CN102565301B

CN102565301B - 土壤侵蚀速率快速监测方法

Info

Publication number: CN102565301B
Application number: CN201110401605.8A
Authority: CN
Inventors: 祁有祥; 杨建英; 赵廷宁; 辜再元
Original assignee: BEIJING BEILINLVYUAN ECOLOGY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: Zhilan Ecological Environment Construction Co.,Ltd.
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: CN102565301A

Abstract

本发明公开了一种土壤侵蚀速率监测方法，其包括：1)在预选监测区域内，按照行列式布设侵蚀标尺，侵蚀标尺垂直于监测样地表面，0刻度线与地表气瓶，并依次编号；2)按照预定的监测制度，应用高清数码相机对每个侵蚀标尺拍照，确保侵蚀标尺清晰成像；3)应用照相机照片即使浏览功能和图像放大工具，或借助计算机，按照编号顺序，依次读出各侵蚀标尺被掩埋或裸露高度；4)计算出土壤侵蚀量。本发明方法摒弃了径流小区大量土建工程，却达到了与径流小区相当的监测精度，规避了传统测量方法对监测样地地表的人为扰动，提高了侵蚀针土壤侵蚀速率测定方法的精度，同时大大降低了测量工作者的劳动强度，提高了工作效率。

Description

土壤侵蚀速率快速监测方法

技术领域

本发明属水土流失监测领域，涉及一种土壤侵蚀快速速率监测的方法。

背景技术

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，目前我国水土流失面积达356.92万平方公里，每年因水土流失造成的经济损失达到上千亿元。土壤侵蚀是地表物质迁移的一种基本形式，也是当今世界面临的重大环境问题之一，土壤侵蚀机理、侵蚀速率监测及其防治对策等相关研究已成为地学、生物学领域的重要研究内容，也是长期以来水土保持工作者的重要研究课题。

现有用于野外观测的土壤侵蚀速率监测方法主要有径流小区法、元素示踪法、侵蚀针法等。综合比较各类方法可以看出，径流小区法精度高、操作简便，且还可配套自动采样、观测等先进设备，但由于该方法存在较多固定土建设施，建设和运营成本较高，多用于科研示范和定点监测等方面，并不适合广泛推广应用和野外进行快速监测，更不变用于开发建设项目新增土壤侵蚀的监测。元素示踪法虽有助于开展土壤侵蚀过程、强度和沉积的空间分布等方面研究，但需要借助实验室完成大量样品的磁性分析测试，受实验条件和经费等因素的限制，该方法也难在生产实践中广泛推广应用。

侵蚀针法是水土保持科研工作者在生产实践中，根据工作需求而创造的一种简便、快捷、实用性很高的简易方法，也是我国部颁标准中土壤侵蚀测量方法之一。但长期以来，侵蚀针的制作尚未形成规范标准，且需要借助传统测量工作完成相应量测任务，无法解决侵蚀针裸露或掩埋的问题，测量误差和工作量较大，特别是对于植被盖度较低的监测样地，无法避免人为对地表的扰动，进而影响测量精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种土壤侵蚀率检测方法。

本发明的方法包括如下步骤：

1)在预选监测区域内，按照行列式布设侵蚀标尺，侵蚀标尺垂直于监测样地表面，0刻度线与地表齐平，并依次编号；

2)按照预定的监测时间要求，应用高清数码照相机对每个侵蚀标尺拍照，确保侵蚀标尺清晰成像；

3)应用照相机照片即使浏览功能和图像放大工具，或借助计算机，按照编号顺序，依次读出各侵蚀标尺被掩埋或裸露高度；

4)计算出土壤侵蚀量。

其中，对于原状土体，土壤侵蚀量的计算公式为：

M = n_{L} L \cdot n_{R} R \cdot g \cdot \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot 10^{- 3}

式中：M为原状土体侵蚀量，L为侵蚀标尺布设行间距；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，其中j＝1，2，...，n，为侵蚀标尺编号；g为土壤容重。

其中，对于扰动土壤，土壤侵蚀量的计算公式为：

M = n_{L} L \cdot n_{R} R [\frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot g_{2} - h (g_{2} - g_{1})] \cdot 10^{- 3}

式中：M为扰动土体侵蚀量；L为侵蚀标尺布设行间距；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，其中j＝1，2，...，n，为侵蚀标尺编号；g₁为布设侵蚀标尺时扰动土体容重；g₂为数据采集时扰动土体容重；h为扰动层厚度。其中，本发明优选的高清数码相机的像素在1000万以上。

本发明可适用任何土壤侵蚀率监测中所用的标尺，优选如下所述的可选用水蚀区土壤侵蚀标尺和风蚀区土壤侵蚀标尺分别用于测定水蚀区和风蚀区的土壤侵蚀率。

其中，水蚀区的土壤侵蚀标尺(见图1和图2)，其为首位顺次相连的第一侧面、第二侧面和第三侧面以及两个底面组成的柱体，其中三侧面为凹弧面，第一侧面和第二侧面相交的棱为第一棱，第二侧面和第三侧面相交的棱为第二棱，第三侧面和第一侧面相交的棱为第三棱，其中，第一侧面对应的第一弧线(S1)的弧度和弧长与第二侧面对应的第二弧线(S2)的弧度和弧长相同，所述第一弧线所在圆的半径大于第三弧线(S3)所在圆的半径，其中，第一侧面和第二侧面分别在其与第一棱相交的一侧涂覆与侧面本体不同的颜色，第二侧面和第三侧面分别在其与第二棱相交的一侧和第三侧面和第一侧面分别在其与第三棱相交的一侧设置刻度。

优选的，将正值刻度所在的区域涂覆成黑色，将负值刻度所在区域涂覆成红色。第一弧线(S1)和第二弧线(S2)的弧长不小于第三弧线(S3)的弧长。第一弧线(S1)和第二弧线(S2)的夹角为10°，第二弧线(S2)和第三弧线(S3)的夹角为10°，第三弧线(S3)和第一弧线(S1)的夹角为10°(本发明中，两条弧线的夹角是指分别以两弧线的交点做切线，所求出的两条切线的夹角)。所述标尺横截面宽1cm，长3cm，标尺长30cm，正值部分20cm，负值部分10cm，最小刻度为毫米。正值刻度和正值刻度中间为零刻度。

其中，风蚀区土壤侵蚀标尺(见图3和图4)，其为由四个首尾顺次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面以及两个底面组成的柱体，其中，四个侧面为凸弧面，第一侧面和第二侧面相交的棱为第一棱，第二侧面和第三侧面相交的棱为第二棱，第三侧面和第四侧面相交的棱为第三棱，第四侧面和第一侧面相交的棱为第四棱，其中，所述柱体关于第一棱和第三棱所在的平面对称，第二侧面对应的第二弧线(K2)所在圆的半径大于第三弧线(K3)所在圆的半径，其中，第一侧面和第二侧面分别在其与第一棱相交的一侧涂覆与侧面本体不同的颜色，第二侧面和第三侧面分别在其与第二棱相交的一侧、第三侧面和第四侧面分别在其与第三棱相交的一侧和/或第四侧面和第一侧面分别在其与第四棱相交的一侧设置刻度。

优选的，将正值刻度所在的区域涂覆成黑色，将负值刻度所在区域涂覆成红色。第一弧线(K1)和第二弧线(K2)的夹角为10°，第三弧线(K3)和第四弧线(K4)的夹角为40°。标尺横截面宽1cm，长3cm，总长度为40cm，正值部分和负值部分分别为20cm，最小刻度为毫米，正值刻度和正值刻度中间为零刻度。

该方法的主要优点有：1)提供了一种快速简便的土壤侵蚀速率测定方法；2)该方法摈弃了径流小区大量土建工程，却达到了与径流小区相当的监测精度；3)解决了开发建设项目、野外定点监测等方面，径流小区建设难、保存难的矛盾，该方法实用性强、实用范围广；4)该方法规避了传统测量方法对监测样地地表的人为扰动，提高了侵蚀针土壤侵蚀速率测定方法的精度；5)该方法大大降低了测量工作者的劳动强度，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明本发明水蚀区土壤侵蚀标尺的主视图，其中，不同阴影表示不同的颜色。

图2所示为本发明水蚀区土壤侵蚀标尺的底面，其中S1、S2和S3分别表示第一侧面、第二侧面和第三侧面所对应的第一弧线、第二弧线和第三弧线。

图3为本发明风蚀区土壤侵蚀标尺的主视图，其中不同阴影表示不同的颜色。

图4所示为本发明风蚀区土壤侵蚀标尺的底面，其中K1、K2、K3和K4分别表示第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面所对应的弧线。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1应用水蚀区土壤侵蚀标尺进行土壤侵蚀速率的测定

在径流小区内，用本发明方法测定土壤侵蚀率，其包括如下步骤：

1)选定径流小区面积为50m²，将前述的水蚀区土壤侵蚀标尺(图1，图2)垂直埋于监测样地表面，0刻度线与地表齐平，正值部分掩埋在地表以下，使侵蚀标尺分流线一端(即，弧长较长，弧所在半径较大的两个弧面相交的棱)迎向水流方向。共布设侵蚀标尺4列5行，列间距为0.5m，行距为1m，共布设侵蚀标尺20只，并依次编号；

2)按照预定的监测时间要求，借助数码照相机拍照并读数的方法依次读出各侵蚀标尺度数。读数为正，表示侵蚀标尺受侵蚀而裸露；读数为负，表示侵蚀标尺被堆积掩埋，本实施例中16只为正，裸露，4只为负，被掩埋。

3)根据公式，计算出土壤侵蚀量

M = n_{L} L \cdot n_{R} R [\frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot g_{2} - h (g_{2} - g_{1})] \cdot 10^{- 3}

式中：M-扰动土体侵蚀量，Kg；L为侵蚀标尺布设行间距，cm；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距，cm；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，j＝1，2，...，n，为侵蚀标尺编号；g₁-布设侵蚀标尺时扰动土体容重，g/cm³；g₂-数据采集时扰动土体容重，g/cm³；h-扰动层厚度，cm。

连续5次自然降雨观测实验，计算出的土壤侵蚀量分别为0.526t、0.315t、0.397t、0.425t、0.411t。与径流小区观测法的精度为基准，该方法的测量精度分别为92.35％、91.82％、93.50％、94.83％、91.07％，平均监测精度达到90％以上。

实施例2应用风蚀区土壤侵蚀标尺进行土壤侵蚀速率的测定

在风洞内模拟完成了秋翻耕耙平地风蚀量监测，包括如下步骤：

1)选定的监测区域的面积为2m²，将前述的风蚀区土壤侵蚀标尺(图3，图4)垂直埋于监测样地表面，0刻度线与地表齐平，正值部分掩埋在地表以下，使侵蚀标尺尖锐一端(即相邻两侧面角度较小的棱)迎向风向。3列3行，列间距为0.3m，行距为0.5m，共布设侵蚀标尺9只，并依次编号；

2)按照预定的监测时间要求，借助数码照相机拍照并读数的方法依次读出各侵蚀标尺度数。读数为正，表示侵蚀标尺受侵蚀而裸露；读数为负，表示侵蚀标尺被堆积掩埋。本实施例中7只为正，裸露，2只为负，被掩埋。

3)由于检测的秋翻耕耙平地属于扰动土体，采用如下公式进行计算，

M = n_{L} L \cdot n_{R} R [\frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot g_{2} - h (g_{2} - g_{1})] \cdot 10^{- 3}

不同风速下三次观测试验。计算所得的土壤侵蚀量分别为4.75kg、5.15kg和6.37kg。

与实际称重法相比，连续三次使用该侵蚀标尺测量秋翻耕耙平地侵蚀量的精度分别达到95.17％、97.06％、97.74％。

实施例3应用风蚀区土壤侵蚀标尺进行土壤侵蚀速率的测定

在室外完成了裸露沙地风蚀量监测，包括如下步骤：

1)选定的监测区域的面积为100m²，将前述的风蚀区土壤侵蚀标尺(图3，图4)垂直埋于监测样地表面，0刻度线与地表齐平，正值部分掩埋在地表以下，使侵蚀标尺尖锐一端(即相邻两侧面角度较小的棱)迎向风向。10列5行，列间距为1m，行距为2m，共布设侵蚀标尺50只并依次编号；

2)按照预定的监测时间要求，借助数码照相机拍照并读数的方法依次读出各侵蚀标尺度数。读数为正，表示侵蚀标尺受侵蚀而裸露；读数为负，表示侵蚀标尺被堆积掩埋。本实施例中，41只为正，裸露，9只为负，被掩埋。

3)由于检测的裸露沙地属于原状土壤，采用如下公式进行计算，

M = n_{L} L \cdot n_{R} R \cdot g \cdot \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot 10^{- 3}

式中：M为土体侵蚀量，单位为Kg；L为侵蚀标尺布设行间距，cm；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距，cm；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，cm，j＝1，2，...，n，为侵蚀标尺编号；g-土壤容重，g/cm³。

连续3次观测试验，计算所得的土壤侵蚀量分别为0.37t、0.42t和0.51t。

与实际称重法相比，连续三次使用该侵蚀标尺测量裸露沙地侵蚀量的精度分别达到97.85％、98.31％、98.75％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.土壤侵蚀速率快速监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、在预选监测区域内，按照行列式布设侵蚀标尺，侵蚀标尺垂直于监测样地表面，0刻度线与地表齐平，并依次编号；

2)、按照预定的监测时间要求，应用高清数码相机对每个侵蚀标尺拍照，确保侵蚀标尺清晰成像；

3)、应用照相机照片即时浏览功能和图像放大工具，或借助计算机，按照编号顺序，依次读出各侵蚀标尺被掩埋或裸露高度；

4)、计算出土壤侵蚀量

对于原状土体，土壤侵蚀量的计算公式为：

M = n_{L} L \cdot n_{R} R \cdot g \cdot \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot 10^{3}

式中：M为原状土体侵蚀量，L为侵蚀标尺布设行间距；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，其中j＝1,2,…,n，为侵蚀标尺编号；g为土壤容重；

或者，对于扰动土壤，土壤侵蚀量的计算公式为：

M = n_{L} L \cdot n_{R} R [\frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} d_{j} \cdot g_{2} - h (g_{2} - g_{1})] \cdot 10^{- 3}

式中：M为扰动土体侵蚀量；L为侵蚀标尺布设行间距；n_L为每一行侵蚀标尺数量；R为侵蚀标尺布设列间距；n_R为每一行侵蚀标尺数量；d_j为各侵蚀标尺读数，其中j＝1,2,…,n，为侵蚀标尺编号；g₁为布设侵蚀标尺时扰动土体容重；g₂为数据采集时扰动土体容重；h为扰动层厚度；

所述侵蚀标尺为水蚀区土壤侵蚀标尺和风蚀区土壤侵蚀标尺，分别用于测定水蚀区和风蚀区的土壤侵蚀率；

所述水蚀区土壤侵蚀标尺，其为首尾顺次相连的第一侧面、第二侧面和第三侧面以及两个底面组成的柱体，其中三侧面为凹弧面，第一侧面和第二侧面相交的棱为第一棱，第二侧面和第三侧面相交的棱为第二棱，第三侧面和第一侧面相交的棱为第三棱，其中，第一侧面对应的第一弧线的弧度和弧长与第二侧面对应的第二弧线的弧度和弧长相同，所述第一弧线所在圆的半径大于第三弧线所在圆的半径，其中，第一侧面和第二侧面分别在其与第一棱相交的一侧涂覆与侧面本体不同的颜色，第二侧面和第三侧面分别在其与第二棱相交的一侧和第三侧面和第一侧面分别在其与第三棱相交的一侧设置刻度；第一弧线和第二弧线的弧长不小于第三弧线的弧长；

所述风蚀区土壤侵蚀标尺，其为由四个首尾顺次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面以及两个底面组成的柱体，其中，四个侧面为凸弧面，第一侧面和第二侧面相交的棱为第一棱，第二侧面和第三侧面相交的棱为第二棱，第三侧面和第四侧面相交的棱为第三棱，第四侧面和第一侧面相交的棱为第四棱，其中，所述柱体关于第一棱和第三棱所在的平面对称，第二侧面对应的第二弧线所在圆的半径大于第三弧线所在圆的半径，其中，第一侧面和第二侧面分别在其与第一棱相交的一侧涂覆与侧面本体不同的颜色，第二侧面和第三侧面分别在其与第二棱相交的一侧、第三侧面和第四侧面分别在其与第三棱相交的一侧和/或第四侧面和第一侧面分别在其与第四棱相交的一侧设置刻度。