秋冬季西柳溝孔兌中游下墊面特征及風沙入黃貢獻率

鄔秉承黨曉宏高永蒙仲舉趙宏勝李浩天

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010000；2.包頭市林業和草原局，內蒙古 包頭 014000)

引言

十大孔兌所處地理位置特殊，生態類型復雜多樣，屬于中國典型生態脆弱區。其中游橫穿風沙頻發的庫布齊沙漠，是黃河上游風沙入黃主要源區，也是黃河內蒙古段主要積沙區[1]，特別在暴雨期極易形成高含沙量的洪流，這片總面積1.07×104km2的區域是黃河內蒙古河段及下游“地上懸河”的直接制造者之一，對當地生態環境及基礎設施構成嚴重威脅[2]。因此，對黃河流域周圍小支流防沙治沙研究尤為重要。

近年來，有大量的學者針對當地水土保持危害做了相關研究。十大孔兌中游庫布齊沙漠區(十大孔兌風沙區)是泥沙的主要來源區[3]，為水土流失、風沙侵蝕提供了豐富的沙源；黃河上游“十大孔兌”沙漠流域的高含沙洪水，是季節性風水復合侵蝕的結果，溝道高含沙洪水輸沙過程十分復雜，是流域產匯流路徑上風力、水力、重力等侵蝕作用的疊加和集中反映[4]。十大孔兌下游沉積的泥沙搬運方式主要以滾動為主，滾動組分和懸浮組分相混合，在介質搬運方式上孔兌之間不存在明顯的空間差異。20世紀50年代以來，十大孔兌攜帶的泥沙曾8次堵塞黃河，十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數2018年為2997.03t·km-2·a-1[3]。十大孔兌風沙區針對風沙研究主要集中于風沙侵蝕對于內蒙古河段河道淤積泥沙的影響方面。孫寶洋等[5]利用侵蝕針法對十大孔兌地區風蝕監測，得出風沙區為中度風蝕，風蝕發生的方向主要為東南方向，主要風蝕過程為堆積—吹蝕—推移—再堆積。風沙區風蝕強度與平均極大風速呈指數關系，10—11月和4—5月風蝕強度大于全年其他時間，4—5月風蝕強度最大，是全年平均風蝕強度的2～3倍，土壤可蝕性顆粒含量大小風沙區為94.95%。風沙區各風向風沙入河量與各風向出現頻率之間存在較強的正相關，研究結論表明，對于風水兩相侵蝕產沙的治理是十大孔兌風沙區治理必須解決的重要問題。有關風沙定性的研究較多，而定量的問題研究相對較少。因此，還需要深入研究風沙入黃的定量分析，加強復合侵蝕營力作用機制的研究，并量化其對河道泥沙貢獻率。相對于春夏季節，秋冬季的西柳溝孔兌氣候環境變化明顯。過去學者僅對沙塵頻發季節進行監測，忽略了低風期(秋冬季節)十大孔兌仍存在風沙入黃現象。

基于此，在秋冬季節以西柳溝流域中游風沙區為研究對象，對不同下墊面特征及風沙入黃貢獻率展開研究，以期為科學治理黃河流域風沙入黃問題提供數據支撐，進而為相似區域防沙治沙提供科學依據和理論基礎。

1 研究區概況

1.1 研究區下墊面基本特征

西柳溝孔兌屬于典型干旱大陸性氣候，風大沙多，氣候干燥，地處風蝕沙化和水土流失重疊區。十大孔兌區土壤和植被類型分布特征具有極強的地帶性，上游丘陵溝壑區以黃土、栗鈣土為主，中游風沙區以流動、固定半固定風沙土為主，下游沖積平原區土壤以灌淤土、鹽土、堿土、草甸土為主，植被類型從東南部的典型草原逐漸向西北部的荒漠草原、草原化荒漠過渡。區內植被以旱生與半旱生灌叢和草原植被為主[6]。主害風為西北風，年均風速3.1m·s-1，風力5～8級，沙塵暴集中發生于每年3—5月，風速最高可達14m·s-1；年平均蒸發量(2200mm)是降水量(305.9mm)的7倍多，土壤類型主要為栗鈣土和粗骨性栗鈣土。西柳溝孔兌全長106.5km，流域總面積1193.8km2，中游風沙區長約18km，面積280.7km2，河床東岸植被蓋度優于河床西岸。分布有大量的流動沙丘，最高沙丘可達38m，高度H>10m沙丘區域約占流動沙地面積的59%，高度5m

圖1 西柳溝孔兌示意圖

1.2 秋冬季研究區風況

1.2.1 盛行風特征

盛行風是指一定時期出現頻次較高的風向，是判斷風沙運移方向規律的主要依據[8]。

由圖2可知，秋季(9月、10月、11月)西柳溝孔兌均以西南風為主，共18d，占秋季日數的19.78%，其中9月吹蝕日數最多。根據不同風向吹蝕日數大小排序：D(SW)>D(NNW)>D(NE)>D(SE)>D(S)>D(W)>D(NW)>D(E)>D(WNW)>D(WSW)>D(N)>D(NNE)>D(ENE)>D(ESE)>D(SSE)>D(SSW)。由圖3可知，冬季(12月、1月、2月)研究區以西南偏西(WSW)風為主，共19d，占冬季日數的21.11%，其中1月吹蝕日數最多，根據冬季不同風向吹蝕累積日數排序：D(WSW)>D(NW)>D(N)>D(SE)>D(SSW)>D(W)>D(NE)>D(E)>D(SW)>D(ESE)>D(WNW)>D(NNE)>D(NNW)>D(ENE)。

圖2 秋季不同風向吹蝕日數統計圖

圖3 冬季不同風向吹蝕日數統計圖

1.2.2 主害風特征

主害風是造成沙地風蝕的主要外因力，據董治寶等[9]研究，流動沙地面起沙風速為5m·s-1，當風速超過5m·s-1時，會伴隨沙粒的躍移、蠕移或懸移現象的發生。

由表1可知，在秋冬季，平均日間風速介于2～2.5m·s-1，兩季之間相比并無明顯差異。秋季日間風速≥5m·s-1平均時長介于1.8～2h，累計時長為173.45h；冬季日間風速≥5m·s-1平均時長介于0.7～0.8h，累計時長為68.28h，由此說明秋季風沙活動時長明顯高于冬季。

表1 研究區秋冬季節不同月份風速情況統計表

十大孔兌風沙區風力侵蝕是流域產沙的主要動力源[10]，基于此，對西柳溝孔兌風速≥5m·s-1時的累積時長進行統計分析。由圖4可知，在秋冬季，研究區主害風為西北風，秋季主害風時長是冬季的1.9倍，且各方向害風累積時長之間存在顯著差異；在秋季，西北風月平均累積時長為42.89h，其次為北西北風，最低為東風0.66h；在冬季，西北風月平均累積時長為22.68h，其次為北西北風，最低為東風0.6h。

注：圖中不同小寫字母a、b、c、d表示存在顯著差異。

2 研究方法

2.1 植被調查

2021年9月，為全面掌握西柳溝孔兌植物群落現狀、分布及生境條件，同時考慮到人力和財力的限制以及風沙區的特點，采用統一的公里網格(5km×5km)，對西柳溝孔兌的植物群落進行系統網格化；根據1∶100萬中國植被圖和區域群落記載資料，對比MODIS250m×250m數據集與《中國植被分布圖》，對西柳溝孔兌的主要植物群落進行調查點系統布設，保證研究區中每一種主要自然群落類型都能得到調查。在每個選定的調查點上，選擇目標植物群落，設置1個100m×100m的樣方，利用GPS定位，見圖5[11]。清查樣方內的所有喬木、灌木、草本，植物種類組成。在樣方內系統設置5個10m×10m灌木樣方、9個1m×1m的草本樣方，挖取1個1.5m×1.1m×1.2m的土壤剖面。在10m×10m的灌木樣方內調查灌木的種類、密度、高度和冠幅；在草本樣方內，對草本植物進行科、屬、種劃分，記錄其株數、株高，每種植物株高量取以草本樣方內3株標準株高度為主。

注：C1～9為草本樣方；G1～5為灌木樣方。

2.2 氣象數據

在西柳溝孔兌風沙區中部，地理位置N40°15′08″，E109°46′50″，四面無遮擋，通風透光性較好，地勢平坦，避免受到洪水等自然災害破壞的區域布設小型氣象站，主要監測風向、風速、降水量、蒸發量等指標，位置見圖6。

圖6 研究區集沙槽布設示意圖

2.3 集沙槽布設

垂直于主害風方向，沿孔兌兩岸不同下墊面區域(固定沙地、半固定沙地和流動沙地)布設規格為3.00m×1.44m×1.00m的集沙槽，體積4.32m3，河床東岸布設2個，西岸布設5個。集沙槽材料為發泡瓷磚，具有質地堅硬、防風蝕等特性。集沙槽布設位置圖可見圖6。

2.4 集沙量測定

測定時期為2021年9—12月，2022年1—2月，具體時間為每個月月中和月末，每次時長為1～2d。

2.4.1 集沙厚度<1cm時

當集沙量不足1cm時，先用工具將集沙槽底部的積沙清理后裝入塑封袋內，做好標記后帶回實驗室，用精度為0.01g的天平進行稱量測定。

2.4.2 集沙厚度>1cm時

當積沙厚度超過1cm時，用自制刮板將集沙槽內積沙刮平，用卷尺測定集沙面到集沙槽邊緣距離，計算集沙體積(m3)。將1cm3體積的沙子重作為標準重，換算后得到集沙槽內積沙重量。

2.5 數據處理

2.5.1 重要值計算

計算公式：

灌木層相對重要值=(相對密度+相對蓋度+相對高度)/3[12]

相對密度(%)=(某物種的個體數/所有物種數)×100%

相對蓋度(%)=(某物種蓋度/所有物種蓋度)×100%

相對高度(%)=(某物種平均高度/所有物種平均高度之和)×100%

2.5.2 下墊面類型劃分

劃分依據見表2[13]。

表2 沙地類型劃分依據標準

3 結果與分析

3.1 研究區植被及下墊面特征分析

由表3可知，通過對西柳溝孔兌風沙區河床東西兩岸植被分布情況分析，由植被蓋度劃分沙地類型為流動沙地、半固定沙地和固定沙地。根據重要值確定固定沙地植物群落為檸條錦雞兒(Caragana korshinskiiKom.)加黑沙蒿(Artemisia ordosica Krasch.)群落，半固定沙地植物群落為黑沙蒿群落。固定沙地的植物蓋度明顯大于半固定沙地。固定沙地的植物冠幅面積明顯大于半固定沙地。

表3 研究區樣方調查及下墊面特征表

由圖7可知，研究區流動沙地河床寬度、長度及河床面積高于固定沙地和半固定沙地。河床面積是固定和半固定沙地河床總面積的2.7倍，占風沙區河床總面積的73%；河床長度是固定和半固定沙地河床總長度的1.3倍，占風沙區河床總長度的57%。由此可以看出，西柳溝孔兌風沙區仍然面臨嚴重的風沙侵蝕隱患，特別是春夏沙塵暴天氣頻發季，風蝕問題帶來的生態安全問題尤為突出。

圖7 研究區不同下墊面河床特性對比圖

3.2 不同下墊面風蝕風沙入黃率分析

3.2.1 風蝕沙粒機械組成

利用篩分法對集沙槽內沙粒機械組成進行分析，由圖8可知，在秋冬季，不同類型下墊面運動沙粒粒徑集中于0.15～0.50mm，占所有粒徑機械組成的50%～85%。在秋季，固定沙地粒徑<0.15mm沙粒含量是冬季含量的2.9倍，且固定、半固定沙地粒徑2mm沙量高于冬季。

圖8 研究區風蝕沙粒機械組成統計對比圖

基于此種現象展開調查發現，秋季存在采沙拉沙現象，伴隨河道開采及沙粒運輸，此過程中大量的細小沙粒被風蝕，導致秋季粒徑<0.15mm的沙粒顯著增加，而冬季由于氣候寒冷，地面堅硬，采沙工作不易開展，故采沙拉沙行為顯著減少。

3.2.2 輸沙貢獻率對比

西柳溝孔兌風沙區受風力侵蝕影響，產生大量沙粒被搬運到孔兌河道中，夏季暴雨期，沉積的泥沙在水力侵蝕下被搬運到孔兌下游平原區，形成大量泥石流最終匯入黃河，嚴重威脅黃河流域生態安全?；诖?，結合西柳溝孔兌布設集沙槽集沙數據，對沉積在孔兌河道內沙量進行監測統計。

通過綜合對比不同月份輸沙量，由圖9可知，秋季孔兌西岸風沙貢獻率占總貢獻率的83%，東岸占17%；冬季孔兌西岸風沙貢獻率占總貢獻率的77%，東岸占23%。秋季單位面積(1m2)輸沙量明顯高于冬季，是冬季的1.8倍，流動沙地輸沙量是固定沙地的4.3倍，半固定沙地的4.5倍，風沙貢獻率占整個季節貢獻率的60%，半固定沙地和固定沙地分別占26%和14%。冬季流動沙地輸沙量是固定沙地的3.3倍，半固定沙地的3倍，風沙貢獻率占整個季節貢獻率的47%，半固定沙地和固定沙地分別占39%和14%。就秋冬季整體而言，流動沙地風沙貢獻率占整個秋冬季貢獻率的55%，半固定沙地和固定沙地分別占33%和13%，由此可知，秋季孔兌輸沙率高于冬季，沙源主要來自于孔兌河道西岸，且流動沙地輸沙貢獻率顯著高于固定和半固定沙地。

圖9 研究區不同下墊面類型輸沙率統計對比圖

4 討論與結論

4.1 研究區下墊面特性

在研究過程中發現，秋冬季節風沙貢獻率之間存在顯著差異，風向和風速是影響風沙侵蝕的主導因素，這與羅鳳敏等[14]對烏蘭布和沙漠起沙風的研究結論一致。通過綜合對比秋冬季節不同月份風速風向數據發現，雖然研究區秋冬季節盛行風為西南風，出現頻次較多，但有效起沙風速較低，無法構成風沙流運動，而真正造成風沙侵蝕主要動力為風向頻次出現并不多的西北風，風速≥5m·s-1累積時間最長，造成了風沙侵蝕沉積，這與許炯心[15]研究結果相悖，其指出各風向風沙入河量與各風向出現頻率之間存在較強正相關關系，而造成這種結果的原因主要是研究時間尺度不同，其選擇沙塵暴頻發且降水量較大的時期，時間主要集中于春夏季。由于季節不同，導致風速風向之間存在差異。當然影響風沙運動的因素還有很多，在今后的研究中會綜合對比多種因素進行分析。

4.2 研究區風沙貢獻率特征

人類活動在一定程度上加劇風沙運動，加快土地退化發展。調查過程中發現，秋季固定沙地輸沙量高于半固定沙地，是半固定沙地的1.03倍。冬季固定沙地輸沙量低于半固定沙地，是半固定沙地的0.89倍。造成這種現象主要原因是固定沙地存在放牧行為，牲畜主要采食胡枝子(Lespedeza bicolorTurcz.)、檸條錦雞兒等植物，破壞植物群落地表結皮，致使集沙槽周圍沙粒直接進入集沙槽，在一定程度上增加風沙流動量。冬季由于大部分植物枯萎，放牧行為減少，固定沙地輸沙量低于半固定沙地。這與趙美曼等對荒漠草原不同放牧強度下土壤抗蝕性研究結論一致，且其進一步指出，不同放牧強度也會對土壤分型維數及養分特征產生影響。因此，在孔兌風沙治理過程中應注重對固定沙地植物群落保護，以減少風沙區風沙侵蝕量。

4.3 沙粒機械組成特征

在西柳溝孔兌風沙區，人工種植的檸條錦雞兒固沙林起到防風固沙效能，減少風沙侵蝕，但放牧、采沙等人類活動破壞地表土壤粘結力，放牧增加了粒徑為2mm沙粒的流動，采沙增加了粒徑<0.15mm沙粒的流動，增加風蝕沙化土地面積，豐富沙源。研究結果表明，秋季沉積沙粒機械組成粒徑<0.15mm沙粒含量顯著高于冬季，沙源正是由于沙粒在運輸過程中增加粉細粒沙物質含量，進而增加孔兌風沙入黃貢獻量，這與任莉麗等的研究結論相悖，其研究中指出，沙坑開采后淤沙為入黃沙量減少起到一定作用，但其忽略沙坑采沙拉沙過程中增加土壤中的黏粒成分，有利于植物生長的營養物質也被轉移，加速當地土壤養分流失。所以，在黃河流域治理過程中，應該積極開展環境監察及保護工作，嚴禁各種危害環境行為發生，合理保護黃河流域生態環境。

5 結論

西柳溝孔兌風沙區下墊面沙地類型復雜，可劃分為流動沙地、固定沙地和半固定沙地。固定沙地植物群落為檸條錦雞兒(Caragana korshinskiiKom.)加黑沙蒿(Artemisia ordosica Krasch.)群落，半固定沙地植物群落為黑沙蒿群落。其中，流動沙地河床面積、長度和寬度均高于固定和半固定沙地，導致西柳溝流域存在嚴重生態安全隱患。

低溫期，不同類型下墊面運動沙粒粒徑集中于0.15～0.50mm，河道采砂行為增加了細沙粒風蝕量，直接導致大量營養物質流失，應予以重視并加強區域管理。

流動沙地風沙入黃貢獻率高于固定和半固定沙地。流動沙地風沙貢獻率占整個秋冬季貢獻率的55%，半固定沙地和固定沙地分別占33%和13%，因此在低溫期也應該加強對風蝕問題的重視與防護。