融合地表参数与风场模拟的草地景观系统风蚀定量评价：以锡林郭勒草原为例

In order to get deeper understanding on wind erosion at landscape scale in the Xilingele grassland, overlay analysis based on Geographical Information System (GIS) is employed to identify the wind erosion units and their spatial pattern in the Xilingele grassland, and wind velocities, wind directions, dust transport and deposition are monitored at field in different wind erosion units of the landscape system. Surface soil samples and undisturbed soil samples are collected in each wind erosion unit. Soil physical and chemical properties are measured in laboratory, and soil erodibility of each wind erosion unit is calculated. Threshold wind velocity for wind erosion of each wind erosion unit is measured by wind tunnel experiments on undisturbed soil samples. Then, three dimensional wind fields under different wind strength are simulated by Computational Fluid Dynamics (CFD) model, and the simulated wind fields are integrated with the land surface parameters such as soil erodibility and threshold wind velocity. Wind erosion risk and wind erosion potential are calculated. Quantitative evaluation in the Xilingele grassland landscape system is then achieved, and the wind erosion process and spatial pattern are understood.

为了进一步对锡林郭勒草原进行景观尺度的风蚀研究，采用地理信息系统（GIS）叠加分析解析锡林郭勒草地景观系统的风蚀单元及其空间格局，对景观系统及各风蚀单元的风速风向及输沙、尘降进行野外监测。在野外采集各风蚀单元表层土样和原状土样，在实验室对土壤理化性质进行测定，计算各风蚀单元的土壤可蚀性，采用对原状土样室内风洞试验的方法测定各风蚀单元的临界侵蚀风速。然后采用计算流体力学（CFD）模拟的方法对景观系统进行不同风强情景的三维风场模拟，并将模拟风场结果与各风蚀单元的土壤可蚀性与临界侵蚀风速等地表参数相结合，计算各风蚀单元的风蚀危险度和风蚀潜力，从而实现锡林郭勒草地景观系统土壤风蚀的定量评价，并了解景观系统的风蚀过程与空间格局。

土壤风蚀是干旱与半干旱地区最严重的环境问题之一，会导致土壤结构破坏、土地沙化和沙尘暴等土地退化后果。以锡林郭勒草原等为代表的我国北方农牧交错带处在典型的干旱和半干旱地区，是我国北方沙尘暴的主要路径和加强源地之一，有效抑制沙漠化的发生和发展是该区域亟待解决的问题。本项目以锡林郭勒草原为例，结合地表风蚀参数与风场模拟对景观尺度的风蚀问题进行了充分的研究。项目执行三年来，按照项目计划顺利开展，成功取得了预期的研究目标。本项目基于野外调查与遥感、地理信息系统，建立了可靠的地表风蚀参数数据库，分析了各参数与风蚀过程的关系，运用专家经验法对景观系统的风蚀危险性进行了评价，得到风蚀危险性空间分布图，并将地表风蚀参数与风场模拟数据融合，得到更加优化的评价结果。研究发现，锡林郭勒草原土壤容重呈现中等空间变异性；容重随地形变化在轻牧区表现为迎风坡>背风坡>平地，而在中牧和重牧区的变化与之相反，且海拔与容重呈负相关性；在同样地形条件下，不同土地利用容重变化规律为：重牧区>耕地>中牧区>轻牧区>禁牧区。研究区土地利用类型是影响容重最主要的因素，容重与风蚀速率呈现明显的负相关性。土壤粒径分形维数越小，土壤质地越粗，分形维数与小于0.05mm的细颗粒呈显著正相关关系，与大于0.05mm的粗颗粒呈显著负相关关系。分形维数越大，风蚀危险性越低，分形维数越小，风蚀危险性越高。研究区风蚀危险性具有明显的空间差异，轻险型、危险型和强险型区域的面积占研究区总面积的比例分别为68.7 %、20.3 %和11.0 %。影响风蚀危险性的主要因素是人类活动，为降低土壤风蚀危险性，应减小人类活动对环境的影响，对牧地建议降低放牧强度，对耕地建议采取保护性耕作措施。结合地表参数与风场模拟数据综合分析是对景观尺度风蚀评价与研究的有效方法，可推广运用至其他地区。