旱地保护性耕作土壤风蚀模型研究臧英,高焕文(1.华南农业大学工程学院,广东广州510642;(2.中国农业大学工学院,北京100083)摘要:在分析国外风蚀模型资料的基础上,建立了适用于保护性耕作的风蚀模型。该模型以小时为步长,根据气象数据、地表土壤水分、秸秆残茬覆盖率及地表粗糙度,模拟不同耕作体系下农田土壤风蚀流失量情况;针对保护性耕作的特点,考虑到残茬覆盖对土壤含水量和地表粗糙度的影响;通过田间风蚀测定数据的验证,证明所建立的保护性耕作风蚀模型的模拟值与实测值比较吻合。关键词:保护性耕作;土壤风蚀;模型中图分类号:S157.1文献标识码:A文章编号:1000-7601(2006)02-0001-07为解决北方干旱缺水、产量低而不稳、水土流失严重、沙尘暴猖獗等问题,从20世纪90年代初开始,我国科技工作者在国家和农业部有关科研项目支持下,比较系统地开展了保护性耕作的试验研究。在保护性耕作研究中,除了进行长期定位试验研究外,利用计算机模型模拟不同保护性耕作体系下的土壤-作物系统效应,便于总结试验成果,为研究成果的推广应用提供辅助工具。一些发达国家已经在作物模型、水土模型及保护性耕作模拟方面做了长期大量的工作,将水文模型与作物系统模型结合在一起,建立了一些综合性的模拟模型,用来模拟保护性措施对农业生产持续性的影响,如美国的WEPS模型、EPIC模型和澳大利亚的PERFECT模型[1-3]。1王晓燕在保护性耕作与水蚀模型方面做了初步研究[4]。但目前关于保护性耕作措施条件下的风蚀模型方面的研究在国内还是空白。本文在分析国外模型资料的基础上,针对保护性耕作生产系统的特点,模型主要考虑受残茬覆盖影响较大的地表粗糙度、土壤含水量等风蚀影响因子,建立了适合于分析保护性耕作风蚀防治效应的模型。1模型建立1.1流失量数值计算风蚀是发生在大范围的地表状况下的过程。为了确定不同地表的侵蚀率,本模型将整个侵蚀过程简单地分割成由风力或跃移颗粒作用下疏松土壤(直径<2mm)的直接扬起与跃移和蠕移颗粒被截留两个独立的侵蚀过程。本研究的目标是估算不同耕作体系下风蚀流失量,以线风蚀流失强度作为风蚀流失量的测度对象,建立一维模拟区域内土壤风蚀质量守恒方程,表示如下[5,6]:(1)式中,q-水平风蚀土壤流量[kg/(m·s)];x-沿风向从模拟区域非侵蚀边界到下风口距离(m);Ge-疏松土壤的净扬起量[kg/(m2·s)];Gt-跃移颗粒被截留量[kg/(m2·s)]。疏松土壤的净扬起量不仅受到地表覆盖的影响,同时也受到地表粗糙度的影响,其表达式如下[7]:(2)(3)(4)2式中,Ce-扬起系数(1/m);qe-模拟区域最大的扬起土壤量[kg/(m·s)];Ccov-地表残茬覆盖率(%);Fcov-由团聚体、地表壳和石块覆盖而不会产生扬沙的地表所占百分比;Za-模拟区域空气动力学粗糙度(mm);u*-模拟摩阻速度(m/s);u*t-地表临界摩阻速度(m/s)。对于给定的地表状况,只要土壤释放量超过风的输送量,则跃移和蠕移颗粒运动量就会下降。另外,当挟带沙尘的风穿过粗糙地表时,大部分土壤颗粒仍随风运动,但有部分的跃移和蠕移土壤颗粒被地表覆盖物(土块,石块和倒伏残茬等)和直立残茬截留。其截留量计算式为[7,8]:（5）（6）（7）（8）式中,Ci-直立残茬的截留系数(1/m);n-单位面积的茎秆数;D-茎秆直径(mm);Hres-茎秆高度(mm);Ct-地表覆盖物造成的粗糙地表的截留系数(1/m);qc-跃移和蠕移的输送能力[kg/(m·s)]。1.2控制部分摩阻速度的大小是决定土壤风蚀发生与否的重要因素。只有当摩阻速度超过临界摩阻速度时,地表才发生土壤风蚀现象。1.2.1摩阻速度摩阻速度主要受模拟区域空气动力学粗糙度的影响。风蚀观测过程中,由于条件有限,不可能在每一模拟区域内安装气3象观测站。由于气象观测点与模拟区域之间的环境存在差异,空气动力学粗糙度也就不同,因此在两环境下的摩阻速度也必将存在一定差异。为了便于将气象观测站的风速直接用于模拟区域风蚀研究,对气象观测点的摩阻速度进行了修正。研究表明[9],在近地100m高度内,风速随高度的变化符合对数关系,故气象观测点的摩阻速度可表示为[7,10]:(9)式中,u-风速观测高度Z处实测风速值(m/s);Z0-气象观测点的空气动力学粗糙度(mm)。地表无直立残茬时,模拟区域摩阻速度为:u*=u*wZaZ00.067(10)(10)地表有直立残茬时,模拟区域...