保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地防風(fēng)蝕效果的風(fēng)洞測(cè)試

孫悅超，麻碩士，陳 智

（1. 嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湛江 524048；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地防風(fēng)蝕效果的風(fēng)洞測(cè)試

孫悅超1，麻碩士2，陳 智2

（1. 嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湛江 524048；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

為比較分析保護(hù)性耕作農(nóng)田與檸條帶狀配置修復(fù)退化草地的防風(fēng)蝕機(jī)理和防風(fēng)蝕效果，利用移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞及相關(guān)配套設(shè)備對(duì)內(nèi)蒙古烏蘭察布寒旱區(qū)的保護(hù)性耕作農(nóng)田、傳統(tǒng)旱作農(nóng)田和退化草地、檸條帶狀配置草地進(jìn)行風(fēng)蝕風(fēng)洞原位測(cè)試，研究其風(fēng)速廓線、輸沙通量等風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置草地的防風(fēng)蝕情況。結(jié)果表明：保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置修復(fù)草地的輸沙通量隨地表高度的變化呈“C”字形分布，有別于傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的輸沙通量隨地表高度的增加按指數(shù)規(guī)律迅速衰減；保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置草地的防風(fēng)蝕機(jī)理，主要在于保護(hù)性耕作農(nóng)田的直立殘茬和檸條帶狀配置可對(duì)近地表風(fēng)速產(chǎn)生阻擋、分解、疏散作用，從而使近地表風(fēng)速造成不同程度削弱；當(dāng)風(fēng)洞中心風(fēng)速為11 m/s 時(shí)，在距地表50 mm處保護(hù)性耕作農(nóng)田相比傳統(tǒng)耕作農(nóng)田的風(fēng)速降低率達(dá)86.44%，檸條帶狀配置草地相比退化草地的風(fēng)速降低率為70.69%，近地表風(fēng)速的降低是保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地有效防治土壤風(fēng)蝕的根本原因；保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地的風(fēng)沙流主要活動(dòng)在距地表40 cm高度以下，占總輸沙量的90%左右，而對(duì)照傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的風(fēng)沙流則主要活動(dòng)在距地表20 cm以下，占總輸沙量的85%以上。

風(fēng)；侵蝕；風(fēng)洞；土地退化；風(fēng)蝕；保護(hù)性耕作；灌草帶狀；輸沙通量

0 引 言

傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和草地退化發(fā)生的土壤風(fēng)蝕破壞地表原有結(jié)構(gòu)，是造成中國(guó)北方寒旱區(qū)土地退化、甚至沙漠化的主要原因之一。北方寒旱區(qū)土地沙化一旦發(fā)生則很難逆轉(zhuǎn)，而且會(huì)給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重危害，甚至影響到周邊地區(qū)。環(huán)保部對(duì)北方一些城市的顆粒物源解析表明，揚(yáng)塵是城市顆粒物的主要來(lái)源之一，北京PM2.5本地排放源中揚(yáng)塵占到了總來(lái)源的14.3%[1]；干燥多風(fēng)的內(nèi)蒙古呼和浩特、包頭等城市的PM2.5揚(yáng)塵所占比例會(huì)更高。采取科學(xué)有效方法來(lái)防治草地、農(nóng)田土壤風(fēng)蝕既可防止土地退化、沙化，同時(shí)也是控制大氣顆粒物污染的重要有效途徑之一。為行之有效防治旱作農(nóng)田、退化草地土壤風(fēng)蝕，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位近十幾年來(lái)致力于保護(hù)性耕作農(nóng)田、灌草帶狀配置修復(fù)退化草地防風(fēng)蝕研究，并取得了一些成果[2-7]。

保護(hù)性耕作農(nóng)田防治土壤風(fēng)蝕，是因?yàn)樗鼘⒆魑锝斩捀采w于農(nóng)田地表并留高茬，直立高茬可分解風(fēng)力對(duì)地表的剪應(yīng)力，消耗風(fēng)動(dòng)量；另外殘茬根系有固土并減少地表土壤水分蒸發(fā)作用，還可攔截風(fēng)沙流中的土壤顆粒，降低沙塵顆粒對(duì)地表的磨蝕作用；再有，被割掉的秸稈覆蓋于地表，可使地表免受風(fēng)的直接吹蝕，保護(hù)了易蝕性土壤顆粒[8-10]。灌草帶狀配置則是在退化嚴(yán)重的低覆蓋、甚至沙漠化的草地上，通過(guò)移栽耐寒冷、干旱的檸條等灌木對(duì)地表植被重新進(jìn)行科學(xué)配置，使近地表氣流場(chǎng)發(fā)生變化、并降低地表風(fēng)速，從而實(shí)現(xiàn)抑制或削弱風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度，進(jìn)而阻止風(fēng)沙流的形成并可固定流沙[11-14]。

農(nóng)牧業(yè)用地是中國(guó)北方寒旱區(qū)風(fēng)蝕沙害的主要土地。農(nóng)牧業(yè)用地的土壤可蝕性除了受土壤性質(zhì)的影響外，其實(shí)更重要的是受地表植被的影響。Wolfe等[15]研究認(rèn)為植被覆蓋能提高地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、降低風(fēng)速并阻擋沙塵，對(duì)風(fēng)蝕地表起到保護(hù)作用。陳智等[16]研究了保護(hù)性耕作地表的風(fēng)沙流特性，趙永來(lái)等[17]針對(duì)不同植被蓋度和殘茬高度的保護(hù)性耕作農(nóng)田近地表風(fēng)速阻擋效果進(jìn)行了分析研究，邢恩德等[18]研究了植被蓋度對(duì)典型草原區(qū)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕量影響，龔璽等[19]則對(duì)內(nèi)蒙古草原近地層垂直風(fēng)速廓線進(jìn)行了觀測(cè)研究，孫悅超等[20]研究了保護(hù)性耕作農(nóng)田和無(wú)退化草地的抗風(fēng)蝕效率，宣傳忠等[2]對(duì)內(nèi)蒙古四子王旗草地不同修復(fù)模式進(jìn)行了抗風(fēng)蝕試驗(yàn)研究。以上研究雖然證實(shí)了保護(hù)性耕作方式和提高草原地表植被覆蓋度可有效減少農(nóng)牧業(yè)用地的風(fēng)蝕沙害，檸條灌草帶狀配置是適合內(nèi)蒙古陰山北麓寒旱區(qū)且有很好防風(fēng)蝕效果的退化草地修復(fù)模式[21-23]。但把保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條灌草帶狀配置草地這2種防風(fēng)蝕方法進(jìn)行比較研究還未見(jiàn)報(bào)道，因此本文通過(guò)野外風(fēng)洞原位測(cè)試對(duì)二者的近地表風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行定量研究，比較它們的近地表風(fēng)速廓線、輸沙通量、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而深入探索它們的防風(fēng)蝕機(jī)理，為防治旱作農(nóng)田、草地土壤風(fēng)蝕提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地表位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，陰山以北的烏蘭察布高原。海拔1 500～1 700 m，年降水量為250～400 mm，多集中在夏季。該區(qū)為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，7～8月降水量占全年的70%左右，年蒸發(fā)量高達(dá)1 848.3 mm，約為降水量的5倍。4～5月連續(xù)無(wú)降水日數(shù)一般在30～50 d以上，大于17 m/s的大風(fēng)日數(shù)在30 d左右，風(fēng)大、干旱、沙多是該地冬春季的主要特征，是典型的以農(nóng)田、草地風(fēng)蝕沙化為特征的生態(tài)脆弱區(qū)[24-25]。

當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物以抗寒耐旱性較強(qiáng)的莜麥為主，并以傳統(tǒng)耕作方式為主，近年來(lái)保護(hù)性耕作方式獲得了一定推廣。草地則是以冷蒿、無(wú)芒隱子草、短花針茅為主，植被稀疏低矮，一般為8 cm高，蓋度為13%～20%。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)以陳智教授為首的防風(fēng)蝕研究團(tuán)隊(duì)在此建立了灌草帶狀配置修復(fù)退化草地試驗(yàn)基地。該基地包括退化草地試驗(yàn)區(qū)、帶狀檸條配置修復(fù)試驗(yàn)區(qū)和冰草修復(fù)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的面積為500 m2左右。這里春季干旱多風(fēng)，土壤堅(jiān)硬、透水通氣能力差，主要為淡栗鈣土。土壤厚度約為1 m，在40～50 cm深度出現(xiàn)鈣積層，有機(jī)質(zhì)含量1%～2.5%，粒徑在1～0.25 mm的成分約占18%，粒徑在0.25～0.05 mm的成分約占40%。土壤的結(jié)構(gòu)性差，砂粒含量高，難以形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土壤抗風(fēng)蝕能力差。

2 設(shè)備與方法

2.1 測(cè)試設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的0FDY-1.2型直流吹氣式可移動(dòng)風(fēng)蝕風(fēng)洞。它由過(guò)渡段、整流段、收縮段和試驗(yàn)段組成，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置如圖1。風(fēng)洞全長(zhǎng)為11.8 m，試驗(yàn)段為長(zhǎng)7.2 m、寬1.0 m、高1.2 m的矩形無(wú)底截面；收縮段長(zhǎng)1.2 m，收縮比為1.7；穩(wěn)定段長(zhǎng)0.41 m、寬1.16 m，高1.76 m，內(nèi)置不銹鋼正六邊形蜂窩器和一層1 mm不銹鋼紗網(wǎng)；配套風(fēng)機(jī)直徑1.4 m、型號(hào)為BK-57型的軸流風(fēng)機(jī)，并由型號(hào)為40G型的40 kW發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)。在試驗(yàn)段可模擬與自然風(fēng)梯度變化相似的風(fēng)速廓線，風(fēng)速在0～20 m/s連續(xù)可調(diào)。經(jīng)性能測(cè)試，風(fēng)洞風(fēng)速的橫向不均勻度、氣流穩(wěn)定性偏差、湍流度、軸向靜壓梯度等各項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均符合測(cè)試要求。人工大氣邊界層調(diào)節(jié)裝置能將邊界層厚度從10 cm增厚至96 cm左右，并可將風(fēng)速廓線調(diào)節(jié)至所需形狀，實(shí)現(xiàn)了氣流邊界層的增厚和風(fēng)速廓線的調(diào)節(jié)功能。測(cè)試時(shí)在風(fēng)洞的試驗(yàn)段放置風(fēng)速廓線儀和旋風(fēng)分離式集沙儀，可獲取風(fēng)洞風(fēng)速和風(fēng)蝕量等數(shù)據(jù)。

風(fēng)速由風(fēng)速廓線儀采集后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳給數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)中顯示、記錄、保存[26-27]。風(fēng)速廓線儀及風(fēng)速采集系統(tǒng)如圖2，由機(jī)架、6個(gè)熱膜風(fēng)速傳感器和變送器、Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送終端、電池組成。試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)速廓線儀置于距風(fēng)洞出口1.8 m、距洞壁0.3 m處，測(cè)距地表0～70 cm間6個(gè)不同高度的風(fēng)速并由軟件生成風(fēng)速廓線。

圖1 移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置Fig.1 Structure and equipment arrangement of movable wind erosion tunnel

圖2 無(wú)線風(fēng)速廓線儀及風(fēng)速采集系統(tǒng)Fig.2 Wireless wind speed profiler and wind speed collection system

集沙儀由防護(hù)罩、支撐底座、氣流管、旋風(fēng)分離器和集沙盒等組成[28-30]，如圖3。試驗(yàn)前將集沙儀置于風(fēng)洞軸線距出口1.2 m處，8個(gè)集沙單元分別收集距地表3～70 cm高度間對(duì)應(yīng)8個(gè)高度的輸沙量，集沙單元通過(guò)矩形氣流管口采集風(fēng)蝕物，氣流管口高3 cm、寬1.5 cm；每一風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)束后由精度為千分之一的電子天平通過(guò)稱取對(duì)應(yīng)集沙盒質(zhì)量來(lái)計(jì)算相應(yīng)輸沙量，然后根據(jù)氣流管口截面積、測(cè)試時(shí)間和輸沙量計(jì)算不同地表在不同風(fēng)洞中心風(fēng)速下的各高度輸沙通量。

2.2 測(cè)試方法

鑒于試驗(yàn)區(qū)氣候，選擇在植被未返青、風(fēng)蝕最嚴(yán)重的4月進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)保護(hù)性耕作農(nóng)田地表見(jiàn)圖4a，種植作物為莜麥，留茬高平均30 cm，平均行距19.8 cm，植株平均直徑5 mm，平均密度402株/m2，植被蓋度為70%，地表5 cm深度土層平均含水率為6.46%。對(duì)照傳統(tǒng)耕作農(nóng)田測(cè)試前耙平處理，地表5 cm深度土層平均含水率為2.52%，見(jiàn)圖4b。測(cè)試期間環(huán)境平均溫度8.5 ℃，大氣平均壓力825 kPa。

圖3 旋風(fēng)分離式集沙儀Fig.3 Whirl type separation sand sampler

帶狀檸條配置修復(fù)草地見(jiàn)圖4c，其植被覆蓋度為40%，檸條帶平均高30 cm，平均行間距120 cm，地表深度5 cm土層平均含水率為5.27%。對(duì)照退化草地見(jiàn)圖4d，地表覆蓋度為20%，以冷蒿、無(wú)芒隱子草等枯草為主，地表深度5 cm土層平均含水率為2.41%。測(cè)試期間環(huán)境平均溫度為6.5 ℃、大氣平均壓力823 kPa。鑒于試驗(yàn)風(fēng)速與研究區(qū)自然風(fēng)速的一致性，并且研究區(qū)傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的起沙風(fēng)速均約為6 m/s，故試驗(yàn)設(shè)計(jì)6～18 m/s間的5種風(fēng)洞中心風(fēng)速分別對(duì)試驗(yàn)地表進(jìn)行連續(xù)吹蝕1 h，每一地表分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取輸沙量結(jié)果平均值進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4 測(cè)試地表Fig.4 Test surface

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速廓線

風(fēng)速廓線是指風(fēng)速隨高度的分布曲線，是衡量近地表的風(fēng)速分布規(guī)律和土壤風(fēng)蝕發(fā)生情況的重要指標(biāo)之一。當(dāng)下墊面覆蓋植被時(shí)，由于植被對(duì)空氣流速的阻擋和削弱，使近地表風(fēng)速減小，并且破壞了無(wú)植被時(shí)近地表風(fēng)速隨高度變化的對(duì)數(shù)規(guī)律。

鑒于4種地表在不同風(fēng)洞中心風(fēng)速下的風(fēng)速廓線極為相似，因此選擇風(fēng)洞中心風(fēng)速為11 m/s時(shí)它們的風(fēng)速廓線進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖5。由圖5可知，在相同的風(fēng)洞中心風(fēng)速下，距地表30cm的植被高度以下的保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地的風(fēng)速明顯低于它們各自對(duì)照的傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地。在相同的風(fēng)洞中心風(fēng)速11 m/s時(shí)，在距地表50 mm處保護(hù)性耕作農(nóng)田相比傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風(fēng)速減小率達(dá)86.44%，檸條帶狀配置草地相比退化草地風(fēng)速減小率為70.69%，可見(jiàn)，保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地對(duì)近地表氣流的消弱與阻擋效果非常明顯。因此，近地表風(fēng)速的降低使風(fēng)速廓線的改變是保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地能夠有效防治土壤風(fēng)蝕的根本原因。

圖5 不同地表類型的風(fēng)速廓線Fig.5 Wind speed profile of different land surface types

由圖5還可以看出，在相同的風(fēng)洞中心風(fēng)速下，在距地表相同高度時(shí)檸條帶狀配置草地的風(fēng)速要高于對(duì)應(yīng)保護(hù)性耕作農(nóng)田，這也是導(dǎo)致檸條帶狀配置草地的最大輸沙通量出現(xiàn)在距地表30 cm附近出現(xiàn)（圖6），高于保護(hù)性耕作農(nóng)田的最大輸沙通量出現(xiàn)在距地表25 cm附近的主要原因。

3.2 輸沙通量垂向分布規(guī)律

風(fēng)沙流是風(fēng)及其所攜帶的沙物質(zhì)形成的氣-固兩相流，是風(fēng)沙物理學(xué)的核心內(nèi)容，也是防沙治沙工程的基礎(chǔ)理論之一。風(fēng)沙流中輸沙通量的垂向分布則是沙粒微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，對(duì)正確估計(jì)輸沙率、分析土壤風(fēng)蝕具有重要意義。

通過(guò)對(duì)4種地表的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出它們?cè)诓煌L(fēng)速下的輸沙通量隨距地表高度的變化曲線，見(jiàn)圖6。結(jié)果表明，退化草地和傳統(tǒng)耕作農(nóng)田的輸沙通量均按指數(shù)函數(shù)規(guī)律隨高度的增加迅速衰減，見(jiàn)圖6a、圖6c，與沙漠、戈壁地表的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)較為相似。而保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置修復(fù)草地的輸沙通量隨距地表高度的變化呈多項(xiàng)式變化，它們的輸沙通量曲線隨距地表高度變化呈“C”字形分布，完全不同于對(duì)照傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的輸沙通量隨距地表高度變化呈指數(shù)函數(shù)迅速衰減的規(guī)律，見(jiàn)圖6b、圖6d。

4種地表的輸沙通量曲線出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作農(nóng)田直立殘茬和檸條帶狀配置草地的直立檸條帶的存在，使它們的近地表氣流場(chǎng)發(fā)生改變。氣流的一部分受直立殘茬層和檸條帶的阻擋被迫抬升，使殘茬層和檸條帶高度以下通過(guò)的氣流大大減少，風(fēng)速迅速降低；同時(shí)由于保護(hù)性耕作農(nóng)田殘茬層和檸條帶狀草地的檸條帶存在，使得氣流的活動(dòng)層被抬高，相應(yīng)的最大輸沙通量也被提升一個(gè)高度。因此最大輸沙通量出現(xiàn)在了接近直立殘茬頂或檸條帶頂部的位置，即輸沙通量曲線出現(xiàn)了“鼻尖”，從而輸沙通量曲線隨距地表高度變化呈“C”字形分布。

圖6 測(cè)試地表的輸沙通量垂向分布規(guī)律Fig.6. Flux density profile of aeolian sediment drift of test surface

由圖6b可見(jiàn)，保護(hù)性耕作農(nóng)田在試驗(yàn)各級(jí)風(fēng)速下輸沙通量隨高度變化均有2個(gè)極值點(diǎn)出現(xiàn)，第一個(gè)極值點(diǎn)在距地表6 cm附近，對(duì)應(yīng)輸沙通量較??；第二個(gè)極值點(diǎn)則出現(xiàn)在距地表25 cm附近，是最大輸沙通量。而圖6d的檸條帶狀配置草地輸沙通量在距地表30 cm附近時(shí)各種風(fēng)速下都有極大值點(diǎn)出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)值為最大輸沙通量，但沒(méi)有保護(hù)性耕作農(nóng)田較小的第一個(gè)輸沙通量極值點(diǎn)出現(xiàn)。兩種地表的輸沙通量垂向曲線雖然存在有無(wú)較小極值點(diǎn)的區(qū)別，但并不影響輸沙通量曲線在垂向呈“C”字形的分布規(guī)律。

隨風(fēng)速的增大4種試驗(yàn)地表的輸沙通量均有不同程度增加，在高風(fēng)速時(shí)增幅愈加明顯。保護(hù)性耕作農(nóng)田在近地表6 cm附近時(shí)出現(xiàn)較小的輸沙通量極值點(diǎn)，是因?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作農(nóng)田地表存有大量植被落葉和少量倒伏殘茬，地表平均覆蓋度達(dá)70%。地表2～3 cm的高度恰好處于植被落葉覆蓋層之下，受覆蓋層的保護(hù)作用，輸沙通量幾乎為零。而距地表6 cm以上高度則處于植被落葉覆蓋層之上，風(fēng)沙流中的沙塵顆粒在落葉覆蓋層以上輸送，同時(shí)受到植被落葉覆蓋層和直立殘茬的強(qiáng)烈阻擋，覆蓋層內(nèi)風(fēng)速很低，因此出現(xiàn)了輸沙通量較小的極值點(diǎn)。檸條帶狀配置修復(fù)退化草地沒(méi)有這個(gè)極值點(diǎn)是因?yàn)閷?duì)應(yīng)地表植被蓋度僅為40%，不存在明顯的地表2～3 cm落葉覆蓋層，因此第一個(gè)較小的極值點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)以上分析可見(jiàn)，保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置草地的防風(fēng)蝕機(jī)理，主要在于保護(hù)性耕作農(nóng)田直立殘茬和帶狀檸條對(duì)近地表風(fēng)速的阻擋、分解、疏散作用，從而使近地表風(fēng)速發(fā)生大幅削弱。

3.3 輸沙量百分比分析

對(duì)輸沙通量隨高度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，通過(guò)對(duì)輸沙通量在不同高度層分段積分計(jì)算出了保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地在不同高度層的輸沙量百分比，見(jiàn)圖7。

由圖7a可見(jiàn)，在試驗(yàn)各級(jí)風(fēng)速下保護(hù)性耕作農(nóng)田最大輸沙量百分比出現(xiàn)在距地表20～30 cm高度范圍內(nèi)，占相應(yīng)風(fēng)速下輸沙總量的28.64%～30.84%，且輸沙量百分比隨風(fēng)速的變化幅度較小。由圖7b可知，檸條帶狀修復(fù)草地的輸沙量最大百分比在試驗(yàn)各級(jí)風(fēng)速下都出現(xiàn)在距地表20～40 cm高度范圍內(nèi)，占相應(yīng)風(fēng)速下輸沙總量的55%～60%。

圖7 保護(hù)性耕作農(nóng)田及檸條帶狀配置草地的輸沙通量百分比Fig.7 Percentage of sediment flux about conservation tillage farmland and caragana strip configuration grassland

由圖7還可以看出，保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地的風(fēng)沙流主要活動(dòng)在距地表40 cm高度以下范圍內(nèi)，占到總輸沙量的90%左右（保護(hù)性耕作農(nóng)田14 m/s時(shí)最大為92.74%，9 m/s時(shí)最小為88.13%），距地表50 cm高度范圍內(nèi)輸沙量百分比達(dá)到95%以上。距地表50 cm高度以上的輸沙量幾乎接近于零，說(shuō)明風(fēng)沙流主要集中在近地表50 cm的高度范圍內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)。對(duì)照的傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的輸沙量則以近地表約20 cm高度為界，20 cm高度以上各層的輸沙量百分比較小。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田在20 cm以上高度層的輸沙量總和占總輸沙量的比例不足10%，退化草地在20 cm以上高度層的輸沙量總和占總輸沙量的比例不足15%，即這2種地表85%以上的風(fēng)沙流在近地表20 cm以下運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié) 論

利用移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞及相關(guān)設(shè)備對(duì)保護(hù)性耕作農(nóng)田、傳統(tǒng)旱作農(nóng)田、退化草地、檸條帶狀配置草地4種地表進(jìn)行了野外風(fēng)洞原位測(cè)試，通過(guò)對(duì)不同測(cè)試情況下的集沙儀采集量和風(fēng)速廓線儀風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理從而獲取了4種被測(cè)地表的近地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。著重根據(jù)輸沙通量垂向分布圖，從地表植被對(duì)土壤的保護(hù)、植被對(duì)風(fēng)蝕物顆粒的阻擋和近地表風(fēng)速廓線等方面較為詳細(xì)地分析了保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置修復(fù)退化草地的防風(fēng)蝕機(jī)理，獲得的主要結(jié)論如下：

1）保護(hù)性耕作農(nóng)田、檸條帶狀配置草地的近地表風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)較為相似：在試驗(yàn)各級(jí)風(fēng)速下，它們的輸沙通量曲線隨地表高度的增加呈“C”字形分布，完全不同于傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的輸沙通量曲線隨地表高度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。

2）風(fēng)洞中心風(fēng)速為11 m/s時(shí)，在距地表50 mm處保護(hù)性耕作農(nóng)田相比傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風(fēng)速降低率達(dá)86.44%，檸條帶狀配置草地相比退化草地風(fēng)速降低率為70.69%，近地表風(fēng)速的降低是保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地能夠有效防治土壤風(fēng)蝕的根本原因。

3）保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地的風(fēng)沙流主要活動(dòng)在距地表40 cm高度以下，占總輸沙量的90%左右，距地表50 cm高度范圍內(nèi)輸沙量百分比達(dá)到95%以上；而對(duì)照傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和退化草地的風(fēng)沙流則主要活動(dòng)在距地表20 cm以下，占總輸沙量的85%以上。

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Wind tunnels test on anti-wind erosion effect of conservation tillage farmland and caragana collocated with grassland in strip

Sun Yuechao1, Ma Shuoshi2, Chen Zhi2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

In order to analyze the anti-wind erosion mechanism and anti-wind erosion effect of the protective tillage farmland and the strip arrangement of Caragana to restore deteriorated grassland, the mobile erosion wind tunnel and related supporting equipment are used to conduct the field in-situ test of wind tunnel of the protective tillage, the traditional dry farmland, the degraded grassland, and the grassland with the strip arrangement of Caragana in the cold and dry area of Ulanqab, Inner Mongolia. In the test, the wind speed profiles near surface, sediment transport fluxes and wind sand flow structure are studied, and the windbreaks of farmland and Caragana korshinskii in grassland are analyzed and compared. The results show that the wind speed from the protective tillage farmland and the grassland with Caragana banded configuration of 30 cm height is significantly lower than their corresponding traditional tillage farmland and degraded grassland in the same wind speed of wind tunnel center. And the corresponding sediment transport flux also decreases. The sand flux of the protective tillage and strip-shaped arrangement of Caragana to restore grassland presents a C-shaped distribution with the changes in surface height, which is different from the rapid exponential decline in the sand flux of traditional farmland and degraded grassland with the increase of surface height. In the same wind speed of wind tunnel center, the wind speed of the restoration belt of Caragana is higher than that of the corresponding protective tillage farmland at the same height above the ground surface. Then the largest sediment transport flux of the grassland with Caragana belt appears at the height of 30 cm above the ground surface, and the maximum sediment transport flux occurs at 25 cm above the ground surface for the protective tillage farmland. The anti-wind erosion mechanism of conservation tillage farmland and Caragana microphylla grassland mainly is that the vertical stubble of the protective tillage farmland and the Caragana belt of the degraded grassland can block, decompose and evacuate the wind speed near the surface, so that the wind speed near the ground surface is weakened in different degrees. When the wind speed of the wind tunnel is 11 m/s, compared with the traditional tillage, the protective tillage has a wind speed reduction rate of 86.44% at 50 mm above the surface, while the grassland with the strip arrangement of Caragana has a wind speed reduction rate of 70.69% compared with the degraded grassland. The reduction of wind speed near the ground surface is the fundamental cause of the effective prevention and control of soil wind erosion in the farmland with protective tillage and the grassland with strip arrangement of Caragana. For the conservation tillage farmland and the grassland with Caragana belts, the aeolian sand flow is mainly concentrated on the height less than 40 cm above the ground surface, accounting for about 90% of the total sediment discharge, while for the traditional cultivated farmland and the degraded grassland, the aeolian sand flow is mainly below 20 cm, which accounts for more than 85% of the total sediment discharge.

wind; erosion; wind tunnels; land degradation; wind erosion; conservation-cultivation; shrub grass strip; sand transportation flux

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.018

S157.4; S155.4

A

1002-6819(2017)-11-0140-07

孫悅超，麻碩士，陳 智. 保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地防風(fēng)蝕效果的風(fēng)洞測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：140－146.

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2016-10-27

2017-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41161045、41361058）

孫悅超，博士，教授，主要從事土壤風(fēng)蝕測(cè)試與控制方面研究。湛江 嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，524048。Email：yuechaosun@sina.com