小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

流域土壤侵蚀测量系统研究

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,它们的实时、准确测量将为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。针对这一问题,提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统。该系统由四部分构成:量水堰和水位传感器实现径流流量的测量;薄层水流流速测量系统测量坡面流及其流域内沟道中水流速度;径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量;数据采集控制以及存储系统,实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更自动化和可操作化方向发展。     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀及其预报模型研究

在小流域内建立人工径流试验小区和自然坡面径流试验小区,观测天然降雨条件下的土壤侵蚀现象、土壤侵蚀量和小流域出口治沟骨干工程的淤积量,并对小流域土壤侵蚀进行了分类。在特别界定小流域"坡面侵蚀"、"沟道侵蚀"和沟道"重力侵蚀"词语含义的基础上,建立起坡面侵蚀模数和沟道侵蚀模数的预报模型。该侵蚀预报模型具有较高的精度,适用于年降雨量为430mm左右的黄土丘陵沟壑区。     

小流域水文及土壤侵蚀过程模拟方法研究

流域土壤侵蚀动态模拟,需要采用合适的方法对坡面—沟道耦合问题及初始和边界条件进行正确的处理。将流域划分为坡面侵蚀与沟道侵蚀,采用时间空间耦合处理方法,实现了小流域坡—沟侵蚀过程中水流与泥沙输送的面—线耦合及沟道间的线—线连接。给出了模拟流域土壤侵蚀过程的控制微分方程、初始条件、边界条件及坡面向沟道汇水输沙的动态模拟处理方法。得到了较为符合实际的流域土壤侵蚀动态模拟模型。模拟结果与室内实验测量结果的比较表明,模拟精度达到80%以上,说明了动态模拟方法的可行性。     

基于支持向量机回归的次降雨小流域侵蚀产沙预报研究——以晋西王家沟为例

基于次降雨小流域侵蚀产沙过程的复杂性、非线性，利用支持向量机回归和主成分分析方法，确定了影响次降雨小流域侵蚀产沙量的关键因子，包括浑水径流深、洪峰最大流量、降雨量和30min最大降雨强度。建立了向量机回归支持下的次降雨小流域侵蚀产沙预测模型。利用60次侵蚀产沙实测资料，对模型预报精度进行了分析，结果表明，基于支持向量回归的次降雨流域侵蚀产沙预报模型具有较好的预测精度，预测精度平均为在86％。该研究为揭示次降雨小流域土壤侵蚀规律提供了新的途径和方法。     

黄土丘陵沟壑区小流域水蚀预报模型构建

根据黄土丘陵沟壑区侵蚀产沙垂直分带性规律,提出小流域土壤侵蚀方式发生部位界定方法。基于黄土丘陵沟壑区侵蚀环境特点,设计了GIS支持下的小流域分布式水蚀预报模型结构,模型考虑的侵蚀过程包括雨滴击溅侵蚀、片蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀以及沟道侵蚀。同时。提出模型各模块的计算方法,根据动态物质平衡原理。完成了流域侵蚀产沙过程演算。     

基于GIS的次降雨分布式土壤侵蚀模型构建——以晋西王家沟流域为例

利用野外试验小区观测与人工模拟降雨资料,在定量分析羊道沟小流域坡面—沟坡—沟道侵蚀产沙关系基础上,建立了羊道沟小流域侵蚀产沙模型。借助GIS技术,将王家沟小流域划分为40个沟间地、40个沟坡地及它们组成的40个子流域和一个输水输沙通道。通过对比分析每个子流域降雨、地貌、治理、植被覆盖、耕作措施和土壤6个主要侵蚀产沙影响因子与羊道沟小流域各因子的关系,得到王家沟各子流域相对于羊道沟小流域侵蚀产沙模型相应参数的修正系数,结合王家沟流域主沟道泥沙输移关系,建立了王家沟流域次降雨分布式侵蚀产沙模型。利用王家沟流域1963-1968年22次天然降雨资料,对模型进行检验,结果较为理想,预测精度达到55％。     

黄土丘陵区小流域分布式水文和侵蚀模型建立和模拟

基于黄土丘陵区复杂地理环境和土壤侵蚀物理过程,建立了水文过程和侵蚀过程数学模型,水文过程包括降雨入渗和产汇流计算模型;侵蚀过程包括溅蚀-片蚀带侵蚀子模型、梁坡中上部细沟侵蚀带侵蚀子模型、梁坡中下部细沟-浅沟侵蚀带侵蚀子模型、切沟侵蚀带侵蚀子模型、沟道侵蚀带侵蚀子模型;选择黄土丘陵区黑矾沟小流域10场侵蚀性降雨事件作为参数率定,其径流量和侵蚀量模拟精度分别达到了81.8%和70.8%;纸坊沟小流域2场侵蚀性降雨事件用来对模型进行检验,其径流量和侵蚀量模拟精度分别达到了75%和69.3%,与实测结果基本符合,较好地反映了小流域的地表径流过程和侵蚀产沙过程。     

黄土高原小流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型研究

建立具有广泛适用性的流域尺度侵蚀产沙预报模型是土壤侵蚀和水土保持研究的前沿领域。本文以黄土高原丘陵沟壑区第一副区岔巴沟流域为例,建立了流域侵蚀产沙人工神经网络模型,并运用缺省因子检验法分析各因子对流域侵蚀产沙的敏感程度;建立了基于敏感因子与分形信息维数的流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型,并加以验证。研究表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述流域水沙耦合关系;径流侵蚀功率和径流深对流域次降雨侵蚀产沙的敏感程度与流域地貌形态的复杂程度有关;以分形信息维数为界限,分段引入径流侵蚀功率和径流深,当Di0.8308时,采用径流侵蚀功率预测精度要高于采用径流深的预测精度,当Di0.8140时,采用径流深预测精度要高于采用径流侵蚀功率的预测精度。该侵蚀产沙分段预报模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,对其他侵蚀产沙模型有一定的借鉴之处。     

BODIUM—A systemic approach to model the dynamics of soil functions

The increasing demand for biomass for food, animal feed, fibre and bioenergy requires optimization of soil productivity, while at the same time, protecting other soil functions such as nutrient cycling and buffering, carbon storage, habitat for biological activity and water filter and storage. Therefore, one of the main challenges for sustainable agriculture is to produce high yields while maintaining all the other soil functions. Mechanistic simulation models are an essential tool to fully understand and predict the complex interactions between physical, biological and chemical processes of soils that generate those functions. We developed a soil model to simulate the impact of various agricultural management options and climate change on soil functions by integrating the relevant processes mechanistically and in a systemic way. As a special feature, we include the dynamics of soil structure induced by tillage and biological activity, which is especially relevant in arable soils. The model operates on a 1D soil profile consisting of a number of discrete layers with dynamic thickness. We demonstrate the model performance by simulating crop growth, root growth, nutrient and water uptake, nitrogen cycling, soil organic matter turnover, microbial activity, water distribution and soil structure dynamics in a long-term field experiment including different crops and different types and levels of fertilization. The model is able to capture essential features that are measured regularly including crop yield, soil organic carbon, and soil nitrogen. In this way, the plausibility of the implemented processes and their interactions is confirmed. Furthermore, we present the results of explorative simulations comparing scenarios with and without tillage events to analyse the effect of soil structure on soil functions. Since the model is process-based, we are confident that the model can also be used to predict quantities that have not been measured or to estimate the effect of management measures and climate states not yet been observed. The model thus has the potential to predict the site-specific impact of management decisions on soil functions, which is of great importance for the development of a sustainable agriculture that is currently also on the agenda of the ‘Green Deal’ at the European level.     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

土壤重金属迁移模拟研究的现状与展望

随着工业发展和废弃物的排放不断增加，土壤重金属污染已经成为一个世界性环境问题。土壤重金属的分布转化以及污染修复的研究受到广泛关注，数学模型及计算机模拟研究成为重要的研究手段。该文对土壤重金属迁移的模拟研究的进展进行了回顾与归纳，集中阐述了对流弥散和经验随机两大类模型的特点和应用，并指出了研究中存在的问题及今后研究的发展方向。将数学模拟与土壤重金属信息系统及地理信息系统GIS的有机结合，将有可能为环境保护和农业决策提供新的重要依据。     

聚丙烯酰胺改性生物质炭对盐碱化土壤盐分洗脱的影响

为了提升生物质炭对滨海盐碱土壤盐分的洗脱效率,以海兴县盐碱土为研究对象,利用聚丙烯酰胺(PAM)、小麦秸秆生物质炭(BC)、黏土矿物(M)等材料制备聚丙烯酰胺改性生物质炭(PAM-BC),通过室内模拟淋溶试验研究对比不同环境材料对盐碱土盐分的洗脱效果。结果表明,相比于CK处理,PAM、BC和PAM-BC、CaSO₄(CS)处理均显著增加土壤盐分洗脱量,其中PAM-BC处理下增幅最高,达到12.3%。进一步对淋洗液中主要盐分离子分析,添加PAM-BC显著促进土壤Na⁺和Cl^-的洗脱,增幅分别为11.0%～27.3%和17.8%～42.3%。主成分分析表明,PAM-BC增强对主要盐分离子的洗脱效果。土柱淋溶结束后,PAM-BC添加处理土壤全盐量比其他处理显著降低6.0%～16.7%。此外,土壤水分特征曲线表明,添加PAM-BC提升盐碱土壤的保水性。研究结果可为聚丙烯酰胺改性生物质炭应用于滨海盐渍化土壤的降盐改土提供理论依据。     

水分淋洗下菜园土壤各形态锌的迁移转化特征

采用室内模拟降雨淋溶土柱的方法，研究了经过1年降雨的淋溶后，菜园土壤垂直方向上各形态锌的迁移转化规律。结果表明：锌的大多数形态很难随水分运动发生迁移，～年的降雨至多能使占总量0．57％的水溶态锌发生淋溶损失。水分淋洗和施磷锌平均能使分别占总量3％和4％的难溶态RES—Zn和OX-Zn向易被植物利用的EX—Zn、CABS—Zn和OM—Zn形态转化。随施锌量的增加，土壤锌的有效性指数增加30％～78％．有效锌总量增加3．12～10．07mg／kg。当施磷50mg／kg时，土壤Zn的有效性指数增加3％～28％，有效锌总量增加0．04～0．28mg／kg，磷锌在土壤中表现为协同作用。     

腐植酸在土壤中迁移的模拟实验研究

浅层地下水中的腐植酸与人体健康密切相关,腐植酸在土壤中的迁移影响土壤和地下水中腐植酸含量。采用土柱模拟实验,研究了不同条件下腐植酸的迁移规律。结果表明,腐植酸的出水浓度随时间逐渐升高,最后趋于稳定;同一时间段内,初始浓度为15mg·L-1时的出水浓度比10mg·L-1时高,且早24h达到稳定浓度;淋滤液pH为9时的出水浓度比pH为4时高,且早16h达到稳定浓度;粉质粘土柱对腐植酸的吸附和阻滞作用大于砂壤土柱,出水浓度较低,晚32h达到稳定浓度;土层厚为5cm的土柱出水浓度高于15cm土柱,早32h达到稳定浓度。分析认为,土壤对腐植酸的吸附作用是出水浓度变化的主要原因,腐植酸和土壤的理化性质是影响腐植酸在土壤中迁移的主要因素。     

Can soil moisture deficit be used to forecast when soils are at high risk of damage owing to grazing animals?

A potentially significant cause of damage to grassland soils is compaction of unsaturated soil and poaching of saturated or nearly saturated soil by animal hooves. Damage is caused when an applied stress is in excess of the bearing strength of the soil and results in a loss of soil structure, macroporosity and air or water conductivity. Severely damaged soils can cause reduced grassland productivity and make grazing management very difficult for the farmer. The actual amount of soil damage that can occur during grazing is dependent on the grass cover which acts as a protecting layer, the soil water content and the characteristics of the grazing animal (weight and hoof size). Assuming that the farmer is knowledgeable about the characteristics of the grazing animal and grass cover, it would be very useful for short‐term operational farm planning to be able to predict when soil water contents were likely to be in a critical range with respect to potential hoof damage. In this study soil moisture deficits (SMDs) which can be derived from meteorological forecasts are evaluated for predicting when soil water conditions are likely to lead to hoof damage. Two contrasting Irish grassland soils were analysed using a Hounsfield servo‐mechanical vertical testing machine to simulate static (285.4 N) and dynamic (571 N) hoof loads on the soil over a range of estimated SMDs (0, 5, 10 and 20 mm). The deficits were analysed with respect to the soil volumetric water content, compression (displacement) and change in dry bulk density. The SMDs imposed in the laboratory were similar to those under field conditions and thus the methods used in this study are applicable elsewhere. The change in dry bulk density following loading (0.2–0.7 g/cm³) was linearly related to SMD (R² ranged from 0.90 to 0.99), leading to the conclusion that a forecast of SMD can be used to predict when grassland soils are likely to be at risk of damage from grazing.     

紫色土坡耕地土质埂坎分层入渗试验研究

以相邻田面为对照,利用双环入渗法对三峡库区紫色土坡耕地土质埂坎分层(地埂、坎腰和坎趾)的入渗特征进行研究。结果表明:(1)土质埂坎分层入渗与对照田面入渗均呈先陡降后趋于稳定的趋势,但达到稳定入渗的时间存在差异。地埂达到稳定入渗的时间最长(110min),坎腰、坎趾和田面达稳定入渗的时间分别比地埂少9%,82%,18%。从入渗性能看,土质埂坎各层均表现出初始入渗率平均入渗率稳定入渗率。平均入渗率与120min累积入渗量表现为地埂坎腰田面坎趾,初始入渗率为坎腰地埂田面坎趾,稳定入渗率为田面坎腰地埂坎趾。(2)采用4种模型进行拟合,其中通用经验模型是描述坡耕地土质埂坎入渗的较好模型,其后依次是Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型。(3)土质埂坎入渗性能与土壤物理性质具有较好的相关性,初始入渗率与初始含水率、容重呈显著负相关(P0.05),平均入渗率、120min累积入渗量与粉粒体积分数、初始含水率呈显著负相关(P0.05),与砂粒体积分数和总孔隙度呈显著正相关(P0.05)。研究结果可为紫色土区坡耕地土壤侵蚀调控的埂坎措施优化提供依据。     

施肥水平对冬小麦田土壤水分影响的模拟

在模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型模拟研究了黄土高原长武早塬地1957～2001年期间不同肥力水平下连作冬小麦田的土壤干燥化效应.结果表明:4种肥力处理下连作冬小麦逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势,平均每年分别减少8.6、8.6、11.1和13.7 mm,无肥和低肥与中肥和高肥处理间土壤有效含水量差异十分显著,但无肥和低肥处理间无明显差异;在模拟初期出现了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程,在连作第5～8年以后均出现了稳定的土壤干层,无肥和低肥处理土壤干层均分布于2～3 m土层,中肥和高肥肥处理分别分布于2～4 m和2～5 m土层,随肥力和作物产量水平的提高,土壤干层厚度增厚;4种肥力处理麦田生产年度耗水量接近且呈现波动性缓慢降低趋势,但前1～4年中肥和高肥处理麦田共计较无肥处理麦田多耗水91和203 mm,长武旱塬地麦田土壤水分承载力为1.422～2.405 t/hm2,相应的肥力水平为N45～90 kg/hm2和P 15～30 kg/hm2.