（农业机械化工程专业论文）利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响.pdf

摘要 内蒙古草地资源丰富，但是，长期以来，由于自然因素及过度放牧等人类不合 理经营活动的影响，造成草原退化，生态环境恶化。草原畜牧业的稳定、持续发展 面临严峻的挑战。因此，如何恢复和保护草原的生态功能，解决草原过度放牧，实 现草原畜牧业持续发展是具有重要研究价值的课题。 目前，国内外关于放牧践踏对环境的影响研究较多，但对草地模拟践踏的研究 却很少，本文在查阅国内外相关文献的基础上，运用内蒙古农业大学研制的可移动 式风蚀风洞结合自行研制的模拟践踏器对内蒙古召河草原地选不同植被盖度地表进 行测试，完成了不同的践踏强度下风速对风蚀量的影响，不同的践踏强度下植被盖 度的对风蚀量影响，不同的植被盖度下践踏强度的对风蚀量影响，实验表明：风蚀 量随着植被盖度的增加呈指数关系下降，随着植被盖度的增加下降的速度加快；随 着植被盖度的增加，风蚀量下降的幅度在逐渐增大，尤其盖度从6 0 增大到8 0 9 6 时， 风蚀量下降的幅度更大；随着践踏强度的增加，风蚀量上升速度加快，在践踏强度 达到6 0 次时风蚀量开始迅速上升；随着践踏强度的增加，总风蚀量呈上升的趋势， 回归方程为o = a x 2 + b x + c 。 关键词：草地：风速；植被盖度；践踏强度；风蚀量 s i m u l a t i o ns t u d yo ne f f e c t so f s h e e pt r a m p l i n go ng r a z i n gl a n de r o s i o n a b s t r a c t t h eg r a s s l a n dr e s o u r c e si ni n n e rm o n g o l i aa r ef a i f l yr i c hf o ral o n gt i m e h o w e v e r , n a t u r a lf a c t o r sa n dm a n k i n du n r e a s o n a b l ea c t i v i t i e ss u c ha s o v e r g r a z i n gh a v el e dt o d e g r a d a t i o no fg r a s s l a n da n dd e t e r i o r a t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h es t a b l ea n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fp a s t o r a ll i v e s t o c ki n d u s t r yi sf a c e dw i t hs t e r nc h a l l e n g e si ti s a l le s s e n t i a lp r o b l e mt os t u d yt h ep r o t e c t i o no fg r a s s l a n dr e s o u r c e sf r o mb e i n gd e v a s t a t e d a n da c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fp a s t o r a ll i v e s t o c ki n d u s t r yf o rt h ep r e s e n t ，t h e r e a r em o r er e s e a r c ho fe n v i r o n m e n t si n f l u e n c et ob r o w s ea n dt r a m p l ea th o m ea n da b r o a d b u t r e s e a r c ho fl a n d st r a f f i cm a c h i n ei sv e r yl e s s t h i st h e s i sw i l ls e l e c ts e v e r a l v e g e t a t i o nc o v e r a g el a n d sa n dm e a s u r et h e mb ym e a n so f t h em o v a b l ew i n de r o s i o nt u n n e l p r o d u c e db yi n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t ya n da 仃师cm a c h i r ed e v e l o p e db y m y s e l fi nz h a o h e sg r a s s l a n do fi n n e rm o n g o l i a 0 nb a s i so ft h es t u d i e so nt h er e l a t e d c o n f e r e n c e sa th o m ea n da b r o a d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n dv e l o c i t ya n da m o u n to f w i n de r o s i o ni sc o m p l e t e da st h et r a f f i cs t r e s si sd e f e r e n tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n v e g e t a t i o nc o v e r a g ea n da l i l o u n to fw i n de r o s i o ni sc o m p l e t e da st h et r a f f i cs t r e s si s d e f e r e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f i cs t t e s sa n da m o u n to fw i n de r o s i o ni sc o m p l e t e d a st h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ei sd e f e r e n t c o n c l u s i o n sf r o mt h er e s e a r c hw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w sg m o u n to f w i n de r o s i o nw a sd e c l i n e dw h e nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ew a sr o s e ，t h e r e l a t i o no f t h e ma c c o r d e dw i t he x p o n e n t i a l ：t h ee x t e n to f t h ea m o u n to f w i n de r o s i o nw a s e n l a r g eg r a d u a l l yw h e nv e g e t a t i o nc o v e r a g ew a sr o s e e s p e c i a l l yw h e nt h ev e g e t a t i o n c o v e r a g er o s ef r o m6 0p e r c e n t st o8 0p e r c e n t st h ee x t e n to ft h ea m o u n to fw i n de r o s i o n w a sm o r eh e a v i e r ：t h ev e l o c i t yo f t h ea m o u n to f w h a de r o s i o nr o s ef a s t e l a ss o o na st h e t r a f f i cs t r e s sr o s e h t h et r a f f i cs t r e s sw a s6 0t i m e st h ea m o u n to f w i n de r o s i o nb e g i nt or i s e q u i c k l y ；t h et o t a la m o u n to f w i n de r o s i o nt r e n d e du pw h e nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g eo f w a s t h et r a f f i cs t r e s sr o s et h ee q u a t i o nw a sq = a f + b x + c 。 k e yw o r d s ：g r a s s l a n d 礅n dv e l o c i 母；v e g e t a t i o nc o v e r a g e s t r a f f i cs 姚站；翩o l l mo f w i n d e r o s i o n d ir e c t e db y ：p r o f z h a os h i j i a n a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：liuh aiz hi ( a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o n e n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g eo f m e c h a m c a la n de l e c t n c a le n g m e e n n g , i n n e rm o n g o h a a g r i c u l t u r a lu m v e r s l t y , h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢坷 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：主f 适整日期：兰型章! g 夕目 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 - 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名： 指导教师签名： 日期：篓 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 i 引言 1 1 与放牧践踏相关的几个概念 放牧强度：放牧强度( g r a z i n gi n t e n s i t y ，g r a z i n gp r e s s u r e ) 指每单位可食牧 草面积放牧家畜的头数( 或家畜体重、或代谢体重) 。由此可知，放牧强度势必成为 影响草地土壤理化性质的重要因素a ，。 践踏强度：国外研究使用的践踏强度指标归纳起来主要有3 种m ：( 1 ) 土壤理化 性质的变幅，多用紧实度或土壤容重，也有土壤表面的性状变化，常用于研究践踏对 土壤的影响；( 2 ) 单位面积放牧家畜的数量或体重，本质上是一种放牧强度的简化表 示方法，多用于研究践踏对种子萌发、出苗的影响；( 3 ) 用人在草地上践踏不同的次 数( p a s s ) 模拟家畜的践踏强度。国内研究所用的践踏强度指标也有3 种。前两种与 国外相同。第3 种，用放牧草地上路径的密度、宽度、深度以及路径上植物数量和 土壤容重5 个土、草单项指标建立践踏综合指数，结合草地载畜量，提出用单位面 积草地上家畜体重与放牧时间的乘积( t d t i n 2 ) 表示践踏强度m 。 载畜量：载畜量( 亦称载牧量) ，是表示草原在适当的放牧条件下，能够承载的 放牧量，是表示草原生产力大小的一种指标。根据载畜量的含义，它应该由家畜头 数、放牧时间和草原面积三项要素构成。目前我国使用的载畜量一般是家畜单位， 并且以绵羊单位作为标准单位。绵羊单位的含义是，一头4 0 公斤的母羊及其哺乳羔 羊或与此相当的家畜，平均每天消耗中等品质的草原干草2 公斤。 载畜量= 草原牧草总产量( 公斤) 利用率( ) 放牧家畜日采食量( 公斤日) 放 牧日数( 日) w 1 2 研究背景 随着西部大开发战略的实施，草地资源在农业和生态环境建设中的地位和作用 日益明显。利用廉价而宝贵的草地资源发展畜牧业，已经成为当今世界经济发达国 家实现农业现代化，提高人民物质生活水平的重要手段之一，他们把草地资源视为 “绿色黄金”，在欧洲、北美、澳洲等发达地区的农业总产值中有1 4 来自草地畜牧 业m 。在我国，草地畜牧业同样是牧区经济的基础，也是整个国民经济中不可缺少 的产业部门。 我国草地资源丰富，仅次于澳大利亚，居世界第二位。全国拥有天然草地总面 积达4 亿h m 2 ，占国土总面积的4 2 ，大部分分布在西部地区，其中可利用面积约3 亿 h d ，约占国土总面积的1 3 ，是农田面积的3 倍多m 。由此可见，我国草地畜牧业发 展潜力巨大。此外，丰富的草地资源也是实现农业可持续发展，建设良好生态环境 的重要绿色屏障。草原作为我国陆地上面积最大的生态系统，不仅是重要的草地畜 牧业及早作农业基地，而且对维护陆地生态平衡具有不可替代的作用。因此，草原 作为国土资源的重要组成部分，其经济和生态功能不容忽视。然而，由于长期以来 2利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 重粮轻牧和小农经济思想的束缚，以及国家经济发展缓慢，人们投有充分认识到草 地资源的价值，从而对草地资源采取粗放经营甚至掠夺式经营，重利用，轻建设， 重开垦，轻管理，再加上全球气候变暖的影响，全国各地的草原正处于前所未有的 生态危机之中。据有关资料记载。，内蒙古草地退化面积2 9 9 2 万h 2 ，占可利用草原 面积的4 4 ，并且还在以每年6 7 1 3 3 万h m 2 速度退化。草地退化导致生态坏境严重恶 化，如土地荒漠化，水土流失、降雨量减少等。伴随而来的是风蚀、水蚀严重，土 地沙化、砾质化、碱化，鼠虫灾害时有发生。内蒙古“三化”草场地区大于5 m s 的 风速为2 0 0 3 0 0 天，8 级以上风约2 0 8 0 天，最多可达1 0 0 天以上。尤其是在春季， 8 级以上大风占全年大风日数的4 0 7 0 ，而这一季节正是少雨季节，春季降水量仅 占全年降水量的8 1 3 ，因而干旱的沙质地表层易被风力吹扬，造成沙质荒漠化的 蔓延。 自 砾石化水土流失 6 1 0 图1内蒙古草原生态环境恶劣区统计围 口沙化 口半同定沙地 口流动沙地或裸沙地 曰水土流失 臼砾石化 瞄盐演化 n 自然状态恶劣匿 内蒙古是我国风蚀最严重的地区之一，遭受风蚀面积7 6 3 6 万l m 2 ，占内蒙古总土 地面积的6 5 占全国风蚀面积的4 0 左右，全区草地风蚀面积为5 9 4 9 万h 。，占全区 草地面积的7 5 5 w 草原牧草生产力下降是草地退化的直观表现，与5 0 年代相比， 内蒙古草原产草量下降了3 0 5 0 。随之而来的是草地载畜量的下降，五六十年代， 0 6 7 h m 2 草地可养一个羊单位，现在为i 3 3 h m 2 草地养一个羊单位。由于草地的风蚀 沙化和水土流失，导致植被稀疏，沙尘暴发生的频率急剧上升，且危害越来越大。 据统计w 5 0 年代共发生过5 次：6 0 年代共发生过8 次：7 0 年代共发生过1 3 次：8 0 年代共 发生过1 4 次：9 0 年代共发生过2 3 次以上。2 0 0 1 年出现了3 2 次扬沙和沙尘暴事件，其中 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 4 次( 占4 4 ) 在内蒙古境内形成。由此看来，内蒙古草原生态形势已极其严峻，草原 退化的研究和治理己成为迫在眉睫的任务。图l 为内蒙古草原生态环境恶劣区统计图 【伽o 1 3 研究目的、意义 从古至今，内蒙古自治区一直是我国重要的畜牧业基地之一。它有发展草地畜 牧业得天独厚的自然条件，拥有天然草地7 8 8 0 万h m z ，占自治区土地面积的6 7 4 9 ， 居全国第二位。为此，内蒙古在漫长的历史时期，土地利用一直以牧为主。及至今 日，草地畜牧业也一直是内蒙古自治区的经济支柱，土地利用结构仍以牧业用地比 重最大，占内蒙古土地面积的5 3 7 5 e ”- 。内蒙古地域辽阔，资源丰富，贯穿东西的 大草原也正是松辽平原和华北平原的生态屏障，在防风固沙、涵养水源、调节气候 以及保护松辽平原和华北平原免受日益严重的沙尘暴危害等方面起着十分重要的作 用。因此，内蒙古草原的合理利用、有效保护和更新具有重大意义。 研究草地放牧践踏的目的，在于掌握草地在放牧利用下的演替方向，针对不同 的盖度及践踏强度采取相应的措施，防止草原退化，使草地演替向着有利于生产的 方向进行。本课题以绵羊为研究对象，放牧绵羊的践踏持续存在于整个放牧期间， 除牧草外还直接作用于土壤，践踏损伤的牧草面积可以占到草地面积的2 3 ，对土 壤的压力是链轨拖拉机的2 7 5 3 倍n m ，家畜高强度践踏2 3 天的草地需要6 个月才 能恢复，翻耕的草地，绵羊践踏4 0 周后便又逆转到压实状态n m 。因此，与采食和排 泄物相比，放牧家畜的践踏有持续时间长、直接作用的草地组分多和影响持久的特 点，对草地的影响可能更为全面而深刻。本课题在查阅国内外相关文献的基础上， 利用风洞对包头市达茂旗的昭和草原地选不同盖度地表进行绵羊践踏模拟研究，确 定不同植被及不同践踏强度与土壤风蚀的定量关系以及对草原退化的影响。 一，通过实验建立起风速与风蚀量的关系为草原土壤退化的评价提供有益的参 考。风速是影响土壤风蚀量的主要因素，研究风蚀量与风速的关系有助于深入了解 风蚀过程，对风蚀的治理工作具有十分重要的意义。 二、通过实验建立起植被覆盖条件下的输沙率模型对于进一步揭示植被对于地 表的保护作用机理，为防沙治沙提供科学指导。 三、通过实验建立起践踏强度与风蚀量的关系为退化草原的改良与复壮以及建 立合理的放牧制度提供参考。传统的放牧制度采用以草定畜来确定载畜量，采用这 样的方法并没有考虑土壤风蚀的影响。 4 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 i 4 国内外研究现状 i 4 1 模拟践踏器研究现状 模拟践踏器的在国内外研制较少，但大多集中在草坪模拟践踏器上：1 9 9 4 年甘 肃农业大学周保鑫等人通过草坪受变力作用状况的模拟，研制出量化测定草坪耐践 踏特性的工具一草坪践踏器n m ；1 9 9 7 年中国农业大学的李德颖在分析足球场草坪的 运动受力和前人运动践踏模拟方法的基础上采用混播草坪足球运动践踏模拟效果的 进行了研究“”；2 0 0 5 年扬州大学郭海林等研制的模拟践踏器对不同践踏程度对狗牙 根外部性状和坪用质量的影响进行了研究u 一；2 0 0 5 年上海交通大学的安渊等研制了 模拟践踏器采用不同践踏强度对沟叶结缕草坪用性状的影响等项进行了研究n 一。这 些践踏器的研制与应用对草坪以及一些观赏类植物的研究起到了非常积极的作用。 然而，长期以来，由于人们对草原践踏的认识较少，因而对草地模拟践踏器的研究 就更少：曾有人用人模拟家畜的践踏，来研究践踏强度指标，此方法优点是容易控制 践踏强度，但人和家畜的践踏有本质区别，该方法适用于草坪等观赏类草地，要用 于放牧草地还需改进。1 9 8 6 年贺大良等人采用重物冲击地面来模拟人畜的践踏，方 法是用一个重6 0 0 克的圆柱状铁块自3 0 厘米高处自由落下，反复冲击土样表面5 0 次。 在冲击时力求落点分布均匀，一般来说每处大约受冲击两次。然后置于风洞中吹刮， 风速自四级开始直至十一级，每级吹半小时，并观察土表风蚀状况和称量集沙仪收 集物的重量，实验结果表明：践踏后的加水结壳土样远比未经践踏的土样风蚀严重， 而且也大于干原状土土样n m ；1 9 9 2 年刘玉璋等人实验选用同一地点采集的两箱沙质 壤土，将其中一箱平放于地面，用4 0 0 克重的砝码从3 0 厘米高的空中自由落下，冲击 土壤表面，平均每9 平方厘米面积冲击一次，直至整个上面。然后与未做处理的另一 箱样品同时进行风蚀对比实验。结果表明，遭践踏试样的总风蚀量相当于未践踏的 1 1 4 4 倍，即践踏后的土壤风蚀速度加快了1 4 4 t ”，；2 0 0 4 年俞斌华、侯扶江等人自 制模拟践踏器，研究牧草种群生长对家畜践踏的短期响应，该模拟践踏器模拟羊蹄形 状，模拟羊对地面垂直方向的力对草地进行了践踏研究w 。 i 4 2 草地风蚀的研究现状 对于我国草原风蚀的研究可以追溯到十九世纪四十年代，主要是外国学者对草 原的调查，直到十九世纪五十年代我国的一些草地工作者如叶培忠和王栋教授对草 地的改良和利用进行了研究，认为我国草地粗劣现状大多数是由于人为管理粗放所 致n ”。近几年来，随着草原退化问题日益突出，引起众多的国内外学者的关注，并 且从不同的角度取得了一些成果：有的从植物学的角度，有的从生态学的角度，有 的从土壤物理性质和水分状况的角度，研究了放牧率对高山草地的影响。放牧对草 原生态系统影响的研究有较多积累，但对草原风蚀的定量研究较少，近些年来，随 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 着风蚀风洞研究的兴起，先后建立了一些数学函数关系模型：如屈建军( 2 0 0 4 ) 、 荣姣凤( 2 0 0 4 ) 等建立的风蚀量与风速的函数关系模型m 一；表1 所列的几人建立 的植被盖度与风蚀量变化的的函数关系模型( 表1 为植被覆盖条件下地表输沙率模 型的研究成果) ；董治宝( 1 9 9 6 ) 、胡孟春( 1 9 9 1 ) 等建立的风蚀率与上壤含水率 的关系模型“* ；董治宝( 1 9 9 6 ) 、陈智( 2 0 0 5 ) 等建立的净风和挟沙风与土壤风 蚀的关系模型“一，其他一些学者也建立了风蚀影响因子与风蚀量之间的经验关系 尽管形式各异，但都反映了这些影响因子对土壤风蚀量的显著影响。2 0 0 5 年许中旗 等人又在锡林郭勒草原上利用风洞对不同放牧条件下的土壤进行了实验研究w 。通 过对前人研究的探讨，提出此研究课题，希望能更深刻地对认识草原土壤退化问题 的研究有所帮助。 表1 檀被覆盖条件下地表输沙率模型的研究成果 1 5 研究的主要内容 ( 1 ) 模拟践踏器的研制：研制的模拟践踏器主要模拟羊在行走和站立过程中对 地面的水平方向及垂直方向上的作用力。 ( 2 ) 风速与风蚀量的关系：研究在不同的践踏强度下风速与风蚀量的关系。 ( 3 ) 植被盖度与风蚀量的关系：研究在不同的践踏强度下植被盖度与风蚀量关 系。 ( 4 ) 践踏强度与风蚀量的关系：研究在不同的植被盖度下践踏强度与风蚀量关 系。 6 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 2 模拟践踏器的研制 模拟践踏器的研制是依据羊的行为及采食习性通过估算及受力分析进行。 2 1 羊的行为及采食习性 卫智军在荒漠草原放牧制度与家庭牧场可持续经营研究中指出m ：绵羊一般边 走边吃，不停的移动。绵羊每天采食时间较长，一般6 - 8 , b 时，这与草地状况有关。 当牧草丰富时，采食时间缩短：牧草短缺时，采食时间增加。通过对自由放牧绵羊 的采食习性进行了观察：自由放牧绵羊采食时间和游走时间占总放牧时间的7 0 和 6 8 ，卧息、反刍和站立时间仅占1 2 0 ，其中站立时间约占2 o 左右。 2 2 研制原理 当羊在行走的过程中，为了保持身体的平衡，总是有三条腿接触地面m ，如图 2 ( a ) 所示，因此，羊对地面的压力是三条腿支撑身体对地面产生的压力，而另一条 腿在落下的过程中对地面既产生水平方向的力又产生垂直方向的力；当羊在站立的 过程中，是四条腿接触地面，如图2 ( b ) 所示对地面的压力是四条腿支撑身体对地面 产生的压力。 鉴于此，分两部分设计模拟践踏器：第一部分模拟羊行走时水平和垂直方向的 力，设计一单摆并在摆锤下固定一真实的羊蹄或用其它材料制作一模拟羊蹄；第二 部分模拟站立时垂直方向上的力，在摆锤下固定羊蹄自由落到地面，通过行走和站 立的时间比例分配践踏的次数。 2 3 估算配重 通过观察，羊在行走的过程中抬腿高度一般在4 c m 左右，因此，摆锤自由下落 的高度控制4 c m ，在垂直方向的力通过计算靠增减配重来实现。羊的体重平均在5 0 k g 左右，每个羊蹄面积平均在l s c m 2 左右，站立时对地面的压强平均为0 7 k g c 岔。摆 动的角度靠步长和羊腿长来确定：每步长平均2 5 c m 左右，羊腿长度平均5 0 c m 左右。 通过对羊行走过程中一条腿走过形成的等腰三角形进行计算，得出摆角约为1 4 5 。 按羊体重的1 4 和1 3 来增减配重，加上摆杆及摆杆套的重量约为1 3 l 唔、1 7 】唔。图3 为模拟羊站立和行走时的受力情形。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 ( a ) 羊行走时三条腿接触地面 ( b 3 羊站立时四条腿接触地面 图2 羊行走和站立与地面接触的情形 f 一 叫 | i 酉 p 奄 g ( a ) 羊行走时的受力( b ) 羊站立时的受力 圈3 模拟羊站立和行走时的受力 8 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 2 4 实验验证 ( 1 ) 验证羊行走时地面所受的力：为了践踏均匀，选取一块草地，划分为两个区。 一块比较前蹄踩踏的长度和深度，另一块比较后蹄踩踏的长度和深度。然后在此草 地上洒上一些水，等水充分渗入地下，选一体重在5 0 k g 左右的绵羊在这块地上行走， 测量踩出的蹄印深度及长度，然后将模拟践踏器放在接近羊踩踏过的地方，找面积 大致和实验绵羊相等的前、后羊蹄固定在摆锤下摆动摆锤，测量摆锤摆动后在地面 上留下的蹄印，然后增减配重，直到践踏蹄印深度及长度和以上记录的数据相等为 止。通过1 0 次实验计算配重的平均值作为模拟践踏器的配重( 见表2 、表3 ) 。 ( 2 ) 验证羊站立时地面所受的力：同样记录羊站立在地面上蹄印的深度，然后取 下带摆杆的摆锤固定同样的羊蹄，让摆锤自由落向地面，然后增减配重，直到蹄印 深度和以上记录的数据相等为止。通过l o 次实验计算配重的平均值作为模拟践踏器 的配重( 见表2 、表3 ) 。 ( 3 ) 验证羊行走时地面所受的垂直方向的力：由于此时三条腿接触地面，因此对 地面压强相对较大，用验证羊站立时地面所受的力验证此力。 裹2 前蹄踩出的长度与深度和践踏器践踏的长度与深度记录表单位：( 伽) 注：践踏长度、践踏深度为践踏器模拟践踏的的数据；踩踏长度，踩踏深度为绵羊在草地上行走时测量出的数 据 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 践踏长度 践踏深度 踩踏长度 5 55 45 55 45 55 45 5 5 5 5 4 5 6 22 i22 i2 i2 i222 12 5 45 55 55 55 45 6 5 55 55 45 5 5 4 7 2 0 5 5 4 8 踩踏深度 2 i2 i222 i2 12 12 222 0 5 注：践踏长度、践踏深度为践踏器模拟践踏的的数据：踩踏长度、踩踏深度为绵羊在草地上行走时测量出的数 据 1 摆组合2 支架3 配重4 取样箱 围4 模拟践踏器结构图( 在配重下固定羊蹄) 通过验证，当羊在行走过程中，配重增加到1 7 1 ( g 时，践踏的深度与长度基本上 与上面记录的数据接近；当羊在站立的过程中，配重增加n 1 2 5 1 ( g 即可。这与足球 场草坪的运动员运动受力分析基本相近。据有关资料记载：运动场草坪受力主要分 1 0 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 为草坪与运动器械及草坪与运动员之间的受力两部分。走和跑是运动员的两种主要 运动方式。行走时，垂直方向的受力略大于体重，而水平前进及反向的受力约为体 重的2 5 左右n ”。 2 5 模拟践踏器的使用 模拟践踏器( 见图4 ) 研制完成并通过实验验证后。与内蒙古农业大学自行研制的 取样器、取样箱、风洞配合使用。用取样器取5 0 0 m x 4 0 c m x1 5 c m 的土样( 取样过程 见后面3 4 研究方法和步骤) ，放入取样箱中，运回后根据所设定的践踏强度践踏土 样。由于践踏器的机架底部一边开口，可以沿取样箱长度方向移动，而宽度方向的 移动靠调整摆杆套在轴向的移动来来实现，以达到均匀践踏的目的，践踏后放入风 洞中再测定各土样的风蚀量。 3 践踏草地风蚀的研究 3 1 研究区域选择 实验研究区域选择在内蒙古自治区达茂旗的昭和草原，主要考虑到一是这里存 在严重的土壤风蚀；二是在研究区域能够找到具有满足土壤抗风蚀能力研究的不同 植被盖度的地表；三是研究结果对当地经济建设和社会的可持续发展具有一定的现 实意义。 3 2 召河草原概况 召河草原属于典型的荒漠化草原，具有温带干旱地区代表性的草地类型。植物 主要以多年生禾本科如针矛( s t i p ag t a n d i s ) 、扁穗( a g r o p y r o nc r i s t a t u m ) 、冰草 ( c y p e r u sc o m p r e s s u s ) 为主，并有一定数量的冷蒿( a r t t e m i s i af r i g i d a ) 、雏菊 ( b e l l i sp e r e n n i sl ) 以及旱生、强旱生的小灌木。这里由于直接受蒙古高压气团的 支配，具有强烈的大陆性特点，也略受东南方吹来的微弱的海洋季风的影响，因而 也可形成一定的降雨。年平均降水量1 5 0 2 5 0 m m ，年平均气温约2 5 ，大于1 0 积温为2 2 0 0 3 0 0 0 。土壤主要为棕钙土，土壤肥力较低，有机质含量一般低于2 。 荒漠草原植物种类组成比较简单，每平方米有植物l o 1 5 种。干旱、大风、扬沙和 沙尘暴天气是常见的自然灾害。经国家气象局标定，对2 0 0 4 年7 月1 日至2 0 0 5 年6 月3 0 日一年的数据进行分析，其结果表明：l o m 高度处年平均风速为6 6 m s ；3 2 5 m s 的有效风速时数为7 3 7 3 h ，大于6 m s 的风速积累时数为4 5 5 2 h ，而大于2 5 m s 的风速时 数仅为l h 。由于这里气候条件比较恶劣，植物生长较差，生产力较低。草群高度一 般在i 0 2 5 c m 左右，总植被盖度为1 5 3 0 ，平均产草量在5 0 0k g h m 2 左右，但高的 也可达到1 0 0 0k g h m 2 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 试验选在内蒙古典型干旱草原区召河草原进行。该区地处大青山北麓，位于达 茂旗南端，周边与武川县、四子王旗、达茂旗的小文公乡、大苏吉乡、石宝镇接壤。 该区总土地面积6 9 2 3 9 8 2 t m 2 。其中草场面积6 6 6 8 9 1 4 h m 2 。占总土地面积的 9 6 3 2 。可利用草场面积6 5 1 4 3 1 - 珊2 ，占草场总面积的9 7 6 8 t * 1 。实验区具体选择 在昭和镇北4 公里处的水利部牧区水利科学研究所实验区内，这里属常年禁牧区，四 周用网围拦围封，基本上无牲畜进入，而且在这里可以选择到多种植被盖度的草地， 便于开展风洞风蚀的研究。图5 为实验选取的2 0 、4 0 、6 0 、8 0 四种植被盖度的草 地。 ( c ) 檀被盖度为的草地( d )植被盖度为8 0 的草地 图5 四种植被盖度的草地 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 8 3 主要测试设备 3 3 1 移动式风蚀风洞 内蒙古农业大学自行研制的o f d y - i 2 型可移动式风蚀风洞，由过渡段、整流段 ( 包括开孔板、蜂窝器、阻尼网和非均匀网格) ，收缩段和实验段组成，如图6 。实 验段长7 2 m ，实验段为矩形无底截面，截面宽lo m 、高1 2 m ，风速在o 2 0 m s 范 围内连续可调，风洞所需功率3 0 k w ，室内实验时利用当地城市供电。风洞截面不同 高度上各测点紊流度与同类风洞相比达到设计要求( s 1 ) ，风洞气流稳定性性 能优良( r 3 ) ，气流具有很好的速度均匀性( e ， 1 ) ，试验段的轴向几乎没 有静压损失，壁面对风洞流场性能影响很小w 。此风洞有两种应用情况，一是在野 外实际地表上运用模拟风进行风蚀试验研究，二是在实验室运用模拟风和人工复制 的模拟地面进行实验研究。该风洞拆装、移动方便，风速控制采用无级调速，精度 高，能够满足室内、室外实验的要求。 图8o f d l r - i2 移动式风蚀风滑( 内蒙古农业大学) 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 3 3 2 风速测量系统 围7 测试系统框图 所用的风速测量系统为内蒙古农业大学研制的可在通用计算机上实现风洞数据 采集、分析及处理的系统( 见图7 ) ，该系统根据现代测试技术理论和虚拟仪器思想， 在配置风洞空气动力学特性测试硬件系统的基础上，利用l a b v i e w 平台开发而成， 它能完成对风洞流场气流品质( 风速廓线气流稳定性、速度均匀性、轴向静压梯度 和紊流度等) 的实时检测和野外 实验数据的采集、分析。在风洞 中安放风速廓线仪，用来测试近 地表风速梯度。风速廓线仪由6 套皮托管风速测试装置组成，在 距地面高度上按对数坐标分布且 具有一定的间距，该风速廓线仪 外形为细长体结构，保护箱迎风 面设计成楔形结构( 图8 ) 。测点 位置为距地面高度分别为2 5 m 、 5 0 m m 、l o o m m 、2 0 0 r a i n 、3 9 8 m m 和6 0 0 咖，测试时风速廓线仪 的6 个皮托管均配以微压差变送 器进行同步风速采集。在使用前 每支皮托管都要经标准皮托管标 定后才能使用。 图8 风速廓线仪外形圈 1 4 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 3 3 3 集沙仪 实验所使用的集沙仪是由内蒙古农业大学自行研制的旋风分离式集沙仪( 见图 9 ) ，该集沙仪由气流管、旋风分器、防护罩、集沙盒和支撑座等组成其中旋风分离 器是集沙仪的主要部件，防护罩主要起到导向气流的作用，所以迎风面作成4 5 。夹 角形状，以减少集沙仪本身对风洞气流流场的影响。集沙盒是活动的部件，可以将 每个集沙盒取下来，称量盒内通过旋风分离器收集的风蚀物。每个集沙盒的最大集 沙量为4 0 9 。支撑座主要固定气流管及与其相连的分离器和集沙盒。该集沙仪高 8 4 0 r a m ，沿高度方向分布l o 个气流管，通过气流管可收集到垂直方向上1 0 个高度 ( 2 0 m m 、6 0 r a m 、1 2 0 r a m 、1 8 0 咖n 、2 4 0 n 皿、3 0 0 r a m 、4 0 0 n 皿、5 0 0 m 、6 0 0 r a m 、7 0 0 r a m ) 的 风蚀量。气流管宽为l o m m ，高为3 0 m 。 图9 旋风分离式集沙仪示意图 1 一气流管 2 一支撑座 3 一旋风分离器 4 一集沙盒 5 一防护罩 3 4 研究方法和步骤 一研制模拟践踏器 二取样 取样时间为2 0 0 5 年1 1 月4 日，此时已进入北方的冬季，召和草原的植株大部分都 内蒙古农业大学硕士学位论文 15 已枯干，这段时间取土研究草地的风蚀更具有现实的意义。取样用内蒙古农业大学 自行研制的农田取样器，土样取好后放入特制的木箱中。土样共取2 0 箱，在同一盖 度的地方各取5 箱，取每一块土样时要防止下块土样受到踩踏，所取土样要保证厚度 均匀，编号时按植被盖度的大小进行编号。表4 为各土样的编号、植被盖度及践踏强 度。 表4 各土样的檀被盖度及践踏强度 续表 土样取好后，要轻放入车厢，在运输车的车厢底部平铺2 0 m m 3 0 m m 厚的细沙， 以减轻土样垂直方向上的振动；土样的上面要用苫布盖好，尽量减少土样水分的散 失；折叠式取样箱之间要填充泡沫等缓冲材料，在折叠式取样箱与车箱内壁之间填 薄木板，防止取样箱在运输途中因路面不平或运输车速的变化对土样产生扰动。在 运输途中，车速要限制在每小时4 0 公里左右。搬运土样时要轻拿、轻放。 三测定土样的含水率 ( 1 ) 每块土样取出以后，在此土样侧壁取5 c m 厚的土层装入封1 3 的塑料袋中，取 2 0 个土样，对应取2 0 袋土。 ( 2 ) 将土样倒入铝盒中，记下盒号。 ( 3 ) 将盛有湿土的铝盒称重，记下盒加湿土的总重量( w 。) 。 ( 4 ) 打开盒盖，放在恒温箱中，在1 0 5 。c 下烘6 8 小时，冷却至室温后，称出烘干 土加盒重( w 2 ) ，反复烘干1 2 次，到恒重为止，倒掉烘干土，称铝盒重( w 3 ) 。 ( 5 ) 通过下面公式求出土样的含水率。 土样的含水率= ( 湿土重一烘干土重) 烘干土重1 0 0 = ( w rw 2 ) ( w 2 一w 3 ) x l o o 。 表5 为2 0 个土样的含水率。 1 6 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 表52 0 个土样的含水率单位：( ) 续表 四模拟践踏。通过计算践踏按摆锤摆动：带1 7 l 唔配重自由落下：带1 3 l ( g 配重自由 落下= 9 ：2 6 ：1 的比例进行践踏。 五进行风洞风蚀量试验。土样放置在风洞实验段，试验土样和旋风分离式集沙仪 底面中心位于风洞实验段气流出口1 5 m 和1 2 m 处的中心轴线上。 3 5 数据分析 将采集的土样在6 m s 、9 m s 、1 2 m s 、1 5 s s 、1 8 m s 五个等级风速下各吹蚀1 0 分钟，取集沙仪的2 0 m m 、6 0 m m 、1 2 0 r a m 、1 8 0 m m 、2 4 0 m m 、3 0 0 m m 、4 0 0 m m 、5 0 0 衄 k 个 高度采集的风蚀量作为因变量，将风速、植被盖度、践踏强度作为自变量，通过非 线形回归，分析土壤风蚀量随风速、植被盖度、践踏强度的变化规律。 3 5 1 践踏草地风蚀量随高度的变化分析 此次实验，由于是室内实验，所取土样表面积较小。因此，吹蚀面积受到限制， 再加上所取土样为草原土，集沙仪收集到的风蚀物很小，通过对风蚀物的观察和天 平( 1 的天平) 的称量，风蚀物主要分布在距地面3 0 c m 的高度范围内，上边两个集 沙盒没有风蚀物存在。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7 表81 7 号土样风蚀量随高度的分布单位：( 1 ) 高度( c b )6 ( r e s ) 9 ( r e s )1 2 ( m s )1 5 ( m s ) 1 8 ( m s ) 20 1 90 1 1 0 3 60 3 40 6 8 0 0 5 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 o 0 1 o 0 1 0 0 1 o 0 0 0 1 2 0 0 2 0 0 1 0 0 l 0 0 l 0 0 0 0 60 1 5 0 0 20 0 3 0 0 10 0 2 0 0 10 0 l 0 0 1 0 0 1 00 0 1 00 合计0 2 6 0 1 60 5 30 4 5 0 9 1 ( a ) 钿s 风速时输沙量与高度的关系 ( c )1 a n 6 风速时输沙量与高度关系 ( b ) 晰e 风速时输沙量高度的关系 ( d )i5 m 8 风速时输沙量与高度关系 。心埔弘卯 1 8 利用风洞模拟研究绵羊践踏对草地风蚀的影响 ( e ) 1 8 m s 风速时输沙量与高度关系 图1 0 不同风速时输沙量与高度关系 2 0 箱土样的试验数据经过对比分析，都能得出风蚀量随高度的变化呈乘幂变化 规律。考虑到1 7 号土样植被盖度最低、践踏强度最大、收集到的风蚀物最多，因此， 这里只对此试验土样的数据进行分析。对表6 的数据进行分析可以得出图l o 的变化 规律，从图l o 可以看出； i 集沙仪收集到的风蚀量随高度的增加而下降，而且2 c m 到4 c m 高度风蚀量下 降特别显著，风蚀量随高度的变化经拟合后呈乘幂变化规律。拟合关系为q = a x l 。 式中：q 集沙仪进风气流管各层高度的风蚀量，g x 集沙仪进风气流管各层距离地表的高度，c m a 、b 一拟合系数 2 集沙仪收集到的风蚀物基本上都集中在3 0 c m 以内，说明风沙的运动下层气 流中的风蚀量增大，而上层气流中的风蚀量相应减少。 3 对比其它数据可以看出：随着植被盖度的增加，集沙仪收集到的风蚀量随高 度的变化趋缓，说明植被盖度和高度对风蚀量有显著的影响。 3 5 2 践踏草地风速对风蚀量的影响 本实验使用室内风洞，通过对不同植被盖度土壤的试验，以及同种土壤( 相同的 植被盖度、相同的践踏强度) 在风速选定6 m s 、9 m s 、1 2 m s 、1 5 m s 、1 8 m s 五个等 级的变化规律。这五个等级风速对应4 、5 、6 、7 、8 级风中间范围值附近。得到的实 验数据见表7 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1g 表7 不同践踏强度下风速与风蚀量的关系 风蚀量( g )