集沙仪结构设计及其性能实验研究

集沙仪作为专门用于收集风蚀颗粒的采样仪器对土壤风蚀研究具有重要意义。从通风屏的位置和面积,形成通风屏的筛网目数和进沙口位置等方面设计了16种集沙仪。通过在风洞内进行的等动力性实验和采集率实验最终筛选出面积为9 884mm2的通风屏位于集沙仪顶部,进沙口凸出集沙仪迎风面的集沙仪是16种集沙仪中采集性能最好的集沙仪。其修正后的进沙口风速与实验风速比为0.870;对0.10～0.25,0.075～0.10和<0.075mm粒径范围的土样,各风速的平均采集率分别为83.58%,81.16%和60.93%,适合采集跃移及部分悬移运动颗粒;该集沙仪结构简单,操作方便,可采集同一位置不同高度的风蚀尘,也可添加旋转装置用于野外观测,符合室内外风蚀研究需要。     

保护性耕作对农田土壤风蚀影响的试验研究

在河北省北部的丰宁县坝上地区建立农田土壤风蚀试验区，采用美国BSNE采样器观测不同耕作处理条件下的农田风蚀土壤损失情况。试验结果表明：在风蚀过程中，土壤颗粒主要集中在近地表层运动，悬浮在空气中的土壤颗粒随着高度的增加逐渐减少，且与高度之间符合幂函数关系；风蚀土壤颗粒粒度组成随高度增加，砂粒级颗粒含量减少，而粉砂及粘土含量增加；免耕覆盖(NTC)、免耕覆盖＋耙(NTCH)和免耕无覆盖(NTN)三种处理分别比传统翻耕减少风蚀量73.75%、75.31%和14.17%，由秸秆覆盖和少免耕相结合的保护性耕作可明显地减少农田土壤损失；在覆盖和耕作两因素中，覆盖对减小风蚀的作用最大，地表耕作的作用次之；另外，保护性耕作地能够减少农田土壤养分损失。     

豫东北黄泛区易风蚀性土壤特征

为分析不同土壤类型的性质、界定易风蚀性土壤类型并探索其特征，选取豫东北黄泛区为研究区域，采用野外取样、室内试验分析结合的方法测定土壤颗粒粒径、可蚀性因子K值等指标，界定区域易风蚀性土壤类型，并分析其空间分布特征。结果表明：（1）从土类看，豫东北黄泛区4种土类，以潮土为主，占区域面积的65.57%；从亚类看，共11种土壤亚类，以小两合土、沙土为主，占区域面积的59.76%。（2）土壤颗粒粒径组成上，沙土、草甸风沙土、盐化潮土、淤土等类型以砂粒为主；其余类型以粉粒为主。沙土、草甸风沙土、灌淤潮土、盐化潮土等类型易蚀颗粒含量较高，处于28.30%~31.36%范围内。草甸碱土、两合土、小两合土的土壤可蚀性因子K值相对较高，范围为0.038~0.041。（3）综合考虑易蚀颗粒含量≥25%和可蚀性属中等及以上2个指标，将沙土、草甸风沙土、灌淤潮土、盐化潮土、脱潮土界定为区域易风蚀性土壤。易风蚀性土壤面积占研究区的41.79%，主要分布在中牟县、祥符区、尉氏县等区域。研究结果可为黄泛区后续土壤研究及风蚀防治提供参考和科学依据。     

片沙覆盖的黄土丘陵区土壤风蚀特性研究

以神木县为研究基础，在野外调查和资料分析的基础上，应用场论及空气流压场原理，对片沙覆盖的黄土丘陵区土壤风蚀的特殊规律进行了分析，并讨论了不同地貌部位土壤粗粒化形成的不同过程，得出如下结论：（1）土壤强烈风蚀主要发生在迎风坡，丘顶及气流发生辐合的沟谷段；（2）片沙主要堆积在气流发生涡动的背风坡及气流发生辐射的沟谷段谷坡；（3）迎风坡及丘顶土壤粗砾化是由于强烈风蚀所致，背风坡土壤沙化，粗化是沙粒堆积所致。     

干燥致密土壤在沙粒流冲击下的磨蚀规律

在土壤风蚀过程中,跃移颗粒对表土的冲击磨蚀是公认的一种重要起尘机制。磨蚀体现了跃移沙与土壤相互作用,受沙粒跃移运动参数和土壤力学性质共同控制。然而,现有风蚀模型尚未充分考虑土壤力学性质的地位与作用,缺少磨蚀速率计算公式,亟需从固体力学角度探讨土壤磨蚀规律。该研究借鉴岩石磨蚀模型,针对含水率小于1.5%、体密度大于1.60×103 kg/m3的干燥致密土壤,提出了代表单位时间内的碰撞次数、土壤抗压强度和杨氏模量、入射沙粒动能和密度等综合效应的磨蚀变量;通过标准压缩试验测得黏土、砂土、壤土、砂质黏土、壤质黏土共5种人工均质土壤的抗压强度和杨氏模量的范围分别为0.823～4.092 MPa和0.043～0.149 GPa;利用自行设计的冲击磨蚀试验得到了干燥致密土壤在沙漠沙颗粒流冲击作用下的磨蚀规律,即磨蚀速率是磨蚀变量的线性函数,其斜率与截距分别为3.27×104和-0.027 kg/s。研究结果有助于恰当描述风蚀模型中的土壤力学性质、准确计算风蚀速率,进而服务于农田防护和水土保持工程,并为中国西北干旱区天然地貌和人工建筑风蚀现象的研究提供理论依据与数据支撑。     

阴山北麓农牧交错带裸露耕地土壤风蚀物垂直分布规律

为了解阴山北麓农牧交错带的土壤风蚀特性,采用SCC-6型集沙仪在野外自然风况下对风蚀物进行实地收集试验并对其粒度组成进行分析研究,得到了阴山北麓农牧交错带裸露耕地土壤在自然风况下风蚀物沿高度的变化规律,揭示了风蚀物沿高度的变化规律和不同跃移颗粒体的粒度组成沿高度的变化特征。并利用室内风洞研究了不同风速作用下,不同风力作用时间内,风蚀物含量沿高度的变化规律和风蚀量与风速的关系。结果表明：阴山北麓农牧交错带土壤风蚀是一种近地表的风沙运动,风蚀物跃移颗粒体主要集中在7.5～43.5 cm高度,风蚀物含量沿高度呈一递减函数,对幂函数、指数函数和对数函数均具有较好的相关性;风蚀物颗粒组成与风蚀强度和地表状况关系密切;风蚀物颗粒组成以某一粒径范围、某一高度为界随高度的变化而表现出明显的规律性;风蚀量沿高度的变化与风力作用时间有关,风蚀量随风速的增大呈指数增加。为研究该区域土壤风蚀规律及提出合理防风固沙措施奠定了基础。     

基于土壤粒度和大风日数的风蚀风险预报

为寻求一种较为简便、广泛适用的土壤潜在风蚀风险评价方法体系,选取内蒙古中西部的吉兰太戈壁、乌兰布和半固定沙地、毛乌素沙地、武川农田和希拉穆仁草原5种典型风蚀试验区,基于数字图像技术,获取地表不可蚀颗粒含量,结合地区大风日数资料,建立土壤潜在风蚀风险指数方程,并进行实地验证。结果表明:吉兰太戈壁、灌丛地表已经处于粗化过程后期,抗风蚀能力较强,平均抗风蚀指数分别为91.40%和81.40%。由于灌丛群落的存在,乌兰布和沙漠半固定沙地土壤颗粒空间分布差异明显,导致土壤抗风蚀能力呈现不同程度的差异。毛乌素沙地风成沙物质颗粒较细,抗风蚀指数仅为13.40%,极易起沙。应用土壤潜在风蚀风险方程实地表征所得结果与实际情况吻合,与人类活动关系最为密切的农田、草原土壤潜在风蚀风险最高。研究结果可实现科学、有效地预测地表潜在风蚀风险,为干旱、半干旱地区风蚀荒漠化监测提供理论依据和技术支撑。     

土壤风蚀可蚀性研究进展

土壤风蚀可蚀性是风蚀研究的重要内容,也是进行土壤风蚀预报的重要参数。本文对土壤风蚀可蚀性的相关概念进行了阐释,从土壤颗粒及团聚体、土壤水分、土壤结皮、地表不可蚀物质、土地利用方式和空间尺度等6个方面对风蚀可蚀性控制因素的研究进行了综合评述。然后对土壤风蚀可蚀性的指标按照间接指标和直接指标两个类别进行了归纳,同时也对各个指标的监测方法进行了总结。在此基础上,对未来土壤风蚀可蚀性的研究方向进行了展望,讨论了土壤风蚀可蚀性研究需要关注的热点问题。     

嫩江沙地主要野生植物资源研究

嫩江沙地在全国沙漠排序中占第 14位 ,是黑龙江省土壤风蚀及风沙危害最重的地区。为解决嫩江沙地治理过程中优良固沙植物品种短缺问题 ,黑龙江省水土保持科学研究所齐齐哈尔实验站对沙地进行了实地考察 ,同时对一些优良野生植物品种的繁育、栽培进行了试验研究。嫩江沙地野生植物多达 12 0种 ,其中主要种类 40个 ,涉及17个科。主要野生植物具有抗旱能力强、抗沙埋性强等特性 ,在防止风蚀、固土、保沙方面作用显著。试验研究表明 ,适合当地野生植物繁育的方法有 :种子繁殖、扦插繁殖、压条繁殖、块根繁殖等。     

吉林省西部沙地土壤风蚀机理分析

风蚀危害是吉林省西部沙地的主要自然灾害之一.通过典型样地调查和室内风洞试验,分析了该区沙地土壤风蚀机理.结果表明,土壤风蚀随地表粗糙度、土壤含水量和有机质含量的增加而减小,其风蚀量与地表粗糙度、土壤含水量近似地呈负指数关系,与土壤有机质含量呈负相关.风是吉林省西部沙地产生风蚀的主要源动力,当风速超过临界起沙风速时,土壤侵蚀量与风速的3次方成正比,其风蚀性气候因子为155.2,春季最大(76.2).在空间分布上,该区风蚀性气候因子和侵蚀性风能均自东向西递增,西北 部的通榆县为最大.     

集沙仪结构参数对集沙效率的影响

通过分析近年来国内外集沙仪的研究成果,确定了影响集沙仪集沙效率的主要结构参数：集沙仪进沙口的高宽比、进沙通道长度、布袋材质等。根据集沙仪性能试验要求,对不同结构参数的集沙仪进行了风洞性能试验。试验结果表明：在6、9 、12、15、18 m/s 5个风速下,集沙仪对0.15～0.60 mm粒径土样的平均集沙效率高于混合土样和0.15 mm以下粒径土样的平均集沙效率,说明集沙仪更适合采集以跃移形式运动的土壤颗粒。结构因素对集沙效率影响的主次顺序为进沙口高宽比、进沙通道长度、布袋材质。进沙口高宽比是对集沙效率影响显著的结构因素。通过对试验结果的极差和方差分析,得出集沙仪最优组合的结构参数是高宽比为0.5、进沙通道长度为20 cm、白丝布,此时集沙仪的平均集沙效率为80.91%。     

Influence of pebble mulch on soil erosion by wind and trapping capacity for windblown sediment

In the semiarid region of northwest China, pebble mulches have been used by farmers for over 300 years. However, very little studies were conducted on the effect of pebble mulch on soil erosion by wind. Results of a wind tunnel simulation and a field experiment showed that pebble mulch had two functions in controlling wind erosion: first, it could prevent soil from eroding by wind; second, it could trap dust carried by wind. According to the wind tunnel simulation experiment, pebble mulch reduced wind erosion rate (g m⁻² min⁻¹) by 84–96% at the different wind velocities (10–26 m s⁻¹) in comparison with the controls. In addition, the ratio between total soil loss from the pebble-mulched soil and the bare soil was 0.06. The field study indicated that pebble mulch could trap 1.6–1.8 times more windblown sediments than the control suggesting that pebble mulch might also be effective in controlling dust storms. The grain size distribution of eroded soil showed that a lower percentage of particles in the range of >1.0 mm fractions and a higher percentage in the range of <0.05 mm fractions occurred in the pebble-mulched treatments than in the controls, while windblown sediments trapped by pebble mulches had a lower percentage of grains in the range of >0.5 and <0.05 mm fractions than that trapped by the controls.     

基于数值模拟和风洞试验的分流对冲式集沙仪结构优化设计

集沙仪是研究土壤风蚀必不可少的仪器之一,为提高集沙效率和自动采集数据的准确性,需要不断地对集沙仪进行优化设计.该文以FLUENT软件和微型风洞为试验平台,对分流对冲式集沙仪风沙分离器的排气管直径、排气管长度、排沙口直径、排沙口收缩高度进行了优化设计.数值模拟和风洞试验的结果显示:改进型风沙分离器排气口和排沙口的降速性能与原风沙分离器相比有了明显的提高,强风条件(13.8 m/s)下,排气管直径、长度均为25 mm,排沙口直径、收缩高度分别为75、15ram时,气流对集沙仪自动采集传感器的冲击力最小,排气口最高风速比原风沙分离器降低了7.47％,排沙口最高风速比原风沙分离器降低了35.59％,改进后的集沙仪集沙效率比原集沙仪提高了1.56％.     

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R~2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。     

内蒙古希拉穆仁草原风蚀水平观测研究

近年来,草原由于遭受不合理利用而严重退化、沙化,风蚀愈加严重。采用集沙仪和移动式风洞模拟相结合的方法,对位于阴山北麓中部的希拉穆仁草原风蚀特征进行了连续6 a的观测研究。结果表明:(1)植被是控制风蚀的决定性因素,并且植被高度对风蚀的抑制作用强于植被盖度。(2)研究区风蚀模数在围封初期很高,达到1313.7 t/(km²·a),随着植被的改善,草原风蚀逐年下降。(3)风蚀物以细沙粒为主,含量占60%以上。该地区每风蚀1000 kg土壤,同时就损失15 kg有机质,227 g速效氮,262 g速效磷和120 g速效钾,肥力损失量惊人。保护基本草原,恢复退化草地,是防治草地风蚀的最根本途径。     

基于粒度对比法的坝上农田风蚀与粉尘释放量估算

为了计算当前年内的农田风蚀量,该研究利用农田耕作层土壤粒度组成较均一,风蚀使表层可蚀性颗粒减少,不可蚀颗粒含量相对增加这一特点,通过比较一个风蚀季结束后,农田耕作层表层与下层可蚀性颗粒与不可蚀颗粒相对含量的变化,提出了一种估算当前年内土壤风蚀量和粉尘释放量的方法,并给出了风蚀量与粉尘释放量的计算公式。利用此方法对河北坝上地区主要农田类型土壤风蚀量和粉尘释放量进行计算。计算结果表明,2013年研究区农田风蚀量为960～5700 g/(m2·a),平均为2852.14 g/(m2·a),平均风蚀深度为0.21 cm/a,从强度上划分属于重度风蚀。农田平均粉尘释放量为768.16 g/(m2·a),约占农田平均风蚀量的29.00%。粉尘释放量与风蚀量之间有显著的线性相关关系,翻耕耙平地的风蚀量和粉尘释放量显著大于留茬地。该方法的估算结果与前人采用其他方法得到的结果以及实地观测得到的结果基本吻合。     

Nutrient dynamics—wind and water erosion at the village scale in the Sahel

The loss of nutrients by wind erosion is generally attributed to losses by suspension, since suspension selectively removes the finest particles. However, because the main mass of sediment is moved by saltation during an event, the main mass of nutrients is also moved by saltation. Nutrient losses from one field during one wind erosion event can be as high as 73 per cent of the N and 100 per cent of the P needs for crop production. Vegetated areas have a higher dust deposition because of the filtering effect of the vegetation and the reduction of drag forces causing a higher deposition. This refutes the general assumption that deposition of suspended dust is homogeneous for a larger area. In the Sahel, two types of dust can be distinguished, the Harmattan dust is richer in nutrients and regarded as a real input of nutrients. The convectional storm dust has a nutrient content comparable with the nutrient content of the dust fraction of the topsoil and can't be regarded as input of nutrients. From research on nutrient losses by water erosion at the plot scale, it is concluded that nutrient erosion by water can cause serious losses of nutrients. But at the village scale, the losses are considerably smaller than at the plot scale. Measurement and subsequent nutrient budget analyses around the village Dangadé in Burkina Faso indicated that this area is especially vulnerable for wind erosion by saltation transport. This demonstrates that in the Sahelian environment, the effect of wind erosion at the village scale can't be ignored. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

延怀盆地不同土地利用类型土壤风蚀物特征

研究延怀盆地典型土地利用类型地表土壤风蚀物分布特征,可为了解该区域风蚀过程、改善生态环境提供数据支撑。以怀来县为研究对象,采用野外监测和室内分析相结合的方法,分析了葡萄、果桑、欧李、玉米免耕、玉米翻耕5种土地利用类型在冬季休耕期(上年11月—次年2月)和春季备耕期(3—5月)风蚀物质量、粒径及碳氮含量随高度的变化特征。结果表明:(1)欧李与玉米翻耕地土壤风蚀物质量分数垂向分布遵循幂函数递减规律; 果桑、葡萄与玉米免耕地土壤风蚀物质量分数在监测高度范围内随高度增加无规律性变化。(2)春季备耕期5种土地利用类型输沙通量均高于冬季休耕期。(3)冬季休耕期5种土地利用类型风蚀物的粒径范围集中分布在500～2 μm; 春季休耕期5种土地利用类型风蚀物的粒径范围集中分布在250～2 μm。(4)5种土地利用类型冬季休耕期风蚀物碳氮含量高于春季备耕期。风蚀物质量、碳氮含量及粒径的垂直分布受土地利用类型和人为活动的影响,其中人为活动对输沙通量影响较大,因此在该区域土壤风蚀防治过程中可以采用构建防风草篱、合理调整土地利用布局的方式,达到降低近地表风速、拦截风沙的作用。     

利用风洞实验研究~7Be示踪估算土壤风蚀速率的可行性

以黄土高原水蚀风蚀交错带沙黄土为研究对象,利用室内风洞模拟实验对7Be示踪估算土壤风蚀速率的可行性进行探讨。由于风蚀过程易带走土壤细颗粒,且7Be在土壤细颗粒中含量较高,所以利用7Be水蚀模型计算的土壤风蚀速率高于实测值。实验中发现样点风蚀后和风蚀前土壤颗粒比表面积之比与样点风蚀后7Be含量之间存在幂函数关系,基于此,提出颗粒校正系数(P)的计算式,并将P引入到7Be水蚀模型对其进行修正。计算分析发现,和实测值相比,利用修正模型计算的土壤风蚀速率误差均不超过5%,这说明经过修正的7Be水蚀模型能较准确地估算土壤风蚀速率,利用7Be示踪技术估算土壤风蚀速率是可行的。研究为进一步利用7Be示踪技术调查黄土高原水蚀风蚀交错带土壤风蚀问题奠定了基础。