一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法

摘要

本发明提供一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法，包括如下步骤：第一步：设置“土壤风蚀圈”；第二步：在第一步设置的“土壤风蚀圈”中心安装风速风向测量装置，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置收集部件；第三步：进行风速风向统计；第四步：进行土壤风蚀物流量修正；第五步：确定不同风速对“土壤风蚀圈”内土壤风蚀物流量的贡献；第六步：计算各风向上土壤风蚀物通量；第七步：计算“土壤风蚀圈”内土壤风蚀量。通过该方法，精确测量“土壤风蚀圈”内的土壤风蚀状况，并且测量过程融合风向风速等信息，获得更为精准的数据，从而为后续的风向风速与土壤风蚀量关系的研究以及土壤风蚀治理提供了更有效的数据来源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤风蚀量的测量方法，特别是一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法。

背景技术

风是引发土壤风蚀和塑造地表形态的原动力，也是导致干旱地区土地退化的主要诱因。这种作用表现为风对地表物质的侵蚀、搬运和堆积过程，在广阔的干旱、半干旱和部分半湿润区乃至湿润区均有分布。由风蚀导致土地退化已经成为全球性的环境问题和农业生产制约因素。干旱区由于具有干燥多风、地表植被稀疏甚至完全裸露等自然特征，因而那里的风力作用很强，成为荒漠地貌发育的主要外营力，形成了与流水、冰川及重力等其他外营力塑造的地形完全不同的风成景观。风蚀作用指地表物质在风力作用下脱离原空间位置的过程。包括吹蚀作用和磨蚀作用。吹蚀作用是指表层土壤被风吹扬而离开原地的过程。吹蚀作用的产生取决于近地表的风力状况(流态、流速)和表层土壤的物理化学特性。磨蚀作用是指风通过携带的沙粒对地表的冲击和摩擦过程。洁净的风(非挟沙气流)即使风速超过临界侵蚀风速，通常也只能对处于松散状态(无粒间粘结力)的一定粒径范围内的颗粒具有吹蚀作用，对于多数地表则无显著的侵蚀作用。但是，风如挟沙形成挟沙气流，则以其所携带的土壤颗粒为工具，对地表产生巨大的冲击力和摩擦力。试验证明，风所挟带的以高速跃移的颗粒通过冲击方式可以推动直径6倍于它或重量200余倍于它的颗粒；处于不同胶结程度的土壤结壳或土块，也会因受被吹扬颗粒的滚动或滑动摩擦，特别是跳跃颗粒的撞击而发生崩解和破碎，加剧风蚀；各种风蚀地貌主要是由挟沙气流塑造形成的。

目前测量土壤风蚀量的方法通常使用土壤风蚀盘，使用土壤风蚀测定盘进行野外土壤风蚀量测定的方法步骤通常为首先选定平整的测定，然后测定该定测定地的土壤含水量，此后按照风蚀测定盘体积大小取相应体积的土壤，然后测定土壤机械组成，在室外测定期结束后，将盘中土壤取出测定含水量，测定土壤机械组成，并按照一定的公式测定出土壤风蚀量以及同粒径土壤风蚀量等土壤风蚀量的测量参数。如中国专利CN103558143A公开了一种土壤风蚀测定盘，由套设在一起的中盘、内圈、外圈以及铺在中盘盘底的布料构成，中盘为圆筒状潘，中盘底部钻设有分布均匀的透水孔，内圈和外圈均为弹性不封闭圈，在内圈和外圈上分别开设有缺口，布料积压嵌在内圈和中盘之间，与盘底紧贴。再如中国专利申请CN205483488U公开了一种用于测量扰动土风蚀量的装置，包括柱状结构，铁丝网，弹性布料，转动杆，转动电机和平移电机以及激光探头，在需要测量土壤数据的时候，通过控制转动电机和平移电机江激光探头置于柱状结构的正上方，测量完毕后，将激光探头移出柱状结构的正上方，以避免探头对风蚀的影响。

这些现有技术设定的土壤风蚀盘体积通常不能过大，因此不能反映更大区域内土壤风蚀的情况，不能反映整个地区典型的土壤风蚀状况，并且测量过程没有融合风向风速等信息。特别是现有技术不能消除所测量区域上风向带来的风蚀物沉积量，因此无法获得真正意义上的所测量区域的土壤风蚀量精准数据。本发明能够克服现有技术的不足，从而为后续的风向风速与土壤风蚀量关系的研究以及土壤风蚀治理提供更有效的数据来源。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案包括提供一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法，其技术方案如下：

一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：首先，设置土壤风蚀圈，然后，测量风速风向，最后，计算与土壤风蚀量相关的物理参数以及土壤风蚀圈内的土壤风蚀量。

优选的，一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法包括如下步骤：所述设置土壤风蚀圈包括：第一步：设置“土壤风蚀圈”；所述测量风速风向包括：第二步：在第一步设置的“土壤风蚀圈”中心安装风速风向测量装置，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置的收集部件；第三步：进行风速风向统计；所述计算与土壤风蚀量相关的物理参数以及土壤风蚀圈内的土壤风蚀量包括：第四步：进行土壤风蚀物流量修正；第五步：确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献；第六步：计算各风向上土壤风蚀物通量；第七步：计算“土壤风蚀圈”内土壤风蚀量。

优选的，第一步通过在需要测量土壤风蚀量的地块内设置1个“土壤风蚀圈”实现，“土壤风蚀圈”的设置的范围大于65m×65m，“土壤风蚀圈”直径大于25m，“土壤风蚀圈”周围设置为不可蚀区域。

优选的，不可蚀区域该区域根据土壤风蚀圈所在地块的土地性质不同通过不同的方式形成，对于耕地和草地，主要是通过人工种植草，风蚀季节留茬一定高度形成；对于沙地和流沙地，通过植入草方格等半隐蔽式沙障，并将周边固定的方式形成；对于戈壁滩和含有沙砾的土地，通过就地取材，采用砾石覆盖或者化学乳剂固定的方式。

优选的，第二步中所述风速风向测量装置的测风立杆总高度范围为2.0-10.0米，在测风立杆总高度范围上按照“下密上稀”的规则分别设置5-10个风速感应器，以及1个高度大于测风立杆高度的风向感应器，风向感应器置于测风立杆顶端，土壤风蚀圈内沿主风向设置多对收集部件，在“土壤风蚀圈”边缘其它方位分别设置一对收集部件，每对收集部件并列安置、开口方向相反，每对收集部件编号用k和-k表示，以“土壤风蚀圈”中心为分界点，开口朝向“土壤风蚀圈”外侧的收集部件用k表示，开口相反的收集部件用-k表示，用于测量土壤风蚀发生时产生的土壤颗粒流量，根据测量的精度要求以及数据量要求确定测量时间，测量时，将每个收集腔内的沙尘倒出，称取质量，并换算成单位为g/cm²·hr。

优选的，第三步通过如下实现：记录风速风向数据，根据所述数据按照风向分组，每一个风向为一组，静风不予统计，设置统计时间周期，然后，在多组风向统计数据支持下，计算每个风向不同风速等级的累计时间，所述累计单位为小时。

优选的，第四步中对土壤风蚀物修正时，首先，在大型风沙环境风洞内，确定与“土壤风蚀圈”相同地表状态条件下，不同风速时的收集部件的收集效率λ_i，λ_i表示第i个风速等级，对收集部件所收集的土壤风蚀物流量进行修正q_(k,-k)＝q′_(k,-k)/λ_i，式中q_(k,-k)为每个收集部件被修正后的实际土壤风蚀物流量，q′_(k,-k)为每个收集部件测得的土壤风蚀物流量。

优选的，第五步确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献是在测量过程中一段期间内由于出现不同的风速，而需要确定不同风速情况下收集部件测量的土壤风蚀物流量之间的关系，在测量时间足够长、测得风速等级足够多的情况下，直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献，在测量时间较短、测得风速等级不足的情况下，在大型风沙环境风洞内测定不同等级风速下收集部件测量的土壤风蚀物流量，选择与“土壤风蚀圈”内一定高度一定风速为基准的对应风速，确定实际风速与基准风速下土壤风蚀物通量的比值，利用这些比值估算不同等级风速对土壤风蚀物流量的贡献，待获得充足测量数据后，再对此前的数据进行修正，并直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献。

优选的，第六步是为了得到在垂直高度上连续的土壤风蚀物通量，需要对各风速等级条件下经过修正的收集腔测量得到的土壤风蚀物流量进行函数拟合q_i＝f_i(h)，然后在土壤风蚀物通量一般占土壤风蚀物通量总量的95％以上的[1，200]的土壤风蚀物通量的积分高度上积分获得土壤风蚀物通量此时的土壤风蚀物通量单位为kg/(m·hr)，式中h为高度(cm)。

优选的，第七步的计算是根据第六步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，计算多个方位土壤风蚀量，对于未测量的另外多个风向产生的土壤风蚀量，根据每个风向等级风速及其持续时间，参照测量的临近风向的等级风速和持续时间，按比例估算出风蚀量Q_af′，最后得到“土壤风蚀圈”内的总土壤风蚀量Q＝Q_af+Q_af′。

优选的，收集部件包括下部基座，多个收集腔，金属盒，多个收集腔包括多个收集腔开口，多个收集腔开口之间具有通风通道，实际使用时，收集部件垂直竖立，下部基座埋入地下以固定收集部件，金属盒位于所述收集部件后方，顶盖可以打开并且在使用时与收集部件的下部基座一起埋入地下，收集腔开口为正方形，每个收集腔上方有一个狭长的开口，开口用大于250目的易于焊接的金属材料覆盖。

采用本发明设计思路，实现了“土壤风蚀圈”内土壤风蚀量的高精度测量，能够测量更大区域内土壤风蚀的情况，甚至整个地区典型的土壤风蚀状况，并且测量过程融合风向风速等信息，获得更为精准的数据，从而为后续的风向风速与土壤风蚀量关系的研究以及土壤风蚀治理提供了更有效的数据来源。

附图的简要说明

附图1为根据本发明实施例的测量土壤风蚀量的风速风向测量装置的结构示意图。

附图2为根据本发明实施例的土壤风蚀物收集部件的结构示意图。

附图3为根据本发明实施例的土壤风蚀圈及其尺寸参数和设置规格。

附图4为根据本发明实施例的土壤风蚀物垂直结构函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

参见附图1，用于测量土壤风蚀量的风速风向测量装置的机构示意图，设置在“土壤风蚀圈”中心位置，主要用于测量“土壤风蚀圈”地面上方的风速梯度和风向变化，能够自动输出所测量的风速和风向数据。风速测量数据为每10分钟取一个平均值，连续测量，数据单位为米每秒(m/s)，取一位小数。该风速风向测量装置包括测风观测支架、安装在支架上的风速传感器10、风向传感器15，以及风速测量控制存储器16。其中所述风速测量控制存储器16包括CR10X数据采集部(主要由CR10X数据控制模块、CR10X数据测量模块组成)、通信接口、供电电路和避雷器；CR10X数据采集器用于接收风速传感器10、风向传感器15传来的信号，并通过它的测量模块和控制模块对所接收的信号进行分析处理与存储，并由通信接口232串行口输出到PC机或计算机。所述测风观测支架包括底座1，安装在底座上首尾顺次连接的伸缩管2，9和12，利用锁紧器4将伸缩管首尾顺次连接形成测风观测支架主体，安装在各个伸缩管上的若干个传感器支杆3，用来安装风速传感器10等各类传感器，还可以预留几个传感器支杆，以备以后需要时使用。在伸缩圆管与地基之间设有六根钢丝绳5，以及3根用于固定底座1和6根用于固定纤绳的插钎，钢丝绳5和插钎用于防止支架倾倒。该测量装置的底座1具有良好的机动性、可装配性和可运载性，同时所有零部件具有良好的刚度、机械强度以及耐候性，另外传感器支架可以保证传感器定位于空间三维的任意位置并锁定。相邻两根伸缩圆管由锁紧器4锁紧，风速传感器10通过轴承安装在其中一个传感器支杆上，外面设有防沙罩，防沙罩可以是迷宫形状的，从而使得本测量装置适用于风沙天气的风速和风向观测。风向传感器15可以采用现有成熟机构的风向传感器，通过轴承安装在顶端部的伸缩管12的顶端，外面设有防沙罩。在传感器支杆顶端安装避雷针13。钢丝绳5，卸扣6，拉线内环7和拉线环8形成了防风拉结构，用于固定支架。其中拉线环8通过插销固定于伸缩管上，卸扣6使钢丝绳5形成一个固定环形结，拉线内环7由卸扣6连接钢丝绳5和拉线环8。任何现有技术的防风拉结构都是可行的。

附表1列出了根据本发明实施例的风向方位代码与度数对照表，其中风向用16个方位代码表示，静风的方位代码为17。

附表1风向方位代码与度数对照表

参见附图2，用于测量土壤风蚀量的土壤风蚀物收集部件的结构示意图，收集部件测量的是每个收集腔的土壤风蚀物流量(单位为g/(cm²·min))，并且在垂直高度上不连续。该收集部件高845mm，其中，收集腔开口及收集腔开口之间的通风通道高度600mm，下部基座高度245mm。实际使用时，收集部件垂直竖立，下部基座埋入地下以固定收集部件。为了方便取出下方的5个收集腔，在收集部件后方有一个顶盖可以打开的金属盒，金属盒的高度255mm、长度260mm、宽度150mm，也与收集部件的下部基座一起埋入地下。每个收集部件有10个收集腔，收集腔开口都是20mm×20mm，每个收集腔上方有一个长188mm、宽14mm的开口，开口用360目钢丝网焊接覆盖，一方面利于通风导流，另一方面阻止收集的沙尘物质泄露。10个收集腔开口分别被设置在距离地面0-20mm、30-50mm、70-90mm、110-130mm、160-180mm、220-240mm、290-310mm、380-400mm、480-500mm、580-600mm处。

该实施例涉及土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法，包括如下步骤：

第一步：设置参见附图3所示的“土壤风蚀圈”。在需要测量土壤风蚀量的地块内设置1个“土壤风蚀圈”，“土壤风蚀圈”的设置规格为140m×140m，设置测量装置的位置所对应的“土壤风蚀圈”的直径范围如图所示，“土壤风蚀圈”周围设置为不可蚀区域，该区域根据土壤风蚀圈所在地块的土地性质不同通过不同的方式形成，对于耕地和草地，主要是通过人工种植草，风蚀季节5-10cm高度留茬形成；对于沙地和流沙地，主要是通过植入草方格等半隐蔽式沙障，并将周边固定的方式形成；对于戈壁滩和含有沙砾的土地，通过就地取材，采用砾石覆盖或者化学乳剂固定等方式。

第二步：在第一步设置的“土壤风蚀圈”中心安装风速风向测量装置，该风速风向测量装置的测风立杆总高度5.0米，在测风立杆上分别设置高度为0.1m、0.5m、1.0cm、1.5m、2.0m、3.0m和5.0m的风速感应器，以及1个高度5.2m的风向速感应器，风向速感应器置于测风立杆顶端，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置的收集部件，土壤风蚀圈内沿主风向设置8对收集部件，在“土壤风蚀圈”边缘其它6个方位分别设置一对收集部件。每对收集部件并列安置、开口方向相反。每对收集部件编号用(k，-k)表示(k＝1，2，3，……，14)，以“土壤风蚀圈”中心为分界点，开口朝向“土壤风蚀圈”外侧的收集部件用(k)表示，开口相反的收集部件用(-k)表示，用于测量土壤风蚀发生时产生的土壤颗粒流量，测量时间为每月15日14:00时和每月末日14:00时，测量时，将每个收集腔内的沙尘倒出，称取质量，并换算成单位为g/cm²·hr，此处因为收集腔入口面积为2cm×2cm，时间按照实际发生土壤风蚀的时间换算成小时；

第三步：风速风向统计。根据风速风向记录数据，按照风向分组，每一个风向为一组，共16组(静风不予统计)，一个月为一个统计时间周期。然后，在16组风向统计数据支持下，计算每个风向不同风速等级的累计时间。风速统计间隔为1米/秒即<1.0、1.0-1.9、2.0-2.9、……、34.0-34.9m/s的累计时间(单位：小时)。

第四步：土壤风蚀物流量修正。首先，在大型风沙环境风洞内，确定与“土壤风蚀圈”相同地表状态条件下，不同风速时的收集部件的收集效率λ_i(第i个风速等级)。对收集部件所收集的土壤风蚀物流量进行修正q_(k,-k)＝q′_(k,-k)/λ_i，式中q_(k,-k)为每个收集部件被修正后的实际土壤风蚀物流量，q′_(k,-k)为每个收集部件测得的土壤风蚀物流量。

第五步：确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献。在测量过程中，半个月期间会出现不同的风速，这就需要确定不同风速情况下收集部件测量的土壤风蚀物流量之间的关系，在测量时间足够长、测得风速等级足够多的情况下，能够直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献，在测量时间较短、测得风速等级不足的情况下，在大型风沙环境风洞内测定不同等级风速下收集部件测量的土壤风蚀物流量，选择与“土壤风蚀圈”内5.0m高度10m/s风速为基准的对应风速，确定q_5.5/q₁₀、q_6.5/q₁₀、q_7.5/q₁₀、……、q_9.5/q₁₀、……、q_34.5/q₁₀的比值，利用这些比值估算不同等级风速对土壤风蚀物流量的贡献，待获得充足测量数据后，再对此前的数据进行修正，并直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献；

第六步：参照图4进行土壤风蚀物通量计算。为了得到在垂直高度上连续的土壤风蚀物通量(单位为kg/(m·hr))，需要对各风速等级条件下经过修正的收集腔测量得到的土壤风蚀物流量进行函数拟合q_i＝f_i(h)，然后积分获得土壤风蚀物通量此时的土壤风蚀物通量单位为kg/(m·hr)，式中h为高度(cm)，土壤风蚀物通量的积分高度之所以设定为[1，200]，是因为在此高度范围内土壤风蚀物通量一般占土壤风蚀物通量总量的95％以上。

第七步：“土壤风蚀圈”内土壤风蚀量计算。根据第六步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，计算八方位土壤风蚀量Q_af＝(Q_-8–Q₁)+(Q_-12–Q₉)+(Q_-13–Q₁₀)+(Q_-14–Q₁₁)+(Q_-1–Q₈)+(Q_-9–Q₁₂)+(Q_-10–Q₁₃)+(Q_-11–Q₁₄)，其中等式右边的八项分别代表8个风向产生的侵蚀量，由于气象部门界定了16个方向的风向，对于未测量的另外8个风向产生的土壤风蚀量，根据每个风向等级风速及其持续时间，参照测量的临近风向的等级风速和持续时间，按比例估算出风蚀量Q_af′，最后得到“土壤风蚀圈”内的总土壤风蚀量Q＝Q_af+Q_af′。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。