不同坡度下紫色土地表微地形变化及其对土壤侵蚀的影响

为了揭示川中丘陵区紫色土地表微地形变化对土壤侵蚀的影响,该文通过室内人工模拟降雨试验,从地表糙度角度出发,结合多重分形理论与方法,分析了不同坡度条件下紫色土地表微地形变化特征,探讨了地表微地形变化与土壤侵蚀间的关系。结果表明:1)雨强为1.5 mm/min,历时为40 min降雨条件下,10°、15°和20°坡面地表相对高程的变化量分别为-11.66、-3.52和-5.61 mm,仅20°坡面地表初始低洼部位被径流贯通形成细沟;各坡面地表糙度均有所减小,且表现为15°10°20°,其中10°和15°坡面不同坡位地表糙度均较雨前减小,20°坡面下坡地表糙度较雨前增大,不同坡度全坡面地表糙度均较雨前减小;2)地表微地形具有一定的多重分形特征,10°和15°坡面雨后多重分形参数广义分形维数跨度、奇异指数跨度和多重分形谱高差均较雨前增大,微地形空间分布差异增大,且地表变得圆润,20°坡面与之相反;3)随坡度增大,地表径流量呈先减小后增大的变化趋势,且地表糙度变幅越小的坡面,地表产流量越高,而侵蚀产沙量则随坡度的增大显著提高(P0.05)。研究成果为揭示水蚀过程中地表微地形变化的本质和作用机理提供了参考。     

人工降雨条件下坡耕地地表糙度的时空变异分布研究

水蚀过程中地表糙度变化研究,特别是微地表条件下水蚀过程中地表糙度的分布及变化特征的研究是土壤侵蚀学科领域的前沿问题,目前仍处于不断的探索与发展阶段。本文试图通过对陕西省杨凌区农耕地土壤进行固定坡度和雨强下不同耕作措施的室内人工降雨试验,建立微地形条件下高精度的DEM并进行分析,探讨地表糙度在水蚀过程中的时空变异分布。结果表明:（1）人为耕作对坡面地表糙度的整体分布状态和坡面高程空间分布状况的影响显著;（2）降雨对等高耕作、人工锄耕、人工掏挖耕作措施的高程分布有一定的影响,并且高程变化量的最大值均出现在坡面的下部;（3）在降雨侵蚀的产流前后,坡面糙度的空间变化最大,而产流后糙度的空间变化趋于平稳。研究结果初步揭示了微地表条件下地表糙度的时空变异状况,并可为进一步分析不同坡度、不同雨强条件下地表糙度的综合研究奠定基础。     

不同农业耕作措施下坡耕地填洼量特征与变化

洼地蓄水是坡耕地重要的水文要素,由于它与坡耕地产流、土壤入渗能力有关,故也是坡面水土流失研究的重要对象之一。为了进一步认识坡耕地洼地蓄水作用,该研究通过人工模拟降雨试验方法,对3种常用农业耕作措施(人工锄耕、人工掏挖、等高耕作)条件下地表填洼量特征与变化进行了深入研究,以平整坡面为对照措施。研究结果表明,实施农业耕作措施的粗糙坡面平均填洼量较平整坡面提高4~13倍,洼地蓄水量依次为等高耕作人工掏挖人工锄耕平整坡面;坡度对填洼量具有重要影响,洼地蓄水量随着坡度的变化可以用幂函数关系表达(R~20.70)。对于粗糙坡面,当坡度从15°增大到25°过程中,洼地蓄水量逐渐趋于稳定,受坡度的影响变小;在耕作坡面上,由于降雨侵蚀造成地表微地形变化,地表糙度减小,洼地蓄水量减小,地表填洼量变化可以通过地表糙度变化进行计算。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。     

黄土坡面不同微坡位上糙度对降雨侵蚀的响应

通过人工模拟降雨试验,结合高精度三维激光扫描技术研究了黄土坡面不同微坡位上糙度对降雨侵蚀的响应特征.结果表明,在同一条件下,坡顶、坡面和洼地上高程统计特征具有明显的差异;在降雨过程中,由于糙度所处的位置不同,对降雨侵蚀的响应特征也不同;地表糙度与微坡度之间存在显著的线性关系.因此,地表糙度对降雨侵蚀的响应规律具有一定的空间差异性.     

模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响。根据研究区坡耕地特点,试验共设计5个坡度,分别为9°,12°,15°,20°,25°,设计雨强为1.0mm/min,降雨历时为60min。结果表明:(1)5个坡度下坡面径流总量表现为先增大后减少,在20°与25°坡面表现出显著性差异,地表糙度变异率降幅为12°9°25°15°20°;(2)次降雨产流量与坡度、糙度变异变率呈显著指数函数关系;(3)5个坡度其坡面产沙量表现为先增大后减少,产沙量在坡面梯度为3°的坡面之间以及20°与25°坡面间存在显著性差异,说明坡度对产沙量有显著影响;(4)次降雨产沙量与坡度、糙度变异变率呈极显著线性关系;(5)次降雨量、产沙量与坡度、糙度变异变率的回归关系均优于分别与坡度、糙度变异变率的回归关系。研究成果为揭示水蚀过程中坡度与地表糙度对侵蚀的作用机理提供了参考。     

玉米季坡耕地地表糙度的变化及其对土壤溅蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,开展横垄条件下玉米全生育期紫色土坡耕地地表糙度变化及其对土壤溅蚀影响的研究。结果表明:随着玉米生育期的推进,地表糙度逐渐衰退,在抽雄期或成熟期达最小,而地表糙度变幅在玉米拔节期或抽雄期时最大,雨强对地表糙度变幅的影响表现出20°坡面15°坡面。不同坡面的向上、下坡溅蚀量及溅蚀总量,在雨强为2.0mm/min时,玉米苗期最大,1.0mm/min和1.5mm/min雨强下,最大溅蚀量出现在玉米抽雄期;玉米全生育期溅蚀量随雨强的增大而增加。在玉米苗期,各坡面雨强、糙度比率和溅蚀量间呈极显著线性正相关关系;玉米成熟期,仅在20°坡面雨强和糙度比率与溅蚀量呈显著线性关系,可知玉米冠层对各坡面溅蚀影响较大。     

坡耕地地表糙度的量测与计算

在回顾了地表糙度的测量和计算方法后,经实验证实,Brough D L,Linden D R和Van Doren D M等人提出的糙度测量和计算方法,均能满足黄土高原坡耕地人为耕作管理形成的微地形特征的研究需求。     

裸地雨滴溅蚀对坡面微地形的影响与变化特征

为了探讨溅蚀作用与坡面微地形之间的相互关系,该文通过模拟降雨试验方法,研究了黄土区坡耕地无植被条件下雨滴对坡面微地形的溅蚀作用与变化特征。微地形由不同的耕作管理措施形成,包括锄耕措施、掏挖措施和等高耕作措施,以平整坡面为对照措施。降雨强度分别为60,90和120mm/h。试验小区大小为0.5m2。用溅蚀板测定坡面向下和向上2个方向的溅蚀量。利用激光扫描仪测定微地形,并结合GIS技术建立大比例DEM(分辨率2cm)。结果表明,在耕作管理条件下,坡面微地形具有降低坡面溅蚀量的作用。微地形的变化特征主要表现为微坡度的变化,而微坡向对溅蚀作用的变化不敏感。因此,微坡度可以作为研究雨滴溅蚀作用与微地形变化的一个反映指标。     

玉米季坡耕地地表糙度的变化特征及其对土壤侵蚀的影响

通过野外模拟降雨试验,研究玉米种植下紫色土坡耕地地表糙度的变化特征,并分析地表糙度对产流产沙的影响.结果表明:随生育时期的推进,地表糙度逐渐衰退,在抽雄期时达到最小,地表糙度平均变幅大小为横坡垄作＞顺坡垄作＞平作,苗期时变化幅度最小,拔节期或抽雄期时最大;玉米长势越好地表产流时间越晚,各生育时期地表产流时间均为顺坡垄作最早,横坡垄作最晚;全生育期内地表径流量呈现先降低后增高的变化趋势,除苗期外横坡垄作产流量均低于平作,总体而言地表糙度对地表径流的影响未达到显著水平;苗期时土壤侵蚀量随地表糙度的增大呈指数递减,而其余3个生长时期均是随地表糙度的增大土壤侵蚀量呈指数或者幂函数递增.     

Performance of soil and water conservation practices in the erosion evolution process,runoff dynamics and surface roughness

Soil and water conservation practices are used widely to prevent soil erosion and protect soil and water resources, which is significant for ecological restoration and food security. However, rill evolution processes, erosion and deposition characteristics and critical hydrodynamic parameters need more research. In order to investigate the effect of soil and water conservation practices on soil erosion dynamics, simulated rainfall experiments were undertaken in a laboratory on 15° loess slopes with engineering measures (fish-scale pits, FSPs), tillage measures (artificial digging, AD; contour ploughing, CP) and bare slope (CK). The results showed that: (1) during rill erosion, hillslopes with FSPs, CP and AD were more likely to develop wide and shallow rills, while a bare slope (CK) was more likely to develop narrow and deep rills. At the end of the experiment (cumulative rainfall was about 150 mm), headward retreat erosion dominated the AD slope (maximum rill length: 3.27 m), side-wall expansion erosion dominated the CP slope (maximum rill width: 0.522 m) and bed incision erosion dominated the CK (maximum rill depth: 0.09 m); (2) soil and water conservation practices reduced surface erosion and sediment transport and runoff velocity. However, the positive effects disappeared when rainfall amounts exceeded 82.5, 105 and 127.5 mm for FSPs, CP and AD, respectively; (3) for runoff kinetic energy and runoff shear strength of 3 J and 1.5 N/m², respectively, soil and water conservation measures had greater anti-erosion abilities than CK; (4) as rainfall duration increased, surface roughness, runoff rate and sediment concentration increased on the CK and FSP treatments, but decreased on the CP and AD treatments. This study has important implications for managing different soil and water conservation measures based on rainfall conditions and offers a deeper understanding of soil erosion processes.     

不同近地表水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程研究

采用模拟降雨试验,研究了自由下渗(free drainage)、土壤水分饱和(saturation)、壤中流(seepage)3种近地面水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程.结果表明,近地表水文条件会对紫色土坡面侵蚀过程产生重要影响.在地面坡度5°～15°条件下,当地表水文条件由自由下渗演变为土壤水分饱和时,坡面侵蚀量由1.31～2.02 g/(min·m2)增加到1.83～5.50 g/(min·m2);当地表水文条件由土壤水分饱和变为壤中流时,坡面侵蚀量达到4.40～16.41 g/(min·m2).土壤水分饱和条件下坡面侵蚀量是自由下渗的1.40～2.73倍;壤中流条件下坡面侵蚀量是自由下渗时的3.36～8.12倍,是土壤水分饱和时的2.40～2.98倍.同时,坡面坡度对紫色土坡面侵蚀过程有重要的影响.     

坡度对坡面侵蚀产沙响应的研究

坡度是影响坡面土壤侵蚀的重要因素,在一定条件下,坡面土壤侵蚀随着坡度的增大而增加,但存在一个临界坡度,当超过这个坡度后,坡面土壤侵蚀量反而随着坡度的增大而减少。国内多数学者认为这个临界坡度介于25°~29°之间,这对我国25°以下坡耕地水土保持措施的配置以及超过25°坡耕地退耕还林还草计划的实施具有一定的理论指导意义。在坡面上不同坡度范围内配置合适的水土保持措施可以削弱坡度对坡面土壤侵蚀强度的影响,即在缓坡上实施保护性耕作措施,在25°以下坡耕地合理布设水平梯田及植物篱,25°以上的坡耕地实行退耕还林还草,可以有效地控制坡面土壤侵蚀的发生,促进坡耕地的可持续利用和改良。     

地表糙度对径流和产沙影响的室内试验研究

该文通过室内人工模拟降雨的方法，分析了连续降雨过程条件下，不同糙度地表的径流量和产沙量的变化。研究结果表明：人工锄耕的地表，延缓径流的作用较为明显，但这一作用仅发生在降雨初期；随着降雨的进行，不同糙度地表的径流变化规律基本一致，先增加，随后趋于稳定的趋势，但径流总量没有明显变化。同样，人工锄耕的地表，延缓地表的产沙作用强于糙度小的地表，产沙率15°坡面要高于5°坡面，随着降雨的进行，在雨强1.0 mm/min条件下，这一变化更为明显，最终产沙总量变化不大。地表糙度对侵蚀的影响，不仅与降雨持续时间相关，同时与坡度密切相关，并初步证实黄土区地表糙度对侵蚀的影响存在着一定的临界条件。这为揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据，同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施。     

不同降雨强度及坡度条件下饱和紫色土坡面细沟形态特征

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结果表明：饱和紫色土坡面细沟平均宽度、深度和细沟宽深比分别为3.44～9.64 cm、1.01～8.14 cm和1.18～3.87,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体均表现出先增大后减小的趋势,细沟宽深比沿坡面表现为上坡<中坡<下坡的变化特征。整体来看,坡面细沟宽度和深度均与降雨强度和坡度呈正相关关系,且降雨强度和坡度对坡面细沟宽度的影响相近,而坡度对细沟深度的影响较降雨强度更显著;细沟宽深比与降雨强度和坡度呈负相关关系,且坡度对坡面细沟宽深比的影响显著大于降雨强度的影响。研究结果对认识饱和土壤坡面细沟侵蚀形态变化规律、进一步探究坡面细沟发育过程具有重要参考价值。     

Impacts of soil erosion on organic carbon and nutrient dynamics in an alpine grassland soil

The impact of soil erosion on the nutrient dynamics in alpine grassland soils is still an essential problem. Selecting a grass-covered hillslope in eastern Tibet Plateau, the cesium-137 (¹³⁷Cs) technique was used to determine the impacts of soil erosion on soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and total potassium (TK). The ¹³⁷Cs data revealed that there were distinct soil redistribution patterns in different hillslope positions because of the influences of slope runoff, plant coverage and grazing activity. For the upper slope, soil erosion first decreased downward, followed by soil deposition in its lower part. In contrast, for middle and toe slopes, there was an increasing soil erosion along a downslope transect. Across the lower slope, soil erosion showed an irregular variation. Influenced by the selective transport of water erosion, SOC, TN and TP storage decreased with increasing soil erosion in upper, middle and toe slopes. In contrast, SOC, TN and TP storage varied little with soil erosion in the lower slope. On the whole hillslope, TK storage also varied little with soil erosion due to the large amount of potassium elements derived from soil parent materials. Particularly noteworthy was the greatest storage of SOC, TN and TP in the lower slope where most obvious net soil erosion occurred, which is closely related to the humus accumulation combined with gravel separation as well as weathering and pedogenesis of parent rocks induced by soil freeze-thaw.     

典型黑土直型坡耕地土壤侵蚀强度的小波分析

土壤侵蚀导致东北黑土坡耕地土地质量严重退化,研究东北黑土区典型坡耕地的土壤侵蚀规律,对控制坡耕地的水土流失以及深化土壤侵蚀规律的认识具有重要的意义。本研究通过采集开垦近100年的黑土直型坡耕地的土壤样品,利用137Cs示踪技术,结合小波分析方法,研究了长坡长直型坡耕地50多年来土壤侵蚀强度的空间变化规律,结果显示4个断面顺坡方向上的坡面侵蚀强度均存在着坡长为142m的强弱交替变化的波动周期,这反映了长坡长直型坡土壤在长期的降雨侵蚀过程中,泥沙沿坡面输移的强弱交替变化。通过对4个断面的侵蚀速率的数学拟合发现,用正弦函数的和拟合的结果最好,R2均在0.96以上,进一步说明了直型坡面侵蚀随坡长变化的波动性规律。所研究的断面控制面积内平均侵蚀速率为3054 t.km-2.a-1。     

三峡库区紫色土坡耕地土壤侵蚀的137Cs示踪研究

坡耕地是三峡库区的重点水土流失区和河流泥沙的主要来源地.采用~(137)Cs示踪技术对三峡库区紫色土坡耕地的土壤侵蚀速率进行了定量研究.结果表明,新政小流域的~(137)Cs本底值为1 420.9 Bq/m~2;平均坡度为11.4°的缓坡耕地的~(137)Cs面积活度介于398.5～1 649.6 Bq/m~2之间,坡长加权平均值为816.0Bq/m~2;采用改进的简化质量平衡模型计算了坡耕地的土壤侵蚀速率,结果得出该坡地的土壤侵蚀模数介于-3 358.8～4 937.4 t/(km~2·a),其加权平均值为1 294.6 t/(km~2·a).受犁耕作用的影响,坡耕地两个坡段的土壤侵蚀速率随坡长增加大致都呈下降趋势,并在坡段下方出现了堆积.坡耕地土壤侵蚀速率不高的原因,一方面是由于所研究坡耕地属于缓坡,坡度较小,另一方面则是由于当地农民总结出了一套有效防止水土流失的耕作方式,使得土壤侵蚀强度大大降低.     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

Determination of rill erodibility and critical shear stress of saturated purple soil slopes

The hydrological conditions near the soil surface influence the soil erosion process, as determined by the soil erodibility and critical shear stress. The soil erodibility and critical shear stress of saturated purple soil slopes were computed and compared with those of unsaturated purple soil slopes. The detachment capacities computed through the numerical method (NM), modified numerical method (MNM) and analytical method (AM), from rill erosion experiments on saturated purple soil slopes at different flow rates (2, 4, and 8 L min^?1) and slope gradients (5, 10, 15, and 20°), were used to comparatively compute the soil erodibility and critical shear stress. The computed soil erodibilities and critical shear stresses were also compared with those of unsaturated purple soil slopes. At the different slope gradients ranging from 5° to 20°, there were no significant differences in the soil erodibilities of the saturated purple soil and also in those of the unsaturated purple soil. The critical shear stresses slightly varied with the slope gradients. The saturated purple soil was relatively significantly more susceptible to erosion. The NM overestimated the soil erodibility of both saturated and unsaturated soils by 31% and underestimated the critical shear stress. The MNM yielded the same soil erodibility and critical shear stress values as the AM. The results of this study supply parameters for modeling rill erosion of saturated purple soil slope.