第20卷第2期水土保持学报
V ol. 20N o. 2
科尔沁沙地不同风沙土的风蚀特征¹
移小勇1, 赵哈林1, 李玉霖1, 李玉强1, 付 朝2
(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃兰州730000; 2. 兰州市气象局, 甘肃兰州730000)
摘要:通过风洞实验, 研究了科尔沁沙地两种典型风沙土的风蚀特征。流动沙丘土样和农田土样的风蚀率随风速
的增加均呈幂函数关系增长。风干的农田土样在风速3. 7m /s 时开始出现风蚀现象, 但流沙土样的临界起沙风速
是4. 3m/s 。在低风速段, 农田土样的风蚀率大于流沙土样, 但当风速增加到大约5. 7m/s 以上时, 流沙土样的风
蚀率开始大于农田土样, 并且差值随风速的增加而加大。两种土样的风蚀率随土样含水率的增加呈负幂函数关系
迅速减小, 但流沙土样风蚀率的减小要比农田土样更迅速。流沙土样的临界起沙风速随含水量的增加呈线性关系
增长, 而农田土样的临界起沙风速随含水量的增加呈二次幂函数关系增长。两种风沙土在风蚀特征方面的差异,
主要是由质地不同引起的。增加土壤含水量, 是本地区风季减小风蚀的有效方法。
关键词:风沙土; 风蚀; 便携式风洞; 科尔沁沙地
中图分类号:S157. 1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2006) 02-0010-04
Wind Erosion Characteristics of Aeolian Soils in Horqin Sandy Land
11112YI Xiao -y ong , ZHAO Ha -lin , LI Yu -lin , LI Yu -qiang , FU Zhao
(1. Cold and A r id Regions Envir onment and E ngineer ing Research I nstitute , Chinese A cademy of Sciences , L anz hou 730000;
2. L anz hou M eteorological Bur eau , L anz hou 730000)
Abstract :Erosion characteristics of tw o kinds of ty pical aeolian soils in Horqin Sandy Land were studied using portable wind tunnel . Results show that soil loss rates of flow ing sand and farmland samples increase in pow er function with increasing of w ind velocity. T he threshold w ind velocity of air-dried farm land sample is about 3. 7m/s, while the velocity of flow ing sand is about 4. 3m/s. T he soil loss rate of farmland sample is larg er than flow ing sand sam ple in a range of a low er w ind velocity, but soil loss rate of flow ing sand sample is larger than that of farm land sample w hen wind velocity is m ore than 5. 7m /s . In addition , the difference betw een the soil loss rates increases w ith increasing of w ind velocity . Soil loss rate decreases in power function with increasing of soil w ater moisture. Anyw ay , loss rate of flow ing sandy sample decreases more rapidly than that of farmland sam ple. Threshold w ind velocity of flow ing sand sam ple linearly increases w ith increasing of soil water m oisture, w hile the velocity of farm land sample increases in quadratic equation with increasing of soil m oisture. The difference of w ind erosion characteristics of the soils is attributed to different properties of the soils . Increasing of soil w ater moisture can efficiently decrease wind erosion in the region in erosion duration.
Key words :aeolian soil; w ind erosion; portable wind tunnel; Horqin Sandy Land
风蚀, 是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质而使土壤颗粒发生位移, 造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程。Bag nold 在最早提出的风沙输移模型中认为, 风蚀率与粒径的平方根成正比, 并推断, 粒度分布范围较广的沙物质比均匀沙易于风蚀。Chepil 通过风洞实验, 将土壤颗粒组分按其抗风蚀性的差异划分为3类, 粒径大于0. 84mm 为不可蚀因子, 0. 42～0. 84mm 为半可蚀因子, 小于0. 42mm 者为高度可蚀因子。董治宝等用风洞对不同粒度风成沙的临界起沙风速和风蚀率进行了研究, 结果表明, 风成沙的风蚀可蚀性随粒度的变化服从分段函数。在相当粒径的条件下, 混合沙粒较均匀粒径者易风蚀。风成沙的风蚀强度与实际作用风速/启动风速密切相关。
土壤风蚀是导致土地沙漠化的主要原因和首要环节。风蚀活动使土壤有机质被吹失, 土壤肥力下降, 导致土地粗化, 保水、保肥能力降低, 生产力下降[2]。影响土壤风蚀的原因是多方面的, 就土壤因素来说, 不同组分、粒径组成、团粒结构、含水率等的土壤, 对风蚀的响应是不同的。而对处于农牧交错带科尔沁沙地的两种主要风
¹[1]收稿日期:2005-08-28:(; (:, , :
第2期移小勇等:科尔沁沙地不同风沙土的风蚀特征11沙土耕作农田和流沙地的土壤来说, 其风蚀特性也有差异[3, 4]。但目前对这两种风沙土风蚀特征的认识并不完全一致[5, 6], 其原因主要在于观察者或者只着眼于土壤临界起沙风速的不同, 要么只注意到了风蚀速率对风速的响应。本文结合土壤含水量, 通过对科尔沁沙地两种典型风沙土的风蚀特征所进行的对比研究, 探讨了不同风沙土的风蚀特性, 并对导致其不同风蚀结果的原因进行了分析。
1 实验方法
1. 1 试验用风洞的特征
本次实验是在便携式风洞内进行的。风洞由稳压器、风速调控装置、轴流风机、整流网、实验段和风速测量装置等组成。风洞内风速由变频器控制电机转速进行调控, 实验段分为3部分, 每段长1m, 宽、高均为0. 5m, 样本放置在风洞出口附近, 在风机出口和实验段末尾安装整流纱网, 与平铺在实验段底部起阻尼作用的尼龙毯配合来控制风速廓线, 使之与自然风状况下的风速廓线相近。使用QY -200型倾斜压力计和S 型皮托管测定动压, 根据柏努利方程, 计算当前环境下的风速值。
1. 2 土样选取
科尔沁沙地属温带大陆性半干旱气候, 地貌以平缓起伏的沙丘为主, 流动沙丘、沙质草甸和耕地相间分布。实验土样取自科尔沁沙地的奈曼旗境内。该区地带性土壤主要是沙质栗钙土, 遭风蚀活动破坏后退化为风沙土, 沙土基质分布广泛, 有机质含量低, 结构松散, 抗风蚀能力弱。流动沙丘土样取自无植被覆盖的流动沙丘, 农田土样来自耕地。虽然两种土样均属风沙土, 但在粒径组成上却有较大的不同。其粒径组成见表1。
表1 土样粒径组成1. 3 实验方法
1. 3. 1 土样处理 将测试土样先
在室外阳光下进行风干, 实验前用
烘干法测定其含水量, 然后在不同
风速下对风干土壤样本进行吹蚀实
验。根据所测含水量, 按实验要求加土样来源流动沙丘农 田中砂粒>0. 2522. 543. 66细砂粒粒 径(mm) 极细砂粒粉 粒粘粒% 盐酸洗失量0. 292. 280. 25～0. 100. 10～0. 050. 05～0. 020. 02～0. 002
入所需水量, 配置不同含水量的实验用土, 搅拌后装入塑料袋中, 放置24h, 其间不定时翻动塑料袋, 使水分均匀地与土样结合, 达到与自然状况下的物理结构相近似的目的。实验前, 再测定土样的实际含水量, 对不同含水量的土样进行吹蚀实验。
实验时将2种土样分别装入长40cm, 宽20cm , 高5cm 的沙盘, 并排放置在风洞内进行吹蚀实验, 以样本上方25cm 高处的风速作为代表性风速。
1. 3. 2 临界起沙风速与风蚀量的测定 测定临界起沙风速时, 按照M usick 和Trujillo 的实验方法[7], 在土样后放置一条白色的胶带, 当观察到胶带上有吹蚀掉的颗粒物存在时, 记录动压值, 换算为临界起沙风速。
风蚀量由吹蚀前后沙盘中土样的质量差确定, 沙盘用1/100g 感量的天平称量。根据沙盘面积换算为每1每1m 2的数值(风蚀率) 。吹蚀时间随风速的增加依次递减, 以保证风蚀过程的一致性。min 、
2 结 果
2. 1 风干土样的风蚀率特征
风蚀率的大小受很多因素的影响, 而对土壤
来说, 最直接和常见的是土壤水分的变化。在科
尔沁沙地, 风蚀现象主要发生在春季。这个时期
由于降水稀少, 表层土壤已完全解冻, 处在风干
状态下, 因此, 分析风干状态下土样风蚀率随风
速的变化非常重要。
流沙土样的实测含水率为0. 91%, 农田土
样的含水率为1. 41%。从图1中可以看出, 在风
干状态下, 2种土样的风蚀率随风速的增加均呈
幂函数关系增长, 单位风速增加引起的风蚀率的
增加值随着风速的增大而迅速增加。农田土样在, 图1 风干土样风蚀率随风速的变化
12水土保持学报第20卷风蚀率要大于流沙土样, 但其差异随着风速的增加而逐渐减小。当风速增加至6. 1m /s 附近时, 流沙土样的风蚀率已经大于农田土样, 并且其差值也随着风速的增大而增加。因此, 从风蚀率的角度来说, 流沙土样在低风速段时的可蚀性要小于农田土样, 而在高风速时
要比农田土样更易风蚀。
2. 2 不同含水量情况下的风蚀率特征
在风速为8m/s(中心25cm 高处) 的净风
吹蚀下, 两种土样的风蚀量均随含水量的增加
而减小, 呈负幂函数关系。在风蚀量随含水量
减小的过程中, 起初随着含水量的增加, 风蚀
量急剧减小, 这种减小的幅度会随着土样含水
率的增加而变小, 到土样含水率达到近饱和
时, 风蚀量的减小已经很不明显, 从图2中可以
看出, 曲线已变得比较平直。
虽然2种土样的风蚀量随含水率的变化具图2 不同含水量情况下的风蚀率
有相同的趋势, 但2种土样又有各自不同的特
点。首先是流沙土样对含水率的响应要更敏感一些, 在开始时少许的水分增加, 所引起风蚀量的减小要比农田土样更大; 二是流沙土样在含水率2%附近时, 风蚀量已减小到一个很低的程度, 由含水率0. 91%时的7. 17kg/(m ・min) 减小到含水率2. 04%时的0. 22kg /(m ・m in) , 减小了97. 0%; 农田土样的这一转折点在含水率4%附近, 风蚀量由含水率1. 41%时的5. 22kg /(m 2・min ) 减小到3. 83%时的0. 26kg /(m 2・min ) , 减小了94. 9%; 三是2种土样在同一含水量情况下的风蚀量不同, 耕地土样的风蚀量要大于流沙土样, 但随着含水量的增加, 其差异会趋于缩小。
2. 3 不同含水量情况临界起沙风速的变化特征
临界起沙风速也是反映土壤风蚀性的一个重要指标。临界起沙风速高, 说明土壤不易风蚀; 临界起沙风速低, 则表明土壤易受风力侵蚀。临界起沙风速的大小不仅与土壤质地有关, 不同的土壤含水量, 也会对临界起沙风速产生不同的影响。从图3中可以看出, 土样在风干状态下, 农田土样(含水量1. 41%) 的临界起沙风速为
3. 7m /s , 而流沙土样(含水量0. 91%) 的临界起沙风速是4. 3m /s 。因此, 就临界起沙风速来说, 土样在风干状态下, 农田土样要比流沙土样更易风蚀。在相同含水量情况下, 流沙土样的临界起沙风速要明显高于农田土样。流沙土样的临界起沙风速随土样含水量的增加呈线性关系增加, 而农田土样的临界起沙风速随含水量的增加呈二次函数关系增加, 含水量对流沙土样临界起沙风速的影响要比农田土样大。
土壤含水量的增加增强了土壤颗粒之间的结合力, 提高了临界起沙风速, 从而增
强了土壤的抗风蚀能力。22
3 结论与讨论
关于风蚀量与风速之间的关系, 拜格诺首次
提出沙通量与风速的3次方成正比, 但拜格诺并
未在公式中给出具体的系数值, 其原因可能是该
系数与多种因素有关, 并不稳定。因此, 要确定沙
通量与风速关系中的系数值, 必须要通过对所在
地区的风沙环境进行大量的观察和研究才能得
到。目前风蚀研究中所用风蚀率的单位是单位时
间和单位面积内因受风力侵蚀所导致的土壤质量
的损失, 因此, 现在关于风蚀率和风速之间相关关
系的表达式, 与以前的结果可能并不完全一致。由于受实验条件的不同和被测试土样质地差异的影响, 特别是实验室的风洞环境与野外的自然环境毕竟有差异。因此, 对于两者之间的关系所建立的表达式也有差异, 但都表现为风蚀率随风速的增加呈几何级数增长, 对应的回归方程为幂函数关系或指数关系
[5][8, 9]图3 临界起沙风速与土样含水率的关系。风力对土壤表面的侵蚀过程, 实际上是一个能量转化的过程。风具有一定的动能, 大小与风速的平方成,
式, 即蠕移、跃移和悬移, 也就是说运动的土壤颗粒因此具有了动能和势能, 同时由于土壤颗粒之间的相互碰撞和与空气的摩擦, 而因此会有热能的增加。由于湍流的影响和土壤颗粒运动过程的复杂性, 期间能量相互转换的过程也非常复杂, 特别是期间的数量关系变化。但无论如何, 一切都起因于风的动能传递, 因此可能是这种机制导致了风蚀量与风速之间的幂函数关系。我们发现, 对于不同的土样, 回归分析中的系数也不尽相同, 原因在于不同条件的土样, 风蚀率对风速的响应不同[1]。
虽然农田土样和流沙土样的风蚀率均随着风速的增加呈幂函数关系增长, 但也存在着明显的不同。首先是土壤在风干状态下, 农田土样在风速约3. 7m/s 时开始有风蚀现象发生, 但流沙土样的临界起沙风速是4. 3m/s 。起初随着风速的增加, 农田土样的风蚀率要大于流动沙丘土样。但随着风速的继续增加, 流沙土样的风蚀率反过来又大于农田土样。这一转折点可以通过求解两条回归方程相等时的X 值来得到, 通过计算, 这两条曲线的交叉点大约在风速5. 7m/s 附近。同时也可以发现, 风蚀率的增加对风速的响应在较低风速段表现得并不很敏感, 但随着风速的逐渐增加, 风蚀率增加迅速。并且两种土样风蚀率的差值也随着风速的增加而加大。两种土样在风蚀率方面所表现出来的差异, 主要是两种土样的质地不同所决定的。按照董治宝等对不同粒度特征风成沙可蚀性的研究,
流沙土壤与农田土壤在临界起沙风速方面所表现出来的差异性, 实际上也是由其土壤粒径不同决定的。据拜格诺的研究, 起动风速最小的石英砂粒的粒径为0. 08m m 左右。在我们所测试的土样中, 0. 10～0. 05mm 范围内的砂粒, 流沙土样只占总量的1. 58%。并且, 由于在流沙土样中, 较为细小的土壤颗粒通常黏附在较粗砂粒的表面, 需要受到较大的外力才能产生运动, 因而含粗粒成分较多的流沙土样, 其临界起沙风速相对较高。而农田土样0. 10～0. 05mm 范围的砂粒比例高达43. 45%, 这也说明农田土壤的临界起沙风速应该低于流沙土壤, 而我们的实验结果也与此相符。胡孟春对不同粒径土壤进行的对比实验表明, 在相同风速下, 粉砂风蚀量仅为中细砂风蚀量的1/1089[10]。我们的结果也表明, 在同样的风干情况下, 含有粉砂粒较多的农田土壤, 其风蚀量要小于含粉砂粒较少的流沙土壤。
增加土壤含水率能大大降低风蚀量。土壤风蚀量与含水率之间存在负幂函数关系, 但流沙土壤对含水量的响应要比农田土壤更敏感。流沙在含水率降到2%附近时, 风蚀量已经很小, 再增加含水量, 风蚀量已不会有明显变化, 但农田土壤的这一临界点在4%含水率附近。两种土样在不同含水量情况下所表现出的风蚀率特征的差异性, 主要也是因为2种土样的质地不同所引起的。流沙土样主要是由中砂粒和细砂粒组成, 粘粒含量很低, 而农田土样则含有更多的极细砂、粉粒和粘粒成分。这种粒径组成上的差异导致了2种土样饱和含水率的不同, 也体现在风蚀量随土样含水率变化的差别中。
土壤含水量的增加可增强土壤颗粒之间的结合力, 从而增强了土壤的抗风蚀能力。但对于土壤含水量与临界起沙风速之间的关系, 目前仍有不同的结论[11, 12]。董治宝等认为, 对于不同的风沙土, 其结论可能会有所不同, 并且可能与所选择的含水量范围有一定的关系[1]。在本次实验所确定的含水率范围内, 流沙土壤的临界起沙风速与含水率之间存在线性关系, 而农田土壤的临界起沙风速与含水率之间有二次函数关系。由于我们所选择的两种风沙土在粒径组成上有较大的差异, 因此, 我们认为主要是土壤类型决定了含水量与临界起沙风速之间的相关关系。
大风天气主要发生在冬春季节, 这个时期沙地植被稀疏, 农田地表裸露, 防风林的保护效果差, 再加上降水稀少, 土壤风蚀严重。风蚀不仅影响空气质量, 造成对环境的污染, 也使土壤有机质被吹失, 土壤肥力下降, 导致土地粗化, 保水、保肥能力降低[13]。由于冬春季节气温低, 蒸发小, 再加上地表冻结, 含水量稳定少变。因此, 适时灌溉, 增加土壤含水量, 是冬春季节防止风蚀最有效的办法之一。(下转第53页)
幅度最大, 中度石漠化区域次之, 非石漠化区域最小。各石漠化区域间草地土壤有机质、全氮以及各形态氮素差异水平不显著。然而, 由于对喀斯特石漠化区域草地土壤的研究处于尝试性阶段, 对石漠化等级的划分缺乏系统化, 且由于研究区域条件的限制, 草地土壤有机质含量、氮素含量及其组成特征能否作为区分草地喀斯特石漠化与非石漠化的指标仍需进一步研究。
(2) 在强度石漠化区域部分草地土壤有机质和氮素含量较大, 主要是由于喀斯特地区地表破碎所形成的石旮旯小地形。然而本文并不是指出在喀斯特石漠化地区所有处于石旮旯地形内的土壤有机质和氮素含量都处于较高水平。因为在喀斯特石漠化地区石旮旯地形具有多样性的特点, 其对土壤发生、土壤养分累积的作用不
一。如:山体中下部的石旮旯地形, 能够接收、保存部分由山体上部流失下来的土壤和养分, 从而更为有利于植被的生长。再如地表破碎狭窄, 在斜坡下部开口较大的石缝、石沟和石槽等喀斯特小地形则更容易形成类似沟蚀现象的侵蚀过程, 从而加大了雨水对土壤的侵蚀作用。但从总体而言, 这种破碎的石旮旯地形能够减弱雨水在下降过程中的动能, 从而在一定程度上减弱雨水对土壤的侵蚀作用。部分石旮旯地形还有利于土壤形成高水平的有机质和氮素含量, 而这种高水平的含量有利于喀斯特区域生态环境的自然恢复。但是, 石旮旯地形和区域性水热条件, 如何影响喀斯特石漠化区域草地土壤有机质和氮素的循环仍有待于进一步的研究, 从而便于确定喀斯特石漠化区域生态环境自然恢复可能性的大小, 以及自然恢复的速率。
(3) 由于在野外进行研究时区域条件难以控制, 所以我们在研究中选择了草被条件下的土壤作为研究对象, 并初步把所研究的石漠化区域分为强度和中度, 同时保证各类型土壤具有相对一致的岩性、坡度、植被类型等发育条件, 所以本研究所得结论具有一定的局限性。为了更为详尽地体现喀斯特石漠化区域土壤有机质和氮素的变异特征, 仍有待于对喀斯特石漠化区域环境特征进行细分。
参考文献:
[1] 朱震达, 崔书红. 中国南方的土地荒漠化问题[J ].中国沙漠, 1996, 16(4) :331-337.
[2] 王朝文, 张玉环. 六盘水市综合农业区划[M ]. 贵阳:贵州人民出版社, 1989. 8-31.
[3] 王朝文, 张玉环. 贵州省综合农业区划[M ]. 贵阳:贵州人民出版社, 1988. 11-46.
[4] 王瑞江, 等. 贵州六盘水石漠化的特点、成因与防治[J ].中国喀斯特, 2001, 20(3) :211-216.
[5] 熊康宁, 黎平, 周忠发, 等. 喀斯特石漠化的遥感-GIS 典型研究——以贵州为例[M ]. 北京:地质出版社, 2002.
[6] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M ].北京:中国农业科技出版社, 2000.
(上接第13页)
参考文献:
[1] 董治宝, 李振山. 风成沙粒度特征对其风蚀可蚀性的影响[J ]. 水土保持学报, 1998, 4(4) :1-5.
[2] K ennedy A C. M icr obial char act er istics of so il quality[J]. J. Soil W ater Conservation, 1995, 50, 243-248.
[3] 徐斌, 刘新民, 赵学勇. 内蒙古奈曼旗中部农田土壤风蚀及其防治[J].水土保持学报, 1993, 7(2) :75-80.
[4] 张华, 李锋瑞, 张铜会, 等. 科尔沁沙地不同下垫面风沙流结构与变异特征[J]. 水土保持学报, 2002, 16(2) :20-24.
[5] 何文清, 高旺盛, 等, 北方农牧交错带土壤风蚀沙化影响因子的风洞试验研究[J ].水土保持学报, 2004, 18(3) :1-5.
[6] 荣姣凤, 张海涛, 毛宁. 土壤风蚀量随风速的变化规律研究[J]. 干旱地区农业研究, 2004, 22(2) :149-153.
[7] M usick H B, T rujillo S M , T ruman C R. Wind t unnel mo deling o f the influence of vegetation structure on saltatio n thresho ld
[J].Ear th surface processes and L andfor ms, 1996, 21:589-605.
[8] Xiao yan L , Liany ou L , Jianhua W . W ind t unnel simulation o f aeolian sandy soil er odibility under human disturbance [J ].
G eomorpholog y, 2004, 59:3-11.
[9] Xuey ong Z, Zhoulong W , Q ing zhen H, et al. T he distribution of v elocity and ener gy of saltating sand g rains in a w ind tunnel
[J ].G eomorpholog y , 2001, 36:155-165.
[10] 胡孟春, 刘玉璋, 乌兰, 等, 科尔沁沙地土壤风蚀的风洞实验研究[J ].中国沙漠, 1991, 11(1) :22-29.
[11] Bisal F , Hsieh J. I nfluence of m oisture on erodibility of soil by wind [J]. Soil Science, 1966, 102:143-146.
[12] 董治宝, 陈渭南, 李振山, 等. 风沙土水分抗风蚀性研究[J].水土保持通报, 1996, 16(2) :17-23.
[13] 苏永中, 赵哈林, 张铜会, 等. 科尔沁沙地旱作农田土壤退化的过程和特征[J ].水土保持学报, 2002, 16, 25-28.
第20卷第2期水土保持学报
V ol. 20N o. 2
科尔沁沙地不同风沙土的风蚀特征¹
移小勇1, 赵哈林1, 李玉霖1, 李玉强1, 付 朝2
(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃兰州730000; 2. 兰州市气象局, 甘肃兰州730000)
摘要:通过风洞实验, 研究了科尔沁沙地两种典型风沙土的风蚀特征。流动沙丘土样和农田土样的风蚀率随风速
的增加均呈幂函数关系增长。风干的农田土样在风速3. 7m /s 时开始出现风蚀现象, 但流沙土样的临界起沙风速
是4. 3m/s 。在低风速段, 农田土样的风蚀率大于流沙土样, 但当风速增加到大约5. 7m/s 以上时, 流沙土样的风
蚀率开始大于农田土样, 并且差值随风速的增加而加大。两种土样的风蚀率随土样含水率的增加呈负幂函数关系
迅速减小, 但流沙土样风蚀率的减小要比农田土样更迅速。流沙土样的临界起沙风速随含水量的增加呈线性关系
增长, 而农田土样的临界起沙风速随含水量的增加呈二次幂函数关系增长。两种风沙土在风蚀特征方面的差异,
主要是由质地不同引起的。增加土壤含水量, 是本地区风季减小风蚀的有效方法。
关键词:风沙土; 风蚀; 便携式风洞; 科尔沁沙地
中图分类号:S157. 1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2006) 02-0010-04
Wind Erosion Characteristics of Aeolian Soils in Horqin Sandy Land
11112YI Xiao -y ong , ZHAO Ha -lin , LI Yu -lin , LI Yu -qiang , FU Zhao
(1. Cold and A r id Regions Envir onment and E ngineer ing Research I nstitute , Chinese A cademy of Sciences , L anz hou 730000;
2. L anz hou M eteorological Bur eau , L anz hou 730000)
Abstract :Erosion characteristics of tw o kinds of ty pical aeolian soils in Horqin Sandy Land were studied using portable wind tunnel . Results show that soil loss rates of flow ing sand and farmland samples increase in pow er function with increasing of w ind velocity. T he threshold w ind velocity of air-dried farm land sample is about 3. 7m/s, while the velocity of flow ing sand is about 4. 3m/s. T he soil loss rate of farmland sample is larg er than flow ing sand sam ple in a range of a low er w ind velocity, but soil loss rate of flow ing sand sample is larger than that of farm land sample w hen wind velocity is m ore than 5. 7m /s . In addition , the difference betw een the soil loss rates increases w ith increasing of w ind velocity . Soil loss rate decreases in power function with increasing of soil w ater moisture. Anyw ay , loss rate of flow ing sandy sample decreases more rapidly than that of farmland sam ple. Threshold w ind velocity of flow ing sand sam ple linearly increases w ith increasing of soil water m oisture, w hile the velocity of farm land sample increases in quadratic equation with increasing of soil m oisture. The difference of w ind erosion characteristics of the soils is attributed to different properties of the soils . Increasing of soil w ater moisture can efficiently decrease wind erosion in the region in erosion duration.
Key words :aeolian soil; w ind erosion; portable wind tunnel; Horqin Sandy Land
风蚀, 是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质而使土壤颗粒发生位移, 造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程。Bag nold 在最早提出的风沙输移模型中认为, 风蚀率与粒径的平方根成正比, 并推断, 粒度分布范围较广的沙物质比均匀沙易于风蚀。Chepil 通过风洞实验, 将土壤颗粒组分按其抗风蚀性的差异划分为3类, 粒径大于0. 84mm 为不可蚀因子, 0. 42～0. 84mm 为半可蚀因子, 小于0. 42mm 者为高度可蚀因子。董治宝等用风洞对不同粒度风成沙的临界起沙风速和风蚀率进行了研究, 结果表明, 风成沙的风蚀可蚀性随粒度的变化服从分段函数。在相当粒径的条件下, 混合沙粒较均匀粒径者易风蚀。风成沙的风蚀强度与实际作用风速/启动风速密切相关。
土壤风蚀是导致土地沙漠化的主要原因和首要环节。风蚀活动使土壤有机质被吹失, 土壤肥力下降, 导致土地粗化, 保水、保肥能力降低, 生产力下降[2]。影响土壤风蚀的原因是多方面的, 就土壤因素来说, 不同组分、粒径组成、团粒结构、含水率等的土壤, 对风蚀的响应是不同的。而对处于农牧交错带科尔沁沙地的两种主要风
¹[1]收稿日期:2005-08-28:(; (:, , :
第2期移小勇等:科尔沁沙地不同风沙土的风蚀特征11沙土耕作农田和流沙地的土壤来说, 其风蚀特性也有差异[3, 4]。但目前对这两种风沙土风蚀特征的认识并不完全一致[5, 6], 其原因主要在于观察者或者只着眼于土壤临界起沙风速的不同, 要么只注意到了风蚀速率对风速的响应。本文结合土壤含水量, 通过对科尔沁沙地两种典型风沙土的风蚀特征所进行的对比研究, 探讨了不同风沙土的风蚀特性, 并对导致其不同风蚀结果的原因进行了分析。
1 实验方法
1. 1 试验用风洞的特征
本次实验是在便携式风洞内进行的。风洞由稳压器、风速调控装置、轴流风机、整流网、实验段和风速测量装置等组成。风洞内风速由变频器控制电机转速进行调控, 实验段分为3部分, 每段长1m, 宽、高均为0. 5m, 样本放置在风洞出口附近, 在风机出口和实验段末尾安装整流纱网, 与平铺在实验段底部起阻尼作用的尼龙毯配合来控制风速廓线, 使之与自然风状况下的风速廓线相近。使用QY -200型倾斜压力计和S 型皮托管测定动压, 根据柏努利方程, 计算当前环境下的风速值。
1. 2 土样选取
科尔沁沙地属温带大陆性半干旱气候, 地貌以平缓起伏的沙丘为主, 流动沙丘、沙质草甸和耕地相间分布。实验土样取自科尔沁沙地的奈曼旗境内。该区地带性土壤主要是沙质栗钙土, 遭风蚀活动破坏后退化为风沙土, 沙土基质分布广泛, 有机质含量低, 结构松散, 抗风蚀能力弱。流动沙丘土样取自无植被覆盖的流动沙丘, 农田土样来自耕地。虽然两种土样均属风沙土, 但在粒径组成上却有较大的不同。其粒径组成见表1。
表1 土样粒径组成1. 3 实验方法
1. 3. 1 土样处理 将测试土样先
在室外阳光下进行风干, 实验前用
烘干法测定其含水量, 然后在不同
风速下对风干土壤样本进行吹蚀实
验。根据所测含水量, 按实验要求加土样来源流动沙丘农 田中砂粒>0. 2522. 543. 66细砂粒粒 径(mm) 极细砂粒粉 粒粘粒% 盐酸洗失量0. 292. 280. 25～0. 100. 10～0. 050. 05～0. 020. 02～0. 002
入所需水量, 配置不同含水量的实验用土, 搅拌后装入塑料袋中, 放置24h, 其间不定时翻动塑料袋, 使水分均匀地与土样结合, 达到与自然状况下的物理结构相近似的目的。实验前, 再测定土样的实际含水量, 对不同含水量的土样进行吹蚀实验。
实验时将2种土样分别装入长40cm, 宽20cm , 高5cm 的沙盘, 并排放置在风洞内进行吹蚀实验, 以样本上方25cm 高处的风速作为代表性风速。
1. 3. 2 临界起沙风速与风蚀量的测定 测定临界起沙风速时, 按照M usick 和Trujillo 的实验方法[7], 在土样后放置一条白色的胶带, 当观察到胶带上有吹蚀掉的颗粒物存在时, 记录动压值, 换算为临界起沙风速。
风蚀量由吹蚀前后沙盘中土样的质量差确定, 沙盘用1/100g 感量的天平称量。根据沙盘面积换算为每1每1m 2的数值(风蚀率) 。吹蚀时间随风速的增加依次递减, 以保证风蚀过程的一致性。min 、
2 结 果
2. 1 风干土样的风蚀率特征
风蚀率的大小受很多因素的影响, 而对土壤
来说, 最直接和常见的是土壤水分的变化。在科
尔沁沙地, 风蚀现象主要发生在春季。这个时期
由于降水稀少, 表层土壤已完全解冻, 处在风干
状态下, 因此, 分析风干状态下土样风蚀率随风
速的变化非常重要。
流沙土样的实测含水率为0. 91%, 农田土
样的含水率为1. 41%。从图1中可以看出, 在风
干状态下, 2种土样的风蚀率随风速的增加均呈
幂函数关系增长, 单位风速增加引起的风蚀率的
增加值随着风速的增大而迅速增加。农田土样在, 图1 风干土样风蚀率随风速的变化
12水土保持学报第20卷风蚀率要大于流沙土样, 但其差异随着风速的增加而逐渐减小。当风速增加至6. 1m /s 附近时, 流沙土样的风蚀率已经大于农田土样, 并且其差值也随着风速的增大而增加。因此, 从风蚀率的角度来说, 流沙土样在低风速段时的可蚀性要小于农田土样, 而在高风速时
要比农田土样更易风蚀。
2. 2 不同含水量情况下的风蚀率特征
在风速为8m/s(中心25cm 高处) 的净风
吹蚀下, 两种土样的风蚀量均随含水量的增加
而减小, 呈负幂函数关系。在风蚀量随含水量
减小的过程中, 起初随着含水量的增加, 风蚀
量急剧减小, 这种减小的幅度会随着土样含水
率的增加而变小, 到土样含水率达到近饱和
时, 风蚀量的减小已经很不明显, 从图2中可以
看出, 曲线已变得比较平直。
虽然2种土样的风蚀量随含水率的变化具图2 不同含水量情况下的风蚀率
有相同的趋势, 但2种土样又有各自不同的特
点。首先是流沙土样对含水率的响应要更敏感一些, 在开始时少许的水分增加, 所引起风蚀量的减小要比农田土样更大; 二是流沙土样在含水率2%附近时, 风蚀量已减小到一个很低的程度, 由含水率0. 91%时的7. 17kg/(m ・min) 减小到含水率2. 04%时的0. 22kg /(m ・m in) , 减小了97. 0%; 农田土样的这一转折点在含水率4%附近, 风蚀量由含水率1. 41%时的5. 22kg /(m 2・min ) 减小到3. 83%时的0. 26kg /(m 2・min ) , 减小了94. 9%; 三是2种土样在同一含水量情况下的风蚀量不同, 耕地土样的风蚀量要大于流沙土样, 但随着含水量的增加, 其差异会趋于缩小。
2. 3 不同含水量情况临界起沙风速的变化特征
临界起沙风速也是反映土壤风蚀性的一个重要指标。临界起沙风速高, 说明土壤不易风蚀; 临界起沙风速低, 则表明土壤易受风力侵蚀。临界起沙风速的大小不仅与土壤质地有关, 不同的土壤含水量, 也会对临界起沙风速产生不同的影响。从图3中可以看出, 土样在风干状态下, 农田土样(含水量1. 41%) 的临界起沙风速为
3. 7m /s , 而流沙土样(含水量0. 91%) 的临界起沙风速是4. 3m /s 。因此, 就临界起沙风速来说, 土样在风干状态下, 农田土样要比流沙土样更易风蚀。在相同含水量情况下, 流沙土样的临界起沙风速要明显高于农田土样。流沙土样的临界起沙风速随土样含水量的增加呈线性关系增加, 而农田土样的临界起沙风速随含水量的增加呈二次函数关系增加, 含水量对流沙土样临界起沙风速的影响要比农田土样大。
土壤含水量的增加增强了土壤颗粒之间的结合力, 提高了临界起沙风速, 从而增
强了土壤的抗风蚀能力。22
3 结论与讨论
关于风蚀量与风速之间的关系, 拜格诺首次
提出沙通量与风速的3次方成正比, 但拜格诺并
未在公式中给出具体的系数值, 其原因可能是该
系数与多种因素有关, 并不稳定。因此, 要确定沙
通量与风速关系中的系数值, 必须要通过对所在
地区的风沙环境进行大量的观察和研究才能得
到。目前风蚀研究中所用风蚀率的单位是单位时
间和单位面积内因受风力侵蚀所导致的土壤质量
的损失, 因此, 现在关于风蚀率和风速之间相关关
系的表达式, 与以前的结果可能并不完全一致。由于受实验条件的不同和被测试土样质地差异的影响, 特别是实验室的风洞环境与野外的自然环境毕竟有差异。因此, 对于两者之间的关系所建立的表达式也有差异, 但都表现为风蚀率随风速的增加呈几何级数增长, 对应的回归方程为幂函数关系或指数关系
[5][8, 9]图3 临界起沙风速与土样含水率的关系。风力对土壤表面的侵蚀过程, 实际上是一个能量转化的过程。风具有一定的动能, 大小与风速的平方成,
式, 即蠕移、跃移和悬移, 也就是说运动的土壤颗粒因此具有了动能和势能, 同时由于土壤颗粒之间的相互碰撞和与空气的摩擦, 而因此会有热能的增加。由于湍流的影响和土壤颗粒运动过程的复杂性, 期间能量相互转换的过程也非常复杂, 特别是期间的数量关系变化。但无论如何, 一切都起因于风的动能传递, 因此可能是这种机制导致了风蚀量与风速之间的幂函数关系。我们发现, 对于不同的土样, 回归分析中的系数也不尽相同, 原因在于不同条件的土样, 风蚀率对风速的响应不同[1]。
虽然农田土样和流沙土样的风蚀率均随着风速的增加呈幂函数关系增长, 但也存在着明显的不同。首先是土壤在风干状态下, 农田土样在风速约3. 7m/s 时开始有风蚀现象发生, 但流沙土样的临界起沙风速是4. 3m/s 。起初随着风速的增加, 农田土样的风蚀率要大于流动沙丘土样。但随着风速的继续增加, 流沙土样的风蚀率反过来又大于农田土样。这一转折点可以通过求解两条回归方程相等时的X 值来得到, 通过计算, 这两条曲线的交叉点大约在风速5. 7m/s 附近。同时也可以发现, 风蚀率的增加对风速的响应在较低风速段表现得并不很敏感, 但随着风速的逐渐增加, 风蚀率增加迅速。并且两种土样风蚀率的差值也随着风速的增加而加大。两种土样在风蚀率方面所表现出来的差异, 主要是两种土样的质地不同所决定的。按照董治宝等对不同粒度特征风成沙可蚀性的研究,
流沙土壤与农田土壤在临界起沙风速方面所表现出来的差异性, 实际上也是由其土壤粒径不同决定的。据拜格诺的研究, 起动风速最小的石英砂粒的粒径为0. 08m m 左右。在我们所测试的土样中, 0. 10～0. 05mm 范围内的砂粒, 流沙土样只占总量的1. 58%。并且, 由于在流沙土样中, 较为细小的土壤颗粒通常黏附在较粗砂粒的表面, 需要受到较大的外力才能产生运动, 因而含粗粒成分较多的流沙土样, 其临界起沙风速相对较高。而农田土样0. 10～0. 05mm 范围的砂粒比例高达43. 45%, 这也说明农田土壤的临界起沙风速应该低于流沙土壤, 而我们的实验结果也与此相符。胡孟春对不同粒径土壤进行的对比实验表明, 在相同风速下, 粉砂风蚀量仅为中细砂风蚀量的1/1089[10]。我们的结果也表明, 在同样的风干情况下, 含有粉砂粒较多的农田土壤, 其风蚀量要小于含粉砂粒较少的流沙土壤。
增加土壤含水率能大大降低风蚀量。土壤风蚀量与含水率之间存在负幂函数关系, 但流沙土壤对含水量的响应要比农田土壤更敏感。流沙在含水率降到2%附近时, 风蚀量已经很小, 再增加含水量, 风蚀量已不会有明显变化, 但农田土壤的这一临界点在4%含水率附近。两种土样在不同含水量情况下所表现出的风蚀率特征的差异性, 主要也是因为2种土样的质地不同所引起的。流沙土样主要是由中砂粒和细砂粒组成, 粘粒含量很低, 而农田土样则含有更多的极细砂、粉粒和粘粒成分。这种粒径组成上的差异导致了2种土样饱和含水率的不同, 也体现在风蚀量随土样含水率变化的差别中。
土壤含水量的增加可增强土壤颗粒之间的结合力, 从而增强了土壤的抗风蚀能力。但对于土壤含水量与临界起沙风速之间的关系, 目前仍有不同的结论[11, 12]。董治宝等认为, 对于不同的风沙土, 其结论可能会有所不同, 并且可能与所选择的含水量范围有一定的关系[1]。在本次实验所确定的含水率范围内, 流沙土壤的临界起沙风速与含水率之间存在线性关系, 而农田土壤的临界起沙风速与含水率之间有二次函数关系。由于我们所选择的两种风沙土在粒径组成上有较大的差异, 因此, 我们认为主要是土壤类型决定了含水量与临界起沙风速之间的相关关系。
大风天气主要发生在冬春季节, 这个时期沙地植被稀疏, 农田地表裸露, 防风林的保护效果差, 再加上降水稀少, 土壤风蚀严重。风蚀不仅影响空气质量, 造成对环境的污染, 也使土壤有机质被吹失, 土壤肥力下降, 导致土地粗化, 保水、保肥能力降低[13]。由于冬春季节气温低, 蒸发小, 再加上地表冻结, 含水量稳定少变。因此, 适时灌溉, 增加土壤含水量, 是冬春季节防止风蚀最有效的办法之一。(下转第53页)
幅度最大, 中度石漠化区域次之, 非石漠化区域最小。各石漠化区域间草地土壤有机质、全氮以及各形态氮素差异水平不显著。然而, 由于对喀斯特石漠化区域草地土壤的研究处于尝试性阶段, 对石漠化等级的划分缺乏系统化, 且由于研究区域条件的限制, 草地土壤有机质含量、氮素含量及其组成特征能否作为区分草地喀斯特石漠化与非石漠化的指标仍需进一步研究。
(2) 在强度石漠化区域部分草地土壤有机质和氮素含量较大, 主要是由于喀斯特地区地表破碎所形成的石旮旯小地形。然而本文并不是指出在喀斯特石漠化地区所有处于石旮旯地形内的土壤有机质和氮素含量都处于较高水平。因为在喀斯特石漠化地区石旮旯地形具有多样性的特点, 其对土壤发生、土壤养分累积的作用不
一。如:山体中下部的石旮旯地形, 能够接收、保存部分由山体上部流失下来的土壤和养分, 从而更为有利于植被的生长。再如地表破碎狭窄, 在斜坡下部开口较大的石缝、石沟和石槽等喀斯特小地形则更容易形成类似沟蚀现象的侵蚀过程, 从而加大了雨水对土壤的侵蚀作用。但从总体而言, 这种破碎的石旮旯地形能够减弱雨水在下降过程中的动能, 从而在一定程度上减弱雨水对土壤的侵蚀作用。部分石旮旯地形还有利于土壤形成高水平的有机质和氮素含量, 而这种高水平的含量有利于喀斯特区域生态环境的自然恢复。但是, 石旮旯地形和区域性水热条件, 如何影响喀斯特石漠化区域草地土壤有机质和氮素的循环仍有待于进一步的研究, 从而便于确定喀斯特石漠化区域生态环境自然恢复可能性的大小, 以及自然恢复的速率。
(3) 由于在野外进行研究时区域条件难以控制, 所以我们在研究中选择了草被条件下的土壤作为研究对象, 并初步把所研究的石漠化区域分为强度和中度, 同时保证各类型土壤具有相对一致的岩性、坡度、植被类型等发育条件, 所以本研究所得结论具有一定的局限性。为了更为详尽地体现喀斯特石漠化区域土壤有机质和氮素的变异特征, 仍有待于对喀斯特石漠化区域环境特征进行细分。
参考文献:
[1] 朱震达, 崔书红. 中国南方的土地荒漠化问题[J ].中国沙漠, 1996, 16(4) :331-337.
[2] 王朝文, 张玉环. 六盘水市综合农业区划[M ]. 贵阳:贵州人民出版社, 1989. 8-31.
[3] 王朝文, 张玉环. 贵州省综合农业区划[M ]. 贵阳:贵州人民出版社, 1988. 11-46.
[4] 王瑞江, 等. 贵州六盘水石漠化的特点、成因与防治[J ].中国喀斯特, 2001, 20(3) :211-216.
[5] 熊康宁, 黎平, 周忠发, 等. 喀斯特石漠化的遥感-GIS 典型研究——以贵州为例[M ]. 北京:地质出版社, 2002.
[6] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M ].北京:中国农业科技出版社, 2000.
(上接第13页)
参考文献:
[1] 董治宝, 李振山. 风成沙粒度特征对其风蚀可蚀性的影响[J ]. 水土保持学报, 1998, 4(4) :1-5.
[2] K ennedy A C. M icr obial char act er istics of so il quality[J]. J. Soil W ater Conservation, 1995, 50, 243-248.
[3] 徐斌, 刘新民, 赵学勇. 内蒙古奈曼旗中部农田土壤风蚀及其防治[J].水土保持学报, 1993, 7(2) :75-80.
[4] 张华, 李锋瑞, 张铜会, 等. 科尔沁沙地不同下垫面风沙流结构与变异特征[J]. 水土保持学报, 2002, 16(2) :20-24.
[5] 何文清, 高旺盛, 等, 北方农牧交错带土壤风蚀沙化影响因子的风洞试验研究[J ].水土保持学报, 2004, 18(3) :1-5.
[6] 荣姣凤, 张海涛, 毛宁. 土壤风蚀量随风速的变化规律研究[J]. 干旱地区农业研究, 2004, 22(2) :149-153.
[7] M usick H B, T rujillo S M , T ruman C R. Wind t unnel mo deling o f the influence of vegetation structure on saltatio n thresho ld
[J].Ear th surface processes and L andfor ms, 1996, 21:589-605.
[8] Xiao yan L , Liany ou L , Jianhua W . W ind t unnel simulation o f aeolian sandy soil er odibility under human disturbance [J ].
G eomorpholog y, 2004, 59:3-11.
[9] Xuey ong Z, Zhoulong W , Q ing zhen H, et al. T he distribution of v elocity and ener gy of saltating sand g rains in a w ind tunnel
[J ].G eomorpholog y , 2001, 36:155-165.
[10] 胡孟春, 刘玉璋, 乌兰, 等, 科尔沁沙地土壤风蚀的风洞实验研究[J ].中国沙漠, 1991, 11(1) :22-29.
[11] Bisal F , Hsieh J. I nfluence of m oisture on erodibility of soil by wind [J]. Soil Science, 1966, 102:143-146.
[12] 董治宝, 陈渭南, 李振山, 等. 风沙土水分抗风蚀性研究[J].水土保持通报, 1996, 16(2) :17-23.
[13] 苏永中, 赵哈林, 张铜会, 等. 科尔沁沙地旱作农田土壤退化的过程和特征[J ].水土保持学报, 2002, 16, 25-28.