毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

 基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布; 沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强; 相近风速下,0~60 cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶＞平坦流沙地＞半流动沙丘丘顶＞裸露黄土梁地＞黄土梁翻耕地＞玉米留茬地＞半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大; 当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。     

草原区植被对土壤风蚀影响的风洞模拟试验研究

在前期研究的基础上,选择内蒙古乌兰察布荒漠草原区为研究区域,通过野外移动风洞模拟试验,开展荒漠草原植被对土壤风力侵蚀影响的定量化分析研究,旨在探讨不同植被盖度下空气动力学粗糙度的变化、不同植被盖度下的风沙流结构特征及植被盖度与风蚀输沙率的定量关系,从而为水土流失机理研究提供理论依据。试验研究表明：空气动力学粗糙度随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系增加,拟合函数为Z0=ax3+bx2+cx+d;随着距地高度的增加,各层收集到的风蚀量呈不同程度降低,随着地表植被盖度的增加,各层输沙量也均降低;不同风速下植被盖度与风蚀输沙率之间呈幂函数相关。     

苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟北大核心CSCD

生物结皮在干旱半干旱地区土壤风蚀防控中发挥着重要作用。明确生物结皮对土壤风蚀的影响,对量化风蚀预报模型中的生物结皮因子、提高模型预测风蚀的准确性和可靠性具有重要意义。本研究以苔藓结皮为例,对比了风洞试验和单次事件风蚀评估模型(SWEEP)模拟的风蚀速率与输沙率的差异,分析了苔藓结皮盖度和空间分布对土壤风蚀的影响。结果表明:(1)风蚀速率和输沙率均随结皮盖度的增加而减小,尤其是在较大风速下(15 m·s^(-1)),当结皮盖度从10%增加到80%时,风洞试验的平均风蚀速率和输沙率分别减小了98.3%和99.3%,SWEEP模拟的结果分别减小了93.2%和78.9%。(2)相同结皮盖度下,苔藓结皮分布于上风向区域时土壤风蚀速率和输沙率最小,斑块状分布次之,分布于下风向区域时最大。(3)对比风洞试验和SWEEP模拟结果,不同结皮盖度下SWEEP模拟的风蚀速率和输沙率大多显著(P<0.05)高于风洞试验结果。未来的研究应在风蚀预报模型中构建生物结皮因子影响风蚀速率的定量表达,以提高模型预报风蚀的准确性。     

毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率定量关系

基于毛乌素沙地不同植被覆盖条件下的风蚀输沙率实地观测数据，借鉴国外最新的建模思想，采用Matlab5.3软件对数据进行非线性回归，建立毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率之间的定量关系模型，比较系统地考察了植被覆盖对沙粒起动风速和风蚀输沙率的影响，确定了不同风速下的有效植被覆盖率。结果表明，在毛乌素沙地要有效减少和防治风蚀，植被覆盖率必须达到40－50％的水平，而要保证在最高风速下风蚀输沙得到有效控制，植被覆盖率必须达到60－70％的水平。     

乌兰布和沙漠东北缘地表风沙流结构特征

在国家林业局磴口荒漠生态站长期监测的基础上,利用多种积沙仪,对乌兰布和沙漠东北缘流动沙丘、油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘5种典型下垫面近地面（0～100 cm）的风沙流输沙量进行了实地观测和对比分析。结果表明：（1） 输沙率（q）随高度（h）增加呈幂函数（q=ah^-b,R²≥0.8409）规律衰减,随风速（v）增大呈幂函数（q=av^b,R²≥0.9256）规律增加,42.8%～70.7%的输沙量分布在10 cm高度内,67.6%～90.0%的输沙量分布于30 cm高度内。当地表植被盖度达到40%以上时,输沙率下降至无植被覆盖地表输沙率的6.6%以下,可有效阻止地表风蚀。（2） 沙物质主要由粒径为50～250 μm的细沙和极细沙构成,各高度层风蚀物粒度组成服从单峰态分布,峰值在100～250 μm。随高度增加,风蚀物粒径范围趋于变窄,粒径趋于更细。（3） 起沙风多出现在WSW和NW方向,占全年起沙风的53.19%。风沙流中跃移输沙、蠕移输沙的空间分布在理论上应与风向频率分布基本一致,差异性主要由各方位风的强度和持续时间等因素导致。研究结果可为该区域防沙工程设计提供理论参考。     

柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作背景植被盖度依次为0%、4%、10%、16%和26%五组灌丛沙堆模型,在风洞中进行蚀积变化规律模拟实验。结果表明：柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布可划分为6个区域,依次为沙堆前积沙区、沙堆迎风坡风蚀区、沙堆两侧风蚀区、沙堆背风侧涡流积沙区、沙堆后尾流积沙区和不受沙堆影响区。随着指示风速增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围缩小而沙堆两侧风蚀区面积明显增大。随着背景植被盖度的增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围增大而沙堆两侧风蚀区范围明显减小。灌丛沙堆及丘间地整体风蚀面积比、风蚀率、各分区蚀积强度均呈指数规律递减。背景植被盖度为0%时,灌丛沙堆影响区风蚀率明显高于不受沙堆影响区,说明裸露地表条件下灌丛沙堆的存在会加剧地表风蚀;当背景植被盖度为4%~16%时,灌丛沙堆影响区风蚀率均低于不受沙堆影响区,可见丘间地植被存在可使灌丛沙堆起到一定的防风阻沙作用。当背景植被盖度>16%时,柽柳灌丛沙堆及丘间地整体蚀积强度和风蚀率变化趋于平稳。据此认为维持不低于16%的背景植被覆盖,是沙漠-绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆科学保育的关键。     

农田风蚀量随风速的变化

采用长期野外观测和风洞模拟实验相结合的手段就农田风蚀量随风速的变化问题进行研究。结果表明:无论是野外观测的农田输沙强度,还是风洞模拟得到的风蚀强度随风速变化趋势均符合指数函数。这与前人通过实验得到的其他地区农田和草地风蚀量随风速变化的趋势一致,说明农田和草地上风蚀量随风速增加呈指数规律变化是一种普遍存在的现象。表土抗蚀性因子和地表粗糙因子不同导致的沙源供应能力的差异,可能是不同地类之间风蚀量随风速变化规律不同的主要原因。农田和草地沙源供应有限,风蚀量随风速增大呈指数规律变化;沙漠地区沙源充足,风蚀量随风速增加呈幂函数变化。本研究对于确定沙源供应条件对于风蚀量与风速关系的影响,构建基于有限沙源供应的风蚀模型具有重要意义。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

沙漠绿洲过渡带典型下垫面风速脉动特征——以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为例

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部沙漠-绿洲过渡带为研究区,选择植被盖度 < 5%裸沙样地、植被盖度10%～15%柽柳样地和植被盖度20%～25%骆驼刺样地,利用可移动梯度风测量系统,获取了系统性天气过程中距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm高度的风速及200 cm高度的风向系列数据,对3个样地平均风速、风速脉动和风向脉动进行分析和研究。结果表明:(1)植被的存在大幅度消弱了平均风速,随着植物密度的增加平均风速逐渐降低,风速廓线显示平均风速发生明显降低的转折高度与植被冠层的平均高度相对应。(2)3个样地脉动风速均近似服从高斯分布,可见植被的存在并未改变风速脉动分布规律。各样地风速脉动强度均随指示风速的增大而增大,随距离地表高度的降低而下降。风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势,植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。(3)风向脉动幅度以裸沙样地最小、柽柳样地次之、骆驼刺样地最大,即随植物密度增加而增大。同一样地内风向脉动值不随指示风速的变化而发生明显变化。     

风蚀事件中农田土壤PM10释放特征

地表风蚀导致的粉尘释放涉及全球变化研究的热点。自然条件下对粉尘释放的观测可以为风洞试验结果提供验证并为开发预测模型提供数据支撑与关键参数。本研究在河北坝上风蚀区，通过观测风蚀事件中农田近地表PM₁₀浓度、垂直通量与流失通量，以及风速和风沙流强度的变化，探讨农田风蚀过程中的粉尘释放特征。结果表明：地表风蚀释尘对近地表粉尘浓度的影响随高度增大而逐渐减弱，各高度的粉尘浓度变化趋势与摩阻风速、输沙率变化趋势相同；粉尘垂直通量和流失通量与摩阻风速呈幂函数关系，与输沙率呈线性关系；农田土壤跃移颗粒的轰击效率α数量级为10^-7m^-1。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

不同覆盖度沙粒胶结体风蚀抑制效益研究

以塔克拉玛干沙漠腹地的沙粒胶结体（Sand Cemented Bodies,SCB）为研究对象，通过野外自然状态下吹蚀不同沙粒胶结体覆盖度的沙盘，计算沙面风蚀（积）量，并对覆盖度与风蚀率、抗风蚀效率的关系进行分析。结果表明：风蚀量随沙粒胶结体覆盖度的增加而减小，随吹蚀时间的增加而增加；当覆盖度大于30%时，沙面发生风沙堆积，且堆积量随覆盖度和吹蚀时间的增加而增加；沙粒胶结体的抗风蚀效率随覆盖度的增加而线性增大。沙面蚀积转化临界覆盖度为30%左右，且该覆盖度下床面抗风蚀效益最佳。通过对比沙粒胶结体抗风蚀效益的风洞模拟和野外实验，表明风况、风速、沙粒胶结体粒径组合不同可导致沙面蚀积差异和临界覆盖度不同。因此，塔克拉玛干沙漠腹地发育的沙粒胶结体具有很好的风蚀抑制功能，可作为流沙固定新措施继续研究开发。     

基于土壤粒度分析的草原风蚀特征探讨

对放牧、开垦和围封下内蒙古典型草原地表覆盖状况、土壤粒度与有机碳含量进行测定,分析人类活动对草原风蚀的影响。结果表明,与围封草地相比,过度放牧草地的群落盖度及高度分别降低了44.23%和80.71%,根系生物量下降了37.83%。由于植被覆盖及根系密度的降低,过度放牧草地土壤表现出明显的风蚀特征,表层土壤粗粒化明显,表层土壤平均粒径比围封草地增加了约1倍。而开垦造成的风蚀程度则更为严重,开垦使表层土壤颗粒平均粒径增加2.5倍。因此,过牧与开垦下的典型草原已形成为一个重要的沙尘源。土壤颗粒粗化直接引起土壤有机碳含量的下降,土壤中小于0.1 mm颗粒组分每被吹蚀1%,其有机碳含量将减少0.2546 g·kg-1。     

半湿润区农田土壤风蚀的风洞模拟研究

 采用风洞模拟手段对地处半湿润区的北京市农田土壤风蚀特征进行研究。结果表明,几类农田的风蚀特征存在较大差距,秋季翻耕不耙平地风蚀强度最大,玉米留茬地次之,翻耕耙平地最弱,垄向和风速对农田风蚀特征影响显著。各类农田风蚀强度均随风速增大呈指数规律增加,初始风蚀强度与风蚀强度增幅之间具有反对应关系,低风速时风蚀强度越大的地类,其风蚀强度随风速增加的越慢。输沙量随高度增加而减少,近地表减少较快,向上随着高度的增加减幅逐渐变缓。低风速时,风蚀物的垂向分布服从幂函数递减规律。随着风速增加,风蚀物粒径不断变粗,风蚀物的垂向分布在近地面服从指数函数递减规律,向上服从幂函数递减规律,并且风速越大,指数函数规律递减层的高度越大。     

低覆盖度不同配置灌丛内风流结构与防风效果的风洞实验

 低覆盖度灌木群丛是干旱、半干旱区广泛分布且具有重要意义的植被，也是人工修复沙地应遵从的植被。通过风洞试验模拟了覆盖度在20%左右的三种水平配置格局的灌木群丛内风流结构与防风固沙效果。结果表明：①水平配置格局不同，低覆盖度灌木群丛的防风效果差异显著，行带式模式具有非常显著的阻碍和降低风速的作用（风速降低36%~43%）;等株行距模式次之，风速降低7%~28%;随机不均匀配置模式内局部有风速抬升现象，② 行带式模式内形成规整的随灌丛带波动的流场结构，而随机不均匀配置模式内形成由多个风影区和风速加速区组合的非常复杂的流场结构，等株行距模式居于二者之间。③ 带间宽度在56 cm和64 cm时的防风效果较带宽为32 cm和40 cm好。说明覆盖度降低到11%~13%，行带式模式的防风效果仍然不会降低。④两行一带配置均表现防风效果优于单行配置，且随试验风速的增大防风效果更好。     

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带不同下垫面地表蚀积变化特征

沙漠-绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益,对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。在新疆策勒沙漠-绿洲过渡带流沙地、半固定沙地、绿洲边缘固定沙地6个不同植被覆盖度样地风蚀、风积变化观测基础上,结合地表风速数据,探讨流沙地、半固定沙地、固定沙地不同植被覆盖度和地形下地表风蚀风积变化特征及其影响因素。结果表明：流沙地表现出较强烈的地表风蚀;半固定沙地整体表现出强烈的地表风积;固定沙地上植被覆盖度越高、植株越高和排列方式越均匀、整体地势越低,单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈多项式或指数函数关系递减,植被覆盖度与单位面积风积量不呈函数分布,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。     

小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果

通过风洞实验，在5个风速下对6种耕作方式下农田土壤风蚀速率、0~20 cm风沙流结构进行了模拟研究。结果表明：保护性耕作土壤风蚀速率较传统耕作平均降低20%~40%；保护性耕作和传统耕作条件下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增，但在传统耕作条件下递增较快；风速14 m·s^-1是荒漠绿洲农田土壤风蚀加剧转折点，当风速>14 m·s^-1时保护性耕作下风蚀速率较传统耕作明显降低；0~20 cm内，传统耕作和保护性耕作下输沙率与高度分别呈线性和指数关系，保护性耕作下0~4 cm输沙量和输沙量百分比（Q_0~4/Q_0~20）均低于传统耕作。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。