毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征

周炎广，武子丰，胡日娜，李红悦，王卓然，哈斯额尔敦

毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征

周炎广，武子丰，胡日娜，李红悦，王卓然，哈斯额尔敦※

（北京师范大学地理科学学部自然资源学院，北京 100875）

为了理解近期沙地农业开发的土壤风蚀风险及其对区域沙漠化的影响。该文对毛乌素沙地灌丛沙堆地、沙质草地以及耕地不同位置进行了多组风沙同步观测，并对所收集的沙物质进行粒度分析。结果表明：草地与灌丛地被开垦为耕地后，土壤风蚀强度成倍数增长。在可蚀性颗粒充足的耕地，输沙率顺风向趋于增加的同时，随高度的增加，输沙率在0～10 cm高度内以指数函数规律递减，在10～20 cm高度内以幂函数规律递减；总输沙率与风速呈较好的幂函数关系，侵蚀模数约为9 657 t/(km2·a)。该文认为，新垦地的出现对区域沙漠化具有重要影响，其面积应作为评价区域沙漠化的重要指标；减小裸露耕地面积，建立防风固沙林，保留一定高度的留茬，可有效控制新垦地的土壤风蚀问题。

风；侵蚀；粒度；输沙率；风沙流结构；毛乌素沙地

0 引 言

土壤风蚀是干旱、半干旱区沙漠化的首要环节[1-4]，并受下垫面及气候环境要素等[5-7]的共同影响。强烈的土壤风蚀加速区域沙漠化的发展，影响人类生活质量，进而引起严重的生态与环境问题[8-9]。毛乌素沙地位于中国北方农牧交错带中部，对气候变化和人类活动具有较高的敏感性和脆弱性[10-12]。在历史时期曾经历了多次沙丘活化、沙漠扩张与沙丘固定、沙漠收缩。在过去几十年前该区风沙活动强烈、沙漠化比较严重。后来尤其是2000年以来，随着政府实施多项生态治理工程（诸如京津风沙源治理、三北防护林、退耕还林等），植被覆盖度得到大幅度增加，大部分沙丘得以固定，沙漠化出现逆转，整体的生态环境得到有效改善[13-15]。与此同时，随着快速城市化和工矿交通建设占用农田，以及农业技术的发展，地下淡水资源较为丰富的毛乌素沙地成为农业开发的主要场所。近年来，在毛乌素沙地东南部与西南部，大面积草地与灌丛地开垦为耕地的现象极为普遍，致使新垦地的面积快速增长[16]。这些开垦后的耕地在干旱多风的冬、春季节多处于裸露状态，易遭受强烈风蚀。因此，研究新垦地的土壤风蚀问题，并找出控制方法具有重要意义。本文以毛乌素沙地南部为研究区域，在该区的灌丛沙堆地、沙质草地与新垦地的不同位置上进行气流与集沙的同步观测，试图阐明新垦地的土壤风蚀特征，揭示新垦地对区域沙漠化的影响。同时，通过分析耕地输沙率与高度、风速的关系，结合前人的研究成果，探讨出减轻新垦地土壤风蚀的有效方法与措施。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地南部的鄂尔多斯市鄂托克前旗，地理坐标为：38°05′27″～38°13′58″N，107°24′28″～107°37′30″E（图1），地貌景观以NW-SE向的带状沙地与平坦滩地相间分布为特色。该区属温带半干旱气候，冬春季干冷多风，夏季温暖湿润。根据鄂托克前旗气象站多年（1959－2015年）观测数据的统计分析，年均温7.9ºC，平均年降水量254.3 mm，年蒸发量2 456.10 mm，年均风速2.4 m/s，尤以4－5月风速最高。起沙风风向主要集中于西北，且来自WNW方向所占比例最大。土壤类型以风沙土、栗钙土和草甸土为主。植被主要为沙地植被和一些草甸植被，以油蒿（）、北沙柳（）、藏锦鸡儿（）、紫花苜蓿（）与芨芨草（）等为主。

注：图中小框为观测区域。

1.2 研究方法

1.2.1 观测点位置

在研究区中，选取一片地势平坦且具有多种下垫面类型的小块区域。依据下垫面类型，依次分为灌丛地、草地与耕地3类。灌丛地的主要植被类型为油蒿（），平均高度约60 cm，盖度达40%，且地表无明显结皮现象；草地分布较为均匀，植被高度在10 cm左右，盖度约50%，地表有近2 mm厚的物理-生物结皮；耕地为2011年后开垦种植玉米，地表平坦且均为松软沙物质。观测期间，耕地裸露且无灌溉装置。

沿顺风向，选取5个典型位置作为阶梯式集沙仪的布设点位，分别用字母A、B、C、D及E表示（图2）。A点选在距草地边界一定距离的灌丛地中部；B点在耕地与灌丛地边界等间距的草地中部；C、D、E代表了耕地上的不同位置，C点与耕地上边界相距5m，D点与C点相距45m，E点与C点相距85m。风沙观测期间，在A、B、C、D、E位置及其附近进行多组重复。

注：A、B、C、D和E为阶梯式集沙仪的布设点位。

1.2.2 气流观测

观测仪器为已校准的 EC 9-1型三杯风速仪，与Campell公司生产的CR1000数据采集仪相连，该系统可每5 s自动采集并储存观测数据。选定风沙活动强烈的大风日，在D点位置0.2、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0及4.0 m共9个高度处架设杯状风速仪，并在4.0 m高度处架设校准后的风向标。本次野外观测时间为2018年5月，共进行12组风沙观测。其中5组为顺风向A、B、C、D、E 5个位置同步进行的风沙观测，意在对比灌丛地、草地与耕地在同流情况下的输沙情况，观测时段分别为12:25－12:55、12:56－13:25、14:43－15:13、15:24－15:54及15:55－16:24。剩余7组为耕地内部3个位置（C、D、E）的风沙同步观测，观测时段分别为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 输沙率观测与粒度测量

本文使用的阶梯式集沙仪总高度为20 cm，共10个进沙口，进沙单口面积为2 cm×2 cm，集沙效率为90%[17-18]。集沙仪的进沙口中心距地面高度分别为1、3、5、7、9、11、13、15、17和19 cm。风沙观测时，所有集沙仪的底部与地面齐平，集沙与测风同步进行。为保证集沙量的充足性与准确性，集沙口的方向需依据当时风向做出相应的调整，且每次集沙观测时间至少20 min，同步观测记录多组数据。集沙仪所采集的沙粒样品经风干处理后用千分之一电子天平（精度0.001 g）称质量记录，并以观测高度内单位时间单位宽度的总输沙量表示输沙率。观测开始前，在所设的5个观测位置（A、B、C、D、E）采集表层沉积物采样，且在每个位置上采取3组样品，用以平均。观测结束后，通过Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪，分别对研究区地表所采样品与集沙仪所收集物质进行粒度分析。

2 研究结果

图3是观测期间距地表2m高度处的风向与风速。风向集中于NNW（326.26°～348.75°）与N（348.76°～11.25°）之间，且绝大多数在NNW方向，平均风速集中于6～8 m/s。

注：各观测时段以虚线划分，并用罗马数字表示。

耕地表层与对应风蚀物的粒径频率曲线（图4）均呈逼近正态分布的单峰。耕地不同位置（C、D、E）表层沉积物粒径级配均以中、细砂（64～500m）组分为主（占总组分的85%～95%），且众数对应的粒径均介于150～250m之间，频率在12%～16%之间。与其相对应的风蚀物粒径级配也以中、细砂（64～500m）组分为主（占总组分的90%～96%），众数对应的粒径介于150～210m之间，频率在15%～18%之间。

图4 耕地（C、D、E）表层及对应风蚀物粒径频率曲线

2.1 输沙率的顺风向变化

图5是同流条件下顺风向不同地表的输沙率变化。耕地表面的输沙率较高，且总体随风速增大而增大；而草地和灌丛地的输沙率极低，与风速的大小无明显关系。这说明草地和灌丛地几乎不遭受风蚀，而裸露的耕地较易遭受侵蚀。在耕地，顺风向由C点至E点，输沙率整体呈增大趋势。在平均风速为5.78、7.38与7.56 m/s时，耕地输沙率由顺风向依次增加，且增幅较大；在平均风速为6.46与7.20 m/s时，E点的输沙率低于D点，但高于C点，这可能是与复杂多变的野外环境有关[19]。

表1为各地表输沙率之间的对比关系。耕地与灌丛地输沙率的比值为2.409～41.792，平均18.63；耕地与草地的比值2.605～41.952，平均17.95；草地与灌丛地的比值趋近于1。耕地与灌丛地和耕地与草地的输沙率比值，随着风速的增大，呈指数函数规律增长（2：0.921，0.857）。

图5 顺风向不同地表的输沙率变化

表1 各地表输沙率之间的对比关系

2.2 输沙率的垂线变化

图6是不同风速条件下的耕地（C、D、E）输沙率随高度的变化图。随高度增加，输沙率趋于减少。但是，以距地表10 cm高度为界，出现两种递减形式：以上显示输沙率与高度均呈现较好的直线关系，以下则呈明显的曲线形态。这说明在10 cm高度上下，耕地输沙率与高度之间的关系可能有两种函数关系。

2.2.1 距地表10 cm高度内的输沙率变化

在耕地0～10 cm高度范围内的输沙通量占总输沙通量（0～20 cm高度内）的90%以上。图7是耕地（C、D、E）输沙率与高度（范围0～10 cm）的关系图。在10 cm高度内，输沙率随高度的增加而迅速减少，减少率范围在80%～96%。近地表0～2 cm高度内的风蚀物含量变化较大，且无明显规律，这与近地表沙粒复杂移动方式（蠕移和跃移）相关。在0～10 cm区间，耕地（C、D、E）的输沙率与高度呈良好的指数函数关系。指数函数公式为

=ab（1）

式中为输沙率，g/(cm·min)；为高度，cm；、为回归系数。随风速的增大，气流中的总输沙量整体呈增大趋势；在0～10 cm高度区间内，输沙率与高度的指数函数相关系数均达0.99以上，说明相关性极高。由此，指数函数关系式能够充分且准确反映10cm高度内输沙率与高度的关系。

图6 耕地（C、D、E）输沙率与高度的关系

图7 耕地（C、D、E）输沙率在0～10 cm高度内的垂线变化

2.2.2 距地表10-20cm高度内的输沙率变化

图8是高度在10～20cm范围内耕地（C、D、E）输沙率与高度之间的关系。在10～20cm高度范围内，风蚀物含量随高度的增加而减少，但减少程度较小；随风速的增加，各层输沙率呈增加的趋势。在10～20 cm高度内，风蚀物含量随高度的分布更趋近于幂函数形式。幂函数公式为

=ax（2）

式中为输沙率，g/(cm·min)；为高度，cm；、为回归系数。在10～20 cm高度内，输沙率与高度的幂函数相关系数（2）均达0.93以上，相关性极高。由此，幂函数关系式能够充分反映10～20cm高度范围内的风蚀物含量随高度分布的实际。

图8 耕地（C、D、E）输沙率在10～20 cm高度内的垂线变化

2.2.3 总输沙率的计算

利用上述经验公式（1）和（2）模拟出的输沙率值与实测值之间的对比结果显示（图9），模拟公式可以较为准确地模拟耕地风沙流输沙率与高度的关系。至于近地表1 cm处的输沙率值与函数模拟值具有较大的差异，说明贴近地表处沙物质移动方式的复杂性。模拟后的输沙率与高度的关系在10 cm高度处上下具有明显的改变。在0～10 cm以内，输沙率与高度呈指数函数规律；而在10～20 cm高度内，输沙率与高度呈幂函数规律。函数公式所算出的模拟值与集沙仪所测的实际数据高度吻合，说明依据模拟函数可以准确计算出不同高度上的输沙率值。

注：C-1指在观测点C上进行的第一次测量时，所得输沙率实测值与模拟值的对比关系，余同。v为平均风速。

本文所用集沙仪高度为20 cm，低于风沙层高度。因此，为得出耕地近地面层的总输沙率，需通过上述模拟结果进行计算，计算公式与步骤如下

式中()是高度在时的输沙率，g/(cm·min)，为高度，cm，数值0.9为集沙仪的集沙效率，为回归系数。通过公式（3），可计算出耕地不同位置（C、D、E）上每组积沙的总输沙率。

2.3 总输沙率与风速的关系

图10是耕地（C、D、E）上总输沙率与风速之间的关系图。其中输沙率是通过模拟函数公式（3），计算所得的总输沙率，风速为每组观测期间2 m处的平均风速。耕地不同位置的总输沙率与平均风速呈较好的幂函数关系，相关系数（2）均在0.86以上，说明随风速的增加，输沙率显著增高。同时，顺风向距耕地上边界越远，输沙率随风速增长的增幅更大。基于总输沙率与平均风速间的关系公式，可通过平均风速而反推出耕地各位置在此时期的总输沙率。

图10 耕地（C、D、E）上总输沙率与风速的关系

2.4 耕地风蚀模数的估算

通过风速与总输沙率的关系（图10），结合鄂托克旗气象站的风速数据，可初步推算出该片新垦地的风蚀模数。因区域气象站所测得的风速数据为10 m处旷野风速，而文中各类分布关系均是以2 m高度处平均风速计算，故在使用气象站风速数据前，需将10 m处风速转换为2 m处风速。本次野外连续观测了9个不同高度处的平均风速，可通过下式推算10 m高处风速

式中*是摩阻风速，0.2、2、10分别表示高度为0.2、2及10 m高度处的平均风速。由公式（4），结合0.2 m与2 m处实际测量的多组数据，推出对应10 m高处的平均风速。将所得10 m处平均风速与2 m处平均风速进行拟合，可得公式（5），拟合系数2等于0.988。

因此，研究区的2 m处风速与10 m处风速可由公式（5）进行转换。

耕地在5月底至10月底常种有玉米作物，在此时期耕地几乎不发生风蚀。因而估算耕地的风蚀模数时，应重点考虑耕地处于裸露状态时的风蚀量，即冬春季期间。耕地下风向（C点）与耕地上风向（E点）之间相距85m，用E点位置的风蚀量减去C点位置的风蚀量，便可得出两位置间风蚀物的流失量，计算公式如下。

式中()是平均风速在时的输沙率，g/(cm·min)；为平均风速。若该片耕地长期保持此地表状态，那么便可通过公式（6），结合该区气象站的风速数据，初步推算出该片耕地一年的风蚀量。结果显示，该片新垦地风蚀模数为9 657 t/(km2·a)。

3 讨 论

耕地风蚀强度的大小受区域风速、土壤含水量、不可蚀性颗粒含量、耕作方式等[9,20-21]多种因素的影响。本文单一考虑了区域风速对耕地风蚀强度的影响，而未考虑其他因素，故文中所用风蚀模型具有较大的局限性，仅能反映所研究耕地的风蚀状况。尽管如此，通过该模型计算所得的风蚀模数已能充分反映出新垦地风蚀强烈。近年来，对不同区域的农田风蚀量问题开展了各类模型研究[22-26]。王仁德等[24]通过粒度对比法，测得河北坝上无覆盖物农田2013年的风蚀模数为960～5 700 t/(km2·a)，平均为2 852.14 t/(km2·a)。李胜龙等[25]通过修正风蚀方程（RWEQ）估算得出,东北地区的垄作无覆盖农田风蚀模数高达181.7～86 582.9 t/(km2·a)。迟文峰等[26]同样使用（RWEQ）方法估算得出，内蒙古西部2015年土壤风蚀模数为5 946 t/(km2·a)。综上可知，无覆盖耕地在不同区域和状态条件下均表现为中强度侵蚀，其土壤风蚀问题极为严重。

近几十年来，毛乌素沙地的耕地面积大幅度增长[11,27]，且仍有加剧增长的趋势。据研究[16]，从2010年到2015年，毛乌素沙地的耕地面积共增加了411.29 km2。究其原因，主要包括以下3个方面：一是区域政府的占补平衡政策[28-29]，即城市建设所占用的耕地，需通过增加新垦地得到补充；二是农业生产技术与水平的提高，随着各类喷灌、滴灌技术[30-31]的普及，半干旱区耕种已成为一种高效而经济的选择；三是禁牧政策的间接影响，草场被封育后，牧民需开垦新耕地用于种植畜牧饲料。观测结果表明，灌丛地与草地被开垦为耕地后，风蚀强度增强，输沙率呈倍数增长。大面积开垦耕地不仅直接导致土壤风蚀问题的加重，同时还会间接引发众多环境问题，如地下水位下降及水污染问题等[32]。因此，耕地面积的大小对区域沙漠化程度的强弱具有重要影响。目前，国内学者对区域沙漠化监测评价的指标做过较多研究[33-34]，构建了多种沙漠化评价体系，但所选指标往往集中在裸沙面积与植被盖度等，并未考虑耕地面积的影响，故而可能低估了区域沙漠化程度。同时，在进行遥感解译和监测时，常忽略了影像时间的问题。若影像在夏、秋季期间，此时耕地上具有作物覆盖，对区域沙漠化的影响较低；而在冬、春季期间，耕地上几乎无作物覆盖，对区域沙漠化的影响巨大。由此，该文认为在评价区域沙漠化程度时，应将耕地面积作为重要评价指标，并将各季节分开进行评价。

风蚀物含量随高度的变化规律，在不同的高度区间具有一定差异，这与风蚀物质的运动方式转变具有密切联系。Fryrear等[35-37]在美国得克萨斯州大斯普林土壤风蚀研究站长期观测研究后认为，跃移层输沙量随高度的分布可用指数函数表示，而悬移层则可用幂函数表示。哈斯[38]在河北坝上高原研究发现，风蚀物含量随高度的增加，在0～20 cm高度内以指数规律递减，反映了以跃移质为主的风沙流结构；而在20～100 cm高度内以幂函数规律递减，反映了以悬移质为主的风沙流结构。本文研究中，输沙率与高度的关系同样具有分段性，在0～10 cm高度区间内服从指数函数分布，在10～20 cm高度区间服从幂函数规律。文中的分段处在10 cm高度处，与哈斯[38]研究的20 cm高度处分段具有一定的差异，这可能是由于所研究区域下垫面性质的差异而导致。仅使用以跃移运动为主的指数函数对总输沙率与高度的关系进行模拟，将无法准确统计到悬移物质的含量。文中通过分段函数计算耕地上的总输沙率值是更接近实际情况的一种方式。

新垦地土壤风蚀问题的根本原因在于干旱且大风日多的冬春季，耕地常处在裸露状态，没有基本的防风固沙措施。因此，对于新垦地本身的防护和管理也应引起足够的重视。本文通过所得结果分析，结合前人的研究[39-43]，提出以下几点基本的防护措施。首先，减少对草地与灌丛地的破坏，控制新垦地的开垦面积。区域政府应高度重视并把控住耕地的开垦面积，不应以牺牲环境来促进发展。其次，在耕地周围建立科学配置后的防风固沙林[39-41]。因在可蚀性物质充足的耕地上，风蚀物含量随风速的增大呈倍数增长，故降低耕地周围风速是解决风蚀问题的必要手段。最后，保留适当高度的留茬和残存物[42-43]。耕地留茬和残存物可增加耕地表面的粗糙度，改变近地表的气流状况，同时阻拦沙物质的流失，进而减轻土壤侵蚀危害。

4 结 论

根据分析结果及讨论，得出以下结论：

1）沙质草地和灌丛沙丘地被开垦后，土壤风蚀强度成倍增长。

2）耕地上，输沙率随高度的增加而减小，在0～10 cm高度内服从指数分布，在10～20 cm高度内服从幂函数规律；沙源充足的耕地上，随风速的增大，总输沙率呈幂函数形式增长。

3）毛乌素沙地新垦地的出现对区域沙漠化具有重要影响，其面积应被考虑到区域沙漠化的评价体系中。

4）控制耕地面积，建立防风防沙林，保留适宜高度的留茬，可有效减轻土壤风蚀危害。

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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※

(,,,100875)

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

周炎广，武子丰，胡日娜，李红悦，王卓然，哈斯额尔敦. 毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划课题（2016YFC0500805）；国家自然科学基金项目（41671002）

周炎广，博士生，主要从事干旱区地貌研究。Email：201521190011@mail.bnu.edu.cn

哈斯额尔敦，教授，博士生导师，主要从事干旱区地貌与环境研究。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