塔里木盆地绿洲农田土壤风蚀过程模拟及WEPS模型的改进

本研究将塔里木盆地绿洲农田作为研究靶区，在连续监测绿洲内外土壤风蚀量、直径小于10微米的微细颗粒物（PM10）和小于60微米的尘粒或粉尘排放量的基础上，研究风沙流与浮尘侵入绿洲内部的流量；利用风洞试验测定典型农田代表性土壤、粉尘及PM10潜在风蚀量和侵蚀速率，阐明农田土壤总风蚀量、粉尘和PM10的风蚀量及其发展潜势，深入探讨干旱区农田土壤风蚀和粉尘释放的规律、过程与机制；利用田间监测所获取的风蚀土样，分析C、N、P、K等元素含量，分析土壤风蚀造成的对农田表层营养物质的流失量及其对耕地质量的影响。测定农田土壤、粉尘和PM10风蚀过程参数，确定土壤风蚀发生的阈值及其影响因素，建立绿洲农田土壤风蚀物理过程模拟模型，进行绿洲农田风蚀过程模拟；同时，修正并发展国际上通用的WEPS模型，进行干旱区绿洲农田风蚀过程预测与预警，为防治绿洲农田土壤质量退化提供科学依据。

在干旱和半干旱地区，土壤风蚀严重威胁着农业的可持续发展和环境质量。本研究选取塔里木盆地阿克苏绿洲的棉田(40º-37'N, 80º49'E)、果园（40º-35'N, 80º-51'E）和沙漠-绿洲过渡带(40º28'N, 80º20'E)三类典型下垫面为研究对象，通过多学科野外取样和调查、室内实验及模型模拟，分析了表层土壤的团聚体分布，揭示蠕、跃与悬移的释放潜力和发生规律，阐明了塔里木盆地的风蚀潜力及典型下垫面的潜在粉尘释放特征。通过2012和2013年连续两年的野外实地动态监测实验，对比研究了棉田、果园和沙漠-绿洲过渡带的三类典型下垫面的风蚀特征及空气动力学参数，并揭示了土地利用类型、地表覆盖状况、土壤性质以及农业管理措施对土壤风蚀的影响特征，以此发展了有效的防治措施。测定了三种典型下垫面的摩擦速度（u*）和空气动力学粗糙度（Zo），其中果园的U*和Zo最大，均值为0.51 m•s-1和17.0 mm，过渡带点最小，分别为0.35 m•s-1和1.2 mm，这表明果园地表对风的阻碍能力最强。基于野外实地动态观测获得的风蚀数据，结合其它实地测量的模型所需参数，验证并修正了世界上颇具影响力的土壤风蚀SWEEP模型。在改进后的SWEEP模型模拟基础上，使用激光雷达监测沙尘，并结合遥感与卫星影像，确定了塔里木盆地沙尘长距离传输的路径与通量。结果表明，过渡带具有较强的粉尘释放潜力，且悬移物含量高，是塔里木盆地风蚀危害的防护和治理重点。动态观测实验也表明过渡带的风蚀量远多于棉田和果园，在2012和2013两个观测周期分布达到了512.42 g•m-2和654.85 g•m-2，而棉田和果园实验区在这两个观测周期的风蚀量则分别为129.06 g m-2、282.25 g m-2和86.07 g•m-2、148.01 g•m-2。对于三个不同下垫面，SWEEP预测精度各异。在沙漠-绿洲过渡带，SWEEP对总的土壤损失量模拟结果较好，模型一致性指数(d值) > 0.76, 这主要归因于模型对跃移质有较高的模拟性能。SWEEP模型在农田下垫面表现不佳。在对比多个主要风蚀模型的临界摩阻速度后，发现SWEEP模型临界摩阻速度值偏高，SWEEP临界摩阻速度值的偏高正是其模拟性能不佳的原因。通过修订SWEEP计算模型临界摩阻速度的子模块对模型进行改进，改进后的模型在模拟预报风蚀是否发生方面