河北坝上农田风沙流结构特征研究——以康保县为例

摘要

河北坝上属于我国北方农牧交错带,是京津特大城市群上风向重要的风沙源区,自2000年开始坝上实施退耕还林还草工程,生态环境治理取得了明显效果,该区域农田以旱作大田块为主(地势平坦和集中连片,单个地块长度和宽度均大于300m),并采用传统的耕作方式,对土壤风蚀及土地沙漠化的影响强烈,并造成地表细粒物质和土壤养分大量流失,土地生产力下降,污染大气环境,影响人类健康。但目前旱作农田风蚀机制研究十分薄弱,远不能满足生态建设工程的实际需求。风沙流结构是土壤风蚀发生机制研究的核心,因此开展河北坝上旱作农田风沙流结构研究具有重要的理论和现实意义。
　　 基于此,本文选择河北坝上地区康保县这一典型区,采用野外观测和风洞模拟的方法来研究农田的风沙流结构,揭示不同农田耕作管理措施下的风蚀强度、风沙流结构在垂直方向及沿风向变化特征,为该区域农田风蚀防治、土壤风蚀物流失科学估算提供理论依据。
　　 研究结果表明:
　　 (1)农田地表空气动力学粗糙度和作物茬高、垄向有密切关系。地表粗糙度越大,抗风蚀能力越强。
　　 (2)风沙流结构在垂直方向上的变化规律:留茬地和翻耕磨耙地在0—60cm高度(H)内随高度升高输沙量(Q)减少,符合指数规律Q=aebM在20—60cm高度内输沙量(Q)均随高度增加趋于减少,符合幂函数规律Q=aHb(a、b为常数)；在0—20cm高度内,翻耕磨耙地符合指数规律,但留茬地的风沙流结构由于受留茬影响而发生变异,既不符合指数规律也不符合幂函数规律,而是符合三次多项式Q=a+bH+cH2+dH3(a、b、c、d为常数)。
　　 (3)风沙流在水平方向上的变化规律:0-60cm高度内的输沙总量(Q总)沿风向随地块长度(L)延伸而增加,到一定距离后趋于稳定并达到饱和,留茬地沿主风向土壤风蚀饱和容量与饱和路径长度的关系符合三次多项式规律Q总=a+bL+cL2+dL3(a、b、c、d为常数)；风沙流饱和路径的长度与风速、农田地表粗糙度、地块长度关系密切,一般风速越小、地表粗糙度越大,随地块长度延伸风沙流达到饱和的路径越短,反之越长；风沙流在0—30cm层输沙量沿风向波动性大,而30—60cm高度内输沙量沿风向波动小并且经较短距离后趋于稳定,这是由于0—30cm风蚀物以跃移颗粒为主,受湍流作用影响强烈,风沙流结构不稳定,处于未饱和状态,输沙量持续增加；30-60cm的风蚀物以悬浮颗粒为主,经过较短路径后风蚀物重力和气流悬浮力趋于平衡,风沙流结构达到饱和。
　　 (4)农田风蚀强度(Qt)与地表粗糙度呈负相关,与风速呈正相关。建立了风速(V)与风蚀强度的关系模型Qt=a·exp(b·V)(a、b为常数)。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 研究综述

1.2.1 农田土壤风蚀研究进展

1.2.2 风沙流结构研究进展

1.3 研究目标、内容、创新点和技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 创新点

1.3.4 技术路线

2 研究区概况

2.1 自然环境概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 地形地貌

2.1.3 气候和水文

2.1.4 植被与土壤

2.2 社会经济状况

2.3 主要生态环境问题

3 试验设备和试验方案

3.1 试验设备

3.1.1 野外试验设备

3.1.2 风洞试验设备

3.2 试验方案

3.2.1 野外试验方案

3.2.2 风洞试验方案

4 农田风沙流结构特征

4.1 野外试验期间的气象状况和粗糙度

4.1.1 野外试验期间的气象状况

4.1.2 地表空气动力学粗糙度观测结果

4.2 风沙流垂直结构特征

4.2.1 地表60cm高度内风沙流结构变化规律

4.2.2 地表20cm高度内风沙流结构变化规律

4.2.3 地表20-60cm高度内风沙流结构变化规律

4.3 风沙流水平结构特征

4.3.1 输沙总量水平方向变化规律

4.3.2 10cm间隔层输沙量水平方向变化规律

4.4 小结

5 风洞模拟各农田地类风蚀强度

5.1 各农田地类风蚀强度比较

5.2 风蚀强度与风速的关系

5.3 小结

6 结论和建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单