新疆策勒绿洲-沙漠过渡带地表风沙活动特征研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenjun7575
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绿洲-沙漠过渡带是绿洲生态系统与沙漠生态系统的连接地带,其生境脆弱、敏感、易变,是绿洲与沙漠生态系统间物质循环、能量流动及信息传递的场所。策勒风沙危害严重,做为绿洲外围的第一道风沙防护屏障,近年来过渡带大面积的垦荒造成地表大面积的裸露,加剧了地表风沙活动进程。研究策勒绿洲-沙漠风沙活动过程及其特征就显得尤为重要,阐明策勒绿洲-沙漠过渡带风沙运动规律可为防止绿洲农田遭受严重的风蚀危害、为建设策勒绿洲外围的防护林体系、制定合理防沙措施提供科学依据和理论支撑。本文主要通过野外观测和数理统计学方法,研究了过渡带流沙地、半固定沙地、固定沙地和绿洲内部风动力条件的差异及不同下垫面输沙势、输沙通量、地表风沙流结构、不同植被盖度下的地表蚀积变化特征、沙物质粒度特征等方面的时空差异,并评价了绿洲-沙漠过渡带地表风沙活动的强度。研究结果表明:  (1)沿主风向由流沙前沿至绿洲内部,随植被盖度的增加,平均风速、起沙风频次、输沙势和输沙率等有很大程度地降低;  (2)随着距地表高度的增加和与绿洲距离的缩短,输沙沙粒和地表沙粒平均粒径有变细的趋势,绿洲边缘裸平沙地地表沙物质比流沙前沿地表沙物质平均粒径细30μm(0.44φ)。在相同下垫面流动沙丘顶部沙物质平均粒径在3.47-2.6φ之间,明显粗于裸露平沙地和柽柳沙堆顶部沙粒平均粒径,在空间上沙物质分选系数差异不大,分选性都为中等偏上-中等;平沙地和流动沙丘顶部沙粒偏度介于-0.06-0.06之间,相对于平均值分布近对称。柽柳沙堆顶部沙粒偏度分布在0.05-0.25之间,大都属于极细偏;流动沙丘顶部和平沙地沙粒都表现为中等峰态,柽柳沙堆顶部沙粒大多表现为窄峰态。  (3)在中性层结扬沙天气下,从流沙前沿到半固定沙地、固定沙地风速廓线斜率依次降低,风速较大时基本符合对数关系,其拟合程度依次是半固定沙地>固定沙地>流沙地,绿洲内部2m以上高度的风速较大时与高度基本符合对数关系。春季沙尘暴期间风速较小时半固定沙地0-10m高及绿洲内部2m以上高度风速与高度变化接近对数关系,当夏季沙尘暴风速较大时,4个下垫面不同高度风速与高度之间都偏离对数关系。随着地表植被覆盖度的增加,粗糙度和摩阻风速也迅速增加,绿洲内部夏季沙尘暴天气近地表粗糙度比春季地表粗糙度增加较为显著。  (4)在0-200cm高度范围内,流沙地近地表输沙率与高度服从指数函数或幂函数递减关系,且拟合程度较高;半固定沙地近地表输沙率随高度一般服从指数函数关系,拟合程度中上等,稍差于流沙地;半固定沙地输沙率随高度变化一般服从多项式函数分布关系,拟合程度中等-差。在水平方向上流沙地输沙沙粒分选性依次好于半固定沙地、固定沙地,都属于中等-偏上分选性;所有输沙沙粒的偏度值分布在-0.06-0.05之间,相对于输沙沙粒中位数来说分布近对称,越靠近绿洲输沙沙粒越有细偏的趋势;所有跃移、蠕移沙粒峰态值分布在0.92-1.05之间,属于中等常峰态分布。  (5)从流沙前沿到绿洲内部沿主风向方向,不同高度的输沙量及水平输沙通量也大幅度地减少。在2010年7月12日7月15日观测阶段,相对于流沙地,半固定沙地、固定沙地、草原站、热瓦克水平输沙通量分别依次减少了46.36%、92.85%、98.98%、92.11%。7月15日-7月19日,相比于流沙地,其余4个下垫面水平输沙通量依次减少了56.18%、90.99%、95.91%、93.17%,在7月19日-7月23日观测阶段输沙通量分别依次减少了56.49%、94.08%、98.2%、95.39%。在整个7月12日-10月22日的观测阶段,流沙地近地表平均水平输沙通量分别是半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站近地表水平输沙通量的2.25、16.14、65.16、15.75倍。  (6)流沙地地表表现出强烈的地表风蚀并伴随流沙前移,半固定沙地由于高大柽柳灌丛沙堆地形的影响,地表整体表现为大量风积,固定沙地上植被覆盖度越高、植株的高度越高和排列方式越均匀、整体地势越低,其单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈指数函数关系递减,覆盖度与单位面积风积量不呈一定函数分布规律,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。  (7)沙漠-绿洲过渡带流动和半流动沙丘年平均前移距离为4.76-12.92m,半流动沙丘比流动沙丘前移速度明显减小,沙丘移动方向为99.82°-115.48°。砾质戈壁2m高新月形流动沙丘年移动距离为9.37m,年移动方向105.1°。0.9m高盾状沙丘年运移距离19.15m,移动方向93.77°,流动沙丘移动方向与年合成输沙势方向108°基本一致,沙丘高度与运移速度呈二次函数反比关系。  (8)流沙前沿单方位0-100cm高度集沙仪每层高度输沙量随高度变化服从指数或幂函数关系,0-10cm和0-20cm高度范围累积输沙百分比分别占总输沙量的12.43%-42.88%和23.43%-64.16%,0-30cm、0-50cm、0-60cm范围内累积输沙百分比分别为33.48%-77.14%、54.30%-87.49%和64.30%-90.71%。BSNE在0-205cm高度范围单位高度输沙量随高度变化多符合幂函数关系。全方位跃移年积沙量主要集中在WNW、W、SW、WSW、NW方位上。每个观测阶段的输沙势与BSNE水平输沙通量呈多项式函数关系,相关性极好,每个观测阶段的输沙势与40cm高全方位跃移总输沙量呈线性正相关关系。  (9)绿洲-沙漠过渡带的天然植被防风阻沙、固沙作用效果明显,对减少绿洲农田地表风蚀和保护人民健康具有十分重要的生态意义,应合理保护好过渡带的天然植被带并使其得到必要的生态恢复。
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