河北坝上地区土地沙化现代过程及其防治

河北坝上土地沙化现代过程

及其防治报告人：常春平河北师范大学资源与环境科学学院2017年5月14日汇报提纲一.河北坝上地区概况二.土地沙化现代过程三.土地沙化机理研究四.土壤风蚀模型研究五.风蚀沙化防治研究六.研究成果和展望一、河北坝上地区概况一、河北坝上地区概况农田沙化粗化草地退化扬沙浮尘大气污染二、近30年来沙化土地时空变化1.研究方法：遥感影像解译、土地沙化信息提取1983年2000年2010年二、近30年来沙化土地时空变化2.研究结果：土地沙化时空演变土地沙化动态变化（1983-2000）土地沙化动态变化（2000-2010）结论：坝上地区近30年沙化土地演变趋势，经历了1983-2000年不断恶化，2000-2010年轻度逆转的过程。三、土地风蚀沙化机理研究（一）土壤风蚀物的运动规律1.研究方法：野外观测(2005-2017年)野外观测点三、土地风蚀沙化的内在机理1.研究方法：野外观测：仪器和方法

新型随风式平口集沙仪（一）土壤风蚀物的运动规律BSNE集沙仪三、土地风蚀沙化的内在机理1.研究方法：野外观测：仪器和方法

连续自动称重式集沙仪（一）土壤风蚀物的运动规律激光风沙颗粒传感器三、土地风蚀沙化的内在机理1.研究方法：野外观测：仪器和方法

便携式风速仪梯度风速仪（一）土壤风蚀物的运动规律三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律1.研究方法：样品分析：粒度分析干筛筛分分析显微镜拍照+MiVnt软件分析三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律2.研究结果Ⅰ：风蚀物与原位土壤粒度组成的关系结论1：原位土壤可风蚀部分与高风速条件下所收集风蚀物的粒度组成相似，与低风速条件下所收集风蚀物粒度组成差距较大，表现出风速越大，相似程度越高，风速越小，相似程度越低的趋势。原位土壤和不同风速下所收集风蚀物的粒度组成关系图三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律2.研究结果Ⅱ：总体风蚀物粒度组成随风速的变化风蚀物平均粒径随风速的变化各粒级风蚀物百分含量随风速的变化结论2：风蚀物平均粒径随着风速的增大呈指数规律增大；0.05～0.1mm粒级风蚀物含量随风速的增大而降低，其它各粒级风蚀物含量均随风速的增大而增大。三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律2.研究结果Ⅲ：分层风蚀物粒度组成随风速的变化分层风蚀物平均粒径随风速的变化分层风蚀物粒径范围随风速的变化结论3：分层风蚀物平均粒径随风速的增大趋势与总体一致；随着风速的增加，各高度层风蚀物的粒径范围在不断扩大。三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律2.研究结果Ⅳ：风蚀物粒度组成随高度的变化不同风速条件下风蚀物平均粒径随高度的变化14.8m/s风速条件下风蚀物各粒级含量随高度的变化结论4：各种风速条件下，风蚀物平均粒径均随高度的增加呈指数规律递减，0.1～0.5mm粒级风蚀物的含量均随高度增加而降低，其它粒级风蚀物的含量则随高度的增加而增加。三、土地风蚀沙化的内在机理（一）土壤风蚀物的运动规律

结论：如果地块足够长，风力挟带的土壤颗粒浓度随顺风距离而增加，并逐渐达到该风速条件下的最大值，此点以远土壤表面基本达到蚀积动态平衡沿风向60cm高度内农田风蚀物总量变化2.研究结果Ⅴ：风蚀饱和路径长度三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对沙化影响之风速1.研究方法：野外观测、风洞模拟实验采集风蚀原状土风洞三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之风速1.研究方法：观测、模拟地类翻耕耙平地翻耕不耙平地莜麦留茬地三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之风速2.研究结果：风速与风蚀量之间的关系野外观测结果风洞模拟结果结论：无论是野外观测，还是风洞模拟得到的农田风蚀量随风速变化均符合指数函数，反映的是有限沙源供应条件下风蚀量随风速的变化。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之质地1.研究方法：干筛筛分、粒度对比、风洞模拟2.研究结果Ⅰ：干团聚体粒度组成对风蚀影响不可风蚀物含量对风蚀量的影响易风蚀物含量对风蚀量的影响结论1：农田风蚀量随不可风蚀颗粒含量的增多呈线性规律减小，随易风蚀颗粒物含量的增多呈线性规律增大。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之质地2.研究结果Ⅱ：土地沙化程度对风蚀影响翻耕耙平地翻耕不耙平地结论2：随着土地沙化程度的不断加重，农田土壤风蚀强度也明显增大。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之地类1.研究方法：野外观测、风洞实验7种地类翻耕耙平地莜麦留茬地翻耕不耙平地退耕地小麦留茬地1年撂荒地三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之地类2.研究结果：农田利用方式对风蚀影响输沙量从小到大依次为:退耕地东西向莜麦留茬地南北向莜麦留茬地小麦留茬地菜籽留茬地弃耕地翻耕地结论：退耕是减少农田土壤风蚀最佳的土地利用方式，其次是留茬，翻耕最容易导致农田土壤风蚀。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之粗糙度研究结果：地表粗糙度对风蚀沙化影响结论:地表粗糙度与输沙量负相关，地表粗糙度越大，风蚀强度越低。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之湿度研究结果：土壤湿度对风蚀沙化影响结论：土壤含水率与输沙量负相关，土壤湿度越小，风蚀沙化越严重。三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之地形研究方法：野外观测观测12个点的风速测定5个点的风蚀量缓坡耕地横截面示意图三、土地风蚀沙化的内在机理（二）各种因子对风蚀沙化影响之地形研究结果：地形对风蚀量的影响不同地貌部分风速与风蚀量关系地貌部分与风蚀量关系结论：土壤风蚀量坡底最大，坡顶次之，坡中最小。三、土地风蚀沙化的内在机理（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究方法：改进粒度对比法方法原理：土壤风蚀过程是可蚀性颗粒的损失和原地表不

可蚀性颗粒的聚集过程。因而风蚀量之多寡必然反映在风

蚀地表可蚀性颗粒与不可蚀性颗粒相对含量变化上。风蚀前风蚀后计算公式：

三、土地风蚀沙化的内在机理（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究方法：改进粒度对比法三、土地风蚀沙化的内在机理（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究方法：具体采样和分析三、土地风蚀沙化的内在机理（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究结果Ⅰ：风蚀季风蚀量估算结果采样点地类主要参数值土壤容重/g·m-3风蚀量/g·m-2·a-1风蚀厚度/cm/g/%/%/%/%后照阳河村翻耕地120.8515.9284.0813.3686.641.36851616.200.12留茬地128.4414.6885.3213.3686.641.3922960.500.07兴隆村南翻耕地153.9218.6681.3412.3087.701.36374739.070.35留茬地140.8515.2884.7212.9087.101.39011889.640.14西五福堂村西翻耕地167.9516.6283.3812.5787.431.35693617.650.27留茬地165.0516.9483.0614.1885.821.38832107.140.15兴隆村东翻耕地131.8221.7078.3011.7988.211.35625673.340.42留茬地143.6223.9976.0118.0082.001.38252213.590.16平均144.0617.9782.0313.5686.441.37002852.140.21（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究结果Ⅱ：一段风蚀期风蚀量估算结果观测点地类MainparametersBulkdensity/g·cm-3Erosiondepth/cm/g/%/%/%/%5PRF284.7914.7685.2411.3288.683665.881.52400.24OSF144.329.790.38.8891.12857.251.53240.066PRF248.3712.8287.1811.0188.991981.251.48520.13OSF233.2914.0285.9812.9587.05861.441.49760.067PRF151.2910.7589.2510.0989.91579.311.25250.05OSF111.407.4492.567.1792.83357.001.36970.038PRF477.7928.8571.1523.6976.312251.881.42980.16OSF334.5423.1776.8321.1378.87868.001.52450.069PRF420.0624.5675.4421.2878.721643.811.42810.12OSF259.1416.2283.7816.5783.43-427.131.4338-0.0310PRF660.9233.7566.2531.6568.35810.751.56320.05OSF725.8440.7859.2235.1664.841778.191.39590.1311PRF70.644.2995.712.9697.044643.811.4230.33OSF52.253.1996.813.596.5-1052.441.4756-0.0712PRF333.2921.878.219.8880.12924.001.32650.07OSF285.3421.778.320.0579.95676.191.38830.0513PRF310.6521.8378.1719.1180.891269.001.24390.10OSF291.7221.6878.3220.0479.96685.501.57730.0414PRF746.2835.4764.5334.0365.97556.001.5310.04OSF540.832.1267.8829.270.81053.631.50320.07Average334.1419.9580.0617.9882.021199.171.44530.08（三）土地沙化对土壤肥力影响之土壤

风蚀流失量估算研究结果Ⅲ：大风蚀事件风蚀量估算结果采样点地类估算结果（t/km2）土壤容重（g·m-3）风蚀厚度（cm）事件前事件后风蚀事件后照阳河村南翻耕耙平地3665.887776.004111.381.52400.27莜麦留茬地857.252357.001499.751.53240.10兴隆村南翻耕耙平地848.632506.631657.941.45230.11莜麦留茬地1239.381586.06346.691.45280.02兴隆村北翻耕耙平地1981.252834.88853.631.48520.06莜麦留茬地861.441277.69416.251.49760.03贺旺营村北翻耕耙平地579.311545.13965.811.25250.08莜麦留茬地357.00899.06542.061.36970.04平均1298.772597.811299.191.44580.09三、土地风蚀沙化的内在机理（三）土地沙化对土壤肥力影响之对土壤质地组成的影响研究结果：风蚀导致的土壤质地变化三、土地风蚀沙化的内在机理风蚀物与原位土壤粒度组成的比较结论：农田风蚀会造成土壤中粉沙和黏粒的含量相对减少，砾石和粗沙相对含量的增加。如果风蚀长期持续进行，必然造成的农田土壤的沙化，甚至是砾石化，这就是风蚀沙化的内在机理。（三）土地沙化对土壤肥力影响之对土壤肥力的影响研究结果：风蚀造成的土壤肥力损失三、土地风蚀沙化的内在机理地类细颗粒t/(km2·a)有机质t/(km2·a)速效氮t/(km2·a)速效钾t/(km2·a)速效磷t/(km2·a)翻耕杷平地4739.0754.030.200.310.06留茬地1889.6421.540.080.120.03地类细颗粒(万t)有机质(万t)速效氮(t)速效钾(t)速效磷(t)现

状1491.5317.00630.00967.50202.50全部翻耕2132.5824.31900.001395.00270.00全部留茬850.479.69360.00540.00135.00坝上地区农田风蚀造成的土壤肥力损失强度坝上地区农田风蚀造成的土壤肥力损失量四、土壤风蚀模型研究（一）RWEQ模型的验证和改进100×100m试验田2015-2016年春季连续观测2015年翻耕、2016年留茬仪器布设四、土壤风蚀模型研究（一）RWEQ模型的验证和改进结论：RWEQ模型对大风蚀事件的预测效果尚可，对较小风蚀事件风蚀通量的预测效果较差。误差产生主要原因是：土壤性质和设定的起沙风速（5m/s）。四、土壤风蚀模型研究（一）RWEQ模型的验证和改进基于此，我们给出含有砾石数据的适合于河北坝上地区的土壤风蚀可蚀性（EF）的预测方程：EF=-0.012×砾石含量（%）+0.845R2=0.469,P<0.001四、土壤风蚀模型研究（二）河北坝上农田风蚀经验模型建模思路（1）经验模型（2）从风蚀动力学角度对风蚀影响因子进行分类风蚀影响因子风力侵蚀因子粗糙干扰因子土壤抗蚀因子起沙风速地表粗糙度土壤可蚀性土壤含水率风蚀影响因子风蚀影响要素（二）农田风蚀经验模型构建建模步骤建立标准基础模型粗糙干扰因子输入土壤抗蚀因子输入建立风蚀经验模型模型验证与修订四、土壤风蚀模型研究四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建建立标准基础模型

风蚀强度随风速的变化公式为：式中，Qwt为风洞条件下翻耕耙平地的风蚀模数［g/（m2·hr.）］；Uwt为风洞条件下的起沙风速（m/s）；a1为与土壤类型有关的常数项，取值6.8179；b1为表征风蚀强度随风速变化快慢的常数项，取值0.3593。公式1四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建粗糙干扰因子输入农田风蚀强度随地表粗糙度的增大呈指数规律降低，地表粗糙度与风蚀强度的关系可用公式表达为：

公式2式中，Sdt为大田条件下的农田土壤输沙强度（g·m-1·hr.-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。四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建粗糙干扰因子输入标准化：

公式3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。包含粗糙干扰因子的农田风蚀经验模型为：

式中各符号的含义与式3和式5相同公式4四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建土壤可蚀性因子输入本模型中用易风蚀物含量作为表征土壤可蚀性的指标，其与农田风蚀量线性相关，可用公式表达为：

式中，Fdt为大田条件下的农田土壤风蚀量（g·m-2）；ef为土壤中易风蚀物的含量；a3、b3为与土壤质地有关的常数项，取值分别为10362.0和4690.9。公式5四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建土壤可蚀性因子输入标准化：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。包含土壤可蚀性因子的农田风蚀经验模型为：

式中各符号的含义与式3和式8相同

公式6公式7四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建土壤含水率因子输入农田风蚀强度随地表土壤含水率的增大呈线性规律增大，地表土壤含水率与风蚀强度之间的关系可用公式表达为：

式中，Sdt为大田条件下的农田土壤输沙强度（g·m-1·hr.-1）；wf为表层土壤含水率（%）；a4、b4为与土壤类型有关的常数项，取值分别为-0.3951和2.4329。公式8四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建土壤含水率因子输入标准化：式中，W为随土壤含水率(wf)变化的风蚀量与标准值的比值。包含土壤含水率因子的农田风蚀经验模型为：

式中各符号的含义与式3、式5、式8、式11相同

公式9公式10四、土壤风蚀模型研究（二）农田风蚀经验模型构建次风蚀事件、风蚀期或风蚀季农田风蚀量计算模型可表达为：

公式3

公式6

公式9式中，Qdt为大田条件下次风蚀事件、风蚀期或风蚀季的农田土壤风蚀模数（t·hm-2）。四、土壤风蚀模型研究（三）模型应用与结果验证地类地点主要模型输入参数模型(M)计算结果(t/hm2)粒度对比法(L)估算结果(t/hm2)比值(M/L)z0(cm)ef

(%)wf

(%)翻耕耙平地10.168653.921.885626.7516.161.6620.168655.721.885632.3447.390.6830.168657.911.885639.1036.181.0840.168664.541.