龐立鐵，榮建東，劉丙友

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)

黑龍江省西部土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞試驗(yàn)研究

龐立鐵，榮建東，劉丙友

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)

針對(duì)黑龍江省西部地區(qū)2種主要易蝕土壤風(fēng)沙土和黑鈣土，對(duì)其風(fēng)蝕過(guò)程中的主導(dǎo)因子對(duì)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征及風(fēng)蝕量的影響特征進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。結(jié)果表明： 土壤風(fēng)沙流多分布在30 cm的高度范圍內(nèi)，風(fēng)沙土與黑鈣土風(fēng)蝕量分別占總風(fēng)沙量的99.80%和96.89%；在70 cm高度范圍內(nèi)，風(fēng)沙土風(fēng)蝕量與高度的關(guān)系遵循多項(xiàng)式規(guī)律，黑鈣土風(fēng)蝕量與高度關(guān)系遵循對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律關(guān)系；風(fēng)沙土風(fēng)蝕臨界土壤含水量為2%，黑鈣土風(fēng)蝕臨界含水量為6%，土壤含水量大于臨界含水量時(shí)土壤風(fēng)蝕會(huì)得到有效控制；相同風(fēng)速下，2種土樣的風(fēng)蝕量均隨含水量的增加而減小,風(fēng)沙土呈負(fù)指函數(shù)關(guān)系，黑鈣土呈二次函數(shù)關(guān)系。

黑龍江省西部；風(fēng)沙土；黑鈣土；風(fēng)蝕；風(fēng)沙流；風(fēng)洞試驗(yàn)

AbstractThe western part of Heilongjiang Province is located in the semi - arid area, which is affected by factors such as low precipitation, large exposed area and frequent winds. The soil wind erosion is serious and the area of wind erosion is increasing.In this paper, two kinds of main aeolian sandy soil and chernozem in western Heilongjiang Province were studied. The wind tunnel test was conducted on the characteristics of wind and sand flow and wind erosion in wind erosion process. Result shows that the wind and sand flow are mostly distributed in the height range of 30 cm, and the wind erosion amount of sandy soil and chernozem accounts for 99.80% &96.89% of total sandstorm respectively. In 70 cm height range, the relationship between wind erosion and height is followed by the polynomial rule;the relationship between wind erosion& height relationship of the chernozem is followed by the logarithmic function;the critical soil moisture content of soil is 2%, the critical water content of chernozem is 6%, and the soil water content is higher than the critical water content. The wind erosion amount of the two kinds of soil samples decreases with the increase of water content, aeolian appears the relationship of negative function and the chernozem appear power function.

Keywordswestern Heilongjiang Province;aeolian sandy soil; chernozem；wind erosion; sand flow; Experiment on wind tunnel

我國(guó)北方，尤其是旱作農(nóng)田，土壤風(fēng)蝕問(wèn)題嚴(yán)重，影響范圍大[1],發(fā)生土壤風(fēng)蝕以及受其影響的面積占國(guó)土總面積1/2以上，主要分布于北方干旱、半干旱和部分濕潤(rùn)地區(qū)[2]。我國(guó)學(xué)者對(duì)北方干旱、半干旱區(qū)的旱作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕做了較多研究，董玉祥等對(duì)中國(guó)干旱半干旱地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力進(jìn)行了研究[3]，蘆貴君等人對(duì)吉林省西部沙地土壤風(fēng)蝕進(jìn)行了研究[4]。東北黑土區(qū)中西部為松嫩沙地，西南部又與科爾沁沙地毗鄰，這兩大沙地沙漠化發(fā)展，使東北黑土區(qū)土地形成由中部向四周、由南部向北部退化、沙化，黑土地面積逐年減少，土壤風(fēng)蝕區(qū)逐年增加[5]。黑龍江省西部地區(qū)是我國(guó)重要的商品糧基地之一，同時(shí)該區(qū)由于處在半干旱區(qū)，受降水少，地表裸露面積大，大風(fēng)頻繁等因素影響，土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤風(fēng)蝕面積有加大的趨勢(shì)。據(jù)黑龍江省第二次遙感調(diào)查，全省有土地風(fēng)蝕面積8 906.95 km2，尤其是在西部的松嫩沙地，風(fēng)沙化土地面積已達(dá)5 960 km2，且每年還在以100 km2的速度擴(kuò)展[6]。本文針對(duì)黑龍江省西部風(fēng)蝕區(qū)的風(fēng)沙土和黑鈣土風(fēng)蝕進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究，得出土壤風(fēng)蝕過(guò)程中風(fēng)沙流時(shí)空分布、土壤含水量與起蝕風(fēng)速、土壤風(fēng)蝕與土壤含水量的關(guān)系規(guī)律，研究結(jié)果可為該區(qū)及國(guó)內(nèi)同類型地區(qū)的土壤風(fēng)蝕防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于黑龍江省西部土壤風(fēng)蝕區(qū)，地理坐標(biāo)122°24′—125°53′ E，45°15′—48°27′ N，海拔110～150 m。該區(qū)域?qū)僦袦貛啙駶?rùn)、亞干旱氣候，冬季低溫干燥，年平均氣溫3.5 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 556～2 914 ℃。無(wú)霜期120～165 d。春季大風(fēng)次數(shù)多，強(qiáng)度大，全年平均風(fēng)速4.0 m·s-1，全年5級(jí)以上(8 m·s-1)大風(fēng)日數(shù)平均為133.9 d，春季為56 d，占全年的50%。8級(jí)以上(17 m·s-1)大風(fēng)24 d，全年沙塵暴日數(shù)為2.5 d，春季為2.3 d，絕大多數(shù)沙塵暴都發(fā)生在春季。降水量360～480 mm，季節(jié)分布很不平衡。夏季降水占全年的70%左右，春季降雨量只占全年降水量的10%左右。春季升溫快，是一年最干旱的季節(jié)，旱期長(zhǎng)達(dá)60～90 d，大部分地區(qū)春季相對(duì)濕度只有40%～50%。主要土壤有風(fēng)沙土、黑鈣土、鹽土、堿土等。主要農(nóng)作物有玉米、馬鈴薯、向日葵、綠豆、大豆等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)試土壤選定及處理 土樣采自泰來(lái)縣泰來(lái)鎮(zhèn)宏程風(fēng)沙土風(fēng)蝕防治示范區(qū)和甘南縣中興鄉(xiāng)興久村黑鈣土風(fēng)蝕防治示范區(qū)。兩區(qū)分別選具有代表性旱作耕地采集試驗(yàn)土樣，兩個(gè)研究示范區(qū)耕地種植作物均為玉米。分別在各自土壤核心區(qū)域采取隨機(jī)方法采樣，每種土壤隨機(jī)采6個(gè)擾動(dòng)土壤樣，每個(gè)擾動(dòng)土壤采樣區(qū)域長(zhǎng)度1 m，寬度0.6 m，地表0.1 m，除去土樣內(nèi)各種雜質(zhì)。分別裝入帶有標(biāo)簽的采樣袋中，取回樣后將6個(gè)土樣均勻混合為1個(gè)土壤風(fēng)蝕測(cè)試用樣，放置室內(nèi)自然風(fēng)干，自然風(fēng)干后裝入6個(gè)采樣袋中。這樣共采得2種土壤，分裝12袋。將12個(gè)土壤風(fēng)蝕測(cè)試用樣進(jìn)行編號(hào)登記，以備風(fēng)洞試驗(yàn)使用。土壤試樣運(yùn)到風(fēng)洞試驗(yàn)室后，對(duì)土樣進(jìn)行不同含水量處理。采用方法為將測(cè)試土樣用烘干法測(cè)定其含水量，根據(jù)所測(cè)含水量，按試驗(yàn)要求用噴壺噴入所需水量,配置不同含水量的試驗(yàn)用土,攪拌后裝入塑料袋中,放置24 h,其間不定時(shí)翻動(dòng)塑料袋,使水分均勻地與土樣結(jié)合,達(dá)到與自然條件下的物理結(jié)構(gòu)相近似的狀態(tài)。試驗(yàn)前,再測(cè)定土樣的實(shí)際含水量,風(fēng)沙土土樣的實(shí)測(cè)含水量為0.556%、1.065%、1.347%、1.719%、2.109%和2.240%,黑鈣土樣的實(shí)測(cè)含水量為2.480%、3.913%、5.222%、5.662%、7.751%和8.429%。

本研究中土壤水分的測(cè)定采用烘干稱質(zhì)量法，用精度為1/1 000的電子天平稱質(zhì)量。樣本土壤水分測(cè)定時(shí)，同處理土壤水分均重復(fù)3次，處理土壤水分值取3次平均值。

1.2.2 主要測(cè)試儀器設(shè)備

(1) 風(fēng)洞。試驗(yàn)采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞OFDY-1.2，該風(fēng)洞由過(guò)渡段、整流段(包括開(kāi)孔板、蜂窩器、阻尼網(wǎng)和非均勻網(wǎng)格)、收縮段和試驗(yàn)段組成。試驗(yàn)段為矩形截面，長(zhǎng)7.2 m，截面寬1 m、高1.2 m，風(fēng)速范圍為0～20 m·s-1連續(xù)可調(diào)。 風(fēng)洞所需功率為30 kW，該風(fēng)洞各截面不同高度上紊流度≤1%；氣流穩(wěn)定度η≤3%；氣流速度均勻性σν<1%；試驗(yàn)段沒(méi)有靜壓損失，其軸向靜壓梯度≤0.005；風(fēng)洞能量比達(dá)到0.15。試驗(yàn)前已完成風(fēng)洞品質(zhì)測(cè)試工作，風(fēng)洞試驗(yàn)段中的氣流流場(chǎng)符合大氣近地表層的氣流特征，保證風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)模擬所選試驗(yàn)區(qū)的野外風(fēng)蝕過(guò)程。

(2) 風(fēng)速測(cè)量?jī)x器設(shè)備。在試驗(yàn)段設(shè)置風(fēng)速儀測(cè)定不同高度的風(fēng)速，試驗(yàn)風(fēng)速以風(fēng)洞試驗(yàn)段底板以上高20 cm 處風(fēng)速為基準(zhǔn)，采用電子葉片式風(fēng)速儀測(cè)定。分別設(shè)定6、8、10和12 m·s-1共4 種風(fēng)速，每次吹蝕時(shí)間為5 min。

(3) 集沙儀。試驗(yàn)使用的集沙儀為旋風(fēng)分離式集沙儀，該集沙儀由氣流管、旋風(fēng)分離器、防護(hù)罩、集沙盒和支撐座等組成。該集沙儀高840 mm，沿高度方向分布10個(gè)氣流管，通過(guò)氣流管可收集到垂直方向上10個(gè)高度(20、60、120、180、240、300、400、500、600和700 mm)的沙蝕量。

(4) 排沙器。排沙器主要由螺旋式窄外槽輪排沙部件、輸沙漏斗、排沙管、傳動(dòng)系統(tǒng)及控制裝置組成。該排沙器能很好地控制排沙量，具有良好擬自然狀態(tài)下風(fēng)沙流特性。

1.2.3 測(cè)試方法 試驗(yàn)時(shí)將土樣放置在風(fēng)洞內(nèi)，寬度與風(fēng)洞等寬100 cm、長(zhǎng)100 cm、高5 cm，然后進(jìn)行吹蝕試驗(yàn),以樣本上方20 cm高處的風(fēng)速作為代表性風(fēng)速。風(fēng)速測(cè)定采用葉輪風(fēng)速儀。

風(fēng)蝕物由旋風(fēng)分離式集沙儀采集，集沙儀安置在風(fēng)洞軸線上且距風(fēng)洞出口1 200 mm,收集待測(cè)6、8、10和12 m·s-1風(fēng)速下吹蝕的風(fēng)蝕物，用精度為1/1 000的電子天平稱質(zhì)量。為了完成測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠采集，且能收集到滿足進(jìn)一步分析的土壤風(fēng)蝕物，風(fēng)蝕物與風(fēng)速數(shù)據(jù)采集時(shí)間統(tǒng)一定為 5 min。取3次采集結(jié)果的平均值。

挾沙風(fēng)采用排沙器定量排沙模擬，排沙器安置在風(fēng)洞洞頂且位于試驗(yàn)段入口位置，6根排沙管與6個(gè)輸沙漏斗相接從風(fēng)洞洞頂插入風(fēng)洞。挾沙風(fēng)試驗(yàn)時(shí)排沙中加入物均為風(fēng)沙土，排沙器轉(zhuǎn)速統(tǒng)一定為29 r·min-1。試驗(yàn)前對(duì)排沙器傳動(dòng)部分及槽輪位置調(diào)試，確保排沙性能穩(wěn)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤起動(dòng)風(fēng)速的測(cè)定與分析

本試驗(yàn)測(cè)定土壤起動(dòng)風(fēng)觀測(cè)值為土壤試樣表面出現(xiàn)蠕動(dòng)即為起動(dòng)值。測(cè)定臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí),在樣本后面放置一條黑色的膠帶,當(dāng)膠帶上有吹蝕掉的顆粒物存在時(shí),記錄臨界起動(dòng)風(fēng)速。

表1 不同土壤起動(dòng)風(fēng)速測(cè)定值

注：土壤含水率為自然狀態(tài)下風(fēng)干后值

從表1可以看出，同為自然狀態(tài)下風(fēng)干后的土壤含水量，黑鈣土的為2.480%，而風(fēng)沙土僅為0.556%，黑鈣土的含水量是風(fēng)沙土的4.46倍。因此，黑鈣土的起動(dòng)風(fēng)速高于風(fēng)沙土。土壤受風(fēng)沙流沖擊后其沖擊起動(dòng)風(fēng)速較流體起動(dòng)風(fēng)速明顯降低。即土壤在低于流體起動(dòng)風(fēng)速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產(chǎn)生風(fēng)蝕，說(shuō)明風(fēng)沙流對(duì)土壤侵蝕作用危害是十分巨大的。

2.2 不同風(fēng)速下土壤風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

本試驗(yàn)以6、8、10和12 m·s-1的風(fēng)速吹蝕不同土壤試驗(yàn)土樣，觀測(cè)風(fēng)蝕物隨高度的變化規(guī)律，見(jiàn)表2、表3。

表2 風(fēng)沙土不同風(fēng)速風(fēng)蝕物收集量隨高度的垂直分布 g

注：自然狀態(tài)下風(fēng)沙土土壤含水量為0.556%

分析并處理表中的數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)相同土壤試樣下，風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而增加；同一風(fēng)速下，下層氣流中的風(fēng)蝕量增大，而上層氣流中的風(fēng)蝕量隨高度增加而相應(yīng)減少。觀測(cè)結(jié)果表明，在0～30 cm 高度范圍內(nèi)有明顯的風(fēng)沙流，大于30 cm的高度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕物極少。在12 m·s-1的風(fēng)速下,30 cm的高度范圍內(nèi)風(fēng)沙土與黑鈣土風(fēng)蝕量分別占總風(fēng)沙量的99.80%、96.89%。由此可見(jiàn)，在土壤風(fēng)蝕的三種運(yùn)行方式中，蠕移和躍移沙粒占絕大部分，而懸移沙粒所占的量極少，因此可得出絕大多數(shù)的風(fēng)蝕物是在近地面運(yùn)行的。這一結(jié)論，為防風(fēng)蝕沙障等設(shè)置高度提供理論根據(jù)。

表3 黑鈣土不同風(fēng)速風(fēng)蝕物收集量隨高度的垂直分布 g

注：自然狀態(tài)下黑鈣土土壤含水量為2.48%

(2)利用Excel2003軟件對(duì)表2、表3風(fēng)蝕物收集量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，確定不同風(fēng)速土壤風(fēng)蝕物收集量與高度的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，風(fēng)沙土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤收集量與高度的關(guān)系符合多項(xiàng)式規(guī)律。而黑鈣土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤風(fēng)蝕量與高度關(guān)系符合對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律關(guān)系。見(jiàn)圖1、圖2和表4、表5。

表4 風(fēng)沙土不同風(fēng)速風(fēng)蝕物收集量隨高度變化的擬合曲線函數(shù)和相關(guān)系數(shù)

表5 黑鈣土不同風(fēng)速風(fēng)蝕物收集量隨高度變化的擬合曲線函數(shù)和相關(guān)系數(shù)

圖1風(fēng)沙土不同風(fēng)速收集物隨高度分布

圖2黑鈣土不同風(fēng)速收集物隨高度分布

2.3 土壤含水量與起動(dòng)風(fēng)速的關(guān)系

土壤含水量是影響風(fēng)蝕的主要因素,當(dāng)土壤中有水分存在時(shí),水分子與土壤顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內(nèi)聚力,因此增加了土壤的抗風(fēng)蝕性。國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者對(duì)于土壤含水量因子的抗風(fēng)蝕性進(jìn)行過(guò)研究,但基本上都是針對(duì)單一土壤類型進(jìn)行的[7,8]。由于土壤質(zhì)地多種多樣,因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各不相同,結(jié)論也不完全一致。特別是對(duì)黑龍江省西部土壤風(fēng)蝕區(qū)目前尚無(wú)系統(tǒng)性研究。本試驗(yàn)對(duì)該風(fēng)蝕區(qū)的2個(gè)主要土壤種類風(fēng)沙土和黑鈣土進(jìn)行了測(cè)試研究。為防治土壤風(fēng)蝕提供較為系統(tǒng)的理論依據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6、表7。

表6 風(fēng)沙土不同含水量與臨界起動(dòng)風(fēng)速的關(guān)系

表7 黑鈣土不同含水量與臨界起動(dòng)風(fēng)速的關(guān)系

利用Excel2007軟件對(duì)表6、表7的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪出曲線，如圖5、圖6。從圖5和圖6可以看出,臨界起動(dòng)風(fēng)速隨土樣含水量的增加而增大。風(fēng)沙土樣的臨界起動(dòng)風(fēng)速由含水量0.556%時(shí)的5.00 m·s-1增加到含水量2.249%時(shí)的5.37 m·s-1,黑鈣土樣的臨界起動(dòng)風(fēng)速由含水量2.480%時(shí)的5.60 m·s-1增加到了含水量8.429%時(shí)的6.03 m·s-1。風(fēng)沙土樣的臨界起動(dòng)風(fēng)速與含水量之間存在指數(shù)關(guān)系,而黑鈣土樣的臨界起動(dòng)風(fēng)速與含水量之間有二次函數(shù)關(guān)系。

圖3風(fēng)沙土樣臨界起動(dòng)風(fēng)速與含水量的關(guān)系

圖4黑鈣土土樣臨界起動(dòng)風(fēng)速與含水量的關(guān)系

2.4 同一風(fēng)速下不同土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

測(cè)試同一風(fēng)速下不同土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系，可以反映出土壤含水量對(duì)風(fēng)蝕控制因子實(shí)際作用。經(jīng)對(duì)不同土壤在同一風(fēng)速下吹蝕5 min后測(cè)得數(shù)據(jù)如表8、表9。

表8 同一風(fēng)速下風(fēng)性土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

注：測(cè)定風(fēng)速為6 m·s-1，歷時(shí)5 min

表9 同一風(fēng)速下黑鈣土土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

注：測(cè)定風(fēng)速為8 m·s-1，歷時(shí)5 min

對(duì)表8、表9的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪出曲線，如圖5、圖6。從圖5和圖6可以看出,同一風(fēng)速下風(fēng)沙土風(fēng)蝕量與含水量之間呈負(fù)指函數(shù)關(guān)系,黑鈣土風(fēng)蝕量與含水量之間呈冪函數(shù)關(guān)系。2種土樣的風(fēng)蝕量均隨含水量的增加而減小。在風(fēng)蝕量隨含水量減小的過(guò)程中,起初，隨著含水量的增加,風(fēng)蝕量急劇減小,這種減小的幅度會(huì)隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達(dá)到近飽和時(shí),風(fēng)蝕量的增加已經(jīng)很不明顯,曲線已變得比較平直。風(fēng)沙土土樣對(duì)含水量的響應(yīng)要更敏感一些,在開(kāi)始時(shí)少許的水分增加,所引起風(fēng)蝕量的減小要比黑鈣土土樣更大。二是風(fēng)沙土土樣在含水量2%附近時(shí),風(fēng)蝕量已減小到一個(gè)很低的程度;黑鈣土土樣的這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)在含水率6%附近。說(shuō)明土壤風(fēng)蝕臨界值風(fēng)沙土土壤含水量為2%，黑鈣土含水量為6%時(shí)土壤風(fēng)蝕會(huì)得到控制。

圖5風(fēng)沙土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

圖6黑鈣土土壤含水量與風(fēng)蝕量的關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大量的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料的分析，初步總結(jié)出風(fēng)沙土和黑鈣土起動(dòng)風(fēng)速值、土壤風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征、土壤風(fēng)蝕量與土壤水分的關(guān)系，特別是首次利用風(fēng)蝕風(fēng)洞，測(cè)定出該土壤風(fēng)蝕區(qū)代表性土壤風(fēng)沙土和黑鈣土在風(fēng)沙狀態(tài)下的沖擊起動(dòng)風(fēng)速。土壤受風(fēng)沙流沖擊后其沖擊起動(dòng)風(fēng)速較流體起動(dòng)風(fēng)速明顯降低。即土壤在低于流體起動(dòng)風(fēng)速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產(chǎn)生風(fēng)蝕。

3.1確定了黑龍江省西部土壤風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)風(fēng)沙土、黑鈣土的起動(dòng)風(fēng)速

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)得同為自然狀態(tài)下風(fēng)干后的土壤含水量，黑鈣土的為2.480%，而風(fēng)沙土僅為0.556%，黑鈣土的含水量是風(fēng)沙土的4.46倍。因此，黑鈣土的流體起動(dòng)風(fēng)速為5.60 m·s-1，高于風(fēng)沙土流體起動(dòng)風(fēng)速5.00 m·s-1。而風(fēng)沙土和黑鈣土的沖擊起動(dòng)風(fēng)速分別為4.63 m·s-1和5.46 m·s-1，說(shuō)明土壤受風(fēng)沙流沖擊后其沖擊起動(dòng)風(fēng)速較流體起動(dòng)風(fēng)速明顯降低。即土壤在低于流體起動(dòng)風(fēng)速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產(chǎn)生風(fēng)蝕，說(shuō)明風(fēng)沙流對(duì)土壤侵蝕作用危害是十分巨大的。

風(fēng)洞測(cè)試風(fēng)沙土與黑鈣土，在自然狀態(tài)下的風(fēng)干后的土壤在風(fēng)洞中近地表(離試樣表面高20 cm)的起動(dòng)風(fēng)速?？砂匆巴鈱?shí)測(cè)的粗糙度及公式換算為氣象高度風(fēng)速，其值為：風(fēng)沙土流體起動(dòng)風(fēng)速7.69 m·s-1，沖擊起動(dòng)風(fēng)速7.12 m·s-1。黑鈣土流體起動(dòng)風(fēng)速8.62 m·s-1，沖擊起動(dòng)風(fēng)速8.40 m·s-1。上述流體起動(dòng)風(fēng)速值與野外觀測(cè)值在土壤水分相同時(shí)，數(shù)據(jù)具有一致性。

3.2 揭示了土壤風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

相同土壤試樣下，風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而增加；同一風(fēng)速下，下層氣流中的風(fēng)蝕量增大，而上層氣流中的風(fēng)蝕量相應(yīng)減少。在0～30 cm 高度范圍內(nèi)有明顯的風(fēng)沙流，大于30 cm的高度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕物極少。在12 m·s-1的風(fēng)速下,30 cm的高度范圍內(nèi)風(fēng)沙土與黑鈣土風(fēng)蝕量分別占總風(fēng)沙量的99.80%、96.89%。

風(fēng)沙土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤收集量與高度的關(guān)系符合多項(xiàng)式規(guī)律。黑鈣土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤風(fēng)蝕量與高度關(guān)系符合對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律。

風(fēng)沙土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤收集量與高度的關(guān)系遵循線性函數(shù)規(guī)律。黑鈣土0～70 cm高度范圍內(nèi)土壤風(fēng)蝕量與高度關(guān)系遵循對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律關(guān)系。

可見(jiàn)，在土壤風(fēng)蝕的三種運(yùn)行方式中，蠕移和躍移沙占絕大部分，而懸移沙土所占的量極少，因此，可得出絕大多數(shù)的風(fēng)蝕物是在近地面運(yùn)行的。

3.3 明確了土壤風(fēng)蝕量與土壤水分的關(guān)系

2種土樣的風(fēng)蝕量均隨含水量的增加而減小,風(fēng)沙土呈負(fù)指函數(shù)關(guān)系，黑鈣土呈冪函數(shù)關(guān)系。在風(fēng)蝕量隨含水量減小的過(guò)程中,起初隨著含水量的增加,風(fēng)蝕量急劇減小,這種減小的幅度會(huì)隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達(dá)到近飽和時(shí),風(fēng)蝕量的增加已經(jīng)很不明顯,曲線已變得比較平直。風(fēng)沙土土樣對(duì)含水量的響應(yīng)要更敏感一些,在開(kāi)始時(shí)少許的水分增加,所引起風(fēng)蝕量的減小要比黑鈣土土樣更大。風(fēng)沙土土樣在含水量2%附近時(shí),風(fēng)蝕量已減小到一個(gè)很低的程度;黑鈣土土樣的這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)在含水率6%附近。說(shuō)明風(fēng)沙土當(dāng)土壤含水量達(dá)到2%，黑鈣土含水量達(dá)到6%時(shí)土壤風(fēng)蝕會(huì)得到有效控制。這對(duì)黑龍江省西部土壤風(fēng)蝕預(yù)防、治理具有理論意義。

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ExperimentsonWindErosionandWindTunnelinWesternHeilongjiangProvince

Pang Litie, Rong Jiandong, Liu Bingyou

(Heilongjiang Academy of Soil and Water Conservation, Harbin 150070, China)

Q938.13

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.004

1005-5215(2017)09-0009-05

2017-08-07

黑龍江省財(cái)政資助項(xiàng)目(2014008)

龐立鐵(1962-)，男，黑龍江大慶人，大學(xué)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水土保持風(fēng)蝕防治研究，Email:panglitie@126.com