土地沙漠化過程中的風(fēng)蝕效應(yīng)研究.pdf

1、土地沙漠化是當(dāng)今世界所面臨的主要生態(tài)問題之一。風(fēng)蝕活動(dòng)作為沙漠化過程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)，自20世紀(jì)初開始就一直是學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。但縱觀目前關(guān)于土壤風(fēng)蝕的研究?jī)?nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)研究?jī)?nèi)容較為分散，而且大都處于定性描述階段，缺乏定量研究和綜合性的分析，在測(cè)試方法上也沒有大的嘗試和突破。本文在野外實(shí)地觀測(cè)和使用便攜式風(fēng)洞進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，從土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋和微地表結(jié)構(gòu)特征對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了土壤風(fēng)蝕效應(yīng)在沙漠化過

2、程中的作用。主要結(jié)論如下： 1.不同物理結(jié)構(gòu)風(fēng)沙土的風(fēng)蝕特征。對(duì)于2種典型的風(fēng)沙土流動(dòng)風(fēng)沙土和農(nóng)田沙壤土來說，由于其在土壤粒徑組成方面的差異，風(fēng)蝕特征也不盡相同。農(nóng)田沙壤土的起沙風(fēng)速為4.1ms-1，而流動(dòng)風(fēng)沙土為4.4ms-1。2種土樣的風(fēng)蝕率隨風(fēng)速的線性增加均呈冪函數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。在約6.5ms-1以下風(fēng)速段，農(nóng)田沙壤土的風(fēng)蝕率大于流動(dòng)風(fēng)沙土；當(dāng)風(fēng)速大于約6.5ms-1時(shí)，流動(dòng)風(fēng)沙土的風(fēng)蝕率開始大于農(nóng)田沙壤土，并且2種風(fēng)沙土風(fēng)蝕

3、率的差值也隨風(fēng)速的增加呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。對(duì)于不同粒徑的均勻沙物質(zhì)，起沙風(fēng)速最小的沙粒直徑為0.10～0.071m，粒徑大于或小于此范圍時(shí)，起沙風(fēng)速隨粒徑的增加或減小均有所增大。在風(fēng)蝕率特征方面。粒徑為0.10～0.071mm的沙粒其風(fēng)蝕率最大。當(dāng)土壤粒徑小于或大于此粒徑范圍時(shí)，土壤風(fēng)蝕率也隨之減小。隨著風(fēng)速的增加，在土壤風(fēng)蝕率增加的絕對(duì)量中，以0.10～0.071mm粒徑的土樣最大，隨著粒徑的增加或減小，風(fēng)蝕率增加的絕對(duì)量均趨于減小。土壤

4、含水量的增加可以顯著提高起沙風(fēng)速和降低風(fēng)蝕率。在本次實(shí)驗(yàn)所選定的土壤含水率范圍內(nèi)，流動(dòng)風(fēng)沙土的起沙風(fēng)速隨含水率的增加呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。農(nóng)田土樣的起沙風(fēng)速與含水率之間存在近似“S”型的二次函數(shù)關(guān)系。兩種土樣的風(fēng)蝕率均隨含水量的增加而減小，呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)土樣含水率達(dá)到近飽和時(shí)，風(fēng)蝕率的減小已經(jīng)很不明顯。 2.挾沙氣流對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。當(dāng)氣流中攜帶有砂粒時(shí)，挾沙氣流中沙粒對(duì)地表的磨蝕和撞擊加大了對(duì)土壤表面結(jié)構(gòu)的破壞作用，可導(dǎo)致沙壤土

5、風(fēng)蝕量的增加和起沙風(fēng)速的降低。與凈風(fēng)相比，風(fēng)沙流作用下農(nóng)田土樣的風(fēng)蝕量最大可增加4倍多。假設(shè)挾沙風(fēng)作用下的風(fēng)蝕率是由凈風(fēng)的剪切力和砂粒的磨蝕和撞擊作用的簡(jiǎn)單組合。結(jié)果顯示，在低風(fēng)速段，風(fēng)沙流因子所導(dǎo)致風(fēng)蝕量的增加隨風(fēng)速的加大增長(zhǎng)較為緩慢；在8ms-1和9ms-1的風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)蝕量的增加最為顯著；而當(dāng)風(fēng)速大于10ms-1時(shí)，由風(fēng)沙流因子所產(chǎn)生的風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增加出現(xiàn)了緩慢的下降，但總的風(fēng)蝕率仍高于凈風(fēng)蝕時(shí)的風(fēng)蝕率。這一現(xiàn)象說明，隨著風(fēng)速的

6、增加，更大比例的沙粒具有了較大的動(dòng)能，其運(yùn)行高度增加，而貼地表運(yùn)行的沙粒數(shù)量有所減少，因此對(duì)地表的影響作用減弱。風(fēng)沙流對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響作用與沙源區(qū)沙粒的粒徑組成有關(guān)，對(duì)于不同的沙粒，可能會(huì)有不同的結(jié)論。 3.草地開墾后土壤理化性狀和分形維數(shù)的變化。沙質(zhì)草地被開墾為農(nóng)田后，隨著開墾年限的增加，土壤中0～30cm深度的中砂粒和細(xì)砂粒比例增加，極細(xì)砂、粉粒和粘粒比例減少；土壤容重、比重增加，總孔隙度減小，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯下降。與未

7、開墾的沙質(zhì)草地相比，在草地開墾后下風(fēng)向所產(chǎn)生的風(fēng)蝕堆積物中，中砂粒和細(xì)砂粒分別增加了99.5﹪和68.2﹪，極細(xì)砂粒、粉粒和粘粒含量分別減少了77.4﹪、63.9﹪、83.4﹪。隨著草地開墾年限的增加，土壤的分形維數(shù)相繼減小，其中開墾10年的沙質(zhì)草地土壤分形維數(shù)從對(duì)照地的2.5167減小為2.3926。土壤分形維數(shù)與土壤中的砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、容重、比重、總孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量之間均存在線性關(guān)系。土壤分形維數(shù)很好地表征了農(nóng)田沙漠

8、化演變的程度，可作為評(píng)價(jià)沙漠化演變過程中的一個(gè)定量指標(biāo)。 4.春季農(nóng)田表面的空氣動(dòng)力學(xué)特征以及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。氣流在進(jìn)入麥田后，風(fēng)速由于受麥苗阻力的影響而產(chǎn)生衰減，其衰減過程可以用負(fù)指數(shù)關(guān)系來表述，相對(duì)來說，越接近地面，風(fēng)速的衰減幅度越大。玉米田中由于農(nóng)作物植株數(shù)量少，覆蓋度很低，其平均風(fēng)速雖然較裸地低，但相對(duì)來說減小的幅度很小。麥田的摩阻速度和粗糙度高度變化與氣流進(jìn)入麥田的距離之間遵循對(duì)數(shù)律，其增加幅度隨氣流進(jìn)入麥田距離的增加而趨

9、于減小，至某一深度后趨于穩(wěn)定；玉米田的摩阻速度和粗糙度高度變化均較麥田為低，隨深入玉米田距離的增加呈線性關(guān)系增加，但增加緩慢。各樣地風(fēng)沙流分布的垂直結(jié)構(gòu)特征表明，在大風(fēng)天氣情況下，在麥田中近地表的沙通量垂直廓線偏離指數(shù)規(guī)律，玉米田和裸地表面處于風(fēng)蝕活動(dòng)階段，而麥田表面無風(fēng)蝕現(xiàn)象。因此，為了有效地防治風(fēng)蝕現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，在我國(guó)的風(fēng)蝕地區(qū)，應(yīng)進(jìn)行必要的農(nóng)作物品種結(jié)構(gòu)的調(diào)整以控制風(fēng)蝕現(xiàn)象的發(fā)生。 5.天然植被對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。天然植

10、被不同的蓋度和高度變化都會(huì)對(duì)起沙風(fēng)速和風(fēng)蝕率產(chǎn)生影響，但蓋度是影響其變化的最主要因子。在8ms-1風(fēng)速下，植被蓋度和高度與起沙風(fēng)速和風(fēng)蝕率之間的關(guān)系可以分別被表述為u0=3.44+0.786e0.041c+0.125h0.931和E=234.68+301.21e-0.0019c-21.67h0.18，其中u0為起沙風(fēng)速，E為風(fēng)蝕率(gm-2min-1)，c為植被蓋度(﹪)，h為植被高度(cm)。即便是較低的植被蓋度和高度，對(duì)風(fēng)蝕率和起沙

11、風(fēng)速的影響也很明顯。當(dāng)植被蓋度達(dá)到60﹪以上時(shí)，其覆蓋效果即可對(duì)地表產(chǎn)生有效的保護(hù)作用；65﹪以上的植被覆蓋度，可以保護(hù)地表在高風(fēng)速下不發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象。對(duì)于一定的風(fēng)速，保護(hù)地表免于風(fēng)蝕的臨界植被蓋度與植株的高度也有關(guān)系，高大的植株，其臨界植被蓋度可以適當(dāng)降低；而低矮的植株，相應(yīng)要有較高的臨界植被蓋度。 6.耕作方式對(duì)風(fēng)蝕的影響。與傳統(tǒng)的耕作方式相比，免耕和穴耕對(duì)風(fēng)蝕率的減少幅度分別可達(dá)83.4﹪和96.4﹪。土地翻耕后用直徑5cm

12、～10cm的土塊覆蓋30﹪～60﹪的耕作面積，可以減小土壤風(fēng)蝕率約32.7﹪～61.8﹪。農(nóng)作物收獲后保留較高的殘茬蓋度和高度可以起到減小農(nóng)田風(fēng)蝕率的作用，其數(shù)量關(guān)系可表述為E=0.413-0.085c-0.002h，其中E為風(fēng)蝕率(tha-1h)，c為殘茬蓋度，h為殘茬高度。從表達(dá)式中可以明顯看出，殘茬蓋度的影響作用要大于殘茬蓋度。在翻耕地、未翻耕裸地和不同的農(nóng)作物留茬地中，摩阻速度由高到低的排列順序是：玉米殘茬地＞翻耕裸地＞蕎麥殘茬

13、地＞黃豆殘茬地＞未翻耕裸地；粗糙度高度由高到低的排列順序是：玉米殘茬地＞翻耕裸地＞蕎麥殘茬地、黃豆殘茬地＞未翻耕裸地；風(fēng)蝕率由高到低的順序是：黃豆殘茬地＞蕎麥殘茬地＞玉米殘茬地。 7.風(fēng)沙土土壤結(jié)皮的抗風(fēng)蝕特性。在科爾沁沙地，分布有較為廣泛的物理性結(jié)皮和生物性結(jié)皮。在半流動(dòng)沙丘上僅分布有物理性結(jié)皮，在半固定沙丘和固定沙丘中既有物理性結(jié)皮，又有生物性結(jié)皮；丘間低地主要以生物性結(jié)皮為主，而丘間洼地基本都是生物性結(jié)皮。從半流動(dòng)沙丘、半

14、固定沙丘、固定沙丘、丘間低地到丘間洼地，結(jié)皮中的有機(jī)質(zhì)含量、厚度和土壤緊實(shí)度依次增加，并且三者之間均存在正相關(guān)關(guān)系，但結(jié)皮厚度和土壤緊實(shí)度之間的相關(guān)性最好。在流沙表面由于降水而快速形成的土壤結(jié)殼，僅略微提高了土壤的起沙風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速增加后，風(fēng)蝕率與流沙無差別。在便攜式風(fēng)洞內(nèi)25cm高處12ms-1風(fēng)速的凈風(fēng)吹蝕下，物理性結(jié)皮和生物性結(jié)皮表面均無風(fēng)蝕現(xiàn)象發(fā)生。但在挾沙氣流的作用下，物理性結(jié)皮和藻類生物性結(jié)皮表面均出現(xiàn)了風(fēng)蝕現(xiàn)象，而苔蘚結(jié)皮表

15、面無風(fēng)蝕，相反有積沙出現(xiàn)。物理性結(jié)皮和生物性結(jié)皮均有很強(qiáng)的抗風(fēng)蝕性，但結(jié)皮在受到外力影響出現(xiàn)破損后，其抗風(fēng)蝕性因結(jié)皮破損率的不同而發(fā)生了不同的改變。在結(jié)皮破損后，結(jié)皮表面的風(fēng)蝕率隨破損率的增加而呈冪函數(shù)關(guān)系增加的變化趨勢(shì)，且其增加的倍數(shù)由低向高的趨勢(shì)是苔蘚結(jié)皮大于藻類結(jié)皮，藻類結(jié)皮大于物理性結(jié)皮。在高風(fēng)速下，風(fēng)蝕率對(duì)結(jié)皮破損率的響應(yīng)要較低風(fēng)速敏感，而在高風(fēng)速下的風(fēng)蝕率也要明顯大于低風(fēng)速。土壤結(jié)皮抵御風(fēng)蝕可忍受的最低破損率因風(fēng)速的不同而有

16、差異。在較低的風(fēng)速下，結(jié)皮可以忍受較高的破損率；而在較高風(fēng)速下，土壤結(jié)皮需要較高的完好率才能抵御風(fēng)力侵蝕。同時(shí)，不同的結(jié)皮類型所能忍受的破損率也不相同，藻類結(jié)皮所能忍受的破損率要較物理性結(jié)皮高，而苔蘚類結(jié)皮又要高于藻類結(jié)皮。 8.沙丘前移極其高度變化。從半固定沙丘，經(jīng)半流動(dòng)沙丘至流動(dòng)沙丘階段，沙丘的高度變化和移動(dòng)速度急劇增加，沙丘表面特征處于劇烈的變化當(dāng)中。半固定沙丘的丘頂高度年平均下降0.4cm，半流動(dòng)沙丘為2.5cm；流動(dòng)沙

17、丘為4.9cm。其中在流動(dòng)沙丘頂部，伴隨強(qiáng)烈的風(fēng)蝕活動(dòng)，個(gè)別測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的砂粒沉積現(xiàn)象。從半固定沙丘開始，經(jīng)半流動(dòng)沙丘發(fā)展為流動(dòng)沙丘，沙丘高度變化幅度呈幾何級(jí)數(shù)增加。半固定沙丘的年平均前移距離僅為0.5cm，至半流動(dòng)沙丘階段增加為3.3cm，增加了5.6倍；至流動(dòng)沙丘階段，沙丘的年平均前移距離為7.7cm，最大前移距離達(dá)到了16.2cm，前移距離較半固定沙丘增加了14.4倍。；從半固定沙丘，經(jīng)半流動(dòng)沙丘發(fā)展為流動(dòng)沙丘，沙丘前移距離也呈