陳宇鑫，左合君，2，王海兵，2，閆 敏，2，席 成

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙 古呼和浩特 010018)

1 引言

風(fēng)沙運(yùn)動是形成土壤風(fēng)蝕和沙塵暴的重要地球物理過程[1,2]，空氣與沙質(zhì)土地2種不同介質(zhì)之間的相互作用形成風(fēng)沙流，是風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心內(nèi)容[3]，而沙粒隨風(fēng)在高度層中的分布被稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，能直接表征沙粒隨氣流的運(yùn)動特征，表現(xiàn)地表蝕積情況，且對于風(fēng)蝕風(fēng)積作用的研究以及防沙治沙措施的制定有重要意義[4]。因而半個(gè)世紀(jì)以來國內(nèi)外研究學(xué)者通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、野外觀測和數(shù)值模擬等方法[5～7]，對不同下墊面各因素對風(fēng)沙流特征的影響進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著成果[8～10]。

微量元素是指自然界中廣泛存在但含量極低的化學(xué)元素，如Cu、Mn、Zn等。Fe雖在土壤中含量較高，但植物體內(nèi)含量很低，因此也被視為微量元素[11]。在土壤中主要以交換態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的形態(tài)存在[12,13]。雖然在土壤中微量元素含量很低，但卻對動植物正常生長和生活有著重要影響[14,15]。如Cu、Fe、Mn參與葉綠素的合成，對植物光合作用起到重要作用。Zn參與生長素的合成，對促進(jìn)植物生長和種子成熟起到重要作用[16]。干旱地區(qū)地表存在豐富的微量元素[17,18]，并且地表侵蝕以土壤風(fēng)蝕為主[19,20]。 在風(fēng)蝕運(yùn)動過程中，地表沉積物在風(fēng)力作用下搬運(yùn)堆積的同時(shí)，微量元素也隨之輸移[21～23]。但有關(guān)風(fēng)沙流中Cu、Fe、Mn、Zn微量元素的輸移特征，以及同一微量元素在不同下墊面的輸移特征的差異鮮有報(bào)道。

鑒于此，本文選擇庫布其沙漠區(qū)域內(nèi)5種典型下墊面(流動沙地、封沙育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田)為研究對象，對其風(fēng)沙流進(jìn)行測定，分析了近地表0～100 cm高度范圍內(nèi)不同下墊面近地表風(fēng)速特征、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和微量元素(Cu、Fe、Mn、Zn)的輸移特征，研究結(jié)果可為庫布其沙漠區(qū)域性防沙工程提供基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于庫布其沙漠北緣，行政區(qū)劃隸屬于鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)，地理位置為108°40′29″E，40°30′38″N，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速3.5 m/s，最大風(fēng)速達(dá)28.7 m/s，風(fēng)期集中在1～5、11、12月份，多為西北風(fēng)，并伴隨沙塵暴天氣。土壤類型主要以風(fēng)沙土為主，流動沙地、農(nóng)田無植被，封沙育草帶植被主要有沙米(Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.)、沙鞭(Psammochloavillosa(Trin.) Bor)、砂藍(lán)刺頭(EchinopsgmeliniiTurcz.)，防風(fēng)阻沙帶植被主要有北沙柳(SalixpsammophilaC. Wang & C. Y. Yang)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)，農(nóng)田防護(hù)林植被主要有小葉楊(PopulussimoniiCarrière)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.)等。

2.2 研究方法

2.2.1 野外數(shù)據(jù)收集

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)間與樣地選取。實(shí)驗(yàn)時(shí)間選在風(fēng)沙活動較為強(qiáng)烈的4月份；選取地勢平緩的封沙育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田、流動沙地5種典型下墊面的進(jìn)行測定。

(2)風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速風(fēng)向采用美國Onset公司生產(chǎn)的HOBO風(fēng)速數(shù)據(jù)采集儀觀測(量程為0～45 m/s，精度為±1.1 m/s或4.00%讀數(shù))，采集時(shí)間設(shè)置為2 s/個(gè)。在各下墊面內(nèi)分別布置一組風(fēng)速風(fēng)向采集儀，測量高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和100 cm。

(3)輸沙數(shù)據(jù)。風(fēng)沙流測定采用旋轉(zhuǎn)型集沙儀，集沙儀高度為100 cm，每層集沙口徑為2 cm×2 cm，共50層。集沙口隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)迎風(fēng)收集，保證進(jìn)沙口始終垂直來沙風(fēng)向。集沙實(shí)驗(yàn)與風(fēng)速采集同步進(jìn)行，當(dāng)風(fēng)沙活動較強(qiáng)烈時(shí)集沙10 min，測試結(jié)束后收集樣品裝入自封袋，并在同一空氣動力背景下重復(fù)集沙3次。

(4)近地表樣品(CK)。分別對每種下墊面集沙儀周圍均勻采集5處0～2 cm地表樣品，裝入自封袋后均勻混合。

2.2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定

微量元素特征測定：微量元素測定使用日立ZA3000系列偏振塞曼原子吸收分光光度計(jì)，測定樣品需≥10 g。因此，本文微量元素測定將各層樣品稱出10 g后，加入20 mL DTPA溶液，放在震蕩機(jī)上震蕩2 h使樣品中元素充分溶解于DTPA溶液中，結(jié)束后過濾2 h。處理結(jié)束后對風(fēng)沙流各高度層中的Cu、Fe、Mn、Zn元素含量進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)中，由于微量元素測定需要10 g樣品，諸多高度層不足，因此將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為間隔，各自分別混合，可滿足測定需要。測定結(jié)束后將3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同一高度層元素含量進(jìn)行平均，減少實(shí)驗(yàn)誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同下墊面風(fēng)速廓線變化特征

風(fēng)速廓線可以直觀地表現(xiàn)隨高度上升風(fēng)速的變化特征，通過對同一空氣動力條件下不同下墊面風(fēng)速廓線整理對比可知(圖1)，各下墊面風(fēng)速隨高度上升總體呈J形增長，流動沙地各高度層風(fēng)速整體大于其余下墊面風(fēng)速。風(fēng)速為11 m/s時(shí)，封沙育草帶、防風(fēng)阻沙帶、農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)速較流動沙地減速明顯，10 cm高度處，防風(fēng)阻沙帶和農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)速減速差異相近，較流動沙地風(fēng)速降低30.6 %，封沙育草帶較流動沙地大幅降低，降低了76.3 %，農(nóng)田內(nèi)風(fēng)速較流動沙地風(fēng)速僅降低15.2 %。50 cm處各防護(hù)帶風(fēng)速大小為防風(fēng)阻沙林>農(nóng)田>農(nóng)田防護(hù)林>封沙育草帶，較流動沙地風(fēng)速分別降低了11 %、11.3 %、29 %、36.1 %。其余風(fēng)速下各下墊面風(fēng)速變化趨勢相同，各防護(hù)帶隨高度上升防風(fēng)效能降低，越接近地表風(fēng)速受植被影響越顯著。

圖1 不同風(fēng)速背景下各下墊面風(fēng)速廓線特征

3.2 不同下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

由圖2可知，在11 m/s風(fēng)速背景下，各下墊面輸沙率隨高度上升均呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。為進(jìn)一步呈現(xiàn)出輸沙率隨高度遞減的趨勢，將高度(H)與輸沙率(q)進(jìn)行擬合，建立輸沙率隨高度變化的函數(shù)模型，各下墊面輸沙率隨高度呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減的趨勢，表達(dá)式為：q=aH-b。流動沙地風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)符合y=6.8363x-1.063(R2=0.89)，輸沙率在0～20 cm高度層內(nèi)迅速下降，20～50 cm下降幅度減慢，50 cm以上輸沙量變化趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內(nèi)輸沙量占總輸沙量的57.1%。防風(fēng)阻沙林流結(jié)構(gòu)符合y=14.798x-1.674(R2=0.97)，輸沙率在0～17 cm高度層內(nèi)迅速下降，17～50 cm下降幅度減慢，50 cm以上輸沙量變化趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內(nèi)輸沙量占總輸沙量的87.3%。封沙育草帶、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)擬合方程分別為y=1.8234x-1.814(R2=0.93)、y=0.6237x-1.127(R2=0.96)、y=0.1351x-0.724(R2=0.95)，輸沙率均在0～10 cm迅速下降，10 cm以上趨于穩(wěn)定，0～20 cm高度層內(nèi)輸沙量分別占總輸沙量的89.73 %、78.4 %、58.6 %。

3.3 不同下墊面地表及其風(fēng)沙流中Cu、Fe、Mn、Zn含量差異

由圖3可以看出，各下墊面地表沉積物中Cu、Fe、Mn、Zn元素含量有明顯差異，其中Fe元素含量最高(8.168 mg/kg)，其次為Mn元素(1.096 mg/kg)，

圖2 11m/s風(fēng)速背景下各下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

Cu、Zn元素含量相對較低，分別為0.406 mg/kg、0.418 mg/kg。各元素在不同下墊面地表沉積物含量存在差異，其中Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防風(fēng)阻沙林中含量最高，分別為0.74 mg/kg、9.3 mg/kg、1.08 mg/kg和0.57 mg/kg；各下墊面風(fēng)沙流中元素的平均含量均明顯高于地表沉積物中元素含量，且不同下墊面風(fēng)沙流中元素含量與地表相比增加幅度不同，其中Fe元素增加幅度較小，且各下墊面增加幅度差異不大，增加了20%～33%，Cu、Zn、Mn元素中除Mn元素在封沙育草帶和農(nóng)田防護(hù)林中增加幅度較小，分別增加了37%和44%外，其余Cu、Zn、Mn元素在各下墊面風(fēng)沙流中含量與地表中含量相比均增加了60%以上。

圖3 各下墊面地表沉積物及其風(fēng)沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素平均含量

3.4 風(fēng)沙流中Cu、Fe、Mn、Zn元素分布特征

由圖4可知，不同微量元素在0～100 cm風(fēng)沙流中隨高度上升含量變化規(guī)律不同，Cu、Zn、Mn元素在各下墊面風(fēng)沙流中含量隨高度上升含量逐漸增加，流動沙地、封沙流育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田風(fēng)沙流最高層Cu元素含量較最底層含量分別增加1.63 g、1.27 g、2.97 g、1.57 g、0.18 g，Zn元素含量分別增加0.79 g、0.71 g、0.82 g、0.73 g、1.04 g，Mn元素含量分別增加1.28 g、1.01 g、1.94 g、0.49 g、1.16 g。農(nóng)田風(fēng)沙流中Fe元素含量隨高度上升而增加，最高層Fe元素含量較最底層含量增加1.7 g，流動沙地、封沙流育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)沙流中隨高度上升分別在40 cm、10 cm、30 cm、30 cm處含量達(dá)到峰值，此處Fe元素含量較最底層含量分別增加3.28 g、2.0 g、3.42 g、2.52 g，隨高度繼續(xù)上升含量逐漸降低，最高層Fe元素含量較最底層含量分別增加1.32 g、0.5 g、1.52 g、1.82 g仍大于最底層含量。

4 討論

近地層風(fēng)速多變但絕大多數(shù)風(fēng)速隨高度上升而增加，呈J形增長趨勢，且風(fēng)速廓線不僅與下墊面地形、土壤、植被相關(guān)，還與季節(jié)變化、海拔高度、風(fēng)速大小等因素密切相關(guān)[24,25]。各下墊面風(fēng)速隨高度增加呈J形增加，與前人研究結(jié)果相同。封沙育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林由于地表有植被覆蓋，較流動沙地有明顯降低，在11 m/s風(fēng)速背景下，10 cm處封沙育草帶風(fēng)速降低幅度最大，較流動沙地降低了76.3%，防風(fēng)阻沙帶和農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)速減速差異相近，降低30.6%，農(nóng)田風(fēng)速較流動沙地風(fēng)速降低15.2%。越接近地表風(fēng)速受植被影響越顯著，隨高度的上升防風(fēng)效能降低，50 cm處封沙育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田較流動沙地風(fēng)速分別降低了36.1%、29%、11%、11.3%。

不同下墊面由于對近地表風(fēng)場產(chǎn)生不同程度的影響，呈現(xiàn)出不同的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。郭樹江等得出，各立地類型高度與輸沙率成負(fù)冪數(shù)函數(shù)關(guān)系，輸沙主要集中在0～20 cm[26]。丁延龍等對吉蘭泰風(fēng)沙防護(hù)林防砂效益進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨蓋度的增加近地表風(fēng)速減弱更明顯，受防護(hù)林帶的影響，林帶內(nèi)輸沙量84.7%在地表30 cm高度內(nèi)[27]。本研究中，各下墊面輸沙率隨高度上升呈負(fù)冪函數(shù)遞減，與流動沙地對比有植被覆蓋地表輸沙量顯著降低，農(nóng)田地表隨無植被覆蓋但地處防護(hù)林內(nèi)部，輸沙量明顯降低。流動沙地和防風(fēng)阻沙林在0～20 cm高度內(nèi)輸沙率迅速降低，在20～50 cm高度內(nèi)降低幅度減緩，50 cm以上趨于穩(wěn)定，其余下墊面在0～10 cm高度內(nèi)輸沙率迅速降低，10 cm以上趨于穩(wěn)定。各下墊面風(fēng)沙流活動主要集中在0～20 cm高度內(nèi)，流動沙地、封沙育草帶、防風(fēng)阻沙林、農(nóng)田防護(hù)林、農(nóng)田0～20 cm高度層內(nèi)輸沙量分別占總輸沙量的57.1%、87.3%、89.73%、78.4%和58.6%。

土壤風(fēng)蝕在對地表顆粒剝蝕、搬運(yùn)的過程中，也使得土壤中植物生長所需的大量養(yǎng)分隨風(fēng)沙運(yùn)動流失。有研究表明，風(fēng)沙流中隨高度上升極細(xì)砂、粉砂含量增加，進(jìn)而沉積物中C、N含量隨之增加，但不同下墊面C、N的增加幅度不盡相同[28]。Cu、Fe、Mn、Zn元素均在防風(fēng)阻沙林中含量最高，且風(fēng)沙流中微量元素含量均明顯高于地表中含量，但不同元素風(fēng)沙流與地表中含量的增漲幅度不同，其中Fe元素增加幅度較小，且各下墊面增加幅度差異不大，增加了20～33%；Cu、Zn、Mn元素中Mn元素在封沙育草帶和農(nóng)田防護(hù)林中增加幅度較小，分別增加了37%和44%，其余下墊面風(fēng)沙流中含量與地表中含量相比均增加了60%以上。各下墊面風(fēng)沙流中隨高度上升，細(xì)顆粒含量增加，Cu、Mn、Zn元素含量隨高度上升而增加，這與前人研究結(jié)果相近。而Fe元素在農(nóng)田風(fēng)沙流中隨高度上升含量增加，而其余下墊面呈先增加后減少的趨勢，可能是由于Fe元素在地表沉積物中在較粗顆粒中含量較高，隨高度上升在0～30 cm高度內(nèi)該顆粒含量增加Fe元素含量增加，而30 cm以上含量減少Fe元素含量也隨之減少。

5 結(jié)論

(1)有植被覆蓋地表、近地表0～30 cm高度層內(nèi)風(fēng)速較流動沙地顯著降低，其中封沙育草帶減弱幅度最大，其次為防風(fēng)阻沙林和農(nóng)田防護(hù)林，且隨高度上升降低幅度減小。

(2)不同下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)有所差異，近地表輸沙量主要集中在0～20 cm高度層，且輸沙率隨高度呈負(fù)冪函數(shù)遞減，流動沙地和防風(fēng)阻沙林在0～20 cm高度內(nèi)輸沙率迅速降低，在20～50 cm高度內(nèi)降低幅度減緩，50 cm以上趨于穩(wěn)定，其余下墊面在0～10 cm高度內(nèi)輸沙率迅速降低，10 cm以上趨于穩(wěn)定。

(3)各下墊面風(fēng)沙中 Cu、Fe、Mn、Zn元素含量均大于其地表中含量，且隨著高度上升，Cu、Mn、Zn元素含量逐漸增加，F(xiàn)e元素呈現(xiàn)出在農(nóng)田中線性遞增，而其余下墊面呈先增加后減少的趨勢。