保护性耕作农田和柠条带状配置草地防风蚀效果的风洞测试

发布时间：2019-08-26 13:27

【摘要】：为比较分析保护性耕作农田与柠条带状配置修复退化草地的防风蚀机理和防风蚀效果,利用移动式风蚀风洞及相关配套设备对内蒙古乌兰察布寒旱区的保护性耕作农田、传统旱作农田和退化草地、柠条带状配置草地进行风蚀风洞原位测试,研究其风速廓线、输沙通量等风沙运动规律,分析保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀情况。结果表明:保护性耕作农田、柠条带状配置修复草地的输沙通量随地表高度的变化呈"C"字形分布,有别于传统耕作农田和退化草地的输沙通量随地表高度的增加按指数规律迅速衰减;保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀机理,主要在于保护性耕作农田的直立残茬和柠条带状配置可对近地表风速产生阻挡、分解、疏散作用,从而使近地表风速造成不同程度削弱;当风洞中心风速为11 m/s时,在距地表50 mm处保护性耕作农田相比传统耕作农田的风速降低率达86.44%,柠条带状配置草地相比退化草地的风速降低率为70.69%,近地表风速的降低是保护性耕作农田和柠条带状配置草地有效防治土壤风蚀的根本原因;保护性耕作农田和柠条带状配置草地的风沙流主要活动在距地表40 cm高度以下,占总输沙量的90%左右,而对照传统耕作农田和退化草地的风沙流则主要活动在距地表20 cm以下,占总输沙量的85%以上。
【图文】：

分布曲线,集沙仪,旋风分离

农业工程学报（http://www.tcsae.org）2017年142统耕作农田测试前耙平处理，地表5cm深度土层平均含水率为2.52%，见图4b。测试期间环境平均温度8.5℃，大气平均压力825kPa。1.支架2.旋风分离器3.气流管4.集沙盒1.Support2.Whirlwindseparator3.Airflowpipe4.Sandcollector图3旋风分离式集沙仪Fig.3Whirltypeseparationsandsampler带状柠条配置修复草地见图4c，其植被覆盖度为40%，柠条带平均高30cm，平均行间距120cm，地表深度5cm土层平均含水率为5.27%。对照退化草地见图4d，地表覆盖度为20%，以冷蒿、无芒隐子草等枯草为主，地表深度5cm土层平均含水率为2.41%。测试期间环境平均温度为6.5℃、大气平均压力823kPa。鉴于试验风速与研究区自然风速的一致性，并且研究区传统耕作农田和退化草地的起沙风速均约为6m/s，故试验设计6～18m/s间的5种风洞中心风速分别对试验地表进行连续吹蚀1h，每一地表分别进行3次重复试验，取输沙量结果平均值进行计算分析。a.保护性耕作农田a.Conservationtillagefarmlandb.传统耕作农田b.Traditionalcultivatedfarmlandc.带状柠条配置草地c.Stripcaraganaconfigurationgrasslandd.退化草地d.Degradedgrassland图4测试地表Fig.4Testsurface3结果与分析3.1风速廓线风速廓线是指风速随高度的分布曲线，是衡量近地表的风速分布规律和土壤风蚀发生情况的重要指标之一。当下垫面覆盖植被时，由于植被对空气流速的阻挡和削弱，使近地表风速减小，并且破坏了无植被时近地表风速随高度变化的对数规律。鉴于4种地表在不同风洞中心风速下的风速廓线极为相似，因此选择风洞中心风速为11m/s时它们的风速廓线进行对比分析，见图5。由图5可知，在相同的风洞中心风速下，距地表30cm的植被高度以

分布曲线,风速廓线,保护性耕作,柠条

dfarmlandc.带状柠条配置草地c.Stripcaraganaconfigurationgrasslandd.退化草地d.Degradedgrassland图4测试地表Fig.4Testsurface3结果与分析3.1风速廓线风速廓线是指风速随高度的分布曲线，是衡量近地表的风速分布规律和土壤风蚀发生情况的重要指标之一。当下垫面覆盖植被时，由于植被对空气流速的阻挡和削弱，使近地表风速减小，并且破坏了无植被时近地表风速随高度变化的对数规律。鉴于4种地表在不同风洞中心风速下的风速廓线极为相似，因此选择风洞中心风速为11m/s时它们的风速廓线进行对比分析，见图5。由图5可知，在相同的风洞中心风速下，距地表30cm的植被高度以下的保护性耕作农田和柠条带状配置草地的风速明显低于它们各自对照的传统耕作农田和退化草地。在相同的风洞中心风速11m/s时，在距地表50mm处保护性耕作农田相比传统耕作农田风速减小率达86.44%，柠条带状配置草地相比退化草地风速减小率为70.69%，可见，保护性耕作农田和柠条带状配置草地对近地表气流的消弱与阻挡效果非常明显。因此，，近地表风速的降低使风速廓线的改变是保护性耕作农田和柠条带状配置草地能够有效防治土壤风蚀的根本原因。注：风洞中心风速为11m·s-1。Note:Tunnelcentralwindspeedis11m·s-1.图5不同地表类型的风速廓线Fig.5Windspeedprofileofdifferentlandsurfacetypes由图5还可以看出，在相同的风洞中心风速下，在距地表相同高度时柠条带状配置草地的风速要高于对应保护性耕作农田，这也是导致柠条带状配置草地的最大输沙通量出现在距地表30cm附近出现（图6），高于保护性耕作农田的最大输沙通量出现在距地表25cm附近的主要原因。3.2输沙通量垂向分布规律风沙流是风及其所携带的沙物质形成的气-固两相流，是
【作者单位】：岭南师范学院机电工程学院;内蒙古农业大学机电工程学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(41161045、41361058)
【分类号】：S157

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