风蚀发生机理及其防治技术范文

1、风蚀发生机理

1.1沙粒起动机制

土壤风蚀是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质,土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程[3].它的实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀过程。风蚀过程主要包括土壤团聚体和基本粒子的分离、输送和沉积[4].

粒子的初始运动很少引起注意,人们主要进行运动模型的研究[5].1962年之前,Bagnold描述到颗粒在主风力作用下沿着地表滚动大约30cm才开始脱离地面（即跃移运动）。1962年Bisal和Nielsen通过用双筒望远镜观察放在狭窄的盘子里的颗粒运动,发现大多数易蚀颗粒随着风速强度的增加,摆动增强,然后离开地表[6].1971年Lyles和Krauss通过风洞观察得出,当有效风速达到临界值时,直径小于0.84mm的颗粒开始前后摆动,当风力或运动的颗粒碰撞强到足以迫使稳定的表面土壤颗粒运动时,分离就发生了。分离之后,土壤颗粒通过风可以在空中或沿着土壤表面输送,直到最后风速降低时沉积[7].

半个多世纪以来，中外科学家对静止沙粒受力起动机制进行了深入的研究，并形成了多种假说，其中以冲击碰撞说较有代表性。1980年吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影的方法对沙粒运动过程进行了研究[8].他们认为在风力作用下，当平均风速约等于某一临界值时，外别突出的沙粒在湍流流速和压力脉动作用下，开始振动或前后摆动，但并不离开原来的位置，当风速增大超过临界值后，振动也随之加强，迎面阻力和上升力相应增大，并足以克服重力的作用，气流的旋转力矩促使某些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动。由于沙粒几何形状和所处空间位置的多样性，以及受力状况的多变性，因此在滚动过程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的冲击时，就会获得巨大冲量。受到突然冲击力作用的沙粒，就会在碰撞瞬间由水平运动急剧地转变为垂直运动，骤然向上起跳进入气流运动，沙粒在气流作用下，由静止状态达到跃起状态。

1.2沙粒运动形式

风力作用下土壤颗粒主要有3种运动类型[5]（图1）：悬移、跃移和蠕移。

图1风蚀过程示意图

Fig.1Schematicdiagramofwinderosionprocess

跃移：当中等粒子（100～500μm）被驱动时,在短时间内它们进入风流中,随后由于重力又落下来,促使它们碰撞并加入到其他土壤颗粒的运动中,这种输送方式叫做跃移。跃移颗粒占总的土壤运动的50%～80%,跃移高度小于120cm,大部分在30cm左右[9],研究证明跃移土壤颗粒的升起高度（H）与前进距离（L）比为1∶10.由于跃移是发动其他类型输送的原因,所以在控制措施里是很重要的。另外,由于土壤颗粒的巨大作用,跃移是植物伤害的主要原因。

悬移：指来自于很小土壤颗粒的垂直和水平运动,在跃移和直接风力作用下,直径100μm或更小的颗粒将被刮起来,悬浮到风中随风输送；在远距离搬运过程中,主要是<20μm的颗粒。在风蚀过程中,悬浮一般占总的土壤颗粒的3%～40%,搬运的高度最高、距离最远,是沙尘暴主要构成部分,土壤损失最为明显。由于比较细小的土壤颗粒通常含较多的有机质和营养物质,所以悬浮颗粒是最富含有机质和植物营养物质的部分。

蠕移：直径在500～1000μm大的土壤颗粒和团聚体,由于太大不能离开地表,但受跃移过程中旋转的颗粒碰撞冲击而松动,随风滚动。表面滚动占总的土壤颗粒的7%～25%[9],影响到当地的沉积并对植物产生伤害。

1.3风蚀的影响因素

20世纪40年代初,以Chepil为代表的美国农业部科学家对土壤风蚀防治进行了一系列的研究工作。经过60多年的时间,许多学者通过田间和室内便携式风洞试验对农田风蚀和沙尘扬起进行了一系列的调查研究,结果表明采取特殊的保护措施,如作物残茬覆盖,增加地表粗糙度以及改变土壤特性,有效地减少了农田风蚀土壤的损失[10].土壤风蚀的严重性是由1）风速；2）地表土壤物理特性；3）地表覆盖及粗糙度状况决定的[11].

1.3.1风速

风速是风蚀的启动力,风速增加时,风向上抬起土壤的力和拖曳力也相应增加,引起大颗粒侵蚀,同时搬运能力也相应增加。如果在农田地表没有或很少保护的情况下,大风可以在短时间内搬运走大量的土壤。引起土壤颗粒在风流中开始移动的风速值叫临界风速值。临界风速值取决于土壤覆盖物和土壤的可侵蚀性。板结的或有不易侵蚀物质（如植物、残茬或石头等）覆盖的地表,临界风速将比光秃的、疏松表面土壤的临界风速高。

1.3.2地表土壤物理特性

地表土壤物理特性包括土壤颗粒大小的分布和土块及结皮层的动态稳定性。

Chepil（1941年）在土壤特性方面做了大量的工作,研究水稳性团聚体和干土块与风蚀度之间的关系[12].Chepil和Woodruff指出直径小于0.84mm的颗粒最易于风蚀。因此,小于0.84mm的土壤颗粒增加时,易于被侵蚀的土壤粒子也相应增加。由于土壤风蚀是先发生分离,土块和结皮层的动态稳定性就显得尤其重要。土块、结皮层以及水分增加了土壤的凝聚力,从而减少了土壤分离和产生疏松粒子的数量。Chepil对含有不同比例侵蚀成分的土样进行了测试,通过测试运移的土壤量,计算出不同团聚体大小对地表的保护程度。结果表明,大得不能被风搬运的团聚体,才能提供最大程度的保护。

1.3.3地表覆盖及粗糙度状况

Fryrear[8]应用便携式风洞估计了平坦地表、已耕地表和含有非侵蚀性土块的已耕地表的土壤损失。结果得出,20%非侵蚀性土块覆盖的地表与无土块覆盖的地表相比,土壤损失减少56%；40%和60%.土块覆盖的地表分别减少82%和89%,地表粗糙度在控制风蚀方面是很有效的,并建立了土壤粗糙度系数与地表粗糙度之间的关系,定量方程为：k=e-0.48SR.

Hagen研究了作物残茬对风蚀的影响原因,结果表明：倒伏残茬抑制了地表土壤的扬起,增加了临界风速；直立残茬减小了土壤表面的摩阻速度并拦截了跃移的土壤；试验证明直立残茬比倒伏残茬对风蚀的控制更有效。Fryrear通过室内和田间风洞试验研究了倒伏残茬覆盖百分率与土壤损失的关系,当20%覆盖时,减少土壤损失57%,50%覆盖时,减少土壤损失95%.其土壤损失比表达式为：SLRc=1.81e-0.072SC（R2=-0.94）,但仅在8%～80%覆盖下验证了此方程。Bilbro和Fryrear[利用Fryrear（1985）的试验数为：

SLRc=e-0.0438SC（R2=0.94）。

SLR是指已知处理条件下被侵蚀土壤与平坦、裸露地表最大土壤损失之比。Horning（1998）等通过风洞模拟试验研究土壤损失比与地表粗糙度及地表覆盖率之间的关系（图2,图3）,从图中可以看出他们均服从指数关系,把倒伏残茬覆盖和地表粗糙度分别作为独立变量,得出定量方程为[13]

SLR=e-0.5SC×e-0.52SR

式中SLR——土壤损失比；SC——倒伏残茬覆盖率,%；SR——地表粗糙度,cm.

此式说明作物残茬保护地表是有效且可行的控制风蚀的方法,而地表粗糙度的增加,也可以明显地降低风蚀。对残茬覆盖和地表粗糙度能有效的减小风蚀的理解,可更好地开发和应用保护性耕作来减少农田风蚀、土壤源的损失以及沙尘暴的发生。

2、风蚀防治技术

2.1农田上实行保护性耕作技术防治风蚀

2.1.1国外实行保护性耕作技术防治农田风蚀的经验

（1）美国治理沙尘暴的经验。

19世纪初美国大量采用铧式犁开荒，将数千万公顷干旱、半干旱草原开垦成农田，耕翻后多次耙压碎土、裸露休闲，几十年获得了好收成，粮食大量出口，为美国带来了丰厚的经济利益。至20世纪30年代，连续数年在美国西部刮起的举世震惊的“黑风暴”，大风在没有遮拦的农田裸地上横扫，成千上万吨表土被风刮走。1934年5月一场典型的沙尘暴从美国西部刮起，连续三天，横扫2/3国土，把3亿多吨土壤卷进大西洋。仅这一年美国毁坏300多万公顷耕地，冬小麦减产510万吨，导致16万农民倾家荡产逃离西部，留下的人生活极其困难，还有不少人死于沙尘暴引起的肺炎。

“黑风暴”惊醒了人们，推动了各种保水保土耕种方法的研究。经过半个世纪研究，开发出免耕法，并与退耕种草、植树造林建立防风屏障等措施相结合，有效地扼制住沙尘暴的再度猖獗。美国60％耕地实行免耕法种植。免耕法核心技术：一是残茬覆盖。淘汰铧式犁，土壤不翻耕，秸秆覆盖田面；二是使用茬地播种机“铁茬”播种，随播种深施化肥；三是采用除草剂与浅锄相结合清除杂草。美国农业部农业研究中心（USDA——ARS）1979年报告，与传统耕作法对比，免耕、秸秆覆盖处理，土壤贮水量增加，径流量和蒸发量减少，增强土壤抗风蚀能力，从而提高了作物产量。

（2）澳大利亚防止沙尘暴的经验。

澳大利亚干旱面积625万km2,占国土面积81%.从20世纪初以来几十年翻耕作业，导致土壤风蚀和水蚀严重，土层变浅。科学家预测如不采取措施，100年后澳大利亚耕地面积将减少50%.20世纪70年代以来澳政府在全国建立了保护性作耕试验站。大量实验证明秸秆覆盖是一项防止风蚀、保持水土的有效耕作方法。残茬覆盖减少水土流失90%，减少风蚀70%～80%（见表2）。

表2残茬覆盖对减少风速的作用风蚀单位：g/m/s

土地类型传统耕作（无覆盖）秸秆覆盖（30%覆盖）覆盖减少农区壤土10.92.1580%农区沙土60.915.374%干旱草原沙土154.437.375%

John.Leys澳大利亚新南威尔士州土壤保持局，1991.

（3）加拿大防治风蚀耕作法

加拿大位于北美，气候寒冷，夏季土壤休闲期长，土壤翻耕后，裸露休闲18～21个月。由于缺乏覆盖物导致土壤水分蒸发，增加土壤盐碱度和土壤风蚀、水蚀。20世纪50年代，加拿大开始研究保护性耕作。集中解决了免耕播种机、除草剂等关键技术，现在已全部淘汰铧式犁，实行残茬覆盖免耕播种。研究表明免耕法有利于减少土壤侵蚀，保蓄水分，改善土壤结构，增加作物产量。

（4）前苏联无壁犁耕作法

前苏联旱区分布在北纬50～53度，包括草原带与半荒漠带，约有耕地9700万hm2，年降雨量350～450mm.干旱、风蚀和水蚀是农业的主要威胁。风蚀面积7000万hm2，沙尘暴是该地区的主要灾难。20世纪50年代试验无壁犁耕法，又叫马尔采夫耕作法。包括留高茬（20cm）,、无壁犁深松35～40cm，茬地播种机播种，能保留雨雪，减轻风蚀、水蚀，提高作物产量，在前苏联得到大面积推广应用。

2.1.2我国实行保护性耕作技术防治农田风蚀

免耕法是最大限度地减少土壤耕作和将作物残茬留于地表的一种耕作体系，是一种改良的、集约的、防治水蚀和风蚀的作物生产方法。免耕法耕作体系取消了耕翻、耙耱、平地等传统作业。只有条播作为主要作业保留下来，但比传统条播难度更大。相对坚硬的土壤和地表残留物增加了条播的难度。因此，免耕播种机要求切割土壤能力更强，同时能清理开沟器附近的残茬，不致造成种子堵塞。施肥通常和播种同时进行，肥料施在种子近旁。除草以化学除草为主，辅助以机械浅锄除草。

作物残留物覆盖能有效的减少大风引起的沙尘颗粒运动。一方面它可以吸收一部分风力，减少风对土壤的作用力；另一方面，由于把作物的残茬留在土壤表面，把根茬留在土壤里，它们都能保护土壤颗粒不被风力移动。

河北省丰宁县位于北京正北，是治理北京沙尘暴的重点地区之一。2001年由农业部资助中国农业大学实施，在丰宁县鱼儿山镇南岗村作了1100亩的免耕试验，取得了显著的效果。具体表现在以下4个方面：

（1）降低种地成本。免耕播种减去了传统耕作的翻耕、耙地、整地三个环节，每亩节约费用18～20元。

（2）保墒蓄水、全苗壮苗。免耕播种土壤翻动较小，有利于保蓄土壤水分。据田间测定，免耕播种土层10cm深处，土壤含水率为16.8%；传统播种地块，土壤含水率为14.2%.免耕播种小麦出苗每米155株；传统播种99株。免耕播种比传统播种提前出苗7～15天，苗全苗壮。

（3）小麦增产。免耕种植小麦亩产334.13kg，传统种植小麦亩产229.68kg，增产104.45kg，增幅45.48%.（见表3）

（4）减少沙尘飞扬。春天小麦播种期间，据田间观察，翻耕地块遇上大风时，常有尘卷风携带沙尘窜起200～300m高，而免耕地块则没有这种现象。

中国农业大学在2002年河北坝上测定，免耕留茬地表0.1～1.5m高度减少风蚀沙尘量70%～75%，0～0.1m高度减少风蚀沙尘量83%～87％。保护性耕作技术是对农田实行免耕、少耕，尽可能减少土壤耕作，并用作物秸秆、残茬覆盖地表，减少土壤风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业耕作技术。目前主要应用于干旱、半干旱地区农作物生产及牧草的种植。

2.2风沙危害严重地区防治风蚀措施

2.2.1种植牧草、保护草原。

土壤置于天然植被下是控制风蚀最好的方法。在裸露的沙地和退化的天然草原，种植牧草是防治沙尘暴的有效方法。可采取飞播种草，围栏封育，草原补种牧草等方法。为了减少牲畜对种草沙地和草原的破坏，解决草原退化问题，要大力提高草原生态系统的第一性生产力，即植物生产能力。建立人工饲草饲料基地，实行草原划区围栏放牧，改善水利条件，增施化肥等，建立起集约化的草原生产体系，满足牲畜对饲草饲料的需求。草原生态系统的次级生产，即动物转化部分，也要优化畜群结构，改放牧为舍饲，提高转化效率。依靠科技，建立高效的草原畜牧生态系统，是遏制草原退化、沙漠化的必由之路。

2.2.2营造防护林带防治风蚀

风蚀的对象是土壤，由于其机械组成，湿度状况及覆被程度的不同引起导致风蚀起动风速的差异。一般地说，在相同的条件下，结构疏松透水性强的沙土最易受到风蚀，特别是沙质农田在春季无植物覆盖的时期，风蚀尤为严重。松散状态下，一定粒径限度内土壤的粒级愈大，起动风速就相应增大。但在实际上，各类土壤是各种不同粒径沙粒和粘粒的团聚体，所以当小于0.01mm的物理粘粒含量输多时，土壤可形成有交情抗蚀能力的团聚体，一般不易遭风蚀[14].而土壤湿度状况与风蚀也有密切关系，由于水分可明显增加土壤颗粒间的吸附力，使得起风速随含水量的增加而迅速增大，也就是说，湿润的土壤有较强的抗蚀能力。除此之外，影响到风速的另一个重要因素是土壤表面的粗糙度。土壤表面粗糙度的决定着风的摩檫作用，因而影响到风速梯度，以至影响到风蚀强度。因此，增加地表粗糙度也是防护风蚀的重要措施。

综上所述，沙砾的任何形式，都是以一定速度的气流为动力，风起沙扬，风息沙止，因此，农田防护林防止或减轻土壤风蚀的作用取决于其降低风速，减弱乱流交换及在一定程度上可提高土壤含水量等诸多功能。防护林也可以说是风沙流中的障碍物，不同结构的林带，起防风作用不同，风积物的形式也各异。

没有灌木的通风结构林带，由于带内和林缘附近为风速加速区，即在各树干间常形成许多“通风道”使风速加到大于旷野风速，不但不能防止风蚀，而且会造成暴根，这种现象在风沙严重地地区常可以看到。一般通风结构林带后1倍树高范围内发生沙粒堆积，附近农作物常遭沙埋，沙打或沙割。

这种情况不是固定不变的，一般林带宽度的增加和枝下高的降低林带内部的风蚀现象也会减轻，沙堆的位置也越靠近林带，沙堆向田间延伸的距离缩短，但高度增加。

紧密结构林带林缘附近是弱风区，风速降低到几乎是零。当风沙流在运动途中受其阻挡时，气流翻越林墙，则沙粒被阻挡沉积于林带前并逐渐堆积向林中侵入，久而久之，形成巨大沙堆，埋没林带进入农田。而林后风速又可很快恢复到旷野风速，从而又在风速加大的地方造成新的风蚀。这类林带条件下常形成所谓的“驴槽地”。

疏透结构的林带和由灌木组成的通风结构林带，防风蚀作用较好。就防沙作用而言，疏透结构林带介于通风结构和紧密结构之间。

2.2.3建立沙障防治风蚀

2.2.3.1机械沙障的类型和作用

⑴机械沙障在治沙中的地位及作用

机械沙障在治沙中的地位及作用是极其重要的，是植物措施无法取代的。在自然条件恶劣的地区，机械沙障是治沙的主要措施，在自然条件较好的地区，机械沙障是植物治沙的前提和必要条件。通过多年来我国治沙生产实践的总结表明，机械沙障和植物治沙是相辅相成、缺一不可的，处于平等地位，发挥着同等重要的地位[15].

⑵机械沙障的类型

机械沙障防沙原理和设置方式方法的不同划分为2大类：平铺式和直立式沙障。平铺式沙障按设置方法不同又分为带状铺设式和全面铺设式。直立式沙障按高矮不同又分为：高立式沙障，高出沙面50～100cm；低立式沙障，几乎全部埋入与沙面平，或稍露障顶。直立式沙障按透风度不同分为：透风式、紧密式、不透风式3种结构型。

2.2.3.2沙障设计的技术指标

沙障设计技术主要是解决设置沙障时，应该注意的几项技术指标的运用问题，了解每项技术指标在沙障治沙中所起的作用，只有这样设计的各种沙障才能符合当地自然条件的客观规律，发挥沙障在治沙工作中的最大效能。

⑴沙障孔隙度

我们通常用它作为沙障透风性能的指标。孔隙度越小，沙障越紧密，积沙范围越窄，沙障很快被积沙所埋没，失去继续拦沙的作用。反之，孔隙度越大，积沙范围延伸的越远，积沙作用也越大，防护时间也长。为了发挥沙障较大的防护效能，在障间距离和沙障高度一定的情况下，沙障孔隙度的大小，应根据各地风力及沙源情况来具体确定[16].一般多采用25%～50%的透风孔隙度。风力大的地区，而沙源又小的情况下孔隙度应小；沙源充足时，孔隙度应大。

⑵沙障高度

一般在沙地部位和沙障孔隙度相同的情况下，积沙量与沙障高度的平方成正比。沙障高度一般设30～40cm，最高有1m就够了。

⑶沙障的方向

沙障的设置应与主峰的方向垂直，通常在沙丘迎风坡设置。沙障与轴线的夹角要稍大于90o而不超过100o.

2.2.3.3沙障的间距

沙障间距即相邻两条沙障之间的距离。该距离过大，沙障容易被风被风掏蚀损坏，距离过小则浪费材料，因此，在设置沙障前必须确定沙障的行间距离，计算单位面积上沙障的长度和所需材料及用工等。

与主风向垂直的沙障，障间距离与沙障高度和沙面坡度关系较大，同时还要考虑风力强弱。如沙障高度大，障间距应大，反之亦然。沙面坡度大，障间距应小，反之，沙面坡度小，障间距应大。风力弱处间距可大，风力强时间距就要缩小。一般在坡度小于4°的平缓沙地上，障间距应为障高的15～20倍。一般在地势不平坦的沙丘坡面上障间距的确定要根据障高和坡度进行计算（见表4）。公式为：

D＝H×tgα

式中，D－障间距离，H－障高，α—沙面坡度

粘土沙障或半隐蔽式紧密沙障的间距，主要是根据固沙造林的需要而确定的。这种沙障的特点是沙障设置后，经过几场大风，由于沙障两侧积沙，中间吹蚀，障间形成稳定低洼的凹形沙面，沙障设置方向如果正确，稳定后的沙障间凹面深度约为障间距离的1/12—1/10.

从固沙作用来讲，这类沙障的障间距离不宜过大，过大时障间凹下过深，容易使沙障受到掏蚀。经验证明，通常要控制障间凹地深度小于40cm，即障间距离为4m以下，这样沙障的固沙作用才比较稳定。

中部不宜堆积干沙，而干沙层又不能吹蚀过多使湿沙外露失水，通常进行造林的沙丘迎风坡，干沙层厚度在5——15cm之间，故障间沙面吹蚀深度一般应控制在5cm左右，最深不超过10cm.因此，沙障高度，应根据已决定的沙障间距，再按障间洼地的一般深度（间距的1/12）和最大深度（1/10）来推算。通常粘土沙障的间距为2～4m，埂高为15～20cm.在风向不稳定地区，障间距离还应缩小，在风沙危害严重地区最好设成1×1m或1×2m的粘土方格沙障。

粘土沙障需土量计算，主要根据沙障间距和障埂规格进行，并根据取土远近核算用工量，计算公式为。

A=1/2ah

L=s/c+s/c′=s（1/c+1/c′）

Q=A.L=1/2ahs（1/c+1/c′）

式中，a－障埂底宽；h－障埂高；L-障埂长；c－与主风垂直的障埂间距；c′－与主风平行的障埂间距；A-障埂横断面积；s－沙障的总面积；Q－需土量。

3、结论

我国目前土壤风蚀问题十分严重,侵蚀强度大,涉及范围广,而且在日趋恶化。西北地区乃至整个北方近年来多次发生的沙尘暴告诫人们,美国大平原地区30～40年代的悲剧,前苏联中亚地区50年代的悲剧以及非洲撒哈拉地区70年代的悲剧正在90年代的中国重演。由土壤风蚀产生的灾难已使我国受害地区的人民付出了沉重的代价。因此，防治土壤风蚀迫在眉急。我国要根据本国的实际情况结合国外防治风蚀的经验对我国的风蚀加以治理，同时,国家要从政策上、资金上为防治风蚀措施大规模实施提供保证,促进防治风蚀技术在全国范围内的推广应用。

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摘要：土壤风蚀是全球性土地退化的主要原因之一,也是世界上许多国家和地区的主要环境问题之一。该文描述了国内外对土壤风蚀发生机理、防治理念和技术的研究,提出农业上实行保护性耕作，林业上植树造林，牧业上防止草原退化是人类可以用来治理和控制土壤风蚀的3种重要措施，以及我国治沙生产实践的总结表明机械沙障防沙是当前对流沙进行综合治理的措施，已为世界所公认，是理想而有效的措施。我国土壤风蚀和土地退化问题日趋严重,应在全国进行大力宣传,转变土壤风蚀治理的观念,使人们从思想上认识风蚀防治要从植树、种草、农田保护、机械沙障4个方面综合进行，同时,国家要从政策上、资金上为农田保护性耕作的大规模实施提供保证,促进保护性耕作在全国范围内的推广应用。

关键词：土壤风蚀防治技术保护性耕作