库布其沙漠不同下垫面风沙流结构及元素特征

陈宇鑫，左合君，2，王海兵，2，闫 敏，2，席 成

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018； 2.内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，内蒙 古呼和浩特 010018)

1 引言

风沙运动是形成土壤风蚀和沙尘暴的重要地球物理过程[1,2]，空气与沙质土地2种不同介质之间的相互作用形成风沙流，是风沙物理学研究的核心内容[3]，而沙粒随风在高度层中的分布被称为风沙流结构，能直接表征沙粒随气流的运动特征，表现地表蚀积情况，且对于风蚀风积作用的研究以及防沙治沙措施的制定有重要意义[4]。因而半个世纪以来国内外研究学者通过风洞实验、野外观测和数值模拟等方法[5～7]，对不同下垫面各因素对风沙流特征的影响进行了大量研究，并取得了显著成果[8～10]。

微量元素是指自然界中广泛存在但含量极低的化学元素，如Cu、Mn、Zn等。Fe虽在土壤中含量较高，但植物体内含量很低，因此也被视为微量元素[11]。在土壤中主要以交换态、氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机结合态和残渣态的形态存在[12,13]。虽然在土壤中微量元素含量很低，但却对动植物正常生长和生活有着重要影响[14,15]。如Cu、Fe、Mn参与叶绿素的合成，对植物光合作用起到重要作用。Zn参与生长素的合成，对促进植物生长和种子成熟起到重要作用[16]。干旱地区地表存在丰富的微量元素[17,18]，并且地表侵蚀以土壤风蚀为主[19,20]。 在风蚀运动过程中，地表沉积物在风力作用下搬运堆积的同时，微量元素也随之输移[21～23]。但有关风沙流中Cu、Fe、Mn、Zn微量元素的输移特征，以及同一微量元素在不同下垫面的输移特征的差异鲜有报道。

鉴于此，本文选择库布其沙漠区域内5种典型下垫面(流动沙地、封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林、农田)为研究对象，对其风沙流进行测定，分析了近地表0～100 cm高度范围内不同下垫面近地表风速特征、风沙流结构和微量元素(Cu、Fe、Mn、Zn)的输移特征，研究结果可为库布其沙漠区域性防沙工程提供基础理论和数据支撑。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

试验区位于库布其沙漠北缘，行政区划隶属于鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇，地理位置为108°40′29″E，40°30′38″N，属于典型的温带大陆性季风气候，年平均风速3.5 m/s，最大风速达28.7 m/s，风期集中在1～5、11、12月份，多为西北风，并伴随沙尘暴天气。土壤类型主要以风沙土为主，流动沙地、农田无植被，封沙育草带植被主要有沙米(Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.)、沙鞭(Psammochloavillosa(Trin.) Bor)、砂蓝刺头(EchinopsgmeliniiTurcz.)，防风阻沙带植被主要有北沙柳(SalixpsammophilaC. Wang & C. Y. Yang)、小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)，农田防护林植被主要有小叶杨(PopulussimoniiCarrière)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.)等。

2.2 研究方法

2.2.1 野外数据收集

(1)实验时间与样地选取。实验时间选在风沙活动较为强烈的4月份；选取地势平缓的封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林、农田、流动沙地5种典型下垫面的进行测定。

(2)风速数据。风速风向采用美国Onset公司生产的HOBO风速数据采集仪观测(量程为0～45 m/s，精度为±1.1 m/s或4.00%读数)，采集时间设置为2 s/个。在各下垫面内分别布置一组风速风向采集仪，测量高度分别为10 cm、30 cm、50 cm和100 cm。

(3)输沙数据。风沙流测定采用旋转型集沙仪，集沙仪高度为100 cm，每层集沙口径为2 cm×2 cm，共50层。集沙口随风向旋转迎风收集，保证进沙口始终垂直来沙风向。集沙实验与风速采集同步进行，当风沙活动较强烈时集沙10 min，测试结束后收集样品装入自封袋，并在同一空气动力背景下重复集沙3次。

(4)近地表样品(CK)。分别对每种下垫面集沙仪周围均匀采集5处0～2 cm地表样品，装入自封袋后均匀混合。

2.2.2 室内实验测定

微量元素特征测定：微量元素测定使用日立ZA3000系列偏振塞曼原子吸收分光光度计，测定样品需≥10 g。因此，本文微量元素测定将各层样品称出10 g后，加入20 mL DTPA溶液，放在震荡机上震荡2 h使样品中元素充分溶解于DTPA溶液中，结束后过滤2 h。处理结束后对风沙流各高度层中的Cu、Fe、Mn、Zn元素含量进行测定。实验中，由于微量元素测定需要10 g样品，诸多高度层不足，因此将0～4 cm、4～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～70 cm和70 cm以上集沙依采集高度为间隔，各自分别混合，可满足测定需要。测定结束后将3组实验数据同一高度层元素含量进行平均，减少实验误差。

3 结果与分析

3.1 不同下垫面风速廓线变化特征

风速廓线可以直观地表现随高度上升风速的变化特征，通过对同一空气动力条件下不同下垫面风速廓线整理对比可知(图1)，各下垫面风速随高度上升总体呈J形增长，流动沙地各高度层风速整体大于其余下垫面风速。风速为11 m/s时，封沙育草带、防风阻沙带、农田防护林风速较流动沙地减速明显，10 cm高度处，防风阻沙带和农田防护林风速减速差异相近，较流动沙地风速降低30.6 %，封沙育草带较流动沙地大幅降低，降低了76.3 %，农田内风速较流动沙地风速仅降低15.2 %。50 cm处各防护带风速大小为防风阻沙林>农田>农田防护林>封沙育草带，较流动沙地风速分别降低了11 %、11.3 %、29 %、36.1 %。其余风速下各下垫面风速变化趋势相同，各防护带随高度上升防风效能降低，越接近地表风速受植被影响越显著。

图1 不同风速背景下各下垫面风速廓线特征

3.2 不同下垫面风沙流结构特征

由图2可知，在11 m/s风速背景下，各下垫面输沙率随高度上升均呈现出逐渐减少的趋势。为进一步呈现出输沙率随高度递减的趋势，将高度(H)与输沙率(q)进行拟合，建立输沙率随高度变化的函数模型，各下垫面输沙率随高度呈现幂函数衰减的趋势，表达式为：q=aH-b。流动沙地风沙流结构符合y=6.8363x-1.063(R2=0.89)，输沙率在0～20 cm高度层内迅速下降，20～50 cm下降幅度减慢，50 cm以上输沙量变化趋于稳定，0～20 cm高度层内输沙量占总输沙量的57.1%。防风阻沙林流结构符合y=14.798x-1.674(R2=0.97)，输沙率在0～17 cm高度层内迅速下降，17～50 cm下降幅度减慢，50 cm以上输沙量变化趋于稳定，0～20 cm高度层内输沙量占总输沙量的87.3%。封沙育草带、农田防护林、农田风沙流结构拟合方程分别为y=1.8234x-1.814(R2=0.93)、y=0.6237x-1.127(R2=0.96)、y=0.1351x-0.724(R2=0.95)，输沙率均在0～10 cm迅速下降，10 cm以上趋于稳定，0～20 cm高度层内输沙量分别占总输沙量的89.73 %、78.4 %、58.6 %。

3.3 不同下垫面地表及其风沙流中Cu、Fe、Mn、Zn含量差异

由图3可以看出，各下垫面地表沉积物中Cu、Fe、Mn、Zn元素含量有明显差异，其中Fe元素含量最高(8.168 mg/kg)，其次为Mn元素(1.096 mg/kg)，

图2 11m/s风速背景下各下垫面风沙流结构特征

Cu、Zn元素含量相对较低，分别为0.406 mg/kg、0.418 mg/kg。各元素在不同下垫面地表沉积物含量存在差异，其中Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防风阻沙林中含量最高，分别为0.74 mg/kg、9.3 mg/kg、1.08 mg/kg和0.57 mg/kg；各下垫面风沙流中元素的平均含量均明显高于地表沉积物中元素含量，且不同下垫面风沙流中元素含量与地表相比增加幅度不同，其中Fe元素增加幅度较小，且各下垫面增加幅度差异不大，增加了20%～33%，Cu、Zn、Mn元素中除Mn元素在封沙育草带和农田防护林中增加幅度较小，分别增加了37%和44%外，其余Cu、Zn、Mn元素在各下垫面风沙流中含量与地表中含量相比均增加了60%以上。

图3 各下垫面地表沉积物及其风沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素平均含量

3.4 风沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素分布特征

由图4可知，不同微量元素在0～100 cm风沙流中随高度上升含量变化规律不同，Cu、Zn、Mn元素在各下垫面风沙流中含量随高度上升含量逐渐增加，流动沙地、封沙流育草带、防风阻沙林、农田防护林、农田风沙流最高层Cu元素含量较最底层含量分别增加1.63 g、1.27 g、2.97 g、1.57 g、0.18 g，Zn元素含量分别增加0.79 g、0.71 g、0.82 g、0.73 g、1.04 g，Mn元素含量分别增加1.28 g、1.01 g、1.94 g、0.49 g、1.16 g。农田风沙流中Fe元素含量随高度上升而增加，最高层Fe元素含量较最底层含量增加1.7 g，流动沙地、封沙流育草带、防风阻沙林、农田防护林风沙流中随高度上升分别在40 cm、10 cm、30 cm、30 cm处含量达到峰值，此处Fe元素含量较最底层含量分别增加3.28 g、2.0 g、3.42 g、2.52 g，随高度继续上升含量逐渐降低，最高层Fe元素含量较最底层含量分别增加1.32 g、0.5 g、1.52 g、1.82 g仍大于最底层含量。

4 讨论

近地层风速多变但绝大多数风速随高度上升而增加，呈J形增长趋势，且风速廓线不仅与下垫面地形、土壤、植被相关，还与季节变化、海拔高度、风速大小等因素密切相关[24,25]。各下垫面风速随高度增加呈J形增加，与前人研究结果相同。封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林由于地表有植被覆盖，较流动沙地有明显降低，在11 m/s风速背景下，10 cm处封沙育草带风速降低幅度最大，较流动沙地降低了76.3%，防风阻沙带和农田防护林风速减速差异相近，降低30.6%，农田风速较流动沙地风速降低15.2%。越接近地表风速受植被影响越显著，随高度的上升防风效能降低，50 cm处封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林、农田较流动沙地风速分别降低了36.1%、29%、11%、11.3%。

不同下垫面由于对近地表风场产生不同程度的影响，呈现出不同的风沙流结构。郭树江等得出，各立地类型高度与输沙率成负幂数函数关系，输沙主要集中在0～20 cm[26]。丁延龙等对吉兰泰风沙防护林防砂效益进行研究，发现随盖度的增加近地表风速减弱更明显，受防护林带的影响，林带内输沙量84.7%在地表30 cm高度内[27]。本研究中，各下垫面输沙率随高度上升呈负幂函数递减，与流动沙地对比有植被覆盖地表输沙量显著降低，农田地表随无植被覆盖但地处防护林内部，输沙量明显降低。流动沙地和防风阻沙林在0～20 cm高度内输沙率迅速降低，在20～50 cm高度内降低幅度减缓，50 cm以上趋于稳定，其余下垫面在0～10 cm高度内输沙率迅速降低，10 cm以上趋于稳定。各下垫面风沙流活动主要集中在0～20 cm高度内，流动沙地、封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林、农田0～20 cm高度层内输沙量分别占总输沙量的57.1%、87.3%、89.73%、78.4%和58.6%。

土壤风蚀在对地表颗粒剥蚀、搬运的过程中，也使得土壤中植物生长所需的大量养分随风沙运动流失。有研究表明，风沙流中随高度上升极细砂、粉砂含量增加，进而沉积物中C、N含量随之增加，但不同下垫面C、N的增加幅度不尽相同[28]。Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防风阻沙林中含量最高，且风沙流中微量元素含量均明显高于地表中含量，但不同元素风沙流与地表中含量的增涨幅度不同，其中Fe元素增加幅度较小，且各下垫面增加幅度差异不大，增加了20～33%；Cu、Zn、Mn元素中Mn元素在封沙育草带和农田防护林中增加幅度较小，分别增加了37%和44%，其余下垫面风沙流中含量与地表中含量相比均增加了60%以上。各下垫面风沙流中随高度上升，细颗粒含量增加，Cu、Mn、Zn元素含量随高度上升而增加，这与前人研究结果相近。而Fe元素在农田风沙流中随高度上升含量增加，而其余下垫面呈先增加后减少的趋势，可能是由于Fe元素在地表沉积物中在较粗颗粒中含量较高，随高度上升在0～30 cm高度内该颗粒含量增加Fe元素含量增加，而30 cm以上含量减少Fe元素含量也随之减少。

5 结论

(1)有植被覆盖地表、近地表0～30 cm高度层内风速较流动沙地显著降低，其中封沙育草带减弱幅度最大，其次为防风阻沙林和农田防护林，且随高度上升降低幅度减小。

(2)不同下垫面风沙流结构有所差异，近地表输沙量主要集中在0～20 cm高度层，且输沙率随高度呈负幂函数递减，流动沙地和防风阻沙林在0～20 cm高度内输沙率迅速降低，在20～50 cm高度内降低幅度减缓，50 cm以上趋于稳定，其余下垫面在0～10 cm高度内输沙率迅速降低，10 cm以上趋于稳定。

(3)各下垫面风沙中 Cu、Fe、Mn、Zn元素含量均大于其地表中含量，且随着高度上升，Cu、Mn、Zn元素含量逐渐增加，Fe元素呈现出在农田中线性递增，而其余下垫面呈先增加后减少的趋势。