河西走廊绿洲外缘典型风沙防护体系的功能稳定性评估

【目的】评估中国北方防沙带核心区域——河西走廊各绿洲外缘风沙防护体系的功能稳定性,为优化防护林体系提供参考。【方法】基于风沙综合防护体系功能稳定性的定义和判据,建立河西走廊绿洲外缘风沙防护体系功能稳定性的定性评估与检验方法。【结果】河西走廊东部石羊河流域和中部黑河流域存在一些稳态和非稳态的风沙综合防护体系,西部疏勒河流域风沙综合防护体系则以亚稳态为主。【结论】河西走廊绿洲外缘东部和中部各风沙防护体系的功能稳定性差异较大,而西部地区风沙防护体系的功能稳定性差异较小。在风季前、后,稳态防护体系基本保持稳定,而亚稳态和非稳态体系不稳定。

平茬对吉兰泰盐湖花棒防护林植被特征和土壤理化性质的影响

为探究平茬措施对吉兰泰盐湖防护林植被和土壤的影响,以吉兰泰荒漠绿洲过渡带不同平茬年限(1,2,3年)的人工花棒林为研究对象,对比分析不同平茬年限的花棒林植被生长特征和土壤理化性质。结果表明:(1)平茬有利于花棒自我更新。平茬后花棒株高、基径随平茬年限增加而增大,新生枝数与之相反。(2)平茬增加林下草本生物量和草本植物多样性,不同平茬年限花棒林间植物生活型均以一年生植物和多年生植物为主。林下植被盖度、密度、株高、地上生物量、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Margalef丰富度指数均以平茬3年最高。(3)平茬初期的风蚀作用导致地表部分细颗粒被吹蚀,0—30 cm土层土壤机械组成均以细砂和中砂为主,其值为77.63%~88.02%。(4)平茬促进土壤水分蓄积,0—200 cm土层土壤含水量按平茬年限由大到小依次为3年>2年>1年>未平茬,但土壤水分稳定性变差。(5)平茬有利于土壤养分积累,花棒林下土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效磷以平茬后3年最高,较未平茬分别增加6.67%,12.90%,20.00%,115.51%,66.24%。研究结果表明适当平茬可以改善林间生境,但是在平茬初期,需要对地表进行覆盖,防止土壤水分蒸散。

典型薄层黑土区前期坡面水蚀对土壤风蚀的影响

为了探究东北黑土区水力风力叠加作用的多营力复合侵蚀机理,该研究利用直流吹气式风洞对有、无前期降雨的地表进行风蚀试验,对比分析前期坡面水蚀作用对黑土区坡耕地土壤风蚀的影响。结果显示:不同降雨强度下前期坡面水蚀作用使土壤风蚀量明显减小,即前期坡面水蚀作用对地表产生了明显抗风蚀效应。在9、12和15 m/s风速作用下,50和100 mm/h降雨强度的前期坡面水蚀作用产生的抗风蚀效率分别为68.4%~96.2%和77.2%~97.6%,且随降雨强度增加,其抗风蚀效率增大。土壤风蚀强度受前期坡面水蚀作用中降雨强度和风蚀作用风速的综合影响,降雨强度的增加对土壤风蚀的抑制效果明显。前期坡面水蚀作用降低了土壤风蚀输沙量和输沙高度,且风蚀输沙量随前期坡面水蚀作用中降雨强度的增大而减小。前期坡面水蚀作用对地表产生抗风蚀效应的主要原因一方面是前期降雨径流侵蚀作用对土壤的压实过程改变了土壤性质和地表形态,使地表土壤抗剪强度和土壤紧实度增加,从而提高了土壤结构的稳定性和抗风蚀能力;另一方面前期降雨侵蚀作用使地表土壤颗粒分散并随径流流失,减少了后期土壤风蚀的物质来源,抑制了土壤风蚀的发生。该研究结果不仅揭示了前期坡面水蚀作用对黑土区土壤风蚀的影响机制,也为针对性防治黑土坡面复合侵蚀和黑土资源的可持续利用提供了理论依据。

河北坝上地区坡面尺度土壤有机碳空间变异

土壤有机碳作为土壤的重要组成部分,其空间变异对土壤资源的合理利用、土壤碳循环等具有重要意义。选取河北坝上地区典型草地坡面,通过实地采样、试验分析、地统计与空间插值制图,探究农牧交错带坡面土壤有机碳含量空间变异特征及机理。结果表明:坡面土壤有机碳含量平均为2.72%,空间差异较大,在坡形上表现为凹坡>偏凹坡>偏凸坡>凸坡,在坡位上表现为坡下>坡中>坡上。随着深度的增加,土壤有机碳含量逐渐减少,且土壤有机碳的空间变异有增强趋势。表层变程为49.8 m,其他深度变程范围100.90~108.50 m,表明表层土壤有机碳空间自相关的距离明显小于其他深度。与较大尺度相比,该坡面尺度土壤有机碳主要受地形、土壤性质、植物根系等结构性因子影响,各层均表现出强空间自相关。地形控制着坡面的水热再分配,在其作用下土壤颗粒的流失、迁移、堆积以及根系生物量在不同深度的生长差异引起有机碳的空间变异,人类活动主要影响表层土壤。

离心机与压力板仪测定土壤水分特征曲线比较

为探究不同土壤类型的土壤水分特征曲线测定差异,采用离心机和压力板仪测定黑土、黄绵土、红壤、紫色土、褐土0~15300 cm吸力范围的土壤水分特征曲线,对比2种测定方法的结果差异并分析其原因。结果表明:在低吸力段,离心机测定的5种土壤的含水率低于压力板仪,在高吸力段则相反;黑土、黄绵土、褐土和紫色土在高吸力段2种方法的测定具有极显著差异(P<0.01);红壤低吸力段的测定差异显著(P<0.05),高吸力段2种方法测定的含水率十分接近。土壤质地、孔隙分布是影响不同土壤类型2种方法测定差异的主要原因:对于砂粒含量高的土壤类型,离心机测定过程中体积压缩明显导致测定结果不精确;对于黏粒、粉粒含量较高的土壤类型,离心机法相对更为适用。

风洞边界层内单细长柔性植株周围地表气流剪应力分布特征

地表剪应力表征了风对地表产生的剪切效应,是评估地表风蚀强度的风动量指标。研究植株周围地表剪应力分布特征对理解植被的防护效应有着重要意义。采用地表剪应力测试系统测量了风洞边界层中单个细长柔性植株周围地表剪应力及分布趋势。结果表明:从植株上风向到下风向,地表所受的气流剪切应力先减小而后逐渐增加至来流地表剪应力的数值;沿植株两侧方向,地表剪应力逐渐减小至来流地表剪应力的数值。与圆木棒模型相比,植株周围最小地表剪应力是圆木棒的0.51~0.74倍,并且地表剪应力小于来流值90%的平均面积是圆木棒的9.7倍。应用地表剪应力分布对单植株抗风蚀能力的评估表明细长柔性植株能减弱输沙率,比圆木棒模型更能有效地保护地表。

土壤风蚀野外测量技术研究进展

野外测量是使用最早、应用最广的土壤风蚀研究方法。经过几十年的努力,国内外学者已开发出一系列土壤风蚀野外测量仪器与技术。由于没有制定统一的标准,目前世界各国使用的野外测量仪器和技术并不相同,这给研究结果的比较与集成造成一定困难,不利于交流与合作。基于此,本文对国内外土壤风蚀野外测量技术进行了全面梳理,归纳了土壤风蚀野外测量技术的发展历史,并从风蚀影响因子测量、风蚀物收集和风蚀量确定3方面详细介绍了土壤风蚀野外测量技术的研究进展,比较了不同类型仪器与方法的优缺点,指出目前一些被广泛采用的技术手段,并对今后土壤风蚀野外测量技术的发展趋势进行了展望,以期为中国土壤风蚀野外测量技术的发展提供参考。

两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟

植株减小风速从而抑制风蚀,风速廓线可以反映植株对风速的影响。在风洞中测量了细长状植株和上大下小形状植株在不同覆盖密度、不同来流风速下的风速廓线,并对这两种植株地表上空气动力学粗糙度、零平面位移高度进行了比较。结果表明:两种植株地表的空气动力学粗糙度均随植株密度按幂函数规律增加,其与植株高度之比也随侧影盖度按幂函数规律增加。在相同覆盖密度或侧影盖度条件下,上大下小形状植株地表的空气动力学粗糙度大于细长状植株。细长状植株地表的零平面位移高度随植株密度的增加先增加而后减小,而上大下小形状植株地表的零平面位移高度则基本不受植株密度的影响。

裸露农田近地表风速脉动特征

利用河北坝上地区裸露农田近地层风速的连续观测资料,分析了净风与风沙环境下近地表风速脉动特征。结果表明:地表风速脉动强度(uv)随平均风速的增加而增大,净风环境下脉动强度随风速的增大比风沙环境增加的更快,反映了运动沙粒对风速脉动过程具有一定的抑制作用。湍流度随平均风速的变化呈现幂函数递减趋势,净风环境的湍流度大于风沙环境。脉动风速的分布范围、概率分布集中性以及脉动强度与风速统计时距(Δt)有关。时距越小,脉动风速的分布范围越小,概率分布越集中。uvmax/uv随时距增大表现出先迅速减小(Δt <5 min)后趋于稳定(Δt> 5 min)的变化趋势,<5 min的风速时距能较好地反映风速脉动特性。考虑到风速数据获取的可行性,在计算输沙率时,采用1~5 min时距的风速统计资料较为合理。

柔性植株地表瞬时地表剪应力分布特征

由于风的湍流性质,风对地表剪切作用而产生的地表剪应力是瞬态变化的。本文重点研究柔性植株地表植株周围瞬时地表剪应力的分布特征,为评估植株防风蚀作用提供参考。通过风洞实验,测量了在不同植株密度和不同来流风速下细长柔性植株覆盖地表上植株周围瞬时地表剪应力的空间分布。结果表明:柔性植株地表植株两侧地表剪应力增加,植株前后地表剪应力减小;随风速的增加,地表剪应力、均方根脉动地表剪应力的空间平均值和标准偏差均增加,而地表剪应力脉动强度的空间平均值和标准偏差均减小,它们在空间上的相对标准偏差基本不受风速的影响;随植株密度的增加,地表剪应力的空间平均值和标准偏差以及均方根脉动地表剪应力的空间平均值均减小,而地表剪应力在空间上的相对标准偏差、地表剪应力脉动强度的空间平均值和标准偏差均增大。

中国东部典型沙地植被覆盖度对降水变化的响应

降水对中国东部沙地植被覆盖度产生重要影响,了解植被覆盖度对降水量变化的响应,对制定植被恢复策略具有重要意义。选择毛乌素沙地和科尔沁沙地,使用Landsat系列数据和MODIS数据得到2000—2020年归一化植被指数(NDVI)数据集,用像元二分法分别计算了年内最大和生长季平均的植被覆盖度。结合地面气象站在1999—2020年观测的逐日降水数据,分析了植被覆盖度对降水变化的响应。结果表明:(1)毛乌素沙地和科尔沁沙地的年内最大和生长季平均植被覆盖度均有增长趋势,其中毛乌素沙地的生长季平均植被覆盖度>30%的面积增加最显著,科尔沁沙地>50%的面积增加最显著。(2)这两个沙地的年降水量和四季降水量都呈增加趋势,且有降水变率大和夏季增幅最大的共同特点。(3)毛乌素沙地的年内最大和生长季平均植被覆盖度都对前一年夏季降水量变化的响应最敏感,而在科尔沁沙地则是对当年夏季降水量变化的响应最敏感。(4)不同植被类型对降水量变化发生响应的滞后时间不同。

阿拉善右旗不同时间尺度的风速概率分布

利用阿拉善右旗1960—2015年整点风速数据,分析了日、月、年风速累积概率分布。结果表明:WeibullCum分布函数在描述风速累积概率分布时具有不同时间尺度的普适性。在多年平均逐日和逐月风速累积概率分布函数中,4个常数项存在周期性变化规律,而在1960—2015年逐年分布函数中,4个常数项分别具有周期性变化规律和减小趋势。对比2016—2020年不同时间尺度起沙风速频率统计结果和利用风速累积概率分布函数计算的结果发现,分布函数对月和年起沙风的频率具有很高的预测精度,而对日起沙风频率的预测能力不足,这是由日时间尺度上风的不确定性造成的。

风蚀事件中农田土壤PM10释放特征

地表风蚀导致的粉尘释放涉及全球变化研究的热点。自然条件下对粉尘释放的观测可以为风洞试验结果提供验证并为开发预测模型提供数据支撑与关键参数。本研究在河北坝上风蚀区,通过观测风蚀事件中农田近地表PM10浓度、垂直通量与流失通量,以及风速和风沙流强度的变化,探讨农田风蚀过程中的粉尘释放特征。结果表明:地表风蚀释尘对近地表粉尘浓度的影响随高度增大而逐渐减弱,各高度的粉尘浓度变化趋势与摩阻风速、输沙率变化趋势相同;粉尘垂直通量和流失通量与摩阻风速呈幂函数关系,与输沙率呈线性关系;农田土壤跃移颗粒的轰击效率α数量级为10-7m-1。

风成沉积物色度记录的毛乌素沙漠全新世以来气候变化

以毛乌素沙漠4个全新世风成砂-古土壤剖面为研究对象,对沉积物色度变化进行分析。结果表明:亮度主要受有机质影响,从而间接反映降水;红度与磁化率负相关,与平均粒径呈正向趋势,因此红度主要取决于风力对红色物质的输入,即反映风力大小。古土壤发育时期,亮度偏低,红度、黄度偏低;风成砂沉积时期,亮度较高,红度、黄度较高。据此将毛乌素沙漠全新世以来的气候演变划分为4个阶段:约10.0 ka BP以前,以风沙环境为主,干燥寒冷、风力较大;10.0-7.5 ka BP,总体环境较之前好转,风沙活动减弱,局部区域发育古土壤;7.5-3.0 ka BP,气候以暖湿为主,古土壤普遍发育,风沙活动较弱;约3.0 ka BP至今,气候趋于干冷,风沙活动强烈,但期间也存在暖湿波动。

稳态风沙流中瞬态输沙特征

风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统(PIV)测量了风沙运动的时间序列,并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法,其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明:来流风速不变时,沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性;沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加,沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小;这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。