本發(fā)明屬于環(huán)境生態(tài)試驗(yàn)方法，具體涉及一種測(cè)定表土屬性變化與侵蝕效應(yīng)的試驗(yàn)方法及其試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

干旱和極端降水等氣候現(xiàn)象頻發(fā)，直接影響降雨、蒸發(fā)、徑流狀況的時(shí)空分布，改變?nèi)蛩难h(huán)現(xiàn)狀，加劇土壤水分含量變化，引起土壤干濕交替現(xiàn)象頻發(fā)。土壤的干濕交替是土壤系統(tǒng)熱力學(xué)和水文學(xué)方面短期變異較大的過程，可使土壤物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定程度變化；土壤干濕交替過程中常發(fā)生脹縮現(xiàn)象，改變孔隙度的分布，造成土壤體積的變化和裂縫的發(fā)育，并影響土壤氮素礦化、磷素的吸附釋放等過程。

土壤侵蝕是嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，包括水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕和凍融侵蝕等多種類型，在我國(guó)多數(shù)土壤侵蝕區(qū)域，以降雨、徑流所引起的水力侵蝕占主導(dǎo)因素，而坡面是區(qū)域土壤侵蝕的主要策源地。裸露或稀疏草灌的自然坡面直接遭受雨滴濺蝕和徑流沖刷，兼之干濕交替和曝曬條件下，土層結(jié)構(gòu)破壞，土壤物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致土質(zhì)疏松，抗蝕性弱，加劇了坡面水土流失強(qiáng)度。自然坡面土壤侵蝕影響區(qū)域生態(tài)安全，其產(chǎn)生的大量泥沙入江入河還會(huì)淤積河道，增大防洪壓力，威脅區(qū)域人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

因此，開展干濕交替條件下中坡面表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)的影響研究，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)土壤侵蝕機(jī)理，防治坡面水土流失，開展區(qū)域生態(tài)評(píng)價(jià)具有較大意義?，F(xiàn)有專利201210027399.3公開了一種坡面水蝕精細(xì)模擬試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，通過水箱、土槽等模擬不同立地條件下土壤水蝕情況；專利201510853945.2公開了一種室內(nèi)模擬干濕交替響應(yīng)下測(cè)定土壤呼吸的實(shí)驗(yàn)方法，用廣口瓶中裝入風(fēng)干土，以干燥劑實(shí)現(xiàn)不同干濕交替實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中測(cè)定土壤呼吸值的目的?，F(xiàn)有技術(shù)是以室內(nèi)模擬干濕交替條件進(jìn)行土壤屬性試驗(yàn)，由于室內(nèi)環(huán)境因子的模擬控制與自然狀況下的環(huán)境變化存在一定的偏離，得到的研究結(jié)果有時(shí)較難與野外測(cè)定的參數(shù)變化進(jìn)行較好的耦合分析，限制了對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的研究效果；并且也未能深入研究從“太陽輻射變化、土壤干濕交替變化——土壤水分溫度變化——土壤屬性變化——侵蝕效應(yīng)變化”整個(gè)過程的機(jī)理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在原位區(qū)的干濕交替條件下測(cè)定表土屬性變化與侵蝕效應(yīng)的試驗(yàn)方法及其試驗(yàn)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述測(cè)定表土屬性變化與侵蝕效應(yīng)的試驗(yàn)方法，選取研究區(qū)典型土類試驗(yàn)坡面，對(duì)試驗(yàn)土壤進(jìn)行相同次數(shù)的干濕交替處理，對(duì)所述試驗(yàn)土壤每次干燥處理后，測(cè)定土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，然后立即進(jìn)行濕潤(rùn)處理，測(cè)定土壤侵蝕量；所述試驗(yàn)坡面為剪除表層植被的原位區(qū)，，試驗(yàn)初始土壤含水量達(dá)到最大田間持水量；對(duì)所述原位區(qū)的干濕交替處理次數(shù)不少于3次；所述濕潤(rùn)處理采用人工沖水達(dá)到最大田間持水量，所述持水量>20％；所述干燥處理采用土壤在25～35℃的氣溫閾值條件下自然曝曬，并結(jié)合土壤溫度水分控制系統(tǒng)冷風(fēng)機(jī)、立式風(fēng)道部件，使土壤含水量達(dá)到凋萎系數(shù)，所述含水量＜10％；干燥處理后測(cè)定所述土壤理化性質(zhì)指標(biāo)包括但不限于土壤容重、水分含量、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體、顆粒組成、緊實(shí)度、微結(jié)構(gòu)；濕潤(rùn)處理時(shí)測(cè)定沖刷水流量(m³/h)、含沙量(g/L)、干土重WLDS(g)；定期測(cè)定原位區(qū)的太陽輻射、土壤溫度、土壤熱量、緊實(shí)度和地表形態(tài)變化；所述地表形態(tài)變化包括但不限于地表裂縫變化；所述土壤侵蝕效應(yīng)由地形變化量表征。

其中所述土壤田間持水量(Water Holding Capacity,WHC)長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量，是對(duì)作物有效的最高的土壤水含量。土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定主要參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》的方法進(jìn)行測(cè)定：土壤容重采用環(huán)刀法，土壤水分含量采用威爾科克斯(Wilcox)法稱重測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法(K₂C_r2O₇-H₂SO⁴法)，土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定，土壤顆粒組成用馬爾文激光粒度儀測(cè)定，土壤緊實(shí)度用緊實(shí)度儀測(cè)定，土壤微結(jié)構(gòu)采用圖像分析方法，對(duì)拍攝的裂縫形態(tài)特征圖像分析后提取微結(jié)構(gòu)信息。

以上方法中，剪除表層植被可以規(guī)避植被作用對(duì)土壤的影響；采用修建原位區(qū)的方式，對(duì)土體擾動(dòng)小，更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、對(duì)比干濕交替下表土屬性變化及侵蝕差異。土壤每經(jīng)歷1次完整干濕交替處理后，采集干燥土樣測(cè)定土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，測(cè)定后立即濕潤(rùn)處理，測(cè)定土壤侵蝕量，表征坡面表土侵蝕效應(yīng)。

優(yōu)選的，土壤侵蝕效應(yīng)通過近景攝影測(cè)量技術(shù)計(jì)算，具體步驟為：

S1、設(shè)置控制點(diǎn)，獲取試驗(yàn)照片：濕潤(rùn)處理前，在原位區(qū)邊界間隔設(shè)置若干控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)借助GPS測(cè)定；在每次沖水之前后，分別采用相機(jī)從不同角度定焦拍取原位區(qū)地形變化照片；

S2、處理照片生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)集：對(duì)覆蓋原位區(qū)的照片集進(jìn)行地形數(shù)據(jù)處理，并依據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)生成真實(shí)坐標(biāo)的3D點(diǎn)云模型；

S3、計(jì)算坡面侵蝕效益：將生成的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)生成不同干濕交替條件下數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，定量計(jì)算干濕交替過程中裂縫發(fā)育情況，然后通過對(duì)比不同階段DEM分析原位區(qū)地形變化量，最終計(jì)算得出侵蝕效應(yīng)。

優(yōu)選的，所述相機(jī)為數(shù)碼單反相機(jī)，有效像素1200萬以上。

所述方法中對(duì)原位區(qū)干濕交替處理時(shí)利用土壤溫度水分控制系統(tǒng)控制環(huán)境溫度、土壤含水量條件指標(biāo)；所述土壤溫度水分控制系統(tǒng)通過加熱器、壓縮機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)、立式風(fēng)道、溫度傳感器和溫度控制器部件對(duì)溫度進(jìn)行控制；濕潤(rùn)處理時(shí)通過人工放水人工沖水達(dá)到最大田間持水量；通過冷風(fēng)機(jī)、立式風(fēng)道部件使土壤含水量小于10％。所述土壤溫度水分控制系統(tǒng)保證原位區(qū)的環(huán)境值一致，減小試驗(yàn)誤差；并且規(guī)避降水等自然天氣對(duì)試驗(yàn)過程的干擾，減小環(huán)境誤差。

具體的，實(shí)驗(yàn)期間，每日9:00～19:00，每間隔2h定期測(cè)定原位區(qū)的太陽輻射、土壤溫度、土壤熱量、緊實(shí)度和地表形態(tài)變化。所述太陽輻射量采用Procheck輻射測(cè)量?jī)x測(cè)量；所述土壤溫度、土壤熱量采用KD2Pro熱特性測(cè)量?jī)x測(cè)量；所述緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀測(cè)量；所述地表形態(tài)變化由相機(jī)記錄。其中，土壤水分衰減過程中太陽輻射量和土壤熱量能夠定量表征在干燥處理時(shí)的不同干燥程度。

優(yōu)選的，設(shè)立多個(gè)原位區(qū)，對(duì)每個(gè)原位區(qū)干濕交替處理的時(shí)間間隔不同。第一個(gè)原位區(qū)每次干濕交替處理的間隔為1天，則第i個(gè)原位區(qū)每次干濕交替處理的間隔分別4*(i-1)+1天。具體的，布置3個(gè)原位區(qū)，每個(gè)原位區(qū)每次干濕交替處理的間隔分別是1天、5天、9天。以上方法中所述采用不同的間隔，并且不同間隔相差多天，使得干燥處理更貼近實(shí)際土壤水分衰減周期，最大限度模擬自然天氣條件下土壤經(jīng)歷干濕交替的真實(shí)情況。

具體的，對(duì)原位區(qū)進(jìn)行5次干濕交替處理。原位區(qū)尺寸大小2m×1.2m。

本發(fā)明提供的一種測(cè)定表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)的試驗(yàn)方法及其試驗(yàn)系統(tǒng)，有益效果體現(xiàn)在：(1)利用本發(fā)明所述的試驗(yàn)方法，能夠研究不同干濕過程下不同坡面的水熱變化特征、土壤性質(zhì)及形態(tài)的變化情況，定量化反映實(shí)際情況下不同表土類型和干濕交替條件下坡面土壤屬性變化及侵蝕效應(yīng)差異；(2)通過修建原位區(qū)和選定更貼近實(shí)際土壤水分衰減周期的干濕處理周期，使得本試驗(yàn)方法較傳統(tǒng)室內(nèi)模擬試驗(yàn)而言更貼合實(shí)際、結(jié)果更為準(zhǔn)確；(3)通過設(shè)置不同曝曬時(shí)長(zhǎng)，模擬不同干旱程度，分析坡面土壤的侵蝕產(chǎn)沙效益，為優(yōu)化水土保持配置措施提供科學(xué)依據(jù)。總之，利用本發(fā)明的試驗(yàn)方法，可以測(cè)定干濕交替條件下坡面表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)，對(duì)于探明變化環(huán)境影響下太陽輻射變化、土壤干濕交替變化——土壤水分溫度變化——土壤屬性變化——侵蝕效應(yīng)變化過程機(jī)理具有重要意義。試驗(yàn)方法整體設(shè)計(jì)合理，具有可操作性，適宜于全國(guó)各類坡地開展類似研究時(shí)推廣。

附圖說明

附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1為本發(fā)明所述原位區(qū)平面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，一種測(cè)定干濕交替條件下坡面表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)的模擬試驗(yàn)方法，選取研究區(qū)典型土類試驗(yàn)坡面，對(duì)試驗(yàn)土壤進(jìn)行相同次數(shù)的干濕交替處理，對(duì)所述試驗(yàn)土壤每次干燥處理后，測(cè)定土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，然后立即進(jìn)行濕潤(rùn)處理，測(cè)定土壤侵蝕量。所述試驗(yàn)坡面為剪除表層植被的原位區(qū)，試驗(yàn)初始土壤含水量達(dá)到最大田間持水量；對(duì)所述原位區(qū)的干濕交替處理次數(shù)不少于3次；所述濕潤(rùn)處理采用人工沖水達(dá)到最大田間持水量，所述持水量>20％；所述干燥處理采用土壤在25～35℃的氣溫閾值條件下自然曝曬，直至土壤含水量達(dá)到凋萎系數(shù)，所述含水量＜10％。

在本實(shí)施例中，選取研究區(qū)典型土類試驗(yàn)坡面，：燥紅土、變性土和新積土坡面，記為A、B、C，剪除表層植被以規(guī)避植被作用對(duì)土壤的影響；如附圖1所示，在每種試驗(yàn)坡面分別布置3個(gè)平行的原位區(qū)，尺寸大小2m×1.2m，記為a、b、c；對(duì)每個(gè)原位區(qū)進(jìn)行5次的干濕交替處理，分別記做第I、II、III、IV、V次；每個(gè)原位區(qū)干濕交替處理的時(shí)間間隔分別是1天、4*(2-1)+1天、4*(3-1)+1天，即1天、5天、9天，對(duì)不同土類的不同原位區(qū)干濕交替處理的日期表如附表1所示。本實(shí)施例中對(duì)原位區(qū)干濕交替處理時(shí)利用土壤溫度水分控制系統(tǒng)控制環(huán)境溫度、土壤含水量條件指標(biāo)；所述土壤溫度水分控制系統(tǒng)通過加熱器、壓縮機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)、立式風(fēng)道、溫度傳感器和溫度控制器部件對(duì)溫度進(jìn)行控制；濕潤(rùn)處理時(shí)通過人工放水人工沖水達(dá)到最大田間持水量；通過冷風(fēng)機(jī)、立式風(fēng)道部件使土壤含水量小于10％。并且如圖1所示，在每種試驗(yàn)坡面的3個(gè)原位區(qū)內(nèi)，距土壤表層10cm處埋都設(shè)有土壤水份檢測(cè)儀，布置成40*40cm的多個(gè)土壤水分檢測(cè)儀的網(wǎng)格。

附表1中，A、B和C指代燥紅土、變性土和新積土坡面；a、b、c指代同一坡面3個(gè)平行原位區(qū)；①、②和③指代間隔1、5和9天；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別表示第1、2、3、4和5次干濕交替處理。

表1不同干濕處理土樣采集時(shí)間節(jié)點(diǎn)

土壤每經(jīng)歷1次完整干濕交替處理后，采集土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，包括但不限于土壤容重、水分含量、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體、顆粒組成、緊實(shí)度、微結(jié)構(gòu)；濕潤(rùn)處理時(shí)測(cè)定沖刷水流量(m³/h)、含沙量(g/L)、干土重WLDS(g)；定期測(cè)定原位區(qū)的太陽輻射、土壤溫度、土壤熱量、緊實(shí)度和地表形態(tài)變化；所述地表形態(tài)變化包括但不限于地表裂縫變化；所述土壤侵蝕效應(yīng)由地形變化量表征，通過有效像素1200萬以上的數(shù)碼單反相獲得近景攝影照片，具體計(jì)算步驟為：

S1、設(shè)置控制點(diǎn)，獲取試驗(yàn)照片：濕潤(rùn)處理前，在原位區(qū)邊界間隔設(shè)置若干控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)借助GPS測(cè)定；在每次沖水之前后，分別采用相機(jī)從不同角度定焦拍取原位區(qū)地形變化照片；

S2、處理照片生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)集：對(duì)覆蓋原位區(qū)的照片集進(jìn)行地形數(shù)據(jù)處理，并依據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)生成真實(shí)坐標(biāo)的3D點(diǎn)云模型；

S3、計(jì)算坡面侵蝕效益：將生成的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)生成不同干濕交替條件下數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，定量計(jì)算干濕交替過程中裂縫發(fā)育情況，然后通過對(duì)比不同階段DEM分析原位區(qū)地形變化量，最終計(jì)算得出侵蝕效應(yīng)。

如附表2所示，每日9:00～19:00，每間隔2小時(shí)定期定期測(cè)定原位區(qū)的太陽輻射、土壤溫度、土壤熱量、緊實(shí)度和地表形態(tài)變化。所述太陽輻射量采用Procheck輻射測(cè)量?jī)x測(cè)量，所述土壤溫度、土壤熱量采用KD2Pro熱特性測(cè)量?jī)x測(cè)量，所述緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀測(cè)量。所述地表形態(tài)變化以地表裂縫變化表征，由相機(jī)記錄。其中，太陽輻射量和土壤熱量能夠定量表征在干燥處理時(shí)的不同干燥程度。

表2坡面土壤屬性變化測(cè)量方案

即完成了測(cè)定干濕交替條件下中坡面表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)的試驗(yàn)。

本發(fā)明通過測(cè)量歷次干濕交替后坡面土壤表土屬性變化及侵蝕效應(yīng)指標(biāo)，可獲取極端氣溫下土壤屬性動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)及不同土壤類型對(duì)極端氣候的響應(yīng)差異，為開展坡面土壤治理提供依據(jù)。

以上結(jié)合對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。