一种测定表土属性变化与侵蚀效应的试验方法与流程

本发明属于环境生态试验方法，具体涉及一种测定表土属性变化与侵蚀效应的试验方法及其试验系统。

背景技术：

干旱和极端降水等气候现象频发，直接影响降雨、蒸发、径流状况的时空分布，改变全球水文循环现状，加剧土壤水分含量变化，引起土壤干湿交替现象频发。土壤的干湿交替是土壤系统热力学和水文学方面短期变异较大的过程，可使土壤物理、化学性质发生一定程度变化；土壤干湿交替过程中常发生胀缩现象，改变孔隙度的分布，造成土壤体积的变化和裂缝的发育，并影响土壤氮素矿化、磷素的吸附释放等过程。

土壤侵蚀是严重的环境问题之一，包括水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀和冻融侵蚀等多种类型，在我国多数土壤侵蚀区域，以降雨、径流所引起的水力侵蚀占主导因素，而坡面是区域土壤侵蚀的主要策源地。裸露或稀疏草灌的自然坡面直接遭受雨滴溅蚀和径流冲刷，兼之干湿交替和曝晒条件下，土层结构破坏，土壤物理、化学性质发生较大变化，导致土质疏松，抗蚀性弱，加剧了坡面水土流失强度。自然坡面土壤侵蚀影响区域生态安全，其产生的大量泥沙入江入河还会淤积河道，增大防洪压力，威胁区域人民的生命财产安全。

因此，开展干湿交替条件下中坡面表土属性变化及侵蚀效应的影响研究，对于科学认识土壤侵蚀机理，防治坡面水土流失，开展区域生态评价具有较大意义。现有专利201210027399.3公开了一种坡面水蚀精细模拟试验装置及其试验方法，通过水箱、土槽等模拟不同立地条件下土壤水蚀情况；专利201510853945.2公开了一种室内模拟干湿交替响应下测定土壤呼吸的实验方法，用广口瓶中装入风干土，以干燥剂实现不同干湿交替实验设计中测定土壤呼吸值的目的。现有技术是以室内模拟干湿交替条件进行土壤属性试验，由于室内环境因子的模拟控制与自然状况下的环境变化存在一定的偏离，得到的研究结果有时较难与野外测定的参数变化进行较好的耦合分析，限制了对土壤侵蚀机理的研究效果；并且也未能深入研究从“太阳辐射变化、土壤干湿交替变化——土壤水分温度变化——土壤属性变化——侵蚀效应变化”整个过程的机理。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在原位区的干湿交替条件下测定表土属性变化与侵蚀效应的试验方法及其试验系统。

为实现上述目的，本发明所述测定表土属性变化与侵蚀效应的试验方法，选取研究区典型土类试验坡面，对试验土壤进行相同次数的干湿交替处理，对所述试验土壤每次干燥处理后，测定土壤理化性质指标，然后立即进行湿润处理，测定土壤侵蚀量；所述试验坡面为剪除表层植被的原位区，，试验初始土壤含水量达到最大田间持水量；对所述原位区的干湿交替处理次数不少于3次；所述湿润处理采用人工冲水达到最大田间持水量，所述持水量>20％；所述干燥处理采用土壤在25～35℃的气温阈值条件下自然曝晒，并结合土壤温度水分控制系统冷风机、立式风道部件，使土壤含水量达到凋萎系数，所述含水量＜10％；干燥处理后测定所述土壤理化性质指标包括但不限于土壤容重、水分含量、有机质含量、团聚体、颗粒组成、紧实度、微结构；湿润处理时测定冲刷水流量(m³/h)、含沙量(g/L)、干土重WLDS(g)；定期测定原位区的太阳辐射、土壤温度、土壤热量、紧实度和地表形态变化；所述地表形态变化包括但不限于地表裂缝变化；所述土壤侵蚀效应由地形变化量表征。

其中所述土壤田间持水量(Water Holding Capacity,WHC)长期以来被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量，是对作物有效的最高的土壤水含量。土壤基本理化性质测定主要参照《土壤农业化学分析方法》的方法进行测定：土壤容重采用环刀法，土壤水分含量采用威尔科克斯(Wilcox)法称重测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法(K₂C_r2O₇-H₂SO⁴法)，土壤团聚体采用湿筛法测定，土壤颗粒组成用马尔文激光粒度仪测定，土壤紧实度用紧实度仪测定，土壤微结构采用图像分析方法，对拍摄的裂缝形态特征图像分析后提取微结构信息。

以上方法中，剪除表层植被可以规避植被作用对土壤的影响；采用修建原位区的方式，对土体扰动小，更准确监测、对比干湿交替下表土属性变化及侵蚀差异。土壤每经历1次完整干湿交替处理后，采集干燥土样测定土壤理化性质指标，测定后立即湿润处理，测定土壤侵蚀量，表征坡面表土侵蚀效应。

优选的，土壤侵蚀效应通过近景摄影测量技术计算，具体步骤为：

S1、设置控制点，获取试验照片：湿润处理前，在原位区边界间隔设置若干控制点，各控制点坐标(x，y，z)借助GPS测定；在每次冲水之前后，分别采用相机从不同角度定焦拍取原位区地形变化照片；

S2、处理照片生成点云数据集：对覆盖原位区的照片集进行地形数据处理，并依据控制点坐标生成真实坐标的3D点云模型；

S3、计算坡面侵蚀效益：将生成的点云模型数据生成不同干湿交替条件下数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，定量计算干湿交替过程中裂缝发育情况，然后通过对比不同阶段DEM分析原位区地形变化量，最终计算得出侵蚀效应。

优选的，所述相机为数码单反相机，有效像素1200万以上。

所述方法中对原位区干湿交替处理时利用土壤温度水分控制系统控制环境温度、土壤含水量条件指标；所述土壤温度水分控制系统通过加热器、压缩机组、冷风机、立式风道、温度传感器和温度控制器部件对温度进行控制；湿润处理时通过人工放水人工冲水达到最大田间持水量；通过冷风机、立式风道部件使土壤含水量小于10％。所述土壤温度水分控制系统保证原位区的环境值一致，减小试验误差；并且规避降水等自然天气对试验过程的干扰，减小环境误差。

具体的，实验期间，每日9:00～19:00，每间隔2h定期测定原位区的太阳辐射、土壤温度、土壤热量、紧实度和地表形态变化。所述太阳辐射量采用Procheck辐射测量仪测量；所述土壤温度、土壤热量采用KD2Pro热特性测量仪测量；所述紧实度采用土壤紧实度仪测量；所述地表形态变化由相机记录。其中，土壤水分衰减过程中太阳辐射量和土壤热量能够定量表征在干燥处理时的不同干燥程度。

优选的，设立多个原位区，对每个原位区干湿交替处理的时间间隔不同。第一个原位区每次干湿交替处理的间隔为1天，则第i个原位区每次干湿交替处理的间隔分别4*(i-1)+1天。具体的，布置3个原位区，每个原位区每次干湿交替处理的间隔分别是1天、5天、9天。以上方法中所述采用不同的间隔，并且不同间隔相差多天，使得干燥处理更贴近实际土壤水分衰减周期，最大限度模拟自然天气条件下土壤经历干湿交替的真实情况。

具体的，对原位区进行5次干湿交替处理。原位区尺寸大小2m×1.2m。

本发明提供的一种测定表土属性变化及侵蚀效应的试验方法及其试验系统，有益效果体现在：(1)利用本发明所述的试验方法，能够研究不同干湿过程下不同坡面的水热变化特征、土壤性质及形态的变化情况，定量化反映实际情况下不同表土类型和干湿交替条件下坡面土壤属性变化及侵蚀效应差异；(2)通过修建原位区和选定更贴近实际土壤水分衰减周期的干湿处理周期，使得本试验方法较传统室内模拟试验而言更贴合实际、结果更为准确；(3)通过设置不同曝晒时长，模拟不同干旱程度，分析坡面土壤的侵蚀产沙效益，为优化水土保持配置措施提供科学依据。总之，利用本发明的试验方法，可以测定干湿交替条件下坡面表土属性变化及侵蚀效应，对于探明变化环境影响下太阳辐射变化、土壤干湿交替变化——土壤水分温度变化——土壤属性变化——侵蚀效应变化过程机理具有重要意义。试验方法整体设计合理，具有可操作性，适宜于全国各类坡地开展类似研究时推广。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明所述原位区平面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，一种测定干湿交替条件下坡面表土属性变化及侵蚀效应的模拟试验方法，选取研究区典型土类试验坡面，对试验土壤进行相同次数的干湿交替处理，对所述试验土壤每次干燥处理后，测定土壤理化性质指标，然后立即进行湿润处理，测定土壤侵蚀量。所述试验坡面为剪除表层植被的原位区，试验初始土壤含水量达到最大田间持水量；对所述原位区的干湿交替处理次数不少于3次；所述湿润处理采用人工冲水达到最大田间持水量，所述持水量>20％；所述干燥处理采用土壤在25～35℃的气温阈值条件下自然曝晒，直至土壤含水量达到凋萎系数，所述含水量＜10％。

在本实施例中，选取研究区典型土类试验坡面，：燥红土、变性土和新积土坡面，记为A、B、C，剪除表层植被以规避植被作用对土壤的影响；如附图1所示，在每种试验坡面分别布置3个平行的原位区，尺寸大小2m×1.2m，记为a、b、c；对每个原位区进行5次的干湿交替处理，分别记做第I、II、III、IV、V次；每个原位区干湿交替处理的时间间隔分别是1天、4*(2-1)+1天、4*(3-1)+1天，即1天、5天、9天，对不同土类的不同原位区干湿交替处理的日期表如附表1所示。本实施例中对原位区干湿交替处理时利用土壤温度水分控制系统控制环境温度、土壤含水量条件指标；所述土壤温度水分控制系统通过加热器、压缩机组、冷风机、立式风道、温度传感器和温度控制器部件对温度进行控制；湿润处理时通过人工放水人工冲水达到最大田间持水量；通过冷风机、立式风道部件使土壤含水量小于10％。并且如图1所示，在每种试验坡面的3个原位区内，距土壤表层10cm处埋都设有土壤水份检测仪，布置成40*40cm的多个土壤水分检测仪的网格。

附表1中，A、B和C指代燥红土、变性土和新积土坡面；a、b、c指代同一坡面3个平行原位区；①、②和③指代间隔1、5和9天；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示第1、2、3、4和5次干湿交替处理。

表1不同干湿处理土样采集时间节点

土壤每经历1次完整干湿交替处理后，采集土壤理化性质指标，包括但不限于土壤容重、水分含量、有机质含量、团聚体、颗粒组成、紧实度、微结构；湿润处理时测定冲刷水流量(m³/h)、含沙量(g/L)、干土重WLDS(g)；定期测定原位区的太阳辐射、土壤温度、土壤热量、紧实度和地表形态变化；所述地表形态变化包括但不限于地表裂缝变化；所述土壤侵蚀效应由地形变化量表征，通过有效像素1200万以上的数码单反相获得近景摄影照片，具体计算步骤为：

S1、设置控制点，获取试验照片：湿润处理前，在原位区边界间隔设置若干控制点，各控制点坐标(x，y，z)借助GPS测定；在每次冲水之前后，分别采用相机从不同角度定焦拍取原位区地形变化照片；

S2、处理照片生成点云数据集：对覆盖原位区的照片集进行地形数据处理，并依据控制点坐标生成真实坐标的3D点云模型；

S3、计算坡面侵蚀效益：将生成的点云模型数据生成不同干湿交替条件下数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，定量计算干湿交替过程中裂缝发育情况，然后通过对比不同阶段DEM分析原位区地形变化量，最终计算得出侵蚀效应。

如附表2所示，每日9:00～19:00，每间隔2小时定期定期测定原位区的太阳辐射、土壤温度、土壤热量、紧实度和地表形态变化。所述太阳辐射量采用Procheck辐射测量仪测量，所述土壤温度、土壤热量采用KD2Pro热特性测量仪测量，所述紧实度采用土壤紧实度仪测量。所述地表形态变化以地表裂缝变化表征，由相机记录。其中，太阳辐射量和土壤热量能够定量表征在干燥处理时的不同干燥程度。

表2坡面土壤属性变化测量方案

即完成了测定干湿交替条件下中坡面表土属性变化及侵蚀效应的试验。

本发明通过测量历次干湿交替后坡面土壤表土属性变化及侵蚀效应指标，可获取极端气温下土壤属性动态变化数据及不同土壤类型对极端气候的响应差异，为开展坡面土壤治理提供依据。

以上结合对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。