不同坡度下紫色土坡耕地径流与氮素流失特征

采用野外径流小区对紫色土丘陵区2013年4次典型降雨产流事件进行了监测,研究了不同坡度下地表径流和壤中流产流及氮素流失特征。结果表明：自然降雨条件下,地表径流与壤中流径流量随坡度的增加呈先增大后减小的趋势。径流方式对紫色土坡耕地径流氮素质量浓度和排放通量具有明显影响。壤中流中的总氮排放浓度与氮流失通量在不同降雨条件不同坡度下的变化趋势与壤中流径流量的变化一致。在不同坡度下,壤中流中的氮素浓度比地表径流低,但氮排放通量是地表径流的1.15～4.18倍,以壤中流形式形成的氮素损失是紫色土坡地氮素迁移的主要方式。紫色土坡地径流量和径流中流失的氮浓度及通量都存在一个临界坡度值。研究结果可为调控长江上游紫色土丘陵区氮素流失提供参考。     

雨滴动能对红壤地表溶质迁移特性影响试验

以非吸附性溴离子和吸附性磷元素为示踪剂,通过改变针头式降雨器的雨滴降落高度获取不同雨滴动能,并推算其相应的雨滴能量流(Rain droplet energy flux,DE),研究雨滴动能对红壤坡面溶质迁移特征的影响。试验结果表明,初始产流时间、地表土壤含水率、土壤水分入渗深度等均随着DE增大而线性减小;径流总量(Total runoff,TR)与DE呈幂函数递增关系;产沙量(Sediment yield,SY)与DE可用对数函数描述。在不同雨滴动能条件下,径流溴离子浓度随产流时间呈幂函数衰减,土壤溴离子淋溶深度随着雨滴动能增大而减少;径流溶解态磷浓度随产流时间呈线性增大趋势,径流全磷(Total phosphorus,TP)流失总量与DE的关系可用指数函数描述,且径流全磷流失量与径流总量及产沙量高度相关;雨滴动能越大导致表层土壤磷素含量越低。     

天然降雨对黄土坡地土壤侵蚀和养分流失的影响

选渭北旱原东部合阳县甘井镇为试验地,以研究天然降雨和坡度对黄土高原土壤侵蚀以及土壤养分流失的影响。研究区的径流小区被设置为5°、10°、15°3个坡度的坡面,采用径流场观测法,对一定降雨条件下的产流产沙量以及土壤养分流失量进行测定研究。实验结果表明：在相同坡度的径流小区中,产流量、产沙量以及土壤养分的流失量均随着降雨量...     

模拟降雨下PAM对砂黄土养分迁移影响实验研究

利用室内人工模拟降雨试验,研究了砂黄土施用不同量PAM在降雨条件下入渗-径流、土壤侵蚀和养分迁移特征。研究结果表明,砂黄土在不同PAM用量下均较对照表现出降低入渗增加径流,并能有效减少土壤侵蚀,其侵蚀量随PAM用量增加而减少。径流的增加造成硝态氮,水溶性磷和水溶性钾累积流失量增加,通过径流和泥沙流失的养分很少,硝态氮主要通过淋溶损失,磷和钾移动性弱,土壤固定性强,损失不大。PAM适宜用量在1~3 g/m2之间。     

稻田地表径流氮素流失量数值模拟及淋失规律

【目的】研究稻田氮素径流流失和淋失规律。【方法】在连续淹水条件下开展稻田野外试验,对氮素径流流失过程进行了数值模拟,同时分析了施肥前后土壤剖面氮素质量浓度分布。【结果】施肥当天径流试验中总氮、氨态氮和硝态氮以及施肥后第18天硝态氮的径流流失质量浓度随时间的下降过程可以用幂函数拟合,而施肥后第18天总氮和氨态氮用指数函数拟合。氮素径流流失过程前期,累积流失量与累积径流量的关系曲线可用抛物线函数拟合,径流后期用抛物线函数拟合效果略好于对数函数。在连续淹水下稻田中硝态氮量很低,主要以氨态氮形式流失。上层土壤(0~30 cm)氮素量大于下层,且上层的氮素量随时间的变化幅度高于下层。【结论】稻田氮素径流流失过程可通过初等函数拟合进行定量描述,提高根系对上层土壤氮素利用率有利于减小氮素淋失,且氮素量呈现高离散程度的上层土壤区是淋失过程定量描述的重点和难点。     

径流对缓坡饱和土壤溶质影响的实验研究

降雨条件下,土壤溶质随径流的产生发生迁移。利用室内实验,研究缓坡饱和土壤溶质流失的时间规律、溶质浓度在垂直入渗和坡面径流两个方向上的变化规律。结果表明：在径流过程中,溶质流失速度变小,流失量减少并趋于稳定,幂函数比指数更适合描述这类变化;垂直方向上,土壤溶质向下层渗透扩散受深度的影响,随深度的增加溶质浓度先增后减并趋于稳定,此规律适合用对数描述;在坡面表层,土壤溶质随径流的迁移规律清晰,土壤溶质浓度远处高于近处,多阶多项式模型更适合描述浓度变化;随土层深度增加,溶质浓度变化有明显分界线,在分界线及以下溶质浓度变化规律性较差,总体呈降低趋势。     

污水中氮素在无植物生长土壤中的迁移与去除试验研究

通过土柱模型试验,模拟研究了在无植物生长条件下,污水中不同形式氮素在土壤处理过程中的渗透、淋溶、转化、去除等特征。试验结果表明,在土柱上层土壤中(从土柱上端计10cm深度以内)铵氮浓度随着土壤深度的增加而呈现明显降低的趋势。在土柱上层土壤以下,铵氮浓度基本较小。对于硝酸盐氮和总氮来说,试验初期未出现排水前,在土柱中、上层土壤中(从土柱上端计70cm深度以上),硝酸盐氮和总氮的浓度呈现先增加、后下降的变化趋势;当土柱底部出现排水后一段时间,土柱中、上层土壤中硝酸盐氮和总氮浓度仍呈现出持续弱增长的趋势;随着排水次数的增加,土柱下层土壤中硝酸盐氮和总氮浓度则呈现出明显持续下降的变化趋势。同时,实验结果还表明,在无植物生长条件下,土壤对污水中氮素的去除作用明显,就本文使用污水来说,总氮去除率在30%以上;另外,值得注意的是,由于长期污水排放将会增加地下水等水体污染概率。     

博斯腾湖流域典型农田与排渠氮磷的变化特征分析

为研究博斯腾湖流域农田非点源污染问题,选取流域典型农田作为研究对象,通过野外实地调查、现场监测与实验室分析相结合的方法,研究农田与排渠氮磷营养物的变化特征。结果表明,在当地典型农田灌排条件下,田间施肥利用率较低,对土壤中氮、磷浓度影响较大,以硝态氮(NO-3-N)为主的氮、磷流失较严重,沿程浓度累积明显;在排渠中,总氮(TN)浓度变化较为明显,氨态氮(NH+4-N)、NO-3-N、总磷(TP)沿程浓度变化呈微弱上升趋势。大量污染物随排水汇入博斯腾湖,导致博斯腾湖水质日益恶化。     

不同氮肥对不同种植方式稻田径流氮流失与氨挥发的影响

【目的】减少稻田氮径流流失和氨挥发。【方法】设置当地常规施肥(FFP)、缓控肥与尿素配施(CRF)、海藻多糖氮肥替代(HTN)及不施氮对照(CK)共4个氮肥管理措施,观察不同种植方式(机插稻、直播稻)下稻田径流水中氮的流失量及氨挥发特征。【结果】直播稻稻田径流氮素损失以铵态氮(NH4⁺-N)为主,播种前排水导致的氮素径流流失占总氮径流损失量的52%左右;不同氮肥方案下径流氮总流失量呈现为FFP处理>HTN处理>CRF处理,机插稻、直播稻全生育期氨挥发损失量、损失率和氨挥发强度也有同样趋势;与FFP处理相比,CRF处理和HTN处理的机插稻全生育期氨挥发损失率分别降低了12.5%和4.3%,氨挥发强度分别降低了43.1%和17.8%,直播稻氨挥发损失率分别降低了23.2%和12.2%,氨挥发强度分别降低了53.3%和26.8%;与FFP相比,在CRF、HTN处理下机插稻分别增产9.31%和4.70%,直播稻分别增产9.25%和4.91%。【结论】在水稻全生育期内,直播稻的氨挥发通量、损失率和氨挥发强度均大于机插稻,在施肥总量控制和磷、钾肥施用相同的情况下,选择适当种类的氮肥进行基肥、分蘖肥合理配施,既能减少氮素田间损失、提高氮素利用率,还可以增加水稻产量。     

径流小区尺度土壤入渗率影响因子与估算模型研究

基于次降雨水文过程,确定了影响土壤平均入渗率(i_m)的多个因子;借助野外人工径流场观测资料,研究im与多个因子间定量关系,构建i_m估算模型。i_m与坡度之间呈二次抛物线关系,随坡度增加呈先升后降的变化趋势。i_m随坡长、降雨强度的增加均呈线性增加规律,随次降雨量增加呈指数增加趋势,随土壤颗粒分形维数增加呈线性降低规律。im与地表植被盖度、前期土壤含水率之间均存在双曲函数关系,随二者递增分别呈逐渐增加和降低规律。基于上述7个函数关系,采用多元非线性回归法建立估算im的回归模型,模型约72%的数据点相对误差不超过10%。采用上述7个因子作为输入参数,建立预测i_m的BP神经网络模型;通过灰色关联度分析法确定了模型最优训练算法为Levenberg-Marquardt、隐含层神经元结点最优个数为15;模型约81%的数据点相对误差不超过10%。     

雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响

基于人工模拟降雨试验,研究了雨型对东北黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响。根据典型黑土区侵蚀性降雨标准及雨型特征,试验设计了总降雨量相同(降雨量为87.5 mm)的5种不同雨型,即增强型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125 mm/h)、减弱型(降雨过程中降雨强度分布为125-100-75-50 mm/h)、峰值型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125-100-75-50 mm/h)、谷值型(降雨过程中降雨强度分布为100-75-50-75-100 mm/h)和均匀型(降雨过程中降雨强度保持75 mm/h不变),以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°)。结果表明,受前期预降雨的影响,各雨型处理的顺坡垄作坡面径流量差异较小,但坡面侵蚀量存在明显差异,其中峰值型雨型引起的坡面侵蚀量最大,分别是谷值型、减弱型、均匀型和增强型雨型处理下的1.20、1.63、1.78、1.80倍。引起侵蚀量较大的雨型(峰值型、谷值型和减弱型)在典型黑土区天然降雨中出现频次超过70%,这可能是该区夏季顺坡垄作坡面侵蚀作用强烈的重要原因之一。同一降雨强度在不同雨型中出现的时序不同,其产生的径流量和侵蚀量对总径流量和总侵蚀量的贡献率也不相同。除125 mm/h外,同一降雨强度出现在起始阶段产生的侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率显著大于其出现在其他阶段对坡面总侵蚀量的贡献率。     

Quantifying risk for water harvesting under semi-arid conditions: Part II. Crop yield simulation

Risk assessment of maize yield was carried out using a crop growth model combined with a deterministic runoff model and a stochastic rainfall intensity model. These were compared with empirical models of daily rainfall–runoff processes. The combination of the deterministic runoff model and the stochastic rainfall intensity model gave more flexible performance than the empirical runoff model. Scenarios of crop simulation included production techniques (water harvesting, WH, and conventional total soil tillage, CT) and initial soil water content at planting (empty, half and full). The in-field water harvesting technique used in the simulation was a no-till type of mini-catchment with basin tillage and mulching. The lower the initial soil water content at planting, the greater the yield difference between the WH and CT production techniques. With the low initial soil water content at planting, the WH production technique had up to 50% higher yield compared to the CT production technique, clearly thus demonstrating the superiority of the WH production technique. Under all the variations in agronomic practices (planting date, plant population, cultivar type) tested, the WH had a lower risk than CT under these semi-arid climatic conditions (i.e., WH increased the probability of higher crop yields).     

北京地区等高草篱防治坡耕地水土流失效果

在北京地区采用自然降雨和模拟降雨相结合的方法,研究了狼尾草和野古草两种等高草篱在不同坡度（5%、10%、15%、20%）下对裸露坡耕地水土流失的影响。结果一致表明,狼尾草和野古草2种草篱均可显著降低坡耕地水土流失,且狼尾草草篱的效果显著好于野古草草篱。在自然降雨下（平均雨强13.3 mm/h）,狼尾草草篱可减少72.7%的地表径流和86.3%的土壤流失,野古草草篱可减少53.8%的地表径流和64.1%的土壤流失;在模拟降雨下（平均雨强49.5 mm/h）,狼尾草草篱可减少80.7%的地表径流和94.5%的土壤流失,野古草草篱可减少59.5%的地表径流和71.5%的土壤流失。另外,2种等高草篱防治水土流失的效果与坡度成显著负相关关系,随坡度增加2种草篱的水土保持功能逐渐减弱,但至20%坡度时,其对径流和土壤流失的降低作用仍维持在40%和50%以上。回归分析结果显示,草篱因素已经超过坡度和雨强,成为控制坡耕地水土流失的首要因素。     

密云水库小流域非点源污染负荷估算研究

采用Johnes输出系数法以及SCS径流曲线和通用土壤流失方程估算法,对密云土门西沟小流域非点源污染负荷进行估算。结果表明,土门西沟小流域内附着态污染负荷的输出量是溶解态污染物输出量的3倍多,而附着态污染物输出量的大小主要由土壤侵蚀量决定,因此,控制流域内非点源污染的关键是加强该区的水土保持防治工作。Johnes输出系数法可用于观测资料比较缺乏的流域,而SCS径流曲线和通用土壤流失方程估算法除了可以估算总氮、总磷的含量外,还能分别估算出溶解态氮、磷和附着态氮、磷的量,使得防治非点源污染的措施可以更加有针对性。     

玉米苜蓿间作对黄土坡耕地养分流失的影响

在渭北黄土高原坡地建立24个径流小区,对玉米苜蓿间作、玉米单作、苜蓿单作、裸地降雨后侵蚀泥沙各养分含量进行测量和监测,结果表明:土壤全氮、全磷和有机质的损失量表现为裸地>玉米单作>玉米苜蓿间作>苜蓿单作;不同带宽间表现出随着玉米带宽的增大,全氮、全磷和有机质的损失量也增大;不同坡度土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮的损失量随着坡度的增大而增大;间作下土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮的损失量均小于玉米单作和裸地,但大于苜蓿单作。     

基于DRAINMOD模型的不同灌排模式稻田水氮运移模拟

【目的】研究不同灌排模式稻田水氮动态变化,为南方稻作区节水减排提供科学依据。【方法】基于实测的田间灌排水量及氮素变化数据,采用Morris方法检测DRAINMOD模型水氮运移相关参数的灵敏度,并利用DRAINMOD模型对传统灌排模式和控制灌排模式下稻田水氮动态进行模拟。【结果】20~40 cm土层侧向饱和导水率对稻田水分运移模拟结果影响最大,弥散系数、反硝化参数、硝化反应参数、有机质适宜分解温度对稻田氮素运移模拟结果影响较大;DRAINMOD模型能够较好地模拟不同灌排模式稻田水氮动态变化、灌排水量、氮素径流总负荷模拟值与实际值差别小于11%;与传统灌排模式相比,控制灌排模式排水量减少33.0%~72.6%,灌水量减少9.7%~37.1%,铵态氮径流负荷减少43.6%~45.0%,硝态氮径流负荷分别减少29.8%~53.1%。【结论】控制灌排模式稻田节水减排效果较好,利用DRAINMOD模型进行不同灌排模式稻田水氮动态模拟可行有效。     

基于自动监测径流场的秸秆覆盖坡耕地产流产沙过程

设计了一个可用于坡面侵蚀过程研究的自动监测径流场,该径流场主要由6个径流小区和1套模拟降雨装置组成。采用德国UGT径流测量装置,实现地表径流的自动采样和记录。用设计的径流场对秸秆覆盖坡耕地的产流产沙过程进行了研究,结果表明相对于裸露地表,秸秆覆盖能明显降低各径流小区的产流率和产沙率,延缓产流增加趋势,减少产沙总量达54.5%~63.8%。因此,增加坡耕地土壤表面的秸秆覆盖量可有效避免产流在短时间内急剧增加,并能减少对土表的冲刷作用。     

农田地表径流总磷流失特性试验

为了阐明农田地表径流引起的磷流失的过程和特征,在上海市青浦区一试验田采用不同的施肥方式,通过模拟降雨试验研究地表径流不同阶段中总磷流失状况.结果表明,在降雨-径流-土壤系统中,随着稳定强降雨的持续,总磷在径流前期阶段迅速流失而后期阶段流失较慢,前者的流失强度约为后者的3倍;虽然径流前期总磷流失强度大,但由于其持续时间远小于后期阶段,故后期反而有更大的总磷流失量,约为前期的1.5倍.经计算总磷流失量与径流量相关性系数接近于1,可见二者相关性显著,总磷流失量受径流量影响较大.不同施肥方式下总磷流失状况不同,顺着径流方向施肥会使土壤中的磷素更易于流失,其径流中总磷的峰值浓度约为垂直径流方向施肥时的2.5倍.研究结果对有效控制农田磷流失及相应的水体面源污染具有重要的参考意义.