全 文 ：不同土地利用方式下土壤风蚀主要影响因子研究*



以内蒙古武川县为例
何文清1  赵彩霞2  高旺盛2* *  陈源泉2  秦红灵2  樊秀荣3
( 1 中国农业科学院环境与可持续发展研究所 100081; 2 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100094; 3 内蒙古临河区
农业技术推广中心,呼和浩特 015000)
摘要!  以内蒙古武川县为例, 选取天然草场、旱作农田(马铃薯)和退耕人工灌木林 3 类农用地为研究对
象,对影响土壤风蚀的气候、植被覆盖度、土壤特性等若干因子进行了野外实测、室内分析及风洞模拟试
验.结果表明,降雨少、风大、风多、土壤质地粗糙以及冬春冻融交替作用造成土壤表层疏松干燥等原因 ,决
定了春季是该地区土壤风蚀的易发期. 植被覆盖度是影响土壤风蚀的重要因子. 在冬春风蚀季节覆盖度高
低依次为灌木地> 天然草地> 旱作农田, 此时缺少地表覆盖物保护的旱作农田最易受到风蚀危害. 土壤含
水量是影响风蚀的另一个重要因子. 通过风洞试验对土壤风蚀率与含水量的定量关系研究表明, 土壤含水
量越高, 土壤启动风速越大,风蚀率越小. 6%土壤含水量是旱作农田风蚀强度由强变弱的一个转折点. 田
间试验结果表明, 不同土地利用方式下表层土壤含水量总体上表现为天然草地> 旱作农田> 灌木林. 通过
风洞试验对土壤水分和风速的定量化研究表明,土壤风蚀速率随风速的增大而增大, 二者呈幂函数关系.
在净风吹蚀的条件下, 18 m∀s- 1风速是风蚀强度急剧增加的一个转折点.
关键词  农牧交错带  风蚀  植被覆盖度  土壤含水量
文章编号  1001- 9332( 2005) 11- 2092- 05 中图分类号  S157
1  文献标识码  A
Main af fecting factors of soil wind erosion under dif ferent land use patterns
A case study in Wuchuan Coun
ty, Inner Mongolia.HE Wenqing1 , ZHAO Caixia2 , GAO Wangsheng2 , CHEN Yuanquan2 , Q IN Hong ling2, FAN
Xiurong 3( 1I nstitute of Envir onment and Sustainable Develop ment , Chinese A cademy of Agr icultural Sciences ,
Beij ing 100081, China; 2College of Agronomy and Biotechnology , China Agr icul tural University , Beij ing
100094, China; 3 Center of Agr icultural T echnique Ex tension of L inhe District , Huhhot 015000, China ) . 
Chin . J . A pp l. Ecol . , 2005, 16( 11) : 2092~ 2096.
Field invest igation, labor ator y analysis and w ind tunnel simulation showed that in Wuchuan County of Inner
Mongolia, low precipitation, fr equent and high wind velocity, coarse soil tex ture, and thawing and freezing w ere
the main causes o f soil w ind erosion happened very easily in spring. In late winter and early spring, the vegetation
cover age w as in o rder of shrubland> natur al grassland> rainfed farmland, and thus, increasing the surface cover
of rainfed farmland should be an urgent need to control the wind erosion in Wuchuan County. The soil w ind ero
sion rate decreased exponentially with increasing soil moisture content, and 6% soil moisture content was a turn
ing point fr om severe to light. The topsoil moisture content under different land use patterns w as in order of natu
ral grassland> rainfed farmland > shrubland. With increasing wind velocity, soil w ind erosion rate incr eased by
pow er function, and 18 m∀s- 1 w ind velocity was a sw itching po int to agg ravate the wind erosion.
Key words  Agropasture ecotone, Soil wind erosion, Vegetation cover, Soil mo istur e content.
* 国家重点基础研究发展规划项目( G2000018606)、国家# 十五∃科
学技术攻关资助项目( 2001BA508B24, 2001BA508B12) .
* * 通讯联系人.
2004- 12- 13收稿, 2005- 03- 31接受.
1  引   言
风蚀荒漠化是一个全球性的问题. 全世界有
5
05 % 106 km 2的土地因风蚀而发生退化、沙化, 约
占全球土地退化面积的 46
4% ,每年因此而造成的
直接经济损失达 4
23 % 1010美元. 中国是受风蚀荒
漠化危害最为严重的国家之一. 风蚀荒漠化面积达
1
61 % 106 km2, 占整个荒漠化土地面积的 61
3% ,
而且每年还以 2 500 km2 的速度在发展[ 17] . 每年由
于风蚀荒漠化造成的经济损失严重,间接经济损失
是直接经济损失的 2~ 8倍,甚至达到 10倍以上[ 3] .
风蚀荒漠化不仅给人类社会造成巨大的经济损
失,而且其所导致的生态环境的不断恶化已经成为
影响人类社会可持续发展的重要因素之一.因此,对
土壤风蚀问题,特别是风蚀影响因子进行系统全面
的研究,已经成为防治土壤风蚀荒漠化的迫切需要.
土壤风蚀的发生是一个非常复杂的过程,是包括
地理、气候和表层土壤性状等多因子综合作用的结
果[ 22] .国外在风蚀影响因子方面已进行了比较系统的
研究,在气候条件(大风、降水与温度等)对土壤风蚀的
应 用 生 态 学 报  2005 年 11 月  第 16 卷  第 11 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Nov . 2005, 16( 11)&2092~ 2096
影响[ 8, 9, 21, 26]、土壤性状(土壤可蚀性、土壤含水量与土
壤表面粗糙度等)对土壤风蚀的影响[ 11, 12, 14, 27]以及植
被覆盖对地表保护作用[ 13, 15, 19, 20, 23, 25]等方面研究已取
得了许多成果.我国对风蚀的研究起步较晚, 在风蚀
荒漠化方面多从景观学角度研究土地沙漠化的过
程、成因、危害及其发展趋势[ 4, 24] .对于以旱作农田
为主的大面积农用地土壤风蚀影响因子的动态变化
及其作用机理, 尚未开展系统的观测研究.本文利用
气象资料分析、野外实测、室内分析及风洞模拟试验
研究等方法,对影响风蚀沙化的若干因子的动态变
化及作用机理进行了比较系统的观测研究,为防沙、
减沙提供科学依据.
2  研究地区与研究方法
2
1  研究地区概况
内蒙古武川县位于阴山山地向蒙古高原的过渡地带, 属
于我国北方农牧交错带的中段,土地总面积为 4 738
8 km2 ,
以耕地和天然草地(约 3 300 km2 )为主, 其中 60% 为耕地,
40%为天然草地.地貌以山地和缓坡丘陵为主,典型干旱草
原植被,土壤为栗钙土, 质地偏砂, 易受侵蚀. 有机质含量较
低,仅为 1%左右.气候属中温带大陆性季风气候,海拔1 500
~ 17 00 m, 年均降水量 280~ 400 mm,且多以阵雨形式集中
在夏季.年蒸发量高达 1 848
3 mm, 约为降水量的 5 倍多.
年平均气温 1
5~ 3
7 ∋ , 无霜期 90~ 120 d. 年平均风速 3
m∀s- 1左右, 冬春季节盛行西风和西北风, 每年 17 m∀s- 1以
上的大风日数在 30 d 左右,年均沙尘暴天数为 10~ 20 d. 风
大沙多,土壤风蚀沙化严重. 主要农作物为春小麦、莜麦、胡
麻、马铃薯、豌豆.其中马铃薯是主要的经济、粮食和蔬菜作
物,历年播种面积比重为 20% ~ 30% .
2
2  研究方法
2
2
1 试验地选择  试验于 2002 年 6 月~ 2003 年 11 月在
内蒙古武川县进行.结合当地的实际情况, 选取了 3 个代表
性样点进行定点动态测定,分别为天然放牧草地、1992 年退
耕的柠条灌木地和旱作农田 (马铃薯) . 试验采用 GPS 进行
定点测定, 测定内容包括植被覆盖度、表层土壤含水量与表
层土壤机械组成. 覆盖度与水分在深秋和冬春每月测定 1
次, 7~ 9 月每隔 15 d 测定 1 次.柠条地位于坡度< 6(的缓坡
丘陵上,原为荒草地, 后开垦为农田, 1992 年退耕种植柠条.
平均株距 2 m, 行距 4 m, 株高 1
1~ 1
3 m, 东西灌幅 2
1~
3
0 m,盖度 30% ~ 55% .天然草地位于坡度< 5(的缓坡丘陵
上,属退化冷蒿草地, 狼毒、鸢尾等退化毒草、害草随处可见,
丛高 3~ 8 cm, 盖度 10% ~ 30% . 旱作农田位于坡度< 5(的
丘陵坡耕地上,作物为马铃薯, 株距 50 cm,行距 45 cm.
2
2
2 野外试验  天然草地与旱地农田(马铃薯)覆盖度的
测定采用随机步程法与样线法[ 2, 18]相结合, 具体操作过程
为:在试验点随机选取样点后将两根 10 m 米绳等距垂直相
交,并分别将米绳 2~ 3和 7~ 8 m 处作为取样测定区段, 记
载所有植物在该区段内所截取的总长度, 则群落总盖度= 所
有植物在区段内所截总长度/该区段长度. 6 次重复. 同时进
行照相以作比较. 灌木盖度测定采用灌幅法, 即灌木盖度=
东西灌幅% 南北灌幅/样地面积.土壤含水量采用烘干法, 土
壤机械组成采用吸管法. 采用蛇行取样法采样, 3 次重复.
2
2
3 风洞实验  风速与土壤水分含量对风蚀影响程度的
定量化研究采用风洞试验. 土壤样品取自旱作马铃薯农田.
实验在中国科学院兰州沙漠所直流闭口吹气式沙风洞中进
行. 风洞实验段长 16
23 m, 截面积 0
6 m2 .风蚀量采用感量
为百分之一的电子天平测定, 风速用毕托管测定.土样制备
采用扰动土,将取来的扰动土壤烘干后, 按不同的土水比拌
匀,平铺于 20 cm % 30 cm 盘子中,土层厚度 2 cm. 然后从制
备好的土样中随机取 3 个重复样品, 测定其实际含水量.
3  结果与分析
3
1  气候因子
3
1
1 大风日数分布的变化  具备大于风蚀的临界
风速是土壤发生风蚀的条件之一. 在地表土壤物质
一定的情况下,超过临界值风速的大风日数越多,对
表层土壤的侵蚀就越深, 所以大风日数的分布与风
蚀程度直接相关. 统计 40年的气象资料表明,该地
区年平均风速 3 m∀s- 1左右, 且 3~ 6 月份风力最
强,尤其以4月、5月风速最高, 平均风速均为 4
4 m
∀s- 1; 12月、1月与 2 月风速达全年最小, 平均风速
分别为 2
9、2
6和 2
9 m∀s- 1, 其中大于 17 m∀s- 1
的大风日数平均 30 d左右. 统计 1991~ 2002年大
风日数表明, 全年大风日数以春季( 3~ 5月)最多,
占全年大风日数的 52
2%, 其中以 4 月最高, 占全
年大风日数的 27
1%;其次是 10~ 11月, 占全年大
风日数的 13
0%;而 1月、8月与 12月为最低, 合计
只占全年大风日数的 10
9%.
3
1
2 降水量分布的变化  降水量也是影响土壤风
蚀的一个非常重要的因素,同时也是制约该地区农
牧业发展的决定性因素之一.武川县年降水量最南
部可达 400 mm,大部分农区在 250~ 300 mm,北部
不足 200 mm,年降水变率为 15% ~ 22% ,但具体到
个月和各季的变率却大多在 30%以上,尤其是冬半
年.根据 1961~ 2002年 42年资料的统计分析结果
表明,该地区降水量主要集中在 7~ 8月份,占全年
降水量的 55
8%, 且多阵性降水, 对丘陵旱坡地可
造成明显的水土流失. 12 月~ 翌年 2月降水量最
少,只占 2
0% , 3~ 4月次少,占 5
3%. 12月~ 翌年
2月虽然降雨量最少, 但此时地表基本处于冻结状
态,且大风日数较少,因此不易发生风蚀. 3~ 4月降
水虽然相对较多,但此时地表由于冬春冻融作用变
209311 期             何文清等: 不同土地利用方式下土壤风蚀主要影响因子研究           
表 1  不同土地利用方式下表层土壤样品的机械组成
Table 1 Mechanical compositions of different topsoi l utili zing types
土地利用类型
Land ut iliz ing types
机械组成 Mechanical composit ion( % )
2~ 0
5 mm 0
5~ 0
25 mm 0
25~ 0
05 mm 0
05~ 0
002 mm < 0
002 mm
旱作农田 Farmland 15
8 12
0 49
7 22
3 0
2
天然草地 Natural grassland 18
0 12
1 33
0 36
7 0
2
灌木地 Sh rub land 20
0 19
9 38
2 21
8 0
1
的十分松散,而且又是风大风多的季节,因此是一年
中风蚀最严重的季节.
3
2  土壤因子
3
2
1 表层土壤机械组成  从土壤机械组成来看
(表 1) , 各种土地利用方式下土壤粘粒含量均极低,
只占 0
1%~ 0
2%,粘粒和粉粒含量之和占 20% ~
30% ,而粒径为 0
25~ 0
05 m 的最易蚀土壤颗粒含
量分别是:旱地马铃薯 49
7%、天然草地 33
0%、灌
木地 38
2% ,易蚀颗粒的分布在土壤机械组成中都
占1/ 3以上.这就决定了该地区土壤类型从本质上
具备有利于土壤风蚀沙化的潜在条件.
该地区农田大多是由天然草场开垦而来. 从发
育母质来讲,二者粒径组成应该相似.但分析结果表
明,农田和草地相比, 其砂砾含量更高, 这是由于农
田土壤年年翻耕,年年风蚀,土壤质地不断粗化的结
果.本区的灌木地都是建设在风蚀极为严重的退耕
地或荒山荒坡上, 土壤质地一般都较差, 砂砾遍地,
土层极薄,土壤十分贫瘠, 所以其粒径与农田相似,
但土壤质地比农田更为粗化.
3
2
2表层土壤含水量的动态变化  地表土壤含水
量的变化也是影响风力搬运土壤颗粒的重要因
素[ 6, 7] ,尤其是表层土壤含水量对风蚀有一定的影
响[ 27] . 由图 1可见,表层 0~ 10 cm 土壤水分在早春
解冻翻浆、雨季蓄墒和初冬冻后聚墒期有 3个高峰,
冬末解冻前、春末夏初和初秋有 3个低谷.天然草地
土壤水分状况除初秋外都好于其它方式, 旱地马铃
薯次之,柠条灌木地最差.
图 1  不同土地利用方式下表层土壤含水量的动态变化
Fig. 1 Dynamics of topsoil water content of diff erent land ut ilizing types.
  11月中旬~ 翌年 3月底表层土壤一直处于冻
结状态, 土壤含水量为 2% ~ 7% . 此期间表层土壤
颗粒不易被风吹走, 因为当土壤颗粒表面附着薄膜
水时,水膜的静电作用使颗粒间的粘着力增大, 具有
抗御风蚀的能力[ 5] . 4 ~ 5 月土壤处于冻融交替状
态,表层土壤变得疏松干燥,而此时又是地表植被覆
盖最少的时候,因此最易发生风蚀.
3
3  植被覆盖度的动态变化
植被盖度是影响土壤风蚀的最敏感的自然因
素.植被覆盖可通过多种途径对地表土壤形成保护,
减少风蚀输沙量. 植被覆盖率与风蚀输沙率之间的
定量关系一直是风沙动力学研究中的热点和难点问
题.一些学者认为风蚀率随植被盖度的增加呈指数
减少,反之, 随植被盖度的减少呈指数增加[ 11] . 所以
植被覆盖度的高低是决定其发生风蚀危害程度的主
要决定因素之一. 实际上,干旱半干旱地区的生态环
境问题可看成地表覆盖模式的变化问题[ 28] .
从时间上来看, 本试验中不同植被类型的覆盖
度水平变化可描述如下: 1) 11月~ 翌年 3月为作物
收获后耕地裸露期, 农田地表覆盖度基本为零. 草、
灌亦处于枯草季, 覆盖度维持在 1年中最低的水平.
2) 4~ 5月为作物播种出苗期和草、灌返青期, 覆盖
度开始逐渐增加. 3) 6~ 8月是作物、牧草、灌木迅速
生长期,三者的覆盖度都迅速增加并达到最大值. 4)
9~ 10月作物开始收获, 农田覆盖度突然下降,最终
趋近于零,草、灌也逐渐进入枯草期, 覆盖度随之降
低(图 2) .
图 2  不同土地利用类型植被覆盖度的动态变化
Fig. 2 Monthly dynam ics of diff erent plant types cover.
  与草、灌相比,旱作农田的覆盖时间最短,变化
最为剧烈.当其具有较高的覆盖度时,是一年中风蚀
2094                    应  用  生  态  学  报                   16 卷
危害最轻的时间;而 1~ 3月、10~ 12月风蚀严重的
季节, 农田却基本处于裸露状态, 覆盖度趋近于零.
这也是当地农田沙化不断加重的主要原因.
从地表覆盖与土壤侵蚀的变化规律来看, 二者
存在#时空错位∃.即风力侵蚀最严重的时期, 恰恰是
地表覆盖最低的季节.解决这一#时空错位∃问题, 是
防治土壤风蚀的关键.
3
4  风速和土壤风蚀率(风蚀强度)的量化关系
风是土壤侵蚀的直接动力来源. 风速的大小直
接影响风蚀的轻重. 本实验通过室内风洞模拟试验,
以农田土壤(扰动土)为例, 在不同含水量水平下分
别观测风蚀率(单位时间内的风蚀量)与风速之间的
变化关系.结果表明, 在其他条件不变的情况下, 不
论在何种含水量水平下, 风蚀率与风速之间均表现
为正相关关系,风速越大,风蚀越强烈(图 3) . 风速
小于 14 m∀s- 1时,处于轻微风蚀阶段,风蚀不明显.
14~ 18 m∀s- 1是风蚀强度缓增区, 当风速大于 18 m
∀s- 1后(相当于自然界 8级大风) , 风蚀率几乎呈线
性增加.这表明在净风的吹蚀下, 18 m∀s- 1风速是土
壤风蚀程度由轻变重的一个转折点.
图 3  风速与风蚀率的动态关系
Fig. 3 Dynamic relat ion betw een w ind velocity an d w ind erosion rate.
  为了进一步深入分析风速与风蚀率的关系, 利
用 SPSS软件对风速与风蚀速率的关系进行了曲线
拟合.结果表明, 在不同含水量水平下, 风速与土壤
风蚀速率均表现为幂函数变化关系,函数关系为: Y
= Ax B, 其中 A、B 为回归系数.从相关系数来看,均
在 0
95以上,说明该方程能够比较客观地反映风速
与风蚀率之间的关系(表 2) .
表 2  不同水分条件下风速与风蚀率的函数式
Table 2 Formula between wind veloci ty and wind erosion rate under
di fferent soil moisture content
土壤含水量
S oil water content ( % )
拟合函数关系式
Formula of estimation funct ion
R 2
2
15 Y= 4
7% 10- 6X 4
43 0
9 879
3
90 Y= 1
3% 10- 6X 4
69 0
9 929
6
05 Y= 6
4% 10- 7X 4
45 0
9 869
8
14 Y= 6
3% 10- 7X 4
12 0
9 904
10
06 Y= 1
2% 10- 5X 2
86 0
9 539
3
5  土壤的启动风速及风蚀速率
实验在风洞中进行, 仍以旱作农田土壤(扰动
土)为例,土壤水分含量共设计 5个梯度水平: 2%、
4%、6%、8% 和 10%; 每个梯度吹 5~ 6 个风速. 观
察不同含水量水平下土壤样品的抗风蚀极限风速
(启动风速)及风蚀量的动态变化规律.结果表明,土
壤风蚀启动风速与土壤水分呈正向关系, 随着土壤
水分含量的增加, 启动风速增大,而风蚀率则随土壤
水分含量的增加而呈现递减的变化趋势(表 3) . 在
不同风速的吹蚀下, 土壤风蚀率随含水量的变化趋
势基本一致(图 4) . 含水量从 2%增加到 6%, 风蚀
率迅速降低, 特别是在 4% ~ 6%区间范围内, 风蚀
强度几乎呈线性减少. 当土壤含水量大于 6%时,风
蚀速率变化则趋于平缓, 处于轻微风蚀阶段. 因此,
对于该地区土壤来说, 6%的土壤含水量水平是其抗
风蚀能力由弱变强的一个转折点.
图 4  土壤水分与风蚀率的动态关系
Fig. 4 Dynamic relat ion betw een soil moisture and w ind erosion rate.
表 3  不同水分梯度下土壤启动风速的变化
Table 3 Dynamics of threshold velocity under di fferent soil moisture
content
水分梯度 Moisture content(% ) 2
15 3
90 6
03 8
14 10
06
启动风速 Thresho ld velocity ( m∀s- 1) 10
65 11
18 12
58 13
94 14
88
  同样利用 SPSS软件对土壤水分与风速速率的
变化关系进行了曲线模拟(表 4) .风蚀速率与土壤
水分含量表现为对数函数关系. 函数关系式为: Y=
A exp( Bx ) . 其中, A 、B 为回归系数, 相关系数达
0
97以上.
表 4  不同风力等级下土壤水分与风蚀率的函数关系
Table 4 Formula between soil moisture content and wind erosion rate
under different wind velocity
风速
Wind velocity( m∀s- 1)
水分与风蚀率的函数关系式
Formula between soil water content and w ind erosion
R
2

14 Y= 1
06exp( - 38
8 x) 0
9 793
18 Y= 8
43exp( - 55
26 x) 0
9 934
22 Y= 14
93exp( - 51
43 x) 0
9 929
25 Y= 23
66exp( - 50
58 x) 0
9 929
4  结   论
4
1  风蚀危害是多种因素共同作用的结果.研究区
209511 期             何文清等: 不同土地利用方式下土壤风蚀主要影响因子研究           
春季( 3~ 5 月)风大、风多, 降雨量少, 土壤质地较
粗,表层结构松散, 地表植被覆盖稀疏, 土壤水分含
量低.这些不利因素的综合作用,决定了春季是该地
区风蚀危害的高发期.
4
2  覆盖度是影响土壤风蚀的最敏感的自然因子.
从地表覆盖度的动态变化趋势与风力侵蚀的变化趋
势来看,二者存在着#时空错位∃的变化规律, 即风力
侵蚀最严重的时期, 恰恰是覆盖度最低的季节,也就
是土壤的抗风蚀能力最弱的季节. 这种# 时空错位∃
导致的直接结果就是土壤风蚀的不断加重.
4
3  一般来说, 风蚀季节植被覆盖的程度越高, 其
防治风蚀的作用就越强. 从植被覆盖角度来讲, 在 3
种土地利用类型中, 旱作农田最易受到风蚀的危害,
其次是退化的草地,所以增加风蚀易发生季节植被
的覆盖度,尤其是农田裸露地面的覆盖度,是防治风
蚀的主要措施之一.
4
4  各种因素对土壤风蚀的作用, 都有一个临界
值.只有低于某一临界值时,土壤风蚀才会变得十分
明显.对于研究区旱作农田来讲,在室内风洞模拟试
验条件下, 其发生风蚀的临界风速是 18 m∀s- 1, 临
界土壤水分含量是 6% .
参考文献
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作者简介  何文清, 男, 1974 年生, 博士. 主要从事农业生
态、旱作节水与区域农业可持续发展等方面的研究. Email:
hwq201@ cjac. or g. cn
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