红壤坡面产流产沙与养分流失特征研究

在自然降雨条件下,研究了有、无植被覆盖径流小区红壤坡面周年内产流、产沙及养分流失特征.结果表明径流小区产流、产沙量的高峰期与降雨量的高峰期相一致.降雨侵蚀力与降雨量季节分布的不均匀性是由于不同时期的降雨特征和降雨侵蚀力构成因素决定.坡面流失泥沙悬移质养分浓度均高于推移质中的养分浓度.顺坡种植油菜-花生处理,坡面流失泥沙钾、磷养分浓度高于休闲裸坡处理.红壤坡面养分以泥沙结合态流失为主,但磷、钾以水溶态流失也是一个重要的养分流失途径.流失泥沙悬移质和推移质都有明显的养分富集现象,坡面有、无植被覆盖会使流失泥沙养分富集率发生变化.     

红壤坡面产流产沙与养分流失特征研究

在自然降雨条件下，研究了有、无植被覆盖径流小区红壤坡面周年内产流、产沙及养分流失特征。结果表明：径流小区产流、产沙量的高峰期与降雨量的高峰期相一致。降雨侵蚀力与降雨量季节分布的不均匀性是由于不同时期的降雨特征和降雨侵蚀力构成因素决定。坡面流失泥沙悬移质养分浓度均高于推移质中的养分浓度。顺坡种植油菜—花生处理，坡面流失泥沙钾、磷养分浓度高于休闲裸坡处理。红壤坡面养分以泥沙结合态流失为主，但磷、钾以水溶态流失也是一个重要的养分流失途径。流失泥沙悬移质和推移质都有明显的养分富集现象，坡面有、无植被覆盖会使流失泥沙养分富集率发生变化。     

黄土区土壤结皮和垄高对坡面产流产沙的影响

通过室内人工模拟降雨方法,研究不同坡面处理(有结皮、无结皮)和垄高(7、10和13 cm)产流产沙情况,为黄土区等高耕作水土流失治理提供理论依据。结果表明,同一垄高下,土壤结皮使坡面初始产流时间提前,径流强度增大,径流总量增加;同一坡面处理下,随垄高增加,坡面径流总量和泥沙总量减少。垄高通过蓄积雨水能力影响土壤结皮对坡面泥沙总量作用。垄高7 cm时,蓄积雨水能力较小,坡面径流量较大,土壤结皮增大坡面产沙量,相比无结皮坡面增加38.70%;垄高为10 cm和13 cm时,蓄积雨水能力较强,坡面径流量较小,土壤结皮减少坡面产沙量,相比无结皮坡面分别减少21.10%和65.70%。坡面土壤侵蚀过程中,土壤结皮首先抑制坡面产沙,但随着降雨历时增加,土壤结皮促进坡面产沙。因此,在黄土区等高耕作中,应合理设置垄高,抑制结皮,以降低土壤侵蚀程度。     

红壤生物结皮对土壤侵蚀及养分的影响

为了解生物结皮在红壤坡面养分流失过程中的作用,为建立坡面土壤养分流失模型和防治水土流失、保护生态环境提供科学依据,采用人工降雨方法,模拟在无结皮和有结皮不同发育程度下,研究川西红壤生物结皮对土壤侵蚀及养分的影响。结果表明：结皮促使土壤坡面产流提前发生,降低了土壤剖面径流和抑制产沙;生物结皮显著增加了土壤含水量、电导率、全盐和总孔隙度,但并没有影响 pH 和容重;与无结皮相比,生物结皮显著影响土壤有机碳、无机碳、全钾和有效钾含量,未影响土壤磷素和氮素含量,土壤有机碳、全氮、铵态氮、全磷、有效磷、全钾和有效钾含量分别增加12．51％、6．67％、4．04％、2．49％、2．60％、16．10％和16．08％,无机碳和硝态氮分别减少8．32％和8．26％。土壤垂直方向生物结皮处理土壤养分0～5 cm和5～10 cm 土层相近,且明显高于底层土壤,相同土层土壤养分基本表现为生物结皮＞无结皮,局部有波动;15～20 cm 土层无结皮处理土壤养分与有结皮处理土壤养分相近,表明生物结皮具有较好的养分积累效应,但这种富集对0～10 cm 土层的作用较明显,而对深层土壤影响并不大。Pearson 相关分析表明,土壤有机碳与其他养分之间基本呈正相关,而无机碳则相反,表明生物结皮对有机碳和无机碳的影响存在相互补偿作用机制,即生物结皮导致有机碳的增加可能意味着无机碳的减少。     

石灰岩坡面花生不同覆盖度水土及养分流失规律

通过室内人工模拟降水的方法,研究花生不同覆盖度石灰岩坡面水土流失和养分流失特征。结果表明:随着覆盖度的增加,坡面产流、产沙量减少,养分流失量与产流产沙量成正比关系;与对照相比,20%覆盖度径流量、泥沙量分别减少22.22%、44.07%;覆盖度增加到95%,径流量、泥沙量分别减少61.11%、80.49%;与对照相比,95%覆盖度坡面有效减少了86.25%氮损失量、91.38%磷损失量、89.57%钾损失量;径流泥沙中各养分含量随着覆盖度的增加而减少。通过对不同处理因素下坡面养分流失量变化进行方程拟合,结果表明:采用三项式方程模拟石灰岩坡面土壤养分流失比较适宜,且20%覆盖度的全效养分与泥沙量拟合系数均超过0.99,呈显著相关。     

不同耕作方式和植被覆盖对土壤养分流失的影响研究

为研究天然降雨条件下不同耕作方式及植被覆盖条件下水土流失中养分流失的变化规律,根据当地不同的种植模式,在野外标准径流小区进行试验。结果表明:①在相同降雨条件下,顺垄耕作的坡面侵蚀产沙量大于横垄耕作。30°天然坡面次降雨过程平均侵蚀产沙量远小于三个坡面的径流小区。②次降雨过程中,玉米顺垄耕作土壤养分流失量大于横垄,30°天然坡面土壤养分流失量低于三个坡面的径流小区。     

地表坡度对坡面溶质随薄层水流迁移特征的影响

通过上方来水模拟薄层水流冲刷试验,研究了地表坡度对红壤坡面产流、产沙及非吸附性离子(Br-)迁移过程的影响.结果表明:起始产流时间随地表坡度增大呈递减趋势;坡度对产流规律和产流总量影响并不显著.坡面径流泥沙含量随产流时间呈半正弦波衰减趋势;坡度越大,周期越短,波幅越大;泥沙流失总量与坡度呈幂函数递增关系.薄层水流冲刷作用下坡度对土壤溴迁移特性影响显著;随着坡度增大,径流澳浓度随之增大,澳的流失方式由淋溶损失为主逐步转变为径流流失为主.     

前期含水量对坡耕地产流产沙及氮磷流失的影响

土壤前期含水量是影响土壤入渗、产流以及溶质迁移、淋失的重要因素之一。通过人工模拟降雨实验,对5%、9%、13%、17%和20%这5个不同前期含水量水平下的黄土高塬沟壑区黑垆土坡耕地土壤侵蚀及氮磷流失情况进行了研究。结果显示:在同一雨强和坡度条件下,随着土壤含水量的增加,坡面达到稳定入渗率的时间缩短,开始均匀产流时间也减小;在5%~17%前期含水量的范围内,径流量、泥沙量随前期含水量增加而增加,17%~20%时径流量和产沙量为递减的变化趋势;产沙量与径流量呈显著的线性关系,相关系数为0.889。前期含水量为17%时,径流中水溶性磷、硝态氮、铵态氮浓度最大,总流失量最大,3种养分在湿润层内发生积累的深度随含水量增加而减小,前期含水量17%是影响径流中养分浓度变化的一个临界值;在前期含水量范围为5%~9%时,养分流失量变化不大,且流失量较小;硝态氮平均流失总量最大,分别是铵态氮和水溶性磷的1.32和2.46倍。该项研究结果可为当地农业生产、减少水分损失、提高水分和养分利用率提供有效的指导。     

人工模拟降雨不同施肥方式下紫色土养分流失研究

试验采用人工模拟降雨装置,研究了紫色土在表施肥和混施肥两种施肥方式下磷、钾养分径流流失规律.结果表明,两种施肥方式径流中养分浓度均随时间呈幂函数下降,但表施肥径流中磷钾养分含量明显高于混施肥,且在降雨产流初期表现尤为明显;在养分流失量方面,两种施肥方式径流中可溶性P及速效K累积流失量均随时间呈近似直线增加,表施肥明显大于混施肥,但混施肥养分流失50%～70%在开始降雨产流的前10 min内发生,而表施肥养分流失贯穿整个产流过程.同时试验发现施肥方式对坡面产流无显著影响.     

横坡耕作径流溶解态氮磷流失特征及其富营养化风险——以鲁中南山地丘陵区为例

以鲁中南山地丘陵区的坡耕地为例,在模拟降雨条件下分析了横坡耕作地表径流溶解态硝态氮(DNN)、铵态氮(DHN)和磷(DIP)的流失特征,并通过溶解态无机氮DIN(DNN+DHN)/DIP、DNN/DIP和DHN/DIP等3种氮磷比衡量其径流的富营养化风险.结果表明,在研究区典型的暴雨强度下(70mm·h-1),横坡耕作产流所需降雨量在8.07mm左右,产流后径流率在径流初期(0-5min)迅速增加,并在末期(14min后)趋于稳定,而径流泥沙浓度在降雨过程的变化表现出单峰型特征;溶解态氮、磷浓度在径流过程中逐渐降低,其中,径流末期DNN、DHN和DIN的平均浓度较初期分别下降12.1%、23.5%和12.6%.DIP浓度的下降幅度明显大于溶解态氮,为32.5%;溶解态氮、磷浓度与径流率以及原表土速效养分含量在径流初期的相关程度较高,之后则逐渐降低,与泥沙浓度的相关系数在降雨过程中则呈高-低-高变化;各溶解态氮的流失率在径流过程中呈增加趋势,而DIP流失率在径流过程中的变化不显著;溶解态氮、磷流失率与径流率存在升幂函数关系,但相关性随径流时间延长逐渐减弱.N/P率分析表明,横坡耕作径流的富营养化风险较低,但风险水平在径流过程中呈逐渐增加趋势.控制径流末期DNN的径流流失,可减轻横坡耕作径流对于受纳水体富营养化过程的影响.     

间隔覆盖条件下坡面产流产沙状况的BP神经网络模拟

本文以塿土和黄绵土作为实验材料,尝试使用BP神经网络方法(Back-Propagation neural network)模拟人工降雨条件下,间隔覆盖坡面的产流产沙状况。通过设置不同坡度、降雨强度、面积比,获得各种因素不同水平组合下的实测数据;以实际降雨强度、坡度、面积比、径流起始时间和初始含水率5个因子为输入变量、坡面产流量和产沙量为输出变量,利用BP神经网络模型与多元线性回归模型对数据进行模拟分析,并检验其模拟效果。研究结果表明:训练样本集平均相对误差为18.23%,预测样本集平均相对误差为5.21%;与多元线性回归模型相比,BP神经网络模型拟合精度较高,拟合效果更理想,表现出更强的预测能力。另外,比较不同土质坡面产流量与产沙量模拟效果,塿土优于黄绵土。从本研究的结果看,BP神经网络模型应用于坡面产流产沙模拟预测,省时省力,方便快捷,具有一定的应用潜力,但其实际的模拟预测能力尚需进一步探索。     

模拟降雨条件下林下枯落物层减流减沙效应

通过室内模拟降雨试验,研究了不同坡度、雨强条件下枯落物覆盖对坡面产流过程和侵蚀过程的影响。结果 表明:1)枯落物单位面积生物量越大,坡面产流越迟,并且枯落物覆盖延迟地表径流产生的作用在30 mm/h 雨强下 较60 mm/h 更为突出;2)坡面总径流量随枯落物单位面积生物量增大而减小,30 mm/h 雨强下减少率在4.8% ~ 54.8%之间,60 mm/h 雨强下减少率在4.2% ~ 26.8% 之间,30 mm/h 雨强下枯落物的减流效应要优于60 mm/h 雨 强;3)坡面产沙率和总产沙量均随枯落物单位面积生物量的增大而减小,当枯落物生物量为50 g 时,坡面的总产沙 量相比裸坡可降低56.2% ~68.0%,枯落物生物量达到200 g 之后坡面总产沙量相比裸坡能降低92.2%以上,即使 在60 mm/h 雨强下枯落物层仍能发挥良好的减沙效果;4)枯落物层拦截泥沙的效应要强于其减少径流的效应,有 枯落物覆盖的坡面,在径流量较大的情况下,产沙量也可能较小。实验表明,要发挥枯落物层良好的水土保持功 能,枯落物单位面积生物量需达到250 g 以上。      

基于通径分析的陕北黄土坡面径流产沙影响因素

通过对陕北半干旱黄土区16场有径流产沙发生的次降雨数据进行收集,以径流量和产沙量为因变量,植被类型、植被盖度、坡度、坡向、降雨量、降雨历时、场均雨强、I5、I10、I15、I30、土壤密度、土壤稳渗率作为自变量,在进行逐步回归分析的基础上,对影响径流量及产沙量的主要因素进行通径分析,结果表明:1)植被盖度、降雨量、降雨历时、I30、稳渗率是影响径流量的主要因素,径流量、植被盖度、坡度、降雨量、场均雨强、I15、土壤密度为影响坡面降雨产沙量的主要因素;2)降雨历时、降雨量、I30对径流量起到决定性作用,且对径流量产生影响的直接影响因素排序为降雨历时I30降雨量植被盖度稳渗率,而间接影响排序为降雨量降雨历时稳渗率I30植被盖度,决定系数排序为d降雨量·降雨历时d降雨历时·降雨历时dI30·I30d降雨量·降雨量d植被盖度·植被盖度;3)径流量、降雨量、I15对产沙量起到决定性作用。对产沙量影响因素排序:从直接通径系数来看,径流量I15土壤密度降雨量场均雨强植被盖度坡度;从间接通径系数来看,降雨量场均雨强植被盖度I15土壤密度径流量坡度;从决定系数来看,d径流量·径流量d径流量·降雨量d径流量·I15dI15·I15d土壤密度·土壤密度d降雨量·降雨量。      

神东煤田原地面侵蚀产沙规律野外降雨试验

为科学计算煤矿开发建设过程中弃土弃渣、扰动地面、非硬化路面等的新增水土流失量,以神府东胜煤田为研究背景,将未经人为扰动撂荒地作为自然侵蚀本底值的研究对象,采用野外人工模拟降雨的方法,对原地面的侵蚀产沙规律进行研究.结果表明:原地面含沙量随时间的变化形式有3种,平缓型、单峰型和多峰型.产流时间与降雨强度、产沙量与降雨强度和坡度的关系均呈幂函数相关,径流流速和流深与降雨强度呈指数函数相关,径流量与降雨强度、产沙量与径流量之间呈线性相关.     

碎石含量影响下紫色土坡面径流流速变化过程及土壤侵蚀的阶段性

在室内人工模拟降雨条件下,对6种不同碎石含量(0,5%,10%,20%,30%,40%)的土壤侵蚀产流产沙的过程进行模拟研究。结果表明:碎石含量对径流流速的影响不显著,随着碎石含量的增加,平均径流流速呈减小的趋势。碎石含量对坡面侵蚀径流含沙率影响显著(F=30.076,P0.05),随着碎石含量的增加,径流含沙率呈降低的趋势。累积产沙量与降雨历时具有对数相关关系,碎石含量为5%时相关性最大,碎石含量越大累积产沙量递增速率越小。土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构,增强土壤的抗蚀性和抗冲性,随着碎石含量的增加,土壤流失量逐渐减少,土壤侵蚀速率显著降低。     

秸秆堆沤还田对红壤烤烟农田生态系统磷素盈亏的影响

【目的】研究不同秸秆堆沤还田方式对红壤烤烟坡耕地磷素盈亏的影响,揭示秸秆堆沤还田下红壤烤烟农田生态系统磷素盈亏的特征,为滇中小流域面源污染防治提供科学依据。【方法】在自然降水条件下,研究不同秸秆还田密度（0.75和1.50 kg/m2）、不同秸秆粉碎粒度（1和5 cm）、不同秸秆堆沤处理（水、水与尿素）对红壤烤烟坡耕地径流泥沙磷素流失量、土壤磷素残留量、烤烟磷素吸收量和磷素盈亏的变化特征。【结果】施用1.50 kg/m2秸秆密度、5 cm秸秆粒度、加水堆沤较0.75 kg/m2秸秆密度、1 cm秸秆粒度、加水与尿素堆沤可有效降低产流产沙量（0.22%~43.26%）;施用0.75 kg/m2秸秆密度、5 cm秸秆粒度、加水堆沤可有效降低径流和泥沙磷素流失浓度（2.82%~66.67%、0.38%~57.53%）及流失量（最高分别降低63.89%和64.74%）;秸秆还田对各土层土壤总磷（TP）残留量的影响不同,总体上呈增加趋势;秸秆还田后,烤烟全磷（TP）含量的分布特征为叶>根>茎,1.50 kg/m2秸秆密度、1 cm秸秆粒度、水与尿素堆沤均可有效增加烤烟吸收TP含量（0.60%~49.76%）和土壤磷素盈余量（0.43%~13.97%）。【结论】秸秆堆沤还田可提高和维持红壤烤烟坡耕地土壤磷素水平,减少土壤磷素淋失,增强土壤供磷潜力,是削弱该流域农业非点源污染,综合利用秸秆资源,促进农业生态平衡发展的重要措施。     

雨强和地下孔（裂）隙度对喀斯特坡耕地养分流失的影响

【目的】研究不同降雨强度和地下孔（裂）隙下,喀斯特区坡耕地表和地下土壤养分流失途径及流失规律,为喀斯特坡耕地土壤养分流失控制和农业面源污染防治提供理论依据。【方法】以喀斯特区坡度为15°的坡耕地为研究对象,通过模拟其地表形态和地下孔（裂）隙特征,设置不同雨强（30、50、70、90 mm·h^-1）和地下孔（裂）隙度（1%、3%、5%）交叉试验共36场降雨,探索喀斯特坡耕地地表和地下养分流失特征。【结果】（1）雨强对喀斯特区坡耕地产流产沙影响显著（P<0.05）,地表、地下产流产沙量随雨强增大而增加,其产流产沙从地下过渡到地上的临界雨强可能在30—50 mm·h^-1;随地下孔（裂）隙度增大,地下产流产沙量增加,地表呈相反的规律。（2）喀斯特坡耕地径流养分主要通过地表流失,小雨强下通过地下孔（裂）隙流失;径流中全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）流失量和流失模数均随雨强增大而上升,雨强对各径流养分流失浓度影响不明显。地表养分流失量和流失模数随地下孔（裂）隙度增加而下降,地下反之。地下孔（裂）隙度的增加使地下径流养分流失占比逐渐增加。（3）养分会通过附着于泥沙流失,其中以地表泥沙流失为主。地表、地下各泥沙养分平均流失浓度、流失量和流失模数均随降雨强度增大而增加,其中TK流失平均浓度和流失量在不同雨强下显著高于TN和TP。同雨强下,地表泥沙各养分平均流失浓度、流失量和流失模数随孔（裂）隙度增加呈减小趋势,地下反之,但流失量从地表为主到地表与地下二者并重。（4）相关性分析表明,降雨强度与径流和泥沙流失量均呈现显著正相关关系,雨强对各养分径流的影响高于泥沙,地表径流受雨强影响最大。地下孔（裂）隙度对泥沙养分流失量的影响高于径流,而泥沙养分中地下泥沙养分流失量受其影响较大。【结论】喀斯特坡耕地养分主要通过地表流失,但地下孔（裂）隙对养分流失的影响不容忽视。在坡耕地养分流失防治上,地表通过增加植被覆盖度和添加枯落物等方式减缓坡耕地产流产沙量,地下通过植被根系固定土壤,防止养分通过孔（裂）隙向地下渗漏进而达到减少坡耕地土壤养分流失。     

非参数投影寻踪回归在坡面土壤侵蚀产沙量预测中的应用

根据土壤侵蚀机理,采用投影寻踪回归分析的方法,对坡面侵蚀产沙过程进行了预测。以四川某水土保持实验站观测数据为实例,以最大30 min降水量、最大1 h降水量、径流量等因素作为坡面产沙量预测的投影指标,采用可变阶的正交Hermite多项式拟合岭函数,并用单纯形算法优化投影指标函数,进而构建基于投影寻踪回归分析的坡面产沙量预测模型,通过MATLAB语言编制程序进行了仿真试验。结果表明,该模型具有较高的拟合度和良好的预测精度,为坡面产沙模拟预测模型的建立提供参考。