农田土壤年风蚀量估算方法

摘要

本发明公开了一种农田土壤年风蚀量估算方法，所述方法包括以下步骤：分别采集耕作层表层土壤与耕作层下层土壤，进行干筛筛分分析以检测所述表层土壤和所述下层土壤中可蚀性颗粒与不可蚀性颗粒的含量，带入公式计算，得到土壤年风蚀量。本发明方法根据耕作层中表层土壤与下层土壤之间可蚀性颗粒含量的差异，估算当前年内的土壤风蚀量，解决了土壤风蚀研究中这一亟待解决的问题；并且本发明方法操作简单实用、方便快捷，只需在春季风蚀季结束后采集耕作层表层与下层土壤样品进行分析、计算，即可得到年农田风蚀量；本发明方法应用范围广，可应用于几乎所有的风蚀农田中年风蚀量的估算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种农田土壤风蚀量估算方法，具体地说是一种农田土壤年风蚀量估算方法。

技术背景

土壤风蚀是指土壤及其母质在风力作用下的剥蚀、分选、搬运过程，它包括地表土壤颗粒 被风吹起和输移过程，以及被吹起颗粒撞击表土而破碎的磨蚀过程。其危害主要表现在两个方 面：一是土壤颗粒物质被搬运，造成土壤流失，引起农田沙漠化，导致土地生产力降低；二是 风蚀颗粒物进入大气，为沙尘暴的发生提供物质来源，形成灾害性风沙天气，影响大气环境， 使大气颗粒物严重超标。判断土壤风蚀强度和荒漠化程度的一个重要指标是风蚀量，其在风蚀 相关问题研究中有广泛的应用。

风蚀量的估算方法有很多，通过集沙仪进行野外实地观测是目前比较广泛使用的方法，但 是此方法只能测定一定时间内单位宽度上的输沙量，不能确定单位面积上的风蚀量；风洞模拟 实验可以确定单位面积上的风蚀量，但是由于很难保证风洞模拟环境与野外完全相似，因此， 风洞模拟结果不能直接应用到野外；基于¹³⁷Cs的同位素分析方法只能确定多年平均土壤风蚀 量，不能确定当前年内的风蚀量，并且此方法中用到的未经风蚀的参考点很难找到；插杆法是 估算具体某一区域风蚀量的常用方法，但是存在人为因素影响大，精度不高，偶然性大、容易 遭到破坏，大风蚀量可以，小风蚀量不适用等问题，目前使用的不多。还有一种从国外引入的 风蚀预报模型，该模型在估算大尺度区域的土壤风蚀量中应用较多，但是由于国内尚未建立起 被广泛认可的风蚀模型，从而其在国内应用效果不甚理想，并且模型模拟结果的验证始终是困 扰模型改进的一个大问题。

目前还有一种风蚀量估算方法，即粒度对比分析法，该方法是通过风蚀地表可蚀性颗粒与 不可蚀性颗粒的相对含量的变化,来估算土地的风蚀量。这种方法的局限之处在于只能估算草 地翻耕后的总风蚀量或多年平均风蚀量，而无法估算当前年内的土壤风蚀量；这种方法还存在 的一个问题是估算过程中所需的农田翻耕深度（D）和开始翻耕年限(T)两个重要参数较难确定， 从而使得该方法在实际操作上有一定的难度和复杂性。

以上各种土壤风蚀量的估算方法各有优缺点，但都无法比较准确的估算出当年内的土壤风 蚀量，这给土壤风蚀评价和风蚀模型的改进与完善造成很大困难，是土壤风蚀研究中的一个难 题。

发明内容

本发明的目的是提供一种农田土壤年风蚀量估算方法，以解决现有方法无法准确、定量的 估算农田土壤年风蚀量问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种农田土壤年风蚀量估算方法，所述方法包括下述步骤：

分别采集农田耕作层的表层土壤与耕作层的下层土壤，进行可蚀性颗粒与不可蚀性颗粒的 干筛筛分分析，然后将分析结果带入公式（Ⅰ）计算，得到土壤年风蚀量：

所述公式（Ⅰ）中：q_EP为单位面积上的土壤年风蚀量，单位：g/m²·a；t′_NEP为表层土壤中 不可蚀性颗粒的质量，单位：g；s为取样面积，单位：m²；为下层土壤中不可蚀性颗粒 的质量百分含量；为下层土壤中可蚀性颗粒的质量百分含量；p′_NEP为表层土壤中不可蚀性 颗粒的质量百分含量；p′_EP为表层土壤中可蚀性颗粒的质量百分含量；

所述可蚀性颗粒指粒径＜1.0mm的颗粒，所述不可蚀性颗粒指粒径≥1.0mm的颗粒；

所述表层土壤是指自地表至地表以下1.0cm之间的土壤层；所述下层土壤是指自地表以下 1cm至地表以下2cm之间的土壤层。

所述干筛筛分分析的具体方法为：将所采集的表层土壤与下层土壤在自然条件下晾干后研 磨，然后分别使用振筛机，将所述研磨后的表层土壤与下层土壤筛分，分为粒径≥1.0mm的不 可蚀性颗粒和粒径＜1.0mm的可蚀性颗粒，然后对所述不可蚀性颗粒和所述可蚀性颗粒分别称 重，分别计算出所述不可蚀性颗粒和所述可蚀性颗粒在表层土壤和下层土壤中的质量百分含 量。

本发明所述农田是指高原或平原风蚀地区的干旱或半干旱区农田。

以上所给出的技术方案是在下述的假设成立前提下实现的：

（1）在农田土壤的耕作层的粒配组成中,既含有可蚀颗粒,又含有不可蚀颗粒；

（2）在风蚀季开始前，耕作层土壤粒度组成的垂向变化是可以忽略的；

（3）农田风蚀主要发生在当年秋季农作物收割后到次年春季农作物播种前这段时间；

（4）与风蚀过程相比,引起地表粒配变化的其它因子可以忽略。

对于上述假设（1）、（2）、（3）：对于干旱区、半干旱区绝大多数的农田来说，土壤中既含 有可蚀性颗粒，也含有不可蚀颗粒。由于常年进行翻耕，耕作层内不同深度土壤粒度组成比较 一致。农作物生长季农田地表几乎全部被农作物覆盖，并且，土壤湿润较大，大风日数则较少， 基本不会发生土壤风蚀，因此假设（1）、（2）、（3）成立。

对于上述假设（4）：引起地表物质粒配变化的其它可能因素有:流水作用、冻融作用、淋 溶作用以及人类活动的干扰等。因干旱区、半干旱区降水量较少,并且在广大高、平原面上,几 乎没有流水侵蚀,因而流水作用可以忽略；冻融作用及淋溶作用强度与风蚀作用相比极其微弱, 因而亦可忽略，因此假设（4）成立。

本发明所提供的土壤年风蚀量估算方法，具有诸多优点：

首先，本发明方法根据耕作层中表层土壤与下层土壤之间可蚀性颗粒含量的差异，估算当 前年内的土壤风蚀量，解决了土壤风蚀研究中这一亟待解决的问题；

其次，本发明方法操作简单实用、方便快捷，只需在春季风蚀季结束后采集耕作层表层与 下层土壤样品进行分析、计算，即可得到年农田风蚀量，不用考虑各种风蚀因子的影响，无需 要输入大量的参数，也不需要长时间的野外观测；

再次，本发明方法应用范围广，可应用于几乎所有的风蚀农田中年风蚀量的估算，并且不 用考虑农田周边是否有高盖度，未风蚀草地等其它因素。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是对土壤耕作层分层采样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本具体实施方式给出的技术方案是在下述的假设成立前提下实现的：

（1）在农田土壤的耕作层的粒配组成中,既含有可蚀颗粒,又含有不可蚀颗粒；

（2）在风蚀季开始前，耕作层土壤粒度组成的垂向变化是可以忽略的；

（3）农田风蚀主要发生在当年秋季农作物收割后到次年春季农作物播种前这段时间；

（4）与风蚀过程相比,引起地表粒配变化的其它因子可以忽略。

对于上述假设（1）、（2）、（3）：对于干旱区、半干旱区绝大多数的农田来说，土壤中既含 有可蚀性颗粒，也含有不可蚀颗粒，由于常年进行翻耕，耕作层内不同深度土壤粒度组成比较 一致。农作物生长季农田地表几乎全部被农作物覆盖，并且，土壤湿润较大，大风日数则较少， 基本不会发生土壤风蚀，因此假设（1）、（2）、（3）成立。

对于上述假设（4）：引起地表物质粒配变化的其它可能因素有:流水作用、冻融作用、淋 溶作用以及人类活动的干扰等。因干旱区、半干旱区降水量较少,并且在广大高、平原面上,几 乎没有流水侵蚀,因而流水作用可以忽略；冻融作用及淋溶作用强度与风蚀作用相比极其微弱, 因而亦可忽略，因此假设（4）成立。

采样地点：河北坝上地区康保县境内，具体采样点有4个，各采样点的详细情况见表1：

表1各采样点基本情况

采样时间：风蚀季（指上一年秋季农作物收割后，到次年春季农作物开始播种前的一段时 间）结束后，具体采样时间为2013年5月21～22日。

图1给出了实施本发明方法流程图，具体步骤如下：

（1）土壤样品采集：在每个采样地点的2个地类中，随机选择3个取样点，在耕作层的 表层土壤（自地表至地表以下1.0cm左右的土壤层）和下层土壤（自地表以下1.0cm左右至地 表以下2.0cm左右的土壤层）分别进行取样，如图2所示，取样面积均为0.3×0.3m²。

（2）土壤样品干筛筛分分析：将采集的土壤样品在自然条件下晾干后研磨（将结块的土 壤样品研碎即可），然后使用三维振筛机（南京土壤仪器厂，型号：SZS）对研磨后的土壤样品 进行干筛筛分分析，筛分分为：粒径≥1.0mm（不可蚀性颗粒）和粒径＜1.0mm（可蚀性颗粒） 两个粒级，筛分时间为15分钟，然后分别计算并记录样品中两种颗粒的质量百分含量以及不 可蚀性颗粒的质量，然后将所得数据分别代入以下公式中：

其中：q_EP为单位面积上的土壤年风蚀量（g/m²·a）；t′_NEP为表层土壤中不可蚀性颗粒（NEP） 的质量（g）；s为取样面积（m²）；为下层土壤中不可蚀性颗粒的质量百分含量（%）；为下层土壤中可蚀性颗粒的质量百分含量（%）；p′_NEP为表层土壤中不可蚀性颗粒的质量百分 含量（%）；p′_EP为表层土壤中可蚀性颗粒的质量百分含量（%）。

以上统计及计算结果见表2：

表2：土壤样品粒度组成成分分析及土壤年风蚀量计算结果

对表2的统计数据进行分析可知：

①4个农田土壤采样点的年风蚀量在960～5700g/m²·a之间，平均风蚀量为2852.14g/m²·a。 按照D.Zachar的土壤强度分级标准，属于重度风蚀；

②不同地类的风蚀量存在较大差异，翻耕耙平地的风蚀量在1600～5700g/m²·a之间，平 均为3911.56g/m²·a；留茬地的风蚀量在960～2300g/m²·a之间，平均为1792.72g/m²·a；翻耕 地的风蚀量明显大于留茬地，是留茬地风蚀量的1.6～2.6倍；

③不同采样点的农田风蚀量差距较大，翻耕耙平地中，采样点4的风蚀量最大，为5673.34 g/m²·a；采样点2次之，为4739.07g/m²·a；采样点1的风蚀量最小，为1616.20g/m²·a（仅为 采样点4风蚀量的28.00%）。这与肉眼看到的各采样点的地表沙化情况基本吻合：采样点4的 地表沙化情况最为严重，采样点2和采样点3次之，采样点1的地表沙化程度较轻。

结果验证：

（1）对采样点农田风蚀的野外观测结果（见表3）表明，相同风速条件下，翻耕耙平地的 风蚀强度明显大于留茬地，是莜麦留茬地风蚀强度的2倍左右，与本发明方法所得到的结果基 本一致。

表3：野外观测输沙量

（2）有学者使用插杆法得到的康保县秋翻耕地年风蚀量为4827.58g/m²·a（郭晓妮,马礼. 坝上地区不同土地利用类型的地块土壤年风蚀量的对比[J].首都师范大学学报（自然科学版）, 2009,30(4):93～96.），与本发明方法计算的结果3911.56g/m²·a基本相当。

以上两项验证结果均表明本发明提出的粒度对比法估算当前年内的农田风蚀量是比较准 确的。采用本方法估算得到的农田土壤年风蚀量数据与其他学者采用其它方法得到的结果，以 及我们观测得到的结果基本吻合，说明此种方法具有较好的可行性。

以上为本发明定量估算农田土壤年风蚀量方法的一个具体实施方式，以上对实施方式的说 明，只用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本 申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理 解为对本申请的限制。