地表粗糙度与土壤风蚀

吕悦来 李广毅

文章主题:地表 粗糙度 土壤侵蚀 风蚀

文章内容：一奸.复土壤锈风地表粗糙度与土壤风蚀吕悦来李广毅,,学～&;摘要也蛆髓度是地面主要物理性状之一.本文对近年米地表相糙度有关方面的研究进行了综述,容包括地丧粗糙哇的念.鸪毒粗犍度的恻算方法影响地表粗犍度的因謇以及地表粗糙度与蚀的关系.一,地表粗糙度的概念对于地表粗糙度有两种理解.一种是从空气动力学的角度出发,由于地面起伏不平或地物影响,在风速廓线上风速为零的位置不在高度等于零的地表,而在离地表某一高度的地方,把这一高度定义为地表粗糙度,也称空气动力学粗糙度,可由风速梯度和风速廓线方程求得.这一粗糙度在气象学及其相关学科中广泛应用'另一种是将地面凹凸不平的程度定义为粗糙度,也称地表微地形(-1),通过实际测量求得.本文所讨论的是根据后一理解定义的粗糙度.6等…将地表粗糙度概括为四类,每一类代表不同的尺度数量级:1.由单个颗粒,大团聚体引起的微地形变化.这类粗糙度在各个方向上是均匀的,数量级为1,变化范嗣0～2'2.由土块引起的地表变化.这类粗糙度通常是耕具对土壤的分散作用造成的,数量级为100,没有方向性,常称之为随机粗糙度(),3.由耕具引起的地面有规则的起伏变化,如垄勾.这种起伏变化有方向性,且遍及整个田间,数量级100--200,称有向粗糙度(+);4.较高数量级的粗糙度,表示地块,流域或地貌单元水平.的高低变化.这类起伏变化非常大,一般没有方向性.前三类粗糙度与土壤风蚀关系密切,其中第2,3两类便于人为控制,是土壤风蚀研究的主要对象,并常作为控制风蚀的重要措施,第4类则是地貌学及其相关学科的研究对象.地表粗糙度除与土壤风蚀密切相关外,还与地表径流'.土壤渗透性",地面热量平衡"土壤蒸发等物理性质都有密切关系,因此是土壤学尤其是农业土壤学研究的一个重要课题.二,地表粗糙度的测算方法土壤表面起伏状况的测量一直沿用"设计的微地形计,其原理是测量某一面积内(一般为.1—4.)或某一截面上若干个点(点的间距为0.—.121)距参照基准面的高度,用备点高度的变化来反映地面的起伏程度.测量手段由最初的手测法发展到后来的自动记录和遥感法,,.地面粗糙度指标有多种计算方法.曾建议用下式计算"坼',=100()(1)中为粗糙度,为各测点高度的标准差.等…提小了随机粗糙度指标,汁算式为:=以五(2)其中为随机粗糙度,为各测点高度(用对数表示)的标谁差,为平均高度.由于一述粗糙度指标没有考虑起伏点间的水平距离,不能全面反映粗糙度的数值与地表状之问的关系.为克服这一缺点,等…根据微地形参数和起伏频率定义出粗糙度指杯.=(3)式中为微地形参数,指被测地表轮廓线与被测点高度最小二乘回归线之间单位长度上的面积(图1中的阴影部分),为起伏频率,指每单位长度上起伏顶点的数目.图1为几种理想模式的,,计算值,从图中可以看出,值相同的地表,由于值的不同而使值表现出较大的差异同样,值相同的地表也可能有不同的形态.因此,用该式定义的粗糙度能更多地反映地表形态信息._':蚴圈1地表粗精度的图解(『自[1])从土壤风蚀的角度来说,地表粕糙度指标应能够表现出对影响风蚀变化因素的反应,必须满足一些弛特的要求,如对管理措施(耕作等),降雨,方向的敏感性,同时还要包括定向和非定向的地表起伏.如土垄,土块,因为风蚀受局部较大起伏的影响是很大的.基于上述要求,等"提出用防护角()描述地面粗糙度.防护角是指颗粒到达某一指定点时必须倾斜的最大角度.对于某一指定点,倾斜角可通过计算该点(作为顶点)与指定方向上被测点之间连线与水平面的夹角来确定,顶点和被测点与水平面的夹角可用两点间高差与水平距离之比的反正切求算.对同一个顶点,用同样方法测量0.3(称影响区)水平距离内所有其它点和顶点连线与水平面的夹角,其中最大的角即定义为该顶点的防护角(如图2所示).再用同样方法,逐点移动顶点和影响区,可测出每个点的相应防护角.防护角为负值的点,表示该点比影响区内所有点都高,将其防护角取为零.防护角小的点就相对来说暴露在外,防护角大的点则相对被保护起来.39.!::—一影响区图2防护角及影响区¨_意图划于某一点,防护角表示该点的状况,要反映整个地表状况,须考虑很多防护角,这个问题可通过防护角累积分布的作用来解决.防护角累积分布是指小于某一角度的防护角所占比例.由防护角累积分布可很容易求出防护角等于或小于磨蚀角(见下文)的被测点的比例,从而确定出不受磨蚀的地面比例.用防护角描述地面粗糙度的优点在于(1)可将定向和非定向粗糙度概括到一个简单的参数之中(2)能够确定出某一防护角范围内的地面百分数,从而可以确定出地面受(或不受)跃移质冲击(磨蚀)影响的比例,(3)能描述不同方向上的地面粗糙度,这一点对风蚀研究非常重要,因为即使在同一地区,风向的变化也是非常大的.三,耕作和降雨对地表粗糙度的影响关于耕作措施对地表粗糙度的影响,许多学者已进行过研究",其中大部分都是采用随机粗糙度指标.不同研究者的结果之间变异很大,其原因是任何一种耕具所产生的地表结构都取决于许多因素,如犁耕时的土壤含水率,犁耕的深度和速度,残茬的种类,犁耕前的作物种植情况以及土壤质地等".在进行复耕时,第一次复耕对随机粗糙度和土壤团聚体的减小量最大….6等"根据(3)式所定义的粗糙度,研究了三种耕作制度,凿式犁单耕,凿式犁+圆盘耙复耕,凿式犁+圆盘耙+圆钉耙复耕对地表粗糙度的影响,结果是随复耕次数增加,地表粗糙度减小.三种耕作制度中以凿式犁单耕产生的粗糙度最大,凿式犁+圆盘耙+圆钉耙复耕最小,粗糙度值分别为0.56,0.45,和0.33.由于降雨击溅对土壤的扰动,一般来说会使粗糙度降低.研究较多的是降雨动能和降雨嚣与粗糙度变化的关系.和测量了不同降雨动能时的粗糙度变化情况,粗糙度的变化用降雨后与降雨前的随机粗糙度比(/)表示,得出两者间的关系式为=(一)(4)式中为粗糙度比,为降雨动能,'为常数此外,,…以及—等都分别对降雨动能与粗糙度变化的关系进行过研究,并建立起同样形式的关系式,只是式中的常数值有变化,这些变化可能是由于土壤类