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中国是一个饱受土壤风蚀及土地沙漠化影响的国家。根据水利部第二次全国水土流失普查数据,截至20世纪90年代末期,全国风蚀总面积19l万平方公里。其中轻度侵蚀79万平方公里,中度及其以上程度侵蚀达112万平方公里。而由土壤风蚀沙化造成直接影响的地区占全国总面积的一半以上。其中北方农牧交错带是一个典型的风蚀严重地区。北方农牧交错带是指位于我国东部季风区与西北干旱半干旱区之间的过渡地带,草地与农田大面积交错出现。农牧交错带大部分地区位于半干旱区,年平均降水量300-450mm,年内降水不均,大部分降雨发生在夏秋两季,且年际降水量变化也较大。农田作为当地农业生产的核心,人类生产活动对表层土壤的扰动频繁,从而导致该地区,土壤风蚀十分强烈,生态环境极为脆弱。因此,我们迫切需要知道北方农牧交错带农田的具体风蚀状况。 鉴于此,本研究以美国农业部开发的修正的土壤风蚀方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)为构架,改进并使用该方程对中国北方农牧交错带农田风蚀潜力进行研究。本研究首先同化研究区风速和土壤质地数据,以适应RWEQ模型输入参数要求,然后基于GIS技术升尺度RWEQ,并利用该模型估算不同田间管理措施的土壤风蚀潜力。 主要研究结果如下: (1)RWEQ内嵌的风速生成器(wind Generator)低估了风因子(Wind Factor)值,这一现象可能会导致同样低估相应时段的风蚀量。对研究区37个站点的实测年均风因子(wf.)和预测年均风因子(Wf.)进行线性回归分析发现,二者之间存在显著的相关关系(R=0.84,P<0.01)。总之,风速生成器低估了大于5m S-1风速数据,进而导致低估风因子值,因此,风速生成器不能够直接应用于我国的气象观测数据。 (2)平均风速数据所产生的“平滑化效应”可以明显地影响日均可蚀性风力密度(AWPD)和风因子(wf)值的计算。所有由5,10,15,30以及60分钟平均风速数据计算日均AWPD和wf值低于由1分钟风速数据计算的对应值。对于日均AWPD而言,平均相对误差从31.8％变化到47.9％;对于日均Wf而言,平均相对误差则从40.8％变化到58.3％。随着平均时间的增长,对应的日均AWPD和Wf值的相对误差就越大。对于不同大小级别的日均AWPD和wf值来说,平均时间越长,对应的相对误差越大。5,10,15,30以及60分钟平均风速数据并不适用于计算R均AWPD和Wf值。考虑到WEPS和RWEQ模型计算风沙迁移能力的方程原理,使用大尺度风速数据(比如说时均和日均风速)可能会低估实际的输沙通量。因此,为了提高WEPS和RWEQ模型模拟精度,当预测输沙通量时,所使用的风速数据的平均时间必须加以考虑。 (3)本研究由1,5,10,15,30,60 min平均风速数据以及日风速统计数据计算获得的Wf值,使用线性回归和相似性模拟的方法构建由不同风速数据推求Wf值的方法。分别构建了使用5,10,15,30,60 min平均风速数据的转换方法,还构建了使用日风速统计数据的转换方法。使用不同时段风速数据验证相应转换方法的结果表明,本文提出的转换方法可以很好的对大的Wf值进行估算。因此,使用构建的转换方法可以将RwEQ模型推广到缺乏详细风速数据的研究区。 (4)本研究提出对土壤质地资料进行转换的分形模型。选取黄土高原南部厢寺川林场地区20个典型样点,每个样点取3个剖面,共60个土样的实测土壤颗粒粒径分布数据,对此模型进行验证,并对其与对数正态模型、逻辑生长模型及WEIBULL模型预测精度进行比较。研究结果表明,对于砂壤质的黄土而言,在0.002-0.1mm粒级范围内,分形模型对已知土壤资料的粒级个数和所预测粒级的大小等因素并不敏感,具有较高的预测精度和稳定性;与对数J下态模型、逻辑生长模型和WEIBULL模型相比,分形模型表现出良好的预测精度且未出现大误差预测数据,预测效果总体优于上述三种预测模型,可以有效对不同土粒分级标准间土壤质地资料进行转换。 (5)利用修订并升尺度的RWEQ模型分别模拟了“一般情况”、“免耕”、“风障”、“灌溉”和“结合免耕、风障和灌溉”五种情境下的土壤风蚀量,得出的主要结论如下:证明了使用升尺度的RWEQ估算中国农牧交错带地区农田潜在风蚀量是可行的;土壤风蚀潜力最大的农田分布在科尔沁沙地、浑善达克沙地以及毛乌素沙地边缘地区;免耕措施和风障措施是防治农牧交错带农田土壤风蚀的有效措施,其中免耕措施比风障措施更加有效;每年灌溉两次并不能有效地防治土壤的风蚀;如果联合免耕措施、风障措施和灌溉措施,可以极大的减少土壤风蚀量,但依然不能将风蚀量降低到风蚀容忍量(T值)以下,农牧交错带农田依然面临退化的风险;研究区风蚀量的季节差异悬殊,春季风蚀量最大,占全年大部分,冬季次之,秋季风蚀量较小,夏季风蚀量很小。