摘要摘要:土壤风蚀是全球性土地退化的主要原因之一,也是世界上许多国家和地区的主要环境新问题之一。该文描述了国内外对土壤风蚀发生气理、防治理念和技术的探究,提出农业上实行保护性耕作,林业上植树造林,牧业上防止草原退化是人类可以用来治理和控制土壤风蚀的3种重要办法,以及我国治沙生产实践的总结表明机械沙障防沙是当前对流沙进行综合治理的办法,已为世界所公认,是理想而有效的办法。我国土壤风蚀和土地退化新问题日趋严重,应在全国进行大力宣传,转变土壤风蚀治理的观念,使人们从思想上熟悉风蚀防治要从植树、种草、农田保护、机械沙障4个方面综合进行,同时,国家要从政策上、资金上为农田保护性耕作的大规模实施提供保证,促进保护性耕作在全国范围内的推广应用。
摘要:土壤风蚀 防治技术 保护性耕作引 言摘要:土壤风蚀是干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地沙漠化和沙尘暴灾难的首要环节,也是世界上许多国家和地区的主要环境新问题之一。全球极易发生土壤风蚀的地区包括摘要:北非、近东、中亚、东南亚部分地区、西伯利亚平原、澳大利亚、南美洲南部以及北美洲的干旱、半干旱地区。目前,全球有9亿人口受到沙漠化的影响;2/3即100多个国家和地区受其危害;全球陆地面积的1/4,即3.592×109hm2受到沙漠化的威胁。每年因沙漠化造成的经济损失约达423亿美元[1.其中,我国受土壤风蚀及土地沙漠化影响的面积占国土总面积的1/2以上[2,主要分布于北方,尤以旱作农田为甚。土壤风蚀严重影响了这些地区的资源开发和社会经济的持续发展。土壤风蚀新问题愈来愈受到国际社会的广泛关注。
1、风蚀发生气理
1.1 沙粒起动机制
土壤风蚀是指一定风速的气流功能于土壤或土壤母质,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重,人们主要进行运动模型的探究[5.1962年之前,Bagnold描述到颗粒在主风力功能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Lyles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0.84mm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探究,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探究[8.他们认为在风力功能下,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功能下,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,并足以克服重力的功能,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。由于沙粒几何外形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。受到忽然冲击力功能的沙粒,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,沙粒在气流功能下,由静止状态达到跃起状态。
1.2 沙粒运动形式
风力功能下土壤颗粒主要有3种运动类型[5(图1)摘要:悬移、跃移和蠕移。
图1 风蚀过程示意图
Fig.1 Schematicdiagramofwinderosionprocess
跃移摘要: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,探究证实跃移土壤颗粒的升起高度(H)和前进距离(L)比为1∶10.由于跃移是发动其他类型输送的原因,所以在控制办法里是很重要的。另外,由于土壤颗粒的巨大功能,跃移是植物伤害的主要原因。
悬移摘要:指来自于很小土壤颗粒的垂直和水平运动,在跃移和直接风力功能下,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%26lt;20μm的颗粒。在风蚀过程中,悬浮一般占总的土壤颗粒的3%~40%,搬运的高度最高、距离最远,是沙尘暴主要构成部分,土壤损失最为明显。由于比较细小的土壤颗粒通常含较多的有机质和营养物质,所以悬浮颗粒是最富含有机质和植物营养物质的部分。
蠕移摘要: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。
1.3 风蚀的影响因素
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探究工作。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探究,结果表明采取非凡的保护办法,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) 地表覆盖及粗糙度状况决定的[11.
1.3.1 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。假如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。
1.3.2 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(1941年)在土壤特性方面做了大量的工作,探究水稳性团聚体和干土块和风蚀度之间的关系[12.Chepil和Woodruff指出直径小于0.84mm的颗粒最易于风蚀。因此,小于0.84mm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。
1.3.3 地表覆盖及粗糙度状况
Fryrear[8应用便携式风洞估计了平坦地表、已耕地表和含有非侵蚀性土块的已耕地表的土壤损失。结果得出,20%非侵蚀性土块覆盖的地表和无土块覆盖的地表相比,土壤损失减少56%;40%和60%.土块覆盖的地表分别减少82%和89%,地表粗糙度在控制风蚀方面是很有效的,并建立了土壤粗糙度系数和地表粗糙度之间的关系,定量方程为摘要:k=e-0.48SR.
Hagen探究了作物残茬对风蚀的影响原因,结果表明摘要:倒伏残茬抑制了地表土壤的扬起,增加了临界风速;竖立残茬减小了土壤表面的摩阻速度并拦截了跃移的土壤;试验证实竖立残茬比倒伏残茬对风蚀的控制更有效。Fryrear通过室内和田间风洞试验探究了倒伏残茬覆盖百分率和土壤损失的关系,当20%覆盖时,减少土壤损失57%,50%覆盖时,减少土壤损失95%.其土壤损失比表达式为摘要:SLRc=1.81e-0.072SC(R2=-0.94),但仅在8%~80%覆盖下验证了此方程。Bilbro和Fryrear[利用Fryrear(1985)的试验数为摘要:
SLRc=e-0.0438SC(R2=0.94)。
SLR是指已知处理条件下被侵蚀土壤和平坦、裸露地表最大土壤损失之比。Horning(1998)等通过风洞模拟试验探究土壤损失比和地表粗糙度及地表覆盖率之间的关系(图2,图3),从图中可以看出他们均服从指数关系,把倒伏残茬覆盖和地表粗糙度分别作为独立变量,得出定量方程为[13
SLR=e-0.5SC×e-0.52SR
式中 SLR——土壤损失比; SC——倒伏残茬覆盖率,%; SR——地表粗糙度,cm.
此式说明作物残茬保护地表是有效且可行的控制风蚀的方法,而地表粗糙度的增加,也可以明显地降低风蚀。对残茬覆盖和地表粗糙度能有效的减小风蚀的理解,可更好地开发和应用保护性耕作来减少农田风蚀、土壤源的损失以及沙尘暴的发生。
2、风蚀防治技术
2.1 农田上实行保护性耕作技术防治风蚀
2.1.1 国外实行保护性耕作技术防治农田风蚀的经验
(1)美国治理沙尘暴的经验。
19世纪初美国大量采用铧式犁开荒,将数千万公顷干旱、半干旱草原开垦成农田,耕翻后多次耙压碎土、裸露休闲,几十年获得了好收成,粮食大量出口,为美国带来了丰厚的经济利益。 至20世纪30年代,连续数年在美国西部刮起的举世震动的“黑风暴”,大风在没有遮拦的农田裸地上横扫,成千上万吨表土被风刮走。1934年5月一场典型的沙尘暴从美国西部刮起,连续三天,横扫2/3国土,把3亿多吨土壤卷进大西洋。仅这一年美国毁坏300多万公顷耕地,冬小麦减产510万吨,导致16万农民倾家荡产逃离西部,留下的人生活极其困难,还有不少人死于沙尘暴引起的肺炎。
“黑风暴”惊醒
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