砾石覆盖对抑制旱作农田土壤风蚀效果的风洞模拟

针对中国阴山北麓旱作农田风蚀比较严重的现实,将旱作农田地表铺设不同覆盖度和粒径的砾石后进行风洞试验,旨在探索砾石覆盖度和粒径在抑制旱作农田土壤风蚀效果方面的作用,为采取合理的防风蚀措施提供技术依据。利用野外风洞原位测试方法,完成了6种风速下对应净风和挟沙风时的不同砾石粒径和覆盖度下的旱作农田土壤风蚀测试。结果表明：无论净风还是挟沙风,增加砾石覆盖度,旱作农田抗风蚀效率均提高,但当砾石覆盖度超过28%后,其对提升抗风蚀效率作用不大;在相同覆盖度下,随砾石粒径的增加,输沙量、抗风蚀效率略有变化,但不明显;将耕     

保护性耕作对农田土壤风蚀影响的室内风洞实验研究

保护性耕作能够有效减少农田土壤风蚀。通过室内风洞实验,定量分析不同作物留茬、不同秸秆覆盖量对安塞黄绵土风蚀作用的影响。结果表明:(1)小麦留茬、玉米留茬以及秸秆覆盖都可以有效的减少风蚀。小麦秸秆覆盖量为4 210kg/hm2时土壤抗风蚀效率最高,达到95.9%;(2)风蚀量与风速成正相关关系,风蚀量随风速的变化均存在突然增大的转折点且30cm小麦留茬的转折点会明显滞后于30cm玉米留茬和裸土,30cm小麦留茬的抗风蚀效率要好于30cm玉米留茬;小麦秸秆覆盖量越大,抗风蚀效率越好;(3)随着高度的增加风蚀量逐渐减小,超过90%的风蚀量都集中在0～36cm高度范围内。随着风速的增大,0～10cm风蚀量所占比例会逐渐增加。     

作物残茬对农田土壤风蚀的影响

通过对不同留茬高度对地表风速的影响以及留残茬(保护性耕作主要方式)、旋耕和常规翻耕3种耕作方式对土壤风蚀的影响进行比较研究,得出如下结果:留茬高度对地表风速的影响程度不明显,仅与地面有无留茬有关,留茬20cm左右即可有效降低地表风速,减少田间扬沙,抵抗土壤风蚀,是比较适宜的留茬高度;留茬(保护性耕作)、旋耕和常规翻耕3种耕作方式对田间扬沙情况的影响差异明显,其中在60cm高度以内,留茬比常规翻耕减少田间扬沙量34.9%,比旋耕方式减少61.5%,因此,留茬(保护性耕作)是一种有效防止农田土壤风蚀的耕作方式。     

垄作对旱作农田土壤风蚀影响的风洞实验研究

通过风洞实验,在5个风速下对6种不同结构的垄作及平作对照地的土壤风蚀速率、O～20cm风沙流结构进行了模拟观测研究。结果表明：垄作下平均土壤风蚀速率较平作下降低20％～60％。垄作和平作下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增,但平作下递增较快。风速为15m／s是早作农田土壤风蚀加剧的转折点,当风速大于15m／s时垄作下风蚀速率较平作下明显降低。0～20cm内,平作和垄作下输沙率与高度分别呈负指数和负线性关系。垄作下0～4cm输沙量和输沙量百分比(Q0～4／Q0～20)均低于平作。不同结构的垄作间进行比较,垄脊高度相同时,垄沟比(垄脊高度与垄顶距的比值)越大,土壤风蚀速率越小,而Q0～4／Q0～20越大;垄沟比相同时,垄脊越高,土壤风蚀速率越大,而Q0～4／Q0～20越小。     

保护性耕作对土壤风蚀的影响

保护性耕作能够有效减少农田土壤风蚀.通过室内风洞模拟试验,研究秸秆覆盖、留茬和垄作3种保护性耕作措施对黄土高原北部农田土壤风蚀的影响.结果表明:1)秸秆覆盖和留茬能有效降低土壤风蚀速率,秸秆覆盖量为4 210 kg/hm2时土壤风蚀速率最小,与对照相比减少62.8%;垄作在低风速下能够降低土壤风蚀率,垄向与风向垂直时降...     

东北黑土地土壤风蚀风洞模拟试验研究

东北黑土区耕地土壤疏松,抗侵蚀能力弱,在大风天气下易产生土壤风蚀.针对东北黑土区突泉县农田黑土风蚀过程中主导因子对风沙流结构及风蚀量的影响特征进行风洞模拟试验.研究表明:黑土风沙流风速廓线呈对数函数分布,风沙流中土壤颗粒运动对风速的影响主要集中在80 mm高度以内,黑土风沙流断面风蚀物含量随高度增加呈指数递减趋势;随风速增大黑土风沙流高度呈对数递增;黑土土壤风蚀量随风速增大呈指数递增趋势.得出黑土风蚀的临界表层土壤(2 cm深度内土壤)含水量为7％,表层土壤含水量大于7％的地表难以发生风力侵蚀;风蚀量与土壤表层含水量在临界土壤含水量范围内符合对数分布;黑土土壤风蚀强度随风速增大呈幂函数递增.     

留茬高度对带状留茬间作农田土壤防风蚀效果的影响

针对内蒙古阴山北麓农牧交错带土壤风蚀严重的问题,研究了带状留茬间作的防风蚀效果,通过测定风速、地表粗糙度和土壤风蚀量,揭示不同留茬高度对留茬地和相邻裸露地的防风蚀效果.结果表明,随着留茬高度的增加,作物残茬带近地表风速降低,且留高茬(30 cm)效果最明显;随着测定高度的增加,同一留茬高度对风速的降低程度减小.地表粗糙度随留茬高度的增加而增大,留高茬地(30 cm)和邻高茬裸地的地表粗糙度分别较对照增加了466.67％和126.98％.土壤风蚀量随留茬高度的增加而减少,留高茬地(30 cm)和邻高茬裸地的风蚀量分别较对照减少了90.21％和65.51％.因此,作物残茬既增强了自身带的防风蚀效果,又在一定程度上保护了邻茬裸露带,留茬高度30 cm时防风蚀效果最好,对相邻裸露带的保护作用最明显.     

干旱区土壤结皮对风蚀影响的风洞模拟研究

土壤结皮在干旱半干旱地区广泛分布,是影响风蚀的重要因素。以准葛尔盆地东部矿区周边表层土壤为对象,通过控制土壤结皮率和结皮分布,利用风洞试验结合土壤风蚀传感器,对不同土壤结皮和风速条件下土壤风蚀量、风沙流结构、土壤颗粒释放的变化特征进行了研究。结果表明：(1)风蚀量随风速增加显著上升,随土壤结皮率增加显著下降。均匀分布的结皮风蚀量整体低于集中分布的结皮;(2)风沙流高度随风速增加而增加,高度在0-3cm的收集物占总的80%左右。14m/s的风速能够使土壤发生跃移,而土壤结皮率达到50%能够有效抑制土壤颗粒跃移现象;(3)颗粒碰撞的数量与能量随风速的增加而增加,随结皮率增加而减少;首次出现颗粒碰撞时的风速随结皮率的增加而增加;颗粒碰撞的数量和能量在风速持续增加的时间段内增加至最大值,在风速稳定后开始下降,120s左右降低至稳定值,随后不再发生明显起伏,在风速下降时间段内不发生颗粒碰撞。     

土壤含水率及物理性砂粒含量对风蚀模数影响的风洞模拟

为了探究土壤含水率及物理性砂粒含量对土壤风蚀模数的影响,在室内风洞中在5、6、9、12、15和18m/s风速下对不同含水率(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的7种土壤(物理性砂粒质量分数的分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%)进行了10min吹蚀,在风洞轴线距出口1.2m处放置旋风式集沙仪分别测定垂直方向上10个不同高度的风蚀物收集量(高度分别为20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm),并利用MATLAB7.4.0(R2007)软件采用3次样条插值拟合法对旋风式集沙仪不同高度的风蚀物收集量进行积分,通过换算计算土壤风蚀模数E。结果表明,物理性砂粒质量分数低于40%的土壤在各种水分条件下集沙仪不同高度风蚀物收集量均很小。物理性砂粒质量分数≤20%时,风蚀物收集量在空间上符合指数函数变化规律;20%<物理性砂粒质量分数<40%风蚀物收集量在空间上利用指数函数和幂函数拟合相关性均很好,物理性砂粒质量分数高于40%后,风蚀物收集量在空间上呈现幂函数曲线变化规律。9m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点;低于临界风速,风蚀物收集量与高度符合指数曲线变化规律;高于临界风速,二者符合幂函数曲线变化规律。集沙仪不同高度的总输沙量随风速的增加而增大,二者符合指数曲线变化关系。物理性砂粒质量分数低于40%的土壤,不会有风蚀现象发生;当物理性砂粒质量分数大于40%后,土壤容易发生风蚀,而且风蚀程度随物理性砂粒含量的增加而增大,尤其当土壤含水率低于3%时,极易发生风蚀。风速越大土壤风蚀模数越大,风蚀模数与风速按照指数曲线规律进行变化。阴山北麓旱作区冬春季节土壤地表含水率一般维持在3%～4%,土壤的物理性砂粒质量分数基本在50%～80%;单纯从土壤水分和土壤物理性砂粒含量考虑,阴山北麓旱作区大部分地区是沙尘暴的发生源。     

农牧交错带不同农田耕作模式土壤风蚀的风洞实验研究

在农牧交错带——内蒙古自治区太仆寺旗采集的土壤样品的风洞实验研究结果表明:耕作模式的不同导致土壤风蚀状况的差异。在深松、翻耕、翻耕碾碎、小麦茬10 cm、荞麦茬10 cm、胡麻茬10 cm与无残茬等7种耕作模式的风洞实验中,翻耕碾碎风蚀速率均值最大,达到124.8 g m-2 min-1,胡麻茬最小,为15.14 g m-2 min-1,前者是后者风蚀速率的8.24倍。7种耕作模式风蚀速率均值的大小顺序为:翻耕碾碎>无残茬>深松>荞麦茬>翻耕>小麦茬>胡麻茬。结合对不同耕作模式土壤风蚀速率与风速关系的进一步分析可定量揭示出:翻耕碾碎、无残茬模式防风蚀效果最差,胡麻茬、小麦茬、翻耕模式防风蚀效果最好,深松、荞麦茬防风蚀效果居中。本文结论对农牧交错带旱作农业增强农田防风抗蚀能力有借鉴意义。     

Wind tunnel simulation of ridge-tillage effects on soil erosion from cropland

In the arid and semi-arid regions, ridge tillage was often used as an alternative practice for wind erosion control on the croplands without sufficient crop residues left during the fallow period. Through wind tunnel experiments, wind erosion rate and vertical mass flux profile of blown sand under the simulated conditions of ridge tillage and flat tillage were studied in 15, 10, 10, 5, 3 min exposures at the wind velocities of 8, 10, 15, 20, 24 m s⁻¹, respectively. The results for the soil tested indicate that the mean rate of wind erosion under flat tillage was 129.89 g m⁻² min⁻¹, while that under ridge tillage were 20–60% less. Under ridge tillage with different structures, average wind erosion rate had a positive correlation with the spacing between adjacent ridges. For the same ridge height, average wind erosion rate decreased with increasing ratio between the height of ridge and the width of furrow. For the same ratio between the height of ridge and the width of furrow, average wind erosion rate increased with increasing height of ridge. Power function relationships were found between wind erosion rate and wind velocity on all the simulated tillage conditions. A wind velocity of 15 m s⁻¹ was the critical velocity, above which wind erosion rate increased rapidly for the soil and simulated tillage conditions tested. Compared with flat tillage, ridge tillage remarkably decreased wind erosion rates when wind velocities were beyond 15 m s⁻¹. Under ridge tillage, the total mass of sand transported at a height of 0–20 cm above soil surface (Q_0–20), and the fraction of that travelling at a height of 0–4 cm (Q_0–4/Q_0–20), were less man mat under flat tillage. For the same ridge height, Q_0–4/Q_0–20 increased with increasing ratio between the height of ridge and the width of furrow. For the same ratio between the height of ridge and the width of furrow, Q_0–4/Q_0–20 decreased with increasing height of the ridge. Sand transport rate under flat tillage decreased with increasing height by a negative exponential function, while negative linear functions were found under ridge tillage. Thus ridge tillage decreased the rate of wind erosion and sand transportation near soil surface, reduced the loss of soil nutrient caused by wind erosion and plant damage caused by blown sand abrasion, which make it an effective agricultural technology for wind erosion control in the arid and semi-arid regions.     

免耕条件下农田休闲期直立作物残茬对土壤风蚀的影响

为了探讨直立作物残茬防治农田土壤风蚀发生的机理,该文利用风洞试验和野外观测相结合的方法,分析土壤免耕条件下直立作物残茬对农田土壤风蚀的影响.风洞试验研究表明:翻耕土壤地表风速、土壤风蚀侵蚀率均比免耕土壤高,而地表粗糙度免耕明显高于翻耕.在同样风速条件下,翻耕地土壤风蚀侵蚀率是免耕地的3～8.2倍,且随免耕年限的增加,土壤风蚀侵蚀率呈现递减的趋势.留有不同直立作物残茬免耕土壤地表粗糙度草谷子＞草玉米＞莜麦＞油菜,土壤风蚀侵蚀率呈现相反的趋势,地表粗糙度越大,风蚀侵蚀率越小.野外观测结果表明,不同直立作物残茬对裸露农田的保护作用草谷子＞莜麦＞草玉米＞油菜.风洞试验与野外观测具有相似的试验结论,因此,风洞试验方法可作为测定农田土壤抗风蚀能力的重要工具.     

作物残茬与生物篱组合对减轻土壤风蚀的作用

为了探究中国北方农牧交错带冬春风蚀季节生物篱与作物残茬组合对间作裸露秋翻地的防护作用,采用风蚀圈和野外移动式风洞试验的方法对研究区土壤风蚀情况进行监测,利用PC-3型自动气象站进行风速测定。结果表明,油葵秆生物篱减小了间作裸地近地面风速,提高了地表粗糙度;从防风蚀效果看草谷子茬优于油葵秆生物篱;在距油葵秆生物篱或草谷子茬下风向裸地不同位置处,土壤风蚀量基本呈先增加后减小的单峰曲线变化趋势,在4 m左右土壤风蚀量最大,在篱和茬的双重保护下,距茬5 m处发生了风积现象;土壤风蚀量降低率基本呈“V”字型分布;土壤风蚀模数随风速增大而增加,在生物篱的保护下5～15 m/s风速时土壤风蚀降低率为5.03%～20.53%。因此,油葵秆生物篱具有防风蚀作用,而且与草谷子残茬组合对间作裸地会起到更好的固土防蚀作用。     

利用PAM防治松散扰动沙土风蚀效果的风洞试验研究

翻耕农地和建设工地的扰动松散土是沙尘的重要来源。防止扰动土风蚀是保护生态环境的重要内容。该研究通过室内风洞模拟试验,研究了PAM对于提高松散扰动土起动风速、防止风蚀的效果。试验分别采用0°、10°、20°、30°不同的吹角,地表处理为：喷施PAM（用量分别为0.5,1,2,4 g/m²）、喷施清水和未加处理的自然松散扰动（沙）土。试验结果表明：通过表面喷洒PAM溶液可以显著地提高松散扰动土的起动风速,达到控制风蚀的目的;仅喷洒清水处理也可以在一定程度上提高沙尘的起动风速,但其效果甚微;如果松散(沙)土喷施PAM的表面不被扰动（无裂纹）,用于松散土风蚀防治时PAM用量控制在1 g/m²以上就可以有效防止风蚀发生,试样经受风速为14 m/s左右的大风、历时30 min而未产生风蚀。     

NK-1型可移动式风蚀风洞洞体设计

针对土壤风蚀研究的需求,依据空气动力学要求设计了NK-1型可移动式风蚀风洞。该风洞由进气段、动力段、过渡段、转角段、稳定段、收缩段、实验段和扩散段组成,总高2456mm,全长15900mm,能量比0.41。该风洞主要特点为:进气口为双扭线形唇口;转角段为20°仰角设计;稳定段采用六角形蜂窝器和两层阻尼网组合设计;实验段风速为0.3～20m/s连续可调;尾部扩散段扩散角为20°。最后运用Fluent6.3流体模拟软件,对空风洞实验段纵截面的气流速率分布、静压分布进行了模拟,满足设计要求。     

基于多孔介质模型的土壤风蚀风洞湍流涡发生器设计的数值模拟

该文针对土壤风蚀风洞中设计湍流涡发生器模拟大气边界层的需要,利用计算流体动力学（CFD）软件Fluent对NK-1可移动式风蚀风洞中典型农田风蚀地表风速廓线进行数值模拟,提出引入多孔介质模型的方法将原非规则几何结构的棒栅进行替代计算,最终得到棒栅加粗糙元的最优分布,并通过室内风洞试验进行验证。结果显示,风洞试验实测与模拟所得廓线的相关系数为0.974,模拟效果较理想。该方法使得计算网格数量减少,网格质量提高,节约了模拟成本,提高了计算的精确度和可信度,并且验证了用棒栅-粗糙元组合作为湍流涡发生器来模拟复现大气边界层是可行的,以期为风洞湍流涡发生装置的设计模拟提供一种新的思路和方法。     

Effect of particle-size distribution on wind erosion rate and soil erodibility

Wind erosion is a serious problem, especially in arid and semi-arid regions. This study was conducted to assess the effects of wind speed as well as soil particle-size distribution on erosion rate (ER) using a wind tunnel. For this purpose, two clay loam soil samples (C2 and C10) in addition to a sandy clay loam (S2) were exposed to different wind velocities of 2, 9 and 18 m s^?1. The result showed that erosion rate increased significantly with increasing wind speeds. In addition, a critical diameter of 0.84 mm for soil particles was supported; for larger particles the changes in erosion rate were negligible. Furthermore, soil erodibility (K) was determined, which for S2, C2 and C10 was 57.73, 10.27 and 1.43, respectively. To predict soil erodibility, a power relationship as K = 3.382 MWD^?1.732 (R ² = 0.99) was established. The results indicated with increasing wind speed, the sensitivity of S2 remained constant, whereas C2 and C10 resisted wind speed. The finding of this research indicates the importance of particle-size distribution on wind erosion rate as well as soil erodibility.