CN106768821A - 一种地块内土壤风蚀量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地块内土壤风蚀量的测量方法，包括：第一步：设定被测地块及边界；第二步：设置“土壤风蚀圈”；第三步：安装风速风向测量装置和收集部件；第四步：风速风向统计；第五步：土壤风蚀物流量修正；第六步：确定不同风速等级对土壤风蚀物流量的贡献；第七步：计算土壤风蚀物通量；第八步：计算土壤风蚀物尽通量；第九步：拟合土壤风蚀物尽通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度的关系，确定地块内土壤风蚀物尽通量达到饱和状态时的长度；第十步：确定其它方向在不同风速等级(i)条件下的土壤风蚀饱和长度；第十一步：将不规则形状的地块转换为等面积圆形地块；第十二步：计算各个风向上不同风速等级的风蚀量和地块内的土壤风蚀量。

Description

一种地块内土壤风蚀量的测量方法

技术领域

本发明涉及一种土壤风蚀量的测量方法，特别是一种实际地块内土壤风蚀量的测量方法。

背景技术

土壤风蚀是发生在广阔的干旱、半干旱和部分半湿润区乃至湿润区的一种自然现象，它与风、土壤物理化学特性和人为活动干扰土壤原生结构等因素有关。土壤风蚀导致土地退化已经成为全球性的环境问题和农业生产制约因素。目前，国际上有关土壤风蚀的研究焦点主要集中在地块的土壤风蚀量。地块是指具有同类属性的最小土地单位，地块的判别主要依据土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形的一致性,它在空间尺度上并无明确的界定。地块在生产实践中是土地利用类型的基本单元，地块土壤风蚀量测量是针对下垫面相对均匀的某一土地利用类型的地块开展的测量，是制定科学防治土壤风蚀措施的依据，直接关系到农户如何合理地利用和保护土地资源，在生产实践中最具实用价值。由多种土地利用类型和不同特征下垫面的地块所构成的更大尺度的区域性土地，其土壤风蚀量及其空间分异特征是各级政府和行业部门制定土地资源保护措施和开发利用计划、制定水土保持措施对策、实施生态环境评价的关键要素，对这类大尺度的区域性土壤风蚀量估算必须依赖于精准的地块土壤风蚀量测量。然而，作为土壤风蚀原动力的风，无论是风速还是风向都是随机发生的，而且风对土壤的侵蚀方向以及对土壤风蚀物的搬运方向具有极大的不确定性，形成了土壤风蚀的无边界性，这也是国内外对地块土壤风蚀量测量所面临的巨大困难。

目前测量土壤风蚀量的方法通常分为：1)使用土壤风蚀测定盘进行野外土壤风蚀量测定，方法步骤通常为首先选定平整的测定，然后测定该定测定地的土壤含水量，此后按照风蚀测定盘体积大小取相应体积的土壤，然后测定土壤机械组成，在室外测定期结束后，将盘中土壤取出测定含水量，测定土壤机械组成，并按照一定的公式测定出土壤风蚀量以及同粒径土壤风蚀量等土壤风蚀量的测量参数。2)如中国专利CN103454063A中公开的农田土壤年风蚀量的估算，方法步骤包括：分别采集耕作层表层土壤与耕作层下层土壤，进行干筛筛分分析以检测所述表层土壤和所述下层土壤中可蚀性颗粒和不可蚀性颗粒的含量，代入公式计算，得到土壤年风蚀量。

这些现有技术存在如下问题：设定的土壤风蚀盘体积通常不能过大，一般1m²，因此不能反映地块内土壤风蚀的情况，更不能反映整个地区典型的土壤风蚀状况，并且测量过程没有融合风向风速等信息，不能获得更为精准的数据。中国专利CN103454063A中公开的农田土壤年风蚀量的估算，仅能估算地块内某一时段的平均风蚀量；在该方法中，被测地块内的可蚀性颗粒大小是直接决定土壤风蚀量估算值的关键参数，而目前对不同地块内的可蚀性颗粒大小还不能做到精准的计算。本发明能够克服现有技术的不足，从而为后续的风向风速与土壤风蚀量关系的研究以及土壤风蚀治理提供更有效的数据来源。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种地块内土壤风蚀量的测量方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案包括提供一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其技术方案如下：

一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：首先，设置被测地块及土壤风蚀圈，然后，测量风速风向，此后，计算与土壤风蚀通量相关物理量以及土壤风蚀饱和长度，最后，进行地块转换以及地块内的土壤风蚀量的计算。

优选的，一种地块内土壤风蚀量的测量方法包括如下步骤：所述设置被测地块及土壤风蚀圈包括：第一步：设定被测地块，确定被测地块边界；第二步：在第一步确定的地块上风向位置设置一个“土壤风蚀圈”；所述测量风速风向包括：第三步：在第二步设置的“土壤风蚀圈”中心安装风速风向测量装置，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置的收集部件；第四步：进行风速风向统计；所述计算与土壤风蚀通量相关物理量以及土壤风蚀饱和长度包括：第五步：进行土壤风蚀物流量修正；第六步：确定不同风速等级对土壤风蚀物流量的贡献。第七步：计算各风向上土壤风蚀物通量；第八步：根据第七步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，以主风向上的收集部件为标准，计算该方向上的每个收集部件位置的土壤风蚀物尽通量(即剔除被测地块范围以外输入的风蚀物通量之后，测量得到的“土壤风蚀圈”内土壤风蚀物尽通量)；第九步：根据第八步获得的各收集部件在不同风速等级条件下，主风向上各位置的尽土壤风蚀物通量，确定地块内尽土壤风蚀物通量达到饱和状态时的长度；第十步：根据第九步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀饱和长度，确定其它方向在不同风速等级条件下的土壤风蚀饱和长度；所述进行地块转换以及地块内的土壤风蚀量的计算包括：第十一步：将不规则形状的地块转换为等面积的规则形状的地块。第十二步：根据第九步、第十步和第十一步计算结果，以及各风向上地块边界间的距离，计算地块内的土壤风蚀量。

优选的，第一步中所述被测地块边界是依据地块的定义确定的，所确定的地块是指在空间上连续，地块边界范围内具有相同的土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形特征的土地单元，地块大小为可勘测的任意大小。

优选的，第二步中所述“土壤风蚀圈”位于被测地块内的上风向，“土壤风蚀圈”的设置规格的范围大于65m×65m，“土壤风蚀圈”直径大于25m，“土壤风蚀圈”周围无需做不可蚀处理。

优选的，第三步中所述风速风向测量装置的测风立杆总高度范围为2.0-10.0米，在测风立杆总高度范围上按照“下密上稀”的规则分别设置5-10个风速感应器，以及1个高度大于测风立杆高度的风向感应器，风向感应器置于测风立杆顶端，土壤风蚀圈内沿主风向设置多对收集部件，在“土壤风蚀圈”边缘其它方位分别设置一对收集部件，每对收集部件并列安置、开口方向相反，每对收集部件编号用k和-k表示，以“土壤风蚀圈”中心为分界点，开口朝向“土壤风蚀圈”外侧的收集部件用k表示，开口相反的收集部件用-k表示，用于测量土壤风蚀发生时产生的土壤颗粒流量，根据测量的精度要求以及数据量要求确定测量时间，测量时，将每个收集腔内的沙尘倒出，称取质量，并换算成单位为g/cm²·hr。

优选的，第四步通过如下实现：记录风速风向数据，根据所述数据按照风向分组，每一个风向为一组，其中静风不予统计，设置统计时间周期，然后，在多组风向统计数据支持下，计算每个风向不同风速等级的累计时间，所述累计单位为小时。

优选的，第五步中对土壤风蚀物修正时，首先，在大型风沙环境风洞内，确定与地块相同地表状态条件下，不同风速时的收集部件的收集效率λ_i，其中i表示第i个风速等级，对收集部件所收集的土壤风蚀物流量进行修正q_(k,-k)＝q′_(k,-k)/λ_i，式中q_(k,-k)为每个收集部件被修正后的实际土壤风蚀物流量，q′_(k,-k)为每个收集部件测得的土壤风蚀物流量。

优选的，第六步确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献是在测量过程中一段期间内由于出现不同的风速，而需要确定不同风速情况下收集部件测量的土壤风蚀物流量之间的关系，在测量时间足够长、测得风速等级足够多的情况下，直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献，在测量时间较短、测得风速等级不足的情况下，在大型风沙环境风洞内测定不同等级风速下收集部件测量的土壤风蚀物流量，选择与“土壤风蚀圈”内一定高度一定风速为基准的对应风速，确定实际风速与基准风速下土壤风蚀物通量的比值，利用这些比值估算不同等级风速对土壤风蚀物流量的贡献，待获得充足测量数据后，再对此前的数据进行修正，并直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献。

优选的，第七步是为了得到每个收集部件所在位置的土壤风蚀物在垂直高度上连续的通量，对各风速等级条件下经过修正的收集腔测量得到的土壤风蚀物流量进行函数拟合q_i＝f_i(h)，然后在土壤风蚀物通量一般占土壤风蚀物通量总量的95％以上的[1，200]高度内对拟合函数q_i＝f_i(h)积分获得土壤风蚀物通量此时的土壤风蚀物通量单位为kg/(m·hr)，式中h为高度，单位为cm，其中i表示第i个风速等级。

优选的，第八步根据第七步获得的各收集部件在不同风速等级i条件下的土壤风蚀物通量，以主风向上的收集部件为标准，计算该方向上的每个收集部件位置的土壤风蚀物尽通量。

优选的，第九步根据第八步获得的各收集部件在不同风速等级条件下，主风向上各位置的土壤风蚀物尽通量，拟合土壤风蚀物尽通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度的关系，确定地块内主风向上的尽土壤风蚀物通量达到饱和状态时的长度，也就是“土壤风蚀饱和长度(L_sat)”，采用非线性拟合方法进行土壤风蚀物通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度关系的拟合。

优选的，第十步根据第九步获得的主风向上的尽土壤风蚀物通量与地块长度的关系，以及根据地块定义的含义，即同一地块内的土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形特征均具有同质性，因此L_sat只与风速大小有关，其它多个方向在不同风速等级条件下的L_sat与主风向上确定的对应风速等级条件下的L_sat是一致的，据此确定其它多个方向在不同风速等级条件下的L_sat。

优选的，第十一步将不规则形状的地块面积转换为等面积的规则形状为圆形，正方形，矩形或椭圆形。

优选的，将不规则形状的地块转换为相等面积的圆的情况下，第十二步根据第九步、第十步和第十一步计算结果，计算地块内的土壤风蚀量，按照风向方位代码j＝1，2，······，16，定义各风向上的各风速等级(i)条件下的土壤侵蚀量为Q_mi1、Q_mi2，······，Q_mij，······，Q_mi16。首先计算主风向上各风速等级的土壤风蚀量式中的a_ij和b_ij表示拟合系数，Q_mi为主风向上第i个风速等级的土壤风蚀量，T为测量时段内第i个风速等级的累计时间，单位为小时，L_sat为土壤侵蚀量达到稳定时的土壤风蚀饱和长度，当主风向上“等面积的圆”的玄长，即“等面积的圆”内的地块长度x大于或者等于L_sat时，其中a_i和b_i表示拟合系数，当0<x<L_sat时，按照本步骤进行所述积分，则主风向上各风速等级的土壤风蚀量采用同样的方式计算其它设置了收集装置的多个方向上风蚀量，对于没有设置收集装置的多个方向上的风蚀量，根据每个风向上的风速等级及其持续时间，参照临近风向的风速等级和持续时间，按比例估算风蚀量。最后得到地块内的总土壤风蚀量Q＝Q_mi1+Q_mi2+······+Q_mij+······+Q_mi16。

优选的，收集部件包括下部基座，多个收集腔，金属盒，多个收集腔包括多个收集腔开口，多个收集腔开口之间具有通风通道，实际使用时，收集部件垂直竖立，下部基座埋入地下以固定收集部件，金属盒位于所述收集部件后方，顶盖可以打开并且在使用时与收集部件的下部基座一起埋入地下，收集腔开口为正方形，每个收集腔上方有一个狭长的开口，开口用大于250目的易于焊接的金属材料覆盖。

采用本发明设计思路，实现了地块内土壤风蚀量的高精度测量，能够测量更大区域内土壤风蚀的情况，甚至整个地区典型的土壤风蚀状况，并且测量过程融合风向风速等信息，获得更为精准的数据，从而为后续的风向风速与土壤风蚀量关系的研究以及土壤风蚀治理提供了更有效的数据来源。

附图的简要说明

附图1为根据本发明实施例的“土壤风蚀圈”所在地块位置。

附图2为根据本发明实施例的测量土壤风蚀量的风速风向测量装置的结构示意图。

附图3为根据本发明实施例的土壤风蚀物收集部件的结构示意图。

附图4为根据本发明实施例的土壤风蚀物垂直结构函数图。

附图5为根据本发明实施例的土壤风蚀饱和长度拟合函数图。

附图6为根据本发明实施例的被测地块“等面圆”转换示意图。

附图7为根据本发明实施例的地块内主风向上的风蚀量计算函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

参见附图1，“土壤风蚀圈”在被测地块内所处的位置，以及“土壤风蚀圈”设置示意图。根据地块的定义，所确定的被测地块在空间上连续，地块边界范围内具有相同的土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形特征。主风是指在多年平均状态下，风速大于5m/s、出现次数最多或者累计时间最长的风向。“土壤风蚀圈”设置在被测地块的上风向紧邻地块边界处，“土壤风蚀圈”直径为100m的圆形，“土壤风蚀圈”四周地表无需做不可蚀处理。

参见附图2，用于测量土壤风蚀量的风速风向测量装置的机构示意图，设置在“地块”中心位置，主要用于测量“地块”地面上方的风速梯度和风向变化，能够自动输出所测量的风速和风向数据。风速测量数据为每10分钟取一个平均值，连续测量，数据单位为米每秒(m/s)，取一位小数。该风速风向测量装置包括测风观测支架、安装在支架上的风速传感器10、风向传感器15，以及风速测量控制存储器16。其中所述风速测量控制存储器16包括CR10X数据采集部(主要由CR10X数据控制模块、CR10X数据测量模块组成)、通信接口、供电电路和避雷器；CR10X数据采集器用于接收风速传感器10、风向传感器15传来的信号，并通过它的测量模块和控制模块对所接收的信号进行分析处理与存储，并由通信接口232串行口输出到PC机或计算机。所述测风观测支架包括底座1，安装在底座上首尾顺次连接的伸缩管2，9和12，利用锁紧器4将伸缩管首尾顺次连接形成测风观测支架主体，安装在各个伸缩管上的若干个传感器支杆3，用来安装风速传感器10等各类传感器，还可以预留几个传感器支杆，以备以后需要时使用。在伸缩圆管与地基之间设有六根钢丝绳5，以及3根用于固定底座1和6根用于固定纤绳的插钎21，钢丝绳5和插钎用于防止支架倾倒。该测量装置的底座1具有良好的机动性、可装配性和可运载性，同时所有零部件具有良好的刚度、机械强度以及耐候性，另外传感器支架可以保证传感器定位于空间三维的任意位置并锁定。相邻两根伸缩圆管由锁紧器4锁紧，风速传感器10通过轴承安装在其中一个传感器支杆上，外面设有防沙罩，防沙罩可以是迷宫形状的，从而使得本测量装置适用于风沙天气的风速和风向观测。风向传感器15可以采用现有成熟机构的风向传感器，通过轴承安装在顶端部的伸缩管12的顶端，外面设有防沙罩。在传感器支杆顶端安装避雷针13。钢丝绳5，卸扣6，拉线内环7和拉线环8形成了防风拉结构20，用于固定支架。其中拉线环8通过插销固定于伸缩管上，卸扣6使钢丝绳5形成一个固定环形结，拉线内环7由卸扣6连接钢丝绳5和拉线环8。任何现有技术的防风拉结构都是可行的。

附表1列出了根据本发明实施例的风向方位代码与度数对照表，其中风向用16个方位代码表示，静风的方位代码为17。

附表1风向方位代码与度数对照表

参见附图3，用于测量土壤风蚀量的土壤风蚀物收集部件的结构示意图，收集部件测量的是每个收集腔的土壤风蚀物流量(单位为g/(cm2·min))，并且在垂直高度上不连续。该收集部件高845mm，其中，收集腔开口及收集腔开口之间的通风通道高度600mm，下部基座高度245mm。实际使用时，收集部件垂直竖立，下部基座埋入地下以固定收集部件。为了方便取出下方的5个收集腔，在收集部件后方有一个顶盖可以打开的金属盒，金属盒的高度255mm、长度260mm、宽度150mm，也与收集部件的下部基座一起埋入地下。每个收集部件有10个收集腔，收集腔开口都是20mm×20mm，每个收集腔上方有一个长188mm、宽14mm的开口，开口用360目钢丝网焊接覆盖，一方面利于通风导流，另一方面阻止收集的沙尘物质泄露。10个收集腔开口分别被设置在距离地面0-20mm、30-50mm、70-90mm、110-130mm、160-180mm、220-240mm、290-310mm、380-400mm、480-500mm、580-600mm处。

该实施例涉及地块内土壤风蚀量的测量方法，包括如下步骤：

第一步：设定被测地块，确定被测地块的边界，所述地块在空间上连续，地块边界范围内具有相同的土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形特征。原则上地块大小为可勘测的任意大小。

第二步：在所述地块内设置参见附图1所示的“土壤风蚀圈”，所述“土壤风蚀圈”设置在被测地块的上风向紧邻地块边界处，“土壤风蚀圈”设置为圆形，直径为100m。所述主风是指在多年平均状态下，风速大于5m/s、出现次数最多或者累计时间最长的风向。“土壤风蚀圈”四周地表无需做不可蚀处理。

第三步：在第二步设置的“土壤风蚀圈”中心位置安装风速风向测量装置，该风速风向测量装置的测风立杆总高度5.0米，在测风立杆上分别设置高度为0.1m、0.5m、1.0cm、1.5m、2.0m、3.0m和5.0m的风速感应器，以及1个高度5.2m的风向速感应器，风向速感应器置于测风立杆顶端，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置的收集部件，“土壤风蚀圈”内沿主风向设置8对收集部件，在“土壤风蚀圈”边缘其它6个方位分别设置一对收集部件。每对收集部件并列安置、开口方向相反。每对收集部件编号用(k，-k)表示(k＝1，2，3，……，14)，以“土壤风蚀圈”中心为分界点，开口朝向“土壤风蚀圈”外侧的收集部件用(k)表示，开口相反的收集部件用(-k)表示，用于测量土壤风蚀发生时产生的土壤颗粒流量，测量时间为每月15日14:00时和每月末日14:00时，测量时，将每个收集腔内的沙尘倒出，称取质量，并换算成单位为g/cm²·hr，此处因为收集腔入口面积为2cm×2cm，时间按照实际发生土壤风蚀的时间换算成小时；

第四步：风速风向统计。根据风速风向记录数据，按照风向分组，每一个风向为一组，共16组(静风不予统计)，一个月为一个统计时间周期。然后，在16组风向统计数据支持下，计算每个风向不同风速等级的累计时间。风速统计间隔为1米/秒即<1.0、1.0-1.9、2.0-2.9、……、34.0-34.9m/s的累计时间(单位：小时)。

第五步：土壤风蚀物流量修正。首先，在大型风沙环境风洞内，确定与地块相同地表状态条件下，不同风速时的收集部件的收集效率λ_i，其中i表示第i个风速等级。对收集部件所收集的土壤风蚀物流量进行修正q_(k,-k)＝q′_(k,-k)/λ_i，式中q_(k,-k)为每个收集部件被修正后的实际土壤风蚀物流量，q′_(k,-k)为每个收集部件测得的土壤风蚀物流量。

第六步：确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献。在测量过程中，半个月期间会出现不同的风速，这就需要确定不同风速情况下收集部件测量的土壤风蚀物流量之间的关系，在测量时间足够长、测得风速等级足够多的情况下，能够直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献，在测量时间较短、测得风速等级不足的情况下，在大型风沙环境风洞内测定不同等级风速下收集部件测量的土壤风蚀物流量，选择与“土壤风蚀圈”内5.0m高度10m/s风速为基准的对应风速，确定q_5.5/q₁₀、q_6.5/q₁₀、q_7.5/q₁₀、……、q_9.5/q₁₀、……、q_34.5/q₁₀的比值，利用这些比值估算不同等级风速对土壤风蚀物流量的贡献，待获得充足测量数据后，再对此前的数据进行修正，并直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献。

第七步：参照图4进行土壤风蚀物通量计算，这是为了得到每个收集部件所在位置的土壤风蚀物在垂直高度上连续的通量，需要对各风速等级条件下经过修正的收集腔测量得到的土壤风蚀物流量进行函数拟合q_i＝f_i(h)，然后在土壤风蚀物通量一般占土壤风蚀物通量总量的95％以上的[1，200]高度内对拟合函数q_i＝f_i(h)积分获得土壤风蚀物通量此时的土壤风蚀物通量单位为kg/(m·hr)，式中h为高度(cm)，其中i表示第i个风速等级。

第八步：根据第七步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，以主风向上的收集部件为标准，计算该方向上的每个收集部件位置的土壤风蚀物尽通量(即剔除被测地块范围以外输入的风蚀物通量之后，测量得到的“土壤风蚀圈”内土壤风蚀物尽通量)。计算方法为Q_i(2,2)＝(Q_i2–Q_i1)，Q_i(3,3)＝(Q_i3–Q_i1)，Q_i(4,4)＝(Q_i4–Q_i1)，Q_i(5,5)＝(Q_i-5–Q_i1)，Q_i(6,6)＝(Q_i-6–Q_i1)，Q_i(7,7)＝(Q_i-7–Q_i1)，Q_i(8,8)＝(Q_i-8–Q_i1)。

第九步：参见附图5，根据第八步获得的各收集部件在不同风速等级(i)条件下，主风向上各位置的土壤风蚀物通量，拟合土壤风蚀物通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度的关系，确定土壤风蚀物通量达到饱和状态时的长度，这里土壤风蚀物通量达到饱和状态时的长度可以简称为“土壤风蚀饱和长度”，地块内主风向上的尽土壤风蚀物通量Q与地块长度x的关系为Q＝a·lnx+b，其中a和b表示拟合系数，随着x的增大，Q值也在增加，当Q值达到稳定时的x值即为“土壤风蚀饱和长度”，将达到稳定时的Q值记为Q_sat，将“土壤风蚀饱和长度”记为L_sat。

第十步：根据第九步获得的各收集部件在不同风速等级(i)条件下的土壤风蚀饱和长度，确定其它七个方向在不同风速等级(i)条件下的土壤风蚀饱和长度，这一计算的原理是基于地块内的下垫面性质相同，所以相同的风速等级具有相同的土壤风蚀饱和长度而进行的。

第十一步：参见附图6，将不规则形状的被测地块转换为具有相等面积的圆形地块，由于自然状态下的地块边界是各种各样的不规则形状，无法计算不同风向上的土壤风蚀量。将被测地块转换为等面积圆形地块后，即成为一个规则的地块形状。当被测地块面积为S时(单位为m²)，与该地块面积相等的圆直径(D)为

第十二步：参见附图7，根据第九步、第十步和第十一步计算结果，计算地块内的土壤风蚀量，按照风向方位代码j＝1，2，······，16，定义各风向上的各风速等级(i)条件下的土壤侵蚀量为Q_mi1、Q_mi2，······，Q_mij，······，Q_mi16，首先计算主风向上各风速等级的土壤风蚀量式中的Q_mi为主风向上第i个风速等级的土壤风蚀量，T为测量时段内第i个风速等级的累计时间，单位为小时，当主风向上“等面圆”的玄长，即“等面圆”内的地块长度x大于或者等于L_sat时，当0<x<L_sat时，按照本步骤进行上述积分，则主风向上各风速等级的土壤风蚀量同样的方式计算其它设置了收集装置的七个方向上风蚀量，对于没有设置收集装置的八个方向上的风蚀量，根据每个风向上的风速等级及其持续时间，参照临近风向的风速等级和持续时间，按比例估算风蚀量。最后得到地块内的总土壤风蚀量Q＝Q_mi1+Q_mi2+······+Q_mij+······+Q_mi16。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (15)

1.一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：首先，设置被测地块及土壤风蚀圈，然后，测量风速风向，此后，计算与土壤风蚀通量相关物理量以及土壤风蚀饱和长度，最后，进行地块转换以及地块内的土壤风蚀量的计算。

2.根据权利要求1的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

所述设置被测地块及土壤风蚀圈包括：

第一步：设定被测地块，确定被测地块边界；

第二步：在第一步设置的地块上风向位置设置一个“土壤风蚀圈”；

所述测量风速风向包括：

第三步：在第二步设置的“土壤风蚀圈”中心安装风速风向测量装置，在“土壤风蚀圈”内部和边缘设置的收集部件；

第四步：进行风速风向统计；

所述计算与土壤风蚀通量相关物理量以及土壤风蚀饱和长度包括：

第五步：进行土壤风蚀物流量修正；

第六步：确定不同风速等级对土壤风蚀物流量的贡献；

第七步：计算各风向上土壤风蚀物通量；

第八步：根据第七步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，以主风向上的收集部件为标准，计算该方向上的每个收集部件位置的土壤风蚀物尽通量；

第九步：根据第八步获得的各收集部件在不同风速等级条件下，主风向上各位置的土壤风蚀物尽通量，拟合土壤风蚀物通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度的关系，确定地块内土壤风蚀物尽通量达到饱和状态时的长度，也就是“土壤风蚀饱和长度”；

第十步：根据第九步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀饱和长度，确定其它方向在不同风速等级条件下的土壤风蚀饱和长度；

所述进行地块转换以及地块内的土壤风蚀量的计算包括：

第十一步：将不规则形状的被测地块转换为具有相等面积的规则形状的地块；

第十二步：根据第九步、第十步和第十一步计算结果，以及各风向上地块边界间的距离，计算地块内的土壤风蚀量。

3.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第一步中所述的地块是指在空间上连续，地块边界范围内具有相同的土壤类型、土地利用类型、地表覆被和地形特征的土地单元，地块大小为可勘测的任意大小。

4.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第二步中所述“土壤风蚀圈”设置在被测地块的上风向紧邻地块边界处，“土壤风蚀圈”的设置规格的范围大于65m×65m，“土壤风蚀圈”直径大于25m，“土壤风蚀圈”周围无需做不可蚀处理。

5.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第三步中所述风速风向测量装置的测风立杆总高度范围为2.0-10.0米，在测风立杆总高度范围上按照“下密上稀”的规则分别设置5-10个风速感应器，以及1个高度大于测风立杆高度的风向感应器，风向感应器置于测风立杆顶端，土壤风蚀圈内沿主风向设置多对收集部件，在“土壤风蚀圈”边缘其它方位分别设置一对收集部件，每对收集部件并列安置、开口方向相反，每对收集部件编号用k和-k表示，以“土壤风蚀圈”中心为分界点，开口朝向“土壤风蚀圈”外侧的收集部件用k表示，开口相反的收集部件用-k表示，用于测量土壤风蚀发生时产生的土壤颗粒流量，根据测量的精度要求以及数据量要求确定测量时间，测量时，将每个收集腔内的沙尘倒出，称取质量，并换算成单位为g/cm²·hr。

6.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第四步通过如下实现：记录风速风向数据，根据所述数据按照风向分组，每一个风向为一组，其中静风不予统计，设置统计时间周期，然后，在多组风向统计数据支持下，计算每个风向不同风速等级的累计时间，所述累计单位为小时。

7.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第五步中对土壤风蚀物修正时，首先，在大型风沙环境风洞内，确定与地块相同地表状态条件下，不同风速时的收集部件的收集效率λ_i，其中i表示第i个风速等级，对收集部件所收集的土壤风蚀物流量进行修正q_(k,-k)＝q′_(k,-k)/λ_i，式中q_(k,-k)为每个收集部件被修正后的实际土壤风蚀物流量，q′_(k,-k)为每个收集部件测得的土壤风蚀物流量。

8.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第六步确定不同风速对土壤风蚀物流量的贡献是在测量过程中一段期间会出现不同的风速，需要确定不同风速情况下收集部件测量的土壤风蚀物流量之间的关系，在测量时间足够长、测得风速等级足够多的情况下，能够直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献，在测量时间较短、测得风速等级不足的情况下，在大型风沙环境风洞内测定不同等级风速下收集部件测量的土壤风蚀物流量，选择与“土壤风蚀圈”内一定高度一定风速为基准的对应风速，确定实际风速与基准风速下土壤风蚀物通量的比值，利用这些比值估算不同等级风速对土壤风蚀物流量的贡献，待获得充足测量数据后，再对此前的数据进行修正，并直接使用测量数据计算各风速等级对土壤风蚀物流量的贡献。

9.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第七步是为了得到每个收集部件所在位置的土壤风蚀物在垂直高度上连续的通量，对各风速等级条件下经过修正的收集腔测量得到的土壤风蚀物流量进行函数拟合q_i＝f_i(h)，然后在土壤风蚀物通量一般占土壤风蚀物通量总量的95％以上的[1，200]高度内对拟合函数q_i＝f_i(h)积分获得土壤风蚀物通量土壤风蚀物通量单位为kg/(m·hr)，式中h为高度，单位为cm，其中i表示第i个风速等级。

10.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第八步根据第七步获得的各收集部件在不同风速等级条件下的土壤风蚀物通量，以主风向上的收集部件为标准，计算该方向上的每个收集部件位置的土壤风蚀物尽通量，即剔除被测地块范围以外输入的风蚀物通量之后，测量得到的“土壤风蚀圈”内土壤风蚀物尽通量。

11.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第九步根据所述第八步获得的各收集部件在不同风速等级条件下，主风向上各收集部件位置的土壤风蚀物尽通量，确定地块内土壤风蚀物尽通量达到饱和状态时的长度，土壤风蚀物通量达到饱和状态时的长度简称为“土壤风蚀饱和长度”，采用非线性拟合方法进行土壤风蚀物通量与距离“土壤风蚀圈”上风向边界长度关系的拟合。

12.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第十步根据所述第九步获得的各收集部件在主风向上的不同风速等级(i)条件下的土壤风蚀饱和长度，确定其它方向在不同风速等级(i)条件下的土壤风蚀饱和长度是基于地块内的下垫面性质相同，从而相同的风速等级具有相同的土壤风蚀饱和长度而进行。

13.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述第十一步将不规则形状的地块转换为相等面积的规则形状为圆形，正方形，矩形或椭圆形。

14.根据权利要求2的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：将不规则形状的地块转换为相等面积的圆的情况下，所述第十二步根据第九步、第十步和第十一步计算结果，计算地块内的土壤风蚀量的具体计算过程为：按照风向方位代码j＝1，2，……，16，定义各风向上的各风速等级i条件下的土壤侵蚀量为Q_mi1、Q_mi2，……，Q_mij，……，Q_mi16，首先计算主风向上各风速等级的土壤风蚀量式中的a_ij和b_ij表示拟合系数，Q_mi为主风向上第i个风速等级的土壤风蚀量，T为测量时段内第i个风速等级的累计时间，单位为小时，L_sat为土壤侵蚀量达到稳定时的土壤风蚀饱和长度，当主风向上“等面积的圆”的玄长，即“等面积的圆”内的地块长度x大于或者等于L_sat时，其中a_i和b_i表示拟合系数，当0<x<L_sat时，按照本步骤进行所述积分，则主风向上各风速等级的土壤风蚀量采用同样的方式计算其它设置了收集装置的多个方向上风蚀量，对于没有设置收集装置的多个方向上的风蚀量，根据每个风向上的风速等级及其持续时间，参照临近风向的风速等级和持续时间，按比例估算风蚀量，最后得到地块内的总土壤风蚀量Q＝Q_mi1+Q_mi2+……+Q_mij+……+Q_mi16。

15.根据权利要求1-14的一种地块内土壤风蚀量的测量方法，其特征在于：所述收集部件包括下部基座，多个收集腔，金属盒，所述多个收集腔包括多个收集腔开口，多个收集腔开口之间具有通风通道，实际使用时，所述收集部件垂直竖立，所述下部基座埋入地下以固定收集部件，所述金属盒位于所述收集部件后方，顶盖可以打开并且在使用时与收集部件的下部基座一起埋入地下，所述收集腔开口为正方形，每个收集腔上方有一个狭长的开口，所述开口用易于焊接的金属材料覆盖。