1 引言
侵蝕導(dǎo)致土地退化，引發(fā)和加劇災(zāi)害，并引發(fā)一系列環(huán)境問題，研究并治理是保護(hù)土地資源的需要，也是經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的基本保障。據(jù)最新的全國水土流失面積普查結(jié)果，目前我國水土流失面積已達(dá)356萬km2（水蝕面積165km2，風(fēng)蝕面積191km2），其中“水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)”面積為26萬km2，成為當(dāng)前土壤侵蝕防治和荒漠化治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。
長期以來，風(fēng)蝕和水蝕研究相互獨(dú)立，相關(guān)研究主要集中在水蝕的可蝕性和風(fēng)蝕的風(fēng)蝕度上，對風(fēng)水復(fù)合侵蝕的研究很少。而風(fēng)水復(fù)合侵蝕作用下土壤的可蝕性是認(rèn)識風(fēng)水復(fù)合侵蝕機(jī)理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，定量化研究風(fēng)水復(fù)合侵蝕條件下的土壤可蝕性及其過程和機(jī)理，建立基于模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的侵蝕模型以及完善基于野外實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)的擬合過程將成為今后的重要研究方向。
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
AZ-WS101風(fēng)水復(fù)合侵蝕觀測系統(tǒng)著重于從風(fēng)水復(fù)合侵蝕的外營力、影響因素和結(jié)果等角度統(tǒng)一考慮，通過風(fēng)速和風(fēng)蝕量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、降雨-徑流-土壤侵蝕過程中不同時(shí)空點(diǎn)處降雨等級、徑流流量和流速、泥沙含量的實(shí)時(shí)獲取以及風(fēng)蝕、水蝕后地貌特征變化的精確測量，研究和評價(jià)地表風(fēng)水侵蝕的狀況及其影響因素。主要用于研究草地、農(nóng)田、坡地、流域以及荒漠等生態(tài)系統(tǒng)類型的風(fēng)蝕、水蝕和風(fēng)水蝕復(fù)合侵蝕作用機(jī)理、過程及其發(fā)展規(guī)律，為風(fēng)蝕、水蝕模擬-預(yù)報(bào)模型的建立與檢驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)支撐，為水土保持和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
2.2 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)
AZ-WS101風(fēng)水復(fù)合侵蝕觀測系統(tǒng)由外營力、侵蝕結(jié)果、影響因子等觀測單元組成。
技術(shù)指標(biāo)：
侵蝕外營力：
l降雨范圍：降雨粒徑0.16～8 mm，粒子速度0.2～20 m/s， 最小測量強(qiáng)度0.005 mm/h 毛毛雨，最大測量強(qiáng)度250 mm/h，雨中能見度：MOR 0 –99.999m，粒子等級440種（22種直徑x 20種速度）；
l徑流測量范圍：堰：高30.5cm，寬58cm，長41.2cm，0.02～55 l/s
l風(fēng)蝕沉淀物測量范圍0-1200g，精度0.1g；自動風(fēng)向控制和自動沉淀物收集器；RAM內(nèi)存容量；5min時(shí)間間隔，可連續(xù)監(jiān)測80天。
l水蝕流量：測量分別為1升和3升；侵蝕樣品收集裝置：24個(gè)樣品瓶，體積1L；數(shù)據(jù)采集器可以控制采樣瓶的采樣階段與采樣順位等。
l降雨模擬器：2-6個(gè)降水噴頭可選，2.5m安裝高度可實(shí)現(xiàn)有效降雨面積1.5×4.5m，標(biāo)準(zhǔn)降水調(diào)節(jié)強(qiáng)度10mm/h～100mm/h
侵蝕結(jié)果：
l微地貌：最長測量時(shí)間2.5小時(shí)（面積1m2，步長5mm時(shí)）；
l激光測距器分辨率±1mm，X、Y、Z軸分辨率±2mm；
l不受被測物顏色和空氣溫度的影響；
l可在海拔0-3000m測量；
l數(shù)據(jù)以txt格式保存，易于做出三維圖形；
l侵蝕粒徑和粒形：0.1–600μm，或20–3600μm，2-150 μm，10-600μm，20 -3600μm
侵蝕影響因子：
l “馬里奧特”供水系統(tǒng)：容積5升
l小滲透室：直徑16厘米；大滲透室：直徑24厘米
lU型管壓力計(jì)：+25厘米... 0 ... -25厘米
lUGT數(shù)據(jù)采集器：2000個(gè)測量值
l測量間隔：1秒
l采樣率：0-100秒（可自由選擇）
l通訊方式：RS232
l數(shù)據(jù)采集器：LCD屏幕
3 觀測內(nèi)容
3.1 風(fēng)水復(fù)合侵蝕外營力觀測
激光雨滴譜儀通過測量雨滴的動能、大小、降雨等級和降雨量觀測濺蝕過程；地表徑流測量單元通過實(shí)時(shí)測量流域的徑流速度和徑流量，判斷面蝕的外營力大小；水蝕測量單元實(shí)時(shí)、自動記錄侵蝕區(qū)的徑流量并自動采集懸移質(zhì)泥沙樣品；風(fēng)蝕系統(tǒng)實(shí)時(shí)、測量和記錄風(fēng)速及沙通量。
3.2 風(fēng)水復(fù)合侵蝕結(jié)果觀測
3D激光地貌分析儀可測量自然條件下風(fēng)蝕、水蝕和降雨模擬器模擬試驗(yàn)條件下水蝕后的地貌，其結(jié)果即可作為侵蝕結(jié)果，也可作為遙感影像判讀的地面樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。Eyetech土壤粒子特性分析單元可測量徑流泥沙樣品和風(fēng)蝕積沙樣品的粒徑和粒形，用于判斷水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕過程中泥沙、風(fēng)沙的來源，為分析侵蝕影響因素提供依據(jù)。此外，水蝕和地表徑流測量單元出口設(shè)置集水池，長期布設(shè)SEBA MDS 5 水質(zhì)自動監(jiān)測單元，長期連續(xù)監(jiān)測土壤表層營養(yǎng)元素和污染物水平及其消長動態(tài)，實(shí)現(xiàn)污染物遷移過程對土壤-植物-水連續(xù)體的影響或者施肥過程對農(nóng)田土壤健康狀況影響等研究。
4 應(yīng)用案例
4.1 風(fēng)蝕和水蝕測量單元用于海拉爾地區(qū)研究草原退化
呼倫貝爾草原是我國現(xiàn)今保存最為完好的草原之一，近年來，由于各種經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使和自然條件的退化，目前該地區(qū)草原退化現(xiàn)象嚴(yán)重，部分地區(qū)甚至有沙漠化的危險(xiǎn)。諸種導(dǎo)致草原生態(tài)系統(tǒng)退化的原因中，風(fēng)蝕和水蝕的作用占據(jù)了主導(dǎo)地位。因此，對于風(fēng)蝕和水蝕作用對草原退化的影響的研究成為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)退化與修復(fù)研究的重要課題。
中國環(huán)科院區(qū)域生態(tài)所將風(fēng)蝕和水蝕測量單元安裝于侵蝕區(qū)域，監(jiān)測草原退化的風(fēng)水外營力。