第2章-风蚀荒漠化与防治 2

第二章风蚀荒漠化与防治第一节风蚀荒漠化防治的风沙物理学原理风蚀荒漠化是以风力为主要侵蚀营力造成的土地退化。

其主要是指在干旱多风的沙质地表条件下，由于人为过度活动的影响，在风力侵蚀作用下，使土壤及细小颗粒被剥离、搬运、沉积、磨蚀，造成地表出现风沙活动为主要标志的土地退化。

风力侵蚀结果常常形成风蚀劣地、粗化地表、片状流沙堆积，以及沙丘的形成和发展。

在陆地上到处都有风和土，但并不是任何地方都会发生风蚀，因而也不是任何地方都发生和存在风蚀荒漠化土地。

严重的风蚀必须具备２个基本条件，即：一是要有强大的风；二是要有干燥、松散的土壤。

因而风蚀主要发生在蒸发量远大于降水量的干旱、半干旱地区及有海岸、河流沙普遍存在的、受季节性干旱影响的亚湿润干旱区。

1.1风力侵蚀作用1.1.1沙粒的起动(1) 风是沙粒运动的直接动力，气流对沙粒的作用力为：式中P—风的作用力；C—与沙粒形状有关的作用系数；ρ—空气密度；V—气流速度；A—沙粒迎风面面积。

由上式可见，随风速增大，风的作用力增大。

当风速作用力大于沙粒惯性力时，沙粒即被起动，使沙粒沿地表开始运动所必需的最小风速称为起动风速（或临界风速）。

一切大于临界风速的风都是起沙风。

(2)拜格诺根据风和水的起沙原理相似性及风速随高程分布的规律，得出起动风速理论公式，其表达式为：式中Vt—任意点高度处的起动风速值；A—风力作用系数；ρs、ρ—分别为沙粒和空气的密度；d—沙粒粒径；y—任意点高程；k—粗糙度。

起动风速的大小与沙粒的粒径大小、沙层表土湿度状况及地面粗糙度等有关。

一般沙粒愈大，沙层表土愈湿，地面越粗糙，植被覆盖度越大，起动风速也愈大。

在一定粒径范围内，随粒径增大，起动风速也增大。

起沙风速与粒径平方根成正比。

但对特别大和特别细的粒径（受附面层的掩护和表面吸附水膜的粘着力的作用）都不易起动。

据实验测定，粒径约为0.015～0.5 mm时，0.1 mm左右的沙粒最容易起动。

地表土壤含水状况对起动风速也有明显的影响。

在沙粒粒径相同时，湿度越大，由于受表面吸附水膜黏着力的影响，沙子黏滞性和团聚作用增强，起动风速也相应增大。

不同的地表状况因其粗糙度不同，对风的扰动作用也不同，相应的起动风速也不相同。

地面越粗糙，起动风速越大。

1.1.2风力作用过程风力作用过程包括风对土壤物质的分离、搬运和沉积3个过程。

(1) 风力侵蚀作用风力侵蚀作用包括吹蚀和磨蚀2种方式。

风的侵蚀能力是摩阻流速的函数，可用下式表示：式中D为侵蚀动力, v。

为蚀床面上的摩阻流速。

地表附近风速梯度较大，使凸出于气流中的颗粒受到较强的风力作用。

颗粒越大，凸出于气流中的高度越高，受到风的作用力也越大，然而，这些颗粒由于质量较大，需要更大的风力才能被分离。

能够被风移动的最大颗粒粒径，取决于颗粒垂直于风向的切面面积及本身的质量。

粒径为0.05～0.5 mm的颗粒都可以被风分离，以跃移形式运动，其中粒径为0.1～0.15 mm的颗粒最易被分离侵蚀。

风沙流中跃移的颗粒，增加了风对土壤颗粒的侵蚀力。

因为这些颗粒不仅将易蚀的土壤颗粒从土壤中分离出来，而且还通过磨蚀，将那些小颗粒从难蚀或粗大的颗粒上分离下来带入气流。

磨蚀强度用单位质量的运动颗粒从被蚀物上磨掉的物质量来表示。

对于一定的沙粒与被蚀物，磨蚀强度是沙粒的运动速度、粒径及入射角的函数。

研究表明：沙质磨蚀物比土质磨蚀物的磨蚀强度大；磨蚀度随磨蚀物颗粒速度V p按幂函数增加，幂值变化范围为1.5～2.3；随着被蚀物稳定度S a增加，磨蚀度W 非线性减小。

入射角α为10°～30°时，磨蚀度最大；当磨蚀物颗粒平均直径由0.125 mm增加到0.175 mm时，磨蚀度只有轻微的增加。

风对土壤颗粒成团聚体的侵蚀过程是一个复杂的物理过程，特别是当气流中挟带了沙粒而形成风沙流后，侵蚀更复杂。

(2) 风力搬运作用当风速大于启动风速时，在风力作用下，土壤和沙粒物质随风运动，其运动方式有悬移、跃移、蠕移多种形式，运动方式主要取决于风力强弱和搬运颗粒粒径大小。

在一定条件下，风的搬动能力主要取决于风速，与被搬物质的粒径关系不密切。

切皮尔研究了悬移质、跃移质和蠕移质的搬运比例，不同土壤中团聚体及颗粒的大小有不同搬运比例，而与风速无关。

在团聚良好的土壤上，无论其结构很粗或很细，悬移质都很少而蠕移质较多；在粉沙土和细沙土上悬移搬运相对增多。

对各种土壤，跃移质搬运总是大于蠕移质和悬移质。

3种搬运方式的土壤颗粒所占比例大约为悬移质占3%～38%，跃移质占55%～72%，蠕移质占7%～25%。

而自然界影响风搬运能力的因素十分复杂，它不仅取决于风力的大小，还受沙粒的粒径、形状、比重、湿润程度、地表状况和空气稳定度等影响。

因此我国研究了新疆莎车一带近10cm高度内输沙量与2米高度的风速关系，为：式中Q—输沙率[g/(cm·min)]；V—风速(m/s)(3) 风力沉积作用土壤颗粒被风搬运的距离取决于风速大小、土壤颗粒或团聚体的粒径和重量，以及地表状况。

(a ) 沉降堆积当风速减弱，使紊流漩涡的垂直分速小于重力产生的沉速时，在气流中悬浮运行的沙粒就要降落堆积在地表，称为沉降堆积。

沙粒沉速随粒径增大而增大（表2-1和图2-1）。

表2-1 沙粒直径与沉速的关系图2-1 空中沙粒自由沉降(２)遇阻堆积风沙流运行时，遇到障阻使沙粒堆积起来，称遇阻堆积。

风沙流因遇障阻发生减慢，而把部分沙粒卸积下来；也可能全部（或部分）越过和绕过障碍物继续前进，在障碍物的背风坡形成涡流（图2-2）。

图2-2 遇阻堆积当风沙流在运行过程中，遇到了湿润或较冷的气流会被迫上升，这时部分沙粒不能随气流上升而沉积下来。

两股风沙流相遇，即或在风向几乎平行的条件下，也会发生干扰，降低风速，减小输沙的能力，从而使部分悬浮的沙粒降落下来。

在风沙流经常发生的地区，粒径小于0.05 mm高的大气层中，遇到冷湿气团时，粉粒和尘土成为雨滴的凝结核随降雨大量沉降，成为气象学上的尘暴或降尘现象。

从搬运方式来看，蠕移质搬运距离很近，若被磨蚀作用崩解成细小颗粒，可转化成悬移和跃移方式。

跃移质多沉积在被蚀地块的附近，在灌丛、土埂的背后堆成沙垄。

沙丘沙中的粗粒堆积于沙丘迎风坡，细粒沉积在背风坡。

悬移质及受打击崩解而进入气流中的悬浮颗粒，搬运距离最长。

这部分颗粒数量虽少，但多是含有大量土壤养分的黏粒及腐殖质。

1.1.3影响风蚀的因素风蚀作用的大小、强弱除与风力有关外，还受土壤抗蚀性、地形、降水、地表状况等因素影响。

(1) 土壤抗蚀性土壤抵抗风蚀的性能主要取决于土粒质量及土壤质地、有机质含量等。

风力作用时，受作用力的单个土壤颗粒（团聚体或土块）的质量（或大小）足够大，不能被风力吹移、搬运；若颗粒质量很小，极易被风吹移。

因之，常把粗大的颗粒称为抗蚀性颗粒，把轻细的颗粒称为易蚀性颗粒。

抗蚀性颗粒不仅不易被风吹移，还能保护风蚀区内的易蚀性颗粒不被移动。

由此可见，土壤中抗蚀性颗粒的含量多少，能够表示土壤抗蚀性强弱。

在持续风力的作用下，任何表面相对平滑的地表都会随风蚀过程而变得粗糙不平。

这是因为抗蚀性颗粒不仅难以起动，而且保护下边的颗粒免受风蚀，阻碍了风蚀的发展，只有那些易蚀性颗粒随风搬迁，使风蚀得以继续，从而造成地表细微起伏。

抗蚀性颗粒的机械稳定性，影响风蚀的进一步发展。

若抗蚀性颗粒（或团聚体）形状大（或成复粒），在风沙流的冲击和磨蚀作用下，仅被分离成较大的颗粒或不易分离，表示颗粒稳定性高；相反，易分离的颗粒稳定性差。

颗粒稳定性与土壤质地、有机质含量有关。

在不同质地的土壤中，沙土和黏土是最易被风蚀的土壤。

因为，质地较粗的沙土中缺少黏粒物质，不能将沙粒胶结成有结构的土壤；黏土易于形成团聚体和土块，但稳定性很差，特别是冻融作用和干湿交替而使其破碎。

切皮尔的分析表明，当土壤中黏粒含量约在27%时，最有利于抗风蚀性团聚体或土块的形成；小于15%时，很难形成抗风蚀的团聚结构。

极粗沙和砾石很难被风所移动，有助于提高土壤的抗蚀性。

我国干旱区风成沙的粒度成分，以细砂（0.25～0.10 mm）为主，其次为极细砂和中砂，粉砂含量不多，粗砂最少。

半干旱风沙区，受风沙的侵蚀和埋压，地带性土壤发育很弱，且与风成沙相间分布，毛乌素沙区各地带性土壤的粒度表明，表层土壤中黏粒含量均在10%以下。

这样的土壤质地很难形成抗风蚀的结构单位，因而造成干旱、半干旱风沙区土壤极易被吹蚀的特点。

土壤有机质能促进土壤团聚体的形成并提高其稳定性，不利于风蚀发展，因而，在生产中常通过增施有机肥及植物秸杆来改良土壤结构，提高抗蚀能力。

(2) 地表土垄由耕作过程形成的地表土垄，能够通过降低地表风速和拦截运动的泥沙颗粒来减慢土壤风蚀。

阿姆拉斯特等研究了不同高度土垄的作用得出：当土垄边坡比为1：4、高5～10cm 时，减缓风蚀的效果最好；低于这个高度的土垄在降低风速和拦截过境土壤物质方面，效果不明显；当土垄高度大于10cm时，在其顶部产生较多的涡旋，摩阻流速增大，从而加剧了风蚀的发展。

(3) 降雨降雨使表层土壤湿润而不能被风吹蚀。

切皮尔在美国大平原地区的研究表明，当地15cm 高处风速为8.9～14.3m/s、表层土壤实际含水量相当于水分张力在1520Pa时土壤含水量倍的状态下，风蚀可能发生。

降雨还通过促进植物生长间接地减少风蚀。

特别是在干旱地区，这种作用更加明显。

由于植物覆盖是控制风蚀最有效的途径之一，作物对降雨的这种反应也就显得特别重要。

降雨还有促进风蚀的一面。

原因是雨滴的打击破坏了地表抗蚀性土块和团聚体，并使地面变平坦，从而提高了土壤的可蚀性。

一旦表层土壤变干，将会发生更严重的风蚀。

(4) 土丘坡度对于短而较陡的坡，坡顶处风的流线密集，风速梯度变大，使高风速层更贴近地面。

这就使坡顶部的摩阻流速比其他部位都大，风蚀程度也较严重。

表2-2为切皮尔计算出的不同坡度土丘顶部及坡上部相对于平坦地面的风蚀量.表2-2 坡面上相对平坦的封面的风蚀量(5) 裸露地块长度风力侵蚀强度随被侵蚀地块长度而增加，在宽阔无防护的地块上，靠近上风的地块边缘，风开始将土壤颗粒吹起并带入气流中，接着吹过全地块，所携带的吹蚀物质也逐渐增多，直到饱和。

把风开始发生吹蚀至风沙流达到饱和需要经过的距离称饱和路径长度。

对于一定的风力，它的挟沙能力是一定的。

当风沙流达到饱和后，还可能将土壤物质吹起带入气流，但同时也会有大约相等重量的土壤物质从风沙流中沉积下来。

尽管一定的风力所携带的土壤物质的总量是一定的，但饱和路径长度随土壤可蚀性的不同而不同。

土壤可蚀性越高（抗蚀性越低），则饱和路径长度越短。

切皮尔和伍德拉夫的观测表明，当距地面10m高处风速约18m/s时，对于无结构的细沙土，饱和路径长度约50m，而对结构体较多的中壤土，则在1500m以上。