科爾沁沙地兩種風黏土風蝕特征對比研究

科爾沁沙地兩種風黏土風蝕特征對比研究

風蝕是指特定風速的氣流影響土壤或土壤的母質，導致土壤顆粒位移，破壞土壤結構，導致土壤材料損失。Bagnold在最早提出的風沙輸移模型中認為,風蝕率與粒徑的平方根成正比,并推斷,粒度分布范圍較廣的沙物質比均勻沙易于風蝕。Chepil通過風洞實驗,將土壤顆粒組分按其抗風蝕性的差異劃分為3類,粒徑大于0.84mm為不可蝕因子,0.42~0.84mm為半可蝕因子,小于0.42mm者為高度可蝕因子。董治寶等用風洞對不同粒度風成沙的臨界起沙風速和風蝕率進行了研究,結果表明,風成沙的風蝕可蝕性隨粒度的變化服從分段函數(shù)。在相當粒徑的條件下,混合沙粒較均勻粒徑者易風蝕。風成沙的風蝕強度與實際作用風速/啟動風速密切相關。土壤風蝕是導致土地沙漠化的主要原因和首要環(huán)節(jié)。風蝕活動使土壤有機質被吹失,土壤肥力下降,導致土地粗化,保水、保肥能力降低,生產力下降。影響土壤風蝕的原因是多方面的,就土壤因素來說,不同組分、粒徑組成、團粒結構、含水率等的土壤,對風蝕的響應是不同的。而對處于農牧交錯帶科爾沁沙地的兩種主要風沙土耕作農田和流沙地的土壤來說,其風蝕特性也有差異。但目前對這兩種風沙土風蝕特征的認識并不完全一致,其原因主要在于觀察者或者只著眼于土壤臨界起沙風速的不同,要么只注意到了風蝕速率對風速的響應。本文結合土壤含水量,通過對科爾沁沙地兩種典型風沙土的風蝕特征所進行的對比研究,探討了不同風沙土的風蝕特性,并對導致其不同風蝕結果的原因進行了分析。1實驗方法1.1洞穴內風速的控制本次實驗是在便攜式風洞內進行的。風洞由穩(wěn)壓器、風速調控裝置、軸流風機、整流網、實驗段和風速測量裝置等組成。風洞內風速由變頻器控制電機轉速進行調控,實驗段分為3部分,每段長1m,寬、高均為0.5m,樣本放置在風洞出口附近,在風機出口和實驗段末尾安裝整流紗網,與平鋪在實驗段底部起阻尼作用的尼龍?zhí)号浜蟻砜刂骑L速廓線,使之與自然風狀況下的風速廓線相近。使用QY-200型傾斜壓力計和S型皮托管測定動壓,根據(jù)柏努利方程,計算當前環(huán)境下的風速值。1.2土樣、流動沙丘土樣的組成科爾沁沙地屬溫帶大陸性半干旱氣候,地貌以平緩起伏的沙丘為主,流動沙丘、沙質草甸和耕地相間分布。實驗土樣取自科爾沁沙地的奈曼旗境內。該區(qū)地帶性土壤主要是沙質栗鈣土,遭風蝕活動破壞后退化為風沙土,沙土基質分布廣泛,有機質含量低,結構松散,抗風蝕能力弱。流動沙丘土樣取自無植被覆蓋的流動沙丘,農田土樣來自耕地。雖然兩種土樣均屬風沙土,但在粒徑組成上卻有較大的不同。其粒徑組成見表1。1.3實驗方法1.3.1土樣的吹蝕實驗將測試土樣先在室外陽光下進行風干,實驗前用烘干法測定其含水量,然后在不同風速下對風干土壤樣本進行吹蝕實驗。根據(jù)所測含水量,按實驗要求加入所需水量,配置不同含水量的實驗用土,攪拌后裝入塑料袋中,放置24h,其間不定時翻動塑料袋,使水分均勻地與土樣結合,達到與自然狀況下的物理結構相近似的目的。實驗前,再測定土樣的實際含水量,對不同含水量的土樣進行吹蝕實驗。實驗時將2種土樣分別裝入長40cm,寬20cm,高5cm的沙盤,并排放置在風洞內進行吹蝕實驗,以樣本上方25cm高處的風速作為代表性風速。1.3.2起沙風速及風蝕量的測量測定臨界起沙風速時,按照Musick和Trujillo的實驗方法,在土樣后放置一條白色的膠帶,當觀察到膠帶上有吹蝕掉的顆粒物存在時,記錄動壓值,換算為臨界起沙風速。風蝕量由吹蝕前后沙盤中土樣的質量差確定,沙盤用1/100g感量的天平稱量。根據(jù)沙盤面積換算為每1min、每1m2的數(shù)值(風蝕率)。吹蝕時間隨風速的增加依次遞減,以保證風蝕過程的一致性。2結果2.1風速對農田土樣風蝕的影響風蝕率的大小受很多因素的影響,而對土壤來說,最直接和常見的是土壤水分的變化。在科爾沁沙地,風蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在春季。這個時期由于降水稀少,表層土壤已完全解凍,處在風干狀態(tài)下,因此,分析風干狀態(tài)下土樣風蝕率隨風速的變化非常重要。流沙土樣的實測含水率為0.91%,農田土樣的含水率為1.41%。從圖1中可以看出,在風干狀態(tài)下,2種土樣的風蝕率隨風速的增加均呈冪函數(shù)關系增長,單位風速增加引起的風蝕率的增加值隨著風速的增大而迅速增加。農田土樣在風速大于3.7m/s時已經有風蝕現(xiàn)象發(fā)生,但流沙土樣的臨界起沙風速是4.3m/s。在低風速下,農田土樣的風蝕率要大于流沙土樣,但其差異隨著風速的增加而逐漸減小。當風速增加至6.1m/s附近時,流沙土樣的風蝕率已經大于農田土樣,并且其差值也隨著風速的增大而增加。因此,從風蝕率的角度來說,流沙土樣在低風速段時的可蝕性要小于農田土樣,而在高風速時要比農田土樣更易風蝕。2.2含水率對風蝕量的影響在風速為8m/s(中心25cm高處)的凈風吹蝕下,兩種土樣的風蝕量均隨含水量的增加而減小,呈負冪函數(shù)關系。在風蝕量隨含水量減小的過程中,起初隨著含水量的增加,風蝕量急劇減小,這種減小的幅度會隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達到近飽和時,風蝕量的減小已經很不明顯,從圖2中可以看出,曲線已變得比較平直。雖然2種土樣的風蝕量隨含水率的變化具有相同的趨勢,但2種土樣又有各自不同的特點。首先是流沙土樣對含水率的響應要更敏感一些,在開始時少許的水分增加,所引起風蝕量的減小要比農田土樣更大;二是流沙土樣在含水率2%附近時,風蝕量已減小到一個很低的程度,由含水率0.91%時的7.17kg/(m2·min)減小到含水率2.04%時的0.22kg/(m2·min),減小了97.0%;農田土樣的這一轉折點在含水率4%附近,風蝕量由含水率1.41%時的5.22kg/(m2·min)減小到3.83%時的0.26kg/(m2·min),減小了94.9%;三是2種土樣在同一含水量情況下的風蝕量不同,耕地土樣的風蝕量要大于流沙土樣,但隨著含水量的增加,其差異會趨于縮小。2.3臨界起沙風速臨界起沙風速也是反映土壤風蝕性的一個重要指標。臨界起沙風速高,說明土壤不易風蝕;臨界起沙風速低,則表明土壤易受風力侵蝕。臨界起沙風速的大小不僅與土壤質地有關,不同的土壤含水量,也會對臨界起沙風速產生不同的影響。從圖3中可以看出,土樣在風干狀態(tài)下,農田土樣(含水量1.41%)的臨界起沙風速為3.7m/s,而流沙土樣(含水量0.91%)的臨界起沙風速是4.3m/s。因此,就臨界起沙風速來說,土樣在風干狀態(tài)下,農田土樣要比流沙土樣更易風蝕。在相同含水量情況下,流沙土樣的臨界起沙風速要明顯高于農田土樣。流沙土樣的臨界起沙風速隨土樣含水量的增加呈線性關系增加,而農田土樣的臨界起沙風速隨含水量的增加呈二次函數(shù)關系增加,含水量對流沙土樣臨界起沙風速的影響要比農田土樣大。土壤含水量的增加增強了土壤顆粒之間的結合力,提高了臨界起沙風速,從而增強了土壤的抗風蝕能力。3風蝕率與風速的關系關于風蝕量與風速之間的關系,拜格諾首次提出沙通量與風速的3次方成正比,但拜格諾并未在公式中給出具體的系數(shù)值,其原因可能是該系數(shù)與多種因素有關,并不穩(wěn)定。因此,要確定沙通量與風速關系中的系數(shù)值,必須要通過對所在地區(qū)的風沙環(huán)境進行大量的觀察和研究才能得到。目前風蝕研究中所用風蝕率的單位是單位時間和單位面積內因受風力侵蝕所導致的土壤質量的損失,因此,現(xiàn)在關于風蝕率和風速之間相關關系的表達式,與以前的結果可能并不完全一致。由于受實驗條件的不同和被測試土樣質地差異的影響,特別是實驗室的風洞環(huán)境與野外的自然環(huán)境畢竟有差異。因此,對于兩者之間的關系所建立的表達式也有差異,但都表現(xiàn)為風蝕率隨風速的增加呈幾何級數(shù)增長,對應的回歸方程為冪函數(shù)關系或指數(shù)關系。風力對土壤表面的侵蝕過程,實際上是一個能量轉化的過程。風具有一定的動能,大小與風速的平方成正比。風通過與土壤表面的接觸,將一部分動能傳遞給了土壤顆粒,使不同粒徑的顆粒物產生了不同的運動形式,即蠕移、躍移和懸移,也就是說運動的土壤顆粒因此具有了動能和勢能,同時由于土壤顆粒之間的相互碰撞和與空氣的摩擦,而因此會有熱能的增加。由于湍流的影響和土壤顆粒運動過程的復雜性,期間能量相互轉換的過程也非常復雜,特別是期間的數(shù)量關系變化。但無論如何,一切都起因于風的動能傳遞,因此可能是這種機制導致了風蝕量與風速之間的冪函數(shù)關系。我們發(fā)現(xiàn),對于不同的土樣,回歸分析中的系數(shù)也不盡相同,原因在于不同條件的土樣,風蝕率對風速的響應不同。雖然農田土樣和流沙土樣的風蝕率均隨著風速的增加呈冪函數(shù)關系增長,但也存在著明顯的不同。首先是土壤在風干狀態(tài)下,農田土樣在風速約3.7m/s時開始有風蝕現(xiàn)象發(fā)生,但流沙土樣的臨界起沙風速是4.3m/s。起初隨著風速的增加,農田土樣的風蝕率要大于流動沙丘土樣。但隨著風速的繼續(xù)增加,流沙土樣的風蝕率反過來又大于農田土樣。這一轉折點可以通過求解兩條回歸方程相等時的X值來得到,通過計算,這兩條曲線的交叉點大約在風速5.7m/s附近。同時也可以發(fā)現(xiàn),風蝕率的增加對風速的響應在較低風速段表現(xiàn)得并不很敏感,但隨著風速的逐漸增加,風蝕率增加迅速。并且兩種土樣風蝕率的差值也隨著風速的增加而加大。兩種土樣在風蝕率方面所表現(xiàn)出來的差異,主要是兩種土樣的質地不同所決定的。按照董治寶等對不同粒度特征風成沙可蝕性的研究,<0.05mm粒徑的土壤顆粒屬難蝕顆粒,這部分土壤顆粒屬于美國農部制土壤粒級分類中的粉粒和粘粒。在這兩種土樣中,屬于難蝕顆粒的比例,流沙土樣僅為2.11%,而農田土樣高達29.14%。因此,總體上說,流沙土樣的風蝕率要大于農田土樣。至于在低風速段所表現(xiàn)出的農田土樣的風蝕率大于流沙土樣的情況,仍然與土壤的結構有關。要使土壤顆粒產生移動,就必須使顆粒物獲得一定的動能,而細小顆粒由于具有較小的慣性,因此,受到較小風速的影響就可以產生運動,而大顆粒的啟動則需要獲得較大的動能。而在兩種土樣中,農田土樣擁有更多的細小顆粒,因此,在低風速段表現(xiàn)為農田土樣的風蝕率高于流沙土樣。而隨著風速的進一步加大,土樣顆粒所獲得的能量均足以使所有粒徑的顆粒物產生運動。而粒徑在0.40~0.075mm范圍的顆粒物屬易蝕顆粒,流沙土樣含有96%以上該區(qū)間的顆粒物,農田土樣則不到69%。因此,表現(xiàn)為流沙土樣的風蝕率高于農田土樣。流沙土壤與農田土壤在臨界起沙風速方面所表現(xiàn)出來的差異性,實際上也是由其土壤粒徑不同決定的。據(jù)拜格諾的研究,起動風速最小的石英砂粒的粒徑為0.08mm左右。在我們所測試的土樣中,0.10~0.05mm范圍內的砂粒,流沙土樣只占總量的1.58%。并且,由于在流沙土樣中,較為細小的土壤顆粒通常黏附在較粗砂粒的表面,需要受到較大的外力才能產生運動,因而含粗粒成分較多的流沙土樣,其臨界起沙風速相對較高。而農田土樣0.10~0.05mm范圍的砂粒比例高達43.45%,這也說明農田土壤的臨界起沙風速應該低于流沙土壤,而我們的實驗結果也與此相符。胡孟春對不同粒徑土壤進行的對比實驗表明,在相同風速下,粉砂風蝕量僅為中細砂風蝕量的1/1089。我們的結果也表明,在同樣的風干情況下,含有粉砂粒較多的農田土壤,其風蝕量要小于含粉砂粒較少的流沙土壤。增加土壤含水率能大大降低風蝕量。土壤風蝕量與含水率之間存在負冪函數(shù)關系,但流沙土壤對含水量的響應要比農田土壤更敏感。流沙在含水率降到2%附近時,風蝕量已經很小,再增加含水量,風蝕量已不會有明顯變化,但農田土壤的這一臨界點在4%含水率附近。兩種土樣在不同含水量情況下所表現(xiàn)出的風蝕率特征的差異性,主要也是因為2種土樣的質地不同所引起的。流沙土樣主要是由中砂粒和細砂粒組成,粘粒含量很低,而農田土樣則含有更多的極細砂、粉粒和粘粒成分。這種粒徑組成上的差異導致了2種土樣飽和含水率的不同,也體現(xiàn)在風蝕量隨土樣含水率變化的差別中。土壤含水量的增加可增強土壤顆粒之間的結合力,從而增強了土壤的抗風蝕能力。但對于土壤含水量與臨界起沙風速之間的關系,目前仍有不同的結論。董治寶等認為,對于不同的風沙土,其結論可能會有所不同,并且可能與所選擇的含水量范圍有一定的關系。在本次實驗所確定的含水率范圍內,流沙土壤的臨界起沙風速與含水率之間存在線性關