土壤风力侵蚀动力指数模型研究

土壤风力侵蚀动力指数模型研究

土壤重力侵蚀是指土壤在受到力的机械运动的运动，包括以气溶胶为特征的细粉，以浮式运动的方式移动的，以及更多的颗粒在表面的运动。较粗颗粒在风速减弱的条件下迅速沉降,而以气溶胶方式的粉尘在此条件下很难沉降。土壤被风力剥蚀使土壤肥力下降,土壤细颗粒物质被吹走,导致土壤粗化甚至荒漠化。同时,土地被沙漠侵占使可利用土地资源减少。这种沙漠化过程使全球日益紧张的资源环境问题更加严峻。沙漠化指数被用来衡量一个地区的沙漠化程度,沙漠面积占地区总面积的百分比、沙丘密度、沙丘的平均高度和沙丘的起伏度等都被用来当做沙漠化指数。这种统计意义上的定量研究立足于对采样数据进行分析,受样本数的限制。同时,这种指标只能反映沙漠化的现状,不能从导致沙漠化环境发生的动力机制和动力过程上进行分析。利用遥感技术和地理系统方法,对沙漠化的过程进行遥感监测,可以从宏观、高分辨率的角度对沙漠化程度、沙漠化土地面积进行研究,特别是遥感数据的多时相特征使得对于沙漠化的动态连续观测成为可能。1土壤条件分析在利用TM影像、全国土地利用数据、土壤质地、数字高程模型、野外调查及相关资料分析的基础上,按照图1所示的流程,确定土壤风力侵蚀强度。风蚀区的强度分为6个级别:①微度侵蚀,沙地中出现斑状风蚀坑,梁窝状沙丘迎风坡基本无风蚀,农耕地中有零星的风蚀斑。风蚀地貌面积占总面积5%以下。斑点状流沙,占总面积5%以下。植被覆盖度包括风蚀区的水体大于50%。②轻度侵蚀,平沙地出现长的风蚀沟,梁窝状沙丘迎风坡出现风蚀破口,农耕地中出现较密的线性风蚀沟。风蚀地貌面积占总面积5%～25%。片状流沙、灌丛沙堆占总面积5%～25%。植被覆盖度20%～50%。③中度侵蚀,平沙地出现较大的风蚀坑,梁窝状沙丘迎风坡风蚀破口达1/2处,农耕地中出现中等深度的风蚀洼地。风蚀地貌面积占总面积25%～50%。大面积的片状流沙、密集的灌丛沙堆。占总面积25%～50%。植被覆盖度10%～20%。④强度侵蚀,平沙地出现大风蚀坑,梁窝状沙丘迎风面风蚀破口达到丘顶,农耕地中出现大型碟形洼地,风蚀地貌面积占总面积50%～70%。或密集高大的流动沙丘、沙丘链。沙丘占总面积50%～70%。植被覆盖度5%～10%。⑤极强度侵蚀,出现深层块状风蚀洼地、风蚀深槽,风蚀地貌面积占总面积70%以上。或流动平沙地与流动沙丘面积占总面积70%以上。植被覆盖度1%～5%。⑥剧烈侵蚀,出现极深层片状风蚀盆地、风蚀大深槽、风蚀谷,流动沙丘面积占总面积90%以上。植被覆盖度<1%。包括裸岩和石、砾质戈壁(图1)。图2显示了全国土壤风力侵蚀的遥感调查结果。剧烈侵蚀区面积为52×104km2,分布于塔克拉玛干沙漠南缘、塔干沙漠东部、新疆北部的古尔班通古特沙漠、新疆东部地区、内蒙西部的腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠地区。极强度侵蚀区面积为39×104km2,主要分布于塔克拉玛干沙漠、腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠地区。强度侵蚀区面积为37×104km2,主要分布于北疆古尔班通古特沙漠地区、新疆东部地区、柴达木盆地、腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠地区。中度侵蚀区面积为38×104km2,主要分布于以上所述沙漠地区的边缘处,在毛乌素沙地、内蒙中部的浑善达克沙地、内蒙东部和辽宁西部的科尔芯沙地,此外青藏高原北部也有零星分布。轻度侵蚀区面积为35×104km2,微度侵蚀区面积为29×104km2,它们主要分布于内蒙中部的浑善达克沙地、内蒙北部的呼伦贝尔盟地区、科尔芯沙地,新疆沙漠地区和柴达木盆地。此外,河北省中部、四川省北部和西藏部分地区有少量零星分布。中国土壤风力侵蚀区几乎均落在400mm年降雨量线以内干旱和半干旱地区(图2),而且强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀几乎都位于200mm年降雨量线以内。强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀所在地区的土地利用方式中,除绿洲外几乎为天然裸露,植被覆盖度极低或者无植被覆盖,年降雨量在200mm以下。微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀一部分位于内蒙中部、北部,这部分地区降雨量为200～400mm,土地覆盖方式为中覆盖度草地和高覆盖度草地大致等比例分布。第二部分地区为科尔芯沙地地区,该区的降雨量介于400～800mm,雨水相对充足,但土地覆盖方式以沙地、低覆盖度草地和耕地为主,土地微度侵蚀和轻度侵蚀面积占该区总面积的95%以上。全国土壤风力侵蚀大致可以分出4个区域:新疆地区、内蒙西部、内蒙中部和内蒙东部地区。新疆地区除天山地区、阿尔泰山地区、昆仑山脉南部地区和绿洲地区土壤侵蚀不以风力侵蚀为主,其它地区均发生中度至剧烈程度的土壤风力侵蚀。尤其是新疆东部地区,土壤侵蚀程度剧烈,风蚀盆地、风蚀大深槽、风蚀谷随处可见,植被覆盖度小于1%,土地主要为裸岩和石、砾质戈壁。内蒙西部地区土壤侵蚀也以极强烈至剧烈为主,流动沙丘面积占总面积90%以上。植被覆盖度小于5%,土地为沙漠和石、砾质戈壁。内蒙中部和内蒙东部2个地区土壤侵蚀为微度至中度侵蚀,土地利用为风沙地和中低覆盖草地。2土地沙漠化,荒漠化西北地区有50%以上的土地发生土壤风力侵蚀,内蒙古有65%以上地区发生风力侵蚀。其危害非常严重,直接导致土地沙漠化和荒漠化,至使生态环境恶化,耕地面积萎缩,耕地质量下降。导致土壤风力侵蚀的影响因子有风速、土壤干燥度、地表植被指数、土壤质地和坡度。对其进行研究可以揭示土壤风侵蚀的驱动因素和动力过程,对导致土壤风力侵蚀强度加重的原因进行分析,以探讨出抑制和减轻甚至消除土壤风力侵蚀的措施。2.1日变化风速特征风力强度是影响风对土壤颗粒搬运的重要因素。中国北方地区冬季受强大的冬季风所控制,来自北方的冷空气南侵,带来大风天气。春季西伯利亚的冷空气爆发南移,沿途伴有大风天气。根据刘连友等的资料,砂质壤土、壤质砂土和固定风砂土的起动风速分别为6.0、6.6和5.1m/s。风速只有在超过某一临界值的情况下才有可能搬运土壤中的颗粒物质至空中,在地表土壤性质一定的情况下,超过临界值风速的大风日数越长,对土壤表面的侵蚀程度就越深。通过对全国616个气象站点1981～1990年的数据进行处理,统计一年的12个月中日均风速大于6.0m/s天数的分布状况(表1),结果表明有365个站点存在日均风速大于6.0m/s的天数。在这365个站点中,11～5月大于6.0m/s天数占年总大于6.0m/s天数60%的站点有289个,占80%的站点有170个,说明11～5月是一年中主要的风期。统计11～5月份中日均风速大于6.0m/s的天数,并用地理信息系统方法进行空间内插(图3)可以看出,由西北向东南方向,在11～5月的大于6.0m/s的天数逐渐减少。大致有5个强风区域,第1部分为新疆东部、甘肃西部和内蒙古西部地区,第2部分为内蒙中部、阴山北部地区和燕山—太行山西部地区,由于来自西北方向的强风受高大山体的阻挡,这一区域呈带状分布于山体西北部;第3部分为辽宁中部、南部和黑龙江东部和内蒙古东部的呼伦贝尔地区,这一地区风速较前二者为低,大部分地区大于6.0m/s风速的天数在30天以内;第4部分为新疆南部、西藏北部和青海西部地区,此区面积大,几乎覆盖西藏全部和新疆南缘地区,风速也最强,区域内11～5月大于6.0m/s的天数大于30天,局部地区大于60天;第5部分为东南沿海部分地区。2.2土壤表面干燥度的定量研究地表土壤含水量的变化也是影响风力对土壤颗粒搬运的重要因素。降雨量少,气温偏高,土壤变得干燥,风易将粉尘物质带入空中。土壤的干燥度与降雨量、温度直接相关,利用公式(2-1)对土壤表面的干燥度进行定量研究:D=0.16∑Τ≥10℃/Ρ(2-1)D=0.16∑T≥10℃/P(2−1)式中D为干燥度,∑T≥10℃为大于等于10℃的年积温,P为降雨量。对数据进行空间内插(图4)。秦岭、淮河以南处于气候湿润区;淮河以北的华北平原、东北南部、东北中部,大兴安岭至太行山脉以东地区处于半湿润地区;华北地区西部、西南地区西部、新疆北部处于半干旱地区;内蒙中部、内蒙西部、新疆南部、新疆中部和青海西部地区属于干旱地区。2.3ndvi与土壤风力地表植被覆盖是影响土壤风力侵蚀的又一重要因素,在水域、冰雪和植被覆盖度高的地区,不发生土壤的风力侵蚀。相反,地表裸露,植被稀少,都使土壤受风的侵蚀加大。利用气象卫星NOAA数据,对植被指数进行计算,计算规一化植被指数的公式(2-2)如下:ΝDVΙ=ch2-ch1ch2+ch1(2-2)NDVI=ch2−ch1ch2+ch1(2−2)式中ch1和ch2分别为NOAA卫星的第一和第二通道数据。NDVI并不是植被覆盖率,但通过相应的运算,可以用来计算地表的植被覆盖率。植被的茎、叶、主干对提高地表的粗糙度、降低地表风速有重要作用;同时,植物的原地的残余物、植物的根及土壤有机体含量对土壤可蚀性的影响也非常重要。从1992年和1993年冬季NDVI最大值的平均值的分布状况可以看出,干旱区和半干旱区的NDVI值降至最低点,半湿润区的NDVI值也降至较低水平,西南地区西部、西北地区、华北西部、华北北部、东北中部和东北北部的大部分地区冬季和春季处于低温和干燥的状态下,植被覆盖降至最低点,地表裸露,大量农耕土壤、沙漠和冲积物等暴露在空气当中。但在夏季,半湿润区的NDVI值明显增大,半干旱区的NDVI值也增大,而干旱区的NDVI值却没有多大变化,只在绿洲地区或者是地下水资源较丰富的地区出现NDVI值增大的现象。图5显示了1992年和1993年夏季NDVI最大值的平均值。土利用遥感调查的结果也显示了冬季在植被指数低的西北地区、华北地区西部、青藏高原北部地区土地利用方式为裸露的未利用地类型,土壤风力侵蚀也几乎全部发生在这一范围。在西北地区的山地,由于受垂直地带性规律的影响,随着海拔增高,山地迎风坡降雨量相对增大,植被覆盖度增大,相应地土壤风力侵蚀程度降低。在新疆的天山和阿尔泰山部分地区几乎不存在风力侵蚀。2.4土壤的风蚀速率和土壤质地类型不同粒度的土壤颗粒具有不同的抗剪切力,粘质土壤易形成团粒结构,抗剪切能力增强,相同条件下,沙质土壤的起沙风速大于壤质土壤的起沙速率。同时砾质结构的土壤和戈壁土壤的风蚀速率小于沙地土壤的侵蚀速率。而基岩质地表的供沙率极低,对风蚀的影响不大。粘质土壤主要分布于东部季风区(图6),西南地区和东北地区也有零星分布,这与这些地区湿润的环境有关。壤质土壤的分布面积最广泛,成为主要的土壤质地类型,但其粘土含量由西北向东南呈增大趋势。沙质土壤则主要分布于沙漠地区,而砾质土壤则主要分布于西北干旱区的戈壁地带。2.5地表坡度与土壤侵蚀的关系图7显示了中国地表坡度的空间分布,高值区几乎均位于地貌上的第一阶梯与第二阶梯交界区,还有第二阶梯与第三阶梯的交界区。坡度对风力侵蚀的因素比较复杂,通过坡度值与土壤风力侵蚀遥感调查结果的对比,发现坡度越大,侵蚀程度越轻,大兴安岭至燕山山脉沿线坡度相对较陡,风力侵蚀程度较轻;天山山脉沿线和昆仑山脉沿线地表坡度很大,土壤侵蚀程度也很轻。这除了与地表土壤的组成有关外,还与地表粗糙度有关,这些地区地表破碎,地形起伏巨大,一定程度上使得土壤粗糙度增大,而土壤可蚀性随着土壤粗糙度的增大而降低,加上山体本身的垂直地带性特征,使高大且陡峭地区的风力侵蚀程度整体变弱。2.6风力侵蚀动力指数swidi当植被指数最大时,例如在森林、高覆盖度草原、作物生长旺季的农田,很少会有土壤表层的颗粒被风力侵蚀搬运;当风场强度很弱时,也不存在风力侵蚀;同样,当土壤湿度很大时,土壤颗粒团成块状,不发生风力的侵蚀过程。土壤质地和地表坡度也对风力侵蚀有明显的影响。主成份分析方法可以提取少数几个不相关的综合性指标而保持其原指标所提供的大量信息。利用主成份分析方法对风场强度、干燥度、植被指数、土壤质地和地表坡度这5个指标进行分析驱动土壤风力侵蚀的多因子信息。以风场强度、干燥度、植被指数、土壤质地和地表坡度这5个指标为变量,利用以下公式(2-3)进行标准化处理:yi=xi-ˉxs(i=1,2,⋯,n)(2-3)yi=xi−x¯s(i=1,2,⋯,n)(2−3)式中=1n∑ni=1xi;s=1n-1∑ni=1(xi-)2在标准化后数据的基础上建立各变量的查关系数据阵,R=(ri‚j)p*p(2-4)后再计算矩阵R的特征根λ1≥λ2≥…≥λm及相应的单位特征向量,α1=[δ11δ21⋯δp1]‚α2=[δ12δ22⋯δp2]‚⋯‚αp=[δ1pδ2p⋯δpp](2-5)将特征向量作线性组合,如公式(2-6)所示Fi=α1iX1+α2iX2+⋯+αpp1Xpi=1‚⋯‚p(2-6)在输出的m个主成份后,依据公式(2-5)进行综合指数的计算Y=α1Y1+α2Y2+⋯+αmYm(2-7)式中Yi为第i个主成份,αi为第i个特征向量,计算方法如公式(2-8)所示αi=λi/m∑i=1λi(2-8)将风力强度指数、干燥度、植被指数、土壤质地和地表坡度5个指标的值代入计算并提取它们的主成份。并根据特征向量计算每个主成份的权重值,输出综合评价指数(图8)。这5个指标所提取的风力侵蚀信息代表可能发生的侵蚀强度,而不代表正在发生的侵蚀强度。可以将其定义为风力侵蚀指数以指示风力侵蚀的动力强度SWEDI(SoilWindErosionDynamicIndex)。从全国来看,SWEDI大致以400mm降水线为界,可以分出东部区和西部区。西部为干旱与半干旱区,SWEDI值介于0.8～1.3之间,东部区主要为湿润区,SWEDI值小于0.8。这与土壤风蚀的遥感调查结果是一致的。东部地区的风场强度指数和干燥度均较低,植被指数值高,土壤质地以壤质为主。粘土含量相对于西部区较大,加上地表坡度变化幅度较小,使得土壤风蚀能力大大减弱。西部地区地表干燥,植被覆盖率低,加上风力强度指数高,使得SWEDI值普遍较高。沿西北至东南方向过渡,SWEDI值降低,这与风速指数、干燥指数和植被指数所反映的规律一致。在高SWEDI值的西部区与低值的东部区存在土壤风力侵蚀动力指数的过渡带。此区内的风速有所降低,湿润度有所增加,但此区也受人类活动影响较大,大量草地和林地被开辟为耕地或发生沙漠化和荒漠化,冬季和早春的植被覆盖率反而下降,土壤风力侵蚀动力指数增大。表现在浑善达克沙地、毛乌素沙地、腾格里沙漠等处于农牧交错带沙漠化土地面积扩大的速度增大。土壤侵蚀遥感调查结果也显示了这一特征,西北干旱区内主要为强度风力侵蚀,东南湿润区不发生风力侵蚀,而在半干旱半湿润区,风力侵蚀强度为中度至轻度侵蚀。在西北干旱区,SWEDI主要受干燥度、植被指数和风速的影响。该区降雨量少且集中于夏秋季,冬季和春季降雨稀少,不利于植被生长,地表裸露,加上冬春季节多大风天气,风力侵蚀程度剧烈。SWEDI值介于1.1～1.3的区域几乎均分布在西北地区。SWEDI高值区分布于新疆东部、北部和南部,内蒙西部、甘肃西北部、青海西北部,陕西和宁夏北部。特别是沙漠地区,植被覆盖度极低,降水稀少,地表十分干燥,土壤质地为沙质,风力侵蚀强度为强烈、极强烈至剧烈侵蚀等级。如北疆的古尔班通古特沙漠、南疆的塔克拉玛干沙漠、内蒙西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等,SWEDI的极值区也大部分分布在这里。此外,新疆东部、甘肃西部和内蒙西部以及西北地区山前冲积洪积扇边缘的戈壁也成为SWEDI的高值区,这些地区的土壤侵蚀强度属于极强烈至剧烈侵蚀等级。西北地区的高大山体受垂直地带性规律影响,风蚀强度存在不同程度的减弱现象,天山南北麓,祁连山区,贺兰山东坡,阴山南麓等地区SWEDI值均明显降低。在西北干旱区的绿洲地区,植被覆盖度大,加上人工灌溉和地下水资源相对较丰富使土壤含水量较高,SWEDI值比邻区高。但在陕甘宁所处的黄土高原区,冬春季节耕地裸露,加上此时土壤干燥,风力加强,SWEDI值也明显高于东部湿润区。在内蒙温带半湿润、半干旱区,包括内蒙中部、东部和北部。SWEDI值主要受风速影响。该区的降雨量较大,大部分地区年降水量介于200～500mm之间,科尔芯沙地的部分地区甚至有800mm的年降雨量,植被指数也相对于西北干旱区大,但此区风场强度大,加上不合理的土地利用,毁草、毁林、开荒等人为扩大耕地面积,使地表在春季和冬季裸露,风蚀程度变强。过渡放牧,使植被覆盖降低,同时也使土壤表层的机械结构遭到破坏,风蚀程度加深。在青藏高原区,SWEDI主要受地表干燥度和地表覆盖状况影响。虽然高原区风场强度很大,但由于大风多发生于冬季和春季,此时受海拔影响地表温度极低,土壤水分处于固结状态,冻土分布广泛,还分布有大片的永冻层,土壤固结,不易被风蚀;加上部分地区为雪所覆盖,减轻了对其下覆土壤的侵蚀。高原东部植被和降水条件较好,SWEDI值低,高原北部和西部降水较少,土壤较为干燥,SWEDI值相对较高。在华北地区,SWEDI主要受土壤干燥度和植被指数影响。此区降雨量介于400～800mm之间,但该区降水变率大,且春季和冬季降雨少,此时植被指数相当低,而风场相对夏秋季较强,SWEDI也出现了较高值。特别是由于水资源供求矛盾上升使地下水开采严重,地下水水位下降,土壤干燥度增加,而大面积的耕作又使土壤机械结构改变,土壤抗蚀能力减弱。在冬季和春季,来自北方的冷空气南侵,产生大风天气,浮尘、扬沙和沙尘暴天气发生频率较高,成为沙漠化发生地区。在东北地区,SWEDI值很低。这与此区的相对高湿润度和高植被指数有关,虽然部分地区有较强的风场强度,但SWEDI值仍然很低。但是,在东北地区南部的辽河流域和靠近科尔芯沙地地区,由于水资源的紧张和过渡