不同降雨条件下沂蒙山区耕层土壤团聚体特征

降雨强度和时长对土壤团聚体的影响至关重要,不同降雨特征下沂蒙山区耕层土壤团聚体时空变异特征仍不清晰。基于模拟降雨试验,研究了不同降雨强度(16 mm/h,43 mm/h,71 mm/h)和降雨时长(10 min,30 min,60 min)下沂蒙山区褐土耕层土壤团聚体特征。结果表明:降雨强度16 mm/h,10 min降雨时长下仅对0—5 cm土层土壤团聚体产生影响,>5 mm粒级团聚体含量迅速降低。其他雨强和时长下,0—5,5—10,10—20 cm土层团聚体含量均发生变化。在43,71 mm/h的降雨强度下,随着降雨时长的增加,0—5 cm土层微团聚体含量均表现出先增加后降低的趋势。与供试土壤相比,雨强为71 mm/h,降雨时长60 min时,0—5 cm土层>5 mm粒级团聚体含量减少了93%,而<0.25 mm粒级团聚体含量增加了42%。土壤团聚体的平均重量直径(MWD)随降雨强度及时长的增加而减小,在降雨强度71 mm/h,降雨时长60 min时各土层MWD趋于一致。说明,随降雨强度及时长的增加,雨滴打击和雨水湿润作用对土壤大团聚体的拆分作用增强,大团聚体含量逐渐减少,微团聚体含量逐渐增加,土壤稳定性先降低后趋于稳定。     

东北典型黑土区农耕土壤团聚体流失特征

通过野外原位模拟降雨试验,研究了东北典型黑土区3种降雨强度(30、60和90 mm h-1)下农耕地坡面侵蚀过程的土壤团聚体流失特征,分析了流失团聚体特征指标(平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)、平均重量比表面积(MWSSA)、≥1 mm粒级团聚体比例(PA1)、≥2 mm粒级团聚体比例(PA2)、≥0.25 mm粒级团聚体比例(PA0.25))的变化规律。结果表明:降雨强度对典型黑土区农耕地坡面侵蚀有显著影响;次降雨初期侵蚀量占整个降雨过程总侵蚀量的比例随着降雨强度的增加而增大。在30 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25 mm粒级团聚体为主,其占团聚体流失总量的90.0%;在60 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和0.5~1 mm粒级团聚体为主,二者占团聚体流失总量的63.7%;而90 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和2~5 mm粒级团聚体为主,二者分别占团聚体流失总量的31.7%和31.2%。PA0.25、PA1、PA2、MWD和GMD与降雨强度和含沙量之间均呈现极显著正相关关系;MWSSA和D与降雨强度和含沙量之间呈现极显著负相关关系。研究结果还表明,PA1、MWD和GMD皆能较好地表征典型黑土区农耕土壤的团聚体流失特征。     

不同筛分方式对土壤团聚体及土壤微生物群落的影响

探究土壤团聚体组成、稳定性、有机碳含量及微生物数量在不同土壤筛分方式下的变化,对团聚体筛分方式进行优化。以黑土为研究对象,设置不同筛分方式处理,比较干土干筛、干土湿筛、润土干筛、润土湿筛4种筛分方式的优缺点。结果表明,润土干筛比干土湿筛处理≥2 mm粒径的土壤团聚体高出约85.97%,而在2～0.25、≤0.25 mm粒级中团聚体所占比例最高的干土湿筛比最低的润土干筛分别高出约80.90%、91.82%。>0.25 mm水稳性团聚体含量(R_0.25)在润土干筛下达到最高,为99.35%,该指标与土壤团聚体稳定性成正相关,其值越高则表示土壤抗蚀能力越强。干土湿筛处理下各粒级团聚体土壤有机碳分布平均。干土湿筛处理下,土壤细菌和放线菌的数量最高。而润土干筛处理下土壤真菌数量较高,与润土湿筛、干土干筛、干土湿筛3个处理方式相比有显著性差异。综上发现,干土湿筛处理下土壤团聚体稳定性更好,土壤微生物数量较高,在一定程度上对土壤结构、土壤质量起到优化的作用。     

片蚀过程中■土团聚体活性有机碳流失特征及其量估算

[目的]揭示土壤团聚体破碎、迁移对活性有机碳流失的影响,建立活性有机碳流失量估算方程,为评估水蚀作用下土壤有机碳流失与矿化的定量关系提供理论支撑。[方法]以黄土高原典型■土为研究对象,设计3种降雨强度(60mm/h,90mm/h,120mm/h)和3个坡度(5°,10°,15°),采用人工模拟降雨技术,通过建立经验方程,对活性有机碳流失量进行估算。[结果]相较雨强,坡度对土壤轻组有机碳(light fraction of soil organic carbon,LFoc)流失的影响更明显,片蚀与溅蚀泥沙LFoc含量均随坡度的增大先减小后增大,而雨强对片蚀泥沙LFoc含量无显著影响(p<0.05);溅蚀泥沙LFoc含量明显低于片蚀,且溅蚀泥沙LFoc未发生明显富集,片蚀泥沙中LFoc发生明显富集;对比不同粒级团聚体LFoc含量发现,<0.05mm黏粉粒、0.05～0.25mm团聚体中LFoc更易于发生富集,而0.25～2mm团聚体LFoc只在小雨强和小坡度条件下发生富集;由于<0.02mm粒级团聚体迁移为LFoc流失的主导因素,基于<0.02mm粒级团聚体迁移量相...     

降雨驱动下红壤团聚体的溅蚀特征及周转过程

[目的]研究降雨驱动作用下土壤团聚体受雨滴打击发生破碎和形成的过程,丰富土壤侵蚀研究机理。[方法]基于稀土元素示踪法,对各粒径土壤团聚体同时进行标记。在90 mm/h降雨溅蚀条件下,通过各粒径土壤团聚体(2～5 mm, 0.25～2 mm, 0.053～0.25 mm,<0.053 mm)在不同降雨特征参数(降雨历时、雨滴大小)下的质量变化和稀土元素含量变化,定量分析了团聚体间的周转路径和溅蚀颗粒特征。[结果]降雨驱动作用下,溅蚀量和溅蚀率会随着降雨动能的增加而变大,溅蚀颗粒主要分布于0.25～2 mm粒径范围内;除>2 mm的颗粒为大团聚体直接飞溅产生,<0.25 mm粒级溅蚀颗粒均主要源于大粒级团聚体破碎形成,最高可达到73.83%,其次为该粒级直接被击飞形成,同时会有小粒级颗粒吸附黏结形成;在残余团聚体的动态周转过程中,主要是相邻级别的团聚体间形成和破碎过程占比较高,其中大团聚体破碎产生小团聚体和粉黏粒团聚形成小团聚体分别对原粒级团聚体的破碎和形成方向的贡献率较高,分别达到24.06%～42.15%和36.83%～70.76%,且随着降雨时间的变化,大团聚体首先...     

不同地表条件下黑土区坡耕地侵蚀过程中土壤团聚体迁移

土壤侵蚀过程中,土壤团聚体的迁移反映了团聚体的破碎程度及径流的搬运能力,直接影响着侵蚀强度.以东北典型薄层黑土区耕层土壤为研究对象,采用模拟降雨试验方法,研究裸露休闲、纱网覆盖与秸秆覆盖3种地表条件下不同粒级(>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.5～1 mm,0.25～0.5 mm和<0.25mm)土壤团聚体的迁移特征.结果表明:(1)纱网覆盖与秸秆覆盖具有削减径流和抑制侵蚀的作用,其中抑制产沙作用更明显,减沙率分别为75%和99%以上;(2)3种地表条件下,<0.25 mm团聚体是主要的流失粒级,其占到团聚体流失总量的50%以上;各粒级流失量均表现为:裸露休闲>纱网覆盖>秸秆覆盖;(3)纱网覆盖和秸秆覆盖下的团聚体粒级分布与裸露休闲的相比,差异较为明显的均是<0.25 mm粒级,该粒级流失量较裸露休闲的分别减少74.62%和99%;秸秆覆盖与纱网覆盖之间差异明显的是<0.25 mm与1～5 mm粒级,流失量较纱网疆盖的分别减少97.81%和86.03%;(4)秸秆覆盖下团聚体平均重量直径表现为最大;分形维数和平均重量比表面积均表现为:裸露休闲>纱网覆盖>秸秆覆盖.     

溅蚀过程中红壤团聚体周转路径的定量表征

为研究土壤团聚体的形成和破碎过程对于降雨侵蚀的响应机制，对降雨打击作用下不同粒径红壤团聚体在溅蚀过程中的周转路径进行了探讨。该研究基于稀土元素示踪法，对各粒径团聚体分别进行了标记，电感耦合等离子体质谱测定，实现全土样团聚体的周转路径追踪；然后通过室内模拟降雨试验，在90和30 mm/h降雨溅蚀条件下，对不同粒径大小团聚体（2～5、0.25～<2、0.053～<0.25、<0.053 mm）随降雨历时的周转变化规律进行了定量化研究。结果表明：稀土元素标记得到的标记团聚体效果较好且在湿筛过程中回收率达到90%以上，吸附稳定；不同降雨强度下，土壤团聚体的周转过程呈现出向破碎方向转化的趋势；90 mm/h降雨下团聚体更快发生破碎并到达稳定状态，其累积破碎率在降雨40 min后基本不发生改变，而30 mm/h下土壤团聚体会随降雨动能的累积逐步发生破碎；结合相关性分析可以发现小团聚体的变化对于整个溅蚀过程的累积破碎率和累积团聚率均表现出显著相关（P<0.01），>0.25 mm团聚体与其他粒级团聚体间的周转不显著相关（P>0.05），但<0.25 mm团聚体可能通过逐级团聚影响到其他粒级团聚体。不同团聚体在溅蚀过程中的双向转化过程，研究结果为侵蚀过程中土壤结构的动态变化模型提供理论参考。     

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度(30、60和90 mm/h)和2个坡度(3°、5°),研究降雨强度和坡度对典型黑土(Mollisol)农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明:当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5～17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%～74.08%。当降雨强度为30和60mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5～1 mm粒级最多,2～5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为0.25和2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中0.25mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1～5和0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。     

土地利用方式对红壤团聚体稳定性的影响

以湖南、湖北和江西3省第四纪红土母质发育的土壤为材料,应用干、湿筛法比较不同利用方式下土壤的团聚体粒级分布、平均重量直径(MWD)以及团聚体破坏率(PAD)的差异,分析在不同利用方式下土壤团聚体的分布特征以及稳定性与土壤有机碳的联系。结果表明:不同利用方式下干筛团聚体均以>5mm粒级为主,其次为<0.25mm粒级,而湿筛团聚体则以<0.25mm粒级为主。各不同利用方式土壤团聚体干、湿筛MWD值变化趋势大体一致,并且与有机质含量均呈显著正相关关系。各不同利用方式下PAD有显著差异,表现为旱地>果园>水田>茶园>林地,并且PAD与土壤有机质含量和湿筛获得的MWD值呈极显著负相关。不同有机质含量可显著影响不同利用方式下水稳性团聚体粒级分布。>5mm,1～0.5mm,0.5～0.25mm,>0.25mm粒级水稳性团聚体的含量比例均与有机质含量之间有极显著的相关关系,而5～2mm和2～1mm粒级水稳性团聚体则与有机质含量相关性并不显著。不同土地利用方式对土壤有机质含量有极大的影响,有机质含量高低表现为水田>林地>茶园>旱地>果园。     

降雨强度和坡度对黑土坡耕地团聚体流失特征的影响

为量化雨强和坡度对团聚体流失特征的影响,以黑土坡耕地表层土壤(0—10 cm)为研究对象,采用室内模拟降雨的研究方法,对比了不同雨强(78,127 mm/h)及坡度(2°,4°,6°)下团聚体流失特征,并计算了雨强和坡度对团聚体流失量的贡献率。结果表明：(1)相同雨强条件下,团聚体流失总量随坡度的增加显著增加0.70～1.42倍;相同坡度条件下团聚体流失总量随雨强的增加在坡度4°和6°时分别显著增加1.94,2.41倍。雨强是团聚体流失总量的主要影响因子,贡献率为52.44%;(2)随坡度增加,流失团聚体MWD显著减少,D值仅在雨强78 mm/h时显著增加;随雨强增加流失团聚体MWD,D无显著差异;(3)随坡度增加,粒径5～1,1～0.25,0.25～0.053 mm团聚体流失量呈先增加后减少的趋势,粒径<0.053 mm团聚体流失量显著增加。随雨强的增加,小粒径团聚体流失量呈增加趋势,大粒径团聚体流失量仅在高坡度条件下明显增加;(4)雨强是粒径1～0.25,0.25～0.053,<0.053 mm团聚体流失量的主要影响因素,贡献率为27.42%～47.09%;坡度是粒径5...     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

黑土区坡耕地横坡垄作措施防治土壤侵蚀的土槽试验

为了研究黑土区坡耕地横坡垄作防治坡面土壤侵蚀的效应,该文利用8 m×1.5 m的试验土槽,设计3个降雨强度(50、75和100 mm/h)、1个典型坡度(5°)以及横坡垄作和无垄作(平坡裸地对照试验)的试验处理进行模拟降雨试验,研究东北黑土区横坡垄作坡面在不同降雨强度下的防治坡面侵蚀效应。结果表明:横坡垄作在50 mm/h降雨强度下坡面基本不发生土壤侵蚀,但在75和100 mm/h降雨强度下会发生断垄,造成防蚀效应急剧降低。横坡垄作坡面的径流和侵蚀过程均明显存在以断垄时间为界的突变,在3个降雨强度下,横坡垄作断垄前可使坡面径流量和侵蚀量分别减少97.7%和99.1%以上,坡面蓄渗率达到97.2%以上;而断垄后坡面径流量和侵蚀量分别增加23.3~25.9倍和136.8~171.5倍,蓄渗率下降至50%以下。试验研究表明横坡垄作在≤50 mm/h的降雨强度下具有很好的坡面防治侵蚀效应,但当遇到强降雨时易发生断垄,防蚀效应急剧降低。     

Effects of sheet and rill erosion on soil aggregates and organic carbon losses for a Mollisol hillslope under rainfall simulation

Purpose

Characterizations of soil aggregates and soil organic carbon (SOC) losses affected by different water erosion patterns at the hillslope scale are poorly understood. Therefore, the objective of this study was to quantify how sheet and rill erosion affect soil aggregates and soil organic carbon losses for a Mollisol hillslope in Northeast China under indoor simulated rainfall.

Materials and methods

The soil used in this study was a Mollisol (USDA Taxonomy), collected from a maize field (0–20 cm depth) in Northeast China. A soil pan with dimensions 8 m long, 1.5 m wide and 0.6 m deep was subjected to rainfall intensities of 50 and 100 mm h^?1. The experimental treatments included sheet erosion dominated (SED) and rill erosion dominated (RED) treatments. Runoff with sediment samples was collected during each experimental run, and then the samples were separated into six aggregate fractions (0–0.25, 0.25–0.5, 0.5–1, 1–2, 2–5, >?5 mm) to determine the soil aggregate and SOC losses.

Results and discussion

At rainfall intensities of 50 and 100 mm h^?1, soil losses from the RED treatment were 1.4 and 3.5 times higher than those from the SED treatment, and SOC losses were 1.7 and 3.8 times greater than those from the SED treatment, respectively. However, the SOC enrichment ratio in sediment from the SED treatment was 1.15 on average and higher than that from the RED treatment. Furthermore, the loss of <?0.25 mm aggregates occupied 41.1 to 73.1% of the total sediment aggregates for the SED treatment, whereas the loss of >?0.25 mm aggregates occupied 53.2 to 67.3% of the total sediment aggregates for the RED treatment. For the organic carbon loss among the six aggregate fractions, the loss of 0–0.25 mm aggregate organic carbon dominated for both treatments. When rainfall intensity increased from 50 to 100 mm h^?1, aggregate organic carbon loss increased from 1.04 to 5.87 times for six aggregate fractions under the SED treatment, whereas the loss increased from 3.82 to 27.84 times for six aggregate fractions under the RED treatment.

Conclusions

This study highlights the effects of sheet and rill erosion on soil and carbon losses at the hillslope scale, and further study should quantify the effects of erosion patterns on SOC loss at a larger scale to accurately estimate agricultural ecosystem carbon flux.

     

不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究不同雨强对紫色土坡面侵蚀过程的影响,通过人工模拟降雨试验和室内分析,采用降雨总量(30mm)一定、降雨历时不定的原则,在2种覆盖度(50%和75%)下,分析了3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)对紫色土土壤坡面产流产沙的影响。结果表明:在50%和75%覆盖度下,(1)雨强越大紫色土坡面产流总量和径流率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下的2种覆盖度产流量分别占坡面产流总量的18%,30%,52%。(2)雨强越大紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下,2种覆盖度产沙量分别占坡面产沙总量的13%,33%,54%。(3)紫色土坡面侵蚀泥沙中的水稳性团聚体的粒径主要集中在0.25,3mm,分别占泥沙总量的74%和67%,0.25~3mm粒径的水稳性团聚体分别占泥沙总量的30%和26%。(4)相关分析表明,雨强和紫色土坡面产流产沙量均为极显著正相关(P0.01)。雨强与产沙量之间均拟合为一次线性方程;雨强与产流量之间分别拟合为一次线性方程和二次方程。研究结果为控制紫色土坡面水土流失和揭示其相关侵蚀机理提供参考。     

人工模拟降雨条件下红壤团聚体流失特征研究

以第四纪红粘土发育红壤为研究对象,通过室内模拟降雨和放水冲刷组合试验,研究了不同降雨强度(0,60,90,120mm/h)和放水流量(5,7.5L/min)下红壤坡面团聚体流失特征,分析了团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GDM)、分形维数(D)和平均重量比表面积(MWSSA)的变化特征。结果表明:侵蚀泥沙中0.05mm微团聚体初始含量在19%~58%之间,随产流时间的延长先降低后趋于稳定;0.25mm大团聚体含量最高,随产流时间的延长先升高后趋于稳定。相同降雨强度下,当放水流量由5L/min增大到7.5L/min时,团聚体MWD和GMD有所增大,D和MWSSA有所减小。无降雨时,泥沙中团聚体的MWD和GMD低于有降雨时的MWD和GMD,而D和MWSSA高于有降雨时的D和MWSSA。相同放水流量下,随着降雨强度增强,团聚体的MWD和GMD呈增大趋势,D和MWSSA呈减小趋势。     

Impacts of natural polymer derivative neutral polysaccharide Jag S and cationic hydroxypropyl polysaccharide Jag C162 on rainfall infiltration on an experimental loess hillslope

ABSTRACT

Developing effective measures to improve soil structure and increase soil infiltration in the Loess Plateau located in arid and semiarid areas is important for soil and water conservation. Simulated rainfall experiments were conducted to determine the effects of two new natural polymer derivatives, namely neutral polysaccharide (Jag S) and cationic hydroxypropyl polysaccharide (Jag C162), on rainfall infiltration and their underlying mechanisms. The proportions of different sizes of water-stable soil aggregates were analyzed after spraying four different concentrations (0, 1, 3, and 5 g m^?2) of Jag S and Jag C162 under rainfall intensities of 1, 1.5, and 2 mm min^?1 and a slope gradient of 15°. Treatments with Jag S and Jag C162 significantly improved the rainfall infiltration rates (IRs) compared with the control. Moreover, applying 1 and 3 g m^?2 Jag S effectively increased the IRs by 22.81% and 13.69%, respectively. Treatment with Jag C162 also increased the rainfall IRs by 39.47%, 46.59%, and 46.50%. Furthermore, the content of >0.25 mm water-stable soil aggregates increased from 27.19% to 90.42% before rainfall and from 9% to 50% after rainfall. Compared with Jag C 162, treatment with Jag S was less effective on improving rainfall infiltration and aggregate content. In particularly, application of 5 g m^?2 Jag S improved the soil aggregate content but weakened rainfall infiltration because of the higher viscidity and consistency of the Jag S solution. Overall, spraying appropriate amounts of Jag C162 and Jag S on the loess slope surface can increase the water-stable soil aggregate content, resulting in improved rainfall infiltration and reduced soil erosion. Thus, application of two new natural polymer derivatives is a possible alternative conservation practice in the Loess Plateau.     

人工模拟降雨条件下不同雨强、坡度对紫色土坡面产流的影响

[目的]研究不同降雨强度和坡度对紫色土坡面产流过程的影响,为紫色土区域的水土流失防治提供科学依据。[方法]基于室内人工模拟降雨试验开展研究。[结果]不同雨强和坡度下的产流过程可大致分为"下凹"型和"上凸"型,且分别可以用指数函数和对数函数描述。随着雨强和坡度的增大,产流时间逐渐减小,产流过程逐渐趋于一致,坡面径流量逐渐增加。坡度和雨强对径流总量的贡献率有着对比消长的关系,小雨强下(雨强为33和54mm/h),坡度是坡面径流总量的主要贡献因子,随着雨强增大(雨强为94和125mm/h),雨强为坡面径流总量的主要贡献因子。[结论]坡度和雨强均为坡面侵蚀的主要影响因子,随着坡度和雨强的增加,坡面侵蚀更加剧烈,主要侵蚀因子也由坡度转变为雨强。