1、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
2、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
3、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：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：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
4、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；0.050.1mm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：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：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
5、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，0.10.5mm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：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
6、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：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
7、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：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
8、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,
9、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
10、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：风蚀季风蚀量估算结果,（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：一段风蚀期风蚀量估算结果,（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：大风蚀事件风蚀量估算结果,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
11、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,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,100100m 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
12、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（%）+0.845 R2=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
13、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/（m2hr.）；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
14、输沙强度（gm-1hr.-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（
15、gm-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（gm-1hr.-1
16、）；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（thm-2）。,四、土壤风蚀模型研究
17、,（三）模型应用与结果验证,模型计算结果与粒度对比法估算结果的比较,五、坝上土地风蚀沙化防治,（一）农田防护林防风效应,研究结论：乔灌混交配置方式能够兼顾防风效能和防护距离，是研究区农田防护林带树种配置的首选。,五、坝上土地风蚀沙化防治,（二）生态恢复措施评价,研究结论：对于改善生态环境，退耕还荒、围栏封育、农田留茬是当地相对较好的措施；植树造林、人工种草效果较差。,植树造林,围栏封育,农田人工种草,退耕还荒,退耕还林还草,农田翻耕,农田留茬,五、坝上土地风蚀沙化防治,（三）坝上生态治理中存在的问题 1.治理对象不全面 2.治理措施不优化 3.措施执行不严格,五、坝上土地风蚀沙化防治,（三）坝上生态治理措施改进建议1.农田普遍实行保护性耕作2.改退耕还林还草为退耕还荒3.加强对围栏封育的监管4.加大对农民的补贴5.拓展就业渠道，疏解人口压力,六、研究成果和展望,研究课题：国家自然科学基金项目4项、河北省青年拔尖人才项目2项、河北省自然科学基金项目3项等。论文成果：发表SCI/SSCI/EI/中文核心期刊等论文30余篇。专利成果：获得国家发明专利3项，实用新型专利4项。,研究团队支持：河北师范大学资源与环境科学学院、河北省科学院地理科学研究所,六、研究成果和展望,展望：土壤风蚀现代过程研究土壤风蚀过程模型构建生态恢复措施评估和优选,谢谢,请批评指正！,
