保护性耕作对农田土壤风蚀影响的室内风洞实验研究

保护性耕作能够有效减少农田土壤风蚀。通过室内风洞实验,定量分析不同作物留茬、不同秸秆覆盖量对安塞黄绵土风蚀作用的影响。结果表明:(1)小麦留茬、玉米留茬以及秸秆覆盖都可以有效的减少风蚀。小麦秸秆覆盖量为4 210kg/hm2时土壤抗风蚀效率最高,达到95.9%;(2)风蚀量与风速成正相关关系,风蚀量随风速的变化均存在突然增大的转折点且30cm小麦留茬的转折点会明显滞后于30cm玉米留茬和裸土,30cm小麦留茬的抗风蚀效率要好于30cm玉米留茬;小麦秸秆覆盖量越大,抗风蚀效率越好;(3)随着高度的增加风蚀量逐渐减小,超过90%的风蚀量都集中在0～36cm高度范围内。随着风速的增大,0～10cm风蚀量所占比例会逐渐增加。     

作物残茬对农田土壤风蚀的影响

通过对不同留茬高度对地表风速的影响以及留残茬(保护性耕作主要方式)、旋耕和常规翻耕3种耕作方式对土壤风蚀的影响进行比较研究,得出如下结果:留茬高度对地表风速的影响程度不明显,仅与地面有无留茬有关,留茬20cm左右即可有效降低地表风速,减少田间扬沙,抵抗土壤风蚀,是比较适宜的留茬高度;留茬(保护性耕作)、旋耕和常规翻耕3种耕作方式对田间扬沙情况的影响差异明显,其中在60cm高度以内,留茬比常规翻耕减少田间扬沙量34.9%,比旋耕方式减少61.5%,因此,留茬(保护性耕作)是一种有效防止农田土壤风蚀的耕作方式。     

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.     

高寒地区不同土地利用方式对土壤抗风蚀能力的影响

采用风洞实验对祁连山东段天祝高寒地区天然放牧草地、退耕自然恢复草地、翻耕地、免耕留茬地和人工种植多年生草地5种土地利用方式下的原状土抗风蚀能力进行了研究。结果表明,多年生草地的临界侵蚀风速最大,免耕留茬地和天然草地次之,翻耕地和退耕自然恢复地最小;风蚀速率与风速变化成正相关,随着风速增大,风蚀速率相应增加;风蚀速率和风速变化服从幂函数变化关系。在近地表0-20cm范围内,降尘量总量依次为退耕自然恢复地翻耕地天然放牧草地多年生草地免耕留茬地;土壤抗风蚀能力表现为退耕自然恢复地天然放牧草地多年生草地免耕留茬地翻耕地。     

油葵秆生物篱和作物残茬组合抗风蚀效果研究

土壤风蚀是干旱半干旱地区主要的土地退化过程，在最不适宜种植乔木防风林的半干旱农牧交错带地区，生物篱是一种有效的风障形式，它能减轻风速从而减轻风蚀。试验结果表明，在近地面(距地面5 cm)生物篱保护下的留茬地风速比对照裸地近地面平均降低81.25％，风蚀量减少53.96％；在篱高或茬高0～5倍范围内，随着离生物篱或留茬的距离增大，生物篱的保护作用逐渐增强，贡献率逐渐增大，更远则保护作用下降。在与不同作物残茬的组合中，生物篱与草谷子留茬组合下的抗风蚀效果更为突出，其次是油菜茬，最后是苜蓿茬，并且得出在残茬影响下，风速随高度递增的变化规律都符合指数递增规律，相关系数都达到0.84以上。     

农牧交错带不同农田耕作模式土壤风蚀的风洞实验研究

在农牧交错带——内蒙古自治区太仆寺旗采集的土壤样品的风洞实验研究结果表明:耕作模式的不同导致土壤风蚀状况的差异。在深松、翻耕、翻耕碾碎、小麦茬10 cm、荞麦茬10 cm、胡麻茬10 cm与无残茬等7种耕作模式的风洞实验中,翻耕碾碎风蚀速率均值最大,达到124.8 g m-2 min-1,胡麻茬最小,为15.14 g m-2 min-1,前者是后者风蚀速率的8.24倍。7种耕作模式风蚀速率均值的大小顺序为:翻耕碾碎>无残茬>深松>荞麦茬>翻耕>小麦茬>胡麻茬。结合对不同耕作模式土壤风蚀速率与风速关系的进一步分析可定量揭示出:翻耕碾碎、无残茬模式防风蚀效果最差,胡麻茬、小麦茬、翻耕模式防风蚀效果最好,深松、荞麦茬防风蚀效果居中。本文结论对农牧交错带旱作农业增强农田防风抗蚀能力有借鉴意义。     

带田残茬带宽度及高度对土壤风蚀模数影响的风洞试验

为了探究带宽和残茬高度对土壤风蚀模数的影响,利用野外移动式风洞对阴山北麓地区带田土壤风蚀模数进行了原位测试。结果表明：作物残茬带对间作翻耕地具有保护作用,土壤风蚀模数在全部留茬时最小,全部裸露时最大,残茬与耕翻裸露地间作时居中。不同残茬降低风蚀模数程度不同,莜麦茬可以降低48.92%～67.39%,油菜茬可以降低5.22%～34.36%。不同带宽和残茬高度的间作组合,土壤风蚀模数都随风速的增加而增大,呈指数曲线变化规律。在一定风速吹蚀下,残茬带宽从0.5～3.0?m变化,土壤风蚀模数随带宽的增加而减小,符合幂函数曲线变化规律;残茬高度从5～25?cm变化,土壤风蚀模数随残茬高度增加而线性降低。研究说明减少耕翻和作物留茬是控制风蚀的有效措施。     

民勤绿洲区撂荒农耕地抗风蚀效果

通过风洞试验,在5个风速下对民勤绿洲区5种不同撂荒年限农耕地的土壤风蚀速率、0—20cm风沙流结构进行了模拟观测研究。结果表明:农耕地撂荒20年后土壤风蚀速率明显增加,撂荒30,40年土壤风蚀速率是其他处理的2.40～4.97倍。不同撂荒年限土壤风蚀速率均随风速的增大呈指数函数递增,但在撂荒30,40年条件下递增较快。风速为14m/s是民勤绿洲农田土壤风蚀加剧的转折点,当风速>14m/s时,农耕地撂荒20年后的土壤风蚀速率明显高于撂荒20年内。0—20cm内,农耕地撂荒20年内和撂荒20年后输沙率与高度分别呈负线性和负指数关系,农耕地撂荒20年内0—4cm输沙量和输沙量百分比(Q0—4/Q0—20)均低于撂荒30,40年。随着撂荒年限的延长,农田表层不可蚀性颗粒(粒径≥1mm的团聚体及粗砂砾)的含量明显降低,且土壤风蚀速率随不可蚀性颗粒含量的增加呈非线性降低趋势。因此,增强民勤荒漠绿洲区撂荒农耕地抗风蚀能力需适当减少撂荒年限。     

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。     

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。     

科尔沁沙地不同风沙土的风蚀特征

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。     

挟沙风对土壤风蚀的影响研究

风沙流的危害是多方面的,不仅破坏地表结构,削弱土壤的抗风蚀性,而且影响到植物的生长,损坏工农业设施。通过在便携式风洞内模拟挟沙气流,研究了风沙流对土壤风蚀的影响。结果表明,风沙流可不同程度地降低土壤地表结构的临界起沙风速,使土壤变得更易风蚀。风沙流因子对于土壤风蚀的影响,在不同的风速段具有不同的特征。在较低风速段,风蚀量随风速增加缓慢,当风速进一步加大,风蚀量则急剧增加,其差异最多可达4倍之多;而当风速增大到10m/s以上时,风蚀量反而有所减小,说明随着风速的加大,更多的沙粒具有了更大的动能,其运行高度增加,对土壤表面的影响作用减小,但风蚀量仍大于净风时的风蚀量。由于风沙流的磨蚀和撞击作用,削弱了土壤的抗风蚀性,使土壤变得更易风蚀。因此,采取综合措施对风沙源进行彻底治理,是控制沙漠化发展,改善生态环境的关键。     

库布齐沙漠含水率对风沙运动影响的风洞模拟

采用室内分析和风洞模拟试验的方法,研究了不同风速下库布齐沙漠沙丘沙含水率对粗糙度、风速廓线和风沙流结构变化的影响。根据风洞实际动力情况,确定试验进口风速为6,8,10,12,14,16m/s;除干沙外,人工配制了含水率为0.25%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%6组不同湿度的沙样,分别开展了风洞模拟试验。结果表明,地表粗糙度随着风速的增加而增大,但随湿度的增加整体呈减小趋势;试验所包含的湿度范围内,其风速廓线均随高度呈对数分布,随风速的增大,风速廓线的对数规律越好,风速梯度逐渐减小;湿度越大输沙率随风速增加的绝对量变小,但相对量有所增加;随着湿度的增加输沙率呈整体下降趋势;不同湿度输沙率都出现随高度增加而减少的趋势,当湿度达到2.5%时,不管任何高度风蚀过程几乎停止;干沙输沙量80%集中于近地表5cm内,但随着湿度增加,5cm以上输沙率所占比重呈增加趋势,当湿度介于0.25%~1.5%时,地表5~8cm之间输沙量占总输沙率的30%以上。说明在地表含水率较高的库布齐沙漠,采用格状沙障等增加地表粗糙度的机械防沙措施能收到比西部沙漠和戈壁地区更为理想的效果,而且采用固沙措施的高度也应高于干沙地区。     

施用PAM防治松散土风蚀的机理及其抵御风沙流能力研究

采用室内风洞试验方法,研究了内蒙古西部干旱半干旱地区荒漠沙地松散土风蚀规律、风沙流对风蚀量的影响和施用PAM防治松散土壤风蚀的机理及其抗风沙流的能力。风沙流对风蚀量的影响试验,采用试样接续放置的方法,前一试样为后一试样提供风沙流;施用PAM试样抗风沙流的能力试验,采用PAM使用量为1g/m2,2 g/m2和4 g/m2等3个处理水平和0,17.6%,36.4%,7.7%等4个吹角水平。试验结果表明,相同的风速条件下风沙流对土壤的侵蚀程度比净风侵蚀程度高得多,侵蚀量显著不同;PAM用量为1 g/m2时,在7~8m/s风速的风沙流作用下只能经历5~10 min的吹蚀试样即破坏;PAM用量为2 g/m2时可以抵御8~10 m/s风速的风沙流历时30 min的吹蚀;PAM用量达4 g/m2时,可以抵御10 m/s风速的风沙流历时30 min的吹蚀试样仍未破坏,几乎可以防止自然界99%的各级风速所引起的土壤风蚀。从经济方面考虑,推荐PAM用量为2g/m2可以防止自然界中大部分风力(约97%~99%)造成的风蚀,经济上是可行的。经PAM处理的试样破坏过程和切片分析得出,在松散土表面喷施PAM之所以能够有效地防止风蚀,最根本的原因是施用PAM溶液后松散土表面可形成较厚的结皮。     

冻融作用对典型黑土土壤风蚀的影响

东北黑土区农田晚春冻融作用通过改变土壤物理性质而对风蚀作用有重要影响。基于室内冻融模拟试验与风洞试验,分析了东北典型黑土区前期冻融作用对土壤风蚀的影响。试验处理包括3个土壤含水量(16.5%,24.8%,33.0%)、3个风速(9,12,15 m/s)、1次冻融循环。试验过程是先将装有不同含水量土壤的试验土槽进行冻融循环模拟,然后将冻融后的土壤在室温下自然风干(至其土壤含水量为6.0%～7.0%)后进行风洞试验。结果表明:前期土壤冻融作用显著增加了风蚀量和输沙量,试验条件下前期土壤冻融作用使风蚀强度增加23.5%～404.2%,使平均输沙率增加59.1%～305.3%,其增加幅度受土壤含水量和风速影响。同时有、无前期冻融作用处理下,风蚀强度和风蚀输沙率皆随风速的增加而显著增加,且风蚀强度随风速的变化遵循幂函数关系。在冻融作用下,不同土壤冻结含水量下土壤风蚀强度和输沙率的增幅排序皆为16.5%33.0%24.8%。风蚀输沙率随地表高度的增加呈指数递减,风蚀输沙主要集中在距地表40 cm的范围内,且冻融作用使风蚀输沙高度增加。     

东北黑土区农田土壤风蚀的影响因素及其数量关系

为明确东北黑土区农田土壤风蚀的主要影响因素,通过室内模拟试验,对比分析了黑土在不同风速(5~14m/s)、土壤含水量(2%~11%)以及秸秆覆盖率(0~80%)下的风蚀速率差异,进而分析了风蚀速率与各因素之间的数量关系。结果表明,黑土起沙风速略大于5m/s,其风蚀速率随风速增大呈指数增加,风速14m/s(含水量2%)时的风蚀速率比8m/s时增加了11.6~42.7倍。黑土风蚀速率随土壤含水量升高呈先增加后降低趋势;在土壤含水量小于5%时随含水量升高而逐渐增加,至含水量5%时达到峰值并逐渐降低,至含水量11%时接近零。秸秆覆盖显著降低了黑土风蚀速率,二者成近似指数函数关系;秸秆覆盖率20%(含水量2%)时的风蚀速率比无覆盖减少了72.6%~92.3%,但秸秆覆盖率由20%增加至80%(含水量2%)后风蚀速率仅降低了0.02~1.20g/(m2·s),幅度有限。研究表明,风速、土壤含水量以及秸秆覆盖率均可显著影响东北黑土区农田土壤风蚀速率,其权重依次为风速土壤含水量秸秆覆盖率。     

土壤含水率及物理性砂粒含量对风蚀模数影响的风洞模拟

为了探究土壤含水率及物理性砂粒含量对土壤风蚀模数的影响,在室内风洞中在5、6、9、12、15和18m/s风速下对不同含水率(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的7种土壤(物理性砂粒质量分数的分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%)进行了10min吹蚀,在风洞轴线距出口1.2m处放置旋风式集沙仪分别测定垂直方向上10个不同高度的风蚀物收集量(高度分别为20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm),并利用MATLAB7.4.0(R2007)软件采用3次样条插值拟合法对旋风式集沙仪不同高度的风蚀物收集量进行积分,通过换算计算土壤风蚀模数E。结果表明,物理性砂粒质量分数低于40%的土壤在各种水分条件下集沙仪不同高度风蚀物收集量均很小。物理性砂粒质量分数≤20%时,风蚀物收集量在空间上符合指数函数变化规律;20%<物理性砂粒质量分数<40%风蚀物收集量在空间上利用指数函数和幂函数拟合相关性均很好,物理性砂粒质量分数高于40%后,风蚀物收集量在空间上呈现幂函数曲线变化规律。9m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点;低于临界风速,风蚀物收集量与高度符合指数曲线变化规律;高于临界风速,二者符合幂函数曲线变化规律。集沙仪不同高度的总输沙量随风速的增加而增大,二者符合指数曲线变化关系。物理性砂粒质量分数低于40%的土壤,不会有风蚀现象发生;当物理性砂粒质量分数大于40%后,土壤容易发生风蚀,而且风蚀程度随物理性砂粒含量的增加而增大,尤其当土壤含水率低于3%时,极易发生风蚀。风速越大土壤风蚀模数越大,风蚀模数与风速按照指数曲线规律进行变化。阴山北麓旱作区冬春季节土壤地表含水率一般维持在3%～4%,土壤的物理性砂粒质量分数基本在50%～80%;单纯从土壤水分和土壤物理性砂粒含量考虑,阴山北麓旱作区大部分地区是沙尘暴的发生源。     

风沙土水分抗风蚀性研究

以典型风沙土为实验材料，通过风洞模型实验探讨了风沙土水分含量临界风蚀风速及风蚀强度的影响。