李菁菁，李得禄，满多清，严子柱，张德魁，马俊梅，郭树江

（甘肃省治沙研究所，兰州730070）

0 引言

风沙流结构是指气流搬运沙粒在高度层上的分布形式和变化规律。它能直接表征沙粒的运动形式，是判断地表的侵蚀状况，评估近地面输沙强度，掌握风成地貌的形态发育及演变规律的重要参数之一，在沙漠治理的理论与实践中占有重要地位[1-3]。在干旱荒漠区，风沙流活动频繁，不仅使地表养分被带走，而且容易危害道路、农田、村庄，对人们日常出行，工农业生产及生活造成危害。开展风沙流结构及其特征研究，进而监测和掌握沙尘运动规律研究，可以为防沙治沙工程提供参考依据。对风沙流的研究主要集中在近地面0～100 cm范围[4-7]，在50 m高度范围内对沙尘暴的研究也有一些报道[8-9]，还有根据风向进行多角度的观测研究[10]。风沙流受下垫面、风速等很多因素的影响，同时对其进行观测的仪器不同，其结果也有一定差异。

近年来随着人们对干旱荒漠区水土资源的过度干扰，导致地下水位持续下降，荒漠植物因水分亏缺出现了不同程度的衰败，沙丘活化，流沙四起，生态环境问题严重[11-12]，以石羊河流域下游民勤为典型代表。为了保护生态环境，减小人类对水土资源的依赖程度，以“关井压田、节约用水”为主要导向的石羊河流域下游综合治理项目启动，节约水土资源的同时，却导致民勤出现了大面积的退耕地，再加上一些因风沙危害严重或土壤瘠薄而逐渐被弃耕的土地，近年来，在民勤出现了大面积的退耕地，对民勤的生态环境有很大的负面影响。退耕地年代不同，地表受风沙和植被的作用对地面风沙流产生的影响也不同，而不同的风沙流对环境的危害程度也不同，目前对不同时间退耕地风沙流活动研究鲜有报道。为了了解不同年代退耕地风沙流特征和不同仪器对风沙流研究结果的差异，本研究利用2种不同类型的仪器研究了不同年代退耕地风沙流特征，以期为石羊河流域下游退耕地治理提供参考依据。

1 试验地概况

试验地位于石羊河流域下游民勤县境内的治沙站，地理位置102°02′—104°02′E、38°05′—39°06′N，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥、降水稀少、蒸发强烈、风大沙多。全年盛行西北风、西北偏西风。站区内耕地与林地交错分布，星罗棋布，自20世纪90年代开始，风沙危害严重，土壤瘠薄地段的土地开始陆续退耕，2008年政府实施关井压田以来，又有部分土地进行了退耕，因此在站区内形成了不同退耕年代的退耕地。以不同年代退耕地为试验对象，安装2种积沙仪进行风沙流观测。试验地概况见表1。

表1 试验地概况

2 试验及分析方法

2.1 试验设置

试验所用积沙仪是由原中国科学院兰州沙漠研究所研制的20/2型阶梯式积沙仪。该积沙仪高100 cm，单口断面2.0 cm×2.0 cm，共分15层，高50 cm（1号积沙仪），为了便于与另一个积沙仪数据比较，仅采用与之等高为30 cm的数据进行比较。另一种积沙仪为风向跟踪滤袋式积沙仪，分层收集和测定不同下垫面0～30 cm气流层内（每层2 cm×2 cm，共15层）的输沙量及风沙流结构（2号积沙仪）。安装时积沙仪下口底部与地面平齐，积沙口正对主风向。观测开始时记录时间并同时打开各个积沙仪的口盖，观测结束时记录时间并同时关闭各个积沙仪的口盖。取样前将自封袋进行称重，然后分层（以2 cm高为梯度）收集近地表0～100 cm的沙尘，烘干后在1/10000 g电子称上称重。风速数据来源于甘肃省民勤荒漠草地生态系统野外科学观测站，试验采用1 m高度处的风速数据，数据采集频率为5 min。

2.2 试验数据统计

起沙风速(Ut)是沙粒在一定强度风的作用下开始移动时的风速。起沙风速是一个相对概念，是鉴定不同风力的风是否为该风的一个风速临界值[13]。民勤起沙风速为5.0 m/s[14]，所以，本试验统计风速大于等于5.0 m/s以上的时间作为计算输沙率(Q)的时间。风沙流观测过程中的平均风速用起沙风开始到结束的平均风速代替。

3 结果与分析

3.1 2种积沙仪年输沙量比较

不同的积沙仪由于其结构和构造的不同，对风沙流的收集数量存在明显的差异。从图1可以看出，2号积沙仪年输沙量明显高于1号积沙仪，其主要原因是2种积沙仪收集装置不同，1号积沙仪收集装置的材质是不透风的铁质材料（不透风，空气沙子均不能通过），2号积沙仪收集装置是由具有一定透风稀疏的纸袋做成（空气可以通过，沙子不能通过），而且风沙流越大，差异越大，风沙流越小，差异越小。从不同退耕年代来看，退耕时间越早风沙流越大，风沙流的大小与退耕地所处的位置也有很大关系，退耕较早且处于风沙边缘的积沙仪输沙率大。

图1 2种积沙仪年输沙量

3.2 2种积沙仪年输沙量相关性

分析2号积沙仪和1号积沙仪年输沙量之间的相关性，结果为二者之间呈显著地线性相关（图2），相关系数达到了0.9981，表明二者对风沙流的收集在量上呈一定的线性关系。在同一地点安装的2种积沙仪仅在沙子数量上有一定差异，对风沙流收集的研究结果上没有差异。2号积沙仪的输沙量是1号积沙仪积沙量的1.70～1.99倍。在相同高度范围，相同的进沙口，相同的时间内2号积沙仪收集的量明显高于1号积沙仪的积沙量，在风沙流较大的区域研究风沙流可以采用1号或2号积沙仪，而在风沙流较小的区域尽量采用2号积沙仪，能够获得较好的研究结果。

图2 2种积沙仪年输沙量的相关性分析

3.3 2种积沙仪输沙量月变化

图3为不同退耕年代退耕地上风沙流输沙量月变化图，从图中可以看出，2种积沙仪输沙量月变化总体变化规律是一致的，从数量上来看，在2月和4—6月各退耕年代的退耕地输沙量相对较大，这和当地的风季有很大的关系，2—6月为多风季节，输沙量相对较大；从2种积沙仪来看，2号积沙仪的输沙量明显高于1号积沙仪；从不同年代退耕地来看，越是靠近沙源，退耕较早的地块风沙流输沙量越大，波动幅度也大，而靠近绿洲范围的退耕地风沙流输沙量相对较小，而且波动幅度也小。

图3 2种积沙仪输沙量月变化特征

3.4 2种积沙仪在同一风速条件下的输沙率比较

统计了大于等于起沙风速，平均风速为5.58 m/s同一时间段退耕时间为17年、10年、7年和2年的退耕地上的风沙流输沙率（图4）。从图中可以看出，在同一退耕年代同一退耕地上，风沙流输沙率均为积沙仪2大于积沙仪1，退耕时间越早，植被越稀疏，风沙流输沙率在0～30 cm范围内变化幅度越大，退耕时间越晚，植被较多，风沙流输沙率越小，在0～30 cm垂直梯度上变化幅度也很小，因此风沙流输沙率与植被盖度有很大的关系。其次从同一地点2种积沙仪来看，积沙仪2风沙流输沙率明显高于积沙仪1，这与积沙仪收集装置关系密切，积沙仪1是金属材质收集仪，不通透，积沙仪2收集装置为纸袋，有一定的透气性，空气可以通过，沙子不能通过，因此能够收集到的沙量更多。

图4 不同退耕年代退耕地2种积沙仪输沙率

4 结论与讨论

为了研究地表风沙流运动规律，人们研制出了各种类型的积沙仪。一般来说积沙仪可分为水平积沙仪与垂直积沙仪[15]。目前在国内使用最多的有2种，分别为阶梯式积沙仪和垂直积沙仪[16-17]。从风沙流收集角度来看，常见的一般为与主风向平行的收集仪，也有从不同方位进行收集的，如从4到12个方位均有[10]。积沙效率的高低直接影响近地表输沙率的测定，从而影响着风沙地貌的研究和风沙工程设计[18]。俎瑞平等[18]测定，3种积沙仪在相同条件下的输沙量，楔形积沙仪积沙量远远大于直立式积沙仪和阶梯式积沙仪，造成这些差异的原因在于楔形积沙仪采用的流线型构造和网状结构，从而对风沙流的阻挡程度较小。本研究使用了2种积沙仪测定了不同退耕年代退耕地上的风沙流输沙量，在不同年代退耕地上0～30 cm范围内，积沙仪1和积沙仪2收集的沙量不一样，但是总体规律表现十分相似，通过二者之间的散点图可以看出，积沙仪2年输沙量为积沙仪1的1.70～1.99倍，二者之间呈线性相关，方程为y=0.551x-5.5482，相关系数达到了0.9981。造成差异的主要原因是收集装置通透性差异造成的，积沙仪1是金属材质的收集仪，不通透，积沙仪2收集装置为纸袋，有一定的透气性，空气可以通过，沙子不能通过，因此能够收集到的沙量更多。在风沙较大的区域可以使用2种积沙仪观测风沙流，而在风沙较小的区域使用积沙仪2观测风沙流能取得较好的结果。

在同一退耕地上两种积沙仪月变化规律基本一致，输沙率在2月、4—6月相对较大，而在其他月份相对较小，这与当地风季出现的时间相一致。表明风速是影响风沙流输沙量最关键的因素之一。从2种积沙仪各月输沙量来看，均表现为积沙仪2大于积沙仪1。与年输沙率相一致。从输沙率来看，退耕时间越早，同一风速条件下输沙率越大，风沙流输沙率在高度上变化幅度也越大；退耕时间越晚，同一风速条件下输沙率越小，风沙流输沙率在高度上变化也较小。因此退耕地退耕时间不同、植被不同，对输沙率在高度上的分布也不一致。

在同一退耕地上，相同风速下，积沙仪2收集的沙量比积沙仪1收集的量大，而且随着退耕年限的增加，输沙率呈增加趋势，这与退耕地下垫面植被的盖度显著相关[19]。在退耕初期，土壤水分较好，有利于一年生植物的生长，植被盖度较大，随着土壤水分的消耗，植被的演替，草本植物缺乏生长的条件，而逐渐被灌木取代，植被稀疏，植被数量的减少影响了风沙流输沙率。退耕时间越早，植被越稀疏，风沙流输沙率在0～30 cm范围内变化幅度较大，退耕时间越晚，植被较多，风沙流输沙率越小，在0～30 cm垂直梯度上变化幅度也很小，因此风沙流输沙率与植被盖度有很大的关系。