风沙治理工程综合效益分析——以敦煌黑山嘴风沙口为例_潘加朋.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023潘加朋，张克存，安志山，等.风沙治理工程综合效益分析以敦煌黑山嘴风沙口为例 J.中国沙漠，2023，43（2）：233-242.风沙治理工程综合效益分析以敦煌黑山嘴风沙口为例潘加朋1，2，张克存1，安志山1，张宏雪1，2，薛承杰1，2（1.中国科学院西北生态环境资源研究院 敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站/沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）摘要：通过对敦煌黑山嘴风沙工程治理区和未治理区近地表风动力环境与土壤理化性质对比分析，研究了风沙治理工程下黑山嘴的防风固沙与土壤改良的综合效益，为今后该区域近地表风沙动力过程的深入研究和风沙灾害综合治理提供了借鉴。结果表明：相较于未治理区，敦煌黑山嘴工程治理区的平均风速、起沙风频率均明显降低，输沙强度减小，年输沙势降低85%，大风天气减少；工程治理区土壤各养分及水盐含量也在一定深度明显增加，全氮、全磷、全钾含量在5 cm土层深度增长率分别达到了322.5%、49.3%、15.1%，全氮、易溶盐对其他组分影响增大，土壤肥力显著提升；两区域土壤电导率与易溶盐含量变化趋势相同，但工程治理区两者含量在土壤表层明显增加，应警惕发生地表盐渍化。关键词：风沙治理工程；敦煌；起沙风；输沙势；土壤理化性质文章编号：1000-694X（2023）02-233-10 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00145 中图分类号：X43 文献标志码：A0 引言 风沙灾害一般指由风沙运动导致，以风蚀、风积、沙埋等表现形式为主，对作物、植被、生态环境等造成严重危害的现象1-2。近年来，伴随着全球气候变化及人类对水土资源的不合理利用，中国的风沙灾害已日趋严重，对当地的生存环境与社会经济发展造成了严重的影响3-6。特别是在中国的西北地区，风沙灾害引起的植被退化、水资源短缺、作物减产、交通安全等一系列问题日益凸显，严重危害当地人民的生存与生产。因此，实施有效的风沙治理工程措施刻不容缓7-10。随着近些年相关研究的深入，各地实施了大量的风沙治理工程，取得了显著的成效，对风沙灾害严重的地区进行综合治理和效益评价已成为当前研究的热点11-12。受风沙严重危害地区的综合治理主要是通过对当地进行实地调查，判断其风沙危害类型及程度，从而因地制宜地采取多种工程措施相结合的方法进行综合治理13。由于综合治理成效显著，许多学者对研究区生态系统结构、土地利用变化、土壤风蚀状况等方面进行了详尽的评估，并深入研究了综合防治方案、工程措施选择以及防治后的生态效益评价14-15。但到目前为止，对风沙综合治理工程进行完整的综合效益对比分析相对较少。以往的研究主要针对风沙综合治理工程的具体措施及单一的效益进行评价，缺少代表性，不能全面地体现治理工程的综合效益。基于此，本文通过对敦煌沙漠外围工程治理区及其边缘的未治理区的防风固沙、土壤改良综合效益进行对比分析，旨在为该区风沙灾害防治提供基础数据与技术支撑，同时为风沙治理工程的综合效益对比分析提供借鉴，完善风沙防护工程效益评价模式。1 研究方法 1.1研究区概况敦煌位于中国西北部地区，地处河西走廊的最收稿日期：20221012；改回日期：20221212资助项目：国家重点研发计划项目（2020YFA0608403-1）；国家自然科学基金项目（42171083，41871016）作者简介：潘加朋（1999），男，山西忻州人，硕士研究生，主要从事风沙灾害与防沙工程研究。E-mail：通信作者：张克存（E-mail：）中国沙漠第 43 卷西端。属典型的大陆性干旱气候区，气候干旱少雨，日照时间长、蒸发量大，昼夜温差大，夏季炎热、冬季寒冷。年均降水量不足 40 mm，一般集中在68 月，约占全年总量的 62%，年均蒸发量高达2 488 mm。境内大风和沙尘天气频繁，常年以东风与西北风为主，49月东风与东北风为主导风向，其余各月以西风与西北风为主，大风天气频繁，全年出现1520次8级以上大风天气，风力最高可达11级。研究区内主要植物有梭梭（Haloxylon ammodendron）、柠条（Caragana korshinskii）、白刺（Nitraria tangutorum）、花棒（Hedysarum scoparium）、红柳（Tamarix chinensis）等。本文选择敦煌绿洲西侧的黑山嘴风沙口综合治理区（4004 6.3341 N、9435 4.1857 E，图 1）及其边缘流沙地作为本次研究的试验区。黑山嘴风沙口综合治理区地表以流沙为主，地下水埋深丰水期为8.26 m，枯水期为9.94 m16。自2014年起，在该区设置了高密度聚乙烯（HDPE）半隐蔽式沙障、阻沙栅栏并种植了大量的人工植被。在区域以北设置6道60 cm高度的阻沙栅栏，中间空白带宽 18.0 m 并在其中种植骆驼刺（Alhagi sparsifolia），南侧流动沙丘设置 HDPE半隐蔽式沙障并在中部平坦流沙地种植梭梭。研究区域植被类型以人工种植的梭梭为主，其初始种植株行距为 3 m4 m，在栽植当年和第二年采用人工灌溉的方式浇灌两次，之后依靠天然降水。天然植被有白刺、沙拐 枣（Calligonum mongolicum）等，但 数 量 相 对较少。1.2研究方法1.2.1风况数据测定及计算方法在黑山嘴风沙口综合治理区及其边缘流沙地内布设了HOBO公司所生产的便携式气象站，用于观测黑山嘴治理区、未治理区的气温、湿度、降水量、风速与风向等气象数据。便携式气象站架设在距地面 2.0 m的高度，数据采集间隔为 10 min。输沙势（drift potential，简称DP）表示潜在最大输沙量，是判断研究区一定时间内风沙活动强度的一个重要指标17-19。本文通过Fryberger20提出的公式进行计算：DP=V2(V-Vt)t式中：DP为输沙势，单位为VU；V为2 m高度起沙风风速；Vt为起沙风风速临界值；t为起沙风持续时间，一般采用频率进行计算。通过对该区域的研究与相关地表研究区的分析，为保证实验结果真实可靠，本文将临界起沙风风速定为5 m s-1 21-22。1.2.2土壤理化性质测定方法分别对黑山嘴风沙口综合治理区不同区域的土壤进行取样，黑山嘴工程治理区的取样点位于HDPE半隐蔽沙障之间，周边骆驼刺长势良好，流沙区取样点为治理区边缘流沙地，地表无植被覆盖。分别采集2、5、10、20、40 cm深度土壤，测定N、P、K、有机质、含水量等，揭示风沙治理工程区与未治理区土壤理化性质的差异。土壤理化主要指标的具体测定方法为：含水量采用烘干法进行测定；易溶盐含量采用水液平衡法测定；有机质采用重铬酸钾氧化-滴定法测定；全氮采用浓硫酸氧化-凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠碱熔-原子吸收分光光度法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提比色法测定；水解性氮采用碱解-扩散法图1研究区概况Fig.1Overview of the studied area234第 2 期潘加朋等：风沙治理工程综合效益分析以敦煌黑山嘴风沙口为例测定；速效磷采用乙酸浸提-原子吸收分光光度法测定。2 结果与分析 2.1防风固沙效益2.1.1平均风速黑山嘴工程治理区与未治理区在同一时段内季节与月平均风速差异较为明显，未治理区季节与月平均风速均大于工程治理区，但其变化趋势大致相同（图2）。16月，未治理区月平均风速逐渐增加，在6月达到最大值3.83 m s-1，之后风速明显减小，在8月与11月略有增加，随后在1月达到最小值2.25 m s-1；工程治理区的月平均风速在16月同样呈现递增的趋势，但在5月略有减小，6月达到最大值2.31 m s-1，随后风速呈持续下降趋势，在8月与12月稍有增加，但变化幅度均不超过0.2 m s-1，随后在1月达到最小值1.03 m s-1。与未治理区相比，工程治理区人工植被的种植大大削弱了风速，两者最大风速差达到了1.8 m s-1。与月平均风速相类似，工程治理区各季节平均风速均小于未治理区，差异明显。秋季两者风速差已达到了1.42 m s-1。2.1.2起沙风起沙风直接决定了风沙运移能力的大小，对评判一个区域的风况起着举足轻重的作用。黑山嘴未治理区全年起沙风达10 633次，起沙风频率高达21.30%；工程治理区全年起沙风为2 555次，起沙风频率不到未治理区的1/4，仅为5.13%（图3）。未治理区全年起沙风以NE、SE为主，分别占全年起沙风总数的 11.81%和 14.61%，其余主要风向起沙风差异不大；工程治理区全年起沙风以NE、SW、WSW、SE、SSE 为主，分别占全年起沙风总数的 17.81%、16.87%、17.14%、12.05%与 13.74%，这些风向的起沙风占到了工程治理区全年起沙风75%以上。与未治理区相比，由于植被种植以及沙障的铺设，工程治理区全年 10 m s-1以上的起沙风频率大大降低，在 NE、SE方向 8 m s-1以上的起沙风几乎为0，其余各风向风速较大的起沙风频率也均明显减小。从起沙风频率季节分布来看，工程治理区与未治理区的起沙风均方向多变且起沙风频率差异较大。未治理区春、夏季主导风向均以NE为主，起沙风频率分别为3.93%和3.77%，除NE外，春季SE风向的起沙风频率与夏季NNE、WSW风向频率也较高，分别为5.39%、3.31%和3.58%，秋季与冬季起沙风分别以ENE与SE为主，为4.46%与4.38%。由此可见，未治理区秋冬两季风向单一，起沙风频率低，风沙活动强度小且集中在春夏两季。工程治理区春季起沙风风向多变，主导风向为 NE、SE、SSE与WSW，起沙风频率分别为 1.14%、1.26%、0.99%和1.06%，夏季、冬季主导风向分别为NE、SW，起沙风频率分别为1.95%与1.51%，秋季则以SE和SSE为主，起沙风频率分别为 0.47%和 0.45%。与春季相比，夏、秋、冬季风向单一，起沙风主要集中在春季。相较于未治理区，工程治理区四季的风向发生了很大的改变：主导风向的频率甚至出现2倍以上的减小，起沙风频次明显减少。在进行综合治理后，工程治理区的大风天气明显减少，风沙灾害得到了一定的控制。图2黑山嘴季节及月平均风速Fig.2Seasonal and monthly mean wind speeds in Heishanzui235中国沙漠第 43 卷2.1.3输沙势依据风能环境标准17，黑山嘴未治理区与工程治理区均属于低风能环境，其年输沙势分别为129.39 VU 和 20.06 VU，均小于 200 VU（图 4）。未治理区风向变率为0.24，属于小比率，这表明未治理区年输沙势方向多变，年输沙势在NE、SE与WSW方向上较大，占到了全年输沙势的47.42%，近乎全年输沙势的一半，年合成输沙势方向及大小分别为322.90、31.59 VU；工程治理区风向变率为0.44，属于中比率，年输沙势主要在WSW方向，年合成输沙势方向及大小分别为0.46、8.78 VU。工程治理区的输沙强度明显降低，其年输沙势相较于未治理区降低了近85%。从输沙势季节分布来看，未治理区夏季输沙势最高，为50.7 VU，秋冬两季输沙势较小，均不足20 VU；工程治理区春季输沙势最高，但仅有9.26 VU，比未治理区四季的最低输沙势还要低 1.23 VU，秋季工程治理区输沙势最小，为1.32 VU。未治理区四季风向变率基本上都属于小比率，输沙势方向多变，输沙环境较为复杂，其春、夏、秋季主要输沙方向为ESSE，而冬季NENE方向的输沙势明显降低，主要输沙方向也偏转到 SSSW；工程治理区春、秋季的主要输沙方向为SSESSW，冬季主要输沙方向为SSWSW，偏转幅度较小。相较于未治理区，工程治理区输沙情况随季节变化较小，但依然存在季节性波动，主要受到春季SW方向风沙的威胁。为