垄作对旱作农田土壤风蚀影响的风洞实验研究

通过风洞实验,在5个风速下对6种不同结构的垄作及平作对照地的土壤风蚀速率、O～20cm风沙流结构进行了模拟观测研究。结果表明：垄作下平均土壤风蚀速率较平作下降低20％～60％。垄作和平作下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增,但平作下递增较快。风速为15m／s是早作农田土壤风蚀加剧的转折点,当风速大于15m／s时垄作下风蚀速率较平作下明显降低。0～20cm内,平作和垄作下输沙率与高度分别呈负指数和负线性关系。垄作下0～4cm输沙量和输沙量百分比(Q0～4／Q0～20)均低于平作。不同结构的垄作间进行比较,垄脊高度相同时,垄沟比(垄脊高度与垄顶距的比值)越大,土壤风蚀速率越小,而Q0～4／Q0～20越大;垄沟比相同时,垄脊越高,土壤风蚀速率越大,而Q0～4／Q0～20越小。     

民勤绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响

[目的]研究绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响,评估保护性耕作在该区防治农田土壤风蚀的作用,为揭示相关机理提供参考。[方法]以甘肃省民勤治沙综合试验站为例,通过野外风洞试验,以传统耕作为对照,分析保护性耕作对风速廓线、风沙流结构(输沙量)、风蚀量的影响。[结果]保护性耕作近地表风速降低,大风时近地表风速随高度增加仍均匀增大,与传统耕作迅速增大不同,从而阻止风沙流结构出现"象鼻效应",输沙量在0—20 cm减小最为明显,土壤风蚀量减小。随试验风速的增大,保护性耕作土壤风蚀减小的程度越大。[结论]绿洲灌区保护性耕作能有效防止土壤风蚀,其中,立茬地表风速降低最多,输沙量、风蚀量较小,实施简便,适宜推广应用。     

民勤绿洲不同耕作方式农田表层土壤风蚀规律的风洞模拟研究

[目的]比较分析不同耕作方式下农田表层土壤防风蚀机理和效果,为区域社会经济和生态环境建设提供科学依据。[方法]利用室内风洞及相关配套设备对甘肃民勤绿洲区的免耕、少耕、秋翻和深松农田表层土壤进行风蚀测试,计算风蚀速率及输沙率,研究其风沙运动规律,分析各种耕作农田表层土壤防风蚀情况。[结果]耕作措施对土壤风蚀速率的影响与风速大小相关,风速较小时,不同耕作方式对风速的影响差异不显著,而当风速大于14 m/s后不同耕作农田表层土壤风蚀速率开始出现较明显差异;少耕、秋翻、深松等耕作方式对农田表层土壤风蚀速率和输沙率的影响差异不明显;免耕耕作方式下农田表层土壤风蚀速率和输沙率最低,风速越高,差距越大;风速、耕作以及两者交互作用对农田表层土壤风蚀速率和输沙率有极显著影响。[结论]免耕耕作能有效抵抗农田表层土壤的风蚀,大幅度减少输沙率,表现出极佳的抗风蚀效果。     

保护性耕作对内陆河灌区春季麦田不可蚀性颗粒的影响

通过室内风洞试验研究了甘肃省河西地区在不同耕作措施条件下对土壤表层(0~5 cm)不可蚀性颗粒(粒径≥1 mm的团聚体及粗砂砾)含量的影响及不可蚀性颗粒含量与风蚀量、起动风速的相关关系。结果表明:免耕、免耕秸秆覆盖、传统耕作、秸秆翻压处理的不可蚀性颗粒(粒径≥1mm的团聚体及粗砂砾)的含量分别高于对照处理(春小麦传统耕作),说明这一地区春小麦改种冬小麦并采取保护性耕作对增加不可蚀性颗粒效果明显,以免耕秸秆覆盖(NTS)效果最好,不仅增加了不可蚀性颗粒含量,同时降低了易蚀性颗粒含量。不同耕作措施土壤表层(0~5 cm)不可蚀性颗粒含量与风蚀量之间存在显著的相关关系,随着不可蚀性颗粒含量的增加风蚀量呈递减趋势而起动风速呈递增趋势。因此,在甘肃省河西地区春小麦改种冬小麦并采取免耕、秸秆覆盖、秸秆翻压等保护性耕作措施可增加表土层(0~5 cm)不可蚀性颗粒含量,从而有效地减低该地区农田土壤风蚀发生的可能性。     

宁夏中部干旱带砂田抗风蚀性能研究

利用风洞模拟实验,研究了净风和挟沙风对砂田土壤风蚀的影响.结果表明:在净风吹蚀下,原状砂田的风蚀速率(0.37 gm-2 min-1)分别是农田和荒地的1/4和1/5,风蚀速率随风速的增加呈指数函数递增,其中砂田的递增速度低于农田或荒地;翻耕后的砂田在常见风速下的风蚀速率与农田和荒地相近(分别为1.67 g m-2 min-1、1.75 gm-2 min-1和1.83 gm-2 min-1),但在大风日则低于农田和荒地(分别为3.61 gm-2 min-1、58.83 g m-2 min-1和13.92 gm-2 min-1).挟砂田沙的风沙流吹蚀导致农田和翻耕砂田的风蚀速率增加,原状砂田则出现轻微的风积现象;挟农田土的风沙流吹蚀使原状砂田、翻耕砂田和荒地产生显著的风积,农田则出现更强烈的风蚀;挟沙风吹蚀下的风蚀(积)速率与风速的关系呈二次曲线函数.砂田的粗糙度明显高于农田(分别为0.023 cm和0.002 cm),且随着风速的增加,其间的差值越大;砂田和农田在不同风速条件下的风速廓线均可用指数函数表述.农田和荒地在压砂利用后,其抗风蚀和减尘性能显著增强.     

河西绿洲灌区春小麦留茬免耕的防风蚀效应研究

通过风洞模拟试验,对不同留茬高度(20 cm和40 cm)和不同留茬方式(立秆留茬和留茬收后压倒)下的土壤风蚀量和不同处理在25～250 mm高度内的风速廓线进行定量测定,并分析土壤风蚀速率与风速的关系.结果表明,高立秆留茬免耕处理在吹蚀风速20m˙s-1以下时对土壤的防风蚀作用存在显著影响.立秆留茬40 cm的风蚀速率比传统耕作降低87.84%,比相同留茬量的压倒留茬处理降低5.89%,表现为最小风蚀速率,且对吹蚀风速的减弱作用最强,防风蚀效果最好.进一步研究表明,传统耕作的土壤风蚀速率(Q)与风速(V)呈幂函数关系,而免耕处理的土壤风蚀速率(Q)与风速(V)遵循二次函数关系.     

乌兰布和沙漠绿洲农田不同土地利用方式地表风蚀特征研究

土壤风蚀是干旱地区绿洲农田开发的一个突出生态问题,如何针对不同的立地单元采取保护性措施是人们长久以来关注的重点。本文选择乌兰布和沙漠绿洲农田流沙地、沙质耕地、黏质耕地、撂荒耕地及留茬地5种典型土地利用方式,对其风速特征、地表蚀积量进行野外原位测定,并分析了不同下垫面的地表粗糙度和沉积土壤粒径特征。结果表明:研究区土壤颗粒组成以细砂含量占主导地位,粉粒、中砂与粗砂含量相对较低。与对照相比,各土地利用方式均能有效增加地表粗糙度,表现为:留茬地(0.32 cm)撂荒耕地(0.29 cm)沙质耕地(0.25 cm)黏质耕地(0.19cm)流沙地(0.02 cm)。土壤风蚀深度整体表现为流沙地沙质耕地撂荒耕地黏质耕地留茬地,5种利用方式下,留茬地风蚀程度最轻,风蚀深度仅为0.04 cm/d,分别较流沙地、沙质耕地、黏质耕地及撂荒耕地降低了99.03%、96.83%、94.29%与90.24%。因而,留茬地具有较好的防风蚀效益,是一种值得推广的土壤风蚀防治措施。     

河西绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀特征的影响

为研究河西绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响,通过春小麦田间试验,设置免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、立茬和残茬压倒4种保护性耕作处理,以传统耕作为对照,分析了河西绿洲灌区不同保护性耕作措施对田间输沙量、风蚀深度、风蚀物粒径组成、风速的影响。结果表明：0~30 cm高度输沙量能敏感地反映不同耕作措施之间输沙量的差异。与传统耕作相比,免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、立茬和残茬压倒处理0~30 cm高度输沙量分别减少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~48.2%和10.7%~42.4%。风蚀深度传统耕作为1.22~1.44 mm,4种保护性耕作处理均为0 mm。与传统耕作相比,保护性耕作处理风蚀物粒径组成无显著变化,但<0.063 mm细粒占比有减小趋势。立茬处理20 cm高度风速显著降低24.1%~39.5%,其他保护性耕作措施风速降低不显著。综上所述,河西绿洲灌区不同保护性耕作措施能不同程度地抑制土壤风蚀,立茬处理是相对较优的保护性耕作措施,适宜该地区推广应用。     

民勤荒漠-绿洲过渡带不同下垫面条件的土壤风蚀特征

为了研究不同下垫面对土壤风蚀特征的影响,根据2009年4月19日、4月22-23日及4月30日3次沙尘事件的实际观测数据,对民勤荒漠-绿洲过渡带不同下垫面土壤风蚀特征进行了试验研究。试验结果表明,民勤荒漠绿洲过渡带各地表挟沙气流中输沙量沿垂线分布呈上段符合传统的指数递减分布规律,而近床面区35cm以下的输沙量较对应的指数分布函数预测值偏大;流沙地表90%以上的输沙量集中在近地表15cm以内,白刺灌丛沙包地带、草方格固沙带及草方格前沿芦苇荒漠带输沙量的80%左右集中在距表35cm高度范围内;不同下垫面条件对风蚀物颗粒大小分布规律的影响主要集中在近地表气流层15cm范围内,而对35～125cm高度范围内风蚀物颗粒粒径大小的影响主要在各粒径颗粒的体积分数上。风在草方格固沙带的搬运能力最弱,白刺灌丛沙包带其次,再次为芦苇荒漠带,在沙丘顶部的搬运能力最强,输沙量最大。     

东北地区不同耕作方式农田土壤风蚀特征

为探究不同耕作方式农田土壤风蚀特征,揭示风蚀对表层土壤理化性质及养分含量的影响,以东北地区典型农田土壤(黑土和风沙土)为研究对象,通过野外集沙仪定点监测与室内理化分析等方法,对不同耕作方式(垄作、免耕)和不同地表覆盖措施(无覆盖、留茬、覆盖)下的土壤风蚀特征展开研究。结果表明:(1)风沙土的输沙量显著高于黑土,在0—100cm高度范围内风沙土的输沙量平均为黑土的168倍。随高度的上升输沙量急剧减少,其中0—10cm输沙量最大,占总输沙量的50%以上,40cm以上则无明显风蚀物;(2)不同耕作方式下,免耕农田土壤风蚀输沙量较垄作样地减少了66.0%~94.1%;而相同耕作措施下,不同地表覆盖的输沙量表现为无覆盖>留茬>覆盖,与无覆盖相比,留茬及秸秆覆盖下的输沙量可以减少90.3%~99.4%;(3)受风蚀影响,表层土壤颗粒、有机质及养分流失严重,其中风蚀物的砂粒含量是表层土壤的1.06~1.42倍,且10—20cm风蚀物中有机质、全氮和全磷含量均比表层土壤高;(4)通过修正风蚀方程(RWEQ)估算得出,垄作无覆盖(RTNF)风蚀模数高达181.7~86582.9t/(km^2·a),风蚀剧烈,而免耕覆盖(NTF)的风蚀模数仅为9.89t/(km^2·a),为微度风蚀。研究显示垄作及无覆盖方式下农田土壤风蚀程度剧烈,加剧了表层土壤颗粒和养分流失的风险,而免耕和地表覆盖能有效缓解风蚀危害。     

干旱区土壤结皮对风蚀影响的风洞模拟研究

土壤结皮在干旱半干旱地区广泛分布,是影响风蚀的重要因素。以准葛尔盆地东部矿区周边表层土壤为对象,通过控制土壤结皮率和结皮分布,利用风洞试验结合土壤风蚀传感器,对不同土壤结皮和风速条件下土壤风蚀量、风沙流结构、土壤颗粒释放的变化特征进行了研究。结果表明：(1)风蚀量随风速增加显著上升,随土壤结皮率增加显著下降。均匀分布的结皮风蚀量整体低于集中分布的结皮；(2)风沙流高度随风速增加而增加,高度在0-3cm的收集物占总的80%左右。14m/s的风速能够使土壤发生跃移,而土壤结皮率达到50%能够有效抑制土壤颗粒跃移现象；(3)颗粒碰撞的数量与能量随风速的增加而增加,随结皮率增加而减少；首次出现颗粒碰撞时的风速随结皮率的增加而增加；颗粒碰撞的数量和能量在风速持续增加的时间段内增加至最大值,在风速稳定后开始下降,120s左右降低至稳定值,随后不再发生明显起伏,在风速下降时间段内不发生颗粒碰撞。     

毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征

为了理解近期沙地农业开发的土壤风蚀风险及其对区域沙漠化的影响。该文对毛乌素沙地灌丛沙堆地、沙质草地以及耕地不同位置进行了多组风沙同步观测,并对所收集的沙物质进行粒度分析。结果表明:草地与灌丛地被开垦为耕地后,土壤风蚀强度成倍数增长。在可蚀性颗粒充足的耕地,输沙率顺风向趋于增加的同时,随高度的增加,输沙率在0~10 cm高度内以指数函数规律递减,在10~20 cm高度内以幂函数规律递减;总输沙率与风速呈较好的幂函数关系,侵蚀模数约为9 657 t/(km^2·a)。该文认为,新垦地的出现对区域沙漠化具有重要影响,其面积应作为评价区域沙漠化的重要指标;减小裸露耕地面积,建立防风固沙林,保留一定高度的留茬,可有效控制新垦地的土壤风蚀问题。     

新疆托克逊县不同配置防护林的防风蚀效能

[目的] 对比分析不同配置防护林迎风林缘与背风林缘的防风蚀效能,为干旱区绿洲城市防护林建设、防沙治沙以及生态环境改善工作提供理论依据。[方法] 以新疆托克逊县城郊区不同配置防护林为研究对象,通过观测近地表风速、起沙风速、近地表粗糙度、输沙量、风沙流结构等指标,对比研究混交林1（胡杨68%+柽柳32%）、混交林2（柽柳65%+胡杨35%）、梭梭林迎背风林缘的防风蚀效能。[结果] 不同配置防护林的地表粗糙度、起沙风速、风速廓线、防风阻沙效能都有差异。不同配置防护林地面粗糙度从高到底依次为：混交林2（0.569 cm）>混交林1（0.378 cm）>梭梭林（0.123 cm）。起沙风速从高到低依次为：混交林2（6.17 m/s）>梭梭林（6.02 m/s）>混交林1（5.98 m/s）。防风效能从强到弱依次为：混交林2>混交林1>梭梭林。阻沙效能依次为：梭梭林（48.2%）>混交林2（45.6%）>混交林1（37.1%）,各林地0—10 cm,10—20 cm垂直高度上的集沙量所占比例较高。[结论] 混交林2有效降低不同垂直高度的风速及输沙量,混交林2的防风蚀效能较高。     

保护性耕作农田和柠条带状配置草地防风蚀效果的风洞测试

为比较分析保护性耕作农田与柠条带状配置修复退化草地的防风蚀机理和防风蚀效果,利用移动式风蚀风洞及相关配套设备对内蒙古乌兰察布寒旱区的保护性耕作农田、传统旱作农田和退化草地、柠条带状配置草地进行风蚀风洞原位测试,研究其风速廓线、输沙通量等风沙运动规律,分析保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀情况。结果表明:保护性耕作农田、柠条带状配置修复草地的输沙通量随地表高度的变化呈"C"字形分布,有别于传统耕作农田和退化草地的输沙通量随地表高度的增加按指数规律迅速衰减;保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀机理,主要在于保护性耕作农田的直立残茬和柠条带状配置可对近地表风速产生阻挡、分解、疏散作用,从而使近地表风速造成不同程度削弱;当风洞中心风速为11 m/s时,在距地表50 mm处保护性耕作农田相比传统耕作农田的风速降低率达86.44%,柠条带状配置草地相比退化草地的风速降低率为70.69%,近地表风速的降低是保护性耕作农田和柠条带状配置草地有效防治土壤风蚀的根本原因;保护性耕作农田和柠条带状配置草地的风沙流主要活动在距地表40 cm高度以下,占总输沙量的90%左右,而对照传统耕作农田和退化草地的风沙流则主要活动在距地表20 cm以下,占总输沙量的85%以上。     

北方农牧交错带土壤风蚀沙化影响因子的风洞试验研究

土壤风蚀沙化是北方农牧交错带农牧业生产与发展的主要限制因子,通过室内风洞实验研究,定量分析了土壤风蚀率(风蚀强度)与风速及土壤水分的相关关系、土壤风蚀输沙量的空间分布规律以及翻耕后土壤风蚀的动态变化。结果表明:风蚀率与风速变化成正相关,随着风速增大,风蚀率相应增加,18m/s风速是风蚀由轻变重的一个转折点;土壤水分与风蚀率呈负相关,水分含量越高,风蚀率越小,6%含水量水平是土壤风蚀由重变轻的一个转折点。通过曲线拟合表明,风蚀率与风速成幂函数的关系,与土壤水分含量成对数函数关系。土壤风蚀空间不同高度输沙量呈单峰曲线的变化趋势,在距地面2～4cm范围内集沙量最多,80%左右的沙量集中在近地面10cm范围内。土地翻耕是加重土壤风蚀的重要因素,对于天然草场,翻耕后风蚀强度是未翻耕的66～306倍,对于旱作农田,留茬覆盖可以有效控制土壤风蚀,翻耕马铃薯地风蚀强度是留茬地的25～108倍。     

结皮量与含水率对尾矿风蚀影响的风洞模拟研究

尾矿风蚀是影响周边环境空气质量和人体健康的重要原因。以喀拉通克铜镍矿加乌尔尾矿库尾矿为研究对象,通过风洞实验,在不同风速条件下对不同含水率和结皮量尾矿的风蚀率、输沙结构和输沙率、颗粒碰撞数和能量进行研究。结果表明：尾矿风蚀率、输沙率、颗粒碰撞数和能量随着实验风速的增加而增加,随着尾矿含水率和结皮量的增加而减小。首次出现颗粒碰撞的风速随着尾矿含水率和结皮量的增加而增加。尾矿输沙主要集中在3cm高度内,占总输沙的50%以上。在结皮不被吹破的情况下,结皮的抗风蚀效果要优于含水率,因此,对于不同的风速,达到较好抗风蚀效果所需结皮量不同,10m/s以下风速任何结皮量均能有效降低地表风蚀,12m/s需25g以上结皮量,14m/s需要50g以上结皮量,而尾矿含水率在实验风速下需达到2.72%以上才有较好的抗风蚀效果。     

Wind tunnel simulation of ridge-tillage effects on soil erosion from cropland

In the arid and semi-arid regions, ridge tillage was often used as an alternative practice for wind erosion control on the croplands without sufficient crop residues left during the fallow period. Through wind tunnel experiments, wind erosion rate and vertical mass flux profile of blown sand under the simulated conditions of ridge tillage and flat tillage were studied in 15, 10, 10, 5, 3 min exposures at the wind velocities of 8, 10, 15, 20, 24 m s⁻¹, respectively. The results for the soil tested indicate that the mean rate of wind erosion under flat tillage was 129.89 g m⁻² min⁻¹, while that under ridge tillage were 20–60% less. Under ridge tillage with different structures, average wind erosion rate had a positive correlation with the spacing between adjacent ridges. For the same ridge height, average wind erosion rate decreased with increasing ratio between the height of ridge and the width of furrow. For the same ratio between the height of ridge and the width of furrow, average wind erosion rate increased with increasing height of ridge. Power function relationships were found between wind erosion rate and wind velocity on all the simulated tillage conditions. A wind velocity of 15 m s⁻¹ was the critical velocity, above which wind erosion rate increased rapidly for the soil and simulated tillage conditions tested. Compared with flat tillage, ridge tillage remarkably decreased wind erosion rates when wind velocities were beyond 15 m s⁻¹. Under ridge tillage, the total mass of sand transported at a height of 0–20 cm above soil surface (Q_0–20), and the fraction of that travelling at a height of 0–4 cm (Q_0–4/Q_0–20), were less man mat under flat tillage. For the same ridge height, Q_0–4/Q_0–20 increased with increasing ratio between the height of ridge and the width of furrow. For the same ratio between the height of ridge and the width of furrow, Q_0–4/Q_0–20 decreased with increasing height of the ridge. Sand transport rate under flat tillage decreased with increasing height by a negative exponential function, while negative linear functions were found under ridge tillage. Thus ridge tillage decreased the rate of wind erosion and sand transportation near soil surface, reduced the loss of soil nutrient caused by wind erosion and plant damage caused by blown sand abrasion, which make it an effective agricultural technology for wind erosion control in the arid and semi-arid regions.