室內(nèi)風(fēng)洞內(nèi)土壤風(fēng)蝕模數(shù)的影響因素分析

室內(nèi)風(fēng)洞內(nèi)土壤風(fēng)蝕模數(shù)的影響因素分析

0土壤水分成分與土壤風(fēng)蝕關(guān)系研究土壤熱侵蝕過程是可蝕性損失和原始表面不可侵蝕顆粒的聚集過程。風(fēng)蝕量的大小與風(fēng)蝕地表可蝕性顆粒和不可蝕性顆粒的相對(duì)含量有關(guān)。哈希和于愛忠等人研究了不可侵蝕對(duì)土壤熱侵蝕的影響，認(rèn)為隨著不可侵蝕含量的增加，風(fēng)蝕會(huì)減少。劉連玉在風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)室對(duì)典型半干旱地區(qū)土壤進(jìn)行了模擬測(cè)量，通過粒度分析揭示了耕地中可食性顆粒的粒徑范圍。李曉麗等人還對(duì)內(nèi)蒙古銀山北緣的煤氣區(qū)進(jìn)行了初步研究，并采用粒度比較法對(duì)烏蘭察布市四子王旗土壤的風(fēng)蝕量進(jìn)行了估計(jì)。李占宏等人認(rèn)為，土壤顆粒的分布對(duì)土壤的風(fēng)蝕有直接影響。在可蝕性粒徑上，固定沙丘和耕地的顆粒釋放較少，退化牧場(chǎng)、移動(dòng)沙丘和半固體沙丘的顆粒釋放較多。國(guó)外學(xué)者研究認(rèn)為粒徑>0.84mm的顆粒為不可蝕顆粒,粒徑≤0.84mm顆粒為可蝕性顆粒,粒徑0.05~0.50mm的土粒為最易蝕性顆粒。中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所北京風(fēng)沙課題組在研究北京平原的風(fēng)沙問題時(shí),曾將大于0.80mm的沙粒定為不可蝕顆粒,董治寶等根據(jù)野外實(shí)地觀測(cè)以及灌叢沙堆的粒度分析,將粒徑大于1.00mm的顆粒定為內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)的不可蝕顆粒。就物理性質(zhì)而言,粒徑<0.01mm的顆粒,才具有明顯的吸濕性、黏結(jié)性和可塑性,因此將粒徑小于1.00mm,大于0.01mm的顆?？醋鰞?nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)的可蝕性顆粒進(jìn)行研究,而這個(gè)粒徑范圍也正是卡慶斯基描述的物理性砂粒的標(biāo)準(zhǔn)。那么土壤發(fā)生風(fēng)蝕時(shí)是不是會(huì)因?yàn)橥寥乐形锢硇陨傲：坎煌l(fā)生有規(guī)律的變化呢?值得驗(yàn)證,但國(guó)內(nèi)外在此方面未見報(bào)道。土壤水分含量是影響土壤風(fēng)蝕的又一個(gè)重要因子,當(dāng)土壤顆粒表面附著薄膜水時(shí),水膜的靜電作用和表面張力使顆粒間的黏著力增大,具有強(qiáng)度抗御風(fēng)蝕能力。土壤水分含量不同,產(chǎn)生的土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度不同,而且土壤風(fēng)蝕量在某種程度上可能與土壤機(jī)械組成和土壤水分建立起關(guān)系。本文在室內(nèi)風(fēng)洞中對(duì)不同含水率下7種土壤樣品的土壤風(fēng)蝕模數(shù)進(jìn)行了測(cè)定,進(jìn)一步對(duì)內(nèi)蒙古陰山北麓旱作農(nóng)田耕翻土壤隱藏的潛在風(fēng)蝕問題進(jìn)行初步分析,以期為客觀評(píng)價(jià)沙塵暴的發(fā)生源提供參考。1材料和方法1.1土壤類型的選擇試驗(yàn)設(shè)想將物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為20%和80%的2種土壤作為基礎(chǔ)土樣,再人為配置物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值分別為30%、40%、50%、60%和70%5種土壤。試驗(yàn)前分別采集內(nèi)蒙古武川縣上禿亥鄉(xiāng)下勿蘭村附近的搶盤河河床新墾地和東紅勝鄉(xiāng)雙玉城村的風(fēng)積土2種自然土樣進(jìn)行不同物理性砂粒含量土樣配制,所采集的2種土樣物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.83%和77.94%,新配制的另外5種土樣未經(jīng)壓實(shí),物理性砂粒實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.31%、43.46%、52.63%、58.81%和67.96%,采用比重計(jì)法測(cè)定的不同土樣粒徑結(jié)果見表1。1.2物理性砂粒配制土壤按水分梯度設(shè)計(jì)了不同處理,其土壤含水率分別為0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%和10%,物理性砂粒含量較低的幾個(gè)土壤無法實(shí)現(xiàn)高含水率配制,水分梯度略少;物理性砂粒含量高于40%土樣無法實(shí)現(xiàn)含水率為0的配制。不同處理土樣事先放置在塑料桶中利用烘干法實(shí)測(cè)其質(zhì)量含水率,測(cè)定值高于設(shè)計(jì)土壤含水率的土樣放置在陽光下繼續(xù)曬干直至接近需要的含水率,測(cè)定值低于設(shè)計(jì)土壤含水率的土樣通過質(zhì)量換算加入適量自來水?dāng)嚢杈鶆?然后利用塑料薄膜將桶口封好靜置6h,實(shí)驗(yàn)前5min再將桶中土樣攪拌均勻?qū)崪y(cè)土樣質(zhì)量含水率作為風(fēng)洞試驗(yàn)不同處理的土壤含水率,各土樣不同處理配制的土壤含水率結(jié)果見表2。1.3土壤中風(fēng)蝕物的收集量測(cè)定試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的OFDY-1.2移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞中進(jìn)行,將土壤放置在一個(gè)裝土體積為50cm×40cm×5cm長(zhǎng)方體木箱中,土壤樣品表面與木箱齊平,然后將裝土木箱放置在風(fēng)洞試驗(yàn)段土壤槽中,使土壤表面與風(fēng)洞底部齊平,將旋風(fēng)式集沙儀放置在土壤箱后沿風(fēng)洞軸線距出口1.2m處。在5、6、9、12、15和18m/s的風(fēng)速下吹蝕10min,采用感量為萬分之一的電子天平分別測(cè)定旋風(fēng)式集沙儀垂直方向上20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm10個(gè)不同高度集沙盒中的風(fēng)蝕物收集量,各高度風(fēng)蝕物收集量的累加值即為總輸沙量。將旋風(fēng)式集沙儀不同高度風(fēng)蝕物的收集量數(shù)值借助MATLAB7.4.0(R2007a)軟件采用3次樣條插值擬合后,即可得到風(fēng)洞內(nèi)單位面積單位時(shí)間的土壤風(fēng)蝕量,即風(fēng)蝕模數(shù),然后利用SPSS14.0、EXCEL2007、SAS9.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。2結(jié)果與分析2.1風(fēng)蝕物收集量與高度的關(guān)系本研究在室內(nèi)風(fēng)洞經(jīng)過對(duì)物理性砂粒含量不同的7種土壤,在設(shè)定含水率條件(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)和6個(gè)風(fēng)速(分別為5、6、9、12、15和18m/s)共2478次歷時(shí)10min的吹蝕。根據(jù)旋風(fēng)式集沙儀不同高度風(fēng)蝕物的收集結(jié)果,發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕物收集量隨高度的增加而減少。物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%時(shí),在各種水分條件下集沙儀不同高度風(fēng)蝕物收集量均很小,幾乎不發(fā)生土壤風(fēng)蝕。物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%,風(fēng)蝕物收集量符合指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律,20%<物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40%風(fēng)蝕物收集量在空間上既符合指數(shù)變化函數(shù)關(guān)系又符合冪函數(shù)曲線變化規(guī)律,物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%,風(fēng)蝕物收集量在空間上呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線變化規(guī)律(表3)。用旋風(fēng)式集沙儀測(cè)定不同風(fēng)速(分別為5、6、9、12、15和18m/s)不同含水率(分別為0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的所有土壤樣品在垂直方向上20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm高度的風(fēng)蝕物收集量,并利用SPSS14.0軟件進(jìn)行回歸,風(fēng)蝕物收集量在空間上的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律列于表4。結(jié)果表明,9m/s風(fēng)速基本上是空間動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的臨界點(diǎn),風(fēng)速低于或等于臨界風(fēng)速,即低風(fēng)速條件下風(fēng)蝕物收集量與高度關(guān)系符合指數(shù)曲線變化規(guī)律,風(fēng)速大于9m/s后,風(fēng)蝕物收集量與高度符合冪函數(shù)曲線變化規(guī)律。分析其原因,可能與土壤顆粒運(yùn)動(dòng)形式密切相關(guān),9m/s以下風(fēng)速吹蝕時(shí)土壤顆粒主要以蠕動(dòng)和懸浮2種形式運(yùn)動(dòng),雖然風(fēng)蝕物大部分集中在近地表,但由于風(fēng)速較小,未能使土壤顆粒發(fā)生躍遷,因此20mm集沙盒收集量相對(duì)較少,總體上風(fēng)蝕物收集量與高度的擬合關(guān)系符合指數(shù)曲線變化規(guī)律;當(dāng)風(fēng)速大于9m/s后,土壤顆粒除了以蠕動(dòng)和懸浮2種形式運(yùn)動(dòng)外,增加了躍遷方式,而發(fā)生躍遷時(shí)基本為比重較大的土壤顆粒,100mm以下高度集沙盒收集到的風(fēng)蝕物質(zhì)量較大,風(fēng)蝕物收集量與高度擬合關(guān)系呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線變化規(guī)律。旋風(fēng)式集沙儀不同高度的總輸沙量隨風(fēng)速的增加而增大,二者之間符合指數(shù)曲線變化關(guān)系。土壤風(fēng)蝕過程中風(fēng)沙活動(dòng)屬于近地面運(yùn)動(dòng),張小由研究表明,1m高程內(nèi)有79.3%的沙量集中在0~10cm;何文清等對(duì)武川縣旱作農(nóng)田土壤(擾動(dòng)土)空間不同高度的集沙動(dòng)態(tài)觀測(cè)后認(rèn)為0~10cm高度范圍內(nèi)的集沙量占到總集沙量的80%左右,而且土壤輸沙量隨著風(fēng)速增大而增大,集沙量在空間上的梯度變化表現(xiàn)為單峰曲線,其中在0~4cm高度范圍內(nèi),隨著高度的增加集沙量增加,當(dāng)高度大于4cm以后,隨著集沙儀高度的增加,集沙量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì);哈斯等研究認(rèn)為土壤輸沙量隨高度增加呈下降的趨勢(shì),輸沙量隨高度變化的規(guī)律可以用冪函數(shù)近似描繪;李曉麗等研究認(rèn)為陰山北部裸露耕地輸沙主要集中在50cm高度以內(nèi),且土壤風(fēng)蝕物隨高度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)顯著減少;陳智等研究認(rèn)為無退化草地、退化草地和傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表土壤風(fēng)蝕物隨高度的變化遵循指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律,而保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕物隨高度的變化呈明顯的隨機(jī)性特征,而且認(rèn)為保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕物集中在距地表18~40cm的高度范圍內(nèi);鄒春霞等研究認(rèn)為風(fēng)蝕物躍移顆粒體主要集中在7.5~43.5cm高度,風(fēng)蝕物含量沿高度呈遞減趨勢(shì),對(duì)冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)均具有較好的相關(guān)性;劉振東等研究認(rèn)為采用覆蓋與留茬的保護(hù)性耕作措施土壤風(fēng)蝕物多集中在60cm以內(nèi),且以0~26cm高度含量居多。2.2土壤含水率對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響土壤含水率是影響土壤風(fēng)蝕的一個(gè)重要因子。當(dāng)土壤顆粒表面附著薄膜水時(shí),水膜的靜電作用使顆粒間的黏著力增大,具有強(qiáng)度抗御風(fēng)蝕能力,當(dāng)水分沿土壤毛細(xì)管上升時(shí),水的表面張力也具備很強(qiáng)的黏結(jié)力。本研究測(cè)定結(jié)果表明,風(fēng)速越大土壤的風(fēng)蝕模數(shù)越大,二者呈顯著正相關(guān),而且風(fēng)蝕模數(shù)與風(fēng)速按照下面的指數(shù)曲線規(guī)律進(jìn)行變化式中,E為風(fēng)蝕模數(shù),g/(m2·min);V為風(fēng)速,m/s;A、B為參數(shù)。各土樣不同含水率情況下風(fēng)蝕模數(shù)及其隨風(fēng)速變化的擬合關(guān)系式見表5。目前文獻(xiàn)未報(bào)道風(fēng)蝕模數(shù)大小具體劃分方法,筆者為方便分析根據(jù)風(fēng)蝕模數(shù)測(cè)定結(jié)果(表5)結(jié)合不同土樣物理性砂粒含量按照土壤風(fēng)蝕模數(shù)大小劃分為以下5個(gè)階段:無風(fēng)蝕,E≤0.2g/(m2·min);輕微風(fēng)蝕,E>0.2~1.0g/(m2·min);土壤風(fēng)蝕緩增區(qū),E>1.0~2.0g/(m2·min);土壤風(fēng)蝕增強(qiáng)區(qū),E>2.0~5.0g/(m2·min);土壤風(fēng)蝕極強(qiáng)區(qū),E>5.0g/(m2·min)。對(duì)于物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%土樣,不同水分條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的增大而增加,但土壤風(fēng)蝕模數(shù)在各種水分條件下差異不大,只發(fā)生輕微的風(fēng)蝕現(xiàn)象。對(duì)于旱作農(nóng)田,冬春季節(jié)土壤特別干旱時(shí),土壤表層含水率也能達(dá)到2%以上,而土壤風(fēng)蝕往往在春季凍融交替時(shí)比較嚴(yán)重,因此從本試驗(yàn)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)分析可知,與土樣1、2類似的土壤都不會(huì)是發(fā)生土壤風(fēng)蝕的沙塵源。就土壤物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%的5種土樣而言,土樣3在風(fēng)速>15m/s,土壤含水率≤3%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入緩增區(qū),在18m/s風(fēng)速內(nèi),不會(huì)進(jìn)入增強(qiáng)區(qū)。土樣4在風(fēng)速>15m/s,2%≤土壤含水率≤4%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入緩增區(qū);在風(fēng)速>15m/s,土壤含水率<2%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入增強(qiáng)區(qū)。土樣5在風(fēng)速>12m/s,土壤含水率≤3%和風(fēng)速>15m/s,4%<土壤含水率≤7%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入緩增區(qū);風(fēng)速>15m/s,土壤含水率≤4%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入增強(qiáng)區(qū)。土樣6在風(fēng)速>12m/s,3%≤土壤含水率≤5%和風(fēng)速>15m/s,6%≤土壤含水率≤8%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入緩增區(qū);風(fēng)速>12m/s,土壤含水率<3%和風(fēng)速>15m/s,3%≤土壤含水率<6%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入增強(qiáng)區(qū);風(fēng)速>15m/s,土壤含水率<3%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入極強(qiáng)區(qū)。土樣7在風(fēng)速>9m/s,1%<土壤含水率≤3%和風(fēng)速>12m/s,2%<土壤含水率≤5%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入緩增區(qū);在風(fēng)速>12m/s,土壤含水率≤2%和風(fēng)速>15m/s,4%<土壤含水率≤6%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入增強(qiáng)區(qū);在風(fēng)速>15m/s,土壤含水率≤4%,土壤風(fēng)蝕進(jìn)入極強(qiáng)區(qū)?？傊?土壤含水率相同時(shí),物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%的土壤,只發(fā)生輕微的風(fēng)蝕現(xiàn)象;當(dāng)物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%后,土壤臨界起動(dòng)風(fēng)速降低,容易發(fā)生風(fēng)蝕,而且風(fēng)蝕的程度隨物理性砂粒含量的增加而增大,尤其當(dāng)土壤含水率低于3%時(shí),極易發(fā)生風(fēng)蝕;土壤含水率高于7%,也只能發(fā)生微弱的土壤風(fēng)蝕。2.3物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定以物理性砂粒含量、土壤含水率和吹蝕風(fēng)速為自變量,以土壤風(fēng)蝕模數(shù)為因變量對(duì)風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸,得到風(fēng)蝕模數(shù)隨物理性砂粒含量、土壤含水率和吹蝕風(fēng)速變化的三元擬合關(guān)系式式中,X1為物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;X2為土壤含水率,%。檢驗(yàn)結(jié)果顯示,F=77.99,P<0.0001,R2=0.6711。雖然本研究對(duì)影響土壤風(fēng)蝕模數(shù)的3個(gè)因子進(jìn)行了嘗試,但室內(nèi)風(fēng)洞模擬采用凈風(fēng)吹蝕,所以自然氣候等因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響較小,而實(shí)際田間土壤風(fēng)蝕量會(huì)受到復(fù)雜多變的自然氣候因素影響,因此預(yù)報(bào)方程的普及應(yīng)用需要通過大量的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)來補(bǔ)充完善,需要進(jìn)一步深入研究。2.4土壤耕翻誘發(fā)嘴唇作用陰山北麓屬典型草原向荒漠草原過渡的土壤類型,北部和西北部為棕鈣土,南部為暗栗鈣土,中部為淡栗鈣土。質(zhì)地以砂壤土和輕壤土為主,部分地區(qū)為中壤土,按照卡慶斯基土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn),砂壤土、輕壤土和中壤土的土壤粒徑大于0.01mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在70%~90%,粒徑大于1mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%~30%,因此以物理性砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~80%來概括陰山北麓地區(qū)土壤的粒級(jí)較為客觀。由于馬鈴薯是陰山北麓旱作區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物,其種植面積占作物總播種面積的50%左右,部分地區(qū)幾乎達(dá)到70%。在陰山北麓地區(qū)種植馬鈴薯必須進(jìn)行耕翻,而在各種人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中,土壤耕翻對(duì)風(fēng)蝕及土地沙漠化的影響最為強(qiáng)烈,可使土壤風(fēng)蝕量增加11.9~132倍,何文清等通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)武川旱作研究中心耕翻地和莜麥20cm留茬地的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明翻耕地土壤風(fēng)蝕速率是留茬未翻地的25~108倍,陰山北麓多個(gè)試驗(yàn)結(jié)果也表明土壤耕翻對(duì)土壤風(fēng)蝕影響的嚴(yán)重性。土壤風(fēng)蝕除造成表層大量富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的細(xì)微顆粒的損失外,還會(huì)導(dǎo)致沙塵災(zāi)害,甚至沙塵暴。如果不考慮土壤的其他理化性狀,單純考慮土壤的機(jī)械組成和含水率,本文所配制的不同物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%的土樣基本能代表陰山北麓旱作區(qū)各類土壤,因此可以此來評(píng)價(jià)各類土壤由于耕翻誘發(fā)沙塵暴的可能性。陰山北麓旱作區(qū)土壤風(fēng)蝕多發(fā)生于冬春季節(jié),沙塵暴一般在春季土壤凍融交替季節(jié)到作物出苗增加地表覆蓋度后發(fā)生頻繁,由于這一階段降水量較少,土壤表層含水率一般維持在3%~4%,特殊干旱年份甚至低于3%。按照本文的結(jié)果18m/s以上風(fēng)速土壤風(fēng)蝕模數(shù)高于2g/(m2·min)后,才會(huì)發(fā)生沙塵暴,認(rèn)為陰山北麓旱作區(qū)大部分地區(qū)都是沙塵暴的發(fā)生源。只有表層土壤含水率高于7%時(shí),各種土壤才不會(huì)誘發(fā)沙塵暴產(chǎn)生,但這樣的含水條件對(duì)于冬春季節(jié)降水稀少,風(fēng)大風(fēng)多的陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)帶很難實(shí)現(xiàn)。由表5結(jié)果知,土壤含水率為3%~4%,物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%的土樣在風(fēng)速為18m/s時(shí),風(fēng)蝕模數(shù)介于1.439~7.751g/(m2·min),風(fēng)蝕模數(shù)隨物理性砂粒含量的增加而增大,通過單位換算后相當(dāng)于2.07×103~11.16×103t/(km2·d),如果以陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)帶每年18m/s以上風(fēng)速平均天數(shù)為32d,干旱區(qū)農(nóng)田面積151.3萬hm2計(jì)算,該地區(qū)旱作農(nóng)田如果都進(jìn)行傳統(tǒng)的耕翻作業(yè)土壤風(fēng)蝕量約為1.01×109~5.40×109t/a,所以必須采取切實(shí)可行的保護(hù)性耕作措施加以防護(hù)。3風(fēng)速與風(fēng)蝕模數(shù)關(guān)系及總輸沙量與風(fēng)速關(guān)系面物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%時(shí),風(fēng)蝕物收集量在