘天气，局地有沙尘暴。磴口站监测到本次沙尘暴在试验区持续时间为04-24 16： 00—25 1： 00，起沙风风向为NW-NNW，期间平均风速10.4 m·s-1，最大风速达13.3 m·s-1； 5月29日的沙尘暴持续时间为10:00—19:00，是一场中等强度的沙尘天气，起沙风风向为WNW-NW，平均风速9.3 m·s-1，最大13.7 m·s-1。本文中的沙尘暴持续时间指一日中风速大于8 m·s-1的时段。图2分别给出了3次沙尘暴过境期间磴口站监测到的12 m高度处风速变化动态及1.5 m高度处空气温湿度的动态变化，试验期间无降雨，地表干燥。

图2 沙尘暴观测期间试验区气象特征Fig.2 Meteorological characteristics of the test area during sandstorm observation

1.2 试验方法

在乌兰布和沙区东北缘荒漠-绿洲过渡带，选择该区域代表性植被油蒿(Artemisiaordosica)群落、白刺(Nitrariatangutorum)群落，分别在油蒿半固定沙丘(盖度约20%)、白刺半固定沙丘(盖度约30%)、油蒿固定沙丘(盖度约40%)、白刺固定沙丘(盖度约40%)和流动沙丘设30 m2(5 m×6 m)试验样地，在样地中沿主风向呈直线布设10根风蚀钎，于2011年4—6月采用插钎法监测5类样地的土壤风蚀状况。根据4—6月测钎读数变化求得这一期间的风蚀深度，再由4—6月起沙风占年起沙风的比例(刘芳等， 2014)，推算2011年全年的风蚀深度。并于大风或沙尘暴天气运用立式积沙仪收集0～100 cm的风沙流流量。积沙仪底部与地面齐平，进沙口50层，积沙盒进沙口宽和高均为2 cm，可监测0～100 cm的地表风蚀输沙量，10 min取样1次。风速采用多通道自记风速梯度测定系统同步测定，每1 min记录1次风速。将收集到的风蚀物分层称重并用DLY2000光电颗粒分析仪进行粒度分析。

输沙率是指风沙流在单位时间内通过单位宽度或单位面积的风蚀物质量，是衡量沙区沙害程度的主要指标之一，也是治沙工程设计的主要依据(吴正， 2003； 朱震达等， 1980)，其与风速拟合关系式为：

式中：Q0～100为输沙率(g·cm-1min-1)，v为2 m高度处风速(m·s-1)，a，b为系数。

而将输沙率随高度变化进行拟合的关系式为：

(2)

式中：Q为输沙率，H为高度，c，d为系数。

1.3 试验区下垫面基本特征

油蒿群落与白刺群落是乌兰布和沙区东北缘荒漠-绿洲过渡带天然分布最广的植被类型，在长期的植被演替与水分利用竞争过程中，形成了植被盖度不一的半固定、固定沙地。本试验选取的5个观测点下垫面的基本特征如表2所示，地表土壤主要由粒径为250～50 μm的细沙和极细沙构成。

表2 观测点下垫面基本特征

2 结果与分析

2.1 不同下垫面土壤风蚀量

当地土壤风蚀主要发生在冬春季节，以春季4—6月风蚀危害最为强烈。由表3可知，5种样地4—6月土壤风蚀深度的大小顺序： 流动沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，随着植被盖度的增加，土壤风蚀显著减少。盖度为40%的油蒿、白刺群落地表土壤风蚀深度仅为流动沙丘同期土壤风蚀深度的1.73%～1.52%。

2011年4—6月起沙风持续时间占年起沙风持续时间的48.14%(刘芳， 2014)。可估算得流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度分别为： 55.131，2.123，0.898 cm。

表3 不同下垫面土壤风蚀量(4—6月)

2.2 风速对地表风蚀的影响

野外实测数据显示(图3)，当风速达到4.1 m·s-1时，流动沙丘表面可观察到沙粒的蠕动，当风速达到5.1 m·s-1时积沙仪可收集到沙物质。而有植被覆盖的样地起沙风速明显增大，油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘，风速分别达到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s-1时才有风蚀发生。图3表明，流动、半固定和固定沙丘的风蚀输沙率均随风速增大呈幂函数规律递增，R2>0.90。流动沙丘输沙率随风速增大而增加，但当风速<7.1 m·s-1的范围内增大较缓，在>7.1 m·s-1的范围内增大加快，说明气流搬运的沙量随风速增大而急剧增加。

2.3 不同下垫面风蚀物的垂向分布

对0～100 cm垂直输沙断面各层沙物质的粒度进行分析，结果表明： 不论哪种下垫面类型，各高度层风蚀物的粒度组成均服从单峰态分布特征(图4)，其峰值范围均处在 250～100 μm之间，0～20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且趋向粒径变大方向。在0～100 cm高度范围内，风蚀物各粒级含量中的中沙级组分含量减少，粉沙及黏土组分含量增加，即随着高度增加，极细沙粒度构成比例在自下而上的垂向变化过程中呈递增趋势，中沙粒度构成比例则在自下而上的垂向变化过程中呈递减趋势，风蚀物粒径随高度增加变细。

由图5可知，固定沙丘平均粒径由130.6 μm 减少至103.4 μm。半固定沙丘由173.5 μm 减少至96.8 μm，流动沙丘由212.9 μm 减少至91.3 μm。在0～100 cm垂直输沙断面上，无论是风蚀物粒径范围, 还是平均粒径，均随高度增加呈明显的递减趋势，且风沙流中沙粒的平均粒径趋向更细。这表明在同一风速条件下，气流上升的举力不足以把较大的沙粒带到较高层，但可把质量较小的颗粒运送到较高层。

2.4 不同下垫面风蚀输沙随高度分布特征

对乌兰布和沙区5种类型沙丘实测风蚀输沙数据统计分析(表4)表明： 在0～100 cm垂直输沙断面上，不论是哪种下垫面类型，输沙量百分比随高度增加呈下降趋势，风蚀物主要集中于贴地层0～4 cm高度内，0～10 cm高度层输沙量占总输沙量的42.8%～70.7%，67.6%～90.0%的输沙量分布于0～30 cm高度层。

对输沙率沿高度变化进行拟合(图6)，可看出输沙率随高度增加呈幂函数衰减，相关系数R2均在0.84以上，相关性较好。将油蒿、白剌固定沙丘输沙量百分比沿高度的变化与流动沙丘输沙量百分比对比得出： 由于植被盖度的增大，2种沙丘输沙量百分比在贴地层变小，0～10 cm高度层相对输沙量分别比流动沙丘0～10 cm输沙量百分比减少27.9%和15.6%，下降到总输沙量的42.8%和55.1%，这主要是由于地表植被改变了下垫面状况，显著地增大了地表粗糙度，改变了风力作用强度，增大了地表剪切力，降低了风沙流的挟沙能力，使贴地层的相对输沙量减少，导致风沙流结构变异。

选择12.3，11，9.7，7.9 m·s-1风速条件下各沙丘输沙率对比分析(表5)： 植被盖度为20%的油蒿半固定沙丘、盖度为30%的白刺半固定沙丘、盖度为40%的油蒿固定沙丘和白刺固定沙丘输沙率均值分别为2.553，0.786， 0.433，0.358 g·cm-1min-1，仅是流动沙丘输沙率均值的36.6%，11.3%，6.6%，5.1%。可见，当植被盖度达到40%以上时，下垫面风蚀输沙不及无植被覆盖地段输沙的6.6%，地表风蚀被有效阻止。

图3 不同下垫面风蚀输沙率与风速关系Fig.3 The relationship between different underlying surface of sand transport rate and wind speed

图4 各高度层风蚀物粒度组成特征Fig.4 Each level sand grain size of material characteristics

图5 风蚀物粒径的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of average particle size

3 讨论

土壤风蚀是干旱、半干旱地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素，也是干旱、半干旱地区主要的土地退化过程。相关研究表明，随着植被盖度的增加，下垫面土壤临界侵蚀风速相应增大，植被覆盖显著改变沙粒的起动风速，使地表风蚀输沙显著减少。张华等(2004)在科尔沁沙地研究表明，风沙活动期的输沙量(Q)与同期植被盖度(VC)间的最佳非线性回归关系式为Q=3.93+93.66e-0.60VC。高尚玉等(2008)对京津风沙源区研究表明，临界侵蚀风速与植被盖度的关系表现为U0=a+b·exp(VC/c)，其中，U0为临界侵蚀风速(m·s-1)， VC为植被盖度(%)，a,b,c为系数； 本研究得出，盖度为40%的油蒿、白刺群落土壤风蚀深度仅为流动沙丘同期土壤风蚀深度的1.73%～1.52%，0～100 cm垂直输沙断面上的输沙率仅为流动沙丘输沙率的6.6%～5.1%，估算得流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度分别为： 55.131，2.123，0.898 cm。与高君亮等(2009)推算的乌兰布和沙漠流动沙地、半固定沙地和固定沙地年输沙率的平均比例为1∶0.429∶0.054相符，而与其估算的年风蚀深度(流动沙丘9.059 cm、半固定沙地3.737 cm、固定沙地0.493 cm)差异较大，主要是由于他们在测算风蚀量时没有考虑风向问题，导致估算结果偏大，而风蚀钎法测得的风蚀深度更贴近野外实际风蚀情况。更准确的结果应使用长时段的实测数据分析。

表4 不同下垫面输沙率随高度的分布

图6 乌兰布和沙区地表风沙流结构(100 cm高度)Fig.6 Sand flow structure on sand surface in Ulanbuh Desert (H=100 cm)

表5 不同类型沙丘输沙率(100 cm高度)

①括号内为盖度Value in bracket is vegetation coverage.②半固定、固定沙丘与流动沙丘输沙率均质之比Average STR ratio of semi-fixed or fixed dunes to mobiledunes.

风蚀物粒径组成不但表征了下垫面土壤性质或颗粒所受外力作用的强弱，而且和风沙搬运量的大小以及搬运方式也有密切关系。乌兰布和沙区荒漠-绿洲过渡带5种下垫面条件的风蚀物主要由粒径为250～50 μm的细沙和极细沙构成。风蚀物含量垂直分布遵循幂函数(Q=aH-b)规律衰减，在0～100 cm垂直输沙断面上，各高度层风蚀物的粒度组成均服从单峰态分布特征，其峰值范围均处在250～100 μm之间，风蚀物粒径范围、平均粒径随高度增加呈明显的递减趋势，风蚀物粒径随高度增加变细。0～20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且趋向粒径变大方向，这主要是受跃移颗粒的影响，随着高度增加, 跃移质含量急剧降低,使风蚀物粒径快速减小，表明在同等条件下，沙粒的直径越小跳跃的高度越大。认识荒漠生态系统地表土壤的风蚀特征及植被降解风蚀输沙规律，对进一步研究荒漠生态系统不同下垫面释尘对大气环境的影响有重要意义。

4 结论

随着植被盖度的增加，土壤风蚀程度显著减轻，流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度依次降低。在荒漠生态系统中，植物群落主要通过覆盖地表、提高下垫面的粗糙度和拦截沙粒的运动来缓解气流对地表的侵蚀作用。因此，在防沙治沙工程实施过程中，要充分考虑和利用植被防风抗蚀的生态效应。

董光荣,李长治,金 炯,等. 1987.关于土壤风蚀风洞模拟实验的某些结果.科学通报, 32(4):297．

(Dong G R, Li C Z, Jin J,etal. 1987. Some simulation experimental results of soil wind erosion in wind tunnel. Chinese Science Bulletin, 32(4):297．[in Chinese])

董治宝,陈渭南,董光荣,等. 1996.植被对风沙土风蚀作用的影响.环境科学学报, 16(4):442-446.

(Dong Z B, Chen W N,Dong G R,etal.1996. Influences of vegetation cover on the wind erosion of sandy soil.Acta Scientiae Circumstantiae,16(4):442-446.[in Chinese])

高君亮,郝玉光,丁国栋,等.2013.乌兰布和荒漠生态系统防风固沙功能价值初步评估.干旱区资源与环境，27(12):41-46.

(Gao J L，Hao Y G，Ding G D,etal.2013. Primary assessment on the wind-breaking and sand-fixing function of the vegetation and its value in Ulan Buh desert ecosystem.Journal of Arid Land Resources and Environment, 27(12):41-46. [in Chinese])

高尚玉,张春来,邹学勇,等. 2008.京津风沙源治理工程效益.北京:科学出版社,94-101.

(Gao S Y,Zhang C L,Zou X Y,etal. 2008. Benefits of Beijing-Tianjin sand source control engineering. Beijing: Science Press, 94- 101. [in Chinese])

国家林业局.2009.中国荒漠化和沙化土地图集. 北京：科学出版社, 9-15.

(State Forestry Administration. 2009.Atlas of desertified and sandified land in China.2009. Beijing:Science Press,9-15. [in Chinese])

何京丽,张三红,崔 崴,等. 2011.黄河内蒙古段乌兰布和沙漠入黄风积沙监测研究.中国水利, (10):46-48.

(He J L,Zhang S H,Cui W,etal.2011. Monitoring and research on aeolian sand flowed into Yellow River from Ulan Buh desert in Inner Mongolia. China Water Resources,(10):46-48.[in Chinese])

胡海华,吉祖稳,曹文洪,等. 2006.风蚀、水蚀交错区小流域的风沙输移特性及其影响因素.水土保持学报, 20(5):20-25.

(Hu H H, Ji Z W, Cao W H,etal. 2006. Wind-sand flow transportation characteristics and effect factor of typical valley in wind-water erosion crisscross region.Journal of Soil and Water Conservation, 20(5): 20 -25.[in Chinese])

黄富祥,牛海山,王明星,等. 2001.毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率定量关系.地理学报, 56(6):700-710.

(Huang F X, Niu H S, Wang M X,etal. 2001. The relationship between vegetation cover and sand transport flux at Mu Us Sandland. Acta Geographica Sinica, 56(6):700-710.[in Chinese])

李 锋. 2011.沙尘暴灾害风险评估指标体系初探.灾害学, 26(4):8-13.

(Li F.2011.A preliminary discussion on risk assessment index system of sandstorm disasters.Journal of Catastrophology,26(4):8-13. [in Chinese])

李清河,包耀贤,王志刚,等. 2003.乌兰布和沙漠风沙运动规律研究.水土保持学报, 17(4):86-89.

(Li Q H,Bao Y X, Wang Z G，etal. 2003. Study on aeolian sand movement law in Ulanbuhe Desert. Journal of Soil and Water Conservation, 17(4):86-89. [in Chinese])

刘 芳，郝玉光，徐 军,等. 2014.乌兰布和沙区风沙运移特征分析.干旱区地理, 37(6):1163- 1169.

(Liu F,Hao Y G， Xu J,etal.2014.Sand flow characteristics in Ulan Buh Desert. Arid Land Geography, 37(6):1163- 1169.[in Chinese])

满朝旭. 2011. 我国北方地区遭遇今春以来最强沙尘天气. 中国广播网， 2011年4月30日 15:25.

(Man C X.2011.The strongest dust weather since this spring in north China. Chinese Radio Network, at 15:25 on April 30, 2011. [in Chinese])

王志刚. 1995.乌兰布和沙漠东北部风沙灾害与防护林带参数探讨.中国沙漠, 15(1):179-183.

(Wang Z G. 1995. A study on the features of drifting sand disaster and the parameters of the protective shelterbelts in the northeastern Ulan Buh desert. Journal of Desert Research, 15(1):179-183.[in Chinese])

吴 正. 2003.风沙地貌与治沙工程学.北京:科学出版社, 61-69.

(Wu Z. 2003. Aeolian geomorphology and sand control engineering. Beijing: Science Press, 61-69. [in Chinese])

杨根生,拓万全, 戴丰年,等. 2003.风沙对黄河内蒙古河段河道泥沙淤积的影响.中国沙漠, 23(2):152-159.

(Yang G S, Tuo W Q, Dai F N,etal. 2003. Contribution of sand sources to the silting of riverbed in Inner Mongolia section of Huanghe River. Journal of Desert Research, 23(2): 152-159. [in Chinese])

杨兴华,何 清,艾力·买买提明. 2011.塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区风沙流输沙特征研究.干旱区地理, 34(3):479-485.

(Yang X H, He Q, Maimaitiming Aili,etal.2011.Sand-transporting of sand flow at the Tazhong Area in the hinterland of the Taklimakan Desert.Arid Land Geography,34(3):479-485. [in Chinese])

张春来,邹学勇,董光荣,等. 2003.植被对土壤风蚀影响的风洞实验研究.水土保持学报, 17(3):31-33．

(Zhang C L, Zou X Y, Dong G R,etal. 2003. Wind tunnel studies on influences of vegetation on soil wind erosion. Journal of Soil Water Conservation,17(3):31-33．[in Chinese])

张 华,李锋瑞,伏乾科,等. 2004.沙质草地植被防风抗蚀生态效应的野外观测研究.环境科学, 25(2):119-124.

(Zhang H, Li F R, Fu Q K,etal.2004. Field investigation on ecological effect of windbreak and soil erosion reduction from sandy grasslands.Environmental Science, 25(2):119-124.[in Chinese])

张 华,李锋瑞,张铜会,等. 2002.春季裸露沙质农田土壤风蚀量及变异特征.水土保持学报, 16(1):29-32.

(Zhang H, Li F R, Zhang T H,etal.2002.Field observations of wind erosion sediment in bare sandy farmland during erosion-prone spring. Journal of Soil and Water Conservation, 16(1):29-32.[in Chinese])

朱震达,吴 正,刘 恕. 1980.中国沙漠概论.北京:科学出版社, 93-105.

(Zhu Z D, Wu Z, Liu S. 1980. Chinese desert. Beijing: Science Press, 93-105.[in Chinese])

Bauer B, Houser C A, Nicking W G. 2004. Analysis of velocity profile measurements from wind-tunnel experiments with siltation. Geo-morphology, (59):81-98.

Mc Tainsh G H, Lynch A W, Tews E K. 1998. Climate controls upon dust storm occurrence in eastern Australia.Journal of Arid Environments, 39： 457-466．

Skidmore E L, Powers D H. 1982. Dry soil-aggregate stability: energy-based index.Soil Sci Soc Am J,46:1274-1278．

Wasson R J,Nanninga P M．1986. Estimating wind transport of sand on vegetated surface．Earth Surface Processes and Landforms, 11(4):505．

Wolfe S A, Nickling W G. 1993. The protective role of sparse vegetation in wind erosion. Progress on Physical Geography, 17:50-68．

Zobeck T M, Van Pelt R S. 2006. Wind induced dust generation and transport mechanics on a bare agriculture field.J Hazard Materi, 132(1):26-38.

(责任编辑 朱乾坤)

Characteristics of Soil Wind Erosion under Different Underlying Surface Conditions in Ulanbuh Desert

Liu Fang Hao Yuguang Xin Zhiming Xu Jun Huang Yaru Zhao Yingming Sun Fei

(ExperimentalCenterofDesertForestry,CAFDengkouDesertEcosystemResearchStationofInnerMongoliaDengkou015200)

【Objective】 Influences of typical vegetation communities in desert ecosystems on the aeolian activities in the near surface were studied to reveal soil wind erosion characteristics of desert ecosystem under different underlying surface conditions. 【Method】 Five typical underlying surfaces, including semi-fixed dunes (coverage 20%) ofArtemisiaordosica, semi-fixed dunes (coverage 30%) ofNitrariatangutorum, fixed dunes (coverage 40%) ofA.ordosicaand fixed dunes (coverage 40%) ofN.tangutorum, and mobile sand dunes (served as the control), were selected in the desert-oasis ecotone at the northeast margin of the Ulanbuh desert. By using the wind erosion brazing and sand flow acquisition system, five kinds of underlying surfaces wind erosion dynamic were real-time monitored to quantitatively analyze the differences of soil wind erosion, vertical distribution and grain size composition under the different underlying surface conditions. 【Result】 Soil wind erosion thickness on different underlying surface during the same period in Ulanbuh desert was mobile sand dunes >semi-fixed dunes ofA.ordosica>semi-fixed dunes ofN.tangutorum> fixed sand dunes ofA.ordosica>fixed sand dunes ofN.tangutorum. Sand peristalsis could be observed in mobile sand dunes when the wind speed reached to 4.1 m·s-1, and the wind erosion material was able to be collected when the wind reached to 5.1 m·s-1.In semi-fixed dunes ofA.ordosica, semi-fixed dunes ofN.tangutorum, fixed dunes ofA.ordosicaand fixed dunes ofN.tangutorum, the wind erosion happened when wind speed reached to 6.3, 6.5, 6.8 and 7.9 m·s-1, respectively. In the vertical section of 0-100 cm on the five bed surfaces, sediment runoff of 67.6%-90.0% distributed in 30 cm height, carrying airflow in the transport rate expressed as a power function declined with the increase of height, and increased with the increase of wind speed. The grain size composition of the wind erosion in each layer was in a unimodal distribution, with the peak between 250-100 μm; The peak value of the grain size composition in 0 -20 cm height layers was obviously different from that of the other layers, and tended to be larger. From below to top, the proportions of very fine sand particles showed an increasing trend, but the proportions of medium sand grain size showed a decreasing trend. 【Conclusion】 With the increase of vegetation coverage, soil wind erosion decreased significantly, and the annual wind erosion depth of mobile sand dunes, semi-fixed dunes and fixed sand dunes decreased. With coverage of 40%A.ordosicaandN.tangutorumcommunity, the soil wind erosion depth was only about 1.73%-1.52% of the wind erosion depth of mobile sand dunes at the same time, and the sediment transport rate in the range of 0-100 cm height was only 6.6%-5.1% transport rate of mobile dune sand. Vegetation alleviated stream erosion to the surface mainly by covering the surface, increasing the roughness of the underlying surface and blocking the movement of sand. Therefore, in the process of implementing anti-desertification project, we should fully consider and use the ecological effects of vegetation in resisting wind erosion.

sand flow structure; sand transport rate; soil wind erosion； size analysis; Ulanbuh desert

10.11707/j.1001-7488.20170314

2015-02-20；

2016-11-09。

“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD16B0103)；中央级科研院所基本科研业务专项(CAFYBB2016MB003)。

S714.7

A

1001-7488(2017)03-0128-10

*郝玉光为通讯作者。