草甸土近地表解冻深度对融雪侵蚀影响模拟研究

采用室外人工模拟融雪水冲刷试验,研究了春季解冻期近地表草甸土解冻深度对坡面融雪水冲刷侵蚀过程的影响。结果表明:土壤解冻深度对产流及侵蚀有较大影响。由于冲刷过程中冻土层逐渐向下移动,解冻土层厚度增加,坡面产流和侵蚀也随之经历着此消彼长的复杂过程。对同一冲刷强度,解冻深度愈小,坡面初始产流时间愈早,前期侵蚀率愈大,冲刷后期侵蚀率增幅减小。初始解冻深度越大,坡面初始产流时间愈晚,前期侵蚀率较为稳定,但随冲刷时间的延长,坡面随解冻深度不同发生不同程度的细沟侵蚀,侵蚀量急剧增大,冲刷过程中侵蚀率大小的变化受细沟发育程度的影响较大。     

未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响

春季解冻期土壤侵蚀受未完全解冻层影响较大,以东北黑土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析未完全解冻层对土壤侵蚀总量及侵蚀速率的影响.结果表明:在所选水平内,低含水率黑土侵蚀总量随着初始解冻深度增加而减少;高含水率黑土在h=10mm水平上侵蚀总量最大;侵蚀速率均呈现先增大后减小的变化趋势,在20min降雨时间内,总会出现一个侵蚀速率峰值,不同初始解冻深度峰值出现时间并不完全相同;当h=5mm和h=10 mm时,未完全解冻层阻水作用都比较明显,侵蚀量差异主要在试验初始阶段,也就是说,土壤含水率只是在试验最初阶段起着一定作用,随着入渗量增多,土壤逐渐达到饱和,二水平之间侵蚀量差异较小,相反这一阶段未完全解冻层隔离作用被充分体现.     

春季解冻期降雨对黑土坡面侵蚀影响研究

为开展我国东北地区关于冻融作用对春季降雨与未完全解冻土壤侵蚀关系的定量研究,对东北黑土室外冻结,室内表层融化下部冻结,在此冻融条件下对其进行室内模拟降雨试验,研究了春季解冻期黑土在不同含水率、不同解冻深度及降雨量条件下的侵蚀特征.结果表明:在春季解冻期,由于冻融作用,黑土坡面土壤解冻不完全、渗透能力差.此时降雨的侵蚀能力较强,导致这一时期坡面土壤侵蚀严重,土壤坡面侵蚀量受到含水率、降雨强度和解冻深度等因子的综合影响,并随三者变化呈现不同的侵蚀规律.     

东北坡耕地春季融雪侵蚀观测研究

为研究东北地区坡耕地的春季融雪侵蚀特征及其影响因素,选取吉林省吉兴小流域内坡耕地进行原位观测,通过分析融雪过程中径流量和含沙量的变化,以及融雪径流、土壤解冻深度等指标对融雪侵蚀的影响,探讨坡耕地融雪侵蚀过程及变化规律。结果表明,在日平均温度0~3.8℃的气象条件下,春季融雪侵蚀较为集中,径流与含沙量变化均先增加后减少。融雪径流与表层土壤解冻深度是影响融雪侵蚀的重要因素,初期融雪产流,土壤未解冻,径流急剧增加,径流量占融雪期总径流量的59.15%;中期积雪融化趋于稳定,土壤表层开始解冻,径流减少含沙量增加,侵蚀量达到最大且占融雪期总侵蚀量的41.74%;末期融雪产流停止,土壤解冻深度增加,含沙量达到最大(8.00kg/m~3)。坡耕地融雪侵蚀受垄作区域与集水洼地地形变化的影响,产流产沙具有较强规律性,二者峰值出现频次一致时,径流—泥沙呈"8"字循环滞后关系,反之呈复式循环滞后关系。     

初始解冻深度对黄绵土坡面产流产沙的影响

春季解冻期土壤侵蚀受初始解冻深度影响较大,通过室内模拟降雨试验研究了降雨强度和初始解冻深度对解冻期黄绵土坡面降雨侵蚀的影响。试验处理包括3个降雨强度(0.6,0.9,1.2mm/min)和4个初始解冻深度(0,2,4,6cm)。结果表明:在不同的初始解冻深度下,雨强由0.6 mm/min增加到1.2 mm/min时,坡面产流量增加了2.79~3.63倍;相同降雨条件下,坡面产流量随着初始解冻深度的增加大致呈逐渐增加趋势;相同初始解冻深度下,雨强由0.6mm/min增加到1.2mm/min时,坡面产沙量增加了0.78~4.22倍;随着初始解冻深度的增加,不同降雨强度下的坡面产沙量变化规律较为复杂,但是当雨强和初始解冻深度均增加时,坡面产沙量增加,这表明降雨强度、初始解冻深度对坡面产沙量的影响存在交互作用。经分析后发现,坡面产流量主要受降雨强度的影响,而坡面产沙量主要受降雨强度、降雨强度—解冻深度交互作用的影响。根据试验数据,分别建立了坡面产流量与降雨强度的经验关系式以及坡面侵蚀量与降雨强度、降雨强度—解冻深度交互作用的经验关系式。该研究成果期望为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考依据。     

白浆土春季解冻期降雨侵蚀模拟

地球上中纬度大部分地区都经受季节性冻融过程,而春季解冻期是土壤季节性冻融过程发生强烈的时期,一般极易发生侵蚀作用。有研究表明,土壤侵蚀在春季解冻期最严重[1],在温带地区土壤流失量的50%以上都发生在冻土层解冻时期[2],在美国俄勒冈东北部地区土壤流失中有86%侵蚀是由于融雪径流和冻融作用造成的[3],在美国南部库贝克观察的2a时间里春季土壤流失占每年土壤流失总量的90%[4],在美国和加拿大部分地区50%以上的土壤侵蚀发生在晚冬和初春季节[5],在我国东北漫岗黑土区春季融雪及强降水易造成强烈的浅沟侵蚀[6]。可见,春季解冻期是部分地区土壤侵蚀发生的主要阶段,而表层土壤含水率高和未完全解冻层的     

具有未完全解冻层坡面产流历时的影响因素

春季解冻期土壤坡面包含解冻土层和冻结土层,产流过程有别于非冻融土壤.以我国东北白浆土、黑钙土、棕壤、褐土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析具有未完全解冻层坡面产流历时的影响因素.结果表明：1）初始土壤含水率是影响产流历时最重要的因素,产流历时随初始土壤含水率的增加而明显缩短,其中,白浆土达到了显著水平;2）产流历时与含水率呈对数函数关系;3）在4种土壤坡面上,降雨强度对产流历时影响不大;4）土壤初始解冻深度对产流历时的影响没有表现出规律性;5）多元回归分析后,推荐春季解冻期产流历时采用指数函数回归;6）侵蚀量峰值出现的时间与产流历时呈负相关;7）白浆土、黑钙土和棕壤侵蚀总量与产流历时呈负相关.     

草甸土近地表解冻深度对坡面降雨侵蚀影响研究

采用室外人工模拟降雨实验,研究了春季解冻期近地表草甸土解冻深度对该时期坡面降雨侵蚀过程的影响。结果表明:土壤解冻深度对入渗、产流以及侵蚀量有较大影响。由于降雨过程中冻土层逐渐向下移动,解冻土层厚度增加,坡面产流和入渗也随之经历着此消彼长的过程。对同一降雨强度,解冻深度愈小,坡面初始产流时间愈早,前期侵蚀率愈大,土壤侵蚀总量也愈大,但降雨后期侵蚀率增幅减小。随着降雨时间的延长,坡面随解冻深度不同发生不同程度的细沟侵蚀。降雨前期解冻深度越小,降雨过程中发展为细沟侵蚀的时间越早,侵蚀强度也越严重,降雨过程中侵蚀率大小的变化也受到细沟发育程度的影响。     

辽西春季解冻期褐土工程堆积体坡面产流产沙模拟试验研究

为揭示春季解冻期工程堆积体土壤侵蚀过程机理,以辽西地区的开挖河道工程堆积体为研究对象,采用室内模拟放水冲刷试验对春季解冻期褐土工程堆积体坡面侵蚀过程进行研究。结果表明:各解冻坡面径流量随着放水冲刷量的增加而增加,并且在相同放水冲刷量下,坡面径流量整体呈现未解冻坡面>解冻2 h坡面>解冻4 h坡面>对照;解冻时间越长,坡面对径流的延迟作用越明显;解冻时间越长,坡面侵蚀越严重。在相同放水冲刷量下,堆积体坡面总产沙量整体呈现解冻4 h坡面>解冻2 h坡面>未解冻坡面>对照。相较于对照,受冻融作用影响的坡面平均产沙率增加7.90%~44.76%。不同解冻时间及放水量条件下工程堆积体坡面径流量、产沙量与放水流量均呈线性关系变化,随着放水流量增加,径流量、产沙量均线性增加;相较于自然土壤,工程堆积体更容易发生土壤侵蚀。     

基于近景摄影测量的径流冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙过程

为研究冻融坡面径流冲刷条件下侵蚀产沙过程,采用2个坡度(10°,15°)、3个流量(3,6,9 L/min)、2个起始解冻深度(6,12 cm)组合进行野外冲刷试验,结合近景摄影测量技术分析不同解冻深度、不同坡度和不同流量条件下的产沙量,运用线性回归方程对近景摄影测量值和实测值进行拟合。结果表明:起始解冻深度和坡度相同条件下,冻融坡面的土壤侵蚀产沙量随着径流量和坡度的增大而增大;随着时间推移,产沙量越来越小。在流量和坡度相同时,随着初始解冻深度的增大,坡面产沙量也逐渐增大;在流量和解冻深度相同时,随着坡度的增大,坡面产沙量也逐渐增大。当流量、解冻深度和坡度最大时,坡面侵蚀产沙量达到最大。坡面产沙量实测值与近景摄影测量对比分析得到误差平均精度为90.67%,近景摄影测量技术可以在冻融条件下土壤侵蚀监测中应用。     

Simulation of rill erosion in black soil and albic soil during the snowmelt period

Snowmelt-induced rill erosion could bring serious harm for soil quality and agricultural productive conditions of slope farmland in the black soil zone of Northeast China. In this study, we conducted laboratory experiments to investigate the effects of the freeze-thaw (FT) temperature, number of FT cycles, water content, flow rate, and thaw depth on rill morphology and erosion amount in two common soil (black soil and albic soil). The thaw depth obtained the maximum range, which was the primary factor for the width-to-depth ratio of rills in the black soil; whereas, the flow rate obtained the maximum range as the primary factor for rill erosion in black soil and albic soil. The number of FT cycles had a minor effect on rill erosion in the two soils. Under the same conditions, the rill morphology showed a large difference between the two soils, and higher rill erosion occurred in albic soil than black soil. Rill erosion was relatively high in black soil and albic soil when the FT temperature fluctuated around 0°C during freezing-thawing. The water content exhibited a greater effect on rill erosion in black soil than in albic soil. The unthawed frozen layer could promote rill erosion during snowmelt period to some extent. The results could provide some reference for future study snowmelt-induced rill erosion mechanism and preventive measures.     

草甸土冻融环境与春季解冻期降雨侵蚀模拟研究

以我国东北草甸土为研究对象,采用人工模拟降雨方法,分析试验区冻融环境及春季解冻期室外降雨侵蚀过程。结果表明:温度大体经历了降温、稳定和升温3个阶段,对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程;表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用,其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期,特别是融化阶段是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键时期;冻融前后土壤含水率减小19%、土壤容重减小8.9%;整体土壤侵蚀速率表现为增加趋势;小雨强解冻深度浅的处理,侵蚀速率增加幅度不大,坡面细沟以宽浅型为主;大雨强侵蚀速率波动性增强。     

冻融坡面土壤剥蚀率不同预测模型比较

为探究水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率的影响,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),模拟野外径流冲刷试验。采用BP神经网络方法和逐步回归分析法,分析土壤剥蚀率和流量、坡度、起始解冻深度、流速、水流剪切力、水流功率与单位水流功率7个水蚀因子关系。结果表明:通过BP神经网络连接权关系分析水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率影响顺序为水流功率单位水流功率起始解冻深度水流剪切力流量流速坡度。BP神经网络模型的土壤剥蚀率预测平均误差为2.848%(R~2=0.954);逐步回归模型的土壤剥蚀率预测平均误差4.820%(R~2=0.925);基于单一水蚀因子(水流功率)模型的土壤剥蚀率预测平均误差5.298%(R~2=0.867)。基于BP神经网络的土壤剥蚀率预测效果最好,为春季解冻时期冻融坡面不同起始解冻深度条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供了新思路。     

冻融循环对黑土团聚体稳定性与微结构特征的影响

冻融循环作用下的土壤结构变化被认为是融雪期黑土坡面土壤侵蚀加剧的主要原因之一,土壤团聚体稳定性与团聚体微结构是影响土壤可蚀性的关键因子.基于控制条件土壤冻融模拟试验,采用湿筛法、扫描电子显微技术(SEM)和Image-Pro Plus(IPP)图像分析处理相结合的方法,分析了冻融循环过程中黑土团聚体微结构的动态变化特征...     

嫩江流域春季解冻期土壤侵蚀对气候变化的响应

利用嫩江流域控制站大赉水文站的春季解冻期径流量和输沙量资料和同期嫩江流域16个气象站的气象资料,分析了1963-1988年嫩江流域春季解冻期土壤侵蚀对气候变化的响应。结果表明:随着春季解冻期平均气温的升高,温差呈明显减少趋势,降水呈增加趋势;平均气温和降水量均对径流量的增加有正向作用,但降水较气温对径流的影响更为显著;通过对平均气温、降水量、径流量（包括融雪径流）和输沙量进行偏相关分析,春季解冻期的降水量和径流量对输沙量的影响显著,且为正相关,与平均气温成负相关,但影响不显著。     

冻融坡面水蚀动力参数动态响应时空演化过程

为揭示冻融作用对坡面土壤水蚀的影响,探究春季解冻期坡面土壤的水蚀动力参数动态响应时空演化过程,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),进行野外径流冲刷试验,系统地分析冻融坡面水蚀动力参数雷诺数、弗劳德数、流速、水流剪切力、水流功率和单位水流功率在不同起始解冻深度、不同流量和不同坡度条件下的时空演化过程。结果表明:冻融坡面水蚀动力参数雷诺数、流速、水流剪切力和水流功率随流量的增加呈增加趋势;水流剪切力、水流功率与单位水流功率随坡度增加而增大;水流剪切力和水流功率随起始解冻深度的加深而增大;雷诺数、弗劳德数、流速和单位水流功率随起始解冻深度的变化趋势不明显,其起始解冻深度为5cm时,水蚀动力参数随时间变化最为剧烈;建立了冻融坡面水蚀动力参数雷诺数(R~2=0.728)、水流剪切力(R~2=0.644)、水流功率(R~2=0.721)、流速(R~2=0.533)和单位水流功率(R~2=0.553)的幂函数预测方程。     

辽宁省冻融侵蚀发生的气候环境条件分析

利用辽宁省1961-2006年的气温、降水等资料,分析了近46a来辽宁地区气温和降水变化对冻融作用与冻融侵蚀的影响.结果表明:辽宁地区气候变化主要表现在年平均气温的波动上升且十分显著,而降水呈波动下降趋势;年内冬、春季节平均气温增加率较高,以2-4月比较强烈;冬季降水基本不变,其它季节降水均减少.在气温和降水变化的情况下,辽宁地区土壤冻结期有推后的趋势,解冻期有提前的趋势,所以冻融期有所缩短,土壤化通期有所提前.此外,土壤冻结深度有减小的趋势;随着初春(3月)温度的显著上升,冻融侵蚀有加剧的趋势.     

Soil freeze-thaw cycle experiments: Trends, methodological weaknesses and suggested improvements

Although freeze-thaw cycles can alter soil physical properties and microbial activity, their overall impact on soil functioning remains unclear. This review addresses the effects of freeze-thaw cycles on soil physical properties, microorganisms, carbon and nutrient dynamics, trace gas losses and higher organisms associated with soil. I discuss how the controlled manipulation of freeze-thaw cycles has varied widely among studies and propose that, despite their value in demonstrating the mechanisms of freeze-thaw action in soils, many studies of soil freeze-thaw cycles have used cycle amplitudes, freezing rates and minimum temperatures that are not relevant to temperature changes across much of the soil profile in situ. The lack of coordination between the timing of soil collection and the season for which freeze-thaw cycles are being simulated is also discussed. Suggested improvements to future studies of soil freeze-thaw cycles include the maintenance of realistic temperature fluctuations across the soil profile, soil collection in the appropriate season and the inclusion of relevant surface factors such as plant litter in the fall or excess water in the spring. The implications of climate change for soil freeze-thaw cycles are addressed, along with the need to directly assess how changes in soil freeze-thaw cycle dynamics alter primary production.