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题名	土地沙漠化过程中的风蚀效应研究
作者	移小勇
学位类别	博士
答辩日期	2006-06-02
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	寒区旱区环境与工程研究所
导师	赵哈林
关键词	沙漠化 风蚀 便携式风洞 土壤性状 耕作方式植被 土壤结皮
学位专业	自然地理学
中文摘要	土地沙漠化是当今世界所面临的主要生态问题之一。风蚀活动作为沙漠化过程的重要组成部分和首要环节，自20世纪初开始就一直是学术界研究的一个热点问题。但纵观目前关于土壤风蚀的研究内容，可以发现研究内容较为分散，而且大都处于定性描述阶段，缺乏定量研究和综合性的分析，在测试方法上也没有大的尝试和突破。本文在野外实地观测和使用便携式风洞进行研究的基础上，从土壤结构、植被覆盖和微地表结构特征对土壤风蚀的影响进行了系统研究，探讨了土壤风蚀效应在沙漠化过程中的作用。主要结论如下： 1. 不同物理结构风沙土的风蚀特征。对于2种典型的风沙土流动风沙土和农田沙壤土来说，由于其在土壤粒径组成方面的差异，风蚀特征也不尽相同。农田沙壤土的起沙风速为4.1 m s-1，而流动风沙土为4.4 m s-1。2种土样的风蚀率随风速的线性增加均呈幂函数关系增长。在约6.5 m s-1以下风速段，农田沙壤土的风蚀率大于流动风沙土；当风速大于约6.5 m s-1时，流动风沙土的风蚀率开始大于农田沙壤土，并且2种风沙土风蚀率的差值也随风速的增加呈指数关系增长。对于不同粒径的均匀沙物质，起沙风速最小的沙粒直径为0.10～0.071 mm，粒径大于或小于此范围时，起沙风速随粒径的增加或减小均有所增大。在风蚀率特征方面。粒径为0.10～0.071 mm的沙粒其风蚀率最大。当土壤粒径小于或大于此粒径范围时，土壤风蚀率也随之减小。随着风速的增加，在土壤风蚀率增加的绝对量中，以0.10～0.071 mm粒径的土样最大，随着粒径的增加或减小，风蚀率增加的绝对量均趋于减小。土壤含水量的增加可以显著提高起沙风速和降低风蚀率。在本次实验所选定的土壤含水率范围内，流动风沙土的起沙风速随含水率的增加呈线性关系增长。农田土样的起沙风速与含水率之间存在近似“S”型的二次函数关系。两种土样的风蚀率均随含水量的增加而减小，呈负幂函数关系。当土样含水率达到近饱和时，风蚀率的减小已经很不明显。 2. 挟沙气流对土壤风蚀的影响。当气流中携带有砂粒时，挟沙气流中沙粒对地表的磨蚀和撞击加大了对土壤表面结构的破坏作用，可导致沙壤土风蚀量的增加和起沙风速的降低。与净风相比，风沙流作用下农田土样的风蚀量最大可增加4倍多。假设挟沙风作用下的风蚀率是由净风的剪切力和砂粒的磨蚀和撞击作用的简单组合。结果显示，在低风速段，风沙流因子所导致风蚀量的增加随风速的加大增长较为缓慢；在8 m s-1和9 m s-1的风速区间，风蚀量的增加最为显著；而当风速大于10 m s-1时，由风沙流因子所产生的风蚀量随风速的增加出现了缓慢的下降,但总的风蚀率仍高于净风蚀时的风蚀率。这一现象说明，随着风速的增加，更大比例的沙粒具有了较大的动能，其运行高度增加，而贴地表运行的沙粒数量有所减少，因此对地表的影响作用减弱。风沙流对土壤风蚀量的影响作用与沙源区沙粒的粒径组成有关，对于不同的沙粒，可能会有不同的结论。 3. 草地开垦后土壤理化性状和分形维数的变化。沙质草地被开垦为农田后，随着开垦年限的增加，土壤中0～30 cm深度的中砂粒和细砂粒比例增加，极细砂、粉粒和粘粒比例减少；土壤容重、比重增加，总孔隙度减小，土壤有机质含量明显下降。与未开垦的沙质草地相比，在草地开垦后下风向所产生的风蚀堆积物中，中砂粒和细砂粒分别增加了99.5%和68.2%，极细砂粒、粉粒和粘粒含量分别减少了77.4%、63.9%、83.4%。随着草地开垦年限的增加，土壤的分形维数相继减小，其中开垦10年的沙质草地土壤分形维数从对照地的2.5167减小为2.3926。土壤分形维数与土壤中的砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、容重、比重、总孔隙度和有机质含量之间均存在线性关系。土壤分形维数很好地表征了农田沙漠化演变的程度，可作为评价沙漠化演变过程中的一个定量指标。 4. 春季农田表面的空气动力学特征以及风沙流结构。气流在进入麦田后，风速由于受麦苗阻力的影响而产生衰减，其衰减过程可以用负指数关系来表述，相对来说，越接近地面，风速的衰减幅度越大。玉米田中由于农作物植株数量少，覆盖度很低，其平均风速虽然较裸地低，但相对来说减小的幅度很小。麦田的摩阻速度和粗糙度高度变化与气流进入麦田的距离之间遵循对数律，其增加幅度随气流进入麦田距离的增加而趋于减小，至某一深度后趋于稳定；玉米田的摩阻速度和粗糙度高度变化均较麦田为低，随深入玉米田距离的增加呈线性关系增加，但增加缓慢。各样地风沙流分布的垂直结构特征表明，在大风天气情况下，在麦田中近地表的沙通量垂直廓线偏离指数规律，玉米田和裸地表面处于风蚀活动阶段，而麦田表面无风蚀现象。因此，为了有效地防治风蚀现象的发生和发展，在我国的风蚀地区，应进行必要的农作物品种结构的调整以控制风蚀现象的发生。 5. 天然植被对土壤风蚀的影响。天然植被不同的盖度和高度变化都会对起沙风速和风蚀率产生影响，但盖度是影响其变化的最主要因子。在8 m s-1风速下，植被盖度和高度与起沙风速和风蚀率之间的关系可以分别被表述为 和 ，其中 为起沙风速，E为风蚀率（g m-2 min-1），c为植被盖度（%），h为植被高度（cm）。即便是较低的植被盖度和高度，对风蚀率和起沙风速的影响也很明显。当植被盖度达到60%以上时，其覆盖效果即可对地表产生有效的保护作用；65%以上的植被覆盖度，可以保护地表在高风速下不发生风蚀现象。对于一定的风速，保护地表免于风蚀的临界植被盖度与植株的高度也有关系，高大的植株，其临界植被盖度可以适当降低；而低矮的植株，相应要有较高的临界植被盖度。 6. 耕作方式对风蚀的影响。与传统的耕作方式相比，免耕和穴耕对风蚀率的减少幅度分别可达83.4%和96.4%。土地翻耕后用直径5 cm～10 cm的土块覆盖30%～60%的耕作面积，可以减小土壤风蚀率约32.7%～61.8%。农作物收获后保留较高的残茬盖度和高度可以起到减小农田风蚀率的作用，其数量关系可表述为 ，其中E为风蚀率（t ha-1 h），c为残茬盖度，h为残茬高度。从表达式中可以明显看出，残茬盖度的影响作用要大于残茬盖度。在翻耕地、未翻耕裸地和不同的农作物留茬地中，摩阻速度由高到低的排列顺序是：玉米残茬地＞翻耕裸地＞荞麦残茬地＞黄豆残茬地＞未翻耕裸地；粗糙度高度由高到低的排列顺序是：玉米残茬地＞翻耕裸地＞荞麦残茬地、黄豆残茬地＞未翻耕裸地；风蚀率由高到低的顺序是：黄豆残茬地>荞麦残茬地>玉米残茬地。 7. 风沙土土壤结皮的抗风蚀特性。在科尔沁沙地，分布有较为广泛的物理性结皮和生物性结皮。在半流动沙丘上仅分布有物理性结皮，在半固定沙丘和固定沙丘中既有物理性结皮，又有生物性结皮；丘间低地主要以生物性结皮为主，而丘间洼地基本都是生物性结皮。从半流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、丘间低地到丘间洼地，结皮中的有机质含量、厚度和土壤紧实度依次增加，并且三者之间均存在正相关关系，但结皮厚度和土壤紧实度之间的相关性最好。在流沙表面由于降水而快速形成的土壤结壳，仅略微提高了土壤的起沙风速，当风速增加后，风蚀率与流沙无差别。在便携式风洞内25 cm高处12 m s-1风速的净风吹蚀下，物理性结皮和生物性结皮表面均无风蚀现象发生。但在挟沙气流的作用下，物理性结皮和藻类生物性结皮表面均出现了风蚀现象，而苔藓结皮表面无风蚀，相反有积沙出现。物理性结皮和生物性结皮均有很强的抗风蚀性，但结皮在受到外力影响出现破损后，其抗风蚀性因结皮破损率的不同而发生了不同的改变。在结皮破损后，结皮表面的风蚀率随破损率的增加而呈幂函数关系增加的变化趋势,且其增加的倍数由低向高的趋势是苔藓结皮大于藻类结皮，藻类结皮大于物理性结皮。在高风速下，风蚀率对结皮破损率的响应要较低风速敏感，而在高风速下的风蚀率也要明显大于低风速。土壤结皮抵御风蚀可忍受的最低破损率因风速的不同而有差异。在较低的风速下，结皮可以忍受较高的破损率；而在较高风速下，土壤结皮需要较高的完好率才能抵御风力侵蚀。同时，不同的结皮类型所能忍受的破损率也不相同，藻类结皮所能忍受的破损率要较物理性结皮高，而苔藓类结皮又要高于藻类结皮。 8. 沙丘前移极其高度变化。从半固定沙丘，经半流动沙丘至流动沙丘阶段，沙丘的高度变化和移动速度急剧增加，沙丘表面特征处于剧烈的变化当中。半固定沙丘的丘顶高度年平均下降0.4 cm，半流动沙丘为2.5 cm；流动沙丘为4.9 cm。其中在流动沙丘顶部，伴随强烈的风蚀活动，个别测点出现了明显的砂粒沉积现象。从半固定沙丘开始，经半流动沙丘发展为流动沙丘，沙丘高度变化幅度呈几何级数增加。半固定沙丘的年平均前移距离仅为0.5 cm，至半流动沙丘阶段增加为3.3 cm，增加了5.6倍；至流动沙丘阶段，沙丘的年平均前移距离为7.7 cm，最大前移距离达到了16.2 cm，前移距离较半固定沙丘增加了14.4倍。；从半固定沙丘，经半流动沙丘发展为流动沙丘，沙丘前移距离也呈几何级数增加。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	127
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/21557]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	移小勇. 土地沙漠化过程中的风蚀效应研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2006.

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