黑土地冻融变异风蚀起沙动力学机理研究

我国著名的粮食生产基地-东北黑土地土壤侵蚀严重，威胁我国粮食生产，尤其冻融作用与风蚀同期出现，加剧风蚀起沙。因此在该区展开土壤冻融变异风蚀起沙动力学机理的研究。. 本课题首先对黑土地土壤的冻融作用进行研究，通过野外、室内试验研究该区表层土在冻融过程中的水热运移规律及其对土壤结构变异性的影响。最终揭示该区表层土冻融作用机制，为研究土壤变异后的风蚀做好基础工作。. 在研究土壤冻融变异基础上，通过野外试验及室内风洞风蚀模拟试验，针对黑土地表层冻融变异土进行风蚀起沙研究，应用空气动力学、流体力学等基础理论通过熵及遗传计算方法应用matlab数学软件建立黑土地冻融变异风蚀起沙动力学模型，揭示黑土地冻融变异风蚀起沙动力学机理，为该区风力侵蚀及冻融侵蚀防治提供科学依据。

本课题在东北黑土区兴安盟突泉县旱作耕地建设野外试验观测小区，定期观测黑土地风蚀相关指标的动态数据近7万组。3年内进行了5大项室内模拟试验，包括冻融风蚀风洞试验、黑土冻融微观结构与冻胀试验、黑土未冻水含量试验等。通过野外试验与模拟试验数据综合分析借助相关理论、软件与模型，对黑土地冻融水热运移、风蚀特性、风蚀起沙颗粒运移轨迹、冻融循环对风蚀的影响效应进行了综合分析与模拟预测，得出成果简述如下：（1）分析了黑土地风蚀发展趋势，提出黑土地研究域土壤自然冻融规律，描述了土壤冻融机制；（2）冻融期黑土地土壤水分随时间变化活跃层为10cm～30cm、60cm～70cm深度段土体；（3）非饱和黑土冻融作用过程中土体在初冻期冻胀明显，冻结过程中冻胀量可达0.22mm，冻胀导致土体疏松；（4）冻融循环使黑土颗粒间结构变化，面孔隙度增加，以4-8次循环较显著，面孔隙度可增大1.47倍左右；（5）测定了黑土冻结温度，得出黑土未冻水含量与初始含水量的关系，并对黑土未冻水含量进行了预报模拟；（6）应用SHAW模型对黑土地冻融期土壤水热耦合运移进行较好模拟；（7）对黑土旱作耕地风蚀进行多次野外观测，得出黑土地起沙风速为7.4m/s，研究区平均地表粗糙度为0.2169cm，输沙率沿高度呈指数函数递减，研究域风蚀物粒子尺度主要分布在50～200μm之间；（8）冻融循环作用可使地表风沙流断面输沙率增加，近地表输沙率增加较为明显，同时使风沙流高度抬升1cm～3 cm，冻融循环次数增加使近地表输沙率递增，超过6 次循环以后，增加趋势减缓；（9）3 次～6 次冻融循环对黑土土壤风蚀强度影响显著，6次以上冻融循环作用对黑土风蚀强度影响程度逐渐减小，冻融循环可使土壤风蚀强度增大1.2～1.9倍；（10）得出风速与黑土风蚀量的关系式，得出表层土含水量与风蚀量之间的关系式；（11）建立了冻融风蚀过程中风速的概率密度函数，对风蚀起沙过程颗粒运移轨迹进行了随机模拟，应用BP神经网络对黑土地风蚀量进行了模拟预测；（12）初步建立了黑土地冻融风蚀多元统计模型，并对模型进行验证，可用来预报黑土耕地越冬期冻融风蚀量。项目执行过程中发表论文12篇，其中EI收录3篇，获奖论文1篇，待出版专著1部，全部完成项目指标，通过本项目的研究初步揭示了黑土地冻融风蚀的发展机理过程，为该区土地退化、冻融侵蚀、风蚀的防治工作提供基础理论支撑。