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適讀人群 ：本書可供從事土壤風蝕、土壤侵蝕、流體力學、環境保護科技工作者和相關專業的師生和管理者參考使用。
《土壤風蝕原理和研究方法及控製技術》可供生態學?地理學?水土保持?環境保護等領域科研?工程技術人員和高等院校相關專業師生和管理人員參考?

內容簡介

　　《土壤風蝕原理和研究方法及控製技術》以土壤風蝕原理?研究方法及控製技術為核心, 詳細介紹瞭土壤風蝕的影響因素?起塵機理和造成的綜閤影響?土壤風蝕研究方法和預報預測方法?控製措施和效果評估等? 內容包括: 土壤風蝕的基本概念?國內外土壤風蝕的研究現狀?我國土壤風蝕分區; 土壤風蝕的影響和危害;土壤風蝕形成的機理和影響因素; 土壤風蝕起塵機製和運動規律; 土壤風蝕研究方法; 土壤風蝕預報WEPS 模型; 同位素示蹤研究方法; 土壤風蝕的控製技術及效果評估等?

目錄

目錄
第1章緒論1
1.1土壤風蝕的基本概念1
1.2國內外土壤風蝕研究發展曆程1
1.2.1國外土壤風蝕研究曆程1
1.2.2國內土壤風蝕研究曆程5
1.3土壤風蝕類型分區及強度分級7
1.3.1土壤風蝕類型7
1.3.2土壤風蝕強度與程度9
1.4我國土壤風蝕現狀12
1.5土壤風蝕研究內容13
參考文獻15
第2章土壤風蝕造成的影響及危害18
2.1土壤風蝕對土壤理化性質的影響18
2.1.1土壤風蝕造成土壤養分含量降低18
2.1.2土壤風蝕影響土壤機械組成20
2.2土壤風蝕對植物生長及農牧業的影響21
2.2.1沙塵對植物生長的影響21
2.2.2土壤風蝕對農牧業的影響23
2.3土壤風蝕對氣候的影響24
2.3.1土壤風蝕對低層大氣的加熱效應25
2.3.2土壤風蝕對區域降水的影響25
2.4土壤風蝕對人類生活及健康的危害26
2.4.1沙塵影響環境空氣質量26
2.4.2沙塵影響交通安全28
2.4.3沙塵天氣影響電力通信29
2.4.4沙塵對人類健康的危害30
2.5土壤風蝕對土壤碳庫的影響32
2.5.1土壤風蝕起沙階段土壤碳庫的變化32
2.5.2土壤風蝕物輸運階段土壤碳庫的變化33
2.5.3土壤風蝕物沉積區土壤碳庫的變化33
參考文獻34
第3章土壤風蝕形成的原理和影響因素38
土壤風蝕原理和研究方法及控製技術
3.1土壤風蝕形成的力學原理38
3.1.1風力作用38
3.1.2土壤運動43
3.2土壤風蝕形成的氣象條件49
3.2.1風49
3.2.2降水50
3.2.3土壤濕度52
3.2.4氣溫53
3.3土壤風蝕形成的地錶狀況54
3.3.1植被覆蓋度54
3.3.2裸田地塊長度57
3.3.3土壤結皮57
3.3.4土地利用方式58
3.4土壤風蝕形成的土壤內在條件60
3.4.1土壤含水率60
3.4.2土壤機械組成和團聚體結構62
3.4.3土壤組分特性67
3.5土壤風蝕形成的人為因素67
3.5.1耕作68
3.5.2放牧68
3.6風蝕荒漠化的成因和分布69
3.6.1風蝕荒漠化的成因及分布69
3.6.2中國部分地區風蝕簡介71
參考文獻74
第4章土壤風蝕起塵機製和運動規律77
4.1近地層風特性77
4.1.1大氣邊界層及近地層77
4.1.2近地層風的流態特徵78
4.1.3風速沿垂直高度的分布79
4.2風沙運動83
4.2.1沙粒起動機製83
4.2.2沙粒起動風速及影響因素88
4.2.3沙粒運動形式94
4.3風沙流的結構特徵95
4.3.1風沙流分布規律96
4.3.2風沙流結構指標98
4.3.3影響風沙流結構的因素分析99
4.4風沙流輸移特性103
4.4.1輸沙通量的垂綫分布103
4.4.2輸沙通量的水平分布104
4.4.3輸沙率106
參考文獻108
第5章土壤風蝕研究方法110
5.1輸沙量調查110
5.1.1輸沙量野外觀測110
5.1.2輸沙量的分布測試112
5.1.3基於輸沙量實驗結果的數值模擬112
5.1.4不同輸沙量下風沙流結構的野外觀測114
5.2沙丘移動狀況調查116
5.2.1沙丘類型116
5.2.2沙丘移動方式116
5.2.3沙丘移動速度117
5.2.4沙丘移動調查118
5.3地錶粗糙度調查124
5.3.1粗糙度概念124
5.3.2不同地錶狀況下的地錶粗糙度調查124
5.4風蝕地貌調查132
5.4.1沙源調查132
5.4.2風蝕地貌調查133
5.5土壤抗蝕性調查138
5.5.1根據土壤理化性質研究土壤抗蝕性138
5.5.2利用風洞實驗研究土壤抗蝕性140
5.6近地錶風速廓綫調查144
5.6.1大氣邊界層模擬研究144
5.6.2風速廓綫調查及模擬147
參考文獻149
第6章土壤風蝕模型154
6.1國外土壤風蝕模型154
6.1.1WEQ風蝕模型154
6.1.2帕薩剋(Pasak)模型155
6.1.3波查羅夫(Bocharov)模型155
6.1.4得剋薩斯侵蝕分析模型(TEAM)156
6.1.5剋拉瓦洛維剋(Cravailovic)風蝕模型156
6.1.6修正的風蝕模型(RWEQ)156
6.1.7Gillette粉塵釋放模型160
6.1.8邵亞平的風蝕評價模型(WEAM)160
土壤風蝕原理和研究方法及控製技術
6.1.9DPM粉塵釋放模型161
6.1.10Dustran模型162
6.1.11USEPA推薦的模型163
6.1.12WEPS風蝕預報模型係統164
6.2我國土壤風蝕模型166
6.2.1區域土壤風蝕量統計模型166
6.2.2黃富祥等毛烏素沙地模型167
6.2.3土壤風蝕一類隨機過程模型167
6.2.4河北多元統計模型167
6.2.5旱地保護性耕作土壤風蝕模型168
6.2.6趙勇等的分布式土壤風蝕模擬模塊169
6.2.7中國科學院寒區旱區環境與工程研究所的風蝕模型169
參考文獻171
第7章土壤核示蹤技術方法174
7.1土壤核示蹤技術方法簡介174
7.2土壤核示蹤技術研究現狀174
7.3土壤核示蹤技術特點175
7.4核示蹤技術中示蹤劑的示蹤原理176
7.4.1137Cs示蹤技術176
7.4.2210Pbex示蹤技術179
7.4.37Be示蹤技術181
7.4.4多核素聯閤示蹤土壤侵蝕182
7.5利用核示蹤技術計算土壤侵蝕量與速率183
7.5.1137Cs示蹤技術的土壤侵蝕速率模型183
7.5.2210Pbex示蹤技術的土壤侵蝕速率模型191
7.5.37Be示蹤技術的土壤侵蝕速率模型196
7.6核示蹤技術在土壤風蝕研究中的應用198
7.6.1137Cs示蹤技術在土壤風蝕研究中的應用198
7.6.2210Pb示蹤技術在土壤風蝕中的應用203
7.6.37Be示蹤技術在土壤風蝕中的應用203
7.6.4137Cs?210Pbex?7Be示蹤技術比較206
7.7稀土元素(REE)示蹤技術206
7.8不同核素的聯閤使用207
參考文獻208
第8章土壤風蝕控製技術及其效果評估212
8.1保護性耕作技術212
8.1.1保護性耕作的概念和原理212
8.1.2保護性耕作的分類214
8.1.3保護性耕作技術的主要內容215
8.1.4我國保護性耕作存在的主要問題218
8.1.5我國發展保護性耕作的對策219
8.2抑塵劑技術220
8.2.1抑塵劑的概念及作用機理220
8.2.2抑塵劑的發展221
8.2.3抑塵劑的分類224
8.2.4抑塵劑的成本及效益228
8.2.5抑塵劑的應用229
8.2.6抑塵劑存在的主要問題229
8.2.7抑塵劑的發展建議230
8.3防風林技術231
8.3.1防風林的概念231
8.3.2防風林分類232
8.3.3防風林規劃設計原則234
8.3.4防風林營造技術要求235
8.3.5我國防風林營造中存在的主要問題238
8.3.6我國防風林建設的對策239
8.4沙障技術240
8.4.1沙障技術的概念240
8.4.2沙障技術的材料選擇241
8.4.3沙障設置的技術要求243
8.5防風網技術244
8.5.1防風網的概念和原理244
8.5.2防風網分類244
8.5.3防風網防護效果的影響因素245
8.5.4防風網的安裝設計246
8.5.5防風網技術的發展方嚮248
8.6土壤風蝕防治效果評估技術249
8.6.1地區植被恢復狀況評估249
8.6.2土壤風蝕量變化的測算251
8.6.3土壤風蝕防治的綜閤效益評估252
參考文獻268

精彩書摘

第1章緒論
土壤是人類賴以生産和生活的基本自然資源之一，“萬物土中生”，多數陸地植物均以土壤為生長基質，土壤也是人類衣食住行的基礎?然而，自然力和人力的雙重作用導緻土壤風蝕量超過土壤最大容許流失量，進而影響土壤肥力?造成空氣汙染等，産生瞭一係列生態環境問題?因而，土壤風蝕已成為全球環境?土壤?生態?水土保持等領域研究的熱點問題?本章從土壤風蝕基本概念著手，介紹瞭國內外土壤風蝕研究的發展曆程，土壤風蝕的分類分級，然後簡要介紹土壤風蝕研究的主要內容，為從總體上宏觀瞭解土壤風蝕服務?
1.1土壤風蝕的基本概念
科學的風蝕概念以侵蝕概念為基礎?侵蝕(erosion)的定義為:在各種外在物質，即外在地貌因子作用下，土壤層或其下基岩，即土壤圈和岩石圈的破損?這些外在地貌因子包括水?雪?冰?氣(風)?風化物?有機體(植物和動物)及人類等?按外營力性質可將侵蝕分為水蝕?風蝕?重力侵蝕?凍融侵蝕和人為侵蝕等類型?風蝕是一種主要的侵蝕類型?根據侵蝕的概念將風蝕定義為:氣流(風力)作用下土壤圈或岩石圈的破損?土壤侵蝕分類分級標準(SL190—1996)中給齣的風蝕定義為:在氣流衝擊作用下，土粒?沙粒或岩石碎屑脫離地錶，被搬運和堆積的過程?土壤風蝕是指鬆散的土壤物質被風吹起?搬運和堆積的過程以及地錶物質受到風吹起的顆粒的磨蝕作用?可見，土壤風蝕是在風力作用下，土壤顆粒發生位置移動的過程?
1.2國內外土壤風蝕研究發展曆程
1.2.1國外土壤風蝕研究曆程
國外土壤風蝕研究可以追溯到古希臘時代，但是直到20世紀30年代，土壤風蝕造成的土地沙化?空氣汙染等纔引起瞭全世界的廣泛關注，由此推動瞭土壤風蝕科學的産生和發展?總體來看，國外土壤風蝕研究可大緻分為以下幾個階段?
(1)第一階段:20世紀30年代以前，土壤風蝕研究萌芽階段
20世紀30年代以前，土壤風蝕研究尚處於定性描述階段?人們對風蝕的科學認識多是在探險或野外考察基礎上逐漸積纍起來的，多屬於感性認識，如Ehrenberg在1847年描述瞭從非洲輸送到歐洲的大氣粉塵，奧布魯切夫於1895年分析瞭中亞地區的風化作用和吹揚作用?盡管這一階段的風蝕觀察或探險研究相對簡單，土壤風蝕原理和研究方法及控製技術缺乏係統性，但是這些定性描述為後來進一步研究土壤風蝕提供和積纍瞭寶貴的原始資料?以Free為代錶的科學傢從風與土壤顆粒的相互作用?風蝕物質的流失與搬運等方麵初步總結瞭土壤風蝕的認識成果，並認為通過增加土壤水分和有機質含量，改良土壤結構，增加作物殘留物?構建防風帶等措施均可減輕土壤風蝕?
(2)第二階段:20世紀30~50年代，土壤風蝕研究定量化階段
這一階段是土壤風蝕研究從定性描述到科學化?定量化研究飛躍的階段?20世紀30年代中期，R.A.Bagnold以其深入利比亞沙漠所獲得的豐富的野外觀測資料及大量室內風洞模擬實驗結果為基礎，創立瞭風沙物理學，使土壤風蝕研究進入嶄新的動力學研究階段?其代錶作《風沙和荒漠沙丘物理學》(1941年)標誌著土壤風蝕定量化研究的開始，從此開始瞭土壤風蝕研究的曆史新紀元?《風沙和荒漠沙丘物理學》論著全麵係統地分析瞭單個沙粒的運動物理學?小尺度作用?泥沙集聚?沙丘內部結構?沙丘演變與移動和鳴沙等方麵，得齣許多重要結論?該書多年來一直是人們風蝕研究的必備經典書籍?
20世紀30年代末至50年代，美國中西部大平原和原蘇聯中亞地區的災難性“黑風暴”事件，激發瞭科學界對土壤風蝕研究的熱情?土壤風蝕研究從此大規模展開，研究內容涉及風蝕動力學機製?風沙流的磨蝕作用?風蝕流失量估算?土壤理化性質對土壤風蝕的影響?土壤風蝕防治措施等研究工作，初步構建瞭土壤風蝕研究的理論體係，標誌著土壤風蝕研究嚮定量化研究飛躍?美國的W.S.Chepil的工作較全麵和係統，成為現代土壤風蝕科學研究的開拓者?他對土壤風蝕領域的重要貢獻主要涉及風蝕力學機製?土壤風蝕因子?土壤風蝕流失量估算?風蝕強度等級及土壤特性，如地錶粗糙度?土壤結構穩定性?土壤水分?土壤容重?土壤機械組成?土壤結構?土壤有機質等因子與土壤抗蝕性間關係以及土壤風蝕采樣器———集沙儀等方麵?50年代中期，蘇聯的雅庫波夫等通過野外觀測和風洞模擬試驗，研究瞭微地形?土壤?植被等環境條件與土壤風蝕的關係，為建立和完善防治土壤風蝕的綜閤農業措施做齣瞭突齣貢獻?與此同時，包括機械措施?生物措施?農田管理等在內的一係列防治土壤風蝕的措施在實驗室模擬研究和野外應用同步開展起來，此時土壤風蝕定量研究已轉嚮土壤風蝕防治措施研究，即土壤風蝕研究從理論研究嚮應用研究轉變?
(3)第三階段:20世紀60~70年代，土壤風蝕理論的檢驗與完善階段
這一階段從廣度上繼續進行土壤風蝕的研究?
20世紀60年代，計算機的廣泛應用為土壤風蝕研究增加新的手段，數學?物理學?係統科學等的深入滲透使土壤風蝕研究在理論領域得以長足發展?1965年，美國學者Woodruff和Skiddoway基於大量的實驗觀測數據提齣瞭第一個用於估算田間年風蝕量的著名的風蝕模型(WEQ)?該模型包括氣候因子?土壤可蝕性因子?地錶粗糙度參數?地麵裸露區域的長度和植被覆蓋因子共5組11個變量，其中土壤可蝕性與氣候因子是最關鍵的變量?WEQ是美國農業部多年土壤風蝕研究的核心成果，目的在於確定各風蝕因子在土壤風蝕中的作用，進而製定風蝕防治措施?WEQ成為美國官方預報土壤風蝕的正規模型，被編入《農業手冊》和《中西部地區水蝕和風蝕量的計算(藍皮書)》?WEQ風蝕模型中各變量間的關係相當復雜，難以用簡單明確的數學公式錶達?E.L.Skidmore等於1970年用FORTRAN語言設計程序和滑動計算尺求解WEQ的各種函數關係，以方便該模型的使用?土壤風蝕模型的構建是土壤風蝕研究史上最具有裏程碑意義的重要事件，這一風蝕模型的提齣標誌著土壤風蝕研究實現從現狀研究嚮預測研究的重大轉變?這一階段的模型研究基本上是經驗性的，主要考慮的是影響風蝕的關鍵變量?科學傢開始更多地關注風蝕起塵釋放的顆粒粒徑?化學和礦物學特徵及風蝕塵的遠距離輸送問題;20世紀60年代以後，隨著風蝕機理的發展，一些能模擬風蝕物理過程的數學模型逐漸被建立起來?但是，因風蝕問題涉及麵廣，風蝕基本規律中仍然有許多問題不清楚?(4)第四階段:20世紀80年代以來，土壤風蝕研究深化階段這一階段，從深度和廣度上繼續深化土壤風蝕模型和起塵機理研究?
20世紀80年代，隨著人們對於認識土壤風蝕對全球大氣?陸地和海洋影響作用的逐步深入，地理信息係統(GIS)和遙感技術(RS)以及流體力學軟件的發展及其在土壤風蝕研究中的廣泛應用，可移動式風蝕風洞?風蝕測量儀器和方法以及保護性耕作技術設備的日臻完善，土壤風蝕科技工作者在土壤風蝕塵的起?揚?飄?落的實地觀測?衛星遙感觀測?風洞模擬和模型模擬以及流體力學模擬等方麵開展瞭大量理論和實證研究與應用?就起塵模型而言，在一些野外風蝕起塵觀測和室內風洞實驗研究以及風沙物理學理論的支持下，一些學者提齣瞭很多半經驗模型，從而可以在時空變化上考慮風蝕過程，剋服瞭經驗模型的不足?例如，美國農業部專傢組綜閤風蝕科學?數據庫及計算機技術等推進土壤風蝕預報研究，經過修正風蝕方程(RWEQ)的過渡，於20世紀90年代推齣瞭風蝕預報係統(WEPS)，取代曾廣泛使用的WEQ?WEPS具有模擬田間條件和土壤風蝕時空變異的能力，不僅能模擬基本的風蝕過程，還能模擬改變土壤風蝕易感性的過程，同時可以分彆給齣躍移?蠕移和懸浮土壤流失量，這對於研究土壤風蝕對城市環境空氣質量的影響至關重要?WEPS是目前最完整?手段最先進的風蝕預報模型，是進行風蝕定量評價?指導風蝕防治實踐?協助環境規劃與管理的重要技術工具?這一時期，還齣現瞭波查羅夫模型?德剋薩斯侵蝕分析模型(TEAM)?Gillette等的模型?修正風蝕方程(RWEQ)?Shao等(1996)的風蝕評價模型(WEAM)?DPM起塵釋放模型?Dustran模型等?但這些模型多數是針對農田風蝕而建立的，計算復雜，在實際中的可操作性和可利用性較差?這些模型有助於人們認識起塵機製，為治理風蝕和環境評價提供參考依據?90年代以後，又將土壤風蝕模型與地理信息係統集成起來，可更方便預測預報土壤風蝕?美國農業部WEPS模型目前已經更新到1.3.9(2013-10-30)版本，下載網址:https://www.ars.usda.gov/services/software/download.htm?softwareid=415&modecode;=54-30-05-20?該模型已經在國外廣泛應用，尤其是美國正在應用該模型開展全國的土壤風蝕估算?
集沙儀是風蝕研究中重要的風蝕物采集儀器?就集沙儀而言，自20世紀40年代拜格諾研發的第一代集沙儀問世以來，長期以來一直處於探索階段，直到80年代纔開始進入發展黃金期，並嚮市場化方嚮發展?這一時期，典型的集沙儀有兩款:一款是Wilson和Cooke於1980年設計並由Kuntze於1990年進行瞭稍許改進的MWAC集沙儀;另一款是土壤風蝕原理和研究方法及控製技術Fryrear於1986年研發並於1993年改進的BSNE集沙儀?其中，MWAC集沙儀由100mL塑料瓶?玻璃進風管和齣風管3部分構成，該集沙儀結構簡單，進風管可保證時刻正對風嚮，並能單點采集不同高度的塵粒，Goossens和Offer(2000)通過比較6種集沙儀之後發現，MWAC集沙儀的收集效率可達到90%~95%，且受風速影響較小;而Sterk(1993)的研究錶明，MWAC集沙儀的收集效率隻有47%?BSNE集沙儀製作簡單，操作方便，可用於長期野外風沙觀測而無需頻繁維修，既可保證其進沙口正對風嚮，也可單點采集不同高度的風蝕物?目前，國外BSNE集沙儀已較多地用於田間土壤風蝕觀測中，而且市場上銷售的BSNE集沙儀有標準型?改進型和組閤型3種類型?對BSNE集沙儀集沙效率的實驗研究錶明，在10.4~15.7m/s風速下，洗過的沙粒或者粒徑小於250mm的沙粒的集沙效率平均高於89%?
風蝕風洞是土壤風蝕研究中必備的室內外模擬裝置，在風蝕研究中具有舉足輕重的地位，尤其是可移動式風蝕風洞的研發為野外真實地錶土壤風蝕研究創造瞭條件?可移動式風蝕風洞的應用可追溯到20世紀40年代初，Chepil和Milne便開始使用可移動式風蝕風洞研究農田土壤的飄移問題，但設計者和建造者沒有公開或發錶該風洞的設計資料?美國農業部土壤風蝕實驗室對土壤風蝕研究與發展以及風蝕風洞的設計與製作做齣瞭重要貢獻，自1947年，逐步研發瞭室內風沙環境風洞和野外可移動式風蝕風洞?Zingg(1951)設計瞭一座可移動式風蝕風洞，並首次發錶瞭該風洞的設計和結構資料，該風洞目前仍然在使用?Ambrust和Box於1967年在BigSpring風蝕試驗站建造瞭改進型的可移動式風蝕風洞，用於測定種植作物對躍移顆粒磨蝕的敏感度，研究裸露農田作物的抗風蝕作用?Gillette等(1978)

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