黑龙江省西部土壤风蚀风洞试验研究

2017-10-14庞立铁荣建东刘丙友

防护林科技 2017年9期

关键词：风蚀沙土风沙

庞立铁，荣建东，刘丙友

(黑龙江省水土保持科学研究院，黑龙江哈尔滨 150070)

黑龙江省西部土壤风蚀风洞试验研究

庞立铁，荣建东，刘丙友

(黑龙江省水土保持科学研究院，黑龙江哈尔滨 150070)

针对黑龙江省西部地区2种主要易蚀土壤风沙土和黑钙土，对其风蚀过程中的主导因子对风沙流结构特征及风蚀量的影响特征进行风洞试验。结果表明：土壤风沙流多分布在30 cm的高度范围内，风沙土与黑钙土风蚀量分别占总风沙量的99.80%和96.89%；在70 cm高度范围内，风沙土风蚀量与高度的关系遵循多项式规律，黑钙土风蚀量与高度关系遵循对数函数规律关系；风沙土风蚀临界土壤含水量为2%，黑钙土风蚀临界含水量为6%，土壤含水量大于临界含水量时土壤风蚀会得到有效控制；相同风速下，2种土样的风蚀量均随含水量的增加而减小,风沙土呈负指函数关系，黑钙土呈二次函数关系。

黑龙江省西部；风沙土；黑钙土；风蚀；风沙流；风洞试验

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

我国北方，尤其是旱作农田，土壤风蚀问题严重，影响范围大[1],发生土壤风蚀以及受其影响的面积占国土总面积1/2以上，主要分布于北方干旱、半干旱和部分湿润地区[2]。我国学者对北方干旱、半干旱区的旱作农田土壤风蚀做了较多研究，董玉祥等对中国干旱半干旱地区风蚀气候侵蚀力进行了研究[3]，芦贵君等人对吉林省西部沙地土壤风蚀进行了研究[4]。东北黑土区中西部为松嫩沙地，西南部又与科尔沁沙地毗邻，这两大沙地沙漠化发展，使东北黑土区土地形成由中部向四周、由南部向北部退化、沙化，黑土地面积逐年减少，土壤风蚀区逐年增加[5]。黑龙江省西部地区是我国重要的商品粮基地之一，同时该区由于处在半干旱区，受降水少，地表裸露面积大，大风频繁等因素影响，土壤风蚀严重，土壤风蚀面积有加大的趋势。据黑龙江省第二次遥感调查，全省有土地风蚀面积8 906.95 km2，尤其是在西部的松嫩沙地，风沙化土地面积已达5 960 km2，且每年还在以100 km2的速度扩展[6]。本文针对黑龙江省西部风蚀区的风沙土和黑钙土风蚀进行风洞模拟试验研究，得出土壤风蚀过程中风沙流时空分布、土壤含水量与起蚀风速、土壤风蚀与土壤含水量的关系规律，研究结果可为该区及国内同类型地区的土壤风蚀防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于黑龙江省西部土壤风蚀区，地理坐标122°24′—125°53′ E，45°15′—48°27′ N，海拔110～150 m。该区域属中温带亚湿润、亚干旱气候，冬季低温干燥，年平均气温3.5 ℃，≥10 ℃活动积温为2 556～2 914 ℃。无霜期120～165 d。春季大风次数多，强度大，全年平均风速4.0 m·s-1，全年5级以上(8 m·s-1)大风日数平均为133.9 d，春季为56 d，占全年的50%。8级以上(17 m·s-1)大风24 d，全年沙尘暴日数为2.5 d，春季为2.3 d，绝大多数沙尘暴都发生在春季。降水量360～480 mm，季节分布很不平衡。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。春季升温快，是一年最干旱的季节，旱期长达60～90 d，大部分地区春季相对湿度只有40%～50%。主要土壤有风沙土、黑钙土、盐土、碱土等。主要农作物有玉米、马铃薯、向日葵、绿豆、大豆等。

1.2 试验方法

1.2.1 测试土壤选定及处理土样采自泰来县泰来镇宏程风沙土风蚀防治示范区和甘南县中兴乡兴久村黑钙土风蚀防治示范区。两区分别选具有代表性旱作耕地采集试验土样，两个研究示范区耕地种植作物均为玉米。分别在各自土壤核心区域采取随机方法采样，每种土壤随机采6个扰动土壤样，每个扰动土壤采样区域长度1 m，宽度0.6 m，地表0.1 m，除去土样内各种杂质。分别装入带有标签的采样袋中，取回样后将6个土样均匀混合为1个土壤风蚀测试用样，放置室内自然风干，自然风干后装入6个采样袋中。这样共采得2种土壤，分装12袋。将12个土壤风蚀测试用样进行编号登记，以备风洞试验使用。土壤试样运到风洞试验室后，对土样进行不同含水量处理。采用方法为将测试土样用烘干法测定其含水量，根据所测含水量，按试验要求用喷壶喷入所需水量,配置不同含水量的试验用土,搅拌后装入塑料袋中,放置24 h,其间不定时翻动塑料袋,使水分均匀地与土样结合,达到与自然条件下的物理结构相近似的状态。试验前,再测定土样的实际含水量,风沙土土样的实测含水量为0.556%、1.065%、1.347%、1.719%、2.109%和2.240%,黑钙土样的实测含水量为2.480%、3.913%、5.222%、5.662%、7.751%和8.429%。

本研究中土壤水分的测定采用烘干称质量法，用精度为1/1 000的电子天平称质量。样本土壤水分测定时，同处理土壤水分均重复3次，处理土壤水分值取3次平均值。

1.2.2 主要测试仪器设备

(1) 风洞。试验采用内蒙古农业大学研制的移动式风蚀风洞OFDY-1.2，该风洞由过渡段、整流段(包括开孔板、蜂窝器、阻尼网和非均匀网格)、收缩段和试验段组成。试验段为矩形截面，长7.2 m，截面宽1 m、高1.2 m，风速范围为0～20 m·s-1连续可调。风洞所需功率为30 kW，该风洞各截面不同高度上紊流度≤1%；气流稳定度η≤3%；气流速度均匀性σν<1%；试验段没有静压损失，其轴向静压梯度≤0.005；风洞能量比达到0.15。试验前已完成风洞品质测试工作，风洞试验段中的气流流场符合大气近地表层的气流特征，保证风洞试验能够真实模拟所选试验区的野外风蚀过程。

(2) 风速测量仪器设备。在试验段设置风速仪测定不同高度的风速，试验风速以风洞试验段底板以上高20 cm 处风速为基准，采用电子叶片式风速仪测定。分别设定6、8、10和12 m·s-1共4 种风速，每次吹蚀时间为5 min。

(3) 集沙仪。试验使用的集沙仪为旋风分离式集沙仪，该集沙仪由气流管、旋风分离器、防护罩、集沙盒和支撑座等组成。该集沙仪高840 mm，沿高度方向分布10个气流管，通过气流管可收集到垂直方向上10个高度(20、60、120、180、240、300、400、500、600和700 mm)的沙蚀量。

(4) 排沙器。排沙器主要由螺旋式窄外槽轮排沙部件、输沙漏斗、排沙管、传动系统及控制装置组成。该排沙器能很好地控制排沙量，具有良好拟自然状态下风沙流特性。

1.2.3 测试方法试验时将土样放置在风洞内，宽度与风洞等宽100 cm、长100 cm、高5 cm，然后进行吹蚀试验,以样本上方20 cm高处的风速作为代表性风速。风速测定采用叶轮风速仪。

风蚀物由旋风分离式集沙仪采集，集沙仪安置在风洞轴线上且距风洞出口1 200 mm,收集待测6、8、10和12 m·s-1风速下吹蚀的风蚀物，用精度为1/1 000的电子天平称质量。为了完成测试系统数据的可靠采集，且能收集到满足进一步分析的土壤风蚀物，风蚀物与风速数据采集时间统一定为 5 min。取3次采集结果的平均值。

挟沙风采用排沙器定量排沙模拟，排沙器安置在风洞洞顶且位于试验段入口位置，6根排沙管与6个输沙漏斗相接从风洞洞顶插入风洞。挟沙风试验时排沙中加入物均为风沙土，排沙器转速统一定为29 r·min-1。试验前对排沙器传动部分及槽轮位置调试，确保排沙性能稳定。

2 结果与分析

2.1 土壤起动风速的测定与分析

本试验测定土壤起动风观测值为土壤试样表面出现蠕动即为起动值。测定临界起动风速时,在样本后面放置一条黑色的胶带,当胶带上有吹蚀掉的颗粒物存在时,记录临界起动风速。

表1 不同土壤起动风速测定值

注：土壤含水率为自然状态下风干后值

从表1可以看出，同为自然状态下风干后的土壤含水量，黑钙土的为2.480%，而风沙土仅为0.556%，黑钙土的含水量是风沙土的4.46倍。因此，黑钙土的起动风速高于风沙土。土壤受风沙流冲击后其冲击起动风速较流体起动风速明显降低。即土壤在低于流体起动风速，但气流中挟有沙粒也可以使土壤产生风蚀，说明风沙流对土壤侵蚀作用危害是十分巨大的。

2.2 不同风速下土壤风沙流结构特征

本试验以6、8、10和12 m·s-1的风速吹蚀不同土壤试验土样，观测风蚀物随高度的变化规律，见表2、表3。

表2 风沙土不同风速风蚀物收集量随高度的垂直分布 g

注：自然状态下风沙土土壤含水量为0.556%

分析并处理表中的数据，得出以下结论：

(1)相同土壤试样下，风蚀量随着风速的增加而增加；同一风速下，下层气流中的风蚀量增大，而上层气流中的风蚀量随高度增加而相应减少。观测结果表明，在0～30 cm 高度范围内有明显的风沙流，大于30 cm的高度范围内，风蚀物极少。在12 m·s-1的风速下,30 cm的高度范围内风沙土与黑钙土风蚀量分别占总风沙量的99.80%、96.89%。由此可见，在土壤风蚀的三种运行方式中，蠕移和跃移沙粒占绝大部分，而悬移沙粒所占的量极少，因此可得出绝大多数的风蚀物是在近地面运行的。这一结论，为防风蚀沙障等设置高度提供理论根据。

表3 黑钙土不同风速风蚀物收集量随高度的垂直分布 g

注：自然状态下黑钙土土壤含水量为2.48%

(2)利用Excel2003软件对表2、表3风蚀物收集量数据进行处理分析，确定不同风速土壤风蚀物收集量与高度的相关关系。结果表明，风沙土0～70 cm高度范围内土壤收集量与高度的关系符合多项式规律。而黑钙土0～70 cm高度范围内土壤风蚀量与高度关系符合对数函数规律关系。见图1、图2和表4、表5。

表4 风沙土不同风速风蚀物收集量随高度变化的拟合曲线函数和相关系数

表5 黑钙土不同风速风蚀物收集量随高度变化的拟合曲线函数和相关系数

图1风沙土不同风速收集物随高度分布

图2黑钙土不同风速收集物随高度分布

2.3 土壤含水量与起动风速的关系

土壤含水量是影响风蚀的主要因素,当土壤中有水分存在时,水分子与土壤颗粒之间的拉张力增加了颗粒间的内聚力,因此增加了土壤的抗风蚀性。国内也有许多学者对于土壤含水量因子的抗风蚀性进行过研究,但基本上都是针对单一土壤类型进行的[7,8]。由于土壤质地多种多样,因而实验数据各不相同,结论也不完全一致。特别是对黑龙江省西部土壤风蚀区目前尚无系统性研究。本试验对该风蚀区的2个主要土壤种类风沙土和黑钙土进行了测试研究。为防治土壤风蚀提供较为系统的理论依据。测试数据见表6、表7。

表6 风沙土不同含水量与临界起动风速的关系

表7 黑钙土不同含水量与临界起动风速的关系

利用Excel2007软件对表6、表7的数据进行分析，并绘出曲线，如图5、图6。从图5和图6可以看出,临界起动风速随土样含水量的增加而增大。风沙土样的临界起动风速由含水量0.556%时的5.00 m·s-1增加到含水量2.249%时的5.37 m·s-1,黑钙土样的临界起动风速由含水量2.480%时的5.60 m·s-1增加到了含水量8.429%时的6.03 m·s-1。风沙土样的临界起动风速与含水量之间存在指数关系,而黑钙土样的临界起动风速与含水量之间有二次函数关系。

图3风沙土样临界起动风速与含水量的关系

图4黑钙土土样临界起动风速与含水量的关系

2.4 同一风速下不同土壤含水量与风蚀量的关系

测试同一风速下不同土壤含水量与风蚀量的关系，可以反映出土壤含水量对风蚀控制因子实际作用。经对不同土壤在同一风速下吹蚀5 min后测得数据如表8、表9。

表8 同一风速下风性土壤含水量与风蚀量的关系

注：测定风速为6 m·s-1，历时5 min

表9 同一风速下黑钙土土壤含水量与风蚀量的关系

注：测定风速为8 m·s-1，历时5 min

对表8、表9的数据进行分析，并绘出曲线，如图5、图6。从图5和图6可以看出,同一风速下风沙土风蚀量与含水量之间呈负指函数关系,黑钙土风蚀量与含水量之间呈幂函数关系。2种土样的风蚀量均随含水量的增加而减小。在风蚀量随含水量减小的过程中,起初，随着含水量的增加,风蚀量急剧减小,这种减小的幅度会随着土样含水率的增加而变小,到土样含水率达到近饱和时,风蚀量的增加已经很不明显,曲线已变得比较平直。风沙土土样对含水量的响应要更敏感一些,在开始时少许的水分增加,所引起风蚀量的减小要比黑钙土土样更大。二是风沙土土样在含水量2%附近时,风蚀量已减小到一个很低的程度;黑钙土土样的这一转折点在含水率6%附近。说明土壤风蚀临界值风沙土土壤含水量为2%，黑钙土含水量为6%时土壤风蚀会得到控制。

图5风沙土壤含水量与风蚀量的关系

图6黑钙土土壤含水量与风蚀量的关系

3 结论

通过对大量的模拟试验数据资料的分析，初步总结出风沙土和黑钙土起动风速值、土壤风沙流结构特征、土壤风蚀量与土壤水分的关系，特别是首次利用风蚀风洞，测定出该土壤风蚀区代表性土壤风沙土和黑钙土在风沙状态下的冲击起动风速。土壤受风沙流冲击后其冲击起动风速较流体起动风速明显降低。即土壤在低于流体起动风速，但气流中挟有沙粒也可以使土壤产生风蚀。

3.1确定了黑龙江省西部土壤风蚀区内风沙土、黑钙土的起动风速

风洞实验测得同为自然状态下风干后的土壤含水量，黑钙土的为2.480%，而风沙土仅为0.556%，黑钙土的含水量是风沙土的4.46倍。因此，黑钙土的流体起动风速为5.60 m·s-1，高于风沙土流体起动风速5.00 m·s-1。而风沙土和黑钙土的冲击起动风速分别为4.63 m·s-1和5.46 m·s-1，说明土壤受风沙流冲击后其冲击起动风速较流体起动风速明显降低。即土壤在低于流体起动风速，但气流中挟有沙粒也可以使土壤产生风蚀，说明风沙流对土壤侵蚀作用危害是十分巨大的。

风洞测试风沙土与黑钙土，在自然状态下的风干后的土壤在风洞中近地表(离试样表面高20 cm)的起动风速。可按野外实测的粗糙度及公式换算为气象高度风速，其值为：风沙土流体起动风速7.69 m·s-1，冲击起动风速7.12 m·s-1。黑钙土流体起动风速8.62 m·s-1，冲击起动风速8.40 m·s-1。上述流体起动风速值与野外观测值在土壤水分相同时，数据具有一致性。

3.2 揭示了土壤风沙流结构特征

相同土壤试样下，风蚀量随着风速的增加而增加；同一风速下，下层气流中的风蚀量增大，而上层气流中的风蚀量相应减少。在0～30 cm 高度范围内有明显的风沙流，大于30 cm的高度范围内，风蚀物极少。在12 m·s-1的风速下,30 cm的高度范围内风沙土与黑钙土风蚀量分别占总风沙量的99.80%、96.89%。

风沙土0～70 cm高度范围内土壤收集量与高度的关系符合多项式规律。黑钙土0～70 cm高度范围内土壤风蚀量与高度关系符合对数函数规律。

风沙土0～70 cm高度范围内土壤收集量与高度的关系遵循线性函数规律。黑钙土0～70 cm高度范围内土壤风蚀量与高度关系遵循对数函数规律关系。

可见，在土壤风蚀的三种运行方式中，蠕移和跃移沙占绝大部分，而悬移沙土所占的量极少，因此，可得出绝大多数的风蚀物是在近地面运行的。

3.3 明确了土壤风蚀量与土壤水分的关系

2种土样的风蚀量均随含水量的增加而减小,风沙土呈负指函数关系，黑钙土呈幂函数关系。在风蚀量随含水量减小的过程中,起初随着含水量的增加,风蚀量急剧减小,这种减小的幅度会随着土样含水率的增加而变小,到土样含水率达到近饱和时,风蚀量的增加已经很不明显,曲线已变得比较平直。风沙土土样对含水量的响应要更敏感一些,在开始时少许的水分增加,所引起风蚀量的减小要比黑钙土土样更大。风沙土土样在含水量2%附近时,风蚀量已减小到一个很低的程度;黑钙土土样的这一转折点在含水率6%附近。说明风沙土当土壤含水量达到2%，黑钙土含水量达到6%时土壤风蚀会得到有效控制。这对黑龙江省西部土壤风蚀预防、治理具有理论意义。

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[7] 胡孟春，刘玉璋等.科尔沁沙地土壤风蚀的风洞实验研究[J].中国沙漠，1992，11(1):22-29

[8] 刘玉璋，董光荣，李长治.影响土壤风蚀主要因素的风洞实验研究[J].中国沙漠，1992，12(4):41-49

ExperimentsonWindErosionandWindTunnelinWesternHeilongjiangProvince

Pang Litie, Rong Jiandong, Liu Bingyou

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

Q938.13