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1、风蚀发生机理及其防治技术 土壤风蚀是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质,土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程[3]。它的实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀过程。风蚀过程主要包括土壤团聚体和基本粒子的分离、输送和沉积[4]。 粒子的初始运动很少引起注意,人们主要进行运动模型的研究[5]。1962年之前,Bagnold描述到颗粒在主风力作用下沿着地表滚动大约30cm才开始脱离地面(即跃移运动)。1962年Bisal和Nielsen通过用双筒望远镜观察放在狭窄的盘子里的颗粒运动,发现大多数易蚀颗粒随着风速强度的增加,摆动增强,然后离开地表[6]。1971年Ly
2、les和Krauss通过风洞观察得出,当有效风速达到临界值时,直径小于的颗粒开始前后摆动,当风力或运动的颗粒碰撞强到足以迫使稳定的表面土壤颗粒运动时,分离就发生了。分离之后,土壤颗粒通过风可以在空中或沿着土壤表面输送,直到最后风速降低时沉积[7]。 半个多世纪以来，中外科学家对静止沙粒受力起动机制进行了深入的研究，并形成了多种假说，其中以冲击碰撞说较有代表性。1980年吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影的方法对沙粒运动过程进行了研究[8]。他们认为在风力作用下，当平均风速约等于某一临界值时，外别突出的沙粒在湍流流速和压力脉动作用下，开始振动或前后摆动，但并不离开原来的位置，当风速增大超过
3、临界值后，振动也随之加强，迎面阻力和上升力相应增大，并足以克服重力的作用，气流的旋转力矩促使某些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动。由于沙粒几何形状和所处空间位置的多样性，以及受力状况的多变性，因此在滚动过程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的冲击时，就会获得巨大冲量。受到突然冲击力作用的沙粒，就会在碰撞瞬间由水平运动急剧地转变为垂直运动，骤然向上起跳进入气流运动，沙粒在气流作用下，由静止状态达到跃起状态。 风力作用下土壤颗粒主要有3种运动类型[5](图1):悬移、跃移和蠕移。 图1 风蚀过程示意图 Schematicdiagramofwinderosionprocess 跃
4、移：当中等粒子(100～500μm)被驱动时,在短时间内它们进入风流中,随后由于重力又落下来,促使它们碰撞并加入到其他土壤颗粒的运动中,这种输送方式叫做跃移。跃移颗粒占总的土壤运动的50%～80%,跃移高度小于120cm,大部分在30cm左右[9],研究证明跃移土壤颗粒的升起高度(H)与前进距离(L)比为1∶10。由于跃移是发动其他类型输送的原因,所以在控制措施里是很重要的。另外,由于土壤颗粒的巨大作用,跃移是植物伤害的主要原因。 悬移：指来自于很小土壤颗粒的垂直和水平运动,在跃移和直接风力作用下,直径100μm或更小的颗粒将被刮起来,悬浮到风中随风输送;在远距离搬运过程中,主要是
5、 蠕移：直径在500～1000μm大的土壤颗粒和团聚体,由于太大不能离开地表,但受跃移过程中旋转的颗粒碰撞冲击而松动,随风滚动。表面滚动占总的土壤颗粒的7%～25%[9],影响到当地的沉积并对植物产生伤害。 20世纪40年代初,以Chepil为代表的美国农业部科学家对土壤风蚀防治进行了一系列的研究工作。经过60多年的时间,许多学者通过田间和室内便携式风洞试验对农田风蚀和沙尘扬起进行了一系列的调查研究,结果表明采取特殊的保护措施,如作物残茬覆盖,增加地表粗糙度以及改变土壤特性,有效地减少了农田风蚀土壤的损失[10]。土壤风蚀的严重性是由1)风速;2)地表土壤物理特性;3)地表覆盖及粗糙
6、度状况决定的[11]。 风速 风速是风蚀的启动力,风速增加时,风向上抬起土壤的力和拖曳力也相应增加,引起大颗粒侵蚀,同时搬运能力也相应增加。如果在农田地表没有或很少保护的情况下,大风可以在短时间内搬运走大量的土壤。引起土壤颗粒在风流中开始移动的风速值叫临界风速值。临界风速值取决于土壤覆盖物和土壤的可侵蚀性。板结的或有不易侵蚀物质(如植物、残茬或石头等)覆盖的地表,临界风速将比光秃的、疏松表面土壤的临界风速高。 地表土壤物理特性 地表土壤物理特性包括土壤颗粒大小的分布和土块及结皮层的动态稳定性。 Chepil在土壤特性方面做了大量的工作,研究水稳性团聚体和干土块与风蚀度之间的关
7、系[12]。Chepil和Woodruff指出直径小于的颗粒最易于风蚀。因此,小于的土壤颗粒增加时,易于被侵蚀的土壤粒子也相应增加。由于土壤风蚀是先发生分离,土块和结皮层的动态稳定性就显得尤其重要。土块、结皮层以及水分增加了土壤的凝聚力,从而减少了土壤分离和产生疏松粒子的数量。Chepil对含有不同比例侵蚀成分的土样进行了测试,通过测试运移的土壤量,计算出不同团聚体大小对地表的保护程度。结果表明,大得不能被风搬运的团聚体,才能提供最大程度的保护
