土壤含水率对冻结风沙土风蚀速率的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00120

摘要/Abstract

摘要：

乌兰布和沙漠冬季土壤冻结，流动沙丘表层干沙风蚀后出现冻结裸斑，风沙输移环境发生改变。为研究冻结裸斑对风蚀的影响，探讨不同含水率冻结风沙土风蚀的差异，根据野外实际情况，试验设置5、7、8.5、10、12 m·s^-1风速梯度，设置土壤含水率（1%~6%）6个梯度，以自然状态下干沙（含水率0.13%）作为对照，开展冻结风沙土风蚀模拟风洞试验。结果表明：发生冻结时，含水率≤2%风沙土2 h内即可产生稳定冻结，而含水率≥3%风沙土则5~12 h产生稳定冻结。风沙土含水率相同时，冻结风沙土风蚀速率随着风速升高而增大，风蚀速率Q与风速V符合指数函数Q=ae ^bV。风速相同时，随着土壤含水率升高，冻结风沙土风蚀速率减小；风蚀速率与冻结风沙土含水率w符合指数函数Q=ce ^dw。三者关系式符合Q=0.367e^0.849^V^-0.677^w （R²=0.994），冻结风沙土风蚀速率较自然干沙风蚀速率减小40%~98%，冻结风沙土含水率>3%时，可以有效抑制风蚀。风速、含水率是影响冻结风沙土风蚀速率的主要因素。当未来气候趋向干暖化，可能导致乌兰布和沙漠冬季风蚀增强。

关键词: 风蚀速率, 冻结, 土壤含水率, 风洞试验

Abstract:

The soil in Wulanbuhe Desert area frozes in winter， and the dry sand on the surface of the flowing sand dunes exposes and is frozen after wind erosion， so the wind and sand movement environment changes. In this paper， the influence of freezing on the wind erosion process is analyzed， and the influence of freezing on the wind erosion process under different moisture conditions is explored. The wind speed gradients of 5， 7， 8.5， 10， 12 m·s^-1 were set up， and 6 gradients of soil moisture content （1%-6%） were set， and non-frozen soil with low moisture content （CK，0.13%） as the control. It is found that a stable frozen layer can be formed within 2 hours on aeolian sand foundation with a water content of ≤2%， while a stable frozen layer can be formed in 5-12 hours on a aeolian sand foundation with a water content of ≥3%.Under the same water content condition， the erosion rate of aeolian sand after freezing increases with the increase of speed， and the wind erosion rate Q and wind speed V conformes to the index Q=ae ^bV . Under the same wind speed， the wind erosion rate of frozen aeolian sand decreases with the increase of soil moisture， and the wind erosion rate and the moisture content w of frozen aeolian sand soil correspond to the exponential function Q=ce ^dw . In general， the wind erosion rate of frozen aeolian sand soil is reduced by more than 40% compared with that of dry sand， and the relationship between wind erosion rate of frozen aeolian sand soil and wind speed and moisture content is consistent with Q=0.367e^0.849^V^-0.677^w （R²=0.994）. The wind erosion rate of frozen aeolian sand is reduced by 40%-98% compared with that of CK， and the water content of frozen aeolian sand is more than 3%， which can effectively inhibit wind erosion. Wind speed and moisture content are the main factors affecting the erosion rate of frozen aeolian sand. In the case of future warming and drying， wind erosion in Wulanbuhe Desert may increase.

Key words: wind erosion rate, freeze, soil moisture, wind tunnel test

中图分类号:

P931.3

韩兆恩, 崔崴, 李锦荣, 唐国栋, 张俊. 土壤含水率对冻结风沙土风蚀速率的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 228-234.

Zhaoen Han, Wei Cui, Jinrong Li, Guodong Tang, Jun Zhang. Effect of soil moisture content on wind erosion rate of frozen aeolian sand[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(1): 228-234.

图/表 5

图1 采样区2020—2021年冻结期空气温湿度及各土层温度

Fig.1 Air temperature and humidity and temperature of each soil layer in the freezing period of 2020-2021 in the sampling area

图2 风洞布设

Fig.2 Picture of wind tunnel layout

图3 风洞布设平面图

Fig.3 Top view of wind tunnel layout

图4 不同含水率风沙土冻结温度

Fig.4 Changes of freezing temperature of aeolian soil with different moisture content

图5 冻结风沙土风蚀速率随含水率及风速的变化

Fig.5 Changes of wind erosion rate of frozen aeolian soil with moisture content and wind speed

参考文献 47

1	任小玢.腾格里沙漠东南缘风沙流特征［D］.西安：陕西师范大学，2013.
2	张春来，宋长青，王振亭，等.土壤风蚀过程研究回顾与展望［J］.地球科学进展，2018，33（1）：27-41.
3	Nordstrom K F， Hotta S.Wind erosion from cropland in the USA：a review of problems，solutions and prospects［J］.Geoderma，2004，121（3）：157-167.
4	Zender C S， Miller R L R L， Tegen I.Quantifying mineral dust mass budgets：terminology，constraints，and current estimates［J］.EOS，2004，85（48）：509-512.
5	董治宝，钱广强.关于土壤水分对风蚀起动风速影响研究的现状与问题［J］.土壤学报，2007，44（5）：934-942.
6	雷金银，吴发启，马璠，等.毛乌素沙地土壤风蚀的气候因子分析［J］.水土保持研究，2007，14（2）：104-105.
7	Wiggs G F S， Baird A J， Atherton R J.The dynamic effects of moisture on the entrainment and transport of sand by wind［J］.Geomorphology，2004，59（1）：13-30.
8	Sherman D J， Jackson D W T， Namikas S L，et al.Wind-blown sand on beaches：an evaluation of models［J］.Geomorphology，1998，22（2）：113-133.
9	桑琦明.典型厚层黑土区冻融-风力-水力叠加驱动的坡面侵蚀过程及其机理［D］.咸阳：西北农林科技大学，2021.
10	何京丽，郭建英，邢恩德，等.黄河乌兰布和沙漠段沿岸风沙流结构与沙丘移动规律［J］.农业工程学报，2012，28（17）：71-77.
11	陈新闯，董智，李锦荣，等.乌兰布和沙漠不同下垫面冬季沙尘通量［J］.中国沙漠，2016，36（6）：1527-1532.
12	林年丰，汤洁.第四纪环境演变与中国北方的荒漠化［J］.吉林大学学报（地球科学版），2003，33（2）：183-191.
13	吴循，周青.气候变暖对陆地生态系统的影响［J］.中国生态农业学报，2008，16（1）：223-228.
14	姚俊强，杨青，陈亚宁，等.西北干旱区气候变化及其对生态环境影响［J］.生态学杂志，2013，32（5）：1283-1291.
15	贾旭，高永，李锦荣，等.近40 a黄河乌兰布和沙漠段河道演变特征［J］.干旱区研究，2016，33（4）：905-911.
16	李锦荣，郭建英，董智，等.黄河乌兰布和沙漠段凌汛期河岸动态变化及影响因素［J］.水土保持研究，2016，23（2）：117-122.
17	王露.乌兰布和沙漠典型单株灌木防风阻沙效益研究［D］.北京：北京林业大学，2019.
18	赵纳祺.乌兰布和沙漠沿黄段冻结对沙丘坡面风积沙运移特征影响［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2018.
19	司前程，李锦荣，崔万新，等.冬季沙漠沙丘土壤凝结特征及来源分析［J］.干旱区资源与环境，2021，35（6）：44-51.
20	李锦荣，郭建英，赵纳祺，等.乌兰布和沙漠流动沙丘风蚀空间分布规律及其影响因素［J］.中国沙漠，2018，38（5）：928-935.
21	李锦荣，王健，王茹，等.基于无人机技术黄河沿岸沙丘移动速度监测及影响因素分析［J］.农业工程学报，2021，37（19）：57-64.
22	田世民，姚文艺，郭建英，等.乌兰布和沙漠风沙入黄影响因子变化特征［J］.中国沙漠，2016，36（6）：1701-1707.
23	阿比亚斯，李锦荣，赵纳祺，等.冻结对不同土壤湿度风沙土风蚀影响研究［J］.内蒙古林业科技，2022，48（2）：7-12.
24	Ravi S， Zobeck T M， Over T M，et al.On the effect of moisture bonding forces in air-dry soils on threshold friction velocity of wind erosion［J］.Sedimentology，2006，53（3）：597-609.
25	申彦波，沈志宝，杜明远，等.风蚀起沙的影响因子及其变化特征［J］.高原气象，2005，24（4）：611-616.
26	贺晶，吴新宏，杨婷婷，等.基于临界起沙风速的草地防风固沙功能研究［J］.中国草地学报，2013，35（5）：103-107.
27	Chepil W S.Seasonal fluctuations in soil structure and erodibility of soil by wind［J］.Soil Science Society of America Journal，1954，18（1）：13-16.
28	Bajracharya R M， Lal R， Hall G F.Temporal variation in properties of an uncropped，ploughed Miamian soil in relation to seasonal erodibility［J］.Hydrological Processes，1998，12（7）：1021-1030.
29	陈渭南.蒙陕接壤地区土壤母质的风蚀实验研究［J］.水土保持学报，1991，5（1）：33-40.
30	王一菲，郑粉莉，张加琼，等.冻融作用对典型黑土土壤风蚀的影响［J］.水土保持学报，2020，34（5）：34-41.
31	赵恒策，魏霞，贺燕，等.冻融对土壤团聚体特征以及可蚀性K值的影响［J］.水土保持研究，2019，26（5）：1-6.
32	肖俊波，孙宝洋，李占斌，等.冻融循环对风沙土物理性质及抗冲性的影响试验［J］.水土保持学报，2017，31（2）：67-71.
33	张泽宇，马波，李占斌，等.冻融交替作用对黄土高原三种典型土壤可蚀性影响［J］.山东农业大学学报（自然科学版），2021，52（5）：813-818.
34	王陇.乌兰布和沙漠风沙土风蚀可蚀性特征及其量化模型研究［D］.北京：北京林业大学，2019.
35	倪万魁，师华强.冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响［J］.冰川冻土，2014，36（4）：922-927.
36	Wang L， Shi Z H， Wu G L，et al.Freeze/thaw and soil moisture effects on wind erosion［J］.Geomorphology，2014，207：141-148.
37	麻虹宇，李保国，蔡斌，等.干旱半干旱区地表覆盖对土壤风蚀的影响［J］.水土保持研究，2023，30（2）：29-35.
38	王仁德，肖登攀，常春平，等.农田风蚀量随风速的变化［J］.中国沙漠，2015，35（5）：1120-1127.
39	王仁德，邹学勇，赵婧妍.半湿润区农田土壤风蚀的风洞模拟研究［J］.中国沙漠，2012，32（3）：640-646.
40	荣姣凤，张海涛，毛宁.土壤风蚀量随风速的变化规律研究［J］.干旱地区农业研究，2004，22（2）：149-153.
41	杨秀春，严平，刘连友，等.农牧交错带不同农田耕作模式土壤风蚀的风洞实验研究［J］.土壤学报，2005（5）：35-41.
42	杨小亮，靳正忠，丁刚，等.结皮量与含水率对尾矿风蚀影响的风洞模拟研究［J］.土壤，2022，54（5）：1085-1092.
43	毛旭芮，杨建军，曹月娥，等.土壤结皮面积与结皮分布对风蚀影响的风洞模拟研究［J］.水土保持学报，2020，34（3）：1-7.
44	杨建军，汤东.露天煤矿区不同粒径土壤组分风蚀的风洞实验［J］.新疆大学学报（自然科学版），2021，38（2）：213-219.
45	王训明，董治宝，陈广庭.塔克拉玛干沙漠中部部分地区风沙环境特征［J］.中国沙漠，2001，21（1）：56-61.
46	张胜邦，董旭，刘玉璋，等.柴达木盆地东南部土壤风蚀研究［J］.中国沙漠，1999，19（3）：293-295.
47	Zhou Y H， Guo X， Zheng X J.Experimental measurement of wind-sand flux and sand transport for naturally mixed sands［J］.Physical Review E，2002，66（2）：21305.

[1]	王家辉, 曲文杰, 屈建军, 杨新国, 王磊, 杨悦, 秦伟春, 张波, 牛金帅. 腾格里沙漠东南缘柠条（ *Caragana korshinskii* ）种子风力再传播过程及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 108-115.
[2]	马亚莉, 王祉铎, 张加琼, 徐育梭, 李元元. 苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 97-107.
[3]	陈书峄, 张伟民, 马绍休, 谭立海, 梁林昊. 戈壁近地表粉尘释放动力机制的野外风洞试验[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 216-225.
[4]	张越, 陈思宇, 毕鸿儒, 曹佳慧, 罗源, 龚咏琪, 陈渔. 干旱半干旱区农田土壤风蚀特征及参数化研究进展[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 105-117.
[5]	厉静文, 包岩峰, 郭浩, 刘明虎, 辛智鸣, 刘朋飞. 梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 77-84.
[6]	杨印海, 薛春晓, 石龙, 李凯崇, 孔令伟, 张芳. 青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 173-178.
[7]	高天笑, 王涛, 杨文斌, 赵爱国, 倪海渊, 吴丽丽, 高永. 低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 177-183.
[8]	李锦荣, 郭建英, 赵纳祺, 张志杰, 刘铁军, 吴强. 乌兰布和沙漠流动沙丘风蚀空间分布规律及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 928-935.
[9]	谭立海, 张伟民, 屈建军, 殷代英, 安志山, 边凯. 不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 581-588.
[10]	陈永宝, 胡顺军, 朱海, 罗根. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落土壤蒸发特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(1): 190-198.
[11]	木巴热克·阿尤普;陈亚宁*;李卫红;郝兴明;马建新;苏芮. 极端干旱环境下的胡杨细根分布与土壤特征[J]. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1449-1458.
[12]	田媛;李建贵*;赵岩. 梭梭幼苗死亡与土壤和大气干旱的关系研究[J]. 中国沙漠, 2010, 30(4): 878-884.
[13]	李吉玫;徐海量;张青青;杨红梅;牛俊勇;赵新风;库尔班·克依木. 塔里木河下游荒漠河岸林不同退化区胡杨种群结构和空间分布格局研究[J]. 中国沙漠, 2009, 29(5): 897-904.
[14]	吉力力·阿不都外力;刘东伟;徐俊荣. 艾比湖干涸湖底不同地表类型风蚀强度及粉尘输移通量的风洞试验研究[J]. 中国沙漠, 2009, 29(1): 63-67.
[15]	杨具瑞, 方铎, 毕慈芬, 李桂芬, 李文萍, 刘兴年. 非均匀风沙起动规律研究[J]. 中国沙漠, 2004, 24(2): 248-251.