第五章 土壤風蝕與防治-趙媛媛-l

1、水土保持與荒漠化防治專業(yè)課程水土保持與荒漠化防治專業(yè)課程風沙物理學(xué)風沙物理學(xué)之之趙媛媛第五章第五章 土壤風蝕與防治土壤風蝕與防治第五章 土壤風蝕與防治課程安排緒論風沙物理的基礎(chǔ)知識風及其基本性質(zhì)沙及其基本性質(zhì)風沙運動風沙地貌動力學(xué)機制土壤風蝕與防治土壤風蝕與防治風沙物理學(xué)研究方法流體力學(xué)基礎(chǔ)第五章 土壤風蝕與防治 土壤風蝕概況 土壤風蝕危害 土壤風蝕研究 土壤風蝕過程 土壤風蝕影響因子 土壤風蝕評估模型 土壤風蝕控制主要內(nèi)容第五章 土壤風蝕與防治第一節(jié) 土壤風蝕概況 風蝕（風蝕（Wind erosion）的定義）的定義 土壤風蝕是指土壤或土壤母質(zhì)在一定風力作用下，土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞以及土壤顆粒（

2、或簡稱土粒）發(fā)生位移的過程。 土壤及其母質(zhì)在風力作用下的剝蝕、分選、搬運的過程。實際是風沙運動過程，但與一般的風沙運動有所區(qū)別。緩慢性、強危害性、難于測量性、影響因素復(fù)雜性；以細小粒子為主，懸移質(zhì)較多。第五章 土壤風蝕與防治 塑造地球景觀的基本地質(zhì)或地貌過程之一，是一個綜合的自然地理過程 土地沙漠化(沙質(zhì)荒漠化)的首要環(huán)節(jié)和重要組成部分 土壤侵蝕的重要類型土壤風蝕與沙塵暴土壤風蝕與沙塵暴(青海共和盆地青海共和盆地1999年年4月月10日日)第五章 土壤風蝕與防治Global status of soil degradationFrom ISRIC, UNEP, FAO,1996 (http:/

3、/docrep/003/w2612e/w2612eMap12-e.pdf) 風蝕現(xiàn)狀：全球全球約2/3的國家、1/4陸地面積和9億多人口遭受土壤風蝕、沙質(zhì)荒漠化和災(zāi)害性風沙天氣危害,每年經(jīng)濟損失約540億美元土壤風蝕概況第五章 土壤風蝕與防治 美國美國In the United States, wind erosion is the dominant problem on about 30 million hectares (73.6 million acres) and moderately to severely damages approximately 2 mil

4、lion hectares (4.9 million acres) annually (USDA, 1965). According to the 1992 National Resources Inventory (NRI), the estimated annual soil loss from wind erosion on nonfederal rural land in the United States was 2.5 tons per acre per year (SCS-USDA, 1994). This number is a decrease from 3.3 tons p

5、er acre per year in the 1982 NRI. However much of this reduction was a result of enrollment of land classified as highly erodible in the Conservation Reserve Program (CRP). The CRP enrollment for much of this acreage is scheduled to retire within the next few years. 土壤風蝕概況第五章 土壤風蝕與防治 加拿大 澳大利亞澳大利亞Acc

6、elerated Erosion Index (AEI) 1986-1996土壤風蝕概況第五章 土壤風蝕與防治Distribution of Desertification in ChinaSource: CCICCD, 1997(http:/ 我國干旱、半干旱及部分濕潤我國干旱、半干旱及部分濕潤地區(qū)土地退化或荒漠化的主要地區(qū)土地退化或荒漠化的主要過程之一過程之一 中國土壤風蝕概況中國荒漠化和沙化狀況公報，2011第五章 土壤風蝕與防治（2004-2011）第五章 土壤風蝕與防治第二節(jié) 土壤風蝕危害 本地危害本地危害 On-site damageWind erosion depletes th

7、e top soil Wind erosion removes smaller particles Sand encroachments upon houseWind erosion reduces soil productivity 表土吹蝕，尤其是細粒物質(zhì)、有機質(zhì)表土吹蝕，尤其是細粒物質(zhì)、有機質(zhì)的喪失的喪失 對植被、作物的危害對植被、作物的危害 土地生產(chǎn)力、作物產(chǎn)量的降低土地生產(chǎn)力、作物產(chǎn)量的降低 農(nóng)田、草場、房屋的掩埋農(nóng)田、草場、房屋的掩埋第五章 土壤風蝕與防治 異地危害 Off-site damage沙塵暴與土地沙漠化大氣污染，危害人類身體健康水體污染及水利設(shè)施的危害對交通、通訊設(shè)施的

8、危害Dust storm in Gansu, 1999-05-05土壤風蝕危害第五章 土壤風蝕與防治第三節(jié) 土壤風蝕研究董治寶等，1995第五章 土壤風蝕與防治 風蝕研究是一個綜合的多學(xué)科的研究領(lǐng)域 地質(zhì)學(xué)地質(zhì)學(xué)：風蝕是一種地質(zhì)地貌過程：風蝕是一種地質(zhì)地貌過程 風沙物理學(xué)與沙漠科學(xué)風沙物理學(xué)與沙漠科學(xué)：風蝕的動力學(xué)機制、風蝕與風沙地貌、土地：風蝕的動力學(xué)機制、風蝕與風沙地貌、土地沙漠化的關(guān)系沙漠化的關(guān)系 土壤學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)土壤學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)：土壤可蝕性因子、農(nóng)田土壤風蝕防治：土壤可蝕性因子、農(nóng)田土壤風蝕防治 林業(yè)科學(xué)林業(yè)科學(xué)：風蝕荒漠化（中國）：風蝕荒漠化（中國） 、風蝕防治的防護林技術(shù)、風蝕防治

9、的防護林技術(shù) 土壤侵蝕與水土保持土壤侵蝕與水土保持：風蝕是土壤侵蝕的一種類型，多借用風蝕研究：風蝕是土壤侵蝕的一種類型，多借用風蝕研究成果，普遍認為與水蝕相比，風蝕研究較為薄弱成果，普遍認為與水蝕相比，風蝕研究較為薄弱 其它（大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等）其它（大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等）：風蝕動力因子、風蝕與沙塵暴：風蝕動力因子、風蝕與沙塵暴第三節(jié) 土壤風蝕研究第五章 土壤風蝕與防治地質(zhì)學(xué)：風蝕是一種地質(zhì)地貌過程Wind erosion action during landscape evolution in mountainous desert regions (A=early stage, B=mid

10、dle stage, C=late stage) 沙漠中的湖盆沙漠中的湖盆殘山殘山土壤風蝕研究第五章 土壤風蝕與防治風沙物理學(xué)與沙漠科學(xué)：風蝕的動力學(xué)機制、風蝕與風沙風沙物理學(xué)與沙漠科學(xué)：風蝕的動力學(xué)機制、風蝕與風沙地貌、土地沙漠化的關(guān)系地貌、土地沙漠化的關(guān)系土壤風蝕研究第五章 土壤風蝕與防治土壤學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)：土壤可蝕性因子、農(nóng)田土壤風蝕防治土壤風蝕研究第五章 土壤風蝕與防治林業(yè)科學(xué)：風蝕荒漠化（中國） 、風蝕防治的防護林技術(shù)Shelterbelt in Northern China Plain 防護距離防護距離(m) 百分比百分比() 防護林對風速和防護林對風速和風蝕量的降低效風蝕量的降低效

11、益益(40%疏透率疏透率) (Hagen 1976)土壤風蝕研究第五章 土壤風蝕與防治 土壤侵蝕與水土保持：風蝕是土壤侵蝕的一種類型，多借用風蝕研究成土壤侵蝕與水土保持：風蝕是土壤侵蝕的一種類型，多借用風蝕研究成果，普遍認為與水蝕相比，風蝕研究較為薄弱果，普遍認為與水蝕相比，風蝕研究較為薄弱 (Hudson 1971; Kirkby & Morgan 1980; Zachar 1982; Lal 1988)把水蝕和風蝕作為降水和植被蓋度的把水蝕和風蝕作為降水和植被蓋度的函數(shù)所估算的土壤侵蝕速率函數(shù)所估算的土壤侵蝕速率 (Kirkby & Morgan 1980)土壤風蝕研究第五

12、章 土壤風蝕與防治第四節(jié) 土壤風蝕過程 土壤顆粒的起動：起動風速 土壤顆粒的運動：三種方式 土壤風蝕的分選作用：土壤表層粗化第五章 土壤風蝕與防治 土粒起動流體臨界起動風速流體臨界起動風速吹蝕（凈風侵蝕，流體風蝕）吹蝕（凈風侵蝕，流體風蝕）沖擊臨界起動風速沖擊臨界起動風速磨蝕（風沙流侵蝕，沖擊風蝕）磨蝕（風沙流侵蝕，沖擊風蝕）地表物質(zhì)的位移是在風力直接作用下發(fā)生的。地表物質(zhì)的位移是在風力直接作用下發(fā)生的。當風吹地表時，由于風的動壓力等作用，降低表松散沉積物或基當風吹地表時，由于風的動壓力等作用，降低表松散沉積物或基巖風化物（沙物質(zhì)）吹走，使地表遭到破壞。巖風化物（沙物質(zhì)）吹走，使地表遭到破壞。

13、當風沙流（挾沙氣流）吹經(jīng)地表時，由運動沙粒撞擊地表而引起當風沙流（挾沙氣流）吹經(jīng)地表時，由運動沙粒撞擊地表而引起的地表破壞和物質(zhì)的位移。的地表破壞和物質(zhì)的位移。磨蝕強度一般比吹蝕大。磨蝕強度一般比吹蝕大。相同風速時，磨蝕強度是吹蝕強度的相同風速時，磨蝕強度是吹蝕強度的4-5倍（董光榮等，倍（董光榮等，1987）。）。第五章 土壤風蝕與防治 土粒搬運n躍移躍移 55%-72%55%-72%n懸移懸移 3%-38%3%-38%n蠕移蠕移 7-25%7-25%土壤風蝕量：在一定條件下單位時間單位面積上風蝕的土壤重量。第五章 土壤風蝕與防治土壤風蝕過程農(nóng)田土壤風蝕引起的地表粗化農(nóng)田土壤風蝕引起的地表粗

14、化第五章 土壤風蝕與防治第五節(jié) 土壤風蝕影響因子ClimateSoilVegetationLandformHuman activityWind speed()Wind direction()Turbulence()Precipitation()Evaporation()Air temperature(+)Air pressure()Freeze-thaw action(+)Soil type()Particle composition()Soil moisture(+) Soil structure()Organic matter()Calcium carbonate()Bulk densit

15、y()Aggregate(+)Type()Coverage(+) Surface roughness()Slope()Ridge() Reclamation()Over grazing()Forestation(+)Crop residual(+) Note: (+), () and () mean the wind erosion becomes weak, heavy and uncertain as the factor increasing. Some key factors influencing wind erosion 土壤風蝕是一個綜合的自然地理過程，受到氣候、土壤、植被、地形

16、和人為活動等因素的共同制約。 風蝕因子：影響風蝕強度的所有因素。 按其在風蝕過程中的作用性質(zhì)，分為侵蝕性因子、可蝕性因子和干擾因子三大類。第五章 土壤風蝕與防治 Chepil (1962)提出氣候因子的概念 氣候因子是土壤濕度和平均風速的函數(shù)23386PEuC u 平均風速PE Thornthwaite 指數(shù)910121228 . 116. 3iiiTPPE 侵蝕性因子（Erosive factors）不足：降水量為零時，氣候因子趨于無窮大。經(jīng)驗系數(shù)有局限性。第五章 土壤風蝕與防治 由于干旱條件下氣候因子可能成為一個很大值的問題，由于干旱條件下氣候因子可能成為一個很大值的問題， 聯(lián)合國糧農(nóng)組織

17、聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO，1979) 對對Chepil公式進行了修訂：公式進行了修訂：dETPPETPuCiiii12131001u mean monthly wind speed at 2 m height (m/s)月平均風速月平均風速ETPi potential monthly evaporation amount (mm)潛在蒸發(fā)量潛在蒸發(fā)量Pi monthly precipitation (mm)降水量降水量d number of day in the month concerned.-當月總天數(shù)當月總天數(shù)The distribution of wind erosion climati

18、c factor (C Value) in the arid and semiarid areas of China (Dong and Kang 1994) 如果降水量為如果降水量為0 0，風速是風蝕氣候因子的決定因素。，風速是風蝕氣候因子的決定因素。當降水量接近蒸發(fā)量，氣候因子趨于當降水量接近蒸發(fā)量，氣候因子趨于0 0，無風蝕。，無風蝕。第五章 土壤風蝕與防治粗糙度因子粗糙度因子 植被：高度與密度植被：高度與密度(蓋度蓋度)決定氣流接觸地表（土壤受保護）的決定氣流接觸地表（土壤受保護）的范圍，降低風速，影響平均動力粗糙度范圍，降低風速，影響平均動力粗糙度Wasson & Nanni

19、ga (1986)基于基于Bagnold輸沙率公式，建立了植被降輸沙率公式，建立了植被降低風蝕的模型低風蝕的模型0102030405060708090100681012 Threshold wind volecityVegetation coverage(%)Wind volecity (m s-1)050100150 Wind erosion rate (15 m s-1 wind speed)Wind erosion rate (kg m-2min-1)Relationship between vegetation coverage and wind erosion in wind tun

20、nel experiment (data from Dong et al.1995)3*)(221uueBqckck 侵蝕性因子（Erosive factors）第五章 土壤風蝕與防治 作物殘留物作物殘留物粗糙度因子粗糙度因子 侵蝕性因子（Erosive factors）第五章 土壤風蝕與防治 土塊土塊 與難蝕性碎片：與難蝕性碎片：難蝕性顆粒對難蝕性顆粒對易蝕性顆粒的遮蓋、保護作用易蝕性顆粒的遮蓋、保護作用 一方面，難蝕性物質(zhì)比例將隨著風蝕一方面，難蝕性物質(zhì)比例將隨著風蝕發(fā)展、可蝕物的損失而增加；另一方發(fā)展、可蝕物的損失而增加；另一方面，土塊與難蝕性碎片也逐漸風化、面，土塊與難蝕性碎片也逐漸風

21、化、磨蝕，失去保護地表的功能磨蝕，失去保護地表的功能 土壟土壟 Ridge：垂直于主風向的土壟可垂直于主風向的土壟可以增加動力粗糙度，攔截流沙，有效以增加動力粗糙度，攔截流沙，有效地降低農(nóng)田土壤風蝕地降低農(nóng)田土壤風蝕Clods in loam soils usually resist breakdownListing produces ridges in sandy soil粗糙度因子粗糙度因子 侵蝕性因子（Erosive factors）第五章 土壤風蝕與防治 防護林或風障防護林或風障Wind barrier：降低風速降低風速，產(chǎn)生渦旋，消耗，產(chǎn)生渦旋，消耗氣流能量，改變氣氣流能量，改變氣流

22、特性流特性粗糙度因子粗糙度因子 侵蝕性因子（Erosive factors）（高函等，2010）第五章 土壤風蝕與防治 地形（坡度）：氣流在爬坡過程中呈加速趨勢，速度的增加率與坡長存在良好的線性關(guān)系，而坡面上顆粒起動風速也是隨著坡度的增加而增大。-505101520253035400.00.51.01.52.02.5Wind erosion accelerated rateSlope degreeRelationship between wind erosion accelerated rate and slope on upslope (data from Dong 1994)兩者的對比關(guān)系

23、決定著風蝕量的增大或減少。在地形起伏不大、坡度小于25的情況下，風蝕量一般隨坡度增加而加大 Chepil 發(fā)現(xiàn)，在小圓丘地形上，隨著坡度增加和接近小丘頂部，土壤風蝕急劇增加粗糙度因子粗糙度因子 侵蝕性因子（Erosive factors）第五章 土壤風蝕與防治 可蝕性因子（可蝕性因子（Erodibility）Chepil 發(fā)現(xiàn)土壤的相對可蝕性是各種粒徑的干土壤團聚體比重和所占比例的函數(shù)，粒徑0.84 mm的不易風蝕的顆粒含量。無量綱的土壤可蝕性因子 I：粒徑0.84 mm的顆粒、土塊與團聚體所占的百分數(shù)12XXI X1 粒徑0.84 mm土塊占60的土壤的年吹蝕量X2 同樣條件下，粒徑0.84

24、 mm土塊占其它任何比例的土壤的年吹蝕量土壤可蝕性：土壤對風分離和傳輸?shù)拿舾谐潭然螂y易，是影響風蝕的重要變量。影響因素有顆粒粒度組成、水分含量、鹽分含量、容重、干團聚體結(jié)構(gòu)和有機質(zhì)含量等。第五章 土壤風蝕與防治 影響風蝕的土壤基本因子主要有：土壤質(zhì)地、水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)、土壤有機質(zhì)、土壤微生物、土壤水分、碳酸鈣、有機質(zhì)分解的各種產(chǎn)物和土壤膠體物質(zhì)等土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地 Chepil認為，質(zhì)地最粗和最細的土壤比中等質(zhì)地的土壤更易風蝕，2030的粘粒、4050的粉沙和2040的沙粒組成的混合結(jié)構(gòu)，顯示出較高的穩(wěn)定度 土壤可蝕性指標土壤可蝕性指標Iw與粘粒含量與粘粒含量W的的關(guān)系關(guān)系WbWcaWI 可蝕性因子（

25、可蝕性因子（Erodibility）第五章 土壤風蝕與防治土壤水分土壤水分 Chepil (1956)：土壤可蝕性隨土壤水分增加量的平方而減小，達到：土壤可蝕性隨土壤水分增加量的平方而減小，達到15的大氣壓，則不會發(fā)生風蝕。的大氣壓，則不會發(fā)生風蝕。6 67 78 89 9101011111212131314140 02 24 46 68 81010土壤含水率土壤含水率( () )起沙風速起沙風速( (m/s)m/s)土壤含水率與起沙風速的關(guān)系土壤含水率與起沙風速的關(guān)系 含水量2%是一個閾值點； 在自然界的大多數(shù)風速條件下，若含水量大于5%時，一般不發(fā)生風蝕。 可蝕性因子（可蝕性因子（Erod

26、ibility）第五章 土壤風蝕與防治土壤有機質(zhì)及其分解物質(zhì)土壤有機質(zhì)及其分解物質(zhì) 土壤有機質(zhì)含量高，風蝕速率增加 植物分解產(chǎn)生大量的膠結(jié)物質(zhì)，對土壤團聚體的形成、降低風蝕具有重要的作用 分解后的有機質(zhì)會增加土壤的易蝕性Chepil (1955) ：增加有機質(zhì)對土壤可蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)，給土壤中摻入16的有機物，在有機物分解初期 (不到一年)就能導(dǎo)致土塊形成，并降低可蝕性；但超過四年后，土塊形成率降低，而可蝕性增加。由此斷定，對于改善土壤凝聚性來說，結(jié)土壤中不斷摻施有機物是必要的，而且，這些物質(zhì)留在地表，破碎率較低， 比把它們犁入土中更為有效 可蝕性因子（可蝕性因子（Erodibility）第五

27、章 土壤風蝕與防治碳酸鈣使土壤結(jié)構(gòu)變壞：碳酸鈣或石灰含量高的土壤，其成塊性和機械穩(wěn)定性會大大降低，土壤可蝕性明顯加大。但對沙質(zhì)土壤例外：土壤結(jié)構(gòu)性差，施用碳酸鈣有利。土壤中的碳酸鈣含量超過10，對防治風蝕是比較危險的；不超過0.3時，不會影響土壤的可蝕性。 可蝕性因子（可蝕性因子（Erodibility）碳酸鈣碳酸鈣第五章 土壤風蝕與防治人為因素可以改變氣流和地表物質(zhì)之間的平衡。當?shù)乇砥茡p率大于34%時，地表風蝕率顯著增加（董治寶等，1997）風蝕率與地表破損率的關(guān)系： 干擾因子（人為因素）干擾因子（人為因素）第五章 土壤風蝕與防治 干擾因子干擾因子第五章 土壤風蝕與防治 牲畜踐踏與樵采牲畜踐

28、踏與樵采第五章 土壤風蝕與防治第五章 土壤風蝕與防治第六節(jié) 土壤風蝕評估模型 風蝕速率是土壤風蝕強度劃分的唯一指標 Classification of wind erosion magnitude Grade Zachar (1982) Erosion rate (m3 ha-1 a-1) Ministry of Water Resources China(1997) Erosion rate (t km-2 a-1) Weak 0.5 200 15000扎切爾（1982）將風蝕分為六個等級：無感風蝕、輕微風蝕、中度風蝕、重度風蝕、極重度風蝕、災(zāi)難性風蝕。 風蝕強度等級風蝕強度等級第五章 土壤

29、風蝕與防治在在FAO & UNDP(1984)沙漠化評價指標體系中，以風蝕速率將沙漠化評價指標體系中，以風蝕速率將沙漠化劃分為：沙漠化劃分為：5.0 t/haa 風蝕速率也是劃分土地沙漠化的主要指標董玉祥等董玉祥等(1995)以地表土以地表土層吹蝕量比例層吹蝕量比例(1/2) 作為作為劃分沙漠化程度類型的四劃分沙漠化程度類型的四個指標之一個指標之一第五章 土壤風蝕與防治土壤風蝕評估模型何為模型？ARKLSCP通用土壤流失方程第五章 土壤風蝕與防治風蝕模型是風蝕規(guī)律的定量表達式。風蝕模型是風蝕規(guī)律的定量表達式。目的：為了定量揭示風蝕強度與程度、預(yù)測可能的目的：為了定量揭示風蝕強度與程度、

30、預(yù)測可能的發(fā)展趨勢和確定有效的控制措施。發(fā)展趨勢和確定有效的控制措施。風蝕模型可分為風蝕模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、物理模型和?shù)學(xué)模型經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑽锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型三三大類。大類。經(jīng)驗?zāi)Ｐ停褐饕鶕?jù)實驗或野外觀測結(jié)果用統(tǒng)計分析方法建立，缺乏嚴密的物理和經(jīng)驗?zāi)Ｐ停褐饕鶕?jù)實驗或野外觀測結(jié)果用統(tǒng)計分析方法建立，缺乏嚴密的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。物理模型：在確定模型變量的基礎(chǔ)上，通過各變量在風蝕過程中作用物理機制的物理模型：在確定模型變量的基礎(chǔ)上，通過各變量在風蝕過程中作用物理機制的分析，應(yīng)用物理學(xué)方法建立。分析，應(yīng)用物理學(xué)方法建立。數(shù)學(xué)模型：主要通過風沙兩相流體動力學(xué)方程組求解得到。數(shù)學(xué)模型：主要通過風沙

31、兩相流體動力學(xué)方程組求解得到。土壤風蝕評估模型第五章 土壤風蝕與防治主要風蝕模型風蝕模型的時空尺度第五章 土壤風蝕與防治 在過去多年的風蝕模型研究中，由于對風蝕因子及風蝕過程在過去多年的風蝕模型研究中，由于對風蝕因子及風蝕過程的理解及其作用形式認識程度的差異，不同的研究者歸納出不的理解及其作用形式認識程度的差異，不同的研究者歸納出不同的模型變量，從而提出不同的風蝕模型。同的模型變量，從而提出不同的風蝕模型。Dong (1998)風蝕模型所選取的變量風蝕模型所選取的變量RWEQ修正風蝕方程所選取的變量修正風蝕方程所選取的變量風蝕模型的變量第五章 土壤風蝕與防治),(VLCKIfE I 土壤可蝕性

32、土壤可蝕性; K 土壤糙度因子土壤糙度因子;C 氣候因子氣候因子; L 田塊裸露長度田塊裸露長度; V 植被因子植被因子.逐步圖表求解法逐步圖表求解法（1）通用風蝕方程（WEQ）第五章 土壤風蝕與防治第一步第一步(E1)：E1I Is（可蝕性）（可蝕性） I86 美噸美噸/英畝英畝a、 Is145 E1I Is 125 美噸美噸/英畝英畝a145例如：例如：粒徑粒徑0.84 mm 含量含量25，坡度，坡度3，2640 英尺田塊英尺田塊 (南北向，長南北向，長寬寬) ，800磅磅/ 英畝小麥殘余物英畝小麥殘余物(平鋪平鋪)，60英尺高防護障，無壟英尺高防護障，無壟（1）通用風蝕方程（WEQ）第五

33、章 土壤風蝕與防治 第二步第二步(E2)：E2E1K （粗糙度：土壟）（粗糙度：土壟）K1 E2125 美噸美噸/英畝英畝a（1）通用風蝕方程（WEQ）例如：例如：粒徑粒徑0.84 mm 含量含量25，坡度坡度3，2640 英尺田塊英尺田塊 (南北向，長南北向，長寬寬) ，800磅磅/ 英畝小麥殘余物英畝小麥殘余物(平鋪平鋪)，60英尺高防護障，英尺高防護障，無壟無壟第五章 土壤風蝕與防治23386PEuC 910121228 . 116. 3iiiTPPE（1）通用風蝕方程（WEQ）C 50% E362.5 美噸美噸/英畝英畝a 第三步第三步(E3)：E3E2C （氣候因子）（氣候因子）第五

34、章 土壤風蝕與防治 WEQ的意義 可以預(yù)測農(nóng)田風蝕量 確定風蝕防治措施以達到風蝕容忍量以下 確定防護帶的間距 估算農(nóng)田風蝕懸移物總量 估計風蝕對農(nóng)田土地生產(chǎn)力的影響（1）通用風蝕方程（WEQ）第五章 土壤風蝕與防治WEQ是建立在 Garden City(Kansas)氣候條件基礎(chǔ)上的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，當?yīng)用于氣候條件差異較大的地區(qū)時，誤差很大WEQ在計算中沒有考慮各種風蝕因子之間的復(fù)雜關(guān)系，將各因子視為彼此獨立的，因而風蝕因子的總體效應(yīng)均用乘積的方式來表達，由此會夸大某些因子的作用WEQ是一個純經(jīng)驗?zāi)Ｐ停蛔⒅睾暧^上應(yīng)用的方便，與微觀的風蝕機制研究脫節(jié)，得不到風蝕基礎(chǔ)理論的支持 WEQ的局限（1）通用

35、風蝕方程（WEQ）第五章 土壤風蝕與防治（2）修正風蝕方程）修正風蝕方程 RWEQ第五章 土壤風蝕與防治Qx 田塊長度x處的風蝕量；x 地塊長度；s 由正坡向負坡的轉(zhuǎn)折點；WF 氣象因子；EF 土壤可蝕性成分； SCF 土壤結(jié)皮因子；COG 植被因子，包括平輔作物殘留物、直立作物殘留物及植被冠層； K 土壤粗糙度；（2）修正風蝕方程）修正風蝕方程 RWEQ)(8 .109maxCOGKSCFEFWFQ)(exp(22max2sxQsxQx3711. 0)(71.150COGKSCFEFWFs第五章 土壤風蝕與防治（2）修正風蝕方程）修正風蝕方程 RWEQWFnU2為為2 m處風速處風速(m/s

36、)；nUt 為為2 m處臨界風速處臨界風速(假定為假定為5 m/s)；nN 為風速的觀測次數(shù)；為風速的觀測次數(shù)；nNd 為試驗的天數(shù)為試驗的天數(shù)(d)；n為空氣密度為空氣密度(kg/m3) ；ng 為重力加速度為重力加速度(m/s2)；nSW為土壤濕度因子為土壤濕度因子(無量綱無量綱) ；nR為降雨量為降雨量(mm)；nI 為灌溉量為灌溉量(mm)；nRd為降雨次數(shù)和為降雨次數(shù)和(或或)灌溉天數(shù)；灌溉天數(shù)；nNd 為觀測天數(shù)為觀測天數(shù)(d，一般，一般15d)；nSR 為太陽輻射總量為太陽輻射總量(cal/cm2)；nDT 為平均溫度為平均溫度()；nSD 為雪覆蓋因子為雪覆蓋因子；nP 為計算

37、時段內(nèi)積雪覆蓋深度大于為計算時段內(nèi)積雪覆蓋深度大于25.4 mm的概率。的概率。2221()NtdiU UUNWFSWSDNg(RI)dpdpRETNSWET0.0162(17.8)58.5pSRETDTSD1 P( 雪深25.4mm）第五章 土壤風蝕與防治（2）修正風蝕方程）修正風蝕方程 RWEQEF、SCFnSa 為土壤砂粒含量(5.5%93.6%)；nSi 為土壤粉砂含量(0.5%69.5%)；nSa/Cl 為土壤砂粒和粘土含量比(1.2%53.0%)；nCl 為粘土含量(5.0%39.3%)；nOM為有機質(zhì)含量(0.32%4.74%)；nCaCO3為碳酸鈣含量(025.2%)。329.

38、090.310.170.33/Cl 2.59OM 0.95CaCO100SaSiSaEF=2211 0.0066(Cl)0.021(OM)SCF (Fryear et al, 1994)第五章 土壤風蝕與防治（2）修正風蝕方程）修正風蝕方程 RWEQCOGcsfSLRSLRSLRCOG)(0438. 0SCfeSLR)(0344. 06413. 0SAseSLR)(614. 57366. 0ccceSLRnSLRf 平鋪覆蓋土壤損失率系數(shù)；nSC 土壤表層平鋪覆蓋率（%）；nSLRs 傾斜植物覆蓋下土壤損失率；nSA 傾斜覆蓋面積=1m2上直立秸稈數(shù)量秸稈平均直徑(cm) 直立高度(cm)；n

39、SLRc 生長作物冠層下土壤損失率；ncc 土壤表面受作物冠層覆蓋部分。第五章 土壤風蝕與防治RWEQ借助計算機語言求解，界面以視窗的形式實現(xiàn)人機對話，便于操作40多個地區(qū)的預(yù)測結(jié)果表明，只要有理想的氣象、土壤、作物和農(nóng)田管理輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用RWEQ是可以取得比較精確的預(yù)報結(jié)果的RWEQ并未擺脫WEQ的思想束縛，各變量的綜合作用效果仍用乘積的形式表達，同WEQ一樣，RWEQ是根據(jù)美國，主要是大平原地區(qū)的實際條件建立起來的，缺乏理論和物理過程基礎(chǔ)。許多參數(shù)是經(jīng)驗型的，其普適性仍有待于進一步驗證和修正修正風蝕方程修正風蝕方程 優(yōu)缺點優(yōu)缺點第五章 土壤風蝕與防治n模型假設(shè)模型假設(shè)n風洞足以模擬風蝕過程

40、n本文所選擇的模型變量可以基本上滿足建模要求和保證模型的有效性n各模型變量在風蝕過程中對風蝕流失量的作用可以認為是相對獨立的事件。（3）流域多變量風蝕預(yù)測模型第五章 土壤風蝕與防治n根據(jù)風洞模擬實驗建立風蝕流失量模型的關(guān)鍵問題根據(jù)風洞模擬實驗建立風蝕流失量模型的關(guān)鍵問題n通過風洞模擬實驗得出風蝕流失量與各模型變量的定量關(guān)系n對比風洞實驗和野外觀測結(jié)果，建立數(shù)量對比關(guān)系n搞清研究區(qū)內(nèi)模型變量的時空變化規(guī)律n對瞬時點風蝕流失量進行時間和空間積分（3）流域多變量風蝕預(yù)測模型第五章 土壤風蝕與防治模型變量的選取第五章 土壤風蝕與防治n風洞模擬實驗風洞模擬實驗風蝕流失量與各變量的關(guān)系風蝕流失量與各變量的

41、關(guān)系（3）流域多變量風蝕預(yù)測模型變變 量量關(guān)關(guān) 系系風速2次冪函數(shù)關(guān)系 EV2空氣相對濕度-8次冪函數(shù)關(guān)系 EH-8土體顆粒粒徑-2次冪函數(shù)關(guān)系 Ed-2土體硬度反比例關(guān)系 E1/F植被蓋度指數(shù)函數(shù)關(guān)系 EKVCR人為地表結(jié)構(gòu)破損率2次冪函數(shù)關(guān)系 ESDR2坡度三次多項式第五章 土壤風蝕與防治n風洞瞬時點風蝕流失通量函數(shù)風洞瞬時點風蝕流失通量函數(shù)（3）流域多變量風蝕預(yù)測模型)/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (25.1172825232FdHSDRVCRVfV 風速；H 空氣相對濕度；d 顆粒平均直徑；F 土體硬度；VCR 植被蓋度；SDR 人為

42、地表結(jié)構(gòu)破損率； 坡度。n風洞瞬時點風蝕流失通量函數(shù)風洞瞬時點風蝕流失通量函數(shù))/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (91. 32825232FdHSDRVCRVf第五章 土壤風蝕與防治（3）流域多變量風蝕預(yù)測模型n區(qū)域風蝕流失量QdtdydxtyxFdHSVfDRVT x yCR),)/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (91. 32825232V 風速；H 空氣相對濕度；d 顆粒平均直徑；F 土體硬度；VCR 植被蓋度；SDR 人為地表結(jié)構(gòu)破損率； 坡度。第五章 土壤風蝕與防治n案例（3）流域多變量

43、風蝕預(yù)測模型陜北黃土高原防風固沙量分布圖（李晶和任志遠，2011）第五章 土壤風蝕與防治土壤風蝕測定n137Cs示蹤技術(shù)示蹤技術(shù)n137Cs是大氣核試驗產(chǎn)生的人工放射性核素，自然本底為0n137Cs化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與土壤顆粒強烈吸附n137Cs在土壤中的含量比較適中，便于樣品采集和測定n環(huán)境中環(huán)境中137Cs的來源的來源n大氣層核武器試驗和核電站泄漏事故n隨降水過程到達地表或沉降到地表n被土壤吸附并隨之運動第五章 土壤風蝕與防治137Cs侵蝕示蹤基本原理n主要沉降于20世紀50年代末期至60年代初期，當其降落到地表后，迅速被土壤顆粒強烈吸附；n基本不被植物吸收和降水淋溶，只隨土壤顆粒移動而遷移；

44、n假定137Cs在一定區(qū)域內(nèi)的最初分布是均勻的，則測定地點137Cs含量與本底值之間的差異可以表征137Cs沉降以來土壤顆粒再分布的凈值；n在137Cs流失量與土壤侵蝕速率關(guān)系確定的條件下，通過測定采樣點137Cs含量，可以計算土壤侵蝕速率。第五章 土壤風蝕與防治137Cs在土壤中的深度分布n非農(nóng)耕地非農(nóng)耕地（師華定和齊永青，2010）第五章 土壤風蝕與防治137Cs在土壤中的深度分布n農(nóng)耕地農(nóng)耕地（師華定和齊永青，2010）第五章 土壤風蝕與防治137Cs技術(shù)定量土壤侵蝕速率技術(shù)路線（鄭永春等，1998）第五章 土壤風蝕與防治137Cs土壤侵蝕量計算模型n耕作土壤侵蝕量計算模型耕作土壤侵蝕量

45、計算模型n經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚗Y Y 年均土壤侵蝕量（t/hm2）；X 土壤137Cs損失百分率X=(Aref -A) / Aref * 100，其中Aref為研究區(qū)域本底值面積濃度（Bq/m2），A為采樣點土壤面積濃度；， 待定系數(shù)（Ritchie et al., 1974）第五章 土壤風蝕與防治137Cs土壤侵蝕量計算模型n耕作土壤侵蝕量計算模型耕作土壤侵蝕量計算模型n理論模型KEFSStttt)(1St、St-1 t 年和 t-1 年末土壤剖面137Cs活度的面積濃度，Bq/m2Ft t年的137Cs沉降量， Bq/m2Et t年的土壤侵蝕損失的137Cs量，Bq/m2K 137Cs年賦存系數(shù)（0

46、.977）(Kachanoski, 1987)第五章 土壤風蝕與防治137Cs土壤侵蝕量計算模型n非耕作土壤侵蝕量計算模型非耕作土壤侵蝕量計算模型n剖面分布模型heAA0A 侵蝕地點137Cs活度的面積濃度，Bq/m2 ；A0 137Cs本底值，Bq/m2； 137Cs深度分布形態(tài)指數(shù)；h 1963年來總侵蝕厚度，cm；（Zhang et al., 1990）第五章 土壤風蝕與防治137Cs土壤侵蝕量計算模型n非耕作土壤侵蝕量計算模型非耕作土壤侵蝕量計算模型n質(zhì)量平衡模型tuttuAdtetPRC0) () (P 土壤粒徑校正系數(shù)；R 土壤年侵蝕（再分布）速率，kg/m2；Au 侵蝕土壤137

47、Cs面積濃度，Bq/m2 ；Cu(t) 表層土壤137Cs比活度，Bq/m2 ； 137Cs深度分布形態(tài)指數(shù)；第五章 土壤風蝕與防治案例第五章 土壤風蝕與防治研究樣帶第五章 土壤風蝕與防治采樣點第五章 土壤風蝕與防治確定137Cs本底值n選擇植被覆蓋度90%100%, 地表枯落層完整，較少擾動的平坦地點，采集本底值樣品。n模型模擬。第五章 土壤風蝕與防治采樣點土壤風蝕速率n剖面分布模型)1963(0TheAAA 侵蝕地點137Cs活度的面積濃度，Bq/m2 ；A0 137Cs本底值，Bq/m2； 137Cs深度分布形態(tài)指數(shù)；h 1963年來總侵蝕厚度，cm；T 采樣年份第五章 土壤風蝕與防治結(jié)

48、果第五章 土壤風蝕與防治第五章 土壤風蝕與防治第五章 土壤風蝕與防治 風蝕控制的基本原理動力學(xué)原理：風障（防護林）降低風速土壤學(xué)原理：改良土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤抗風蝕能力粗糙度原理：植被覆蓋，增加地表粗糙度第七節(jié) 土壤風蝕控制第五章 土壤風蝕與防治 風蝕控制的主要措施SWCS (Alberta Chapter). Wind Erosion Prevention poster Online. (1997, August 28). http:/www.environment.ualberta.ca/SoilPosters/wind.cfmA. A. 過度和反復(fù)的耕作使土塊破過度和反復(fù)的耕作使土塊破碎，

49、成為細顆粒，也使草桿、枝碎，成為細顆粒，也使草桿、枝葉等植物殘余物破損，表土不再葉等植物殘余物破損，表土不再受到植物保護，很容易遭受風蝕受到植物保護，很容易遭受風蝕B. B. 種植防風林是降低風種植防風林是降低風速、減少風蝕的有效方法速、減少風蝕的有效方法。防風林帶要經(jīng)過周密的。防風林帶要經(jīng)過周密的設(shè)計，使林帶內(nèi)土壤免遭設(shè)計，使林帶內(nèi)土壤免遭風蝕。防風林帶在夏冬季風蝕。防風林帶在夏冬季都可以防治風蝕。在冬季都可以防治風蝕。在冬季，樹木積雪，到春季融化，樹木積雪，到春季融化，為農(nóng)作物提供更多的水，為農(nóng)作物提供更多的水分分C. C. 帶狀種植是防治土壤風帶狀種植是防治土壤風蝕另一個有效辦法。在這蝕

50、另一個有效辦法。在這些窄帶中，通過地表留茬些窄帶中，通過地表留茬，削弱風力對表土的侵蝕，削弱風力對表土的侵蝕作用。茬地間的夏季休耕作用。茬地間的夏季休耕地不能太寬，以避免風蝕地不能太寬，以避免風蝕發(fā)生發(fā)生D. D. 地表保留一定數(shù)量的作物殘余物（草桿、地表保留一定數(shù)量的作物殘余物（草桿、枯枝）對風蝕防治是十分重要的。在種植上枯枝）對風蝕防治是十分重要的。在種植上，直接在留茬地上播種，以代替播種前的翻，直接在留茬地上播種，以代替播種前的翻耕。這樣，土壤顆粒得到庇護，不會遭受吹耕。這樣，土壤顆粒得到庇護，不會遭受吹蝕。蝕。E. E. 由于耕作的減少，造成雜草滋生的問題。由于耕作的減少，造成雜草滋生的問題?？梢酝ㄟ^噴灑選擇性除草劑，這樣，可以保留可以通過噴灑選擇性除草劑，這樣，可以保留更多的作物殘余物，防止土壤風蝕更多的作物殘余物，防止土壤風蝕第五章 土壤風蝕與防治粗糙、多塊的地表作物留茬固結(jié)劑（土壤改良）風障（防護林）帶狀耕作應(yīng)急耕作措施 風蝕控制的主要措施第五章 土壤風蝕與防治In reduced and zero tillage systems, crop residues must be spread evenly 風蝕控制的主要措施