干旱区生态水文过程对风力侵蚀响应机制

方 桥,张克海，张钰佳

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

生态水文学在1992年的Dublin国际水与环境大会上被作为一门独立的学科提出[1]，它是研究生态格局和生态过程变化的水文学机制的一门边缘学科，介于生态学与水文学之间，它的一个重要研究方向是在不同时空尺度上和一系列环境条件下探讨生态水文过程[2，3]与生态环境之间的相互作用机制。在不同时空尺度上，生态过程如何作用于水文过程，水文过程变化又如何影响生态过程，是生态水文学研宄的两大核心主体。 在干旱地区，水文过程控制着植被的生长发育，又是水土流失和土地荒漠化的主要调控者，所以水文循环过程的改变往往是干旱区所有生态环境问题的直接驱动力。因此，研究生态水文过程对风力侵蚀的响应机制是干旱区生态保护和经济可持续发展中必须解决的基础科学问题。

2 风力侵蚀的自然影响因素

2.1 土壤含水量

土壤含水量与风力侵蚀之间有密切的联系。首先，土壤颗粒起动风速的大小取决于土壤含水量，而且临界风速的大小也和土壤含水率有着密切的联系。同一地区，不同的土壤含水量，风蚀的临界风速不同。有研究表明，土壤含水率愈大，临界风蚀风速愈大，土壤抵抗风蚀的能力就愈强[4]。虽然各学者对土壤含水量对风蚀临界风速影响研究的方法有所不同，但得出的结论基本一致，临界风速高，土壤越不易风蚀。海春兴、赵烨等[5]提出，当土壤中有水分存在时，颗粒间的内聚力就会增加，从而增强了土壤的抗风蚀性。胡孟春[6]等利用风洞试验，得出沙土含水量是很重要的抗风蚀因子，2%的沙土含水率为重要的转折点，当含水率大于2%时，抗风蚀能力变化趋于稳定。vanDijk[7]等通过探究降雨对荷兰海滩风沙传输的影响，其验结果得出风蚀起动风速随土壤表层含水量的增加而增大。总之，土壤含水量是决定土壤风蚀情况的重要因素，而且通过大量研究不难得出在一定范围内，随着土壤含水量的增加，土壤的抗风蚀的能力增强。

2.2 植被

植被可通过覆盖地表的部分和利用根部增强土壤凝聚力来抑制地面输沙等多种途径的抑制作用，从而起到减弱风蚀对地表土壤的影响[8]。植被盖度对风速、地表粗糙度、风沙流的结构具有不同的影响[9]。因此合理的植被空间格局和较高的植被覆盖率等对风蚀有很好的预防和削弱作用。目前，在我国西北干旱地区对风蚀的防护措施主要是种植防护林。同时，风蚀也会对植被的生长形成重要的影响。唐伟[10]运用经验统计模型与系统动力模型在对干旱半干旱地区侵蚀与植被相互作用模型的研究中指出，风蚀对植被在不同的环境条件下既有促进作用，也有抑制作用。当风蚀的沉积物堆在该地区，会通过风蚀的分离作用，从地表剥蚀出无机营养质，用以植被生长繁殖所需。则当植被被沉积物全掩埋时，植被会因缺少光合作用而死亡。王兆印、巩同梁[11]等在研究雅鲁藏布植被类型与侵蚀类型的关系中得出风力侵蚀以沙丘的方式改变植被的空间格局及覆盖度。植被与风蚀之间的相互影响决定了干旱地区对植被生长特性研究的重要性，不同的植被格局、覆盖度等都会对风蚀产生一定的影响。由此可见，良好的植被状况是预防与减弱风蚀的重要措施。

2.3 土壤有机质

风蚀作用是导致干旱半干旱地区土壤养分变化的一个重要因素。风蚀造成土壤粗化，土壤有机质和养分减少。在吉林省西部沙地土壤风蚀机理分析研究表明，在其它条件一定的情况下，土壤有机质含量越高，土壤风蚀率越小[12]。王禹[13]通过对比两类开垦时间不同坡耕地土壤剖面有机质含量的深度分布发现，开垦时间较长的土壤有机质含量明显高于开垦时间较短的耕地，并对两个坡面侵蚀速率与各养分含量逐步回归统计结果显示，两个坡面上侵蚀速率均可用养分含量的函数表示，这反应了土壤养分流失与土壤侵蚀的密切关系。可以看出，无论是在哪种类型的土壤中，土壤抗风蚀能力随土壤有机质含量的增高而增高。

2.4 风力因素

风是风蚀的主要动力，风力的空间分布，在一定程度上决定着风蚀的空间分布，二者具有较好的相关性[14]。郑帅、李德明[15]等通过对风速与风蚀风积的关系研究得出随着风速的加大，流动沙丘和固定沙丘背风坡的坡中与坡脚的土壤堆积厚度均有不同程度的增加，而由于风力的剥蚀作用，坡顶的堆积厚度与风速呈负相关；也有学者指出[16]9 m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点。低于临界风速，风蚀物收集量高度符合指数曲线变化规律，高于临界风速，二者符合幂函数曲线变化规律。林艺、李和平[17]等在东北黑土区农田土壤的研究发现，高风速对土壤风蚀的影响大于低风速，这是因为低风速时土壤抗风蚀能力较为稳定，而当风速增大后，土壤的稳定性遭到破坏，抗风蚀能力变弱。同时，刘明义[18]等指出风向也会对风蚀产生影响。因此，风对风蚀的影响是通过风速与风向来决定的，只有对风速和风向有一定的控制，才会大大减少当地的风蚀程度。

3 风力侵蚀人为影响因素

土壤风蚀的成因包括自然因素和人为因素，而人为因素是造成土壤风蚀的主要因素。人为因素引起的风蚀量约占78.6%[4]。在很多干旱地区，由于人们对自然资源的大范围开发和粗放型运用，使原本就比较脆弱的生态环境遭受进一步破坏、恶化，从而引起该区土地荒漠化的发生[19]，使土壤抵抗风力侵蚀的性能迅速降低。柴成武[20]在对民勤地区土地荒漠化研究中分别从人类水资源利用方式及数量、植被保护、土地利用方式转变等角度分析了人类活动对当地土地荒漠化进程的影响，认为导致的民勤现代荒漠化主要原因为反复垦殖、弃耕、过度水资源利用。因此，在干旱地区人类活动会改变土壤结构及性质，从而间接影响到土壤的抗风蚀能力。此外，吴波和慈龙骏[21]、王涛[22]等的研究分别表明，毛乌素沙地和科尔沁地区现代荒漠化的主要驱动因素也是人类活动。造成我国荒漠化的不合理人类活动主要表现为滥牧、滥垦、滥樵、滥采、滥用水资源、滥开矿等[23，24]。在一个地区土地沙漠化过程中，人类扮演了决定性的角色，因此，控制土壤沙漠化的前提就是控制人类对其进行的大量的危害，通过一系列人类活动，来预防和削弱风蚀是非常有效的措施。

4 生态水文过程与风力侵蚀的响应机制

干旱地区降水稀少，气候干燥，蒸发量大，导致干旱地区水资源严重匮乏，因此水分传输和水分平衡显得尤为重要，而土壤含水量又是水分传输和平衡过程中的主要驱动力。土壤水分的时空动态决定着生态系统格局和动态，而生态系统演变又不断改变着沙地的水文过程[25-27]韩兰英、张强[28]等通过利用ARCGIS和SPASS软件对石羊河流域土壤含水量生态水文各因素之间进行主成分分析得到土壤含水量由降雨量、蒸发、下渗、径流等9个指标决定，并通过相对湿度，海拔高度，温度和年气象资料可以对当地的降水做出相对精准的预测。因此，我们可以初步确定生态水文过程直接影响土壤含水量，而土壤含水量又直接决定土壤抗风蚀的能力。张定海、李新荣[29]等以固沙植被中人工种植的灌木和乔木的盖度与深层土壤水分含量互馈互调作用的长期变化为依据，基于对中国不同气候带沙区典型人工植被系统生态和水文过程的模拟，通过建立生态水文模型初步界定了不同沙区适宜于人工植被生态系统管理的生态水文阈值，提出生态水文阈值能够很好地反映沙区人工植被系统生态和水文过程互馈互调的作用机理。依据不同气候带沙区人工植被稳定性维持的这些阈值，不仅可对现有人工植被进行生态系统管理，进而维持其防风固沙功能的可持续性，而且对未来不同沙区以植被建设为主要途径的生态重建和恢复提供了量化的参考指标。由此，我们可以看出，生态水文过程决定着土壤含水量、植被格局与覆盖度、温度、大气相对湿度等因素，这些因素又在一定程度上影响着风力侵蚀，同样，风力侵蚀也反作用于这些指标。因此，我们可以看出生态水文过程间接影响着风力侵蚀，风力侵蚀又反馈这种影响于生态水文过程。

5 结语

风蚀不仅导致土壤水分流失、土壤肥力下降、表层土壤养分流失，而且导致水体的破坏、土壤颗粒及农业化学物质随径流到达河流或湖泊，使水质降低[30]。因此，研究生态水文过程对风力侵蚀的响应机制可为我国广大干旱区经济、社会和生态环境协调可持续发展提供重要的生态水文学依据。给出自然因素和人为因素对风力侵蚀的影响，联系这些因素与生态水文过程之间的联系，提出预防和削弱的措施，为干旱区土壤风力侵蚀治理提供科学依据。