邬秉承党晓宏高永蒙仲举赵宏胜李浩天

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010000；2.包头市林业和草原局，内蒙古 包头 014000)

引言

十大孔兑所处地理位置特殊，生态类型复杂多样，属于中国典型生态脆弱区。其中游横穿风沙频发的库布齐沙漠，是黄河上游风沙入黄主要源区，也是黄河内蒙古段主要积沙区[1]，特别在暴雨期极易形成高含沙量的洪流，这片总面积1.07×104km2的区域是黄河内蒙古河段及下游“地上悬河”的直接制造者之一，对当地生态环境及基础设施构成严重威胁[2]。因此，对黄河流域周围小支流防沙治沙研究尤为重要。

近年来，有大量的学者针对当地水土保持危害做了相关研究。十大孔兑中游库布齐沙漠区(十大孔兑风沙区)是泥沙的主要来源区[3]，为水土流失、风沙侵蚀提供了丰富的沙源；黄河上游“十大孔兑”沙漠流域的高含沙洪水，是季节性风水复合侵蚀的结果，沟道高含沙洪水输沙过程十分复杂，是流域产汇流路径上风力、水力、重力等侵蚀作用的叠加和集中反映[4]。十大孔兑下游沉积的泥沙搬运方式主要以滚动为主，滚动组分和悬浮组分相混合，在介质搬运方式上孔兑之间不存在明显的空间差异。20世纪50年代以来，十大孔兑携带的泥沙曾8次堵塞黄河，十大孔兑上游平均土壤侵蚀模数2018年为2997.03t·km-2·a-1[3]。十大孔兑风沙区针对风沙研究主要集中于风沙侵蚀对于内蒙古河段河道淤积泥沙的影响方面。孙宝洋等[5]利用侵蚀针法对十大孔兑地区风蚀监测，得出风沙区为中度风蚀，风蚀发生的方向主要为东南方向，主要风蚀过程为堆积—吹蚀—推移—再堆积。风沙区风蚀强度与平均极大风速呈指数关系，10—11月和4—5月风蚀强度大于全年其他时间，4—5月风蚀强度最大，是全年平均风蚀强度的2～3倍，土壤可蚀性颗粒含量大小风沙区为94.95%。风沙区各风向风沙入河量与各风向出现频率之间存在较强的正相关，研究结论表明，对于风水两相侵蚀产沙的治理是十大孔兑风沙区治理必须解决的重要问题。有关风沙定性的研究较多，而定量的问题研究相对较少。因此，还需要深入研究风沙入黄的定量分析，加强复合侵蚀营力作用机制的研究，并量化其对河道泥沙贡献率。相对于春夏季节，秋冬季的西柳沟孔兑气候环境变化明显。过去学者仅对沙尘频发季节进行监测，忽略了低风期(秋冬季节)十大孔兑仍存在风沙入黄现象。

基于此，在秋冬季节以西柳沟流域中游风沙区为研究对象，对不同下垫面特征及风沙入黄贡献率展开研究，以期为科学治理黄河流域风沙入黄问题提供数据支撑，进而为相似区域防沙治沙提供科学依据和理论基础。

1 研究区概况

1.1 研究区下垫面基本特征

西柳沟孔兑属于典型干旱大陆性气候，风大沙多，气候干燥，地处风蚀沙化和水土流失重叠区。十大孔兑区土壤和植被类型分布特征具有极强的地带性，上游丘陵沟壑区以黄土、栗钙土为主，中游风沙区以流动、固定半固定风沙土为主，下游冲积平原区土壤以灌淤土、盐土、碱土、草甸土为主，植被类型从东南部的典型草原逐渐向西北部的荒漠草原、草原化荒漠过渡。区内植被以旱生与半旱生灌丛和草原植被为主[6]。主害风为西北风，年均风速3.1m·s-1，风力5～8级，沙尘暴集中发生于每年3—5月，风速最高可达14m·s-1；年平均蒸发量(2200mm)是降水量(305.9mm)的7倍多，土壤类型主要为栗钙土和粗骨性栗钙土。西柳沟孔兑全长106.5km，流域总面积1193.8km2，中游风沙区长约18km，面积280.7km2，河床东岸植被盖度优于河床西岸。分布有大量的流动沙丘，最高沙丘可达38m，高度H>10m沙丘区域约占流动沙地面积的59%，高度5m

图1 西柳沟孔兑示意图

1.2 秋冬季研究区风况

1.2.1 盛行风特征

盛行风是指一定时期出现频次较高的风向，是判断风沙运移方向规律的主要依据[8]。

由图2可知，秋季(9月、10月、11月)西柳沟孔兑均以西南风为主，共18d，占秋季日数的19.78%，其中9月吹蚀日数最多。根据不同风向吹蚀日数大小排序：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)。由图3可知，冬季(12月、1月、2月)研究区以西南偏西(WSW)风为主，共19d，占冬季日数的21.11%，其中1月吹蚀日数最多，根据冬季不同风向吹蚀累积日数排序：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)。

图2 秋季不同风向吹蚀日数统计图

图3 冬季不同风向吹蚀日数统计图

1.2.2 主害风特征

主害风是造成沙地风蚀的主要外因力，据董治宝等[9]研究，流动沙地面起沙风速为5m·s-1，当风速超过5m·s-1时，会伴随沙粒的跃移、蠕移或悬移现象的发生。

由表1可知，在秋冬季，平均日间风速介于2～2.5m·s-1，两季之间相比并无明显差异。秋季日间风速≥5m·s-1平均时长介于1.8～2h，累计时长为173.45h；冬季日间风速≥5m·s-1平均时长介于0.7～0.8h，累计时长为68.28h，由此说明秋季风沙活动时长明显高于冬季。

表1 研究区秋冬季节不同月份风速情况统计表

十大孔兑风沙区风力侵蚀是流域产沙的主要动力源[10]，基于此，对西柳沟孔兑风速≥5m·s-1时的累积时长进行统计分析。由图4可知，在秋冬季，研究区主害风为西北风，秋季主害风时长是冬季的1.9倍，且各方向害风累积时长之间存在显著差异；在秋季，西北风月平均累积时长为42.89h，其次为北西北风，最低为东风0.66h；在冬季，西北风月平均累积时长为22.68h，其次为北西北风，最低为东风0.6h。

注：图中不同小写字母a、b、c、d表示存在显著差异。

2 研究方法

2.1 植被调查

2021年9月，为全面掌握西柳沟孔兑植物群落现状、分布及生境条件，同时考虑到人力和财力的限制以及风沙区的特点，采用统一的公里网格(5km×5km)，对西柳沟孔兑的植物群落进行系统网格化；根据1∶100万中国植被图和区域群落记载资料，对比MODIS250m×250m数据集与《中国植被分布图》，对西柳沟孔兑的主要植物群落进行调查点系统布设，保证研究区中每一种主要自然群落类型都能得到调查。在每个选定的调查点上，选择目标植物群落，设置1个100m×100m的样方，利用GPS定位，见图5[11]。清查样方内的所有乔木、灌木、草本，植物种类组成。在样方内系统设置5个10m×10m灌木样方、9个1m×1m的草本样方，挖取1个1.5m×1.1m×1.2m的土壤剖面。在10m×10m的灌木样方内调查灌木的种类、密度、高度和冠幅；在草本样方内，对草本植物进行科、属、种划分，记录其株数、株高，每种植物株高量取以草本样方内3株标准株高度为主。

注：C1～9为草本样方；G1～5为灌木样方。

2.2 气象数据

在西柳沟孔兑风沙区中部，地理位置N40°15′08″，E109°46′50″，四面无遮挡，通风透光性较好，地势平坦，避免受到洪水等自然灾害破坏的区域布设小型气象站，主要监测风向、风速、降水量、蒸发量等指标，位置见图6。

图6 研究区集沙槽布设示意图

2.3 集沙槽布设

垂直于主害风方向，沿孔兑两岸不同下垫面区域(固定沙地、半固定沙地和流动沙地)布设规格为3.00m×1.44m×1.00m的集沙槽，体积4.32m3，河床东岸布设2个，西岸布设5个。集沙槽材料为发泡瓷砖，具有质地坚硬、防风蚀等特性。集沙槽布设位置图可见图6。

2.4 集沙量测定

测定时期为2021年9—12月，2022年1—2月，具体时间为每个月月中和月末，每次时长为1～2d。

2.4.1 集沙厚度<1cm时

当集沙量不足1cm时，先用工具将集沙槽底部的积沙清理后装入塑封袋内，做好标记后带回实验室，用精度为0.01g的天平进行称量测定。

2.4.2 集沙厚度>1cm时

当积沙厚度超过1cm时，用自制刮板将集沙槽内积沙刮平，用卷尺测定集沙面到集沙槽边缘距离，计算集沙体积(m3)。将1cm3体积的沙子重作为标准重，换算后得到集沙槽内积沙重量。

2.5 数据处理

2.5.1 重要值计算

计算公式：

灌木层相对重要值=(相对密度+相对盖度+相对高度)/3[12]

相对密度(%)=(某物种的个体数/所有物种数)×100%

相对盖度(%)=(某物种盖度/所有物种盖度)×100%

相对高度(%)=(某物种平均高度/所有物种平均高度之和)×100%

2.5.2 下垫面类型划分

划分依据见表2[13]。

表2 沙地类型划分依据标准

3 结果与分析

3.1 研究区植被及下垫面特征分析

由表3可知，通过对西柳沟孔兑风沙区河床东西两岸植被分布情况分析，由植被盖度划分沙地类型为流动沙地、半固定沙地和固定沙地。根据重要值确定固定沙地植物群落为柠条锦鸡儿(Caragana korshinskiiKom.)加黑沙蒿(Artemisia ordosica Krasch.)群落，半固定沙地植物群落为黑沙蒿群落。固定沙地的植物盖度明显大于半固定沙地。固定沙地的植物冠幅面积明显大于半固定沙地。

表3 研究区样方调查及下垫面特征表

由图7可知，研究区流动沙地河床宽度、长度及河床面积高于固定沙地和半固定沙地。河床面积是固定和半固定沙地河床总面积的2.7倍，占风沙区河床总面积的73%；河床长度是固定和半固定沙地河床总长度的1.3倍，占风沙区河床总长度的57%。由此可以看出，西柳沟孔兑风沙区仍然面临严重的风沙侵蚀隐患，特别是春夏沙尘暴天气频发季，风蚀问题带来的生态安全问题尤为突出。

图7 研究区不同下垫面河床特性对比图

3.2 不同下垫面风蚀风沙入黄率分析

3.2.1 风蚀沙粒机械组成

利用筛分法对集沙槽内沙粒机械组成进行分析，由图8可知，在秋冬季，不同类型下垫面运动沙粒粒径集中于0.15～0.50mm，占所有粒径机械组成的50%～85%。在秋季，固定沙地粒径<0.15mm沙粒含量是冬季含量的2.9倍，且固定、半固定沙地粒径2mm沙量高于冬季。

图8 研究区风蚀沙粒机械组成统计对比图

基于此种现象展开调查发现，秋季存在采沙拉沙现象，伴随河道开采及沙粒运输，此过程中大量的细小沙粒被风蚀，导致秋季粒径<0.15mm的沙粒显著增加，而冬季由于气候寒冷，地面坚硬，采沙工作不易开展，故采沙拉沙行为显著减少。

3.2.2 输沙贡献率对比

西柳沟孔兑风沙区受风力侵蚀影响，产生大量沙粒被搬运到孔兑河道中，夏季暴雨期，沉积的泥沙在水力侵蚀下被搬运到孔兑下游平原区，形成大量泥石流最终汇入黄河，严重威胁黄河流域生态安全。基于此，结合西柳沟孔兑布设集沙槽集沙数据，对沉积在孔兑河道内沙量进行监测统计。

通过综合对比不同月份输沙量，由图9可知，秋季孔兑西岸风沙贡献率占总贡献率的83%，东岸占17%；冬季孔兑西岸风沙贡献率占总贡献率的77%，东岸占23%。秋季单位面积(1m2)输沙量明显高于冬季，是冬季的1.8倍，流动沙地输沙量是固定沙地的4.3倍，半固定沙地的4.5倍，风沙贡献率占整个季节贡献率的60%，半固定沙地和固定沙地分别占26%和14%。冬季流动沙地输沙量是固定沙地的3.3倍，半固定沙地的3倍，风沙贡献率占整个季节贡献率的47%，半固定沙地和固定沙地分别占39%和14%。就秋冬季整体而言，流动沙地风沙贡献率占整个秋冬季贡献率的55%，半固定沙地和固定沙地分别占33%和13%，由此可知，秋季孔兑输沙率高于冬季，沙源主要来自于孔兑河道西岸，且流动沙地输沙贡献率显著高于固定和半固定沙地。

图9 研究区不同下垫面类型输沙率统计对比图

4 讨论与结论

4.1 研究区下垫面特性

在研究过程中发现，秋冬季节风沙贡献率之间存在显著差异，风向和风速是影响风沙侵蚀的主导因素，这与罗凤敏等[14]对乌兰布和沙漠起沙风的研究结论一致。通过综合对比秋冬季节不同月份风速风向数据发现，虽然研究区秋冬季节盛行风为西南风，出现频次较多，但有效起沙风速较低，无法构成风沙流运动，而真正造成风沙侵蚀主要动力为风向频次出现并不多的西北风，风速≥5m·s-1累积时间最长，造成了风沙侵蚀沉积，这与许炯心[15]研究结果相悖，其指出各风向风沙入河量与各风向出现频率之间存在较强正相关关系，而造成这种结果的原因主要是研究时间尺度不同，其选择沙尘暴频发且降水量较大的时期，时间主要集中于春夏季。由于季节不同，导致风速风向之间存在差异。当然影响风沙运动的因素还有很多，在今后的研究中会综合对比多种因素进行分析。

4.2 研究区风沙贡献率特征

人类活动在一定程度上加剧风沙运动，加快土地退化发展。调查过程中发现，秋季固定沙地输沙量高于半固定沙地，是半固定沙地的1.03倍。冬季固定沙地输沙量低于半固定沙地，是半固定沙地的0.89倍。造成这种现象主要原因是固定沙地存在放牧行为，牲畜主要采食胡枝子(Lespedeza bicolorTurcz.)、柠条锦鸡儿等植物，破坏植物群落地表结皮，致使集沙槽周围沙粒直接进入集沙槽，在一定程度上增加风沙流动量。冬季由于大部分植物枯萎，放牧行为减少，固定沙地输沙量低于半固定沙地。这与赵美曼等对荒漠草原不同放牧强度下土壤抗蚀性研究结论一致，且其进一步指出，不同放牧强度也会对土壤分型维数及养分特征产生影响。因此，在孔兑风沙治理过程中应注重对固定沙地植物群落保护，以减少风沙区风沙侵蚀量。

4.3 沙粒机械组成特征

在西柳沟孔兑风沙区，人工种植的柠条锦鸡儿固沙林起到防风固沙效能，减少风沙侵蚀，但放牧、采沙等人类活动破坏地表土壤粘结力，放牧增加了粒径为2mm沙粒的流动，采沙增加了粒径<0.15mm沙粒的流动，增加风蚀沙化土地面积，丰富沙源。研究结果表明，秋季沉积沙粒机械组成粒径<0.15mm沙粒含量显著高于冬季，沙源正是由于沙粒在运输过程中增加粉细粒沙物质含量，进而增加孔兑风沙入黄贡献量，这与任莉丽等的研究结论相悖，其研究中指出，沙坑开采后淤沙为入黄沙量减少起到一定作用，但其忽略沙坑采沙拉沙过程中增加土壤中的黏粒成分，有利于植物生长的营养物质也被转移，加速当地土壤养分流失。所以，在黄河流域治理过程中，应该积极开展环境监察及保护工作，严禁各种危害环境行为发生，合理保护黄河流域生态环境。

5 结论

西柳沟孔兑风沙区下垫面沙地类型复杂，可划分为流动沙地、固定沙地和半固定沙地。固定沙地植物群落为柠条锦鸡儿(Caragana korshinskiiKom.)加黑沙蒿(Artemisia ordosica Krasch.)群落，半固定沙地植物群落为黑沙蒿群落。其中，流动沙地河床面积、长度和宽度均高于固定和半固定沙地，导致西柳沟流域存在严重生态安全隐患。

低温期，不同类型下垫面运动沙粒粒径集中于0.15～0.50mm，河道采砂行为增加了细沙粒风蚀量，直接导致大量营养物质流失，应予以重视并加强区域管理。

流动沙地风沙入黄贡献率高于固定和半固定沙地。流动沙地风沙贡献率占整个秋冬季贡献率的55%，半固定沙地和固定沙地分别占33%和13%，因此在低温期也应该加强对风蚀问题的重视与防护。