風(fēng)蝕發(fā)生機(jī)理及其防治技術(shù)

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簡介： 土壤風(fēng)蝕是全球性土地退化的主要原因之一,也是世界上許多國家和地區(qū)的主要環(huán)境問題之一。該文描述了國內(nèi)外對土壤風(fēng)蝕發(fā)生機(jī)理、防治理念和技術(shù)的研究,提出農(nóng)業(yè)上實(shí)行保護(hù)性耕作，林業(yè)上植樹造林，牧業(yè)上防止草原退化是人類可以用來治理和控制土壤風(fēng)蝕的3種重要措施，以及我國治沙生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)表明機(jī)械沙障防沙是當(dāng)前對流沙進(jìn)行綜合治理的措施，已為世界所公認(rèn)，是理想而有效的措施。我國土壤風(fēng)蝕和土地退化問題日趨嚴(yán)重,應(yīng)在全國進(jìn)行大力宣傳,轉(zhuǎn)變土壤風(fēng)蝕治理的觀念,使人們從思想上認(rèn)識風(fēng)蝕防治要從植樹、種草、農(nóng)田保護(hù)、機(jī)械沙障4個方面綜合進(jìn)行，同時,國家要從政策上、資金上為農(nóng)田保護(hù)性耕作的大規(guī)模實(shí)施提供保證,促進(jìn)保護(hù)性耕作在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵字：土壤風(fēng)蝕 防治技術(shù) 保護(hù)性耕作

引 言：土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱以及部分半濕潤地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災(zāi)害的首要環(huán)節(jié),也是世界上許多國家和地區(qū)的主要環(huán)境問題之一。全球極易發(fā)生土壤風(fēng)蝕的地區(qū)包括:北非、近東、中亞、東南亞部分地區(qū)、西伯利亞平原、澳大利亞、南美洲南部以及北美洲的干旱、半干旱地區(qū)。目前,全球有9億人口受到沙漠化的影響;2/3即100多個國家和地區(qū)受其危害;全球陸地面積的1/4,即3.592×109hm²受到沙漠化的威脅。每年因沙漠化造成的經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)423億美元^[1]。其中,我國受土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響的面積占國土總面積的1/2以上^[2],主要分布于北方,尤以旱作農(nóng)田為甚。土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重影響了這些地區(qū)的資源開發(fā)和社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。土壤風(fēng)蝕問題愈來愈受到國際社會的廣泛關(guān)注。

　　1 風(fēng)蝕發(fā)生機(jī)理

　　1.1 沙粒起動機(jī)制

　　土壤風(fēng)蝕是指一定風(fēng)速的氣流作用于土壤或土壤母質(zhì),土壤顆粒發(fā)生位移造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤物質(zhì)損失的過程^[3]。它的實(shí)質(zhì)是氣流或氣固兩相流對地表物質(zhì)的吹蝕和磨蝕過程。風(fēng)蝕過程主要包括土壤團(tuán)聚體和基本粒子的分離、輸送和沉積^[4]。

　　粒子的初始運(yùn)動很少引起注意,人們主要進(jìn)行運(yùn)動模型的研究^[5]。1962年之前,Bagnold描述到顆粒在主風(fēng)力作用下沿著地表滾動大約30cm才開始脫離地面(即躍移運(yùn)動)。1962年Bisal和Nielsen通過用雙筒望遠(yuǎn)鏡觀察放在狹窄的盤子里的顆粒運(yùn)動,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)易蝕顆粒隨著風(fēng)速強(qiáng)度的增加,擺動增強(qiáng),然后離開地表^[6]。1971年Lyles和Krauss通過風(fēng)洞觀察得出,當(dāng)有效風(fēng)速達(dá)到臨界值時,直徑小于0.84mm的顆粒開始前后擺動,當(dāng)風(fēng)力或運(yùn)動的顆粒碰撞強(qiáng)到足以迫使穩(wěn)定的表面土壤顆粒運(yùn)動時,分離就發(fā)生了。分離之后,土壤顆粒通過風(fēng)可以在空中或沿著土壤表面輸送,直到最后風(fēng)速降低時沉積^[7]。

　　半個多世紀(jì)以來，中外科學(xué)家對靜止沙粒受力起動機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，并形成了多種假說，其中以沖擊碰撞說較有代表性。1980年吳正和凌裕泉在風(fēng)洞中用高速攝影的方法對沙粒運(yùn)動過程進(jìn)行了研究^[8]。他們認(rèn)為在風(fēng)力作用下，當(dāng)平均風(fēng)速約等于某一臨界值時，外別突出的沙粒在湍流流速和壓力脈動作用下，開始振動或前后擺動，但并不離開原來的位置，當(dāng)風(fēng)速增大超過臨界值后，振動也隨之加強(qiáng)，迎面阻力和上升力相應(yīng)增大，并足以克服重力的作用，氣流的旋轉(zhuǎn)力矩促使某些最不穩(wěn)定的沙粒首先沿沙面滾動或滑動。由于沙粒幾何形狀和所處空間位置的多樣性，以及受力狀況的多變性，因此在滾動過程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的沖擊時，就會獲得巨大沖量。受到突然沖擊力作用的沙粒，就會在碰撞瞬間由水平運(yùn)動急劇地轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動，驟然向上起跳進(jìn)入氣流運(yùn)動，沙粒在氣流作用下，由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到躍起狀態(tài)。

　　1.2 沙粒運(yùn)動形式

　　風(fēng)力作用下土壤顆粒主要有3種運(yùn)動類型^[5](圖1):懸移、躍移和蠕移。

　　圖1　風(fēng)蝕過程示意圖

　　Fig.1　Schematicdiagramofwinderosionprocess

　　躍移：當(dāng)中等粒子(100～500μm)被驅(qū)動時,在短時間內(nèi)它們進(jìn)入風(fēng)流中,隨后由于重力又落下來,促使它們碰撞并加入到其他土壤顆粒的運(yùn)動中,這種輸送方式叫做躍移。躍移顆粒占總的土壤運(yùn)動的50%～80%,躍移高度小于120cm,大部分在30cm左右^[9],研究證明躍移土壤顆粒的升起高度(H)與前進(jìn)距離(L)比為1∶10。由于躍移是發(fā)動其他類型輸送的原因,所以在控制措施里是很重要的。另外,由于土壤顆粒的巨大作用,躍移是植物傷害的主要原因。

　　懸移：指來自于很小土壤顆粒的垂直和水平運(yùn)動,在躍移和直接風(fēng)力作用下,直徑100μm或更小的顆粒將被刮起來,懸浮到風(fēng)中隨風(fēng)輸送;在遠(yuǎn)距離搬運(yùn)過程中,主要是<20μm的顆粒。在風(fēng)蝕過程中,懸浮一般占總的土壤顆粒的3%～40%,搬運(yùn)的高度最高、距離最遠(yuǎn),是沙塵暴主要構(gòu)成部分,土壤損失最為明顯。由于比較細(xì)小的土壤顆粒通常含較多的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì),所以懸浮顆粒是最富含有機(jī)質(zhì)和植物營養(yǎng)物質(zhì)的部分。

　　蠕移：直徑在500～1000μm大的土壤顆粒和團(tuán)聚體,由于太大不能離開地表,但受躍移過程中旋轉(zhuǎn)的顆粒碰撞沖擊而松動,隨風(fēng)滾動。表面滾動占總的土壤顆粒的7%～25%^[9],影響到當(dāng)?shù)氐某练e并對植物產(chǎn)生傷害。

　　1.3 風(fēng)蝕的影響因素

　　20世紀(jì)40年代初,以Chepil為代表的美國農(nóng)業(yè)部科學(xué)家對土壤風(fēng)蝕防治進(jìn)行了一系列的研究工作。經(jīng)過60多年的時間,許多學(xué)者通過田間和室內(nèi)便攜式風(fēng)洞試驗(yàn)對農(nóng)田風(fēng)蝕和沙塵揚(yáng)起進(jìn)行了一系列的調(diào)查研究,結(jié)果表明采取特殊的保護(hù)措施,如作物殘茬覆蓋,增加地表粗糙度以及改變土壤特性,有效地減少了農(nóng)田風(fēng)蝕土壤的損失^[10]。土壤風(fēng)蝕的嚴(yán)重性是由1) 風(fēng)速;2) 地表土壤物理特性;3) 地表覆蓋及粗糙度狀況決定的^[11]。

　　1.3.1 風(fēng)速

　　風(fēng)速是風(fēng)蝕的啟動力,風(fēng)速增加時,風(fēng)向上抬起土壤的力和拖曳力也相應(yīng)增加,引起大顆粒侵蝕,同時搬運(yùn)能力也相應(yīng)增加。如果在農(nóng)田地表沒有或很少保護(hù)的情況下,大風(fēng)可以在短時間內(nèi)搬運(yùn)走大量的土壤。引起土壤顆粒在風(fēng)流中開始移動的風(fēng)速值叫臨界風(fēng)速值。臨界風(fēng)速值取決于土壤覆蓋物和土壤的可侵蝕性。板結(jié)的或有不易侵蝕物質(zhì)(如植物、殘茬或石頭等)覆蓋的地表,臨界風(fēng)速將比光禿的、疏松表面土壤的臨界風(fēng)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顆粒大小的分布和土塊及結(jié)皮層的動態(tài)穩(wěn)定性。

　　Chepil（1941年）在土壤特性方面做了大量的工作,研究水穩(wěn)性團(tuán)聚體和干土塊與風(fēng)蝕度之間的關(guān)系^[12]。Chepil和Woodruff指出直徑小于0.84mm的顆粒最易于風(fēng)蝕。因此,小于0.84mm的土壤顆粒增加時,易于被侵蝕的土壤粒子也相應(yīng)增加。由于土壤風(fēng)蝕是先發(fā)生分離,土塊和結(jié)皮層的動態(tài)穩(wěn)定性就顯得尤其重要。土塊、結(jié)皮層以及水分增加了土壤的凝聚力,從而減少了土壤分離和產(chǎn)生疏松粒子的數(shù)量。Chepil對含有不同比例侵蝕成分的土樣進(jìn)行了測試,通過測試運(yùn)移的土壤量,計(jì)算出不同團(tuán)聚體大小對地表的保護(hù)程度。結(jié)果表明,大得不能被風(fēng)搬運(yùn)的團(tuán)聚體,才能提供最大程度的保護(hù)。

　　1.3.3 地表覆蓋及粗糙度狀況

　　Fryrear^[8]應(yīng)用便攜式風(fēng)洞估計(jì)了平坦地表、已耕地表和含有非侵蝕性土塊的已耕地表的土壤損失。結(jié)果得出,20%非侵蝕性土塊覆蓋的地表與無土塊覆蓋的地表相比,土壤損失減少56%;40%和60%。土塊覆蓋的地表分別減少82%和89%,地表粗糙度在控制風(fēng)蝕方面是很有效的,并建立了土壤粗糙度系數(shù)與地表粗糙度之間的關(guān)系,定量方程為:k=e^-0.48SR。

　　Hagen研究了作物殘茬對風(fēng)蝕的影響原因,結(jié)果表明:倒伏殘茬抑制了地表土壤的揚(yáng)起,增加了臨界風(fēng)速;直立殘茬減小了土壤表面的摩阻速度并攔截了躍移的土壤;試驗(yàn)證明直立殘茬比倒伏殘茬對風(fēng)蝕的控制更有效。Fryrear通過室內(nèi)和田間風(fēng)洞試驗(yàn)研究了倒伏殘茬覆蓋百分率與土壤損失的關(guān)系,當(dāng)20%覆蓋時,減少土壤損失57%,50%覆蓋時,減少土壤損失95%。其土壤損失比表達(dá)式為:SLRc=1.81e-0.072SC(R2=-0.94),但僅在8%～80%覆蓋下驗(yàn)證了此方程。Bilbro和Fryrear^[利用Fryrear(1985)的試驗(yàn)數(shù)為:

　　SLRc=e-0.0438SC(R2=0.94)。

　　SLR是指已知處理?xiàng)l件下被侵蝕土壤與平坦、裸露地表最大土壤損失之比。Horning(1998)等通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究土壤損失比與地表粗糙度及地表覆蓋率之間的關(guān)系(圖2,圖3),從圖中可以看出他們均服從指數(shù)關(guān)系,把倒伏殘茬覆蓋和地表粗糙度分別作為獨(dú)立變量,得出定量方程為^[13]

　　SLR=e-0.5SC×e-0.52SR

　　式中　SLR——土壤損失比; SC——倒伏殘茬覆蓋率,%; SR——地表粗糙度,cm。

　　此式說明作物殘茬保護(hù)地表是有效且可行的控制風(fēng)蝕的方法,而地表粗糙度的增加,也可以明顯地降低風(fēng)蝕。對殘茬覆蓋和地表粗糙度能有效的減小風(fēng)蝕的理解,可更好地開發(fā)和應(yīng)用保護(hù)性耕作來減少農(nóng)田風(fēng)蝕、土壤源的損失以及沙塵暴的發(fā)生。

　　圖2　土壤損失比與地表粗糙度之間的關(guān)系

　　Fig.2　Relationship between soil loss ratio and surfacer oughness

　　圖3　土壤損失比與地表覆蓋之間的關(guān)系

　　Fig.3　Relationship between soil loss and surface coverratios

　　2風(fēng)蝕防治技術(shù)

　　2.1 農(nóng)田上實(shí)行保護(hù)性耕作技術(shù)防治風(fēng)蝕

　　2.1.1 國外實(shí)行保護(hù)性耕作技術(shù)防治農(nóng)田風(fēng)蝕的經(jīng)驗(yàn)

　?。?）美國治理沙塵暴的經(jīng)驗(yàn)。

　　19世紀(jì)初美國大量采用鏵式犁開荒，將數(shù)千萬公頃干旱、半干旱草原開墾成農(nóng)田，耕翻后多次耙壓碎土、裸露休閑，幾十年獲得了好收成，糧食大量出口，為美國帶來了豐厚的經(jīng)濟(jì)利益。 至20世紀(jì)30年代，連續(xù)數(shù)年在美國西部刮起的舉世震驚的“黑風(fēng)暴”，大風(fēng)在沒有遮攔的農(nóng)田裸地上橫掃，成千上萬噸表土被風(fēng)刮走。1934年5月一場典型的沙塵暴從美國西部刮起，連續(xù)三天，橫掃2/3國土，把3億多噸土壤卷進(jìn)大西洋。僅這一年美國毀壞300多萬公頃耕地，冬小麥減產(chǎn)510萬噸，導(dǎo)致16萬農(nóng)民傾家蕩產(chǎn)逃離西部，留下的人生活極其困難，還有不少人死于沙塵暴引起的肺炎。

　　“黑風(fēng)暴”驚醒了人們，推動了各種保水保土耕種方法的研究。經(jīng)過半個世紀(jì)研究，開發(fā)出免耕法，并與退耕種草、植樹造林建立防風(fēng)屏障等措施相結(jié)合，有效地扼制住沙塵暴的再度猖獗。美國60％耕地實(shí)行免耕 法種植。免耕法核心技術(shù)：一是殘茬覆蓋。淘汰鏵式犁，土壤不翻耕，秸稈覆蓋田面；二是使用茬地播種機(jī)“鐵茬”播種，隨播種深施化肥；三是采用除草劑與淺鋤相結(jié)合清除雜草。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（USDA——ARS）1979年報(bào)告，與傳統(tǒng)耕作法對比，免耕、秸稈覆蓋處理，土壤貯水量增加，徑流量和蒸發(fā)量減少，增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力，從而提高了作物產(chǎn)量。( 見表1)

　　表1 美國布拉斯加不同耕作法土壤貯水、徑流、蒸發(fā)量

秸桿覆蓋量t/hm2耕作方法土壤貯水量mm徑流量mm蒸發(fā)量mm蒸發(fā)損失%45常規(guī)翻耕29102828845深松54526282179免耕1390182570圓盤耙760254790水平溝耕作34028789

　　注：測定期4月10日到9月27日，期間降水321ｍｍ。

　　自1988年開始，美國根據(jù)地面秸稈殘茬覆蓋的多少，把土壤耕作分為三類：

　　播后地面覆蓋率<15％，深松或翻耕加表土耕作，稱為傳統(tǒng)耕作模式。

　　 播后地面覆蓋率在15％～30％，多次表土作業(yè)，稱為少耕。

　　播后地面覆蓋率>30％，免耕或播前一次表土作業(yè)，稱為免耕或保護(hù)性耕作。

　　（2）澳大利亞防止沙塵暴的經(jīng)驗(yàn)。

　　澳大利亞干旱面積625 萬km², 占國土面積81%。從20世紀(jì)初以來幾十年翻耕作業(yè)，導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕和水蝕嚴(yán)重，土層變淺?？茖W(xué)家預(yù)測如不采取措施，100年后澳大利亞耕地面積將減少50%。20世紀(jì) 70年代以來澳政府在全國建立了保護(hù)性作耕試驗(yàn)站。大量實(shí)驗(yàn)證明秸稈覆蓋是一項(xiàng)防止風(fēng)蝕、保持水土的有效耕作方法。殘茬覆蓋減少水土流失90%，減少風(fēng)蝕70%～80%（見表2）。

　　表2殘茬覆蓋對減少風(fēng)速的作用風(fēng)蝕單位：g/m/s

土 地 類 型傳統(tǒng)耕作（無覆蓋）秸稈覆蓋（30%覆蓋）覆蓋減少農(nóng)區(qū)壤土10.92.1580%農(nóng)區(qū)沙土60.915.374%干旱草原沙土154.437.375%

　　John.Leys 澳大利亞新南威爾士州土壤保持局，1991。

　?。?）加拿大防治風(fēng)蝕耕作法

　　加拿大位于北美，氣候寒冷，夏季土壤休閑期長，土壤翻耕后，裸露休閑18～21個月。由于缺乏覆蓋物導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)，增加土壤鹽堿度和土壤風(fēng)蝕、水蝕。20世紀(jì)50年代，加拿大開始研究保護(hù)性耕作。集中解決了免耕播種機(jī)、除草劑等關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)在已全部淘汰鏵式犁，實(shí)行殘茬覆蓋免耕播種。研究表明免耕法有利于減少土壤侵蝕，保蓄水分，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加作物產(chǎn)量。

　?。?）前蘇聯(lián)無壁犁耕作法

　　前蘇聯(lián)旱區(qū)分布在北緯50～53度，包括草原帶與半荒漠帶，約有耕地9700萬hm²，年降雨量350～450mm。干旱、風(fēng)蝕和水蝕是農(nóng)業(yè)的主要威脅。風(fēng)蝕面積7000 萬hm²，沙塵暴是該地區(qū)的主要災(zāi)難。20世紀(jì)50年代試驗(yàn)無壁犁耕法，又叫馬爾采夫耕作法。包括留高茬(20cm),、無壁犁深松35～40cm，茬地播種機(jī)播種，能保留雨雪，減輕風(fēng)蝕、水蝕，提高作物產(chǎn)量，在前蘇聯(lián)得到大面積推廣應(yīng)用。

　　2.1.2 我國實(shí)行保護(hù)性耕作技術(shù)防治農(nóng)田風(fēng)蝕

　　免耕法是最大限度地減少土壤耕作和將作物殘茬留于地表的一種耕作體系，是一種改良的、集約的、防治水蝕和風(fēng)蝕的作物生產(chǎn)方法。免耕法耕作體系取消了耕翻、耙耱、平地等傳統(tǒng)作業(yè)。只有條播作為主要作業(yè)保留下來，但比傳統(tǒng)條播難度更大。相對堅(jiān)硬的土壤和地表殘留物增加了條播的難度。因此，免耕播種機(jī)要求切割土壤能力更強(qiáng)，同時能清理開溝器附近的殘茬，不致造成種子堵塞。施肥通常和播種同時進(jìn)行，肥料施在種子近旁。除草以化學(xué)除草為主，輔助以機(jī)械淺鋤除草。

　　 作物殘留物覆蓋能有效的減少大風(fēng)引起的沙塵顆粒運(yùn)動。一方面它可以吸收一部分風(fēng)力，減少風(fēng)對土壤的作用力；另一方面，由于把作物的殘茬留在土壤表面，把根茬留在土壤里，它們都能保護(hù)土壤顆粒不被風(fēng)力移動。

　　河北省豐寧縣位于北京正北，是治理北京沙塵暴的重點(diǎn)地區(qū)之一。2001年由農(nóng)業(yè)部資助中國農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)施，在豐寧縣魚兒山鎮(zhèn)南崗村作了1100畝的免耕試驗(yàn)，取得了顯著的效果。具體表現(xiàn)在以下4個方面：

　?。?）降低種地成本。免耕播種減去了傳統(tǒng)耕作的翻耕、耙地、整地三個環(huán)節(jié)，每畝節(jié)約費(fèi)用18～20元。

　?。?）保墑蓄水、全苗壯苗。免耕播種土壤翻動較小，有利于保蓄土壤水分。據(jù)田間測定，免耕播種土層10cm深處，土壤含水率為16.8%；傳統(tǒng)播種地塊，土壤含水率為14.2%。免耕播種小麥出苗每米155株；傳統(tǒng)播種99株。免耕播種比傳統(tǒng)播種提前出苗7～15天，苗全苗壯。

　　（3）小麥增產(chǎn)。免耕種植小麥畝產(chǎn)334.13kg，傳統(tǒng)種植小麥畝產(chǎn)229.68kg，增產(chǎn)104.45kg，增幅45.48%。（見表3）

　　表3免耕種植與傳統(tǒng)種植春小麥產(chǎn)量對比

處理穗數(shù)(萬)每穗粒數(shù)千粒重（g）畝產(chǎn)量（kg）免耕種植32.8524.5241.46334.13傳統(tǒng)種植29.0129.0135.77229.68

　?。?）減少沙塵飛揚(yáng)。春天小麥播種期間，據(jù)田間觀察，翻耕地塊遇上大風(fēng)時，常有塵卷風(fēng)攜帶沙塵竄起200～300m高，而免耕地塊則沒有這種現(xiàn)象。

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在2002年河北壩上測定，免耕留茬地表0.1～1.5m高度減少風(fēng)蝕沙塵量70%～75%，0～0.1m高度減少風(fēng)蝕沙塵量83%～87％。保護(hù)性耕作技術(shù)是對農(nóng)田實(shí)行免耕、少耕，盡可能減少土壤耕作，并用作物秸稈、殘茬覆蓋地表，減少土壤風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力的一項(xiàng)先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)。目前主要應(yīng)用于干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)及牧草的種植。

　　2.2 風(fēng)沙危害嚴(yán)重地區(qū)防治風(fēng)蝕措施

　　2.2.1種植牧草、保護(hù)草原。

　　土壤置于天然植被下是控制風(fēng)蝕最好的方法。在裸露的沙地和退化的天然草原，種植牧草是防治沙塵暴的有效方法?？刹扇★w播種草，圍欄封育，草原補(bǔ)種牧草等方法。為了減少牲畜對種草沙地和草原的破壞，解決草原退化問題，要大力提高草原生態(tài)系統(tǒng)的第一性生產(chǎn)力，即植物生產(chǎn)能力。建立人工飼草飼料基地，實(shí)行草原劃區(qū)圍欄放牧，改善水利條件，增施化肥等，建立起集約化的草原生產(chǎn)體系，滿足牲畜對飼草飼料的需求。草原生態(tài)系統(tǒng)的次級生產(chǎn)，即動物轉(zhuǎn)化部分，也要優(yōu)化畜群結(jié)構(gòu)，改放牧為舍飼，提高轉(zhuǎn)化效率。依靠科技，建立高效的草原畜牧生態(tài)系統(tǒng)，是遏制草原退化、沙漠化的必由之路。

　　2.2.2營造防護(hù)林帶防治風(fēng)蝕

　　風(fēng)蝕的對象是土壤，由于其機(jī)械組成，濕度狀況及覆被程度的不同引起導(dǎo)致風(fēng)蝕起動風(fēng)速的差異。一般地說，在相同的條件下，結(jié)構(gòu)疏松透水性強(qiáng)的沙土最易受到風(fēng)蝕，特別是沙質(zhì)農(nóng)田在春季無植物覆蓋的時期，風(fēng)蝕尤為嚴(yán)重。松散狀態(tài)下，一定粒徑限度內(nèi)土壤的粒級愈大，起動風(fēng)速就相應(yīng)增大。但在實(shí)際上，各類土壤是各種不同粒徑沙粒和粘粒的團(tuán)聚體，所以當(dāng)小于0.01mm的物理粘粒含量輸多時，土壤可形成有交情抗蝕能力的團(tuán)聚體，一般不易遭風(fēng)蝕^[14]。而土壤濕度狀況與風(fēng)蝕也有密切關(guān)系，由于水分可明顯增加土壤顆粒間的吸附力，使得起風(fēng)速隨含水量的增加而迅速增大，也就是說，濕潤的土壤有較強(qiáng)的抗蝕能力。除此之外，影響到風(fēng)速的另一個重要因素是土壤表面的粗糙度。土壤表面粗糙度的決定著風(fēng)的摩檫作用，因而影響到風(fēng)速梯度，以至影響到風(fēng)蝕強(qiáng)度。因此，增加地表粗糙度也是防護(hù)風(fēng)蝕的重要措施。

　　綜上所述，沙礫的任何形式，都是以一定速度的氣流為動力，風(fēng)起沙揚(yáng)，風(fēng)息沙止，因此，農(nóng)田防護(hù)林防止或減輕土壤風(fēng)蝕的作用取決于其降低風(fēng)速，減弱亂流交換及在一定程度上可提高土壤含水量等諸多功能。防護(hù)林也可以說是風(fēng)沙流中的障礙物，不同結(jié)構(gòu)的林帶，起防風(fēng)作用不同，風(fēng)積物的形式也各異。

　　沒有灌木的通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶，由于帶內(nèi)和林緣附近為風(fēng)速加速區(qū)，即在各樹干間常形成許多“通風(fēng)道”使風(fēng)速加到大于曠野風(fēng)速，不但不能防止風(fēng)蝕，而且會造成暴根，這種現(xiàn)象在風(fēng)沙嚴(yán)重地地區(qū)常可以看到。一般通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶后1倍樹高范圍內(nèi)發(fā)生沙粒堆積，附近農(nóng)作物常遭沙埋，沙打或沙割。

　　這種情況不是固定不變的，一般林帶寬度的增加和枝下高的降低林帶內(nèi)部的風(fēng)蝕現(xiàn)象也會減輕，沙堆的位置也越靠近林帶，沙堆向田間延伸的距離縮短，但高度增加。

　　緊密結(jié)構(gòu)林帶林緣附近是弱風(fēng)區(qū)，風(fēng)速降低到幾乎是零。當(dāng)風(fēng)沙流在運(yùn)動途中受其阻擋時，氣流翻越林墻，則沙粒被阻擋沉積于林帶前并逐漸堆積向林中侵入，久而久之，形成巨大沙堆，埋沒林帶進(jìn)入農(nóng)田。而林后風(fēng)速又可很快恢復(fù)到曠野風(fēng)速，從而又在風(fēng)速加大的地方造成新的風(fēng)蝕。這類林帶條件下常形成所謂的“驢槽地”。

　　疏透結(jié)構(gòu)的林帶和由灌木組成的通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶，防風(fēng)蝕作用較好。就防沙作用而言，疏透結(jié)構(gòu)林帶介于通風(fēng)結(jié)構(gòu)和緊密結(jié)構(gòu)之間。

　　2.2.3建立沙障防治風(fēng)蝕

　　2.2.3.1機(jī)械沙障的類型和作用

　　⑴機(jī)械沙障在治沙中的地位及作用

　　機(jī)械沙障在治沙中的地位及作用是極其重要的，是植物措施無法取代的。在自然條件惡劣的地區(qū)，機(jī)械沙障是治沙的主要措施，在自然條件較好的地區(qū)，機(jī)械沙障是植物治沙的前提和必要條件。通過多年來我國治沙生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)表明，機(jī)械沙障和植物治沙是相輔相成、缺一不可的，處于平等地位，發(fā)揮著同等重要的地位^[15]。

　?、茩C(jī)械沙障的類型

　　 機(jī)械沙障防沙原理和設(shè)置方式方法的不同劃分為2大類：平鋪式和直立式沙障。平鋪式沙障按設(shè)置方法不同又分為帶狀鋪設(shè)式和全面鋪設(shè)式。直立式沙障按高矮不同又分為：高立式沙障，高出沙面50～100cm；低立式沙障，幾乎全部埋入與沙面平，或稍露障頂。直立式沙障按透風(fēng)度不同分為：透風(fēng)式、緊密式、不透風(fēng)式3種結(jié)構(gòu)型。

　　2.2.3.2沙障設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

　　沙障設(shè)計(jì)技術(shù)主要是解決設(shè)置沙障時，應(yīng)該注意的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的運(yùn)用問題，了解每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在沙障治沙中所起的作用，只有這樣設(shè)計(jì)的各種沙障才能符合當(dāng)?shù)刈匀粭l件的客觀規(guī)律，發(fā)揮沙障在治沙工作中的最大效能。

　?、派痴峡紫抖?/p>

　　我們通常用它作為沙障透風(fēng)性能的指標(biāo)?？紫抖仍叫。痴显骄o密，積沙范圍越窄，沙障很快被積沙所埋沒，失去繼續(xù)攔沙的作用。反之，孔隙度越大，積沙范圍延伸的越遠(yuǎn)，積沙作用也越大，防護(hù)時間也長。為了發(fā)揮沙障較大的防護(hù)效能，在障間距離和沙障高度一定的情況下，沙障孔隙度的大小，應(yīng)根據(jù)各地風(fēng)力及沙源情況來具體確定^[16]。一般多采用25%～50%的透風(fēng)孔隙度。風(fēng)力大的地區(qū)，而沙源又小的情況下孔隙度應(yīng)?。簧吃闯渥銜r，孔隙度應(yīng)大。

　?、粕痴细叨?/p>

　　一般在沙地部位和沙障孔隙度相同的情況下，積沙量與沙障高度的平方成正比。沙障高度一般設(shè)30～40cm，最高有1m就夠了。

　?、巧痴系姆较?/p>

　　沙障的設(shè)置應(yīng)與主峰的方向垂直，通常在沙丘迎風(fēng)坡設(shè)置。沙障與軸線的夾角要稍大于90º而不超過100º。

　　2.2.3.3沙障的間距

　　沙障間距即相鄰兩條沙障之間的距離。該距離過大，沙障容易被風(fēng)被風(fēng)掏蝕損壞，距離過小則浪費(fèi)材料，因此，在設(shè)置沙障前必須確定沙障的行間距離，計(jì)算單位面積上沙障的長度和所需材料及用工等。

　　與主風(fēng)向垂直的沙障，障間距離與沙障高度和沙面坡度關(guān)系較大，同時還要考慮風(fēng)力強(qiáng)弱。如沙障高度大，障間距應(yīng)大，反之亦然。沙面坡度大，障間距應(yīng)小，反之，沙面坡度小，障間距應(yīng)大。風(fēng)力弱處間距可大，風(fēng)力強(qiáng)時間距就要縮小。一般在坡度小于4°的平緩沙地上，障間距應(yīng)為障高的15～20倍。一般在地勢不平坦的沙丘坡面上障間距的確定要根據(jù)障高和坡度進(jìn)行計(jì)算（見表4）。公式為：

　　D＝H×tgα

　　式中，D－障間距離，H－障高，α—沙面坡度

　　粘土沙障或半隱蔽式緊密沙障的間距，主要是根據(jù)固沙造林的需要而確定的。這種沙障的特點(diǎn)是沙障設(shè)置后，經(jīng)過幾場大風(fēng)，由于沙障兩側(cè)積沙，中間吹蝕，障間形成穩(wěn)定低洼的凹形沙面，沙障設(shè)置方向如果正確，穩(wěn)定后的沙障間凹面深度約為障間距離的1/12—1/10。

　　從固沙作用來講，這類沙障的障間距離不宜過大，過大時障間凹下過深，容易使沙障受到掏蝕。經(jīng)驗(yàn)證明，通常要控制障間凹地深度小于40cm，即障間距離為4m以下，這樣沙障的固沙作用才比較穩(wěn)定。

　　表 4 障間距離計(jì)算表

坡度（°）沙障高（m）0.300.400.500.600.700.800.90按坡度計(jì)算的倍數(shù)障間距離（m）414.34.35.77.18.610.011.412.9511.13.34.45.56.67.88.910.0610.03.04.05.05.07.08.09.078.32.53.34.15.05.86.67.587.22.12.83.54.24.95.86.596.31.92.53.13.84.75.05.7105.91.82.42.93.54.14.75.3115.21.62.12.63.13.64.24.7124.81.41.92.42.93.43.84.3134.51.31.82.22.73.13.64.1144.21.251.72.12.52.93.43.8153.81.01.51.92.32.73.03.4

　　為了有利于在沙障間種植固沙植物，障間沙面的中部不宜堆積干沙，而干沙層又不能吹蝕過多使?jié)裆惩饴妒?，通常進(jìn)行造林的沙丘迎風(fēng)坡，干沙層厚度在5--15cm之間，故障間沙面吹蝕深度一般應(yīng)控制在5cm左右，最深不超過10cm。因此，沙障高度，應(yīng)根據(jù)已決定的沙障間距，再按障間洼地的一般深度（間距的1/12）和最大深度（1/10）來推算。通常粘土沙障的間距為2～4m，埂高為15～20cm。在風(fēng)向不穩(wěn)定地區(qū)，障間距離還應(yīng)縮小，在風(fēng)沙危害嚴(yán)重地區(qū)最好設(shè)成1×1m或1×2m的粘土方格沙障。

　　粘土沙障需土量計(jì)算，主要根據(jù)沙障間距和障埂規(guī)格進(jìn)行，并根據(jù)取土遠(yuǎn)近核算用工量，計(jì)算公式為。

　　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－障埂底寬；h－障埂高；L-障埂長；c－與主風(fēng)垂直的障埂間距；c^′－與主風(fēng)平行的障埂間距；A-障埂橫斷面積；s－沙障的總面積；Q－需土量。

　　根據(jù)公式Q=1/2ahs(1/c+1/c^′)計(jì)算幾種規(guī)格的粘土沙障的需土量見表5。

　　表5 幾種規(guī)格粘土沙障需土量及用工參考表

障間距離（m）規(guī)格（m）每100m用土量（m³）每個工設(shè)沙障（m³）每畝設(shè)沙障障間洼地深度（cm）高度底寬用土量（m³）用工量（日）10.130.39267616.9858—1020.150.45346011.45717—2530.200.60603313.36725—3040.250.75942115.78030—4050.250.75942115.261 60.250.75942110.451 

　　表5中用工量的計(jì)算是采用就近取土的條件進(jìn)行的，如果取土距離遠(yuǎn)時則需要分別運(yùn)途遠(yuǎn)近，規(guī)定新的定額，重新計(jì)算用工量。

　　3結(jié)論

　　我國目前土壤風(fēng)蝕問題十分嚴(yán)重,侵蝕強(qiáng)度大,涉及范圍廣,而且在日趨惡化。西北地區(qū)乃至整個北方近年來多次發(fā)生的沙塵暴告誡人們,美國大平原地區(qū)30～40年代的悲劇,前蘇聯(lián)中亞地區(qū)50年代的悲劇以及非洲撒哈拉地區(qū)70年代的悲劇正在90年代的中國重演。由土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生的災(zāi)難已使我國受害地區(qū)的人民付出了沉重的代價。因此，防治土壤風(fēng)蝕迫在眉急。我國要根據(jù)本國的實(shí)際情況結(jié)合國外防治風(fēng)蝕的經(jīng)驗(yàn)對我國的風(fēng)蝕加以治理，同時,國家要從政策上、資金上為防治風(fēng)蝕措施大規(guī)模實(shí)施提供保證,促進(jìn)防治風(fēng)蝕技術(shù)在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。

　　[參　考　文　獻(xiàn)]

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