用风洞实验方法计算土壤风蚀量的时距问题

通过对延津县沙质壤土原状土进行风蚀风洞模拟实验，探讨了土壤风蚀量计算中的时距问题。结果表明，前人使用“风蚀模数”概念来计算土壤风蚀量会导致较大误差，原因在于同一风蚀事件中单位时间内的风蚀量随吹蚀时间的延续而递减，在风洞实验计算风蚀量时使用“累积风蚀量”概念将会有更精确的结果。

风沙流的输沙率沿程变化规律

将风力作用下的地表侵蚀分解为气流直接侵蚀和跃移沙粒冲击侵蚀两个部分,在冲击侵蚀率中考虑颗粒与床面之间以及颗粒之间碰撞影响的前提下,结合地表蚀积平衡方程从理论上导出了风沙流的输沙率沿程变化公式。公式的预测值与实测资料吻合较好。以该公式为基础,进一步得到了流体侵蚀率、冲击侵蚀率和总侵蚀率各自沿程的理论变化表达式以及饱和路径长度公式,并且发现流体侵蚀率沿程逐渐减小,而冲击侵蚀率和总侵蚀率沿程变化规律都是开始时增大、然后减小,存在极大值;流体侵蚀累积量在总累积侵蚀量中所占的比例并不是固定不变,而是随气流速度的增大而增大。

缩尺沙丘演化特性的风洞实验研究

以风洞实验为手段,从俯视和侧视2个角度采用光学测量同步记录、分析了缩尺沙丘的演化特性。结果表明:在风蚀沙床提供沙补给的情况下,缩尺沙丘的形态逐渐向新月形沙丘演化;沙丘的侵蚀主要发生在背风面,侵蚀程度随沙丘宽高比的减小而增大,迎风面仅在演化的初始阶段略有侵蚀,随后廓线基本保持不变;在同一时刻背风面和迎风面的侵蚀率均随沙丘宽高比的减小而增加,且随时间的推移逐渐降低,侵蚀率在背风面趋于定值,在迎风面逐渐逼近0。对沙丘宽高比进行关联性分析表明,沙丘的侵蚀程度和宽高比呈现单调变化关系,宽高比可作为参数独立描述沙丘的演化特性。

3类典型株型草本植物对沙面风蚀抑制作用的研究

植物自身具有维持生境稳定性的独特功能,而植物株型为主要作用要素之一。研究不同株型草本植物在沙质荒漠地区的地面抗风蚀作用,可以为制定生态恢复措施提供重要的科学参考。通过风洞实验,对3种植物株型(匍匐状、球状、丛状)的草本植物在5种覆盖度(25%、30%、35%、40%和45%)条件下的沙面风蚀率进行了测定,并分析了各株型的风蚀抑制率。结果表明:(1)3种株型草本植物随覆盖度增加,空气动力学粗糙度和对风速的削减均逐步增加。在覆盖度较低时,不同植物株型之间的风蚀抑制率差异较大,球状和匍匐状植物株型固沙能力相对较高,而丛状植物株型固沙能力相对较低;较高风蚀抑制效率植物株型可以达到较低风蚀抑制效率植物株型在较高覆盖度条件下的固沙效果。(2)在覆盖度30%时,匍匐状和球状植物的风蚀抑制效率分别为47.55%、55.70%,分别接近丛状植物覆盖度40%(48.46%)和45%(56.94%)的风蚀抑制效率。(3)3种株型草本植物的风蚀抑制效率均随覆盖度增加而增加,覆盖度越小,三者差异越大,反之覆盖度越大差异越小;3类植物株型的风蚀率匍匐状最低,球状次之,丛状最高;风蚀抑制效率匍匐状最高,球状次之,丛状最低。

碳酸钙含量对土壤风蚀强度的影响

研究选取内蒙古东部的两种土壤,经过后期的培育使土壤中的CaCO_3含量分别达到0%,2%,5%,8%,10%,通过风洞试验分析了CaCO_3含量与起动风速、风蚀速率之间的关系。结果表明:(1)随着CaCO_3含量的增加,土壤的起动风速呈现先增加后减小的趋势,当土壤中的CaCO_3含量约为5%时,起动风速达到最大;(2)不论土壤中CaCO_3含量如何变化,风蚀速率都随着风速的增大而增大,但不同风速下,当CaCO_3含量约为5%时,风蚀强度最小,风蚀强度随风速的变化趋势较平缓;(3)风蚀速率与CaCO_3含量的关系符合二次函数。当碳酸钙含量约为5%时,风蚀速率较小,但由于土壤性质的差异,两种土壤累积风蚀强度不同;(4)将土壤中的CaCO_3含量控制在5%左右,风速降低到10m/s以下时,对防治草原地区土壤风蚀有显著的效果。

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、0～20cm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是旱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。

京郊延庆农田保护性耕作措施对土壤风蚀的影响

探究保护性耕作措施对京郊农田土壤风蚀的影响和防控作用等。野外采集京郊延庆地区几种典型农田(传统翻耕、玉米留茬、玉米留茬+覆盖、玉米秸秆覆盖)的原状土进行风洞模拟试验,对不同耕作措施农田土壤风蚀规律和影响因素进行研究。结果表明:试验条件下当风速不同时,各耕作措施农田地表的风速廓线主要呈对数函数规律递增。4种耕作措施空气动力学粗糙度的大小顺序为玉米留茬+覆盖>玉米秸秆覆盖>玉米留茬>传统翻耕;土壤风蚀强度规律为传统翻耕>玉米留茬>玉米秸秆覆盖>玉米留茬+覆盖。各措施在不同风速下的输沙率以指数函数规律递减,风沙流结构以跃移质为主。风蚀物主要集中在15 cm高度范围内的近地表。在相同的风速下,较之传统翻耕措施,保护性耕作措施总体上均能减少风蚀输沙率。与传统翻耕措施相比,玉米秸秆覆盖、玉米留茬+覆盖、玉米留茬这3种保护性耕作措施均可以削弱近地表风速,减少农田土壤风蚀;因此,可以通过推广使用保护性耕作措施来降低京郊乃至华北地区农田的土壤风蚀,保护土地生产力。

黄土高原水蚀风蚀交错带迎风坡水蚀影响的风蚀特征

黄土高原水蚀风蚀交错带受水蚀和风蚀的影响,土壤侵蚀强烈,明确风水交错侵蚀特征与机理对该区域土壤侵蚀的科学防治具有重要意义。针对前人对径流方向与风向相反的交错侵蚀研究不足的现状,采用室内模拟降雨与风洞试验相结合的方法,以仅风蚀试验为对照,分析砂黄土迎风坡受水蚀影响的风蚀速率及风蚀在水-风侵蚀总量中的比例等,阐明受前期水蚀影响的风蚀特征。结果表明:1)前期水蚀对后期风蚀有极显著(P<0.01)的抑制作用。9、12和15 m/s风速下,水蚀后的风蚀速率较仅风蚀平均减小90.8%、94.3%和95.8%;2)风蚀速率明显受前期水蚀试验条件的影响,相同风速条件下,前期水蚀的降雨强度和坡度大则后期风蚀速率也大;3)相较于风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例,风蚀在水-风侵蚀总量中的比例始终更低,9、12和15 m/s风速下,风蚀在水-风侵蚀总量中的比例较风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例最大减少52%、65%和68%。前期水蚀明显抑制后期风蚀的主要原因包括水蚀改变了地表形态和地表形成的物理结皮。

塔克拉玛干别里库姆沙漠胡杨沙堆流场风洞模拟

利用全站仪及RTK对胡杨沙堆进行三维形态实测采样,以实测数据为基础,制作胡杨沙堆实验模型。在风洞中用3组不同风速(6、10、14m/s)对胡杨沙堆模型进行纯气流流场的模拟实验,结合研究区胡杨沙堆表层沉积物样品粒度分布特征,印证流场风洞模拟的准确度,并分别测定在5组不同风速(6、8、10、12、14m/s)下胡杨沙堆后100cm处的输沙率。结果表明:气流在胡杨沙堆迎风坡强度较大,沿着沙堆迎风坡加速爬升;至沙堆背风侧,气流强度明显减弱,一部分气流方向发生逆转形成强涡流区,最终在沙堆后方气流强度逐渐恢复;胡杨沙堆流场变化特征与沙堆表层沉积物平均粒径的分布特征相吻合;胡杨沙堆后方,输沙率随高度的增加呈指数函数迅速降低,风蚀输沙量为无植被时的78%,输沙量较平沙地明显减少。

苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟

生物结皮在干旱半干旱地区土壤风蚀防控中发挥着重要作用。明确生物结皮对土壤风蚀的影响,对量化风蚀预报模型中的生物结皮因子、提高模型预测风蚀的准确性和可靠性具有重要意义。本研究以苔藓结皮为例,对比了风洞试验和单次事件风蚀评估模型(SWEEP)模拟的风蚀速率与输沙率的差异,分析了苔藓结皮盖度和空间分布对土壤风蚀的影响。结果表明:(1)风蚀速率和输沙率均随结皮盖度的增加而减小,尤其是在较大风速下(15 m·s^(-1)),当结皮盖度从10%增加到80%时,风洞试验的平均风蚀速率和输沙率分别减小了98.3%和99.3%,SWEEP模拟的结果分别减小了93.2%和78.9%。(2)相同结皮盖度下,苔藓结皮分布于上风向区域时土壤风蚀速率和输沙率最小,斑块状分布次之,分布于下风向区域时最大。(3)对比风洞试验和SWEEP模拟结果,不同结皮盖度下SWEEP模拟的风蚀速率和输沙率大多显著(P<0.05)高于风洞试验结果。未来的研究应在风蚀预报模型中构建生物结皮因子影响风蚀速率的定量表达,以提高模型预报风蚀的准确性。

干涸湖床不同类型盐土地表净风吹蚀实验研究

以内蒙古东乌珠穆沁旗及浑善达克沙地区域干涸湖床3种不同形态的盐土原状土为对象,通过风洞模拟实验,研究了干涸湖床不同类型盐土地表的净风吹蚀速率。对比风洞实验测定结果发现,3种盐土净风吹蚀速率依次是:蓬松盐霜盐土(14.44 g·m^-2·min^-1)>普通盐土(1.00 g·m^-2·min^-1)>结皮盐土(0.42 g·m^-2·min^-1)。风蚀过程中,不同类型盐土的近地表物质输移主要集中分布在0~10 cm的高度范围内,初始运动中,实验盐土风蚀颗粒物质以就地滚动和近距离跃移为主。实验观测发现,随着风速的增大,更多、更大的表面物质会受到更强烈的撞击与磨蚀作用,形成较细小的粉尘物质释放于空中,因此,干旱区盐土地表是形成区域盐碱浮尘或含盐沙尘天气的重要物源。不同类型盐土近地表物质输移总量从大到小依次是:蓬松盐霜盐土(3.17 g)、结皮盐土(0.42 g)、普通盐土(0.35 g)。