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北京澳作生態(tài)儀器有限公司
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1 引言
侵蝕導(dǎo)致土地退化，引發(fā)和加劇災(zāi)害，并引發(fā)一系列環(huán)境問題，研究并治理是保護土地資源的需要，也是經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的基本保障。據(jù)的全國水土流失面積普查結(jié)果，目前我國水土流失面積已達356萬km2（水蝕面積165km2，風(fēng)蝕面積191km2），其中“水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)"面積為26萬km2，成為當(dāng)前土壤侵蝕防治和荒漠化治理的重點和難點所在。
長期以來，風(fēng)蝕和水蝕研究相互獨立，相關(guān)研究主要集中在水蝕的可蝕性和風(fēng)蝕的風(fēng)蝕度上，對風(fēng)水復(fù)合侵蝕的研究很少。而風(fēng)水復(fù)合侵蝕作用下土壤的可蝕性是認識風(fēng)水復(fù)合侵蝕機理的一個重要環(huán)節(jié)。因此，定量化研究風(fēng)水復(fù)合侵蝕條件下的土壤可蝕性及其過程和機理，建立基于模擬實驗數(shù)據(jù)的侵蝕模型以及完善基于野外實時觀測數(shù)據(jù)的擬合過程將成為今后的重要研究方向。
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計
2.1 目標(biāo)
AZ-WS101風(fēng)水復(fù)合侵蝕觀測系統(tǒng)著重于從風(fēng)水復(fù)合侵蝕的外營力、影響因素和結(jié)果等角度統(tǒng)一考慮，通過風(fēng)速和風(fēng)蝕量的實時監(jiān)測、降雨-徑流-土壤侵蝕過程中不同時空點處降雨等級、徑流流量和流速、泥沙含量的實時獲取以及風(fēng)蝕、水蝕后地貌特征變化的精確測量，研究和評價地表風(fēng)水侵蝕的狀況及其影響因素。主要用于研究草地、農(nóng)田、坡地、流域以及荒漠等生態(tài)系統(tǒng)類型的風(fēng)蝕、水蝕和風(fēng)水蝕復(fù)合侵蝕作用機理、過程及其發(fā)展規(guī)律，為風(fēng)蝕、水蝕模擬-預(yù)報模型的建立與檢驗提供必要的數(shù)據(jù)支撐，為水土保持和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
2.2 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)
AZ-WS101風(fēng)水復(fù)合侵蝕觀測系統(tǒng)由外營力、侵蝕影響因子、樣品收集、樣品分析、侵蝕結(jié)果等觀測單元組成。
侵蝕外營力
激光雨滴譜儀：土壤侵蝕不僅與降雨量相關(guān)，還受降雨強度的影響。激光雨滴譜儀用于監(jiān)測區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各種介于雪花和冰雹之間的降水，計算各種降雨類型的強度、總量、能見度，并且進行必要的分析，繪出雨滴譜圖。
降雨粒徑0.16～8 mm，粒子速度0.2～20 m/s， 最小測量強度0.005 mm/h 毛毛雨，測量強度250 mm/h，雨中能見度：MOR 0 – 99.999m，粒子等級440種（22種直徑x 20種速度）；
降雨模擬器：2-6個降水噴頭可選，2.5m安裝高度可實現(xiàn)有效降雨面積1.5×4.5m，標(biāo)準(zhǔn)降水調(diào)節(jié)強度10mm/h～100mm/h
WMO標(biāo)準(zhǔn)氣象站：完整的氣象監(jiān)測系統(tǒng)，采集方式和數(shù)據(jù)存儲符合WMO世界氣象組織和《地面氣象監(jiān)測規(guī)范》要求。既可作為森林、農(nóng)田等小氣候監(jiān)測，也可以作為地面氣象觀測系統(tǒng)。
侵蝕影響因子
飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)：通過實驗室方法，測量原狀土樣的飽和導(dǎo)水率。
測量范圍：0.01cm/d～5000cm/d
測量精度：2%
樣品體積：250ml
樣品收集
風(fēng)蝕沉淀物測量范圍0-1200g，精度0.1g；自動風(fēng)向控制和自動沉淀物收集器；RAM內(nèi)存容量：5min時間間隔，可連續(xù)監(jiān)測80天。
水蝕流量：測量分別為1升和3升；侵蝕樣品收集裝置：24個樣品瓶，體積1L；數(shù)據(jù)采集器可以控制采樣瓶的采樣階段與采樣順位等。
樣品分析
激光粒度儀：用于分析收集物顆粒的粒徑分布及形態(tài)因子。
粒度大小范圍 0.1-2000μm；粒形大小范圍 2-3600μm
侵蝕結(jié)果
3D激光地貌儀：用于分析侵蝕前后地貌變化
最長測量時間2.5小時（面積1m2，步長5mm時）；激光測距器分辨率±1mm，X、Y、Z軸分辨率±2mm；不受被測物顏色和空氣溫度的影響；可在海拔0-3000m測量；數(shù)據(jù)以txt格式保存，易于做出三維圖形。
3 觀測內(nèi)容
3.1 風(fēng)水復(fù)合侵蝕外營力觀測
應(yīng)用WMO氣象站監(jiān)測侵蝕地點常規(guī)氣象因子，如風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、土壤水分、太陽總輻射、地面凈輻射等；應(yīng)用激光雨滴譜儀監(jiān)測降雨形態(tài)，降雨強度、雨滴譜分布等；必要時可用模擬降雨器模擬各種強度的自然降雨。并測量土壤的飽和與非飽和導(dǎo)水率，全面監(jiān)測風(fēng)水復(fù)合侵蝕發(fā)生時的各種背景資料。
3.2 風(fēng)水復(fù)合侵蝕樣品收集
風(fēng)蝕收集器的稱重間隔通常設(shè)置為5min，量程1200g，需定期帶走收集器中的土壤顆粒用于后期分析?？筛鶕?jù)現(xiàn)場情況，在不同高度設(shè)置多個風(fēng)沙收集器。
對于水蝕收集系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測地點降雨情況，設(shè)置合理的樣品采集與排出的比例。此外，通常還需要準(zhǔn)備24個備用采樣瓶，以便在采樣瓶滿后及時更換。
3.3 風(fēng)水復(fù)合侵蝕結(jié)果觀測
激光粒度儀可測量徑流泥沙樣品和風(fēng)蝕積沙樣品的粒徑分布和形狀因子，用于分析不同粒徑粒型顆粒的遷移和沉積特征，破面及溝谷水力土壤侵蝕公式的計算等，為分析侵蝕影響因素提供依據(jù)。3D激光地貌分析儀可測量自然條件下風(fēng)蝕、水蝕和降雨模擬器模擬試驗條件下水蝕后的地貌，其結(jié)果即可作為侵蝕結(jié)果，也可作為遙感影像判讀的地面樣點數(shù)據(jù)。
4 應(yīng)用案例
4.1 風(fēng)蝕和水蝕測量單元用于海拉爾地區(qū)研究草原退化
呼倫貝爾草原是我國現(xiàn)今保存完好的草原之一，近年來，由于各種經(jīng)濟利益的驅(qū)使和自然條件的退化，目前該地區(qū)草原退化現(xiàn)象嚴(yán)重，部分地區(qū)甚至有沙漠化的危險。諸種導(dǎo)致草原生態(tài)系統(tǒng)退化的原因中，風(fēng)蝕和水蝕的作用占據(jù)了主導(dǎo)地位。因此，對于風(fēng)蝕和水蝕作用對草原退化的影響的研究成為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)退化與修復(fù)研究的重要課題。
中國環(huán)科院區(qū)域生態(tài)所將風(fēng)蝕和水蝕測量單元安裝于侵蝕區(qū)域，監(jiān)測草原退化的風(fēng)水外營力。
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