黑龍江省西部土壤風蝕風洞試驗研究

龐立鐵，榮建東，劉丙友

(黑龍江省水土保持科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)

黑龍江省西部土壤風蝕風洞試驗研究

龐立鐵，榮建東，劉丙友

(黑龍江省水土保持科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150070)

針對黑龍江省西部地區2種主要易蝕土壤風沙土和黑鈣土，對其風蝕過程中的主導因子對風沙流結構特征及風蝕量的影響特征進行風洞試驗。結果表明： 土壤風沙流多分布在30 cm的高度范圍內，風沙土與黑鈣土風蝕量分別占總風沙量的99.80%和96.89%；在70 cm高度范圍內，風沙土風蝕量與高度的關系遵循多項式規律，黑鈣土風蝕量與高度關系遵循對數函數規律關系；風沙土風蝕臨界土壤含水量為2%，黑鈣土風蝕臨界含水量為6%，土壤含水量大于臨界含水量時土壤風蝕會得到有效控制；相同風速下，2種土樣的風蝕量均隨含水量的增加而減小,風沙土呈負指函數關系，黑鈣土呈二次函數關系。

黑龍江省西部；風沙土；黑鈣土；風蝕；風沙流；風洞試驗

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

我國北方，尤其是旱作農田，土壤風蝕問題嚴重，影響范圍大[1],發生土壤風蝕以及受其影響的面積占國土總面積1/2以上，主要分布于北方干旱、半干旱和部分濕潤地區[2]。我國學者對北方干旱、半干旱區的旱作農田土壤風蝕做了較多研究，董玉祥等對中國干旱半干旱地區風蝕氣候侵蝕力進行了研究[3]，蘆貴君等人對吉林省西部沙地土壤風蝕進行了研究[4]。東北黑土區中西部為松嫩沙地，西南部又與科爾沁沙地毗鄰，這兩大沙地沙漠化發展，使東北黑土區土地形成由中部向四周、由南部向北部退化、沙化，黑土地面積逐年減少，土壤風蝕區逐年增加[5]。黑龍江省西部地區是我國重要的商品糧基地之一，同時該區由于處在半干旱區，受降水少，地表裸露面積大，大風頻繁等因素影響，土壤風蝕嚴重，土壤風蝕面積有加大的趨勢。據黑龍江省第二次遙感調查，全省有土地風蝕面積8 906.95 km2，尤其是在西部的松嫩沙地，風沙化土地面積已達5 960 km2，且每年還在以100 km2的速度擴展[6]。本文針對黑龍江省西部風蝕區的風沙土和黑鈣土風蝕進行風洞模擬試驗研究，得出土壤風蝕過程中風沙流時空分布、土壤含水量與起蝕風速、土壤風蝕與土壤含水量的關系規律，研究結果可為該區及國內同類型地區的土壤風蝕防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于黑龍江省西部土壤風蝕區，地理坐標122°24′—125°53′ E，45°15′—48°27′ N，海拔110～150 m。該區域屬中溫帶亞濕潤、亞干旱氣候，冬季低溫干燥，年平均氣溫3.5 ℃，≥10 ℃活動積溫為2 556～2 914 ℃。無霜期120～165 d。春季大風次數多，強度大，全年平均風速4.0 m·s-1，全年5級以上(8 m·s-1)大風日數平均為133.9 d，春季為56 d，占全年的50%。8級以上(17 m·s-1)大風24 d，全年沙塵暴日數為2.5 d，春季為2.3 d，絕大多數沙塵暴都發生在春季。降水量360～480 mm，季節分布很不平衡。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。春季升溫快，是一年最干旱的季節，旱期長達60～90 d，大部分地區春季相對濕度只有40%～50%。主要土壤有風沙土、黑鈣土、鹽土、堿土等。主要農作物有玉米、馬鈴薯、向日葵、綠豆、大豆等。

1.2 試驗方法

1.2.1 測試土壤選定及處理 土樣采自泰來縣泰來鎮宏程風沙土風蝕防治示范區和甘南縣中興鄉興久村黑鈣土風蝕防治示范區。兩區分別選具有代表性旱作耕地采集試驗土樣，兩個研究示范區耕地種植作物均為玉米。分別在各自土壤核心區域采取隨機方法采樣，每種土壤隨機采6個擾動土壤樣，每個擾動土壤采樣區域長度1 m，寬度0.6 m，地表0.1 m，除去土樣內各種雜質。分別裝入帶有標簽的采樣袋中，取回樣后將6個土樣均勻混合為1個土壤風蝕測試用樣，放置室內自然風干，自然風干后裝入6個采樣袋中。這樣共采得2種土壤，分裝12袋。將12個土壤風蝕測試用樣進行編號登記，以備風洞試驗使用。土壤試樣運到風洞試驗室后，對土樣進行不同含水量處理。采用方法為將測試土樣用烘干法測定其含水量，根據所測含水量，按試驗要求用噴壺噴入所需水量,配置不同含水量的試驗用土,攪拌后裝入塑料袋中,放置24 h,其間不定時翻動塑料袋,使水分均勻地與土樣結合,達到與自然條件下的物理結構相近似的狀態。試驗前,再測定土樣的實際含水量,風沙土土樣的實測含水量為0.556%、1.065%、1.347%、1.719%、2.109%和2.240%,黑鈣土樣的實測含水量為2.480%、3.913%、5.222%、5.662%、7.751%和8.429%。

本研究中土壤水分的測定采用烘干稱質量法，用精度為1/1 000的電子天平稱質量。樣本土壤水分測定時，同處理土壤水分均重復3次，處理土壤水分值取3次平均值。

1.2.2 主要測試儀器設備

(1) 風洞。試驗采用內蒙古農業大學研制的移動式風蝕風洞OFDY-1.2，該風洞由過渡段、整流段(包括開孔板、蜂窩器、阻尼網和非均勻網格)、收縮段和試驗段組成。試驗段為矩形截面，長7.2 m，截面寬1 m、高1.2 m，風速范圍為0～20 m·s-1連續可調。 風洞所需功率為30 kW，該風洞各截面不同高度上紊流度≤1%；氣流穩定度η≤3%；氣流速度均勻性σν<1%；試驗段沒有靜壓損失，其軸向靜壓梯度≤0.005；風洞能量比達到0.15。試驗前已完成風洞品質測試工作，風洞試驗段中的氣流流場符合大氣近地表層的氣流特征，保證風洞試驗能夠真實模擬所選試驗區的野外風蝕過程。

(2) 風速測量儀器設備。在試驗段設置風速儀測定不同高度的風速，試驗風速以風洞試驗段底板以上高20 cm 處風速為基準，采用電子葉片式風速儀測定。分別設定6、8、10和12 m·s-1共4 種風速，每次吹蝕時間為5 min。

(3) 集沙儀。試驗使用的集沙儀為旋風分離式集沙儀，該集沙儀由氣流管、旋風分離器、防護罩、集沙盒和支撐座等組成。該集沙儀高840 mm，沿高度方向分布10個氣流管，通過氣流管可收集到垂直方向上10個高度(20、60、120、180、240、300、400、500、600和700 mm)的沙蝕量。

(4) 排沙器。排沙器主要由螺旋式窄外槽輪排沙部件、輸沙漏斗、排沙管、傳動系統及控制裝置組成。該排沙器能很好地控制排沙量，具有良好擬自然狀態下風沙流特性。

1.2.3 測試方法 試驗時將土樣放置在風洞內，寬度與風洞等寬100 cm、長100 cm、高5 cm，然后進行吹蝕試驗,以樣本上方20 cm高處的風速作為代表性風速。風速測定采用葉輪風速儀。

風蝕物由旋風分離式集沙儀采集，集沙儀安置在風洞軸線上且距風洞出口1 200 mm,收集待測6、8、10和12 m·s-1風速下吹蝕的風蝕物，用精度為1/1 000的電子天平稱質量。為了完成測試系統數據的可靠采集，且能收集到滿足進一步分析的土壤風蝕物，風蝕物與風速數據采集時間統一定為 5 min。取3次采集結果的平均值。

挾沙風采用排沙器定量排沙模擬，排沙器安置在風洞洞頂且位于試驗段入口位置，6根排沙管與6個輸沙漏斗相接從風洞洞頂插入風洞。挾沙風試驗時排沙中加入物均為風沙土，排沙器轉速統一定為29 r·min-1。試驗前對排沙器傳動部分及槽輪位置調試，確保排沙性能穩定。

2 結果與分析

2.1 土壤起動風速的測定與分析

本試驗測定土壤起動風觀測值為土壤試樣表面出現蠕動即為起動值。測定臨界起動風速時,在樣本后面放置一條黑色的膠帶,當膠帶上有吹蝕掉的顆粒物存在時,記錄臨界起動風速。

表1 不同土壤起動風速測定值

注：土壤含水率為自然狀態下風干后值

從表1可以看出，同為自然狀態下風干后的土壤含水量，黑鈣土的為2.480%，而風沙土僅為0.556%，黑鈣土的含水量是風沙土的4.46倍。因此，黑鈣土的起動風速高于風沙土。土壤受風沙流沖擊后其沖擊起動風速較流體起動風速明顯降低。即土壤在低于流體起動風速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產生風蝕，說明風沙流對土壤侵蝕作用危害是十分巨大的。

2.2 不同風速下土壤風沙流結構特征

本試驗以6、8、10和12 m·s-1的風速吹蝕不同土壤試驗土樣，觀測風蝕物隨高度的變化規律，見表2、表3。

表2 風沙土不同風速風蝕物收集量隨高度的垂直分布 g

注：自然狀態下風沙土土壤含水量為0.556%

分析并處理表中的數據，得出以下結論：

(1)相同土壤試樣下，風蝕量隨著風速的增加而增加；同一風速下，下層氣流中的風蝕量增大，而上層氣流中的風蝕量隨高度增加而相應減少。觀測結果表明，在0～30 cm 高度范圍內有明顯的風沙流，大于30 cm的高度范圍內，風蝕物極少。在12 m·s-1的風速下,30 cm的高度范圍內風沙土與黑鈣土風蝕量分別占總風沙量的99.80%、96.89%。由此可見，在土壤風蝕的三種運行方式中，蠕移和躍移沙粒占絕大部分，而懸移沙粒所占的量極少，因此可得出絕大多數的風蝕物是在近地面運行的。這一結論，為防風蝕沙障等設置高度提供理論根據。

表3 黑鈣土不同風速風蝕物收集量隨高度的垂直分布 g

注：自然狀態下黑鈣土土壤含水量為2.48%

(2)利用Excel2003軟件對表2、表3風蝕物收集量數據進行處理分析，確定不同風速土壤風蝕物收集量與高度的相關關系。結果表明，風沙土0～70 cm高度范圍內土壤收集量與高度的關系符合多項式規律。而黑鈣土0～70 cm高度范圍內土壤風蝕量與高度關系符合對數函數規律關系。見圖1、圖2和表4、表5。

表4 風沙土不同風速風蝕物收集量隨高度變化的擬合曲線函數和相關系數

表5 黑鈣土不同風速風蝕物收集量隨高度變化的擬合曲線函數和相關系數

圖1風沙土不同風速收集物隨高度分布

圖2黑鈣土不同風速收集物隨高度分布

2.3 土壤含水量與起動風速的關系

土壤含水量是影響風蝕的主要因素,當土壤中有水分存在時,水分子與土壤顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內聚力,因此增加了土壤的抗風蝕性。國內也有許多學者對于土壤含水量因子的抗風蝕性進行過研究,但基本上都是針對單一土壤類型進行的[7,8]。由于土壤質地多種多樣,因而實驗數據各不相同,結論也不完全一致。特別是對黑龍江省西部土壤風蝕區目前尚無系統性研究。本試驗對該風蝕區的2個主要土壤種類風沙土和黑鈣土進行了測試研究。為防治土壤風蝕提供較為系統的理論依據。測試數據見表6、表7。

表6 風沙土不同含水量與臨界起動風速的關系

表7 黑鈣土不同含水量與臨界起動風速的關系

利用Excel2007軟件對表6、表7的數據進行分析，并繪出曲線，如圖5、圖6。從圖5和圖6可以看出,臨界起動風速隨土樣含水量的增加而增大。風沙土樣的臨界起動風速由含水量0.556%時的5.00 m·s-1增加到含水量2.249%時的5.37 m·s-1,黑鈣土樣的臨界起動風速由含水量2.480%時的5.60 m·s-1增加到了含水量8.429%時的6.03 m·s-1。風沙土樣的臨界起動風速與含水量之間存在指數關系,而黑鈣土樣的臨界起動風速與含水量之間有二次函數關系。

圖3風沙土樣臨界起動風速與含水量的關系

圖4黑鈣土土樣臨界起動風速與含水量的關系

2.4 同一風速下不同土壤含水量與風蝕量的關系

測試同一風速下不同土壤含水量與風蝕量的關系，可以反映出土壤含水量對風蝕控制因子實際作用。經對不同土壤在同一風速下吹蝕5 min后測得數據如表8、表9。

表8 同一風速下風性土壤含水量與風蝕量的關系

注：測定風速為6 m·s-1，歷時5 min

表9 同一風速下黑鈣土土壤含水量與風蝕量的關系

注：測定風速為8 m·s-1，歷時5 min

對表8、表9的數據進行分析，并繪出曲線，如圖5、圖6。從圖5和圖6可以看出,同一風速下風沙土風蝕量與含水量之間呈負指函數關系,黑鈣土風蝕量與含水量之間呈冪函數關系。2種土樣的風蝕量均隨含水量的增加而減小。在風蝕量隨含水量減小的過程中,起初，隨著含水量的增加,風蝕量急劇減小,這種減小的幅度會隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達到近飽和時,風蝕量的增加已經很不明顯,曲線已變得比較平直。風沙土土樣對含水量的響應要更敏感一些,在開始時少許的水分增加,所引起風蝕量的減小要比黑鈣土土樣更大。二是風沙土土樣在含水量2%附近時,風蝕量已減小到一個很低的程度;黑鈣土土樣的這一轉折點在含水率6%附近。說明土壤風蝕臨界值風沙土土壤含水量為2%，黑鈣土含水量為6%時土壤風蝕會得到控制。

圖5風沙土壤含水量與風蝕量的關系

圖6黑鈣土土壤含水量與風蝕量的關系

3 結論

通過對大量的模擬試驗數據資料的分析，初步總結出風沙土和黑鈣土起動風速值、土壤風沙流結構特征、土壤風蝕量與土壤水分的關系，特別是首次利用風蝕風洞，測定出該土壤風蝕區代表性土壤風沙土和黑鈣土在風沙狀態下的沖擊起動風速。土壤受風沙流沖擊后其沖擊起動風速較流體起動風速明顯降低。即土壤在低于流體起動風速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產生風蝕。

3.1確定了黑龍江省西部土壤風蝕區內風沙土、黑鈣土的起動風速

風洞實驗測得同為自然狀態下風干后的土壤含水量，黑鈣土的為2.480%，而風沙土僅為0.556%，黑鈣土的含水量是風沙土的4.46倍。因此，黑鈣土的流體起動風速為5.60 m·s-1，高于風沙土流體起動風速5.00 m·s-1。而風沙土和黑鈣土的沖擊起動風速分別為4.63 m·s-1和5.46 m·s-1，說明土壤受風沙流沖擊后其沖擊起動風速較流體起動風速明顯降低。即土壤在低于流體起動風速，但氣流中挾有沙粒也可以使土壤產生風蝕，說明風沙流對土壤侵蝕作用危害是十分巨大的。

風洞測試風沙土與黑鈣土，在自然狀態下的風干后的土壤在風洞中近地表(離試樣表面高20 cm)的起動風速。可按野外實測的粗糙度及公式換算為氣象高度風速，其值為：風沙土流體起動風速7.69 m·s-1，沖擊起動風速7.12 m·s-1。黑鈣土流體起動風速8.62 m·s-1，沖擊起動風速8.40 m·s-1。上述流體起動風速值與野外觀測值在土壤水分相同時，數據具有一致性。

3.2 揭示了土壤風沙流結構特征

相同土壤試樣下，風蝕量隨著風速的增加而增加；同一風速下，下層氣流中的風蝕量增大，而上層氣流中的風蝕量相應減少。在0～30 cm 高度范圍內有明顯的風沙流，大于30 cm的高度范圍內，風蝕物極少。在12 m·s-1的風速下,30 cm的高度范圍內風沙土與黑鈣土風蝕量分別占總風沙量的99.80%、96.89%。

風沙土0～70 cm高度范圍內土壤收集量與高度的關系符合多項式規律。黑鈣土0～70 cm高度范圍內土壤風蝕量與高度關系符合對數函數規律。

風沙土0～70 cm高度范圍內土壤收集量與高度的關系遵循線性函數規律。黑鈣土0～70 cm高度范圍內土壤風蝕量與高度關系遵循對數函數規律關系。

可見，在土壤風蝕的三種運行方式中，蠕移和躍移沙占絕大部分，而懸移沙土所占的量極少，因此，可得出絕大多數的風蝕物是在近地面運行的。

3.3 明確了土壤風蝕量與土壤水分的關系

2種土樣的風蝕量均隨含水量的增加而減小,風沙土呈負指函數關系，黑鈣土呈冪函數關系。在風蝕量隨含水量減小的過程中,起初隨著含水量的增加,風蝕量急劇減小,這種減小的幅度會隨著土樣含水率的增加而變小,到土樣含水率達到近飽和時,風蝕量的增加已經很不明顯,曲線已變得比較平直。風沙土土樣對含水量的響應要更敏感一些,在開始時少許的水分增加,所引起風蝕量的減小要比黑鈣土土樣更大。風沙土土樣在含水量2%附近時,風蝕量已減小到一個很低的程度;黑鈣土土樣的這一轉折點在含水率6%附近。說明風沙土當土壤含水量達到2%，黑鈣土含水量達到6%時土壤風蝕會得到有效控制。這對黑龍江省西部土壤風蝕預防、治理具有理論意義。

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[8] 劉玉璋，董光榮，李長治.影響土壤風蝕主要因素的風洞實驗研究[J].中國沙漠，1992，12(4):41-49

ExperimentsonWindErosionandWindTunnelinWesternHeilongjiangProvince

Pang Litie, Rong Jiandong, Liu Bingyou

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

Q938.13

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.004

1005-5215(2017)09-0009-05

2017-08-07

黑龍江省財政資助項目(2014008)

龐立鐵(1962-)，男，黑龍江大慶人，大學，高級工程師，現從事水土保持風蝕防治研究，Email:panglitie@126.com