华北北部典型区域土壤风蚀与扬尘过程及其耦合机制研究

干净利落

华北北部典型区域土壤风蚀与扬尘过程及其耦合机制研究张杰铭北京林业大学
华北北部典型区域的土壤风蚀和扬尘污染是导致该地区土壤侵蚀和大气环境质量问题的重要来源之一,然而,土壤风蚀与土壤扬尘的减排效果和机制尚不明确。本文以张家口张北地区和北京延庆地区为研究区域,以裸露平坦农田作为对照,选择不同植被措施和不同保护性耕作措施土地为研究对象,通过野外实地监测和室内风洞模拟相结合的研究手段,探究植被修复技术措施以及保护性耕作技术措施防治土壤风蚀和扬尘污染的成效与机理,力求为该区域土壤风蚀与扬尘的防治措施配置提供参考和依据。本文的主要研究结果如下1)利用室内风洞开展风沙流结构特征实验。单一植被措施中,输沙率由大到小依次为常绿针叶措施>落叶阔叶措施>草>灌木措施;组合植被措施中,乔灌组合措施下输沙率最大,乔草组合措施下最小。垂直方向上,单一植被措施下,输沙率随高度符合指数函数关系,而组合植被措施下,输沙曲线呈“C”形,呈现独特的“象鼻子效应”。随着风速的增加,不同保护性耕作措施下的土壤风蚀率呈逐渐增加的趋势,而留茬覆盖组合措施下土壤风蚀率随风速升高的增幅最小;栗钙土的土壤风蚀率均大于棕壤土;土壤风蚀率与乔灌植被密度、高度以及草本盖度均呈负相关关系;株间混交方式下土壤风蚀率明显大于块状混交方式和行间混交方式。(2)通过开展土壤扬尘排放影响因素研究,我们发现采取植被措施时土壤扬尘排放量随风速增加呈指数式增长,R2大于0.93。相同风速下栗钙土扬尘排放量均大于棕壤土。随着乔灌植被密度和高度以及草本盖度的增加,土壤扬尘排放量均呈不同程度的下降趋势;采取组合植被措施后,与单一植被措施时相比较,表层土壤细颗粒物保有率得到不同程度的提高;留茬措施下的扬尘排放量均大于残茬覆盖措施,且随着留茬密度和高度的增加,扬尘排放量呈下降趋势。(3)通过对土壤风蚀与扬尘颗粒物进行谱分析,我们发现采取植被措施时土壤风蚀物粒度组成整体上均呈单峰态分布特征,土壤风蚀物粒度以≤250μm为主;土壤扬尘颗粒物粒度以≤10μm为主。在四种单一植被措施中,落叶阔叶措施对土壤风蚀物中粒度≤250μm的颗粒物减排效果最优;采取常绿针叶措施和落叶阔叶措施对土壤扬尘中粒度在10～100μm范围内的颗粒物减排效果相对较好。在各组合植被措施中,以落叶阔叶植被为主的组合植被措施对土壤风蚀物中粒度≤250μm的颗粒物减排效果最优;以落叶阔叶植被为主的组合植被措施对土壤扬尘中粒度在10～100μm范围内的细颗粒物质减排效果相对较好。采取保护性耕作措施对土壤风蚀物中粒度≤250μm的颗粒物减排效果优于粒度≥250μm的颗粒物减排效果。保护性耕作措施下土壤扬尘粒度以≤10μm为主,且保护性耕作措施对土壤扬尘中粒度≤10μm的减排效果优于粒度在10～100μm之间的减排效果。留茬覆盖组合措施对土壤风蚀物中粒度≤250μm的细颗粒物质减排效果最优;留茬覆盖组合措施对土壤风蚀物中粒度≤10μm的细颗粒物质减排效果最优。(4)土壤风蚀驱动下的扬尘颗粒物水平扩散距离方面:粒径在100μm左右的颗粒物,扩散距离一般在15m以下;粒径在10μm左右的颗粒物,扩散距离一般在30km～150km;粒径在2.5μm左右的颗粒物,扩散距离一般在数千km以上。通过开展土壤风蚀扬尘垂直扩散规律观测实验,我们发现在距地表10m高度范围内,总的来说,随着高度的增加,均值粒径呈指数函数减小,在5m高度以上,粒径平均值都<15μm,在10m高度上,粒径均值在10μm左右。(5)在各植被措施和各保护性耕作措施下,随着风速的增加,土壤风蚀对TSP、PM10和PM2.5排放的贡献呈先缓慢减小然后急剧下降的趋势,且随着风速的增加,土壤风蚀对土壤扬尘中较大颗粒物的贡献减小幅度更大。棕壤土的土壤风蚀物中较细颗粒物质的相对含量大于栗钙土。各植被措施中,采取落叶阔叶植被措施和以落叶阔叶植被为主的组合植被措施时,对扬尘等细颗粒物的减排效果相对最优。(6)华北北部以减少土壤风蚀为目的的植被结构优化配置时:小叶杨密度保持在945株/公顷以上,樟子松密度保持在1388株/公顷以上,柠条密度保持在1108株/公顷以上。以减少土壤风蚀驱动下的土壤扬尘排放为目的的植被结构优化配置时:小叶杨密度保持在1494株/公顷以上,樟子松密度保持在1348株/公顷以上,柠条密度保持在1423株/公顷以上。华北北部以减少土壤风蚀为目的的留茬结构优化配置时:留茬高度保持在63.29cm以上。以减少土壤风蚀驱动下的土壤扬尘排放为目的的留茬结构优化配置时:留茬高度保持在58.69cm以上。因此,可以通过在沙化土地上对植被结构进行优化配置,在裸露农田上对保护性耕作措施进行优化配置,从而削弱华北北部典型区域的土壤风蚀,降低土壤扬尘的排放,保护土地生产力和大气环境。