本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，方法如下：利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定農(nóng)田風(fēng)蝕起沙關(guān)鍵因子；根據(jù)關(guān)鍵因子構(gòu)建農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案；優(yōu)化參數(shù)化方案，得到最終方案。本發(fā)明專利技術(shù)有益效果是：通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)揭示粗糙因子、土壤特性和人為活動(dòng)對(duì)臨界起沙摩擦速度、粒子譜分布和起沙通量的影響，進(jìn)而將自然和人為因素有機(jī)融合到農(nóng)田下墊面臨界起沙摩擦速度及起沙方案中,有效提高農(nóng)田起沙的模擬精度。擬精度。擬精度。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法
[0001]本專利技術(shù)涉及沙塵預(yù)測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法。
技術(shù)介紹
[0002]農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化是掌握農(nóng)田風(fēng)蝕起沙時(shí)空分布及生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵，也是近年來(lái)土壤風(fēng)蝕研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。
[0003]受氣候變化、土地類型、土壤質(zhì)地、作物種類和耕作模式等自然、人為因素的綜合影響，農(nóng)田風(fēng)蝕起沙存在顯著的時(shí)空異質(zhì)性，具有排放規(guī)模小、時(shí)空變率大、臨界起沙摩阻速度復(fù)雜多樣等特征，導(dǎo)致農(nóng)田風(fēng)蝕起沙的動(dòng)力機(jī)制尚不清晰，使得在區(qū)域或全球模式中準(zhǔn)確描述農(nóng)田風(fēng)蝕過(guò)程面臨諸多挑戰(zhàn)，造成起沙通量模擬存在很大的不確定性，難以滿足土地荒漠化、風(fēng)蝕防治等相關(guān)研究中對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙的高時(shí)空分辨率需求。
[0004]目前針對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙的研究中存在三種問(wèn)題：(1)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙機(jī)制尚不清晰；(2)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙關(guān)鍵因子的時(shí)空分布難以獲取；(3)區(qū)域和全球模式中農(nóng)田起沙方案存在較大誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0005]為了針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案中存在的問(wèn)題，本專利技術(shù)提供了一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，方法包括以下步驟：
[0006]S1：利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定農(nóng)田風(fēng)蝕起沙關(guān)鍵因子；
[0007]S2：根據(jù)關(guān)鍵因子構(gòu)建農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案；
[0008]S3：優(yōu)化參數(shù)化方案，得到最終方案。
[0009]本專利技術(shù)提供的有益效果是：
[0010]1.結(jié)合自然和人為因素，在區(qū)域模式中首次構(gòu)建了一套適用于北方半干旱區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕起。
[0011]2.沙參數(shù)化方案；有效提高農(nóng)田起沙的模擬精度，量化北方地區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙對(duì)區(qū)域大氣總沙塵濃度的貢獻(xiàn)，為半干旱區(qū)大氣環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田風(fēng)蝕防治、土地荒漠化治理提供科學(xué)指導(dǎo)。
[0012]3.針對(duì)北方半干旱區(qū)農(nóng)田下墊面和耕作模式的特點(diǎn)，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)揭示粗糙因子、土壤特性和人為活動(dòng)對(duì)臨界起沙摩擦速度、粒子譜分布和起沙通量的影響，進(jìn)而將自然和人為因素有機(jī)融合到農(nóng)田下墊面臨界起沙摩擦速度及起沙方案中。
附圖說(shuō)明
[0013]圖1是本專利技術(shù)方法流程圖；
具體實(shí)施方式
[0014]為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。
[0015]請(qǐng)參考圖1，圖1是本專利技術(shù)方法流程圖。本專利技術(shù)提供了一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，包括以下步驟：
[0016]S1：利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定農(nóng)田風(fēng)蝕起沙關(guān)鍵因子；
[0017]需要說(shuō)明的是，對(duì)于半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙過(guò)程中的多種關(guān)鍵因子，在本專利技術(shù)中通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行確定。具體如下：
[0018]首先是風(fēng)洞試驗(yàn)的設(shè)置過(guò)程；本專利技術(shù)中基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)土壤含水量、植被覆蓋度、留茬高度和冠層高度這四種自然因素，以及耕種這種人為因素，共設(shè)置了七組風(fēng)洞試驗(yàn)；
[0019]和其他自然因素相比，不同耕種模式(如翻耕和休耕)的農(nóng)田土壤質(zhì)地、植被覆蓋度、地表粗糙度和臨界起沙摩擦速度等風(fēng)蝕參數(shù)差異最大。因此，本專利技術(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于休耕期的土壤樣本進(jìn)行翻耕處理，且不考慮作物覆蓋(后文的試驗(yàn)一和試驗(yàn)二)，進(jìn)而可獲取不同耕作模式下的土壤風(fēng)蝕因子，以及農(nóng)田沙塵粒徑分布、臨界起沙摩擦速度與釋放通量的關(guān)系。
[0020]基于上述考慮，本申請(qǐng)?jiān)O(shè)置的風(fēng)洞試驗(yàn)包括7組，分別為：
[0021]試驗(yàn)一、下墊面為原狀土，測(cè)試原狀土土壤含水量；
[0022]試驗(yàn)二、下墊面為耕種土，具體設(shè)置為將原狀土進(jìn)行深度翻耕；
[0023]試驗(yàn)三、下墊面為留茬，具體設(shè)置為植被覆蓋度a％，土壤含水量和原狀土設(shè)置一致；
[0024]試驗(yàn)四、下墊面為植被一，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度a％，壤含水量和原狀土設(shè)置一致；
[0025]試驗(yàn)五、下墊面為植被二，具體設(shè)置為冠層高度c cm，植被覆蓋度a％，壤含水量和原狀土設(shè)置一致；
[0026]試驗(yàn)六、下墊面為植被三，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度a％，壤含水量相比原狀土增加d％；
[0027]試驗(yàn)七、下墊面為植被四，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度d％，壤含水量相比原狀土增加d％。
[0028]作為實(shí)施例，其中a為10，b為5，c為10，d為30；
[0029]7組試驗(yàn)具體設(shè)置如表1所示：
[0030]表1農(nóng)田風(fēng)蝕起沙的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)置
[0031][0032][0033]根據(jù)表1的試驗(yàn)設(shè)置，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)前的相應(yīng)樣本進(jìn)行采集與處理，其過(guò)程如下：
[0034](a)模擬土壤相對(duì)濕度：由樣本的土壤相對(duì)濕度和環(huán)刀法確定土壤田間持水量，獲取含水量數(shù)據(jù)并達(dá)到控制含水量的目的。
[0035](b)模擬植被覆蓋：選擇冠層高度為5cm和10cm的植物模型，設(shè)置植物覆蓋率為10％和30％；將植物模型進(jìn)行剪切留茬。
[0036](c)模擬翻耕下墊面：取原狀土后自然風(fēng)干，用松土鏟對(duì)土壤表層進(jìn)行翻耕處理，翻耕深度約為3cm，翻耕后的土塊不進(jìn)行打碎處理。
[0037]處理完畢后，開始試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過(guò)程為：
[0038]每組試驗(yàn)重復(fù)4次，每次試驗(yàn)時(shí)間為15分鐘。
[0039](a)置樣品于實(shí)驗(yàn)段中段，每組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)立式集沙儀每個(gè)高度上收集到的沙土量利用0.001g精度的電子水平稱重，得到輸沙量及輸沙率；
[0040](b)采用激光粒度儀分析不同地表土壤顆粒的粒徑；
[0041](c)通過(guò)開展連續(xù)可調(diào)的風(fēng)速試驗(yàn)，記錄距地表20cm內(nèi)不同高度的水平風(fēng)速得到風(fēng)速廓線，隨后通過(guò)半對(duì)數(shù)回歸分析法得到摩阻風(fēng)速u*和地表粗糙度z0；
[0042](d)通過(guò)氣溶膠粒度譜儀采用梯度法測(cè)量?jī)蓚€(gè)高度對(duì)應(yīng)的沙塵釋放濃度進(jìn)而得到沙塵的垂直釋放通量。
[0043]S2：根據(jù)關(guān)鍵因子構(gòu)建農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案；
[0044]需要說(shuō)明的是，農(nóng)田風(fēng)蝕起沙和經(jīng)典起沙機(jī)制類似，但影響因素更為復(fù)雜。
[0045]根據(jù)農(nóng)田風(fēng)蝕起沙的特點(diǎn)，本專利技術(shù)主要基于三個(gè)經(jīng)典起沙方案，分別是GOCART經(jīng)驗(yàn)起沙方案(Ginoux et al.，2004)，Marticorena and Bergametti(1995)和Shao et al.(1996)的兩個(gè)基于物理機(jī)制的起沙方案(以下稱為MB方案和Shao方案)，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，考慮自然和人為因素，分別計(jì)算農(nóng)田起沙關(guān)鍵風(fēng)蝕因子的時(shí)空分布，進(jìn)而構(gòu)建適用于北方半干旱區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕的起沙參數(shù)化方案。
[0046]具體如下：
[0047]S21、計(jì)算農(nóng)田起沙關(guān)鍵因子的時(shí)空分布；
[0048]S22、根據(jù)農(nóng)田起沙關(guān)鍵因子的時(shí)空分布構(gòu)建三種不同的農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案。
[0049]農(nóng)田起沙方案中影響風(fēng)蝕起沙通量最敏感的兩個(gè)因子分別為：農(nóng)田可風(fēng)蝕度和臨界起沙摩擦速度。因此，本專利技術(shù)基于MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)和全球農(nóng)田數(shù)據(jù)集，計(jì)算出北方不同作物的農(nóng)田土壤可風(fēng)蝕面積及其風(fēng)蝕度的時(shí)空分本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，其特征在于：包括以下步驟：S1：利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定農(nóng)田風(fēng)蝕起沙關(guān)鍵因子；S2：根據(jù)關(guān)鍵因子構(gòu)建農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案；S3：優(yōu)化參數(shù)化方案，得到最終方案。2.如權(quán)利要求1所述的一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，其特征在于：步驟S1具體為：S11、設(shè)置針對(duì)土壤含水量、植被覆蓋度、留茬高度和冠層高度、耕種5種因素的多組風(fēng)洞試驗(yàn)；S12、根據(jù)設(shè)置的風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)土壤樣本進(jìn)行預(yù)處理；S13、每組風(fēng)洞試驗(yàn)重復(fù)多次，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定的輸沙量、輸沙率、土壤顆粒粒徑、摩阻風(fēng)速、地表粗糙度和沙塵垂直釋放通量比較不同組別之間不同變量對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的差異；各組的變量包括：耕作方式、冠層高度、植被覆蓋度、土壤含水量。3.如權(quán)利要求2所述的一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，其特征在于：步驟S11中設(shè)置的風(fēng)洞試驗(yàn)如下：試驗(yàn)一、下墊面為原狀土，測(cè)試原狀土土壤含水量；試驗(yàn)二、下墊面為耕種土，具體設(shè)置為將原狀土進(jìn)行深度翻耕；試驗(yàn)三、下墊面為留茬，具體設(shè)置為植被覆蓋度a％，土壤含水量和原狀土設(shè)置一致；試驗(yàn)四、下墊面為植被一，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度a％，壤含水量和原狀土設(shè)置一致；試驗(yàn)五、下墊面為植被二，具體設(shè)置為冠層高度c cm，植被覆蓋度a％，壤含水量和原狀土設(shè)置一致；試驗(yàn)六、下墊面為植被三，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度a％，壤含水量相比原狀土增加d％；試驗(yàn)七、下墊面為植被四，具體設(shè)置為冠層高度b cm，植被覆蓋度d％，壤含水量相比原狀土增加d％。4.如權(quán)利要求1所述的一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，其特征在于：步驟S2具體如下：S21、計(jì)算農(nóng)田起沙關(guān)鍵因子的時(shí)空分布；S22、根據(jù)農(nóng)田起沙關(guān)鍵因子的時(shí)空分布構(gòu)建三種不同的農(nóng)田風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方案。5.如權(quán)利要求4所述的一種半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕起沙參數(shù)化方法，其特征在于：步驟S21具體如下：S211、構(gòu)建半干旱區(qū)農(nóng)田地表可風(fēng)蝕度的高分辨率動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集；S212、計(jì)算不同耕作模式下農(nóng)田臨界起沙摩擦速度及其空間分布，如下式：其中，d為農(nóng)田沙塵粒子的直徑；f
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳思宇，何嘉琦，張?jiān)?/a>，趙丹，陳漁，杜世康，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘭州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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