WEPS模型在烏蘭布和沙漠油莎豆（Cyperus esculentus）種植區(qū)的應(yīng)用

廖貴云， 吳秀芹， 譚 錦， 李 丹， 馮夢(mèng)馨

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

風(fēng)蝕是氣流（風(fēng)力）作用下土壤圈或巖石圈的破損，其過(guò)程是風(fēng)力作用引起的地表物質(zhì)脫離地表、搬運(yùn)和再堆積過(guò)程的統(tǒng)一［1］，是沙質(zhì)荒漠化的主要成因，也是干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)的主要環(huán)境問(wèn)題之一［2］。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)蝕及風(fēng)蝕引起的環(huán)境變化，對(duì)于土壤保持規(guī)劃、指導(dǎo)與檢驗(yàn)各種土壤風(fēng)蝕防治措施、減輕風(fēng)蝕引起的空氣污染、維護(hù)風(fēng)蝕土地的可持續(xù)利用等十分必要［3］。目前，土壤風(fēng)蝕估算主要有野外直接觀測(cè)［4］、風(fēng)洞模擬試驗(yàn)［5-6］、同位素分析法［7］、粒度對(duì)比法［8］和風(fēng)蝕模型模擬［9-10］等方法。通常認(rèn)為，一個(gè)成功的土壤風(fēng)蝕模型能夠預(yù)測(cè)不同尺度和不同地表類型的風(fēng)蝕情況，是估算風(fēng)蝕量最科學(xué)、最合理的方法［11］。

20世紀(jì)30年代末期，現(xiàn)代流體力學(xué)的創(chuàng)立使風(fēng)蝕的定量化研究成為可能；隨后幾十年，許多國(guó)家相繼建立起適用于不同尺度的定量模型來(lái)估算風(fēng)蝕強(qiáng)度［12］。小尺度模型適用于面積分布在100～1000 m2的區(qū)域，具有代表性的有風(fēng)蝕方程（WEQ）、修正風(fēng)蝕方程（RWEQ）、風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)（WEPS）、德克薩斯風(fēng)蝕分析模型（TEAM）、風(fēng)蝕隨機(jī)仿真模型（WESS）等［13］；中等尺度模型適用面積最大可達(dá)10000 km2，如歐洲輕質(zhì)土壤風(fēng)蝕模型（WEELS）、風(fēng)蝕評(píng)價(jià)模型（WEAM）、綜合風(fēng)蝕模型系統(tǒng)（IWEMS）；大尺度模型適用于面積在10000 km2以上區(qū)域，目前最重要的大尺度模型為粉塵釋放模型（DPM）［14］。其中，WEPS 模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部組織開發(fā)，是目前最完整和最先進(jìn)的土壤風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型，它適用范圍廣，不僅針對(duì)農(nóng)田區(qū)域還兼顧草原地區(qū)的風(fēng)蝕預(yù)測(cè)［12］。想要大范圍的運(yùn)用WEPS 模型，還需要擁有適合國(guó)家級(jí)的WEPS數(shù)據(jù)庫(kù)［15］。美國(guó)農(nóng)業(yè)部于2016 年將WEPS 軟件更新到WEPS_1.5 版本，建立起相對(duì)完備的WEPS 數(shù)據(jù)庫(kù)，使WEPS 模型得到廣泛運(yùn)用并成為農(nóng)田風(fēng)蝕的主要評(píng)價(jià)工具。陳莉等［16］在2012 年首次使用WEPS 模型對(duì)天津郊區(qū)土壤風(fēng)蝕起塵量及遷移量進(jìn)行估算，探明了郊區(qū)起塵遷移情況對(duì)市區(qū)的影響；王燕等［17］在民勤荒漠地區(qū)運(yùn)用WEPS 模型對(duì)風(fēng)蝕量進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)模型在模擬無(wú)植被覆蓋區(qū)域時(shí)與實(shí)測(cè)值比較接近。劉珺等［18］運(yùn)用RWEQ模型和WEPS模型對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶潛在風(fēng)蝕進(jìn)行評(píng)估，得到WEPS 模型模擬效果要優(yōu)于RWEQ 模型。Liu 等［19］運(yùn)用WEPS 模型對(duì)中國(guó)新疆南部風(fēng)蝕源PM10和PM2.5排放量進(jìn)行模擬，其準(zhǔn)確性較高。

油莎豆（Cyperus esculentus）原產(chǎn)地為非洲干旱沙漠區(qū)，根系發(fā)達(dá)，分蘗能力強(qiáng)，具有抗逆性強(qiáng)、耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)異特性；除此之外，還具有防風(fēng)固沙及地力培育等生態(tài)修復(fù)功能。通過(guò)科學(xué)種植油莎豆及合理構(gòu)建油莎豆防風(fēng)固沙采收模式，能有效遏制北方風(fēng)沙區(qū)土壤自然侵蝕和表層沙土流動(dòng)，為解決我國(guó)北方沙漠化土地風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重、水資源短缺、鹽漬化加劇等問(wèn)題提供可能［20］。有效的風(fēng)蝕估算是構(gòu)建油莎豆科學(xué)種植模式的前提，但傳統(tǒng)風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)手段，因工作量大、監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)和監(jiān)測(cè)范圍有限等特點(diǎn)，加大了風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)工作的難度。研究WEPS模型在內(nèi)蒙古油莎豆種植區(qū)的運(yùn)用效果不僅為該區(qū)域提供一種高效的風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)方法，也將為我國(guó)運(yùn)用風(fēng)蝕模型在小尺度區(qū)域進(jìn)行風(fēng)蝕預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣（圖1），地處烏蘭布和沙漠東緣，土地面積4167 km2，沙漠面積2847 km2。海拔在1030～2046 m, 除北部狼山山脈外，地勢(shì)整體由東南向西北降低，地貌以沙漠、平原和山地為主；研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量145 mm，年平均蒸發(fā)量2398 mm，水熱時(shí)空分布不均，年際變化較大。土壤質(zhì)地較輕，土壤類型包括風(fēng)沙土、灌淤土、灰漠土、草甸土和棕鈣土等，其中以流動(dòng)風(fēng)沙土為主。區(qū)內(nèi)植被稀疏，喬木樹種有河柳（Salix chaenomeloides）、胡楊（Populus euphratica）、榆樹（Ulmus pumila）和梭梭（Haloxylon ammodendron）、等；草本與灌木植物有白刺（Nitraria tangutorum）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、多枝怪柳（Tamarix ramosissima）、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、細(xì)枝巖黃耆（Corethrodendron scoparium）和沙棘（Hippophae rhamnoides）等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Sketch map of study area location

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在烏蘭布和沙漠油莎豆種植示范區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)油莎豆純作地塊及1個(gè)油莎豆和梭梭間作地塊開展研究，4 個(gè)地塊相鄰且獨(dú)立，大小均為80 m×140 m，地塊內(nèi)油莎豆種植方式為帶狀種植，每壟2 行油莎豆，純作種植方向?yàn)闁|—西走向，間作呈南—北走向。將1個(gè)純作地塊內(nèi)的油莎豆進(jìn)行全部采收以作對(duì)照（全采收，CK），其余地塊均在中部建立了不同采收方式的試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)內(nèi)的采收類型分別為：留4壟采6壟（留4采6）、留6壟采6壟（留6采6）和1壟油莎豆搭配1 行梭梭間作未采收（間作留茬）3 種采收模式，大小分別為34 m×40 m、39 m×40 m、20 m×40 m。并于2020年11月15日和12月26日，對(duì)4種采收模式（圖2）地表分別進(jìn)行了2次風(fēng)蝕觀測(cè)，各模式內(nèi)呈階梯式分別均勻布設(shè)3 個(gè)集沙儀（集沙口大小為1 cm×3 cm 矩形口、共16 個(gè)梯度）和HO-BO多剖面自計(jì)式風(fēng)速儀（監(jiān)測(cè)距地面高度0.5 m、1 m、1.4 m 處風(fēng)速）；每個(gè)模式內(nèi)選取4 個(gè)1 m×1 m 樣方，測(cè)定植被直立株高、葉面積指數(shù)、帶寬、帶間距、植株密度，并在樣方內(nèi)采用五點(diǎn)交叉法進(jìn)行土壤取樣，分別采用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定0～15 cm 土層土壤容重及土壤含水率。在下午13:30—14:00在研究區(qū)上空用無(wú)人機(jī)拍攝光學(xué)正射影像，拍攝高度10 m,焦距為9 mm，最大光圈2.97，圖像空間分辨率為7 mm；利用Agisoft PhotoScan 軟件進(jìn)行影像拼接處理，在ENVI5.3 中采用顏色混合分析法（CMA）［21］獲取植被蓋度。WEPS模型中結(jié)皮面積比表示為除植被外的地表可見覆蓋物使地表不起沙面積比，研究中將覆蓋在各小區(qū)地表的可見滴灌帶面積測(cè)算為結(jié)皮面積，通過(guò)在ENVI5.3 中對(duì)無(wú)人機(jī)影像采用支持向量機(jī)法進(jìn)行監(jiān)督分類計(jì)算得到。2次風(fēng)蝕事件中，不同采收模式風(fēng)速情況及地表特征參數(shù)分別見表1和表2。

表1 不同采收模式2次風(fēng)速監(jiān)測(cè)Tab.1 Twice wind speed monitoring under different harvesting modes

表2 不同采收模式地表特征Tab.2 Soil surface characteristics of different harvesting modes

圖2 采收模式布局及試驗(yàn)布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of harvesting mode and instrument layout

2.2 WEPS模型

風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Wind Erosion Prediction System，WEPS）為模塊化結(jié)構(gòu)，由1 個(gè)用戶界面、1 個(gè)管理程序、7 個(gè)子模型和4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，是基于過(guò)程的每日時(shí)間步長(zhǎng)模型，不僅可以模擬基本的風(fēng)蝕過(guò)程，還可以模擬改變土壤對(duì)風(fēng)蝕敏感性的田間管理和風(fēng)化過(guò)程。目前，WEPS_1.5 版本無(wú)中國(guó)土壤、作物和耕作管理方式等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件，不能在軟件中直接選擇參數(shù)模擬風(fēng)蝕過(guò)程。本文采用WEPS模型中的風(fēng)蝕子模型對(duì)日風(fēng)蝕量進(jìn)行計(jì)算，首先確定閾值摩阻風(fēng)速（模型中最小值設(shè)為0.35 m·s-1），當(dāng)風(fēng)速超過(guò)閾值時(shí)，計(jì)算代表該地表的一系列單個(gè)網(wǎng)格單元的土壤風(fēng)蝕量［22］。

風(fēng)蝕量預(yù)測(cè)公式：

式中：Qm為單寬輸沙量（kg·m-1）；U*為摩阻風(fēng)速（m·s-1）;U*ts為臨界摩阻風(fēng)速（m·s-1）。

摩阻風(fēng)速U*的計(jì)算：

（1）計(jì)算氣象站摩阻風(fēng)速U*f

式中：U為高度為Z時(shí)的實(shí)測(cè)風(fēng)速，為10 m高度風(fēng)速（m·s-1）；Z0f為氣象站空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，在WEPS中取25 mm。

（2）計(jì)算觀測(cè)地點(diǎn)摩阻風(fēng)速

①計(jì)算無(wú)植被覆蓋時(shí)，摩阻風(fēng)速

式中：Z0為當(dāng)?shù)乜諝鈩?dòng)力學(xué)粗糙度，在本文分別對(duì)應(yīng)4種采收模式近地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。

②計(jì)算有植被覆蓋時(shí)，摩阻風(fēng)速

當(dāng)?shù)乇碛兄绷⒅脖粫r(shí)，需考慮直立植被對(duì)摩阻風(fēng)速的削弱作用，通過(guò)判斷有效植被拖曳系數(shù)的大小選擇合理的公式進(jìn)行計(jì)算。

（a）有效植被拖曳系數(shù)

式中：BRcd為有效生物量拖曳力系數(shù)；BRlai為直立植被葉面積指數(shù)（m2·m-2）；BRsai為莖面積指數(shù)（m2·m-2），表示莖面積與水平地表面積的比值，油莎豆是草本植物［23］，在此忽略不計(jì)。

（b）植被冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

根據(jù)有效植被拖曳系數(shù)是否大于0.1，判斷直立植被冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算公式如下。

式中：Z0v為直立植被冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度（m）；BZ為直立植被高度(m)。

（c）植被冠層上部摩阻風(fēng)速

（d）植被冠層下部摩阻風(fēng)速

臨界摩阻風(fēng)速U*ts的計(jì)算：

（1）光滑平坦地表摩阻風(fēng)速

式中：SFcv為地表覆蓋土塊/結(jié)皮或石塊的面積百分比。

（2）地表有倒放植物引起的臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速增加量

式中：SCcv為倒放植被引起的臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速的增量系數(shù)；BFcv為倒放植被覆蓋率；UC*ts為倒放植被引起的臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速增量（m·s-1）。

（3）含水率引起的臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速增加量

式中：H0wc為地表含水率（kg·kg-1）；HR15wc為1.5 MPa地表含水率（kg·kg-1）。

（4）總臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速

WEPS 中臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速的最小值設(shè)為0.35 m·s-1。因此，可根據(jù)計(jì)算所得摩阻風(fēng)速與總臨界起動(dòng)摩阻風(fēng)速的關(guān)系，采用式（1）計(jì)算單寬輸沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)風(fēng)蝕結(jié)果

3.1.1 輸沙量隨高度分布規(guī)律 從2次風(fēng)蝕事件的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征（圖3）來(lái)看，隨著油莎豆留茬數(shù)量的增加，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征由曲折狀逐漸變?yōu)椤?”字形。第1次風(fēng)蝕事件中，在0～0.21 m輸沙高度內(nèi)，全采收模式地表不同高度的輸沙量均高于其他3種留茬模式；但在0.21～0.39 m內(nèi)，4種模式地表不同高度的輸沙量差異較小，且隨高度增加，各層輸沙量趨近于0（圖3a）。與全采收模式相比，3種留茬模式均能有效降低0.21 m以下的地表輸沙量，表現(xiàn)出較好的固沙效果。第2次風(fēng)蝕事件的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征與第1 次相似，但3 種留茬模式的輸沙高度由0.21 m降低至0.15 m 以下（圖3b）。結(jié)合2 次風(fēng)蝕事件來(lái)看，隨著留茬數(shù)量的增加，不同高度處的輸沙量呈現(xiàn)：全采收＞留4采6＞留6采6＞間作留茬的趨勢(shì)（圖3）。結(jié)果表明，間作留茬模式的固沙能力最強(qiáng)，增加留茬數(shù)量可以提高固沙能力。

圖3 不同采收模式輸沙量隨高度分布特征Fig.3 Sediment discharge distribution rules with height under different harvesting modes

從不同高度與輸沙量的最優(yōu)擬合關(guān)系來(lái)看（表3），在2 次風(fēng)蝕事件中，全采收、留4 采6 和留6 采6模式地表的輸沙量隨高度分布均呈指數(shù)關(guān)系，且全采收模式的擬合度最高，其次為留4采6模式，最后為留6 采6 模式；間作留茬模式呈對(duì)數(shù)規(guī)律，第2 次風(fēng)蝕事件的擬合度比第1 次低。表明在留茬區(qū)域，輸沙量隨高度呈指數(shù)分布，但隨著留茬數(shù)量的增加，擬合度逐漸降低，并向?qū)?shù)函數(shù)方向變化。

表3 不同采收模式輸沙量與高度的擬合關(guān)系Tab.3 Fitting relationship between sediment transport and height in different harvesting modes

3.1.2 不同采收模式單寬輸沙量 單寬輸沙量為某一時(shí)段內(nèi)通過(guò)單位寬度的總輸沙量，可以表征風(fēng)蝕強(qiáng)度，該值越大，地表所受風(fēng)蝕作用越強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算1 d 內(nèi)4 種不同采收模式0～0.39 m 高度范圍內(nèi)的輸沙總量得到，計(jì)算公式為：

式中：QS為單寬輸沙量（g·cm-1·d-1）；Qm為第m個(gè)梯度輸沙量（g·cm-1·d-1）。

經(jīng)式（12）計(jì)算得到4種不同采收模式下地表單寬輸沙量（表4）。在2次風(fēng)蝕事件中，不同采收模式間的地表單寬輸沙量有顯著差異，全采收模式單寬輸沙量最大，間作留茬模式單寬輸沙量最??；在第1次風(fēng)蝕事件中，與全采收模式相比，留4采6、留6采6 和間作留茬模式分別減少了74.61%、84.50%和98.76%的單寬輸沙量；第2次風(fēng)蝕事件中，留4采6、留6 采6 和間作留茬分別減少了69.64%、84.86%和96.57%，與第1次風(fēng)蝕事件相比，間作留茬和留4采6的固沙能力輕微減弱。

表4 不同采收模式下地表單寬輸沙量Tab.4 Unit-width sediment discharge of different harvesting modes /(g·cm-1·d-1)

3.2 WEPS模型預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2.1 模型輸入預(yù)測(cè)參數(shù) 2 次風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)均在油莎豆枯萎期，無(wú)灌溉，天氣晴朗，氣溫較高，研究在使用WEPS 模型時(shí)，忽略土壤水分的影響。根據(jù)3 個(gè)風(fēng)速梯度數(shù)據(jù)，用對(duì)數(shù)廓線法計(jì)算不同采收模式地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。10 m 高度處的風(fēng)速通過(guò)全采收模式地表觀測(cè)到的風(fēng)速值擬合風(fēng)速廓線得到，因4種模式處于同一研究區(qū)，10 m高度處的風(fēng)速幾乎不受地表植被的影響，故取值一致。模型中輸入不同采收模式地表的風(fēng)蝕預(yù)測(cè)參數(shù)見表5。

表5 模型中輸入?yún)?shù)Tab.5 Parameters about soil surface used in WEPS

3.2.2 模型風(fēng)蝕預(yù)測(cè) 通過(guò)將各采收模式地表所測(cè)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、葉面積指數(shù)、植被高度等指標(biāo)帶入式（1）～式（11），計(jì)算得到2 次風(fēng)蝕事件中，4種采收模式的摩阻風(fēng)速、有效植被拖拽系數(shù)和植被冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度等預(yù)測(cè)參數(shù)（表6）。

表6 模型參數(shù)輸出結(jié)果Tab.6 Parameters calculated with WEPS

模型中的摩阻風(fēng)速是指上層風(fēng)速經(jīng)過(guò)植被及其障礙物削弱后作用于地表的風(fēng)速，能直觀反映植被及其障礙物在垂直方向上對(duì)風(fēng)速的削弱能力，其值越小表示植被及障礙物對(duì)風(fēng)速的削弱能力越強(qiáng)。模型計(jì)算各采收模式下摩阻風(fēng)速大小表現(xiàn)為：間作留茬＞留4采6＞留6采6＞全采收，其中間作留茬模式摩阻風(fēng)速最大，主要是因?yàn)橛蜕?梭梭間作留茬模式的植被結(jié)構(gòu)較均勻，疏透性好，穿過(guò)冠層內(nèi)部的氣流較多所導(dǎo)致。在3 種植被覆蓋模式中，間作留茬有效植被拖拽系數(shù)和植被冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度最大，留6采6最小。

WEPS模型預(yù)測(cè)的臨界摩阻風(fēng)速是地表沙粒開始移動(dòng)的風(fēng)速閾值。在2 次風(fēng)蝕預(yù)測(cè)中，臨界摩阻風(fēng)速大小均為：間作留茬＞留6 采6＞留4 采6＞全采收。綜合分析模型各項(xiàng)風(fēng)蝕預(yù)測(cè)參數(shù)得到，3 種留茬模式均有一定的防風(fēng)作用，其中，間作留茬模式防風(fēng)效果最優(yōu)，留4采6防風(fēng)效果最差。

3.3 實(shí)測(cè)單寬輸沙量與模型預(yù)測(cè)值

從4 種采收模式地表單寬輸沙量的預(yù)測(cè)情況（圖4）可以看出，不同采收模式的單寬輸沙量實(shí)測(cè)值與模型值差異較大；其中間作留茬模式地表差異最大，模型預(yù)測(cè)結(jié)果最大為實(shí)測(cè)值的10.16倍，最小為實(shí)測(cè)值的0.58 倍。就模型預(yù)測(cè)效果而言，第1 次風(fēng)蝕事件中，模型對(duì)全采收模式地表預(yù)測(cè)最優(yōu)；在第2 次風(fēng)蝕事件中，模型低估了全采收模式地表的單寬輸沙量，對(duì)留4 采6 模式地表預(yù)測(cè)最優(yōu)；但2 次風(fēng)蝕事件中，模型對(duì)間作留茬模式地表預(yù)測(cè)均為最差，說(shuō)明WEPS 模型不適用于植被覆蓋度較高的地表風(fēng)蝕預(yù)測(cè)。雖然，預(yù)測(cè)效果在2 次風(fēng)蝕事件中有輕微差異，但模型預(yù)測(cè)地表單寬輸沙量結(jié)果與實(shí)測(cè)基本同步變化，均呈現(xiàn)全采收＞留4采6＞留6采6＞間作留茬的趨勢(shì)。分析實(shí)測(cè)值與模型值的擬合關(guān)系（圖5），采用決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）對(duì)模型精度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從圖5 中可以看出，模型值隨實(shí)測(cè)值的增加呈冪函數(shù)增加，2 次風(fēng)蝕事件R2在0.91 以上，模型對(duì)第1 次風(fēng)蝕事件預(yù)測(cè)的均方根誤差高于第2次風(fēng)蝕事件。表明WEPS模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較高的相關(guān)性，模型對(duì)第2 次風(fēng)蝕事件的預(yù)測(cè)精度高于第1次。

圖4 單寬輸沙量模型值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of model and measured results of unit-width sediment discharge

圖5 單寬輸沙量模型值與實(shí)測(cè)值函數(shù)關(guān)系Fig.5 Functional relationship between model and measured value of unit-width sediment discharge

4 討論

根據(jù)烏蘭布和沙漠油莎豆種植區(qū)4種不同采收模式地表實(shí)際發(fā)生的風(fēng)蝕過(guò)程，對(duì)WEPS 風(fēng)蝕模型預(yù)測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證。單寬輸沙量的模型值與實(shí)測(cè)值存在一致性，這種一致性是非線性的，與學(xué)者們?cè)诘聡?guó)和美國(guó)運(yùn)用風(fēng)蝕預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕量模擬研究結(jié)論基本一致［24-25］。模型不僅能夠有效預(yù)測(cè)土壤質(zhì)地較為復(fù)雜的農(nóng)田地表風(fēng)蝕量變化趨勢(shì)，而且對(duì)以沙粒為主的油莎豆種植區(qū)地表也同樣具有較好的模擬效果。同時(shí)，模型預(yù)測(cè)的單寬風(fēng)蝕量隨地表植被蓋度的增加而降低，與學(xué)者們利用WEPS模型模擬不同情景地表下風(fēng)蝕量的研究相吻合［26］，模型能夠較為真實(shí)地反映油莎豆種植區(qū)風(fēng)力對(duì)不同植被蓋度下地表物質(zhì)的侵蝕機(jī)制，也能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)烏蘭布和沙漠油莎豆種植區(qū)不同采收方式地表的固沙能力。

從模型對(duì)地表風(fēng)蝕量預(yù)測(cè)精度來(lái)看，模型預(yù)測(cè)質(zhì)量具有不確定性。首先，在同1次風(fēng)蝕事件中，模型預(yù)測(cè)的單寬輸沙量與實(shí)測(cè)結(jié)果具有明顯差異；其次，在2次風(fēng)蝕事件中，模型預(yù)測(cè)不同采收模式地表風(fēng)蝕量的精度差異較大。一方面可能是對(duì)風(fēng)蝕事件的觀測(cè)次數(shù)不足，以及在同1 次風(fēng)蝕事件中對(duì)不同采收模式地表的風(fēng)蝕觀測(cè)重復(fù)較少，從而引起實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定導(dǎo)致；另一方面，由于陣風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)頻的不穩(wěn)定性影響實(shí)際獲取的風(fēng)蝕量與真實(shí)情況不符［27］，所產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)誤差導(dǎo)致；且WEPS建模實(shí)施每小時(shí)步長(zhǎng)，并未考慮陣風(fēng)的侵蝕效應(yīng)，可能造成模型預(yù)測(cè)結(jié)果偏低［28］；此外，相對(duì)于模型建立在植被空間結(jié)構(gòu)均勻的背景而言，研究區(qū)地表呈密集條狀的植被結(jié)構(gòu)能有效防止“狹管效應(yīng)”的發(fā)生［29］，從而減少氣流穿過(guò)植被冠層孔隙時(shí)，流速增大，加速對(duì)地表侵蝕的現(xiàn)象出現(xiàn)，這也是導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)單寬輸沙量偏高的重要原因之一。

綜合來(lái)看，WEPS 模型預(yù)測(cè)的單寬風(fēng)蝕量對(duì)風(fēng)速、地表和植被特征響應(yīng)較為敏感。模型在小尺度預(yù)測(cè)不同區(qū)域的風(fēng)蝕量變化趨勢(shì)上是可行的，在指導(dǎo)農(nóng)田風(fēng)蝕管理中具有重要作用。而在風(fēng)蝕定量化研究上，WEPS模型預(yù)測(cè)精度不佳，可通過(guò)縮小風(fēng)蝕預(yù)測(cè)時(shí)段、增加觀測(cè)頻次和選擇持續(xù)大風(fēng)天氣等方法來(lái)提高模型預(yù)測(cè)精度，但這些方法都是基于改變外部環(huán)境來(lái)更好地響應(yīng)模型，對(duì)模型的運(yùn)用和發(fā)展具有一定局限性；未來(lái)要真正提高WEPS 的普適性，還需要加強(qiáng)對(duì)模型在多氣候、地表植被覆蓋多類型，預(yù)測(cè)多時(shí)序以及其他與風(fēng)蝕相關(guān)因素中的研究，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，從而根據(jù)實(shí)際風(fēng)蝕環(huán)境對(duì)模型參數(shù)及公式進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

（1）與全采收相比，3種留茬模式均能有效降低風(fēng)力對(duì)種植區(qū)地表的侵蝕作用，其中，間作留茬防風(fēng)固沙能力最強(qiáng)，留6采6最弱，地表防風(fēng)固沙能力隨留茬數(shù)量的增加而提高。

（2）全采收、留4 采6 和留6 采6 輸沙量隨高度增加呈指數(shù)降低的變化趨勢(shì)，間作留茬輸沙量隨高度增加呈對(duì)數(shù)降低的分布規(guī)律；隨留茬數(shù)量的增加指數(shù)擬合度逐漸降低，輸沙量隨高度的分布規(guī)律向?qū)?shù)方向演變。

（3）WEPS預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果具有一定差異，模型值最大為實(shí)測(cè)值的10.16 倍，最小為實(shí)測(cè)值的0.58倍；模型預(yù)測(cè)質(zhì)量具有不確定性，在植被覆蓋度較高的地表預(yù)測(cè)效果較差，但存在合理的一致性，模型預(yù)測(cè)的單寬輸沙量隨實(shí)測(cè)值的增加呈冪函數(shù)增加。模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同地表特征的風(fēng)蝕量變化趨勢(shì)，對(duì)于風(fēng)蝕定量化估算而言，WEPS模型還需建立數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)際風(fēng)蝕環(huán)境對(duì)公式及參數(shù)進(jìn)行修正。