第五章 土壤风蚀与防治-赵媛媛-l
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水土保持与荒漠化防治专业课程《风沙物理学》之
第五章 土壤风蚀与防治
赵媛媛 yuanyuan0402@126.com
课程安排
绪论 风沙物理的基础知识
风及其基本性质 流体力学基础
沙及其基本性质
风沙运动 风沙地貌动力学机制
土壤风蚀与防治
风沙物理学研究方法
第五章 土壤风蚀与防治
主要内容
▪ 土壤风蚀概况 ▪ 土壤风蚀危害 ▪ 土壤风蚀研究 ▪ 土壤风蚀过程 ▪ 土壤风蚀影响因子 ▪ 土壤风蚀评估模型 ▪ 土壤风蚀控制
（2004-2011）
第五章 土壤风蚀与防治
第二节 土壤风蚀危害
➢ 本地危害 On-site damage
✓ 表土吹蚀，尤其是细粒物质、有机质的 丧失
✓ 对植被、作物的危害 ✓ 土地生产力、作物产量的降低 ✓ 农田、草场、房屋的掩埋
Sand encroachments upon house
Wind erosion removes smaller particles
把水蚀和风蚀作为降水和植被盖度的 函数所估算的土壤侵蚀速率 (Kirkby & Morgan 1980)
第五章 土壤风蚀与防治
第四节 土壤风蚀过程
➢ 土壤颗粒的起动：起动风速 ➢ 土壤颗粒的运动：三种方式 ➢ 土壤风蚀的分选作用：土壤表层粗化
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 土粒源自文库动
• 流体临界起动风速——吹蚀（净风侵蚀，流体风蚀）
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 塑造地球景观的基本地质或地貌过程之一，是一个综合的自然地理过程 ➢ 土地沙漠化(沙质荒漠化)的首要环节和重要组成部分 ➢ 土壤侵蚀的重要类型
土壤风蚀与沙尘暴(青海共和盆地1999年4月10日)
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
▪ 风蚀现状：全球
全球约2/3的国家、1/4陆地面积和9亿多人口遭受土壤风蚀、沙质荒漠化和灾 害性风沙天气危害,每年经济损失约540亿美元
▪ 中国
• 我国干旱、半干旱及部分湿润 地区土地退化或荒漠化的主要 过程之一
Distribution of Desertification in China
Source: CCICCD, 1997(http://www.din.net.cn/)
中国荒漠化和沙化状况公报，2011
第五章 土壤风蚀与防治
Air temperature(+) Air pressure(－)
Soil type(±) Particle composition(±) Type(±)
Surface roughness(±) Slope(±)
Reclamation(－) Over grazing(－)
Soil moisture(+) Soil structure(±)
this acreage is scheduled to retire within the next few years.
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
▪ 加拿大
▪ 澳大利亚
Accelerated Erosion Index (AEI) 1986-1996 第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
C
1 100
12 i1
u 3
ETPi Pi ETPi
d
u mean monthly wind speed at 2 m height (m/s)—月平均风速 ETPi potential monthly evaporation amount (mm)—潜在蒸发量 Pi monthly precipitation (mm)—降水量 d number of day in the month concerned.--当月总天数
沙漠化的关系 ✓ 土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治 ✓ 林业科学：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术 ✓ 土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究
成果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 ✓ 其它（大气科学、环境科学等）：风蚀动力因子、风蚀与沙尘暴
第五章 土壤风蚀与防治
Wind erosion reduces soil productivity
Wind erosion depletes the top soil
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀危害
➢ 异地危害 Off-site damage
✓ 沙尘暴与土地沙漠化 ✓ 大气污染，危害人类身体健康 ✓ 水体污染及水利设施的危害 ✓ 对交通、通讯设施的危害
低风蚀的模型
12
150
Threshold wind volecity
q B(uek1ck2c2 u* )3
10
Wind erosion rate (15 m s-1 wind speed) 100
8
50
6
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Vegetation coverage(%)
Relationship between vegetation coverage and wind erosion in wind tunnel experiment (data
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙 地貌、土地沙漠化的关系
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 林业科学：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术
百分比(％)
如果降水量为0，风速是风蚀气候因子的决定因素。 当降水量接近蒸发量，气候因子趋于0，无风蚀。
The distribution of wind erosion climatic factor (C Value) in the arid and semiarid areas of China (Dong and Kang 1994)
防护距离(m)
防护林对风速和 风蚀量的降低效 益(40%疏透率) (Hagen 1976)
Shelterbelt in Northern China Plain 第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究成 果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 (Hudson 1971; Kirkby & Morgan 1980; Zachar 1982; Lal 1988)
weak, heavy and uncertain as the factor increasing.
Freeze-thaw action(+) Aggregate(+)
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 侵蚀性因子（Erosive factors）
✓ Chepil (1962)提出气候因子的概念 气候因子是土壤湿度和平均风速的函数
million acres) and moderately to severely damages approximately 2 million hectares (4.9 million
acres) annually (USDA, 1965). According to the 1992 National Resources Inventory (NRI), the
当风吹地表时，由于风的动压力等作用，降低表松散沉积物或基岩 风化物（沙物质）吹走，使地表遭到破坏。 地表物质的位移是在风力直接作用下发生的。
• 冲击临界起动风速——磨蚀（风沙流侵蚀，冲击风蚀）
当风沙流（挟沙气流）吹经地表时，由运动沙粒撞击地表而引起的 地表破坏和物质的位移。
磨蚀强度一般比吹蚀大。 相同风速时，磨蚀强度是吹蚀强度的4-5倍（董光荣等，1987）。
Coverage(+) Ridge(±)
Forestation(+) Crop residual(+)
Organic matter(±)
Calcium carbonate(±) Note: (+), (－) and (±) mean the wind erosion becomes
Bulk density(±)
➢ 风蚀因子：影响风蚀强度的所有因素。
按其在风蚀过程中的作用性质，分为侵蚀性因子、可蚀性因子和干扰
因子三大类。
Some key factors influencing wind erosion
Climate
Soil
Vegetation
Landform Human activity
Wind speed(－) Wind direction(±) Turbulence(－) Precipitation(＋) Evaporation(－)
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 土粒搬运
跃移 悬移 蠕移
55%-72% 3%-38% 7-25%
土壤风蚀量：在一定条件下单位时间单位面积上 风蚀的土壤重量。
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀过程
农田土壤风蚀引起的地表粗化
第五章 土壤风蚀与防治
第五节 土壤风蚀影响因子
➢ 土壤风蚀是一个综合的自然地理过程，受到气候、土壤、植被、地形和人 为活动等因素的共同制约。
土壤风蚀研究
▪ 地质学：风蚀是一种地质地貌过程
沙漠中的湖盆
残山
Wind erosion action during landscape evolution in mountainous desert regions (A=early stage, B=middle stage, C=late stage)
Global status of soil degradation
From ISRIC, UNEP, FAO,1996 (http://www.fao.org/docrep/003/w2612e/w2612eMap12-e.pdf)
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 美国
土壤风蚀概况
In the United States, wind erosion is the dominant problem on about 30 million hectares (73.6
year in the 1982 NRI. However much of this reduction was a result of enrollment of land classified
as highly erodible in the Conservation Reserve Program (CRP). The CRP enrollment for much of
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 侵蚀性因子（Erosive factors）
Wind volecity (m s-1)
Wind erosion rate (kg m-2min-1)
➢ 粗糙度因子
▪ 植被：高度与密度(盖度)－决定气流接触地表（土壤受保护）的 范围，降低风速，影响平均动力粗糙度
Wasson & Nanniga (1986)基于Bagnold输沙率公式，建立了植被降
estimated annual soil loss from wind erosion on nonfederal rural land in the United States was 2.5
tons per acre per year (SCS-USDA, 1994). This number is a decrease from 3.3 tons per acre per
Dust storm in Gansu, 1999-05-05
第五章 土壤风蚀与防治
第三节 土壤风蚀研究
董治宝等，1995
第五章 土壤风蚀与防治
第三节 土壤风蚀研究
➢ 风蚀研究是一个综合的多学科的研究领域
✓ 地质学：风蚀是一种地质地貌过程 ✓ 风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙地貌、土地
第五章 土壤风蚀与防治
第一节 土壤风蚀概况
▪ 风蚀（Wind erosion）的定义
土壤风蚀是指土壤或土壤母质在一定风力作用下，土壤结 构遭受破坏以及土壤颗粒（或简称土粒）发生位移的过程。
土壤及其母质在风力作用下的剥蚀、分选、搬运的过程。
实际是风沙运动过程，但与一般的风沙运动有所区别。缓 慢性、强危害性、难于测量性、影响因素复杂性；以细小 粒子为主，悬移质较多。
C
386
u3
PE2
u 平均风速 PE Thornthwaite 指数
PE
3.16
12 i 1
Pi 1.8Ti
22
10
9
不足：降水量为零时，气候因子趋于 无穷大。经验系数有局限性。
第五章 土壤风蚀与防治
✓ 由于干旱条件下气候因子可能成为一个很大值的问题， 联合国粮农组织 （FAO，1979) 对Chepil公式进行了修订：
第五章 土壤风蚀与防治
赵媛媛 yuanyuan0402@126.com
课程安排
绪论 风沙物理的基础知识
风及其基本性质 流体力学基础
沙及其基本性质
风沙运动 风沙地貌动力学机制
土壤风蚀与防治
风沙物理学研究方法
第五章 土壤风蚀与防治
主要内容
▪ 土壤风蚀概况 ▪ 土壤风蚀危害 ▪ 土壤风蚀研究 ▪ 土壤风蚀过程 ▪ 土壤风蚀影响因子 ▪ 土壤风蚀评估模型 ▪ 土壤风蚀控制
（2004-2011）
第五章 土壤风蚀与防治
第二节 土壤风蚀危害
➢ 本地危害 On-site damage
✓ 表土吹蚀，尤其是细粒物质、有机质的 丧失
✓ 对植被、作物的危害 ✓ 土地生产力、作物产量的降低 ✓ 农田、草场、房屋的掩埋
Sand encroachments upon house
Wind erosion removes smaller particles
把水蚀和风蚀作为降水和植被盖度的 函数所估算的土壤侵蚀速率 (Kirkby & Morgan 1980)
第五章 土壤风蚀与防治
第四节 土壤风蚀过程
➢ 土壤颗粒的起动：起动风速 ➢ 土壤颗粒的运动：三种方式 ➢ 土壤风蚀的分选作用：土壤表层粗化
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 土粒源自文库动
• 流体临界起动风速——吹蚀（净风侵蚀，流体风蚀）
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 塑造地球景观的基本地质或地貌过程之一，是一个综合的自然地理过程 ➢ 土地沙漠化(沙质荒漠化)的首要环节和重要组成部分 ➢ 土壤侵蚀的重要类型
土壤风蚀与沙尘暴(青海共和盆地1999年4月10日)
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
▪ 风蚀现状：全球
全球约2/3的国家、1/4陆地面积和9亿多人口遭受土壤风蚀、沙质荒漠化和灾 害性风沙天气危害,每年经济损失约540亿美元
▪ 中国
• 我国干旱、半干旱及部分湿润 地区土地退化或荒漠化的主要 过程之一
Distribution of Desertification in China
Source: CCICCD, 1997(http://www.din.net.cn/)
中国荒漠化和沙化状况公报，2011
第五章 土壤风蚀与防治
Air temperature(+) Air pressure(－)
Soil type(±) Particle composition(±) Type(±)
Surface roughness(±) Slope(±)
Reclamation(－) Over grazing(－)
Soil moisture(+) Soil structure(±)
this acreage is scheduled to retire within the next few years.
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
▪ 加拿大
▪ 澳大利亚
Accelerated Erosion Index (AEI) 1986-1996 第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀概况
C
1 100
12 i1
u 3
ETPi Pi ETPi
d
u mean monthly wind speed at 2 m height (m/s)—月平均风速 ETPi potential monthly evaporation amount (mm)—潜在蒸发量 Pi monthly precipitation (mm)—降水量 d number of day in the month concerned.--当月总天数
沙漠化的关系 ✓ 土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治 ✓ 林业科学：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术 ✓ 土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究
成果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 ✓ 其它（大气科学、环境科学等）：风蚀动力因子、风蚀与沙尘暴
第五章 土壤风蚀与防治
Wind erosion reduces soil productivity
Wind erosion depletes the top soil
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀危害
➢ 异地危害 Off-site damage
✓ 沙尘暴与土地沙漠化 ✓ 大气污染，危害人类身体健康 ✓ 水体污染及水利设施的危害 ✓ 对交通、通讯设施的危害
低风蚀的模型
12
150
Threshold wind volecity
q B(uek1ck2c2 u* )3
10
Wind erosion rate (15 m s-1 wind speed) 100
8
50
6
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Vegetation coverage(%)
Relationship between vegetation coverage and wind erosion in wind tunnel experiment (data
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙 地貌、土地沙漠化的关系
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 土壤学与农业科学：土壤可蚀性因子、农田土壤风蚀防治
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 林业科学：风蚀荒漠化（中国） 、风蚀防治的防护林技术
百分比(％)
如果降水量为0，风速是风蚀气候因子的决定因素。 当降水量接近蒸发量，气候因子趋于0，无风蚀。
The distribution of wind erosion climatic factor (C Value) in the arid and semiarid areas of China (Dong and Kang 1994)
防护距离(m)
防护林对风速和 风蚀量的降低效 益(40%疏透率) (Hagen 1976)
Shelterbelt in Northern China Plain 第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀研究
▪ 土壤侵蚀与水土保持：风蚀是土壤侵蚀的一种类型，多借用风蚀研究成 果，普遍认为与水蚀相比，风蚀研究较为薄弱 (Hudson 1971; Kirkby & Morgan 1980; Zachar 1982; Lal 1988)
weak, heavy and uncertain as the factor increasing.
Freeze-thaw action(+) Aggregate(+)
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 侵蚀性因子（Erosive factors）
✓ Chepil (1962)提出气候因子的概念 气候因子是土壤湿度和平均风速的函数
million acres) and moderately to severely damages approximately 2 million hectares (4.9 million
acres) annually (USDA, 1965). According to the 1992 National Resources Inventory (NRI), the
当风吹地表时，由于风的动压力等作用，降低表松散沉积物或基岩 风化物（沙物质）吹走，使地表遭到破坏。 地表物质的位移是在风力直接作用下发生的。
• 冲击临界起动风速——磨蚀（风沙流侵蚀，冲击风蚀）
当风沙流（挟沙气流）吹经地表时，由运动沙粒撞击地表而引起的 地表破坏和物质的位移。
磨蚀强度一般比吹蚀大。 相同风速时，磨蚀强度是吹蚀强度的4-5倍（董光荣等，1987）。
Coverage(+) Ridge(±)
Forestation(+) Crop residual(+)
Organic matter(±)
Calcium carbonate(±) Note: (+), (－) and (±) mean the wind erosion becomes
Bulk density(±)
➢ 风蚀因子：影响风蚀强度的所有因素。
按其在风蚀过程中的作用性质，分为侵蚀性因子、可蚀性因子和干扰
因子三大类。
Some key factors influencing wind erosion
Climate
Soil
Vegetation
Landform Human activity
Wind speed(－) Wind direction(±) Turbulence(－) Precipitation(＋) Evaporation(－)
第五章 土壤风蚀与防治
➢ 土粒搬运
跃移 悬移 蠕移
55%-72% 3%-38% 7-25%
土壤风蚀量：在一定条件下单位时间单位面积上 风蚀的土壤重量。
第五章 土壤风蚀与防治
土壤风蚀过程
农田土壤风蚀引起的地表粗化
第五章 土壤风蚀与防治
第五节 土壤风蚀影响因子
➢ 土壤风蚀是一个综合的自然地理过程，受到气候、土壤、植被、地形和人 为活动等因素的共同制约。
土壤风蚀研究
▪ 地质学：风蚀是一种地质地貌过程
沙漠中的湖盆
残山
Wind erosion action during landscape evolution in mountainous desert regions (A=early stage, B=middle stage, C=late stage)
Global status of soil degradation
From ISRIC, UNEP, FAO,1996 (http://www.fao.org/docrep/003/w2612e/w2612eMap12-e.pdf)
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 美国
土壤风蚀概况
In the United States, wind erosion is the dominant problem on about 30 million hectares (73.6
year in the 1982 NRI. However much of this reduction was a result of enrollment of land classified
as highly erodible in the Conservation Reserve Program (CRP). The CRP enrollment for much of
第五章 土壤风蚀与防治
▪ 侵蚀性因子（Erosive factors）
Wind volecity (m s-1)
Wind erosion rate (kg m-2min-1)
➢ 粗糙度因子
▪ 植被：高度与密度(盖度)－决定气流接触地表（土壤受保护）的 范围，降低风速，影响平均动力粗糙度
Wasson & Nanniga (1986)基于Bagnold输沙率公式，建立了植被降
estimated annual soil loss from wind erosion on nonfederal rural land in the United States was 2.5
tons per acre per year (SCS-USDA, 1994). This number is a decrease from 3.3 tons per acre per
Dust storm in Gansu, 1999-05-05
第五章 土壤风蚀与防治
第三节 土壤风蚀研究
董治宝等，1995
第五章 土壤风蚀与防治
第三节 土壤风蚀研究
➢ 风蚀研究是一个综合的多学科的研究领域
✓ 地质学：风蚀是一种地质地貌过程 ✓ 风沙物理学与沙漠科学：风蚀的动力学机制、风蚀与风沙地貌、土地
第五章 土壤风蚀与防治
第一节 土壤风蚀概况
▪ 风蚀（Wind erosion）的定义
土壤风蚀是指土壤或土壤母质在一定风力作用下，土壤结 构遭受破坏以及土壤颗粒（或简称土粒）发生位移的过程。
土壤及其母质在风力作用下的剥蚀、分选、搬运的过程。
实际是风沙运动过程，但与一般的风沙运动有所区别。缓 慢性、强危害性、难于测量性、影响因素复杂性；以细小 粒子为主，悬移质较多。
C
386
u3
PE2
u 平均风速 PE Thornthwaite 指数
PE
3.16
12 i 1
Pi 1.8Ti
22
10
9
不足：降水量为零时，气候因子趋于 无穷大。经验系数有局限性。
第五章 土壤风蚀与防治
✓ 由于干旱条件下气候因子可能成为一个很大值的问题， 联合国粮农组织 （FAO，1979) 对Chepil公式进行了修订：