一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法与流程

本发明涉及生态模型模拟技术领域，尤其涉及一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法。

背景技术：

土壤侵蚀既通过降低土壤肥力影响植物/农作物生长，又通过地表径流影响流域水质。土壤侵蚀模拟,尤其是基于过程的土壤侵蚀模拟,是流域水文、农作物生长等生态模拟模型的重要组成模块,。现有的土壤侵蚀模拟主要针对玉米、木薯等农作物模拟径流侵蚀。此类植物的特点是冠层高度较低(＜3m)，冠层可计算为地表覆盖，对土壤有保护作用；冠层的存在降低了雨滴动能，土壤溅蚀可以忽略不计，因此土壤侵蚀主要考虑径流侵蚀。然而，对于高冠层林木，如橡胶林、桉树林等，成熟林的冠层高度一般大于7m，此时冠层截留并汇集雨滴，形成更大的雨滴形态后滴落到土壤，这个过程增大了雨滴的动能，造成了更强烈的溅蚀。因此，在高冠层林木中，溅蚀不可忽略，冠层不能算作对土壤有保护作用的地表覆盖，与之相反，冠层的存在加大了溅蚀，并与径流侵蚀一起共同构成土壤侵蚀.由于高冠层林木与低冠层农作物土壤侵蚀机理上的不同，使得现有的土壤侵蚀模型不能很好地应用于高冠层林木的土壤侵蚀和水土保持措施模拟。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法，包括以下步骤：

s1，选择高冠层林木待模拟区域，收集降雨参数和冠层高度参数，分别计算自由雨(经冠层截留后的雨滴)的动能和自由雨(未经冠层截留后的雨滴)的动能；

s2，判断自由雨动能是否大于穿透雨动能，若自由雨动能大于穿透雨动能，则认定冠层加强土壤侵蚀，进入步骤s3；否则，则不考虑冠层对土壤的侵蚀作用，直接计算径流侵蚀，进入步骤s4；

s3，计算土壤团聚体稳定性，然后再按照如下公式计算土壤溅蚀量，进入步骤s4：

ds＝(2.82/as·ke·exp(-1.48·d)+2.96)·p·(1-sf)

其中ds(g·m^-2)代表溅蚀量；as为土壤的团聚体稳定性；ke为降雨动能，即自由雨动能与穿透雨动能之和；d(m)为所产生的径流深度；p(mm)为降雨量或穿透雨量；sf为地表覆盖；

s4，结合径流侵蚀，从而获取最终的土壤侵蚀总量。

优选地，若确定是冠层加强土壤侵蚀，则土壤侵蚀总量包括溅蚀量和径流侵蚀，否则则只需要将径流侵蚀作为最终的土壤侵蚀总量。

优选地，步骤s1前还包括：首先区分冠层和地表覆盖层。

优选地，步骤s1中自由雨动能计算公式为：

keft＝8.95+8.44·log10(rint)

其中keft(jm^-2·mm^-1)代表自由雨的动能，rint代表降雨密度(mm·h^-1)。

优选地，步骤s1中穿透雨的动能计算公式为：

kect＝15.8·sqrt(h)-5.87

其中kect(jm^-2·mm^-1)代表穿透雨的动能，h代表冠层高度(m)。

优选地，步骤s3中土壤团聚体稳定性计算公式为：

as＝[91.6+3.5·som-1.06·(fs+si)]·2

as为土壤的团聚体稳定性；som(％)为土壤有机质含量；fs(％)为土壤沙粒含量；si(％)为土壤粘粒含量。

优选地，直接计算径流侵蚀的计算公式为：

cen＝cmax^β·exp(-α·sf)

其中cen(g·m^-2)代表径流侵蚀量；cmax(g·m^-2)代表地表覆盖为零情况下的最大径流侵蚀量；α和β为模型调整参数，其中β的取值范围为(0，1)；sf为地表覆盖度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法，通过分离冠层和地表覆盖层在土壤侵蚀中的作用，新开发的土壤侵蚀模拟方法扩大了现有流域水文模型的应用范围，提高高冠层林木下土壤模拟的精度。

附图说明

图1是用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法流程图；

图2是实施例1中采用的土壤侵蚀模拟方法测定的数据表；

图3是实施例1中采用的土壤侵蚀模拟方法与观测值对比；

图4是实施例1中不同林下管理下橡胶林20年不同形式土壤侵蚀量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1，首先区分冠层和地表覆盖层，选择高冠层林木待模拟区域，收集降雨参数和冠层高度参数，分别计算自由雨动能和穿透雨动能；

s2，判断自由雨动能是否大于穿透雨动能，若自由雨动能大于穿透雨动能，则认定冠层加强土壤侵蚀，进入步骤s3；否则，则不考虑冠层对土壤的侵蚀作用，直接按如下公式计算径流侵蚀：

cen＝cmax^β·exp(-α·sf)(1)

其中cen(g·m^-2)代表径流侵蚀量；cmax(g·m^-2)代表地表覆盖为零情况下的最大径流侵蚀量；α和β为模型调整参数，其中β的取值范围为(0,1)；sf为地表覆盖度。直接计算径流侵蚀，进入步骤s4；

s3，计算土壤团聚体稳定性，然后再按照如下公式计算土壤溅蚀量，进入步骤s4：

ds＝(2·82/as·ke·exp(-1·48·d)+2·96)·p·(1-sf)

其中ds(g·m^-2)代表溅蚀量；as为土壤的团聚体稳定性；ke为降雨动能，即自由雨动能与穿透雨动能之和；d(m)为所产生的径流深度；p(mm)为降雨量或穿透雨量；sf为地表覆盖；

s4，结合径流侵蚀，从而获取最终的土壤侵蚀总量。

本实施例1中的步骤s1中自由雨动能计算公式为：

keft＝8.95+8.44·log10(rint)(3)

其中keft(jm^-2·mm^-1)代表自由雨的动能，rint代表降雨密度(mm·h^-1)。

穿透雨的动能计算公式为：

kect＝15.8·sqrt(h)-5.87(4)

其中kect(jm^-2·mm^-1)代表穿透雨的动能，h代表冠层高度(m)。

步骤s3中土壤团聚体稳定性计算公式为：

as＝[91.6+3.5·som-1.06·(fs+si)]·2(5)

as为土壤的团聚体稳定性；som(％)为土壤有机质含量；fs(％)为土壤沙粒含量；si(％)为土壤粘粒含量。

实施例1

本实施例以橡胶林为例，首先测试橡胶林冠层的高度，通过溅蚀测量杯在胶林内测量了9场典型自然降雨引起的土壤溅蚀量，此种方法只测量溅蚀量，不测量径流侵蚀量，以此验证公式(2)的模拟精确度。由于溅蚀测量杯不产生径流，因此公式(2)中径流深度统一以0代入计算。所测参数包括降雨量，降雨密度，橡胶林冠层高度，橡胶林地表覆盖度，土壤有机质含量，土壤沙粒含量和土壤粘粒含量，测得得到的降雨强度覆盖5.4mm至55.9mm，测得的溅蚀量覆盖5.06±1.32mg·ha^-1至89.04±34.07mg·ha^-1，实测数据及计算得到的溅蚀结果详见表1(如图2所示)，经过实验对比，对土壤溅蚀的模拟精度可达r²＝0.84(如图3所示)，完全符合模型的精度要求。

实施例2

本实施例2基于实施例1中的模拟方法更新了流域模型lucia。lucia模型是可应用于景观尺度的流域格局-过程耦合模型，主要用于评价土地利用变化引起的土壤生产力、水土保持、生物量、固碳等流域生态环境功能的变化。lucia模型包含5个子模块：水文循环、土壤侵蚀/沉积、物质传输、植物生长、碳循环，其中植物生长模块以天为模拟步长，水文、土壤侵蚀模块以小时为模拟步长。植物生长模块基于wofost(worldfoodstudies)的原理编写。wofost由荷兰wageningen大学与世界作物研究中心(cwfs)共同研制，模拟特定土壤和气候条件下一年生作物的动态生长，属于单元尺度(plotlevel)的过程模型。lucia在wofost的基础上加入森林、灌木、橡胶树等多年生植物模拟，并以pcraster为开发平台，考虑土地利用空间分布，耦合流域水文、土壤侵蚀、物质传输模拟，形成模拟土地利用变化的景观尺度(landscapelevel)格局-过程模型。该模型在越南、泰国、中国云南都有成功案例应用并发表。本实施例2更新了流域模型lucia的土壤侵蚀模拟模块，并对橡胶林进行了不同林下管理情境下的长时期(20年)土壤侵蚀模拟，该模拟模型结果能很好地区分不同林下管理的土壤溅蚀剥离，土壤溅蚀量，径流侵蚀量和总侵蚀量，结果如图3所示。

采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供的用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法，通过分离冠层和地表覆盖层在土壤侵蚀中的作用，新开发的土壤侵蚀模拟方法扩大了现有流域水文模型的应用范围，提高高冠层林木下土壤模拟的精度。为证实开发模块的模拟精度，我们以橡胶林为案例，通过溅蚀测量杯在胶林内测量了9场典型自然降雨引起的溅蚀，降雨强度覆盖5.4mm至55.9mm，测得的溅蚀量覆盖5.06±1.32mgha-1至89.04±34.07mgha^-1。经与野外实验对比，新模拟方法对土壤溅蚀的模拟精度可达r²＝0.84。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。