生物集雨面营建技术及其集雨效率的研究

通过人工培育方法在室内、室外条件下研究了生物结皮人工培育技术,并对人工生物结皮对土壤渗透性的影响及其生物集雨面的集雨效率进行了测定.研究结果表明,在适宜的湿度(空气相对湿度80%～90%,土壤湿度13%～20%);温度(25℃～35℃)和光照条件(2 500～12 000 1x)下,对培育材料进行适当的处理后,经过20～30 d的人工培育,可在整平压实的坡面上形成连续的人工生物结皮集雨面.采用双环入渗仪和径流小区测定发现,人工生物结皮可使土壤人渗速率降低50%左右,生物结皮集雨面的集雨效率达到6O%.所研究的生物结皮培育技术还可用于人工批量繁育生物结皮,用于生物集雨面的建设,以避免大量采集自然结皮对生态环境造成的破坏.     

毛乌素沙地生物结皮对水分入渗和再分配的影响

生物结皮的发育影响着干旱半干旱区小尺度土壤水文过程。对两种自然降雨条件下（降雨量为8.5 mm和14.8 mm）的3种放牧管理类型（持续放牧地、围栏5 a禁牧区、围栏15 a禁牧区）有、无生物结皮土壤的降雨入渗速率和再分配规律进行了测定。结果如下：（1）入渗速率禁牧5 a和禁牧15 a样地的有结皮土壤的入渗速率极显著低于无生物结皮土壤。持续放牧样地上,生物结皮发育很差,其对土壤的入渗速率无显著影响。（2）入渗深度自然降雨为8.5mm的次日在持续放牧区能入渗到15～20 cm,而在禁牧5 a和禁牧15 a围栏区仅能入渗到10～15 cm。自然降雨为14.8 mm的次日在持续放牧区能入渗到30～40 cm,在禁牧5 a和禁牧15 a围栏区能入渗到20～25 cm。在无雨条件下,禁牧15 a围栏区50 cm以下土壤水分状况较禁牧5 a和持续放牧区更差。测定结果表明：生物结皮的形成降低了水分的入渗速率和自然降雨的下渗深度,使下渗水分减少,渗透深度变浅,由此可见当地高频率（84.6%）的小降雨（〈10mm）事件只能对浅根系的草本有效,这将使得草本植物生长旺盛而深根系半灌木油蒿生长不良,逐渐衰退。     

红壤丘陵区不同盖度生物结皮对水分入渗的影响

为探究不同盖度生物结皮对入渗特征的影响,在红壤丘陵区咸宁选取第四纪黏土发育土壤(S型)和泥质页岩发育土壤(N型)上的生物结皮,设计6个盖度水平(裸地,1%~20%,20%~40%,40%~60%,60%~80%,80%~100%),使用微型圆盘入渗仪(mini disk)测定土壤入渗过程,探究入渗过程的影响因素,同时采用3种常见的入渗模型对入渗过程进行拟合,并评价模型适用性。结果表明:(1)相对于裸地,生物结皮发育提高土壤有机质和黏粒含量,增加结皮厚度和生物量,降低砂粒含量。(2)第四纪黏土发育土壤水分入渗特征随生物结皮盖度的增加而逐渐降低,初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率、非饱和导水率的变化范围分别为0.25~1.55,0.13~0.91,0.17~1.11,2.04~8.48 mm/min。泥质页岩发育土壤除40%~60%盖度砾石含量较高,土壤水分入渗也随盖度的增加而逐渐减小,80%~100%盖度的初始、平均和稳定入渗率较裸地分别降低91.14%,87.64%和91.30%,生物结皮的存在阻碍土壤水分入渗。冗余分析表明,对于第四纪黏土发育土壤,生物量(54.30%)对其入渗特征的解释度最高,泥质页岩发育土壤则为盖度(39.30%)和砾石含量(34.00%)。(3)Horton模型、Kostiakov模型、Philip模型3种主流入渗模型中Horton模型拟合效果最优。研究结果可为揭示湿润区生物结皮水分运移规律提供科学参考。     

黄土丘陵区生物结皮对土壤入渗的影响

为了明确生物结皮对土壤入渗的影响,在黄土丘陵区沿降雨梯度从南到北大致按等间距分别在宜君、富县、延安、子长、子洲、榆林、东胜选取7个生物结皮发育较好的试验样地,并分别以无结皮样地作为对照,使用盘式入渗仪记录入渗过程并计算各入渗参数。结果表明,生物结皮可显著增大土壤表层有机质含量,但对土壤容重和土壤质地的影响不显著。生物结皮具有显著抑制土壤入渗的作用,从南到北土壤入渗性能呈现逐渐增加的趋势,但存在局部波动;从南到北7个生物结皮样地的饱和导水率、土壤初渗率及30min累积入渗量分别为0.18~0.39mm/min,1.31~2.72mm/min及15.18~43mm,从南到北7个对照样地的饱和导水率、土壤初渗率及30min累积入渗量分别为0.13~0.60mm/min,1.19~2.45mm/min及11.90~52.34mm。土壤初渗率和累积入渗量主要受土壤质地和初始含水量影响,土壤初始含水量对有无生物结皮生长土壤入渗过程的影响比较类似,而土壤质地对有生物结皮生长的样地入渗过程影响更显著;有无生物结皮条件下土壤饱和导水率均受土壤质地的影响,且土壤质地对无结皮样点的影响更显著。     

线源入流入渗法在生物结皮渗透性研究中的应用

土壤水分入渗的观测方法很多,但在测定坡地生物结皮土壤水分入渗时均存在一定的缺陷。线源入流入渗法是可用于无结皮的坡地土壤水分入渗较为简便快捷的观测方法。以裸土为对照,采用线源入流入渗法和模拟降雨法测定了黄土丘陵区多藻少藓、半藻半藓、多藓少藻等不同类型生物结皮土壤水分入渗过程。结果表明:(1)线源入流入渗法可在不干扰生物结皮的情况下,快速、完整地反映土壤水分入渗过程,获取初始入渗速率、平均入渗速率及稳定入渗速率等重要参数;(2)线源入流入渗法所得研究区不同类型生物结皮的初始入渗速率范围为3~12 mm/min,平均入渗速率范围为0.5~4.5 mm/min,稳定入渗速率范围为0.3~1.8 mm/min,随着藓盖度的增加,其初始、平均、稳定入渗速率均呈现出显著差异;(3)线源入流入渗法测定的生物结皮土壤稳定入渗速率(y,mm/min)与人工模拟降雨试验所得入渗速率(x,mm/min)呈显著的线性相关关系(y=1.73x-1.24,R^2=0.376 8,ρ=0.539~*)。研究结果为坡地生物结皮土壤水分入渗速率的测定提供一种简单易操作的测定方法。     

翻耙干扰下生物结皮对水分入渗及土壤侵蚀的影响

为改善生物结皮对土壤水分的负面影响,通过野外定位观测试验,从水分入渗、产流产沙两方面探讨黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮在3种翻耙强度下的水土保持效应。结果表明:(1)相比裸土,生物结皮对入渗和径流的表现形式并非单一的增加或减少,在雨季初期增渗减流,随雨季推进入渗减少,径流增加;(2)翻耙生物结皮促进入渗,减少径流。同裸地对照相比,轻度翻耙结皮增渗15.0%,减流22.6%,中度翻耙结皮增渗36.6%,减流29.3%,重度翻耙结皮增渗14.4%,减流9.6%;(3)翻耙生物结皮对泥沙量有显著影响。与裸地相比,轻度翻耙结皮减少泥沙量54.8%,中度翻耙结皮减少泥沙量45.5%,重度翻耙结皮减少泥沙量10.4%。综合考虑入渗和土壤侵蚀认为,轻度、中度翻耙生物结皮可以在不明显增加土壤侵蚀的前提下,促进入渗,减少径流,改善土壤水分状况。     

新型高分子有机硅材料集流效率试验研究

将高分子有机硅材料喷施在夯实的坡面上,在坡表面形成一层致密的防水膜,减少土壤入渗,增加径流量,从而提高了坡面的集流效率,并减少土壤的侵蚀量,是一种简单、方便的集雨方式。本试验以一种新型有机硅材料作为对象,采用室内渗透和室外人工模拟降雨试验,探讨其应用于集雨工程的可能性,并确定其最佳配比和最适宜用量。研究结果表明:硅水最优配比(体积比,文中所有硅水配比均指体积比)在1∶5～1∶7,适宜用量为150ml/m2。当雨强在1.2～1.5mm/min,前期含水率17%左右,干容重为1.3g/cm3左右,其集流效率可以达到70%以上,是对照夯实坡面集流效率的2～3倍,而侵蚀量只是对照坡面侵蚀量的1/5。新型有机硅材料具有集流效率高、成本低、施工简单等优点,在集雨工程中具有广阔的应用前景。     

干旱半干旱地区人工地衣集雨面营建潜力探析

简析了地衣生物学与生态学特性、地衣土壤结皮形成和特性及其对土壤水文过程的影响 ,探讨了人工地衣作为集雨材料用于干旱半干旱地区雨水收集的可行性。指出人工地衣可用于干旱半干旱地区集雨面的营建 ,且为极具潜力的绿色环保型集雨材料。     

黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复中生物土壤结皮特征

以黄土丘陵沟壑区安塞县墩滩山的退耕地为研究对象,分析了退耕地植被自然恢复过程中生物土壤结皮的特点及其对土壤水分、土壤有机质和土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)生物土壤结皮的盖度随着退耕年限的增长不断增大,结皮的厚度也渐渐增加,且稳定在0.1~0.3 cm之间;(2)有结皮样地0—40 cm土层的土壤含水量一般比对照样地的土壤含水量要低,有结皮样地和对照土壤含水量都随土层深度逐渐升高,但升高幅度逐渐变小;(3)有生物结皮的样地土壤表层0—10 cm有机质含量比对照样地有机质含量大;10—20 cm土层有生物结皮的样地比对照样地有机质含量也高,但是差异不如0—10 cm土层明显;(4)随着退耕年限的增长,土壤侵蚀量逐渐减少,与退耕初期相比,退耕10 a以上样地土壤侵蚀量可减少30%~80%。说明在退耕地植被恢复的过程中,生物结皮改善了土壤表层性质,增强了土壤抗侵蚀能力。     

陕北水蚀风蚀交错区两种生物结皮对土壤饱和导水率的影响

该文以陕北水蚀风蚀交错区普遍发育的地表和地上两种生物结皮为研究对象，分别以3种非生物结皮（无结皮、物理结皮、去除生物结皮）为对照，使用盘式入渗仪测定其饱和导水率。结果表明：与无结皮土壤相比，两种类型生物结皮均可极显著降低土壤饱和导水率；与去除生物结皮土壤相比，两种类型生物结皮对土壤饱和导水率的降低均不显著；与有物理结皮发育的土壤相比，地表生物结皮对土壤饱和导水率的降低不显著，而地上生物结皮对土壤饱和导水率的降低显著。一方面，两种生物结皮对土壤饱和导水率均有明显降低作用，预示生物结皮在降雨活动中可能会增加径流、降低入渗，阻碍研究区水分亏缺条件下的植被恢复和生态与环境建设。另一方面，与不同的对照相比，生物结皮对土壤饱和导水率的影响截然不同，该结论可在一定程度上解释当前有关生物结皮影响土壤水分入渗方面所存在的分歧。     

垄覆膜集雨对苜蓿草地土壤水分动态及利用效率的影响

我国西北黄土高原干旱半干旱区年降雨稀少和土壤水分周期性亏缺, 导致人工草地生产力低下、水分利用效率低。本试验在旱作条件下, 将垄覆膜集雨措施应用于紫花苜蓿种植, 研究了沟垄宽比和覆膜方式对2 年龄苜蓿草地土壤水分动态及水分利用效率的影响。结果表明: 垄覆膜集雨在集雨前期(4 月中旬至6 月上旬)显著提高0~20 cm 土层土壤含水量, 在集雨中后期(6 月中旬至9 月下旬)显著提高0~120 cm 土层平均含水量,越冬期增加土壤水分入渗能力, 提高20~120 cm 土层平均含水量; 且垄覆膜处理的集雨效率高于土垄处理。随着生育时期的延伸, 垄覆膜处理0~120 cm 土壤平均贮水量呈先降后升的趋势, 土垄处理0~120 cm 土壤平均贮水量呈由高到低的趋势; 在苜蓿生长后期垄覆膜处理的蓄墒能力显著高于土垄处理。垄覆膜处理的平均水分利用效率为34.91 kg·mm^-1·hm^-2, 为对照(平作, CK)的2.25 倍, 土垄处理的平均水分利用效率为28.47kg·mm^-1·hm^-2, 为CK 的1.83 倍, 垄覆膜相对土垄处理平均水分利用效率提高22.62%; 垄覆膜处理以沟垄宽比为60 cm∶60 cm 和60 cm∶75 cm 的水分利用效率最高。     

肯尼亚雨水集流利用现状及思考

雨水集流作为一项古老技术,已有上千年的历史。由于干旱缺水和缺乏天然的储水介质,雨水集流在肯尼亚具有非常重要的特殊意义。本文从庭院集雨、农田集雨、流域集雨及集雨的区域差异等方面,对肯尼亚的雨水集流现状进行了分析;并从区域水循环与水量平衡的角度,探讨了降雨、入渗、径流及蒸发的关系。最后指出,通过不同形式的雨水集流,减少无效蒸发,特别是无效的水面蒸发,是增加水资源总量的关键;而科学利用天然的储水介质与合理开发人工的储水介质,是提高水资源可利用量的关键。雨水集流利用在肯尼亚生活用水方面已相当普遍,技术也相对较为成熟,但是在年降雨量不足500 mm的旱区农业生产方面,还有很大的发展空间,目前面临的主要问题是,如何解决旱区降雨集流效率偏低,以及有限降雨资源的合理储蓄与高效利用。鉴于农田土壤对降雨再分配调蓄能力较低的缘故,通过在农田内开挖沟槽,进行降雨资源的短期储蓄与调控,将生育期前段多余的降雨资源留到无降雨的后段使用,是实现作物生育期内水分供需平衡的关键。本研究为充分发挥雨水集流在肯尼亚旱区农业生产中的积极作用提供了参考。     

小流域集水效率的试验研究--以山东安口小流域为例

小流域的农业生产主要以雨养农业为主,其集水效率是雨水集蓄利用工程的关键。以山东安口小流域为例,通过对影响小流域集水效率的主要因素——土壤入渗能力的试验,揭示土壤入渗对流域集水的影响,并利用径流系数法对集水量进行了估算,也具有较高的准确性。试验研究表明,在类似于安口流域的这类区域,土壤稳定入渗率较低,而径流系数较高,平均为0.46,因此利用(天然)径流场收集雨水发展雨养农业则极为有利。     

土地利用方式及土壤特性对土壤调节雨水效率的影响研究

One of the most important functions of soils is to regulate rainwater and mitigate flooding and associated damages; this function can be estimated by the rainwater regulation ratio （η）, i.e., percent of regulated rainwater. Fifteen experimental plots were set up on the hills in Yingtan of Jiangxi Province, southern China. These plots were under three land use patterns, cultivated cropland, noncultivated land, and orchard interplanted with cash crops. With aid of an artificial rainfall simulator and Guelph method, rainfall, runoff, soil infiltration, and so on were measured in situ. Results showed that the orchard interplanted with cash crops was more effective in regulating rainwater than the other two land use patterns. When the maximum infiltration intensity was three times higher than the observed mean,η was higher than 70% for all plots. 77 was related to land use, slope gradient, and soil properties such as soil infiltration, organic carbon, bulk density, and texture. There is still more room to improve capacity of rainwater drainage （underground percolation） than that of rainwater storage in soils. Therefore, enhancing soil permeability is vital to improve the rainwater regulation efficiency in soils.     

不同下垫面径流小区次降雨对产流产沙的影响

[目的]揭示南方红壤区人工径流小区次降雨对径流泥沙作用规律,为区域水土保持工程实践与基础理论研究提供参考。[方法]基于云南摩布小流域3种下垫面(林地、农地、裸地)人工径流小区2013—2015年自然降雨观测资料,采用M-K趋势检验、灰色相关分析及双累积曲线等方法研究了次降雨量、径流量、泥沙量和入渗率的变化趋势及相关关系,以及降雨因子对径流泥沙的影响。[结果](1)2013—2015年摩布径流小区月降雨均呈先增加后减少的波动性变化趋势,3a降雨量无显著性变化趋势。(2)相同降雨量各下垫面径流小区产流差异显著(p0.05),其中林地最小,农地次之,裸地最大;3种下垫面次降雨径流深增长速率大小规律与此相同。(3)次降雨产沙量与降雨量、径流量均存在密切相关关系,相关系数分别为0.67~0.82,0.69~0.85。径流小区产沙能力随雨强增大而增强。相同雨量下,林地产沙能力最小,而裸地累积产沙量增速最大。(4)3个径流小区的入渗率均随降雨量和雨强增大而增大,其中林地入渗率最大,平均入渗率为94.03%;裸地入渗率最小,平均入渗率为86.28%。[结论]与农地和裸地相比,林地不同程度提高了土壤入渗性能,降低了产流量和产沙量。     

丘陵半干旱区小流域入渗产流特征研究

为了探索我国丘陵半干旱区小流域入渗产流规律,为该地区雨水径流集蓄利用和区域生态环境治理提供依据,通过人工模拟降雨和自然降雨入渗产流试验,对小流域坡耕地、林地、草地和荒地的降雨入渗产流特征进行了系统研究。结果表明,农林草地比荒地具有明显的拦蓄地表径流和减少土壤侵蚀的效果,比荒地拦蓄地表径流效率增加35.7?.0%,拦蓄泥沙效率增加46.2?.6%;利用Philip入渗理论和逐步回归分析方法对入渗产流试验结果处理分析,建立了小流域坡耕地、林地和荒地土壤的入渗产流及其相关因子数学模型;小流域产流系数与降雨小区地形坡度、降雨强度、植被盖度、土壤雨前含水量和土壤孔隙度等因子显著相关。     

高塬沟壑区雨水集流效率研究

通过6个径流小区对自然荒坡和道路场院的模拟对比试验,探索雨水集流场建设中的新材料、新工艺、新方法,为雨水集流场建设提供技术支撑。在模拟自然荒坡的3个径流小区中,无机防水剂1#和硅烷偶联剂对地表喷施处理后,集流效率明显高于对照;在模拟道路场院的3个径流小区中,无机防水剂4#+5kg/m²水泥和硅烷偶联剂+5kg/m²水泥对地表土壤掺混处理后,硅烷偶联剂+5kg/m²水泥集流效率明显高于对照。试验共筛选出了3种新材料,可用于雨水集流场建设。次降     

垄沟集雨对紫花苜蓿草地土壤水分、容重和孔隙度的影响

在旱作条件下, 将垄沟集雨措施应用于紫花苜蓿种植, 研究沟垄宽比和覆膜方式对2年龄紫花苜蓿草地土壤水分状况、土壤容重及孔隙度的影响。结果表明: 全越冬期, 膜垄和土垄处理0~120 cm土壤水分平均散失量分别低于CK(平作)28.43 mm和13.61 mm。膜垄处理整个集雨期的蓄墒增加率为59.03%~99.27%, 产流效率为53.43%~91.72%; 2009年集雨前期(4月上旬~6月上旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率分别为1.92%~2.74%和1.71%~2.55%, 2009年集雨中后期(6月中旬~9月下旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率较集雨前期显著升高, 分别为8.85%~36.77%和8.01%~35.82%; 膜垄和土垄处理的蓄墒增加率、产流效率均随垄面宽度增加而显著增加, 且膜垄的蓄墒增加率、产流效率显著高于土垄处理。垄沟集雨种植能够显著降低0~40 cm土壤层容重, 且0~20 cm土壤层容重降幅表现为膜垄大于土垄。垄沟集雨种植也能够显著增加0~40 cm土壤层孔隙度, 且0~20 cm土壤层孔隙度增幅表现为膜垄大于土垄。     

基于修正SCS-CN模型集雨垄径流预测

为了探寻半干旱区垄沟集雨种植控制水土流失和增产的机理,利用前2年(2012—2013年)日降雨量、实测径流和修正SCS—CN模型,率定集雨垄的径流模型参数CN、λ和α,然后利用后3年(2014—2016年)日降雨量和实测径流资料检验该模型有效性,预测不同覆盖材料(土壤结皮、生物可降解地膜和塑料地膜)和不同垄宽(30,45,60 cm)集雨垄的径流量。结果表明,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的CN取值范围分别为82.0~82.9,97.9~98.8,98.3~99.9,λ取值范围分别为0.045~0.071,0.251~0.327,0.189~0.213,α取值范围分别为2.35~2.89,4.21~4.82,3.32~3.99。通过对模型有效性进行评价,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的平均相对误差取值范围分别为1.36%~3.41%,1.21%~3.42%,2.48%~5.42%,纳什效率取值范围分别为0.97~0.98,0.97~0.98,0.96~0.98。日降雨量等级对修正SCS—CN模型参数CN、λ和α的影响不明显,不同覆盖材料之间的CN、λ和α差异远大于不同垄宽之间的CN、λ和α差异。修正SCS—CN模型集雨垄径流预测的相对误差满足要求(≤20%),可信度较高(纳什效率≥0.95),可以用于半干旱区集雨垄的径流预测,为控制水土流失和提高降水利用效率提供科学方法。     

原状土冲刷法与人工模拟降雨法研究土壤抗冲性对比分析

在相同条件下，对比研究了人工模拟降雨小区和用大型抗冲槽测定的土壤侵蚀量、产沙过程及抗冲性异同。