2000—2018年河北坝上地区土壤风蚀模数变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00063

摘要/Abstract

摘要：

土壤风蚀是干旱、半干旱地区重要的生态环境问题。河北坝上地区是中国北方典型土壤风蚀区，特殊的地理位置使本区成为京津冀重要的生态屏障。为了更好地阐明坝上地区的土壤风蚀过程，完善该区域的风沙防护体系，基于气象、土壤、遥感和土地利用等数据，利用综合风蚀模拟系统（Integrated wind-erosion modeling system，IWEMS），计算了河北省坝上地区的土壤风蚀模数。结果表明：2000—2018年，坝上地区平均风蚀模数与风蚀风险区所占面积比例总体均呈减小趋势。月平均风蚀模数变化表明，11月至次年5月是主要风蚀季。风蚀程度以轻度和中度侵蚀为主，风蚀灾害主要发生在坝上地区中西部。自2009年以来，康保县和张北县的风蚀模数逐渐降低，丰宁县西部的风蚀模数逐渐增加。通过对土壤风蚀影响因素的数据分析，发现不同土地利用类型的风蚀模数为沙地>耕地>草地>林地，植被盖度和土壤湿度是影响风蚀模数月变化的主要因素，起沙风累计时间与风蚀模数正相关。

关键词: 坝上地区, IWEMS模型, 土壤风蚀模数, 风蚀风险区

Abstract:

Soil wind erosion is one of the major ecological environmental problem in arid and semi-arid areas. Bashang region of Hebei Province is a typical wind erosion area in northern China. Its special geographical location makes it an important ecological barrier in Beijing-Tianjin-Hebei. In order to better understand the process of soil wind erosion in Bashang region and improve the wind and sand protection system in this region， this study calculates the soil wind erosion modulus in Bashang region of Hebei Province using the integrated wind erosion modeling system （IWEMS） based on meteorological， soil， remote sensing data and land use data. The results showed that from 2000 to 2018， the average wind erosion modulus and the proportion of wind erosion risk areas in Baishan region showed a decreasing trend overall. The variation of monthly average wind erosion modulus indicates that the wind erosion mainly occurred from November to May. The degree of wind erosion is mainly mild to moderate， and wind erosion disasters mainly occur in the central and western parts of the Baishan region. Since 2009， the wind erosion modulus in Kangbao County and Zhangbei County has gradually decreased， while the wind erosion modulus in the western part of Fengning County has gradually increased. Through data analysis on the factors affecting soil wind erosion， it was found that the wind erosion modulus of different land use types ranked as follows： sandy land > cultivated land > grassland > forestland. Vegetation cover and soil moisture were the main factors affecting the monthly variation of wind erosion modulus， and cumulative sand-carrying time was positively correlated with wind erosion modulus.

Key words: Bashang region, IWEMS model, wind erosion modulus, wind erosion risk area

中图分类号:

S157

贾文茹, 李庆, 李秀明, 谢宝妮, 王翠. 2000—2018年河北坝上地区土壤风蚀模数变化[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 130-141.

Wenru Jia, Qing Li, Xiuming Li, Baoni Xie, Cui Wang. The spatial and temporal variation of soil wind erosion modulus in the Baishan region of Hebei Province from 2000 to 2018[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(1): 130-141.

图/表 9

图1 研究区位置及气象站点

Fig.1 The study area and meteorological stations

图2 2000—2018年坝上地区风蚀模数的空间分布

Fig.2 Wind erosion modulus in Bashang region from 2000 to 2018

图3 2000—2018年坝上地区年平均风蚀模数和月平均风蚀模数

Fig.3 Annual and monthly variation of average wind erosion modulus in Bashang region from 2000 to 2018

表1 土壤风蚀强度分级表

Table 1 Classification criterions of soil erosion intensities

土壤侵蚀强度	微度侵蚀	轻度侵蚀	中度侵蚀	强烈侵蚀	极强烈侵蚀	剧烈侵蚀
土壤风蚀模数/（t·hm^-2·a^-1）	<2	2~25	25~50	50~80	80~150	>150

表2 不同时段各土壤侵蚀强度所占比例

Table 2 Proportion of soil erosion intensities in different periods

年份	各侵蚀强度所占比例/%						风蚀风险区面积比/%
年份	微度侵蚀	轻度侵蚀	中度侵蚀	强度侵蚀	极强度侵蚀	剧烈侵蚀	风蚀风险区面积比/%
2000	4.39	75.93	19.43	0.22	0.02	0.01	0.25
2001	2.38	31.13	34.40	18.60	13.41	0.08	32.09
2002	3.04	53.6	37.04	6.25	0.08	0.01	6.33
2003	13.18	85.81	1.01	0.01	0.00	0.00	0.01
2004	9.26	89.31	1.40	0.02	0.01	0.00	0.03
2005	25.53	74.37	0.08	0.02	0.01	0.00	0.02
2006	12.26	87.10	0.62	0.01	0.01	0.00	0.02
2007	16.89	81.38	1.71	0.01	0.01	0.00	0.02
2008	43.52	55.83	0.65	0.01	0.00	0.00	0.01
2009	5.38	77.72	15.97	0.89	0.03	0.00	0.92
2010	1.92	74.96	22.36	0.74	0.02	0.00	0.76
2011	4.12	89.66	5.71	0.51	0.01	0.00	0.52
2012	1.25	63.84	21.28	7.61	4.89	1.12	13.63
2013	0.86	83.12	15.32	0.68	0.02	0.00	0.69
2014	17.70	81.99	0.30	0.01	0.00	0.00	0.01
2015	2.00	62.18	21.14	12.78	1.90	0.01	14.68
2016	5.92	78.32	15.63	0.13	0.01	0.00	0.13
2017	15.74	83.73	0.50	0.01	0.01	0.00	0.02
2018	10.07	88.63	1.28	0.01	0.01	0.00	0.02

图4 不同年段不同土地利用类型所占比例及平均风蚀模数

Fig.4 Fractions of land use types and average wind erosion modulus in different periods

图5 2000—2018年坝上地区平均植被盖度空间分布（A）、植被盖度的年际变化（B）、植被盖度的月变化（C）及植被盖度与风蚀模数的关系（D）

Fig.5 The spatial distribution of annual average vegetation coverage （A）， annual variation of vegetation coverage （B）， monthly average vegetation coverage （C） and its correlation with wind erosion modulus （D） in Bashang region from 2000 to 2018

图6 2000—2018年坝上地区平均土壤湿度空间分布（A）、土壤湿度的年际变化（B）、土壤湿度的月变化（C）及土壤湿度与风蚀模数的关系（D）

Fig.6 The spatial distribution of annual average soil moisture （A）， annual variation of soil moisture （B）， monthly average soil moisture （C） and its correlation with wind erosion modulus （D） in Bashang region from 2000 to 2018

图7 起沙风（>5 m·s-1）累计时间变化（A）及其与风蚀模数的关系（B）

Fig.7 Cumulative time variation of wind velocity （>5 m·s-1，A） and its correlation with soil wind erosion modulus （B）

参考文献 48

1	Mirzamostafa N， Hagen L J， Stone L R，et al.Soil aggregate and texture effects on suspension components from wind erosion［J］.Soil Science Society of America Journal，1998，62（5）：1351-1361.
2	Oldeman L R.Global extent of soil degradation［C］//Bi-Annual Report.Wageningen，the Netherlands：International Soil Reference and Information Center，1991：19-36.
3	Goudie A S.Dust storm in space and time［J］.Progress in Physical Geography，1983，7：502-530.
4	Gillette D A， Hanson K J.Spatial and temporal variability of dust production caused by wind erosion in the United States［J］.Journal of Geophysical Research，1989，34：2197-2206.
5	Mayaud J R， Wiggs G F S， Bailey R M.Characterizing turbulent wind flow around dryland vegetation［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2016，41（10）：1421-1436.
6	Callot Y， Marticorena B， Bergametti G.Geomorphologic approach for modelling the surface features of arid environments in a model of dust emissions： application to the Sahara desert［J］.Geodinamica Acta，2000，13（5）：245-270.
7	Prospero J M， Ginoux P， Torres O，et al.Environmental characterization of global sources of atmospheric soil dust identified with Nimbus 7 Total Ozone Mapping Spectrometer （TOMS） absorbing aerosol product［J］.Reviews of Geophysics，2002，40（1）：1-26.
8	Webb N P， McGowan H A， Phinn S R，et al.AUSLEM （AUStralian Land Erodibility Model）：a tool for identifying wind erosion hazard in Australia［J］.Geomorphology，2006，78（3/4）：179-200.
9	国家林业局.中国荒漠化和沙化状况公报［J］.林业工作参考，2015（2）：64-67.
10	Warren S D， Mitasova H， Hohmann M G，et al.Validation of a 3-D enhancement of the Universal Soil Loss Equation for prediction of soil erosion and sediment deposition［J］.Catena，2005，64（2/3）：281-296.
11	Wang X， Oenema O， Hoogmoed W B，et al.Dust storm erosion and its impact on soil carbon and nitrogen losses in northern China［J］.Catena，2006，66（3）：221-227.
12	Mayaud J R， Webb N P.Vegetation in drylands：effects on wind flow and aeolian sediment transport［J］.Land，2017，6（3）：64.
13	Berhe A A， Barnes R T， Six J，et al.Role of soil erosion in biogeochemical cycling of essential elements：carbon，nigrogen，and phosphorus［J］.Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2018，46：521-548.
14	Cheng H， Liu C C， Zou X Y，et al.Wind erosion rate for vegetated soil cover：a prediction model based on surface shear strength［J］.Catena，2020，187：104398.
15	Li H R， Liu C C， Cheng H，et al.A general model for predicting aeolian transport rate over sand surfaces with vegetation cover［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2022，47（10）：2471-2482.
16	Woodruff N P， Siddoway F H.A Wind Erosion Equation1［J］.Soil Science Society of America Journal，1965，29：602-608.
17	Fryrear D W， Saleh A， Bilbro J D，et al.Revised wind Erosion Equation［R］.Lubbock，USA：USDA ARS，1998.
18	Hagen L J.A wind erosion prediction system to meet user needs［J］.Journal of Soil & Water Conservation，1991，46（2）：106-111.
19	高尚玉，张春来，邹学勇，等.京津风沙源治理工程效益［M］.北京：科学出版社，2008.
20	Shao Y P， Raupach M R， Leys J F，et al.A model for predicting aeolian sand drift and dust entrainment on scales from paddock to region［J］.Soil Research，1996，34（3）：309-342.
21	Shao Y P.Physics and Modeling of Wind Erosion［M］.Dordrecht.Netherlands： Kluwer Academic Publishers，2008.
22	吴正.风沙地貌学［M］.北京：科学出版社： 2003.
23	Lu H， Shao Y.Toward quantitative prediction of dust storms： an integrated wind erosion modelling system and its applications［J］.Environmental Modelling & Software，2001，16（3）：233-249.
24	Shao Y.Simplification of a dust emission scheme and comparison with data［J］.Journal of Geophysical Research，2004，109（D10）：202.
25	Shao Y， Fink A H， Klose M.Numerical simulation of a continental-scale Saharan dust event［J］.Journal of Geophysical Research，2010，115（D13）：205.
26	Shao Y， Ishizuka M， Mikami M，et al.Parameterization of size-resolved dust emission and validation with measurements［J］.Journal of Geophysical Research，2011，116（D08）：203.
27	杜鹤强，薛娴，王涛，等.1986-2013年黄河宁蒙河段风蚀模数与风沙入河量估算［J］.农业工程学报，2015，31（10）：142-151.
28	Du H Q， Wang T， Xue X，et al.Modelling of sand/dust emission in Northern China from 2001 to 2014［J］.Geoderma，2018，330：162-176.
29	吴冰，刘东伟，刘华民，等.蒙古高原风蚀颗粒物空间过程数值模拟及预报［J］.干旱区地理，2018，41（2）：334-341.
30	Zhang X， Fu B， Lu Y.Assessing the effectiveness of key vegetation restoration projects in reducing wind erosion in China's Loess Plateau［J］.Ecological Engineering，2010，36（3）：270-279.
31	王仁德，常春平，郭中领，等.适用于河北坝上地区的农田风蚀经验模型［J］.中国沙漠，2017，37（6）：1071-1078.
32	Guo Z L， Chang C P， Wang R D，et al.Comparison of different methods to determine wind erodible fraction of soil with rock fragments under different tillage/management［J］.Soil & Tillage Research，2017，168：42-49.
33	Tian X， Yang M N， Guo Z L，et al.Plastic mulch film induced soil microplastic enrichment and its impact on wind-blown sand and dust［J］.Science of the Total Environment，2022，813：152490.
34	中华人民共和国水利部.土壤侵蚀分类分级标准［R］.北京：中国水利水电出版社，2007.
35	王旭洋，郭中领，常春平，等.中国北方农牧交错带土壤风蚀时空分布［J］.中国沙漠，2020，40（1）：12-22.
36	张雄一，邵全琴，宁佳，等.三北工程区植被恢复对土壤风蚀的影响及植被恢复潜力研究［J］.地球信息科学学报，2022，24（11）：2153-2170.
37	Wolfe S A， Nickling W G.The protective role of sparse vegetation in wind erosion［J］.Progress in Physical Geography，1993，17：50-50.
38	Okin G S.A new model of wind erosion in the presence of vegetation［J］.Journal of Geophysical Research：Earth Surface，2008，113（F2）：1-11.
39	Leenders J K， Sterk G， Boxel J H V.Modeling windblown sediment transport around single vegetation elements［J］.Earth Surface Processes & Landforms，2011，36（9）：1218-1229.
40	Dupont S， Bergametti G， Simoëns S.Modeling aeolian erosion in presence of vegetation［J］.Procedia Iutam，2015，17（2）：91-100.
41	董治宝，陈渭南，李振山，等.植被对土壤风蚀影响作用的实验研究［J］.水土保持学报，1996，2（2）：1-8.
42	张春来，邹学勇，董光荣，等.植被对土壤风蚀影响的风洞实验研究［J］.水土保持学报，2003，17（3）：31-33.
43	巩国丽，刘纪远，邵全琴.基于RWEQ的20世纪90年代以来内蒙古锡林郭勒盟土壤风蚀研究［J］.地理科学进展，2014，33（6）：825-834.
44	黄梦真，鲁瑞洁，赵瑾，等.柴达木盆地典型风蚀区土壤质量评价［J］.中国沙漠，2023，43（3）：199-209.
45	Chepil W S.Influence of moisture on erodibility of soil by wind［J］.Soil Science Society of America Journal，1956，20（2）：288.
46	曲书锋，张国明，董苗，等.阿尔金山国家级自然保护区东北部风况及输沙势特征［J］.中国沙漠，2023，43（2）：114-120.
47	邹学勇，张春来，程宏，等.土壤风蚀模型中的影响因子分类与表达［J］.地球科学进展，2014，29（8）：875-889.
48	Jia W R， Zhang C L， Zou X Y，et al.Effects of ridge height and spacing on near-surface airflow field and wind erosion of a sandy soil：results of a wind tunnel study［J］.Soil & Tillage Research，2019，186：94-104.

[1]	刘珺, 郭中领, 常春平, 王仁德, 李继峰, 李庆, 王旭洋. 基于RWEQ和WEPS模型的中国北方农牧交错带潜在风蚀模拟[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 27-37.
[2]	邢春燕, 郭中领, 常春平, 王仁德, 张志栋. RWEQ模型在河北坝上地区的适用性[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1180-1192.
[3]	刘晓英, 周鹏, 张泽秀, 杨斌, 沈斌. 河北省坝上地区1971-2010年沙尘暴日数变化特征及与气象因素关系[J]. 中国沙漠, 2014, 34(4): 1109-1114.