第五章 土壤风蚀与防治-赵媛媛-l

1、水土保持与荒漠化防治专业课程水土保持与荒漠化防治专业课程风沙物理学风沙物理学之之赵媛媛第五章第五章 土壤风蚀与防治土壤风蚀与防治第五章 土壤风蚀与防治课程安排绪论风沙物理的基础知识风及其基本性质沙及其基本性质风沙运动风沙地貌动力学机制土壤风蚀与防治土壤风蚀与防治风沙物理学研究方法流体力学基础第五章 土壤风蚀与防治 土壤风蚀概况 土壤风蚀危害 土壤风蚀研究 土壤风蚀过程 土壤风蚀影响因子 土壤风蚀评估模型 土壤风蚀控制主要内容第五章 土壤风蚀与防治第一节 土壤风蚀概况 风蚀（风蚀（Wind erosion）的定义）的定义 土壤风蚀是指土壤或土壤母质在一定风力作用下，土壤结构遭受破坏以及土壤颗粒（

2、或简称土粒）发生位移的过程。 土壤及其母质在风力作用下的剥蚀、分选、搬运的过程。实际是风沙运动过程，但与一般的风沙运动有所区别。缓慢性、强危害性、难于测量性、影响因素复杂性；以细小粒子为主，悬移质较多。第五章 土壤风蚀与防治 塑造地球景观的基本地质或地貌过程之一，是一个综合的自然地理过程 土地沙漠化(沙质荒漠化)的首要环节和重要组成部分 土壤侵蚀的重要类型土壤风蚀与沙尘暴土壤风蚀与沙尘暴(青海共和盆地青海共和盆地1999年年4月月10日日)第五章 土壤风蚀与防治Global status of soil degradationFrom ISRIC, UNEP, FAO,1996 (http:/

3、/docrep/003/w2612e/w2612eMap12-e.pdf) 风蚀现状：全球全球约2/3的国家、1/4陆地面积和9亿多人口遭受土壤风蚀、沙质荒漠化和灾害性风沙天气危害,每年经济损失约540亿美元土壤风蚀概况第五章 土壤风蚀与防治 美国美国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. 土壤风蚀概况第五章 土壤风蚀与防治 加拿大 澳大利亚澳大利亚Acc

6、elerated Erosion Index (AEI) 1986-1996土壤风蚀概况第五章 土壤风蚀与防治Distribution of Desertification in ChinaSource: CCICCD, 1997(http:/ 我国干旱、半干旱及部分湿润我国干旱、半干旱及部分湿润地区土地退化或荒漠化的主要地区土地退化或荒漠化的主要过程之一过程之一 中国土壤风蚀概况中国荒漠化和沙化状况公报，2011第五章 土壤风蚀与防治（2004-2011）第五章 土壤风蚀与防治第二节 土壤风蚀危害 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 表土吹蚀，尤其是细粒物质、有机质表土吹蚀，尤其是细粒物质、有机质的丧失的丧失 对植被、作物的危害对植被、作物的危害 土地生产力、作物产量的降低土地生产力、作物产量的降低 农田、草场、房屋的掩埋农田、草场、房屋的掩埋第五章 土壤风蚀与防治 异地危害 Off-site damage沙尘暴与土地沙漠化大气污染，危害人类身体健康水体污染及水利设施的危害对交通、通讯设施的

8、危害Dust storm in Gansu, 1999-05-05土壤风蚀危害第五章 土壤风蚀与防治第三节 土壤风蚀研究董治宝等，1995第五章 土壤风蚀与防治 风蚀研究是一个综合的多学科的研究领域 地质学地质学：风蚀是一种地质地貌过程：风蚀是一种地质地貌过程 风沙物理学与沙漠科学风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙地貌、土地：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙地貌、土地沙漠化的关系沙漠化的关系 土壤学与农业科学土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治 林业科学林业科学：风蚀荒漠化（中国）：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术、风蚀防治

9、的防护林技术 土壤侵蚀与水土保持土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究成果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱成果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 其它（大气科学、环境科学等）其它（大气科学、环境科学等）：风蚀动力因子、风蚀与沙尘暴：风蚀动力因子、风蚀与沙尘暴第三节 土壤风蚀研究第五章 土壤风蚀与防治地质学：风蚀是一种地质地貌过程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残山残山土壤风蚀研究第五章 土壤风蚀与防治风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙地貌、土地沙漠化的关系地貌、土地沙漠化的关系土壤风蚀研究第五章 土壤风蚀与防治土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治土壤风蚀研究第五章 土壤风蚀与防治林业科学：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术Shelterbelt in Northern China Plain 防护距离防护距离(m) 百分比百分比() 防护林对风速和防护林对风速和风蚀量的降低效风蚀量的降低效

11、益益(40%疏透率疏透率) (Hagen 1976)土壤风蚀研究第五章 土壤风蚀与防治 土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究成土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究成果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 (Hudson 1971; Kirkby & Morgan 1980; Zachar 1982; Lal 1988)把水蚀和风蚀作为降水和植被盖度的把水蚀和风蚀作为降水和植被盖度的函数所估算的土壤侵蚀速率函数所估算的土壤侵蚀速率 (Kirkby & Morgan 1980)土壤风蚀研究第五

12、章 土壤风蚀与防治第四节 土壤风蚀过程 土壤颗粒的起动：起动风速 土壤颗粒的运动：三种方式 土壤风蚀的分选作用：土壤表层粗化第五章 土壤风蚀与防治 土粒起动流体临界起动风速流体临界起动风速吹蚀（净风侵蚀，流体风蚀）吹蚀（净风侵蚀，流体风蚀）冲击临界起动风速冲击临界起动风速磨蚀（风沙流侵蚀，冲击风蚀）磨蚀（风沙流侵蚀，冲击风蚀）地表物质的位移是在风力直接作用下发生的。地表物质的位移是在风力直接作用下发生的。当风吹地表时，由于风的动压力等作用，降低表松散沉积物或基当风吹地表时，由于风的动压力等作用，降低表松散沉积物或基岩风化物（沙物质）吹走，使地表遭到破坏。岩风化物（沙物质）吹走，使地表遭到破坏。

13、当风沙流（挟沙气流）吹经地表时，由运动沙粒撞击地表而引起当风沙流（挟沙气流）吹经地表时，由运动沙粒撞击地表而引起的地表破坏和物质的位移。的地表破坏和物质的位移。磨蚀强度一般比吹蚀大。磨蚀强度一般比吹蚀大。相同风速时，磨蚀强度是吹蚀强度的相同风速时，磨蚀强度是吹蚀强度的4-5倍（董光荣等，倍（董光荣等，1987）。）。第五章 土壤风蚀与防治 土粒搬运n跃移跃移 55%-72%55%-72%n悬移悬移 3%-38%3%-38%n蠕移蠕移 7-25%7-25%土壤风蚀量：在一定条件下单位时间单位面积上风蚀的土壤重量。第五章 土壤风蚀与防治土壤风蚀过程农田土壤风蚀引起的地表粗化农田土壤风蚀引起的地表粗

14、化第五章 土壤风蚀与防治第五节 土壤风蚀影响因子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 土壤风蚀是一个综合的自然地理过程，受到气候、土壤、植被、地形

16、和人为活动等因素的共同制约。 风蚀因子：影响风蚀强度的所有因素。 按其在风蚀过程中的作用性质，分为侵蚀性因子、可蚀性因子和干扰因子三大类。第五章 土壤风蚀与防治 Chepil (1962)提出气候因子的概念 气候因子是土壤湿度和平均风速的函数23386PEuC u 平均风速PE Thornthwaite 指数910121228 . 116. 3iiiTPPE 侵蚀性因子（Erosive factors）不足：降水量为零时，气候因子趋于无穷大。经验系数有局限性。第五章 土壤风蚀与防治 由于干旱条件下气候因子可能成为一个很大值的问题，由于干旱条件下气候因子可能成为一个很大值的问题， 联合国粮农组织

17、联合国粮农组织（FAO，1979) 对对Chepil公式进行了修订：公式进行了修订：dETPPETPuCiiii12131001u mean monthly wind speed at 2 m height (m/s)月平均风速月平均风速ETPi potential monthly evaporation amount (mm)潜在蒸发量潜在蒸发量Pi monthly precipitation (mm)降水量降水量d number of day in the month concerned.-当月总天数当月总天数The distribution of wind erosion climati

18、c factor (C Value) in the arid and semiarid areas of China (Dong and Kang 1994) 如果降水量为如果降水量为0 0，风速是风蚀气候因子的决定因素。，风速是风蚀气候因子的决定因素。当降水量接近蒸发量，气候因子趋于当降水量接近蒸发量，气候因子趋于0 0，无风蚀。，无风蚀。第五章 土壤风蚀与防治粗糙度因子粗糙度因子 植被：高度与密度植被：高度与密度(盖度盖度)决定气流接触地表（土壤受保护）的决定气流接触地表（土壤受保护）的范围，降低风速，影响平均动力粗糙度范围，降低风速，影响平均动力粗糙度Wasson & Nanni

19、ga (1986)基于基于Bagnold输沙率公式，建立了植被降输沙率公式，建立了植被降低风蚀的模型低风蚀的模型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 侵蚀性因子（Erosive factors）第五章 土壤风蚀与防治 作物残留物作物残留物粗糙度因子粗糙度因子 侵蚀性因子（Erosive factors）第五章 土壤风蚀与防治 土块土块 与难蚀性碎片：与难蚀性碎片：难蚀性颗粒对难蚀性颗粒对易蚀性颗粒的遮盖、保护作用易蚀性颗粒的遮盖、保护作用 一方面，难蚀性物质比例将随着风蚀一方面，难蚀性物质比例将随着风蚀发展、可蚀物的损失而增加；另一方发展、可蚀物的损失而增加；另一方面，土块与难蚀性碎片也逐渐风化、面，土块与难蚀性碎片也逐渐风

21、化、磨蚀，失去保护地表的功能磨蚀，失去保护地表的功能 土垄土垄 Ridge：垂直于主风向的土垄可垂直于主风向的土垄可以增加动力粗糙度，拦截流沙，有效以增加动力粗糙度，拦截流沙，有效地降低农田土壤风蚀地降低农田土壤风蚀Clods in loam soils usually resist breakdownListing produces ridges in sandy soil粗糙度因子粗糙度因子 侵蚀性因子（Erosive factors）第五章 土壤风蚀与防治 防护林或风障防护林或风障Wind barrier：降低风速降低风速，产生涡旋，消耗，产生涡旋，消耗气流能量，改变气气流能量，改变气流

22、特性流特性粗糙度因子粗糙度因子 侵蚀性因子（Erosive factors）（高函等，2010）第五章 土壤风蚀与防治 地形（坡度）：气流在爬坡过程中呈加速趋势，速度的增加率与坡长存在良好的线性关系，而坡面上颗粒起动风速也是随着坡度的增加而增大。-505101520253035400.00.51.01.52.02.5Wind erosion accelerated rateSlope degreeRelationship between wind erosion accelerated rate and slope on upslope (data from Dong 1994)两者的对比关系

23、决定着风蚀量的增大或减少。在地形起伏不大、坡度小于25的情况下，风蚀量一般随坡度增加而加大 Chepil 发现，在小圆丘地形上，随着坡度增加和接近小丘顶部，土壤风蚀急剧增加粗糙度因子粗糙度因子 侵蚀性因子（Erosive factors）第五章 土壤风蚀与防治 可蚀性因子（可蚀性因子（Erodibility）Chepil 发现土壤的相对可蚀性是各种粒径的干土壤团聚体比重和所占比例的函数，粒径0.84 mm的不易风蚀的颗粒含量。无量纲的土壤可蚀性因子 I：粒径0.84 mm的颗粒、土块与团聚体所占的百分数12XXI X1 粒径0.84 mm土块占60的土壤的年吹蚀量X2 同样条件下，粒径0.84

24、 mm土块占其它任何比例的土壤的年吹蚀量土壤可蚀性：土壤对风分离和传输的敏感程度或难易，是影响风蚀的重要变量。影响因素有颗粒粒度组成、水分含量、盐分含量、容重、干团聚体结构和有机质含量等。第五章 土壤风蚀与防治 影响风蚀的土壤基本因子主要有：土壤质地、水稳性结构、土壤有机质、土壤微生物、土壤水分、碳酸钙、有机质分解的各种产物和土壤胶体物质等土壤质地土壤质地 Chepil认为，质地最粗和最细的土壤比中等质地的土壤更易风蚀，2030的粘粒、4050的粉沙和2040的沙粒组成的混合结构，显示出较高的稳定度 土壤可蚀性指标土壤可蚀性指标Iw与粘粒含量与粘粒含量W的的关系关系WbWcaWI 可蚀性因子（

25、可蚀性因子（Erodibility）第五章 土壤风蚀与防治土壤水分土壤水分 Chepil (1956)：土壤可蚀性随土壤水分增加量的平方而减小，达到：土壤可蚀性随土壤水分增加量的平方而减小，达到15的大气压，则不会发生风蚀。的大气压，则不会发生风蚀。6 67 78 89 9101011111212131314140 02 24 46 68 81010土壤含水率土壤含水率( () )起沙风速起沙风速( (m/s)m/s)土壤含水率与起沙风速的关系土壤含水率与起沙风速的关系 含水量2%是一个阈值点； 在自然界的大多数风速条件下，若含水量大于5%时，一般不发生风蚀。 可蚀性因子（可蚀性因子（Erod

26、ibility）第五章 土壤风蚀与防治土壤有机质及其分解物质土壤有机质及其分解物质 土壤有机质含量高，风蚀速率增加 植物分解产生大量的胶结物质，对土壤团聚体的形成、降低风蚀具有重要的作用 分解后的有机质会增加土壤的易蚀性Chepil (1955) ：增加有机质对土壤可蚀性的影响，发现，给土壤中掺入16的有机物，在有机物分解初期 (不到一年)就能导致土块形成，并降低可蚀性；但超过四年后，土块形成率降低，而可蚀性增加。由此断定，对于改善土壤凝聚性来说，结土壤中不断掺施有机物是必要的，而且，这些物质留在地表，破碎率较低， 比把它们犁入土中更为有效 可蚀性因子（可蚀性因子（Erodibility）第五

27、章 土壤风蚀与防治碳酸钙使土壤结构变坏：碳酸钙或石灰含量高的土壤，其成块性和机械稳定性会大大降低，土壤可蚀性明显加大。但对沙质土壤例外：土壤结构性差，施用碳酸钙有利。土壤中的碳酸钙含量超过10，对防治风蚀是比较危险的；不超过0.3时，不会影响土壤的可蚀性。 可蚀性因子（可蚀性因子（Erodibility）碳酸钙碳酸钙第五章 土壤风蚀与防治人为因素可以改变气流和地表物质之间的平衡。当地表破损率大于34%时，地表风蚀率显著增加（董治宝等，1997）风蚀率与地表破损率的关系： 干扰因子（人为因素）干扰因子（人为因素）第五章 土壤风蚀与防治 干扰因子干扰因子第五章 土壤风蚀与防治 牲畜践踏与樵采牲畜践

28、踏与樵采第五章 土壤风蚀与防治第五章 土壤风蚀与防治第六节 土壤风蚀评估模型 风蚀速率是土壤风蚀强度划分的唯一指标 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扎切尔（1982）将风蚀分为六个等级：无感风蚀、轻微风蚀、中度风蚀、重度风蚀、极重度风蚀、灾难性风蚀。 风蚀强度等级风蚀强度等级第五章 土壤

29、风蚀与防治在在FAO & UNDP(1984)沙漠化评价指标体系中，以风蚀速率将沙漠化评价指标体系中，以风蚀速率将沙漠化划分为：沙漠化划分为：5.0 t/haa 风蚀速率也是划分土地沙漠化的主要指标董玉祥等董玉祥等(1995)以地表土以地表土层吹蚀量比例层吹蚀量比例(1/2) 作为作为划分沙漠化程度类型的四划分沙漠化程度类型的四个指标之一个指标之一第五章 土壤风蚀与防治土壤风蚀评估模型何为模型？ARKLSCP通用土壤流失方程第五章 土壤风蚀与防治风蚀模型是风蚀规律的定量表达式。风蚀模型是风蚀规律的定量表达式。目的：为了定量揭示风蚀强度与程度、预测可能的目的：为了定量揭示风蚀强度与程度、

30、预测可能的发展趋势和确定有效的控制措施。发展趋势和确定有效的控制措施。风蚀模型可分为风蚀模型可分为经验模型、物理模型和数学模型经验模型、物理模型和数学模型三三大类。大类。经验模型：主要根据实验或野外观测结果用统计分析方法建立，缺乏严密的物理和经验模型：主要根据实验或野外观测结果用统计分析方法建立，缺乏严密的物理和数学基础。数学基础。物理模型：在确定模型变量的基础上，通过各变量在风蚀过程中作用物理机制的物理模型：在确定模型变量的基础上，通过各变量在风蚀过程中作用物理机制的分析，应用物理学方法建立。分析，应用物理学方法建立。数学模型：主要通过风沙两相流体动力学方程组求解得到。数学模型：主要通过风沙

31、两相流体动力学方程组求解得到。土壤风蚀评估模型第五章 土壤风蚀与防治主要风蚀模型风蚀模型的时空尺度第五章 土壤风蚀与防治 在过去多年的风蚀模型研究中，由于对风蚀因子及风蚀过程在过去多年的风蚀模型研究中，由于对风蚀因子及风蚀过程的理解及其作用形式认识程度的差异，不同的研究者归纳出不的理解及其作用形式认识程度的差异，不同的研究者归纳出不同的模型变量，从而提出不同的风蚀模型。同的模型变量，从而提出不同的风蚀模型。Dong (1998)风蚀模型所选取的变量风蚀模型所选取的变量RWEQ修正风蚀方程所选取的变量修正风蚀方程所选取的变量风蚀模型的变量第五章 土壤风蚀与防治),(VLCKIfE I 土壤可蚀性

32、土壤可蚀性; K 土壤糙度因子土壤糙度因子;C 气候因子气候因子; L 田块裸露长度田块裸露长度; V 植被因子植被因子.逐步图表求解法逐步图表求解法（1）通用风蚀方程（WEQ）第五章 土壤风蚀与防治第一步第一步(E1)：E1I Is（可蚀性）（可蚀性） I86 美吨美吨/英亩英亩a、 Is145 E1I Is 125 美吨美吨/英亩英亩a145例如：例如：粒径粒径0.84 mm 含量含量25，坡度，坡度3，2640 英尺田块英尺田块 (南北向，长南北向，长宽宽) ，800磅磅/ 英亩小麦残余物英亩小麦残余物(平铺平铺)，60英尺高防护障，无垄英尺高防护障，无垄（1）通用风蚀方程（WEQ）第五

33、章 土壤风蚀与防治 第二步第二步(E2)：E2E1K （粗糙度：土垄）（粗糙度：土垄）K1 E2125 美吨美吨/英亩英亩a（1）通用风蚀方程（WEQ）例如：例如：粒径粒径0.84 mm 含量含量25，坡度坡度3，2640 英尺田块英尺田块 (南北向，长南北向，长宽宽) ，800磅磅/ 英亩小麦残余物英亩小麦残余物(平铺平铺)，60英尺高防护障，英尺高防护障，无垄无垄第五章 土壤风蚀与防治23386PEuC 910121228 . 116. 3iiiTPPE（1）通用风蚀方程（WEQ）C 50% E362.5 美吨美吨/英亩英亩a 第三步第三步(E3)：E3E2C （气候因子）（气候因子）第五

34、章 土壤风蚀与防治 WEQ的意义 可以预测农田风蚀量 确定风蚀防治措施以达到风蚀容忍量以下 确定防护带的间距 估算农田风蚀悬移物总量 估计风蚀对农田土地生产力的影响（1）通用风蚀方程（WEQ）第五章 土壤风蚀与防治WEQ是建立在 Garden City(Kansas)气候条件基础上的经验模型，当应用于气候条件差异较大的地区时，误差很大WEQ在计算中没有考虑各种风蚀因子之间的复杂关系，将各因子视为彼此独立的，因而风蚀因子的总体效应均用乘积的方式来表达，由此会夸大某些因子的作用WEQ是一个纯经验模型，只注重宏观上应用的方便，与微观的风蚀机制研究脱节，得不到风蚀基础理论的支持 WEQ的局限（1）通用

35、风蚀方程（WEQ）第五章 土壤风蚀与防治（2）修正风蚀方程）修正风蚀方程 RWEQ第五章 土壤风蚀与防治Qx 田块长度x处的风蚀量；x 地块长度；s 由正坡向负坡的转折点；WF 气象因子；EF 土壤可蚀性成分； SCF 土壤结皮因子；COG 植被因子，包括平辅作物残留物、直立作物残留物及植被冠层； K 土壤粗糙度；（2）修正风蚀方程）修正风蚀方程 RWEQ)(8 .109maxCOGKSCFEFWFQ)(exp(22max2sxQsxQx3711. 0)(71.150COGKSCFEFWFs第五章 土壤风蚀与防治（2）修正风蚀方程）修正风蚀方程 RWEQWFnU2为为2 m处风速处风速(m/s

36、)；nUt 为为2 m处临界风速处临界风速(假定为假定为5 m/s)；nN 为风速的观测次数；为风速的观测次数；nNd 为试验的天数为试验的天数(d)；n为空气密度为空气密度(kg/m3) ；ng 为重力加速度为重力加速度(m/s2)；nSW为土壤湿度因子为土壤湿度因子(无量纲无量纲) ；nR为降雨量为降雨量(mm)；nI 为灌溉量为灌溉量(mm)；nRd为降雨次数和为降雨次数和(或或)灌溉天数；灌溉天数；nNd 为观测天数为观测天数(d，一般，一般15d)；nSR 为太阳辐射总量为太阳辐射总量(cal/cm2)；nDT 为平均温度为平均温度()；nSD 为雪覆盖因子为雪覆盖因子；nP 为计算

37、时段内积雪覆盖深度大于为计算时段内积雪覆盖深度大于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 土壤风蚀与防治（2）修正风蚀方程）修正风蚀方程 RWEQEF、SCFnSa 为土壤砂粒含量(5.5%93.6%)；nSi 为土壤粉砂含量(0.5%69.5%)；nSa/Cl 为土壤砂粒和粘土含量比(1.2%53.0%)；nCl 为粘土含量(5.0%39.3%)；nOM为有机质含量(0.32%4.74%)；nCaCO3为碳酸钙含量(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 土壤风蚀与防治（2）修正风蚀方程）修正风蚀方程 RWEQCOGcsfSLRSLRSLRCOG)(0438. 0SCfeSLR)(0344. 06413. 0SAseSLR)(614. 57366. 0ccceSLRnSLRf 平铺覆盖土壤损失率系数；nSC 土壤表层平铺覆盖率（%）；nSLRs 倾斜植物覆盖下土壤损失率；nSA 倾斜覆盖面积=1m2上直立秸秆数量秸秆平均直径(cm) 直立高度(cm)；n

39、SLRc 生长作物冠层下土壤损失率；ncc 土壤表面受作物冠层覆盖部分。第五章 土壤风蚀与防治RWEQ借助计算机语言求解，界面以视窗的形式实现人机对话，便于操作40多个地区的预测结果表明，只要有理想的气象、土壤、作物和农田管理输入数据，应用RWEQ是可以取得比较精确的预报结果的RWEQ并未摆脱WEQ的思想束缚，各变量的综合作用效果仍用乘积的形式表达，同WEQ一样，RWEQ是根据美国，主要是大平原地区的实际条件建立起来的，缺乏理论和物理过程基础。许多参数是经验型的，其普适性仍有待于进一步验证和修正修正风蚀方程修正风蚀方程 优缺点优缺点第五章 土壤风蚀与防治n模型假设模型假设n风洞足以模拟风蚀过程

40、n本文所选择的模型变量可以基本上满足建模要求和保证模型的有效性n各模型变量在风蚀过程中对风蚀流失量的作用可以认为是相对独立的事件。（3）流域多变量风蚀预测模型第五章 土壤风蚀与防治n根据风洞模拟实验建立风蚀流失量模型的关键问题根据风洞模拟实验建立风蚀流失量模型的关键问题n通过风洞模拟实验得出风蚀流失量与各模型变量的定量关系n对比风洞实验和野外观测结果，建立数量对比关系n搞清研究区内模型变量的时空变化规律n对瞬时点风蚀流失量进行时间和空间积分（3）流域多变量风蚀预测模型第五章 土壤风蚀与防治模型变量的选取第五章 土壤风蚀与防治n风洞模拟实验风洞模拟实验风蚀流失量与各变量的关系风蚀流失量与各变量的

41、关系（3）流域多变量风蚀预测模型变变 量量关关 系系风速2次幂函数关系 EV2空气相对湿度-8次幂函数关系 EH-8土体颗粒粒径-2次幂函数关系 Ed-2土体硬度反比例关系 E1/F植被盖度指数函数关系 EKVCR人为地表结构破损率2次幂函数关系 ESDR2坡度三次多项式第五章 土壤风蚀与防治n风洞瞬时点风蚀流失通量函数风洞瞬时点风蚀流失通量函数（3）流域多变量风蚀预测模型)/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (25.1172825232FdHSDRVCRVfV 风速；H 空气相对湿度；d 颗粒平均直径；F 土体硬度；VCR 植被盖度；SDR 人为

42、地表结构破损率； 坡度。n风洞瞬时点风蚀流失通量函数风洞瞬时点风蚀流失通量函数)/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (91. 32825232FdHSDRVCRVf第五章 土壤风蚀与防治（3）流域多变量风蚀预测模型n区域风蚀流失量QdtdydxtyxFdHSVfDRVT x yCR),)/()102 . 8()0001. 00021. 00441. 00413. 1 (91. 32825232V 风速；H 空气相对湿度；d 颗粒平均直径；F 土体硬度；VCR 植被盖度；SDR 人为地表结构破损率； 坡度。第五章 土壤风蚀与防治n案例（3）流域多变量

43、风蚀预测模型陕北黄土高原防风固沙量分布图（李晶和任志远，2011）第五章 土壤风蚀与防治土壤风蚀测定n137Cs示踪技术示踪技术n137Cs是大气核试验产生的人工放射性核素，自然本底为0n137Cs化学性质稳定，与土壤颗粒强烈吸附n137Cs在土壤中的含量比较适中，便于样品采集和测定n环境中环境中137Cs的来源的来源n大气层核武器试验和核电站泄漏事故n随降水过程到达地表或沉降到地表n被土壤吸附并随之运动第五章 土壤风蚀与防治137Cs侵蚀示踪基本原理n主要沉降于20世纪50年代末期至60年代初期，当其降落到地表后，迅速被土壤颗粒强烈吸附；n基本不被植物吸收和降水淋溶，只随土壤颗粒移动而迁移；

44、n假定137Cs在一定区域内的最初分布是均匀的，则测定地点137Cs含量与本底值之间的差异可以表征137Cs沉降以来土壤颗粒再分布的净值；n在137Cs流失量与土壤侵蚀速率关系确定的条件下，通过测定采样点137Cs含量，可以计算土壤侵蚀速率。第五章 土壤风蚀与防治137Cs在土壤中的深度分布n非农耕地非农耕地（师华定和齐永青，2010）第五章 土壤风蚀与防治137Cs在土壤中的深度分布n农耕地农耕地（师华定和齐永青，2010）第五章 土壤风蚀与防治137Cs技术定量土壤侵蚀速率技术路线（郑永春等，1998）第五章 土壤风蚀与防治137Cs土壤侵蚀量计算模型n耕作土壤侵蚀量计算模型耕作土壤侵蚀量

45、计算模型n经验模型XY Y 年均土壤侵蚀量（t/hm2）；X 土壤137Cs损失百分率X=(Aref -A) / Aref * 100，其中Aref为研究区域本底值面积浓度（Bq/m2），A为采样点土壤面积浓度；， 待定系数（Ritchie et al., 1974）第五章 土壤风蚀与防治137Cs土壤侵蚀量计算模型n耕作土壤侵蚀量计算模型耕作土壤侵蚀量计算模型n理论模型KEFSStttt)(1St、St-1 t 年和 t-1 年末土壤剖面137Cs活度的面积浓度，Bq/m2Ft t年的137Cs沉降量， Bq/m2Et t年的土壤侵蚀损失的137Cs量，Bq/m2K 137Cs年赋存系数（0

46、.977）(Kachanoski, 1987)第五章 土壤风蚀与防治137Cs土壤侵蚀量计算模型n非耕作土壤侵蚀量计算模型非耕作土壤侵蚀量计算模型n剖面分布模型heAA0A 侵蚀地点137Cs活度的面积浓度，Bq/m2 ；A0 137Cs本底值，Bq/m2； 137Cs深度分布形态指数；h 1963年来总侵蚀厚度，cm；（Zhang et al., 1990）第五章 土壤风蚀与防治137Cs土壤侵蚀量计算模型n非耕作土壤侵蚀量计算模型非耕作土壤侵蚀量计算模型n质量平衡模型tuttuAdtetPRC0) () (P 土壤粒径校正系数；R 土壤年侵蚀（再分布）速率，kg/m2；Au 侵蚀土壤137

47、Cs面积浓度，Bq/m2 ；Cu(t) 表层土壤137Cs比活度，Bq/m2 ； 137Cs深度分布形态指数；第五章 土壤风蚀与防治案例第五章 土壤风蚀与防治研究样带第五章 土壤风蚀与防治采样点第五章 土壤风蚀与防治确定137Cs本底值n选择植被覆盖度90%100%, 地表枯落层完整，较少扰动的平坦地点，采集本底值样品。n模型模拟。第五章 土壤风蚀与防治采样点土壤风蚀速率n剖面分布模型)1963(0TheAAA 侵蚀地点137Cs活度的面积浓度，Bq/m2 ；A0 137Cs本底值，Bq/m2； 137Cs深度分布形态指数；h 1963年来总侵蚀厚度，cm；T 采样年份第五章 土壤风蚀与防治结

48、果第五章 土壤风蚀与防治第五章 土壤风蚀与防治第五章 土壤风蚀与防治 风蚀控制的基本原理动力学原理：风障（防护林）降低风速土壤学原理：改良土壤结构，增大土壤抗风蚀能力粗糙度原理：植被覆盖，增加地表粗糙度第七节 土壤风蚀控制第五章 土壤风蚀与防治 风蚀控制的主要措施SWCS (Alberta Chapter). Wind Erosion Prevention poster Online. (1997, August 28). http:/www.environment.ualberta.ca/SoilPosters/wind.cfmA. A. 过度和反复的耕作使土块破过度和反复的耕作使土块破碎，

49、成为细颗粒，也使草杆、枝碎，成为细颗粒，也使草杆、枝叶等植物残余物破损，表土不再叶等植物残余物破损，表土不再受到植物保护，很容易遭受风蚀受到植物保护，很容易遭受风蚀B. B. 种植防风林是降低风种植防风林是降低风速、减少风蚀的有效方法速、减少风蚀的有效方法。防风林带要经过周密的。防风林带要经过周密的设计，使林带内土壤免遭设计，使林带内土壤免遭风蚀。防风林带在夏冬季风蚀。防风林带在夏冬季都可以防治风蚀。在冬季都可以防治风蚀。在冬季，树木积雪，到春季融化，树木积雪，到春季融化，为农作物提供更多的水，为农作物提供更多的水分分C. C. 带状种植是防治土壤风带状种植是防治土壤风蚀另一个有效办法。在这蚀

50、另一个有效办法。在这些窄带中，通过地表留茬些窄带中，通过地表留茬，削弱风力对表土的侵蚀，削弱风力对表土的侵蚀作用。茬地间的夏季休耕作用。茬地间的夏季休耕地不能太宽，以避免风蚀地不能太宽，以避免风蚀发生发生D. D. 地表保留一定数量的作物残余物（草杆、地表保留一定数量的作物残余物（草杆、枯枝）对风蚀防治是十分重要的。在种植上枯枝）对风蚀防治是十分重要的。在种植上，直接在留茬地上播种，以代替播种前的翻，直接在留茬地上播种，以代替播种前的翻耕。这样，土壤颗粒得到庇护，不会遭受吹耕。这样，土壤颗粒得到庇护，不会遭受吹蚀。蚀。E. E. 由于耕作的减少，造成杂草滋生的问题。由于耕作的减少，造成杂草滋生的问题。可以通过喷洒选择性除草剂，这样，可以保留可以通过喷洒选择性除草剂，这样，可以保留更多的作物残余物，防止土壤风蚀更多的作物残余物，防止土壤风蚀第五章 土壤风蚀与防治粗糙、多块的地表作物留茬固结剂（土壤改良）风障（防护林）带状耕作应急耕作措施 风蚀控制的主要措施第五章 土壤风蚀与防治In reduced and zero tillage systems, crop residues must be spread evenly 风蚀控制的主要措施