土壤风蚀与植被防护研究

土壤风蚀与植被防护研究3

王晓东,岳德鹏,刘永兵

(北京林业大学资环学院,北京100083)

摘要:在收集总结国内外土壤风蚀与植被防护相关研究文献的基础上,从土壤风蚀原理、风蚀影响因素、风蚀预报模型、土壤风蚀容忍量、植被覆盖防风蚀效应等方面评述了国内外土壤风蚀与植被防护的研究现况,据此指出了研究中存在的问题,提出了今后的研究方向。

关键词:土壤风蚀;植被防护;研究综述

中图分类号:S714 文献标识码:A 文章编号:1672-8246(2005)02-0108-05

A Rev i ew of the Research on So il W i n d Erosi on and Veget a ti on Preven ti on

WANG Xiao2dong,Y UE De2peng,L I U Yong2bing

(College of Res ources and Envir onment,Beijing Forestry University,Beijing100083,China)

Abstract:Based on the research documents about s oil wind er osi on and vegetati on p reventi on at home and abr oad, current situati on of the research on s oil wind er osi on and vegetati on p reventi on at home and abr oad was discussed in the res pects of p rinci p le of s oil wind er osi on,affecting fact ors of wind er osi on,p redicti on model of wind er osi on, s oil wind er osi on t olerance and the effect of the p reventi on of wind er osi on thr ough vegetati onal cover.According t o these,the p r oble m s that exist in the researches were found and the research directi on of s oil wind er osi on and vege2 tati on p reventi on in future was given.

Key words:s oil wind er osi on;vegetati on p reventi on;revie w of the research

土壤风蚀(Soil W ind Er osi on)是指土壤及其母质在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程,其实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀塑造地球景观的一个基本地貌过程,也是干旱和半干旱地区形成风沙流、沙漠化与沙尘暴灾害的首要环节(吴正,1987)[1]。土壤风蚀已成为一个全球性的环境问题,严重的土壤风蚀给当地带来很大的危害(陈渭南等,1994)[2]。据统计,风蚀造成的土地退化面积达到5105×106k m2,占全球退化土地面积的4614%。我国西北土壤风蚀的面积已经占其国土面积的1/2以上,严重地制约着这些地区社会经济的发展。在收集国内外相关研究资料的基础上,本文就土壤风蚀以及防护效益研究的状况进行了系统地评述,旨在为我国西北地区生态环境建设提供理论与方法。

1　土壤风蚀原理的研究成果

土壤风蚀原理的研究内容主要包括:风沙受力起动机制、沙粒起动风速、风沙运动方式、风沙流结构、风沙运移模型等(史培军等,2002)[3]。现除风沙运动方式之外,对其他4方面的研究成果进行综述。

111　沙粒受力起动机制

20世纪30年代,国外对风蚀沙粒受力起动机制的研究开始有了较大进展,实现了定性描述到定量研究的飞跃。Chep il W1S1(1945)和兹纳门斯基A1И1(1958)等认为,由于地表沙粒上下存在

　第34卷　第2期　2005年6月

西　部　林　业　科　学

Journal of W est China Forestry Science

Vol134　No12　

June12005　

3收稿日期:2004-11-13

基金项目:国家十五科技攻关课题(2002BA517A14),北京市自然基金重点项目(8011003)之一研究内容。 第一作者简介:王晓东(1981-),男,山西朔州人,硕士研究生,主要从事水土保持研究。

着风速差,沙粒表面受到的压力相对较小,从而使沙粒受到一个向上的压力差作用力,导致沙粒有可能离开地面,这就是压差起动说[4,5]

;Bagnold (1941)和伊万诺夫(1963、1972)提出的风沙风压起动说认为:沙粒运动是在颗粒与接触表面的摩擦力和(风的)正压力不平衡产生翻倒力矩时发生,伊万诺夫(1963)认为决定沙粒脱离地表的升力主要是冲击力,经过计算表明,冲击力可以超

过重力的几十倍到几百倍[6]

。国内有关沙粒受力起动机制的研究是从20世纪50年代开始的。利用摄影技术,观测了沙粒的受力过程,并对其受力进行了概率计算;同时还观测了各个沙粒的运动轨道、速度、角度等,建立了不同运动阶段的力学数学模型(凌裕泉等,1980;贺大良等,1988;刘贤万等,1995;邹学勇等,1992;董治宝等,1995)。

以上述研究为基础建立了风沙物理学[7～11]

,从而使风蚀研究进入到动力学研究阶段。112　沙粒起动风速

有关沙粒的起动风速,是先由Bagnold 提出了

流体起动风速和冲击起动风速的概念。Bagnold 所提出的起沙风速理论公式为:V t =5175A gd

p s -p p l og y

k

,(2-1)。式中:V t 为任意点高

度y 处的起沙风速;A 为风力作用系数;p s 、p 分别为沙粒和空气的密度;d 为沙粒粒径;y 为任意点高度;k 为粗糙度。此理论公式使之实现了对起

沙风速的计算[12～14]

。

还有学者对影响起动风速的因素进行了细致的研究。对均匀粒径沙和不同粒度参数混合沙的起动风速测定结果表明:起动风速大小取决于粒径或平均粒径;在粒径和平均粒径相当的情况下,混合沙的起动风速较小;风沙土在含水率小于10%的范围内,沙粒起动风速随含水率呈线性增大(董治

宝,1995;黄富祥等,2001)[11,15]

。113　风沙流结构

气流中所搬运的沙子在搬运层内随高度的分布特征,称为风沙流结构。由于沙粒运动方式和沙粒粒径的不同,造成了气流中含沙量在距地表不同高度的密度差异。许多学者在野外或实验室对风沙流结构进行了研究。Zingg,A 1W 1(1953)通过沙丘的级配沙进行风洞试验,确定了床面以上输沙率随高

度变化的函数关系式:Q z =(

b z +a

)1

n ,(2-2)。式中:Q z 是高程z 的输沙率(g/m in ・c m );b 为随

沙粒粒径和剪切力而变化的常数;n 为指数;a 为

参考高度。

在研究表现地表0～10c m 高度风沙流结构的公式时,兹纳门斯基A 1И1将0～10c m 高度内的沙子分为3层,即:0～1c m 、1～2c m 、2～10c m ,并依据试验总结出每层沙子的分布特点,提出了采用S =Q max / Q 的比值作为风沙流结构数,Q max 指气流中0～1c m 层的输沙量,同时利用S 值判断风蚀的方

向性[5]

。为了进一步说明风沙流的结构特征与吹蚀、搬运和堆积的关系,我国学者吴正、凌裕泉(1987)提出了风沙流结构特征值为λ=Q 2～10/Q 0～1。式中Q 0-1为0～1c m 高度气流层的输沙量,Q 2-10为2～10c m 高度气流层内搬运的沙量,而利用λ值来判断

风沙流的状态[1]

。马世威、高永(1987)对0～10c m 垂直高度层内沙量的分布及变化进行了定性和定量分析,并在此基础上,归纳总结出风沙流结构的三定律。应用结构式可以很方便地判断地表的蚀积搬运状况,直观反映了风沙流结构的特征。114　风沙运移模型

气流在单位时间内在单位面积上所搬运的沙量就叫输沙率。输沙率是衡量沙区沙害程度的主要指

标之一,也是防沙工程设计的主要依据,只有准确确定输沙率才能采取有效地控制风沙危害的措施。输沙率模型最经典的是Bagnold 基于风洞试验建立

的输沙模型:q =B (u -u 3)3

,(2-3)。式中:q 表示风蚀输沙率;B 为实验常数;u 为一定高度处实际观测的风速;u 3

表示此高度的沙粒起动风速[13,14,16]

。Bagnold 的风力输沙率是以动量改变为基础的,其从理论上探讨了风力输沙。

基于Bagnold 的输沙模型,W ass on &Nanninga (1996)考虑到植被对输沙率的影响,提出:当下垫面有植被覆盖时,其对应的模型就变为:q =B 〔uf

(c )-u 3〕3

。此模型主要表达了植被能降低风蚀风速的思路。根据植被能增大起沙风速的思路又建立

了另一种模型:q =B 〔u -u 3g (c )〕3

。以上两位学者都是通过大量的风洞实验而得出模型的。前苏联学者伊万诺夫从理论上导出了输沙率的公式:Q =

012(1-cos δ・μ-sin δ)〔K (tg

α+μ)〕2

(V 110-411)4cos

δ-ay/g ,

式中:μ为沙粒同地面的摩擦系数;δ为沙面与水平面的交角;V 110为距地表1m 高度处的风速;ay 为沙粒旋转产生的加速度;α为沙粒与沙平面的碰撞角;K 为碰撞恢复系数。伊万诺夫的输沙率公式虽然考虑的因素比较全面,但在实际运用中有些系

9

01　第2期 王晓东等:土壤风蚀与植被防护研究