鄱阳湖滨湖沙山区风力侵蚀监测技术探讨

莫明浩,段　剑,王凌云

(1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

鄱阳湖滨湖沙山区风力侵蚀监测技术探讨

莫明浩1,2,段剑1,2,王凌云1,2

(1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

[关键词]鄱阳湖；滨湖沙山区；风力侵蚀；监测

[摘要]受水蚀、风蚀和人类不合理利用等影响，鄱阳湖部分地区出现了以沙丘、沙洲、沙山组成的“水乡沙漠”特殊景观。鄱阳湖滨湖沙山区生态环境恶劣，探讨其风力侵蚀监测技术对于区域水土保持与荒漠化防治具有重要意义。采用手持风速风向仪、自动气象站进行气象要素的监测，采用插钎法进行风蚀深的监测，采用集沙仪进行跃移、蠕移、悬移等沙粒运动的集沙监测等，初步建立了包括气象、植被、风蚀、土壤等因子在内的鄱阳湖滨湖沙山区风力侵蚀监测体系。

土地沙漠化作为干旱及半干旱地区一个重要的环境问题受到了人们的广泛关注，然而在湿润及半湿润地区同样存在风沙活动的区域，人们称之为“风沙化土地”[1]。鄱阳湖是我国第一大淡水湖泊，也是国际重要湿地，在维系长江水量平衡和生态安全方面发挥着重要的功能和作用。随着鄱阳湖生态经济区建设上升为国家战略，鄱阳湖流域社会经济高速发展，水土流失等生态环境问题也愈发严峻[2]。除水蚀外，风蚀现象在鄱阳湖滨湖地区广泛存在。在全国水土流失防治分区中，鄱阳湖滨湖沙山区属于风蚀区中的沿河环湖滨海平原风沙区。长期以来，学者们采用了多种方法对鄱阳湖地区的水土流失进行观测和研究，但大多数侧重于水蚀造成的水土流失，而缺少监测手段导致对风蚀造成的水土流失的监测成果较少。因此，加强风蚀监测研究对于开展鄱阳湖滨湖沙山区水土保持监测、沙化土地的水土流失防治等具有重要意义。

1研究区概况

1.1鄱阳湖滨湖沙山区

受各种因素影响，鄱阳湖滨湖地区沙化较为严重，鄱阳湖北部断续分布着一系列由松散沙粒组成的岗丘，当地人和一些学者称之为“沙山”，主要分布于鄱阳湖滨湖地区和“五河”(赣江、抚河、信江、饶河、修河)尾闾区，如江西省湖口县、彭泽县、星子县、永修县、松门山岛与矶岛、都昌县多宝乡，以及南昌市新建县厚田附近的赣江西侧等地。鄱阳湖滨湖沙山的形成是地质构造变迁、水土流失造成的泥沙沉积、水体顶托倒灌和风力侵蚀共同作用的结果[3]。严重的风沙侵蚀压埋农田、毁坏耕地，导致生态环境恶化、居民生活贫困，人地矛盾加剧，严重影响了区域生态安全和粮食安全。

鄱阳湖滨湖沙山区属亚热带常绿阔叶林带，具有典型的亚热带湿润季风气候特征，高温多雨，干湿季明显。降水和风是该地区土地沙化的原始动力[4]。降水年内分配极为不均，每年9月至次年2月的降水量仅约占全年降水量的23%。尤其冬季是多风季节，气候干燥，“风季”与“旱季”在时间上基本同步，且风向比较恒定，风力作用频繁且强盛，加速了该地区的风沙活动。每年3月至8月是降水较为集中的时期，多暴雨，由于林下抗侵蚀能力弱，因此加速了土地沙化的过程。该区独特的气候条件造就了我国亚热带风沙化土地的独特景观。

1.2试验区

风力侵蚀监测试验区选在都昌县多宝沙山和星子县沙湾小流域。

多宝沙山位于鄱阳湖入江洪道右岸，南北长10 km，东西宽2 km，海拔46.4～242.9 m(吴淞高程)[5]。自然土壤以红壤、黄棕壤为主，在风力作用下退化为风沙土，土壤结构松散，养分含量低，保水保肥能力差[6]。该区气温较高，雨量充沛，年均降水量1 400～1 900 mm，年均蒸发量1 774～1 890 mm，平均气温17.4 ℃，最高气温42 ℃，全年无霜期241～304 d，年均风速2.9～3.8 m/s，全年5级以上大风日约20 d。整个植被景观为草本、灌木与乔木的镶嵌体，地貌类型以固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘为主。

沙湾小流域地处星子县东南部、鄱阳湖下游西岸，主要涉及蓼花镇胜利村、幸福村，土地总面积14.8 km2，属于2010年第二批中央预算内投资水土流失重点治理工程项目区。沙湾小流域属滨湖丘陵地貌，丘间多封闭的凹地(微型盆地)类负向地形，风力作用形成了各种风沙地貌，基本为风蚀地貌和风积地貌。

2风蚀监测试验

2.1气象要素监测

(1)风速风向的便携式测定。风力侵蚀监测中最重要的气象要素即风速风向。便携式监测仪可采用手持风速风向仪，本试验采用的为PH-SD2手持式风速风向仪。风速测量采用了计算机技术，可以同时测量瞬时风速、瞬时风级平均风速、平均风级和对应浪高等参数。风向测量采用了自动指北装置，测量时无需人工对北，简化了操作。该仪器带有数据锁存功能，便于读数，体积小，质量轻，可广泛用于测量风的参数。

在沙湾小流域选择4个样地进行试验，每个样地选3个点测量风速求平均。2012年8月风速测定结果见表1，所测沙山0～1 m高度最小风速为1.37～2.80 m/s，最大风速为3.00～5.07 m/s，平均风速为2.20～3.73 m/s；1～2 m高度最小风速为3.70～5.00 m/s，最大风速为4.77～6.90 m/s，平均风速为4.23～5.37 m/s；裸露地起沙风速为3.20～4.10 m/s。

表1　星子县沙湾小流域风速测定结果　m/s

(2)自动气象站的气象监测。对于完整气象要素的定位监测，本试验采用了美国进口的HOBO U30自动气象站，可同时测量风速、风向、空气温湿度、土壤温湿度、太阳总辐射、雨量、气压等多种参数，并可通过USB接口定期下载数据。

2.2沙地土壤性状监测

沙地土壤物理化学性质监测仍采用传统的取样测试方法。鄱阳湖滨湖沙山区沙土与南方红壤的区别在于沙土过于松散，因此在测量容重取样时应避免样品脱落，同时还要注意因养分含量过低造成其中某些土壤养分指标在测试中未能测出的情况。

容重测定时将一定容积的环刀插入土壤中采集土样，经烘干(105～110 ℃，6～8 h)后测出干土质量，由环刀的容积算出单位容积的干土质量。土壤水分的测定采用烘干法。土壤养分的测定中有机质的测定采用电热板加热-重铬酸钾容量法，全氮的测定采用水杨酸比色法，全磷的测定采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法。

在星子县沙湾小流域选择样地进行了取样测试(2012年8月)，共4个样地，每个样地选3个点求平均。从监测结果来看(表2)，取样点沙地的土壤容重在1.41～1.50 g/cm3，与海龙等[7]和付晓燕等[8]在北方沙地区如内蒙古沙漠(科尔沁沙地、库布齐沙漠、浑善达克沙地等)、河北沙地(黄羊滩)等地的研究结果(1.43～1.58 g/cm3)相差不大。沙地土壤含水率0～20 cm为2.47%～3.26%，20～40 cm为3.32～4.37%，较内蒙古库布齐沙漠0～20 cm土壤含水率(0.54%～0.57%)[7]高出许多，但沙地的养分含量比内蒙古沙漠低，主要是有机质、全磷含量低(沙湾小流域沙地有机质含量为0.51～1.21 g/kg、全氮为0.12～1.03 g/kg、全磷为0.07～0.09 g/kg，而内蒙古沙漠相关指标值分别为4.5～12.9、0.11～0.75、0.13～0.41 g/kg[7])。沙地取样和机械组成分析结果表明，砂粒占92.34%～98.88%，粉粒占1.00%～7.65%，黏粒占0～0.50%，说明鄱阳湖沙山地区沙地土壤颗粒组成以砂粒为主。另据付晓燕等[8]的研究成果，南方沙地与北方沙地在颗粒组成上也略有不同。

表2　星子县沙湾小流域沙地土壤性状测定结果

2.3风力侵蚀监测

(1)集沙仪安装。为了进行风力侵蚀监测，在多宝沙山试验地安装了中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研制的可监测不同沙粒运动的集沙仪设备，包括全方位沙粒跃移集沙仪、全方位沙粒蠕移集沙仪、全方位沙尘悬移水平通量集沙仪和50路1米梯度集沙仪[9]。

(2)输沙率计算。蠕移集沙仪、跃移集沙仪、悬移集沙仪和梯度集沙仪等仪器于2014年9月安装，集沙量结果见表3。在多宝沙山试验地按16个方向称量沙粒，未能收集测出，因此本研究分北面和南面两个方向收集沙粒称量，结果见表3。

根据集沙仪测量结果，采用输沙率计算公式

(1)

式中：q为输沙率，g/(m·min)；m为集沙量，g；t为观测时间，min；d为集沙仪宽度，cm。

表3　都昌县多宝沙山试验地集沙仪集沙量　 g

蠕移、跃移、悬移、梯度四种集沙仪进沙口规格和数量分别为5 mm×100 mm×16个、20 mm×500 mm×16个、20 mm×50 mm×4个和20 mm×20 mm×50个。若以g/(m·min)为单位，则试验区输沙率的数量级为10-4g/(m·min)，因取样频率为每月一次，所以本试验将时间改为以d为单位，即输沙率单位为g/(m·d)。另外本试验中梯度集沙量反映的是北面这一固定方向，输沙率计算意义不大，故未做计算。本试验输沙率计算结果见表4。

表4　输沙率计算结果　 g/(m·d)

从气象监测结果来看，鄱阳湖滨湖沙山区主风向为北风，集沙仪北面的集沙量大于南面；最大风力为5～6级，每年11月至次年2月是发生风力侵蚀的主要时期；从集沙量看，风沙运动以蠕移和跃移为主，因此风蚀防治措施应以栽植灌草为主；从输沙率来看，监测点的输沙率较小，远小于北方沙地[毛乌素沙地输沙率0.01～1.52 g/(cm·min)[10]]，这可能与监测点位置位于半固定沙丘有关。

(3)插钎法监测。在多宝沙山采用插钎法监测风蚀深。试验区域为半固定沙丘。采用9根1 m长竹竿制成测钎，在观测样地内按2 m×2 m的间距将测钎插入地面，地面以上保留60 cm左右，标记50 cm刻度，每月记录测钎顶部到地面的距离以监测风蚀深。样地选择了3种类型，分别为稀少植被样地、植被覆盖样地和荒沙样地。

测钎顶部到地面的距离变化量为

(2)

式中：n为在观测样地内布设的测钎总数；ΔLi为第i根测钎顶部到地面的距离的变化量。

如果计算出H为负值，说明监测样地发生了吹蚀；如果H为正值，则说明监测样地发生了风积。试验的结果表明，植被覆盖样地几乎未监测到风蚀，仅在11月和12月的风蚀深为0.1～0.2 cm；稀少植被样地很少监测到风蚀，仅在11月至次年1月风蚀深为0.2～0.5 cm；荒沙样地在3月至9月几乎未监测到风蚀，在10月至次年2月风蚀深为1.2～1.6 cm。

3风力侵蚀监测体系探讨

综合鄱阳湖滨湖沙山区风力侵蚀相关研究成果，可以初步建立鄱阳湖滨湖沙山区的风力侵蚀监测体系，见表5。上述监测体系的建立有助于实现鄱阳湖沙山地区风力侵蚀指标的常规监测。

表5　鄱阳湖沙山地区风力侵蚀监测体系

[参考文献]

[1] 朱震达.湿润及半湿润地带的土地风沙化问题[J].中国沙漠,1986,6(4):1-13.

[2] 师哲,张亭,高华斌.鄱阳湖地区流域水土流失特点研究初探[J].长江科学院院报,2008,25(3):38-41.

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[5] 龚旺初，沈云龙.江西省都昌县多宝沙山治理及其效益分析[J].江西水利科技，2001，27(1)：24-27,33.

[6] 胡胜华,于吉涛,张建新,等.鄱阳湖砂山地区风沙化过程中物种多样性的变化[J].中国沙漠,2006,26(5):729-733.

[7] 海龙,王晓江,胡尔查,等.内蒙古几个沙地土壤理化性状调查研究[J].内蒙古林业科技,2010,36(1):6-10,18.

[8] 付晓燕,邢存旺,江大勇,等.不同类型人工植被防风固沙效益的研究[J].河北林业科技,2008(3):1-3.

[9] 张正偲,董治宝,赵爱国,等.输沙量与输沙势的关系[J].中国沙漠,2011,31(4):824-827.

[10] 黄富祥,牛海山,王明星,等.毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率定量关系[J].地理学报,2011,56(6):700-710.

(责任编辑李杨杨)

[基金项目]“赣鄱英才555工程”项目、江西省水利科技项目(KT201303、KT201213、KT201418、KT201420)支持项目

[中图分类号]S157

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0066-03

[作者简介]莫明浩(1981—)，男，江西抚州市人，高级工程师，博士，主要从事水土保持和流域生态环境研究工作。

[收稿日期]2015-09-10