毛乌素沙地砒砂岩与沙复配农田的固沙效应及其微观机理

砒砂岩与沙复配成土及其工程化核心技术的提出与应用,为毛乌素沙地合理利用土地资源、科学推进生态建设提供了新的思路与技术支撑。前期研究对利用层面的技术问题给予了较多关注并取得显著进展,而在潜在风险层面特别是关于复配土壤的固沙效应及其微观机理的探索则相对薄弱。基于集沙仪、扫描电镜及激光粒度仪,结合野外定位试验和室内仪器观测,对毛乌素典型原状沙地及复配农田的输沙特征差异及其固沙微观机理进行探索。结果表明：（1）观测周期内,原状沙地输沙总量为4 951 g,远高于复配农田2 436 g的输沙总量,原状沙地更易受风蚀,而复配农田土壤起沙风速大、输沙量较小,具有明显的固沙效应;（2）扫描电镜图像显示,原状沙地土粒（沙粒）粗骨化、无粘结,而耕种两年的复配农田土壤中已出现团聚体;（3）激光粒度仪分析显示,原状沙地的粉、黏粒含量仅为2.74%,而复配农田这一比例增至15.12%;（4）复配土防风固沙效应的形成与粉粒和黏粒含量及土壤结构等紧密相关。鉴于复配农田输沙固沙能力的动态差异性和风力敏感性,进一步实施复配成土造田工程时,宜在复配农田主导风向的上风向区域及成片农田内适当布设具有防风功能的适生草类或灌木条带。     

附面层位移厚度对沙障防风效益评价的适用性研究——以聚乳酸（PLA）沙障为例

地表粗糙度作为风蚀防护中常用的传统指标，在防护林、沙障等工程措施的防护效益评价中发挥了重要作用。但在实际应用中发现，地表粗糙度存在不完全准确的现象。针对这一问题，引入新的参考指标附面层位移厚度，借助风洞模拟实验的方法，通过测定不同边长聚乳酸沙袋沙障中的风速频数、拟合风速流场、计算防风效能等来验证地表粗糙度和附面层位移厚度这2个指标的准确性。结果表明：随着聚乳酸沙袋沙障障格边长的增大，平均风速呈现出上升的趋势，其中障格边长为1.5 m和2.0 m沙障内的平均风速分别是1.0 m沙障的1.13和1.24倍；防风效能则呈现出下降的趋势，其中障格边长为1.0 m沙障内各处均大于0.6,1.5 m沙障内各处均大于0.5,2.0 m沙障内各处均大于0.4；风速流场高速区的面积呈现出增大的趋势。这表明随着沙障障格边长的增大，沙障的防护作用逐渐下降。与此同时，随着沙障障格边长的增大，附面层位移厚度呈现出减小的趋势，而地表粗糙度则呈现出先减小后增大的趋势。综上，附面层位移厚度在评价沙障防护作用时的准确性更高，可作为新的补充参考指标。     

塔中地区土壤风蚀的影响因子分析

以塔中地区为例,利用野外观测数据和通过对比分析,论述了气候、地表粗糙度(包括植被覆盖)以及地表土壤特性等因子对土壤风蚀的影响,并对这些影响因子进行了量化研究。结果表明:塔中地区的年平均风蚀气候因子指数C为28.3,从季节分布上来说,夏季最大为13.9,冬季最小仅为0.7,C值与风速有着密切的指数关系;塔中地区的地表粗糙度Z0平均为6.32×10-5m,地表粗糙度小,加重了该地区的土壤风蚀程度;塔中地区的土壤类型特点、地表土壤平均粒径小、缺乏植被覆盖以及地表土壤含水率低为该地区土壤风蚀的发生提供了良好的条件。塔中地区土壤风蚀的现状是该地区气候、地表粗糙度以及地表土壤特性等因子共同作用的结果。     

毛乌素沙地沙障环境下的沙丘迎风坡植被及土壤养分变化

沙障在固定流沙、促进植被恢复和改良土壤等生态建设方面起着重要作用。对毛乌素沙地设置沙柳（Salix psammophila）沙障6、8、10、11、12年的沙丘迎风坡（裸露沙丘地作为对照）开展了植被调查和土壤养分测试分析。结果显示：设障8年后的沙丘迎风坡0—30 cm深度内的土壤有机质、全氮含量显著（P<0.05）高于流动沙丘,且设障10—11年沙丘迎风坡植被盖度、0—80 cm深度内土壤有机质和全氮含量达到最大,但全磷和全钾含量无明显的变化,所有样地间和3个深度层间的全磷、全钾含量均无显著性差异;植被总盖度、0—80 cm深度内土壤有机质含量及全氮含量相互之间存在极显著线性正相关关系（P<0.01）,而且土壤pH值随有机质含量增加而线性降低。沙柳沙障固沙地的植被盖度、土壤有机质和全氮相互之间存在趋同性,且布设10年的沙障土壤改良和植被恢复成效达到最大,之后表现出下降趋势。据此建议活体沙柳沙障在维持其固沙功效的前提下以10年为限需进行平茬处理。     

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（Ⅲ）: 微地貌和土层的影响

 采用剖面测量,沿剖面选取不同微地貌部位测量土层厚度、坚实度、粒度构成,并进行室内统计比较和分析的方法,对呼伦贝尔沙质草原区风蚀坑的发育受微地貌部位和土层控制的情况进行了研究。发现在接近自然状态下风蚀坑主要发育于西南坡和南坡的上部和中部;由于翻耕、机动车道路等人类活动诱发,也形成于平坦的草地,北坡和东坡甚至低地。沙质草原区的土层中部存在一个粗化层,在失去草被和上部的土壤-根系层保护时特别容易遭受风蚀的侵害,形成风沙流破坏钙积层并导致风蚀坑的形成。沙质草原是生态地质环境脆弱区,呼伦贝尔沙质草原区的西坡、南坡的中上部,梁岗丘等微地貌部位是风蚀沙化的危险地带。干旱半干旱气候区沙质草原的土层是稀缺的自然资源,地表土壤-植物根系层是珍贵的生态系统。保护地表土层对于保护草地资源和生态环境,以及沙漠化防治具有极端重要性。     

粘土沙障及麦草沙障合理间距的调查研究

确定机械沙障障间距的基本原理是障间风蚀沙量等于积沙量。障间凹曲面面积与障间距及沙面坡度之间存在着显著的回归关系,运用这种回归关系就可以建立障间风蚀沙量等于积沙量的等式方程。在民勤沙区取样分别建立粘土沙障和麦草沙障的风蚀沙量等于积沙量的等式方程,计算出沙面坡度0°~8°和0°~10°的粘土沙障和麦草沙障间距分别是253.1~185.9 cm和261.4~155.0 cm;粘土沙障高度应为适宜高度范围内的最小值;粘土沙障在障高为15 cm、沙面坡度>8°时障间没有风蚀。麦草沙障在坡度>10°时障间没有风蚀;15 cm高的粘土沙障和固沙有效高度13 cm的麦草沙障的最小间距分别是185.9 cm和155.0 cm;若需要在固定就地沙面的基础上接纳外来流沙或者需要风蚀部分就地沙粒时,可将接纳沙量或风蚀沙量的平均厚度作为参数之一计算障间距;按照风蚀沙量≤积沙量的障间距设置的沙障,其方格形式只适合在害风方向多变的地段设置。     

库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应

在库布齐沙漠流动沙丘区建立HDPE网和植物纤维网工程沙障试验区,采用MetOne 014A/024A型8通道风速仪、8方位集沙仪、风蚀插钎,观测试验沙障影响下的风速、输沙量和地表侵蚀堆积,对比分析不同规格HDPE网、植物纤维网方格沙障和HDPE网前沿高立式阻沙沙障的防风固沙效应。结果表明：（1）一定孔隙度（50%）的方格沙障中心风速垂直变化幅度与变化规律,仅与沙障平面规格和高度（h）密切相关,与试验材料基本无关。相同平面规格的方格沙障,高度（h）大者降风效应显著;相同高度的方格沙障,小规格降风效应较为显著;（2）试验沙障及其防沙体系对风沙流输沙产生明显影响,相近地貌部位,5.0m×5.0m（h=100cm）植物纤维网方格中心输沙量远小于1.0m×1.0m（h=20cm）HDPE网方格和流动沙丘区,大规格高立式沙障固沙效应优于小规格低立式沙障;（3）试验沙障的地表侵蚀堆积状态仅与沙障规格有关,沙障材料的影响不明显。     

适用于河北坝上地区的农田风蚀经验模型

目前,中国缺少一种被广泛认可、普遍适用于中国自然条件的农田风蚀模型。本研究利用多年的野外风沙观测数据和风洞模拟实验结果,建立了一种基于河北坝上地区自然环境的农田风蚀经验模型。该模型涵盖风力侵蚀因子、粗糙干扰因子和土壤抗蚀因子三大风蚀影响因子,包括起沙风速、地表粗糙度、土壤可蚀性和土壤含水率四大风蚀影响要素,可对各种农田地表的风蚀量进行定量计算和预测。应用该模型对坝上地区2013年风蚀季农田风蚀量进行定量计算。结果表明,翻耕耙平地的平均风蚀量为39.45 t·hm^-2·a^-1,莜麦留茬地的平均风蚀量为14.08 t·hm^-2·a^-1,与采用其他方法得到的结果比较接近。在更广泛地区对模型进行验证和修订,促进该风蚀模型与“3S”技术融合是下一步的重点工作。     

HDPE蜂巢式固沙障研制与防沙效应实验研究

 采用先进的HDPE新材料制成蜂巢式固沙障来替代传统的草方格。研究发现:HDPE蜂巢式固沙障可以增大下垫面的粗糙度,明显降低了地表底层风速,进而减弱输沙强度,使流沙表面得以稳定。在格状沙障内,由于气流的涡旋作用,使原始沙面充分蚀积,最后达到平衡状态,形成稳定的凹曲面。下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值为13.6/100~13.2/100,这种下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值与传统有效的草方格（草方格为13.3/100）防沙效应相当,其二者流场特性也相同。这种稳定的凹曲面,对不饱和风沙流具一种升力效应,形成沙物质的非堆积搬运条件,这是格状沙障作用的关键。实验表明,选用孔隙度为40％、高20 cm的HDPE固沙障防沙效果显著。     

塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风蚀起沙研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料,对塔中地区春夏季地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和起沙风速进行了分析研究,并计算了2008年4月19日和7月19日两次沙尘暴天气过程沙漠地表的风蚀起沙量。结果表明:塔中地区春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26 m·s-1;2 m高度的临界起沙风速约为4.1 m·s-1;两次沙尘暴过程的顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的平均值分别为17.44×10-4 kg·m-1·s-1 、13.8×10-8 kg·m-2·s-1、164.69×10-4 kg·m-1·s-1和799.77×10-8 kg·m-2·s-1;沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性。     

Sand stabilization effect of feldspathic sandstone during the fallow period in Mu Us Sandy Land

Depended on the analysis of ground snow situation, soil moisture loss speed and soil structure after planting crops of Mu Us Sandy Land remedied with feldspathic sandstone in the fallow period, it is concluded that feldspathic sandstone mixed with sand improved the sand stabilization in the governance of Mu Us Sandy Land in the fallow period. The sandy land remedied with feldspathic sandstone had big snow coverage, 25%-75% higher than normal sand; soil moisture losses slowed down, and moisture content rose by over 3 times; soil structure had been improved, and water stable aggregate content increased by 6.52%-18.04%; survival rate of protection forest increased to 85%; and ground flatness is less than 1%. The above conditions weakened sand rising conditions of Mu Us Sandy Land in the fallow period and formed two protective layers of snow cover and soil frozen layer under cold weather so as to prevent against wind erosion.     

东北黑土区土壤剖面地温和水分变化规律

东北黑土区土壤侵蚀的结果使土壤在坡面上发生再分配,土壤腐殖质层厚度的空间变异增大。腐殖质层厚度的变化又引起地温和土壤水分等土壤物理性质的变化,地温和水分是影响和反映冻融侵蚀作用的重要因子,也是影响地表和土壤剖面物质运移的重要因素。本文通过实测不同厚度腐殖质层剖面的地温和土壤水分,分析了地温和水分随时间和土壤剖面深度的变化规律。结果显示腐殖质层厚度对土壤温度和含水量有显著影响,腐殖质层较厚的剖面解冻速度比薄层黑土区要慢,不同深度土层温度到达0℃的日期也不相同,腐殖质层较厚的剖面冻结时间要滞后1周左右。同时,腐殖质层较厚的黑土区土壤含水量明显大于薄层黑土区,土壤水分运移的深度范围也大。     

表土结皮发育过程及其侵蚀响应研究进展

表土结皮是降雨后某些土壤表面普遍存在的现象，它是在降雨与土壤的相互作用下发育的；本文在综览大量文献的基础上，得出表土结皮研究还存在着很多有待深入的领域。一方面，由于影响降雨、土壤的因子复杂多变，因此表土结皮本身的形成过程很复杂，研究者的结论也有所不同。另一方面，表土结皮作为一种特殊的下垫面，影响坡面侵蚀的各子过程，但是影响机理还不清楚。表土结皮对坡面侵蚀过程的影响研究已经取得了一些定性方面的进展，但为了完善坡面侵蚀物理模型和达到准确的预报预测，定量研究还有待进一步深入和细化。     

威连滩冲沟砂黄土的风蚀与降雨侵蚀模拟实验

 通过风洞与模拟降雨实验，研究了风力与降雨对青海省贵南县威连滩冲沟砂黄土的复合侵蚀作用。实验得出：①风蚀后的降雨使砂黄土表面在风干过程中形成了一层较为坚硬的结壳，增大了土壤的抗蚀性，降低了第二次风洞实验后期的风蚀率;②土壤水分与人为扰动是影响土壤风蚀的两个重要因素。当土壤水分较小时，风蚀率受人为扰动影响巨大;当土壤水分较大时，人为扰动对土壤风蚀的影响较小;③在持续降雨的实验条件下，砂黄土的产流、产沙量随着雨强的变化而改变。这种变化与表土的侵蚀率、可蚀性物质的多少、土壤水分以及土壤的入渗率等都有很大的关系。     

多功能高分子固沙剂流动沙丘固定试验研究

试验选择在甘肃省武威市民勤县绿洲外缘与沙漠交接地带,应用多功能高分子固沙剂进行流动沙丘固定试验研究。结果显示,在试验区斜坡下部,除草试验区比对照区结皮厚度增大81.25%,未除草试验区结皮比对照厚度增加32.25%,固沙结皮区比无结皮区抗风蚀,至今固沙结皮依然存在;未除草有结皮时固沙试验区0~80cm各层平均含水率均比对照区高,其中土层平均含水率比对照区高76.27%。实验证明施用试剂不仅固沙效果非常明显,而且在不除草时对土壤水分有很好的保持效果。     

古尔班通古特沙漠生物结皮小尺度分异的环境特征

古尔班通古特沙漠广泛存在的生物结皮,对地貌部位有极强的选择性分布,其实质是生物对环境条件综合适应的一种生态表现。2002年3~11月在个体沙丘表面初步开展了生物结皮类型小尺度环境分异规律研究。结果表明:苔藓结皮、地衣结皮和藻类结皮依次分布于垄间、沙垄两坡中部和坡上部,从垄间往垄顶,生物结皮盖度逐渐减小,厚度变薄,抗压性减弱。苔藓结皮分布区的物质组成以细沙和极细沙为主,春季表层土壤水分在5%以上,短命植物广泛发育,基质稳定;坡中部的地衣结皮分布区以细沙为主,春季表层土壤水分在4%左右,短命植物亦有广泛分布,地表受风沙活动影响较小;沙垄上部和顶部的藻类结皮分布区,是沙垄表面活动性最强和土壤水分最差的区域,物质组成以中沙为主,高等植物中白梭梭为优势种,可见藻结皮是三类结皮中最能适应恶劣环境的生物结皮类型。     

Variation and relationship between soil moisture and environmental factors in the source region of the Yangtze River from 2005 to 2016

This study analyzed soil moisture, soil erosion, and vegetation in the source region of the Yangtze River from 2005 to 2016. We found that soil moisture showed an increasing trend from 2005 to 2009 but decreased from 2009 to 2016. The surface soil moisture was severely affected by seasonal changes in the source region of the Yangtze River, especially in the soil from 0 to 40 cm. However, seasonal variation of soil moisture deeper than 40 cm was different from that in the upper layer. Soil moisture below 40 cm wasn't affected by the seasonal variation. Soil moisture from 0 to 50 cm and the average thickness of wind deposition showed a positive correlation in the study area from 2005 to 2016. For environmental protection in the source region of the Yangtze River, wind deposition played a role in water retention. Similarly, a positive correlation also existed between the average thickness of wind erosion and soil moisture. Deep-soil moisture was the key factor for vegetation structure on the Qinghai-Tibet Plateau. The results are also helpful for further understanding the variation of soil moisture on the Tibetan Plateau and providing a scientific basis for effectively protecting and controlling the ecological environment in the future.     

Wind tunnel test of the influence of moisture on the erodibility of loessial sandy loam soils by wind

Loessial sandy loam soils are the major soil categories in the northern Loess Plateau, China. Owing to a dry, windy climate and sparse surface cover, wind erosion is a serious problem and dust (sand) storms occur frequently. Soil moisture is one of the most important factors influencing resistance to wind erosion. The influence of moisture content on the erodibility of sandy loam soils was investigated through wind tunnel simulations. Results showed that the threshold velocity for soil particle movement by wind increases with increasing soil moisture by a power function. The intrinsic factor in the increase in soil resistance due to moisture content is the cohesive force of soil water. Cohesive forces of the film and capillary water are different; the influence of soil moisture on threshold velocity was shown to follow a step-like pattern. The wind erosion modulus of sandy loam was directly proportional to the cube of the wind velocity or the square of the effective wind velocity (V−V_t). There existed a negative exponential relationship between the wind erosion rate and soil moisture content. Initially, as soil moisture increased the decrease in the wind erosion rate was rather rapid. When the moisture content reached more than 4%, the rate of decrease in erosion slowed and became almost constant with successive increments of moisture. This suggests that different soil moisture contents can prevent wind erosion at different levels. Four percent soil moisture could only reduce the erodibility of the sandy loam soil by a small degree.     

毛乌素沙地藓、藻结皮生态功能对比

生物结皮在荒漠生态系统中发挥着重要的生态功能,不同类型生物结皮有机体组成和比例不同,生态功能差异巨大。针对毛乌素沙地发育稳定阶段的藓、藻结皮,通过野外调查监测及室内指标测算,深入分析了两类生物结皮对土壤含水量、风蚀量和养分含量的影响尺度,并采用综合指标评价模型定量比较了二者的生态功能差异。结果表明：（1）两类生物结皮下土壤含水量随着土层深度呈现出先增大后波动下降的趋势,0—100 cm深度两类生物结皮下的土壤含水量差异显著（P<0.05）,在0—80 cm深度,藓结皮的土壤含水量大于藻结皮,在90—100 cm则相反;（2）相比裸地,藓结皮和藻结皮影响下土壤风蚀量分别降低了156.0%和136.6%,但二者未达到显著差异;（3）两类结皮影响下土壤养分含量差异显著（P<0.05）,表现为藓结皮下土壤全氮、全磷、有机质含量分别为藻结皮的3.3、3.5、2倍;（4）生物结皮生态功能综合得分藓结皮>藻结皮>裸地（1.60>-0.64>-9.78）。本研究证实了荒漠生态系统中不同类型生物结皮生态功能的差异及其在保持水土和营养物质循环方面贡献程度的优劣,突出了在生物结皮探索工作中关于其类型或组成精准细分的重要性。     

Vertical distribution of soil moisture and surface sandy soil wind erosion for different types of sand dune on the southeastern margin of the Mu Us Sandy Land, China

Soil moisture is a critical state affecting a variety of land surface and subsurface processes. We report investigation results of the factors controlling vertical variation of soil moisture and sand transport rate of three types of dunes on the southeastern margin of the Mu Us Sandy Land. Samples were taken from holes drilled to a depth of 4 m at different topographic sites on the dunes, and were analyzed for soil moisture, grain-size distribution and surface sediment discharge. The results show that: (1) The average soil moisture varies in different types of dunes, with the following sequences ordered from highest to lowest: in the shrubs-covered dunes and the trees-covered dunes the sequence is from inter-dunes lowland to windward slope to leeward slope. The average moisture in the bare-migratory sand dunes is sequenced from inter-dunes lowland to leeward slope to windward slope. (2) Vegetation form and surface coverage affect the range of soil moisture of different types of dunes in the same topographic position. The coefficient of variation of soil moisture for shrubs-covered dunes is higher than that of other types of dune. (3) The effect of shrubs on dune soil moisture is explained in terms of the greater ability of shrubs to trap fine-grained atmospheric dust and hold moisture. (4) The estimated sand transport rates over sand dunes with sparse shrubs are less than those over bare-migratory dunes or sand dunes with sparse trees, indicating that shrubs are more effective in inhibiting wind erosion in the sandy land area.