本發(fā)明涉及農(nóng)田風(fēng)蝕研究模型及研究方法，具體的說是一種農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型及風(fēng)蝕量預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)力侵蝕是土壤侵蝕的主要類型之一。全球遭受風(fēng)蝕的地區(qū)囊括全世界2/3的國家、1/4陸地面積和9億多人口。中國是世界上受風(fēng)蝕危害最嚴(yán)重的國家之一，發(fā)生風(fēng)蝕和受其影響的面積占國土總面積的1/2以上，其中，北方旱作農(nóng)田最為嚴(yán)重。為了準(zhǔn)確評價風(fēng)蝕的危害，進(jìn)而有效防治農(nóng)田的風(fēng)力侵蝕，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)出多種風(fēng)蝕模型用于農(nóng)田風(fēng)蝕的測定和預(yù)報。國外風(fēng)蝕預(yù)報研究開展較早，20世紀(jì)60年代以來，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家已先后開發(fā)出若干風(fēng)力侵蝕預(yù)報模型，包括WEQ、RWEQ、TEAM、WEAM、WEPS等。這些模型既有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，也有理論模型，?jīng)驗?zāi)Ｐ屯芙^(qū)域的限制很大，在模型構(gòu)建區(qū)域應(yīng)用效果較好，推廣應(yīng)用則存在很大的局限性；理論模型一般都是簡化了的推導(dǎo)模型，考慮的因子不全面，邊界難以確定，缺乏實驗和實地觀測的驗證，同樣存在應(yīng)用上的局限性。我國的風(fēng)蝕預(yù)報研究起步較晚，直到20世紀(jì)末，才有學(xué)者在風(fēng)蝕模型研究方面做出探索，并取得一定的進(jìn)展，但由于中國土壤風(fēng)蝕的特殊性、自然環(huán)境的復(fù)雜性及人為活動影響的深刻性，加之基礎(chǔ)數(shù)據(jù)零散、協(xié)作研究不夠等原因，無論是在改造國外已有模型，還是建立自己的風(fēng)蝕模型方面，進(jìn)展都比較緩慢，至今仍缺少一種被廣泛認(rèn)可，普遍適用于中國自然條件的農(nóng)田風(fēng)蝕模型，這是長期困擾風(fēng)蝕學(xué)者的一大難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，并提供農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型的建立方法，以解決目前缺少適用于中國北方自然環(huán)境，包含各種風(fēng)蝕因子農(nóng)田風(fēng)蝕模型的問題。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種固定起沙風(fēng)速條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，其表達(dá)式為：

Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)

式中：

Q_dt為大田條件下農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕強度，單位為g·m^‐2·hr.^‐1；

a₁為風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度與風(fēng)速關(guān)系函數(shù)的系數(shù)；

b₁為風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度隨風(fēng)速變化快慢的常數(shù)項；

k為氣象站10m高度起沙風(fēng)速與風(fēng)洞條件50cm高度起沙風(fēng)速之間進(jìn)行換算時的風(fēng)速修訂系數(shù)；

U為氣象站10m觀測高度的起沙風(fēng)速，單位為m/s；

C為尺度修訂系數(shù)，尺度修訂系數(shù)的含義為大田條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)與風(fēng)洞條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)之比；

R為隨地表粗糙度變化的風(fēng)蝕強度與第一標(biāo)準(zhǔn)值的比值，所述第一標(biāo)準(zhǔn)值為第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的地表粗糙度條件下的輸沙強度值；

E為隨土壤中易風(fēng)蝕物含量變化的風(fēng)蝕量與第二標(biāo)準(zhǔn)值的比值，所述第二標(biāo)準(zhǔn)值為第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的易風(fēng)蝕物的含量條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕量；

W為隨土壤中隨土壤含水率變化的風(fēng)蝕量與第三標(biāo)準(zhǔn)值的比值，所述第三標(biāo)準(zhǔn)值為第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的土壤含水率條件下的輸沙強度值。

本發(fā)明所述的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，所述其中，a₂為輸沙強度與地表粗糙度關(guān)系函數(shù)系數(shù)，b₂為表征輸沙強度隨地表粗糙度變化快慢的常數(shù)項，z₀為第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的地表粗糙度,z₀′為待觀測農(nóng)田的地表粗糙度。

本發(fā)明所述的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，所述其中，a₃和b₃分別為土壤風(fēng)蝕量與土壤易風(fēng)蝕物含量關(guān)系函數(shù)中易風(fēng)蝕物含量的系數(shù)和常數(shù)項，ef為第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地中易風(fēng)蝕物含量，ef′為待觀測農(nóng)田的土壤中易風(fēng)蝕物含量。

本發(fā)明所述的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，所述其中，a₄和b₄分別為土壤輸沙強度與土壤含水率關(guān)系函數(shù)中土壤含水率的系數(shù)和常數(shù)項，wf為第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的土壤含水率，單位為％，wf′為待觀測農(nóng)田的土壤含水率，單位為％。

基于所述固定起沙風(fēng)速條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型的次農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，其表達(dá)式為：

${Q_{dt}}^{\′}={10}^{-2}\·a_1\·C\·R\·E\·W\·\underset{j=1}{\Σ}\[T_j\·\exp (b_1\·k\·U_j)\]$

式中：

Q_dt′為次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模數(shù)，單位為t·hm^‐2；

U_j為氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速，單位為m/s；

T_j為風(fēng)沙活動發(fā)生時段內(nèi)風(fēng)速為U_j的累積時間，單位為hr.。

6、一種農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)建立風(fēng)洞條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型Q_wt＝a₁·exp(b₁·U_wt)，以該模型基礎(chǔ)，對其風(fēng)速和尺度進(jìn)行修訂，獲得大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型

模型Q_wt＝a₁·exp(b₁·U_wt)中：Q_wt為風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的土壤風(fēng)蝕模數(shù)，單位：g/(m²·hr.)；U_wt為風(fēng)洞條件下的起沙風(fēng)速，單位：m/s；a₁為風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度與風(fēng)速關(guān)系函數(shù)的系數(shù)；b₁為表征風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度隨風(fēng)速變化快慢的常數(shù)項；

模型中：C為尺度修訂系數(shù),尺度修訂系數(shù)的含義為大田條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)與風(fēng)洞條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)之比；k為氣象站10m高度起沙風(fēng)速與風(fēng)洞條件50cm高度起沙風(fēng)速之間進(jìn)行換算時的風(fēng)速修訂系數(shù)；

(2)對同一地區(qū)不同地類表面的風(fēng)蝕起沙強度和地表粗糙度進(jìn)行觀測，根據(jù)觀測結(jié)果建立大田條件下地表粗糙度與風(fēng)蝕強度關(guān)系公式，即第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型：

$S_{dt}^1=a_2\·\exp (b_2\·z_0),$

其中，a₂為大田條件下輸沙強度與地表粗糙度關(guān)系函數(shù)系數(shù)，b₂為表征輸沙強度隨地表粗糙度變化快慢的常數(shù)項，z₀為翻耕耙平地的地表粗糙度，為大田條件下翻耕耙平地的農(nóng)田土壤輸沙強度，單位為g·m^‐1·hr.^‐1；

然后計算待觀測農(nóng)田的地表粗糙度條件下的農(nóng)田輸沙強度與的比值R，則

其中，為待觀測農(nóng)田的輸沙強度，z₀′為待觀測農(nóng)田的地表粗糙度；

(3)對同一地區(qū)內(nèi)不同土壤質(zhì)地的翻耕耙平地的易風(fēng)蝕物含量和農(nóng)田風(fēng)蝕量進(jìn)行觀測，根據(jù)觀測結(jié)果建立大田條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量與土壤中易風(fēng)蝕物含量關(guān)系公式，即第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型：

F_dt＝a₃·ef-b₃，

其中，ef為大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地中易風(fēng)蝕物含量，a₃和b₃分別為土壤中易風(fēng)蝕物含量與土壤風(fēng)蝕量關(guān)系公式中易風(fēng)蝕物含量的系數(shù)和常數(shù)項，F(xiàn)_dt為大田條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量，單位為g·m^‐2；

然后計算待觀測農(nóng)田翻耕耙平地土壤易風(fēng)蝕物含量條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量與F_dt的比值E，則

其中，F(xiàn)_dt′為待觀測農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕量，ef′為待觀測農(nóng)田的土壤中易風(fēng)蝕物含量；

(4)對同一地點的土壤含水率與風(fēng)蝕強度進(jìn)行觀測，根據(jù)觀測結(jié)果建立大田條件下農(nóng)田輸沙強度與表層土壤含水率的關(guān)系公式，即第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型：

$S_{dt}^2=a_4\·wf+b_4,$

其中，a₄和b₄分別為土壤含水率與輸沙強度關(guān)系公式中土壤含水率的系數(shù)和常數(shù)項，為大田條件下的農(nóng)田土壤輸沙強度，單位為g·m^‐1·hr.^‐1；wf為大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的表層土壤含水率；

然后計算待觀測農(nóng)田翻耕耙平地土壤含水率條件下輸沙強度與的比值W，則

其中，wf′為待觀測農(nóng)田的土壤含水率，為待觀測農(nóng)田土壤輸沙強度；

(5)同時將步驟(2)所得R、步驟(3)所得E、步驟(4)所得W均以乘的關(guān)系代入模型中，建立得到固定起沙風(fēng)速條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型：Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)；或，

進(jìn)一步將次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季不同等級風(fēng)速下的累計時間帶入代入模型Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)中，建立次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型：Q_dt′＝10^-2·a₁·C·R·E·W·∑_j＝1[T_j·exp(b₁·k·U_j)]；

(6)然后對待測農(nóng)田區(qū)的地表粗糙度z₀’、土壤易風(fēng)蝕物含量ef’及土壤含水率wf’進(jìn)行觀測或檢測，所得觀測或檢測結(jié)果代入步驟(5)所得模型Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)中，計算出某一起沙風(fēng)速條件下待測農(nóng)田區(qū)的農(nóng)田風(fēng)蝕量；或，

對待測農(nóng)田區(qū)的不同等級風(fēng)速U_j及其累計時間T_j、地表粗糙度z₀’、土壤易風(fēng)蝕物含量ef’及土壤含水率wf’進(jìn)行觀測或檢測，所得觀測或檢測結(jié)果代入步驟(5)所得模型Q_dt′＝10^-2·a₁·C·R·E·W·∑_j＝1[T_j·exp(b₁·k·U_j)]中，計算出待測農(nóng)田區(qū)的次農(nóng)田風(fēng)蝕量。

本發(fā)明所提供的農(nóng)田風(fēng)蝕量預(yù)測模型，具有諸多優(yōu)點：

(一)本模型包含了風(fēng)力侵蝕因子、粗糙干擾因子、土壤可蝕性因子和土壤濕度因子等影響農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的主要因子，是國內(nèi)第一個包含了主要風(fēng)蝕影響因子的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

(二)本模型是根據(jù)中國北方地區(qū)的自然環(huán)境建立的，具有結(jié)構(gòu)清晰、風(fēng)蝕因子關(guān)系明確、參數(shù)容易獲取、計算過程簡單等優(yōu)點，適用于中國北方風(fēng)蝕區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕量的計算和預(yù)測。

附圖說明

圖1是翻耕耙平地的風(fēng)蝕原狀土進(jìn)行了風(fēng)洞模擬實驗結(jié)果。

圖2是野外風(fēng)沙觀測地表粗糙度與風(fēng)蝕強度觀測結(jié)果。

圖3是土壤易風(fēng)蝕物含量與風(fēng)蝕量觀測結(jié)果。

圖4是農(nóng)田風(fēng)蝕強度隨土壤含水率變化的觀測結(jié)果。

圖5是本發(fā)明方法流程框圖。

圖6是翻耕耙平地的風(fēng)蝕原狀土進(jìn)行野外觀測實驗結(jié)果。

具體實施方式

(1)建立大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型

本模型中，用起沙風(fēng)速來表征風(fēng)力侵蝕因子。

①將一處典型農(nóng)田區(qū)作為觀測點進(jìn)行長期的野外風(fēng)沙觀測，并采集翻耕耙平地的風(fēng)蝕原狀土進(jìn)行風(fēng)洞模擬實驗，建立農(nóng)田風(fēng)蝕強度與風(fēng)速之間的定量關(guān)系模型。作為觀測點的典型農(nóng)田區(qū)的土壤質(zhì)地為分布廣泛的沙質(zhì)壤土，農(nóng)田地表類型為冬春季面積最大的翻耕耙平地，表層土壤濕度控制在2.0％以內(nèi)。因此，所建標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型環(huán)境單一，是特定粗糙干擾因子和土壤抗蝕因子條件下的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型。

在典型農(nóng)田區(qū)的翻耕耙平地上，利用集沙儀、梯度風(fēng)速儀、鋁盒同步測定地表的輸沙強度、起沙風(fēng)速和表層土壤含水率，對輸沙強度和起沙風(fēng)速的觀測結(jié)果如圖6。

采集觀測點處翻耕耙平地的風(fēng)蝕原狀土進(jìn)行了風(fēng)洞模擬實驗，結(jié)果如圖1所示，野外觀測(圖6)和風(fēng)洞模擬實驗結(jié)果(圖1)均表明，農(nóng)田風(fēng)蝕強度隨風(fēng)速增加呈指數(shù)規(guī)律變化。圖1給出了不同起沙風(fēng)速條件下風(fēng)蝕強度觀測結(jié)果，根據(jù)圖1中的結(jié)果，可以得出風(fēng)洞條件下農(nóng)田風(fēng)蝕的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型Q_wt＝a₁·exp(b₁·U_wt)，其中，Q_wt為風(fēng)洞條件下翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度，也稱土壤風(fēng)蝕模數(shù)，單位：g/(m²·hr.)；U_wt為風(fēng)洞條件下的50cm高度起沙風(fēng)速，單位：m/s；a₁是風(fēng)洞條件下觀測點處翻耕耙平地的風(fēng)蝕強度與風(fēng)速關(guān)系公式(或關(guān)系函數(shù))的系數(shù)，其為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，取值為6.8179；b₁為表征風(fēng)蝕強度隨風(fēng)速變化快慢的常數(shù)項，取值0.3593。

②在風(fēng)洞條件下農(nóng)田風(fēng)蝕的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型Q_wt＝a₁·exp(b₁·U_wt)的基礎(chǔ)上建立大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型。

首先，對風(fēng)速進(jìn)行修訂：由于風(fēng)洞50cm高度的風(fēng)速與氣象站10m觀測高度測定的風(fēng)速有一定的差距，因此應(yīng)將氣象站記錄的風(fēng)速換算為風(fēng)洞50cm高度風(fēng)速，在通過調(diào)節(jié)粗糙元使風(fēng)洞風(fēng)速廓線與野外風(fēng)速廓線指數(shù)相似得到保證的前提下，氣象站觀測風(fēng)速(U)與風(fēng)洞50cm高度風(fēng)速(U_wt)之間的換算關(guān)系為：U_wt＝k·U，式中，k為與下墊面有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù)，根據(jù)野外觀測結(jié)果計算的翻耕耙平地的風(fēng)速修訂系為k＝0.6926。

其次，對尺度進(jìn)行修訂：風(fēng)洞內(nèi)的土壤風(fēng)蝕試驗樣品長度僅為0.8m，而田塊長度對風(fēng)蝕強度具有很大的影響，直接利用風(fēng)洞模擬結(jié)果計算大田條件下的風(fēng)蝕模數(shù)，將導(dǎo)致計算結(jié)果遠(yuǎn)高于實際值。通過對比典型農(nóng)田區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)的風(fēng)洞模型實驗結(jié)果與采用改進(jìn)粒度對比法計算的實際風(fēng)蝕模數(shù)，大田條件下的土壤風(fēng)蝕模數(shù)約為風(fēng)洞條件下的0.072倍。據(jù)此，大田條件下農(nóng)田風(fēng)蝕的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型可表達(dá)為：式中，Q_dt為大田條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕強度，單位為g·m^‐2·hr.^‐1；C為尺度修訂系數(shù)，其值為0.072；k為風(fēng)速修訂系數(shù)，其值為0.6926；U為氣象站10m高度的起沙風(fēng)速(≥6m·s^‐1)。

(2)粗糙干擾因子的輸入

本模型中，粗糙干擾因子直接用地表空氣動力學(xué)粗糙度(簡稱地表粗糙度)來表征。方法是在對典型農(nóng)田區(qū)內(nèi)翻耕耙平地進(jìn)行觀測的同時，對臨近的6種地類的風(fēng)蝕起沙強度進(jìn)行同步觀測，并使用梯度風(fēng)速儀測定各自的地表粗糙度。由于各觀測點之間的距離較近，自然條件基本一致，其風(fēng)蝕強度的差異主要是由農(nóng)田耕作方式不同導(dǎo)致的地表粗糙度的差異造成的。據(jù)此，建立地表粗糙度與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系模型，標(biāo)準(zhǔn)化后輸入標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，具體如下。

用多臺集沙儀對典型農(nóng)田區(qū)及其周邊的翻耕耙平地、東西向莜麥留茬地、南北向莜麥留茬地、小麥留茬地、油菜留茬地、棄耕地和退耕地共7種地類表面的風(fēng)蝕起沙強度進(jìn)行同步觀測。利用梯度風(fēng)速儀測定每一種地類的地表粗糙度。由于各觀測點之間的距離較近(＜200m)，觀測時段內(nèi)，風(fēng)速、土壤質(zhì)地、土壤濕度等自然條件基本一致，不同地類風(fēng)蝕強度的差異主要是由農(nóng)田耕作方式不同導(dǎo)致的地表粗糙度的差異造成的，據(jù)此，建立地表粗糙度與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系模型如圖2，農(nóng)田風(fēng)蝕強度隨地表粗糙度的增大呈指數(shù)規(guī)律降低。

中，為大田條件下的農(nóng)田土壤輸沙強度(單位：g·m^‐1·hr.^‐1)；z₀為地表粗糙度(單位：cm)；a₂是大田條件下輸沙強度與地表粗糙度關(guān)系函數(shù)系數(shù)，為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，取值1.4606；b₂為表征輸沙強度隨地表粗糙度變化快慢的常數(shù)項，取值‐10.49；以作為第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，z₀為第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的地表粗糙度，取值為0.1686cm。

將a₂、b₂、z₀的值代入第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，計算得到一個特定地表粗糙度條件下的輸沙強度值，以此值作為第一標(biāo)準(zhǔn)值，則其他地表粗糙度z₀′條件下輸沙強度與標(biāo)準(zhǔn)值的比例關(guān)系(R)可表達(dá)為：式中，R為隨地表粗糙度z₀′變化的風(fēng)蝕強度與第一標(biāo)準(zhǔn)值的比值。由于該第一標(biāo)準(zhǔn)值由第一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型得到，因此，可將R作為粗糙干擾因子以乘的關(guān)系帶入步驟(1)所得大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，建立包含粗糙干擾因子的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

(3)土壤可蝕性因子的輸入

影響土壤抗蝕性的特性包括內(nèi)在屬性和暫時性質(zhì)兩類。土壤內(nèi)在屬性抗蝕性用土壤可蝕性來表征。方法是采用改進(jìn)粒度對比法對包括典型農(nóng)田區(qū)在內(nèi)的多處具有不同質(zhì)地的翻耕耙平農(nóng)田風(fēng)蝕量進(jìn)行估算，并測定各種表征土壤可蝕性的指標(biāo)。由于翻耕耙平地地表較一致，同一縣域內(nèi)包括風(fēng)速、降水在內(nèi)的氣象條件差異也不大，可以認(rèn)為各采樣點地表風(fēng)蝕量的差異主要是由土壤可蝕性的差異造成的。據(jù)此，遴選最佳指標(biāo)建立土壤可蝕性與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系模型，標(biāo)準(zhǔn)化后輸入標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型。

因此，對各采樣點土壤樣品中一些可表征土壤可風(fēng)蝕性的指標(biāo)進(jìn)行分析，如可風(fēng)蝕物含量(粒徑≤0.84mm)、易風(fēng)蝕物含量(粒徑0.05～0.5mm)、粉沙與黏粒含量(粒徑＜0.05mm)等，從中篩選最能反映土壤可蝕性與風(fēng)蝕量關(guān)系的指標(biāo)。結(jié)果表明(圖3)，RWEQ、WEPS等模型中使用的可風(fēng)蝕物含量指標(biāo)與農(nóng)田風(fēng)蝕量的相關(guān)性并不高(R²＝0.615)，易風(fēng)蝕物含量與風(fēng)蝕量之間具有最佳的相關(guān)系數(shù)(R²＝0.798)。因此，本模型中用易風(fēng)蝕物含量作為表征土壤可蝕性的指標(biāo)，其與農(nóng)田風(fēng)蝕量線性相關(guān)，可用關(guān)系模型F_dt＝a₃·ef-b₃表示，式中，F(xiàn)_dt為大田條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量(單位為：g·m^‐2)；ef為土壤中易風(fēng)蝕物的含量；a₃、b₃為土壤中易風(fēng)蝕物含量與土壤風(fēng)蝕量關(guān)系公式中易風(fēng)蝕物含量的系數(shù)和常數(shù)項，取值分別為10362.0和4690.9。以F_dt＝a₃·ef-b₃作為第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，ef為大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地中易風(fēng)蝕物含量，取值為0.6065(即60.65％)。

將a₃、b₃、ef的值帶入第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，計算得到一個特定土壤易風(fēng)蝕物含量條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕量，以此值作為第二標(biāo)準(zhǔn)值，則其他土壤易風(fēng)蝕物含量ef′條件下農(nóng)田風(fēng)蝕量與第二標(biāo)準(zhǔn)值的比例關(guān)系(E)可表達(dá)為：式中，E為隨土壤中易風(fēng)蝕物含量(ef′)變化的風(fēng)蝕量與第二標(biāo)準(zhǔn)值的比值。由于該第二標(biāo)準(zhǔn)值取自第二標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，因此，可將E作為土壤可蝕性要素以乘的關(guān)系帶入步驟(1)所得大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，建立包含土壤可蝕性要素的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

(4)土壤濕度因子的輸入

土壤暫時抗蝕性用表層土壤(地表以下3.0cm)含水率來表征。方法是在典型農(nóng)田區(qū)的翻耕耙平地上，對風(fēng)蝕強度、表層土壤含水率與起沙風(fēng)速進(jìn)行長期的同步觀測，從中提取風(fēng)速相近的數(shù)據(jù)組(6.3‐6.6m/s)。由于觀測點始終位于同一位置，地表狀況、風(fēng)速又比較一致，其風(fēng)蝕強度的差異可以認(rèn)為主要是由土壤含水率的不同造成的。據(jù)此，建立土壤含水率與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系模型，標(biāo)準(zhǔn)化后輸入標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，具體如下。

在典型農(nóng)田區(qū)的翻耕耙平地上，對輸沙強度、表層土壤含水率與起沙風(fēng)速進(jìn)行長期同步觀測，從收集的142組數(shù)據(jù)中篩選風(fēng)速相近的數(shù)據(jù)組，要求數(shù)據(jù)組內(nèi)風(fēng)速的差距不超過0.3m/s，其中，有11組數(shù)據(jù)的風(fēng)速較集中(6.3‐6.6m/s)，滿足建模要求。由于觀測點始終位于同一位置，地表狀況又基本一致，在風(fēng)速變化較小的情況下，風(fēng)蝕強度的差異可以認(rèn)為主要是由土壤含水率的不同造成的，據(jù)此，可建立土壤含水率與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系模型，結(jié)果圖4，農(nóng)田風(fēng)蝕強度隨地表土壤含水率的增大呈線性規(guī)律增大，地表土壤含水率與風(fēng)蝕強度之間的關(guān)系可用關(guān)系模型表示，式中，為大田條件下的農(nóng)田土壤輸沙強度(單位：g·m^‐1·hr.^‐1)；wf為表層土壤含水率；a₄、b₄為土壤含水率與輸沙強度關(guān)系公式中土壤含水率的系數(shù)和常數(shù)項，取值分別為‐0.3951和2.4329。以為第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，wf則為大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型所處翻耕耙平地的表層土壤含水率，取值為1.45％。

將a₄、b₄、wf代入第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，計算得到一個特定土壤含水率條件下的輸沙強度值。以此值作為第三標(biāo)準(zhǔn)值，則其他土壤含水率wf′條件下輸沙強度與該標(biāo)準(zhǔn)值的比例關(guān)系(W)可表達(dá)為：式中，W為隨土壤中隨土壤含水率(wf′)變化的風(fēng)蝕量與第三標(biāo)準(zhǔn)值的比值。由于該第三標(biāo)準(zhǔn)值取自第三標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，因此，可將W作為土壤含水率要素以乘的關(guān)系帶入步驟(1)所得大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，建立包含土壤含水率要素的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

(5)建立多因子風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

將輸入粗糙干擾因子、土壤抗蝕因子的風(fēng)蝕模型進(jìn)行風(fēng)速和尺度修訂，建立涵蓋風(fēng)力侵蝕因子、粗糙干擾因子和土壤抗蝕因子，包括起沙風(fēng)速、地表粗糙度、土壤可蝕性和土壤含水率四大風(fēng)蝕影響要素的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?Wind Erosion Empirical Model，簡稱WEEM)。

由于風(fēng)力侵蝕因子、粗糙干擾因子和土壤抗蝕因子是相互獨立的，因此，將三大因子同時帶入步驟(1)所得大田條件下的農(nóng)田風(fēng)蝕標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，不會造成影響因子中要素相互干擾的問題。由于粗糙干擾因子、土壤可蝕性要素和土壤含水率要素均是以乘的關(guān)系帶入到標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型中，因此，三者之間的關(guān)系為連乘。由此，涵蓋風(fēng)力侵蝕因子、粗糙干擾因子和土壤抗蝕因子三大風(fēng)蝕影響因子，包括起沙風(fēng)速、地表粗糙度、土壤可蝕性和土壤含水率四大風(fēng)蝕影響要素的農(nóng)田風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂杀磉_(dá)為：Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)，其中，

R＝exp[-10.49·(z₀′-0.1686)]、E＝6.502ef′-2.9435、W＝-0.2124wf′+1.308。

現(xiàn)實中，風(fēng)速是不斷變化的。在利用該模型計算次風(fēng)蝕事件、一段風(fēng)蝕期甚至整個風(fēng)蝕季的農(nóng)田風(fēng)蝕量時，需要將不同等級風(fēng)速造成的農(nóng)田風(fēng)蝕量進(jìn)行累加，因此，次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季農(nóng)田風(fēng)蝕量計算模型可表達(dá)為：

Q_dt′＝10^-2·a₁·C·R·E·W·∑_j＝1[T_j·exp(b₁·k·U_j)]，

式中，Q_dt’為大田條件下次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模數(shù)(單位：t·hm^‐2)；U_j為氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速；T_j為風(fēng)沙活動發(fā)生時段內(nèi)風(fēng)速為U_j的累積時間(hr.)。

(6)對待測農(nóng)田區(qū)的地表粗糙度z₀′、土壤易風(fēng)蝕物含量ef′及土壤含水率wf′進(jìn)行觀測或檢測，所得觀測或檢測結(jié)果代入步驟(5)所得模型Q_dt＝a₁·C·R·E·W·exp(b₁·k·U)中，預(yù)測某一起沙風(fēng)速條件下農(nóng)田風(fēng)蝕量，或者進(jìn)一步統(tǒng)計不同等級風(fēng)速U_j及其累計時間T_j，代入模型Q_dt′＝10^-2·a₁·C·R·E·W·∑_j＝1[T_j·exp(b₁·k·U_j)]中，計算出待觀測農(nóng)田區(qū)的次風(fēng)蝕事件、風(fēng)蝕期或風(fēng)蝕季的次農(nóng)田風(fēng)蝕量。

實驗：

利用本發(fā)明的模型對河北壩上地區(qū)康?？h境內(nèi)4處地點(1.后照陽河村東，2.興隆村南，3.西五福堂村西，4.興隆村東)，翻耕耙平地和莜麥留茬地2種地類，2013年風(fēng)蝕季農(nóng)田風(fēng)蝕量進(jìn)行定量計算，得到壩上地區(qū)4處地點，2種地類2013年風(fēng)蝕季農(nóng)田風(fēng)蝕量。結(jié)果表明(表1)，模型計算的翻耕耙平地風(fēng)蝕量在26.75～59.61t/hm²之間，平均為39.45t/hm²，與采用改進(jìn)粒度對比法估算的結(jié)果比較接近【王仁德,常春平,彭帥.基于粒度對比法的壩上農(nóng)田風(fēng)蝕與粉塵釋放量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(21):108～114】，二者相差的倍數(shù)在0.68～1.66倍之間，平均僅為1.01倍，這說明該模型對翻耕耙平地的估算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。模型計算的莜麥留茬地的風(fēng)蝕量在10.73～21.33t/hm²之間，平均為14.08t/hm²，與采用改進(jìn)粒度對比法估算的結(jié)果相差0.51～1.21倍，平均為0.78倍，差距也不大。采用插桿法估算的康?？h秋翻耕耙平地年風(fēng)蝕量為48.28t/hm²【郭曉妮,馬禮.壩上地區(qū)不同土地利用類型的地塊土壤年風(fēng)蝕量的對比[J].首都師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(4):93～96】，與本模型計算的結(jié)果(39.45t/hm²)也比較接近，這都說明應(yīng)用該模型計算的壩上地區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕量是比較準(zhǔn)確的。

表1模型計算結(jié)果與粒度對比法估算結(jié)果的比較