适用于河北坝上地区的农田风蚀经验模型

发布时间：2019-08-11 19:36

【摘要】：目前,中国缺少一种被广泛认可、普遍适用于中国自然条件的农田风蚀模型。本研究利用多年的野外风沙观测数据和风洞模拟实验结果,建立了一种基于河北坝上地区自然环境的农田风蚀经验模型。该模型涵盖风力侵蚀因子、粗糙干扰因子和土壤抗蚀因子三大风蚀影响因子,包括起沙风速、地表粗糙度、土壤可蚀性和土壤含水率四大风蚀影响要素,可对各种农田地表的风蚀量进行定量计算和预测。应用该模型对坝上地区2013年风蚀季农田风蚀量进行定量计算。结果表明,翻耕耙平地的平均风蚀量为39.45t·hm-2·a-1,莜麦留茬地的平均风蚀量为14.08t·hm-2·a-1,与采用其他方法得到的结果比较接近。在更广泛地区对模型进行验证和修订,促进该风蚀模型与"3S"技术融合是下一步的重点工作。
【图文】：

粗糙度,强度,风蚀强度,输沙强度

茬地、南北向莜麦留茬地、小麦留茬地、油菜留茬地、弃耕地和退耕地等７种地类表面的风蚀起沙强度进行同步观测。利用梯度风速仪测定每一种地类的地表粗糙度。具体的观测方法在文献［２１］中进行了详细介绍。由于各观测点之间的距离较近（＜２００ｍ），观测时段内，风速、土壤质地、土壤湿度等自然条件基本一致，不同地类风蚀强度的差异主要是由农田耕作方式不同导致的地表粗糙度的差异造成的，据此，建立地表粗糙度与风蚀强度之间的关系模型。结果表明，农田风蚀强度随地表粗糙度的增大呈指数规律降低（图２），，地表粗糙度与风蚀强度之间的关系可用公式４进行表达：Ｓｄｔ＝ａ２·ｅｘｐ（ｂ２·ｚ０）（４）式中：Ｓｄｔ为大田条件下的农田土壤输沙强度（ｇ·ｍ－１·ｈ－１）；ｚ０为地表粗糙度（ｃｍ）；ａ２为与土壤类型有关的常数项，取值１．４６０６；ｂ２为表征风蚀强度随地表粗糙度变化快慢的常数项，取值－１０．４９。图２农田风蚀强度随地表粗糙度的变化Ｆｉｇ．２Ｃｈａｎｇｅｏｆｗｉｎｄｅｒｏｓｉｏｎａｍｏｕｎｔｗｉｔｈｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ标准基础模型所处翻耕耙平地的地表粗糙度（ｚ０）为０．１６８６ｃｍ。将该值带入式（４）中，计算得到一个特定地表粗糙度条件下的输沙强度值。以此值作为标准值，则其他地表粗糙度条件下输沙强度与标准值的比例关系（Ｒ）可表达为：Ｒ＝ｅｘｐ［－１０．４９·（ｚ０－０．１６８６）］（５）式中：Ｒ为随地表粗糙度ｚ０变化的风蚀强度与标准值的比值。由于标准值取自标准基础模型，因此，可将Ｒ作为粗糙干扰

土壤可蚀性,风蚀强度

图３土壤可蚀性与农田风蚀量的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｅｒｏｄｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｏｉｌｌｏｓｓｂｙｗｉｎｄ特定土壤易风蚀物含量条件下的农田风蚀量。以此值作为标准值，则其他土壤易风蚀物含量条件下农田风蚀量与标准值的比例关系（Ｅ）可表达为：Ｅ＝６．５０２ｅｆ－２．９４３５（８）式中：Ｅ为随土壤中易风蚀物含量（ｅｆ）变化的风蚀量与标准值的比值。由于标准值取自标准基础模型，因此，可将Ｅ作为土壤可蚀性要素以乘的关系带入标准基础模型（式３）中，建立包含土壤可蚀性要素的农田风蚀经验模型：Ｑｄｔ＝ａ１·Ｃ·Ｅ·ｅｘｐ（ｂ１·ｋ·Ｕ）（９）２．３．２土壤含水率２０１１—２０１５年，在典型农田区的翻耕耙平地上，对输沙强度、表层土壤含水率与起沙风速进行长期同步观测。具体的观测方法在文献［１８］中进行了详细介绍。从收集的１４２组数据中筛选风速相近的数据组，要求数据组内风速的差距不超过０．３ｍ·ｓ－１，其中，有１１组数据的风速较集中（６．３～６．６ｍ·ｓ－１），满足建模要求。由于观测点始终位于同一位置，地表状况又基本一致，在风速变化较小的情况下，风蚀强度的差异可以认为主要是由土壤含水率的不同造成的，据此建立土壤含水率与风蚀强度之间的关系模型。结果表明，农田风蚀强度随地表土壤含水率的增大呈线性规律降低（图４），地表土壤含水率与风蚀强度之间的关系可用公式１０进行表达：Ｓｄｔ＝ａ４·ｗｆ＋ｂ４（１０）式中：Ｓｄｔ为大田条件下的农田土壤输沙强度（ｇ·ｍ－１·ｈ－１）；ｗｆ为表层土壤含水率（
【作者单位】：河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心;河北师范大学资源与环境科学学院/河北省环境演变与生态建设省级重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(41630747,41330746,40110251) 河北省自然科学基金项目(D2013302034,D2014205063) 河北省科学院科技计划项目(16103)
【分类号】：S157.1

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