黄土丘陵区退耕草地土壤分离能力季节变化研究

采用变坡试验水槽的方法,研究了黄土高原丘陵区退耕3年草地(赖草)和退耕17年草地(紫花苜蓿)在生长季土壤分离过程的季节变化及其影响因素。结果表明:赖草和紫花苜蓿地的土壤分离能力在整个生长季均呈现显著下降的季节变化趋势(p0.05)。赖草地的平均土壤分离能力最大(0.076±0.036 kg m-2 s-1),其次是紫花苜蓿地(0.057±0.055 kg m-2 s-1);两种草地土壤分离能力的季节变化主要受到土壤硬化、水稳性团聚体和草地根系生长的影响,随土壤粘结力、容重、水稳性团聚体和草地根系密度的增加,两种退耕草地的土壤分离能力均呈指数形式下降;两种草地土壤分离能力的季节变化可以用水流剪切力、土壤容重和草地根系密度很好的模拟。为黄土高原地区退耕还林(草)水土保持措施提供科学依据。     

黄土区冰草和柳枝稷草地土壤分离生长季变化

以黄土区的黄绵土为材料,研究了退耕还草3年和17年条件下,黄绵土的土壤分离能力生长季的变化。结果表明:两种退耕草地黄绵土的土壤分离能力在整个生长季均呈下降趋势,其中,冰草地的土壤分离能力具有明显的生长季变化(P0.05),柳枝稷草地无明显生长季变化(P0.05)。土壤硬化、水稳性团聚体和根系生长是影响两种退耕草地土壤分离能力生长季变化的主要因素。两种退耕草地黄绵土的土壤分离能力在生长季的变化可以用土壤容重、根系密度和水流剪切力很好地模拟(R20.82,ME0.82)。     

黄土丘陵区典型农耕地土壤稳定入渗率季节变化

[目的]揭示黄土丘陵区典型农耕地土壤稳定入渗率季节变化及其影响因素,为黄土高原地区农耕地土壤侵蚀控制、水土保持和有限水资源的有效利用提供理论依据和数据支撑。[方法]运用双环法,以黄土丘陵区典型农作物种植地为研究对象,通过入渗试验对不同作物地土壤稳定入渗率季节变化进行研究。[结果]典型农耕种植地土壤稳定入渗率具有明显季节变化(p0.05)。不同作物地土壤稳定入渗率的季节变化趋势存在差异。种植3种作物地与裸地的土壤稳定入渗率具有显著性差异(p0.05)。种植马铃薯地平均土壤稳定入渗率最大,其次是大豆地和谷子地。农事活动、容重、孔隙度和作物根系生长是影响农耕地土壤稳定入渗率季节变化的主要因素。[结论]黄土丘陵区典型农耕地土壤稳定入渗率具有明显的季节变化,该变化主要是由农事活动、容重、土壤孔隙度和作物根系生长等因素所导致。     

草地土壤分离能力季节变化特征及其影响因素

土壤分离能力是土壤侵蚀机理模型的重要参数.受土壤性质、植被根系等因素影响,土壤分离能力呈现显著的季节变化.为研究草地土壤分离能力季节变化特征及其影响机制,以建植一年的柳枝稷、无芒雀麦草地及对照裸地为研究对象,以20 d为周期,测定土壤密度、黏结力和根系密度,并采集原状土样进行水槽实验(τ=6.5-23.4Pa),测量土壤分离能力,并运用相关分析、回归分析等方法,研究土壤性质及植被根系对土壤分离能力季节变化的影响.结果显示:柳枝稷和无芒雀麦草地具有类似的季节变化特征,而裸地与二者差异明显.4月中旬至6月下旬,草地土壤分离能力较大,此后土壤分离能力迅速下降;7月中旬直至10月上旬,草地土壤分离能力较低;10月下旬,土壤分离能力小幅回升;裸地土壤分离能力7、8月份较低,其余时间较高.裸地土壤分离能力试验期均值为柳枝稷草地的10.6倍,无芒雀麦草地的23.7倍.草地土壤分离能力的季节变化受根系密度和土壤黏结力的影响,随着根系密度与土壤黏结力增大,土壤分离能力呈指数形式降低,而土壤密度对土壤分离能力季节变化的影响并不显著.试验区内草地土壤分离能力可用水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力等参数进行模拟(R2=0.636).研究结果可为土壤侵蚀机理模型的推广应用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科学依据.     

黄土高原土壤分离速率的季节变化研究

为定量研究水动力对土壤分离速率的影响,采用变坡实验水槽方法,在特定水动力条件下,分析黄土高原七种典型土地利用类型土壤分离速率的季节变化。结果表明:(1)不同土地利用下土壤分离速率差异显著,测定期内平均值为谷子土豆玉米大豆荒坡草地林地;(2)除林地外,各土地利用类型土壤分离速率具有明显的季节变化,变化幅度为玉米谷子大豆荒坡土豆草地林地;(3)农地土壤分离速率的季节变化主要由农事活动导致,播种、除草、收获等农事活动可使土壤分离速率提高2～6倍;(4)土壤表层粘结力对各类土地利用土壤分离速率的季节变化具有重要影响。研究结果为进一步分析土壤侵蚀过程和建立侵蚀模型提供了一定的理论基础。     

黄土丘陵沟壑区不同草灌植被土壤分离速率及其主导因素

[目的]探究不同草灌植被条件下土壤理化性质和根系特征对土壤分离速率的影响强度,为黄土高原生态建设成效的评估提供科学依据。[方法]分别选取黄土高原典型直根系灌木柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、须根系草本冰草(Agropyron cristatum)和直根系草本植物铁杆蒿(Artemisia gmelinii)及其复合群落为研究对象,采集原状土样,在坡度为15°,流量为36 L/min的条件下,进行土壤分离试验,估算其分离速率,并测定相关土壤参数和根系参数。[结果]草灌复合使分离速率较单一草本和灌木的均值降低了73.58%,其中锦鸡儿与冰草的复合模式减蚀效果最强。影响土壤分离速率的最主要根系因子为根长密度和根重密度,主要土壤因子为>0.25 mm的团聚体含量。根系因子是影响草本植物土壤分离速率最主要的因子。灌木及草灌复合下的土壤分离速率受到土壤因子和根系因子的共同主导。[结论]草灌复合根系能够有效提高土壤抗分离能力,其中以直根系与须根系的根系构型组合效果最强,且不同的根系构型组合在影响土壤性质的程度和发挥抗分离作用时的主导因子不同。     

基于力学参数解析黄土高原典型草地的土壤分离能力研究

为解析黄土高原地区典型草地土壤分离能力变化的力学机制,选择代表性的须根系和直根系草地作为研究对象,基于室内径流冲刷试验,估算了相对土壤分离能力（RSD）,测定了土壤抗剪强度和根系抗拉力,并基于Wu氏模型估算了根系黏聚力（Cr）。结果表明,须根系草地的RSD较直根系草地显著低77.27%,而Cr较直根系草地高14.84%。直根系草地的Cr对RSD的表达效果优于根长密度,而须根系草地效果差异不明显。RSD与200 KPa正应力下抗剪强度（τ200）的相关性优于其他正压力。根土复合体中,Cr对土壤分离的效应强于τ200。通过根土复合体力学参数能够有效预测直根系草地的土壤分离能力,但对于须根系草地的预测还需进一步探究。研究结果可为黄土高原根系减蚀机理的完善提供参考。     

农田土壤呼吸特征及根呼吸贡献的模拟分析

采用静态箱法研究了黄淮海平原典型农田土壤CO2排放通量的日变化、季节变化特征,分析了土壤温度、水分对土壤呼吸的影响;并利用反硝化一分解(DNDC)模型定量化研究了根呼吸对土壤总呼吸的贡献.结果表明,在作物生长季节内棉花地、休闲地和冬小麦/夏玉米地土壤CO2排放均表现出明显的季节变化规律.土壤CO2排放季节变化的总体趋势是夏季高、其他季节低,与对应气温的动态变化基本一致.冬小麦/夏玉米地土壤CO2排放通量高峰值为2324 mg·m-2·h-1,棉花地为1111.9 mg·m-2·h-,休闲地为436.07 mg·m-2·h-1.土壤CO2季节性排放受温度的影响最大,其中与5 cm地温的相关性最好,与土壤湿度的相关性不太明显.同一种种植模式施氮量高的处理CO2平均排放通量大于低的处理.同时根据DNDC模型估算,玉米根际呼吸对土壤呼吸的贡献最大,为91%～95%,棉花和冬小麦根际呼吸比例分别约为70%和80%.施氮不仅影响土壤微生物的呼吸而且还影响到根系呼吸.     

冬小麦/夏玉米轮作中高肥力土壤的持续供氮能力

通过连续3年的冬小麦.夏玉米轮作试验研究高肥力土壤的供氮能力。结果表明,在本试验的高肥力土壤上,存在土壤供氮能力随时间延长而下降的趋势。但在连续3年3个轮作周期6季作物生长过程中,土壤都保持了较高的供氮能力,其中夏玉米季高于冬小麦季,不施氮处理在冬小麦季的相对产量保持在46%～76%,夏玉米季为69%～81%,轮作周期中土壤氮素的表观矿化量为125～184kg.hm2,而供氮能力为123～190kg.hm2。在考虑土壤供氮能力的基础上,基于土壤植株测试的氮肥优化管理,在连续6季作物中较大幅度地降低了氮肥用量,但却获得了同传统施氮处理一致的产量,保持了较低的土壤无机氮残留量,避免了过量施氮对环境的不良影响。     

黄土高原旱地冬小麦/夏玉米轮作体系土壤的氮素平衡

在黄土高原南部旱地,通过田间小区试验研究了传统施肥方式下冬小麦/夏玉米轮作体系中土壤的氮素平衡。结果表明:土壤残留矿质态氮(Nmin)对作物产量和施用氮肥效果有重要影响,前季作物残留土壤Nmin可以促进后季作物生长,使氮肥增产效应不明显;冬小麦生长季节施氮240.kg/hm2可以增加产量和作物吸氮量,但其氮肥利用率只有39.7%,大部分以Nmin残留于0200cm土壤中或以其他途径损失;由于冬小麦季节残留肥料氮的后效,使夏玉米生长季节的氮肥利用率很低,施氮120和240.kg/hm2的氮肥利用率分别只有22.4%和3.9%,而在0200cm土层残留率则达到51.1%和87.2%;经过冬小麦、夏玉米一个轮作周期后,施氮量为240、360和480.kg/hm2时作物的氮肥利用率平均为52.2%4、2.2%和28.0%,而相应的土壤残留率平均为12.4%、25.3%和49.8%,表观损失率平均为35.4%、32.5%和22.2%。表明在土壤残留Nmin较高的条件下,夏玉米生长季节施氮量较低时盈余氮素以表观损失为主,施氮量高时大部分氮素残留于土壤剖面。     

Impacts of different surface features on soil detachment in the subtropical region

Near-surface features have a great influence on runoff and detachment processes by overland flow, but the contributions are still unclear on steep slopes with yellow soil in subtropical humid regions. Field scouring experiments were conducted to investigate how near-surface features affect hydraulic parameters and detachment rate by overland flow. Five treatments and a baseline (disturbed rootless bare cropland) were designed to identify the contributions from stem-leaves, litter, biological soil crusts (BSCs), root systems and non-disturbance, respectively. The results showed that (1) the values of velocity, Reynolds number and Froude number for vegetated slopes were significantly lower than that of baseline, and stem-leaves made a greater contribution (average of 47.30%) to reducing kinetic energy than the other features; (2) the total contribution rate of grassland was 99.38%, and of this total, 1.19, 1.44, 2.49, 49.79 and 44.47% reductions were attributed to the stem-leaves, litter, BSCs, root systems and non-disturbance, respectively. Root system and non-disturbance dominated the detachment rate reduction; (3) with increasing flow rate or slope gradient, the total contribution rate remained between 98% and 100%; and (4) for each treatment, the relationship between detachment rate and hydraulic parameters remained constant, and the stream power was the best predictor to detachment rate. The study results are helpful in evaluating the effects of near-surface features on erosion control and providing reference for government decision-makers to choose appropriate soil conservation and management practices.     

A rational method for estimating erodibility and critical shear stress of an eroding rill

Soil erodibility and critical shear stress are two of the most important parameters for physically-based soil erosion modeling. To aid in future soil erosion modeling, a rational method for determining the soil erodibility and critical shear stress of rill erosion under concentrated flow is advanced in this paper. The method suggests that a well-defined rill be used for shear stress estimation while infinite short rill lengths be used for determination of detachment capacity. The derivative of the functional relationship between sediment yield and rill length at the inlet of rill flow, as opposed to average detachment rate of a long rill, was used for the determination of detachment capacity. Soil erodibility and critical shear stress were then regressively estimated with detachment capacity data under different flow regimes. Laboratory data of rill erosion under well defined rill channels from a loess soil was used to estimate the soil erodibility and critical shear stress. The results showed that no significant change in soil erodibility (K_r) was observed for different slope gradients ranging from 5 to 25 while critical shear stress increased slightly with the slope gradient. Soil erodibility of the loess soil was 0.3211 ± 0.001 s m^− 1. The soil erodibility and critical shear stress calculations were then compared with data from other resources to verify the feasibility of the method. Data comparison showed that the method advanced is a physically logical and feasible method to calculate the soil erodibility and critical shear stress for physically-based soil erosion models.     

不同工程堆积体坡面治理措施对土壤抗冲刷侵蚀能力的影响

为量化不同区域堆积体坡面水流分离土壤能力,评价植被恢复模式、恢复年限和削坡分级治理对堆积体土壤抗冲刷侵蚀的调控作用。选取秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区（陕西省境内）高速公路不同工程堆积体,通过在堆积体坡面原位采集土壤样品,室内水槽冲刷试验进行系统研究土壤分离能力大小。结果表明,秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区典型堆积体土壤分离能力变化范围分别为0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。相比冰草,堆积体坡面自然恢复植被为小冠花可以显著降低土壤分离能力,其降低幅度高达94.97%。相比未复垦,在石渣土堆积体坡面短期人为复垦种植玉米和黄豆对土壤分离能力均无显著调控效益。相比恢复1 a,恢复2 a未能显著降低堆积体土壤分离能力,恢复5 a可以显著降低堆积体土壤分离能力,其降低幅度为57.35%,相比耕地,恢复5 a土壤分离能力降低60.41%。黑垆土堆积体短坡长（<60 m）坡面土壤分离能力空间变异不显著。相比未治理坡面,削坡分级治理可以显著降低堆积体坡面土壤分离能力,治理后堆积体平台和坡面土壤分离能力显著降低66.79%和49.04%。根重密度、粘结力、含水量、中值粒径、黏粒含量与土壤分离能力之间存在极显著负相关关系,可用指数函数关系表达,并建立了基于根重密度和水流剪切力土壤分离能力预测模型。该研究不仅可为堆积体水土流失预测提供基础数据支撑,也可为堆积体坡面治理措施配置提供指导。     

西南地区黄壤坡面径流冲刷过程研究

土壤分离是土壤坡面侵蚀产沙的必要途径和重要过程,准确预测土壤分离过程对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡钢槽,在不同坡度（8.8%～46.6%）流量（0.5～2.5 L s-1）组合下,研究了喀斯特地区黄壤分离速率与坡度、流量以及水流剪切力、水流功率、单位水流功率的关系。对比了相同流量典型坡度组合下黄壤与黄土的分离速率差异。研究结果表明,喀斯特地区黄壤的分离速率随坡度和流量的增大而增大;坡度和流量的多元回归分析结果能够很好地预测土壤分离速率值（R2=0.9）。水流功率和单位水流功率与黄壤分离速率呈现较好的幂函数关系,决定系数比较接近（R2=0.83、0.79）;而水流剪切力预测黄壤分离速率较差（R2=0.18）。黄土的土壤分离速率明显大于黄壤,且二者分离速率差异随坡面冲刷流量的增大而增大。尽管坡度、流量、水流功率和单位水流功率都可以很好地预测土壤分离速率,且回归方程形式与国内他人研究相差不大,但方程中表征土壤可蚀性的系数相差较大,体现了黄壤坡面侵蚀过程及其受径流影响作用的特殊性。     

含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响

土壤分离过程为侵蚀产沙提供了物质准备,对其发生、发展的过程进行准确模拟具有重要的实践和理论意义。选取棕壤为研究对象,设计6个土壤含水量(3%,6%,9%,12%,15%,18%)、3个坡度(5°,10°,15°)和3个流量(8,12,16L/min),分析含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响。结果表明:(1)土壤分离能力均随含水量的增大呈下降趋势,且土壤分离能力间的差异随含水量的增大而减小,当含水量18%时,土壤分离能力几乎为0。土壤分离能力与含水量呈现二次多项式关系,在含水量3%时,土壤分离能力最高。(2)土壤分离能力在含水量6%,9%,12%,18%时均随坡度的增大而增大,并且与坡度呈二次多项式关系,在坡度15°时,土壤分离能力达到最大。(3)土壤分离能力在含水量3%~12%均随流量的增大而增大,并且与流量呈二次多项式关系,流量为16L/min时,土壤分离能力最大。(4)仅考虑两者对土壤分离能力的影响,误差的贡献率均为最高。若考虑三者的影响,坡度对土壤分离能力变异的贡献率最大(29.64%),其次为含水量(22.29%)和流量(19.72%),土壤分离能力的模拟精度分别由0.550,0.638,0.498显著提高到0.995。     

坡面薄层水流分离土壤的动力学机理

为探讨土壤分离过程的水动力机理及植被根系对土壤分离的抑制作用,采用变坡实验水槽,系统研究坡度、流量及根系对土壤分离速率的定量影响。结果表明,土壤分离速率是坡度、流量及根系密度的函数;植被根系能显著降低土壤分离速率,草地土壤分离速率均值仅为休闲对照地的30.6%;随根系密度增加,土壤分离速率呈指数关系下降;0～4 kg/m^3为根系减少土壤分离的有效密度区间,在此范围内,根系密度的增加能引起土壤分离速率的急剧降低,超过4 kg/m^3,随根系密度增加,土壤分离速率的降幅并不明显。     

土壤分离能力测定的不确定性分析

土壤分离能力是含沙量为零时坡面径流分离土壤的最大值,是确定细沟可蚀性和土壤临界剪切力的基础,也是土壤侵蚀过程模型推广应用的前提,因此,对其准确测量非常关键。在系统分析野外坡面径流小区无法测定土壤分离能力的基础上,从室内试验水槽的类型与规格、土样采集的代表性、测试样品的长度、扰动程度、初始土壤含水量及土样冲刷时间等方面,系统讨论了它们对土壤分离能力的潜在影响与机制,探讨了土壤分离能力测定过程中的不确定性。对深刻理解土壤侵蚀过程的动力机制、选择合理的土壤分离能力测定方法与试验过程,具有重要的指导意义。     

Effects of cereal roots on detachment rates of single- and double-drilled topsoils during concentrated flow

Farmers in Europe want to control soil erosion in ways that are easily incorporated in their normal practices. We have investigated the possibility of reducing soil erosion by concentrated flow (i.e. rill and gully erosion) through increasing the root density of cereal crops. In situ root density measurements on cereal fields were combined with laboratory flume experiments on samples, taken in single‐ and double‐drilled fields, of which the above‐ground biomass was clipped. During the laboratory experiments no significant effect of root densities on critical shear stress or channel erodibility was observed because of interactions with other changing parameters (e.g. ageing effects). Therefore, the expected relative detachment rates as a function of plant root density were calculated using an empirical equation. During the first 75 days of the crop growth season relative soil detachment rates for single‐drilled field parcels can be reduced up to 50% compared with a rootless field, whereas relative soil detachment rates in double‐drilled field parcels can be reduced up to 60% in this period. Thereafter, plant roots in double‐drilled field parcels reduce relative soil detachment rates on average by 9% compared with single‐drilled field parcels (up to an absolute maximum of 90% compared with rootless soils). During the growing season, not only root density increases but also the vegetation cover changes, which enhances soil protection from erosion. Therefore, cereal roots will help to conserve the soil when seed is drilled at double rates, especially during the early growth stages and in fields with medium risk of concentrated flow.     

新型W-OH材料对崩积体土壤分离速率的影响

崩岗崩积体土壤颗粒容易脱离母体而发生侵蚀,而新型亲水性聚氨酯材料(W-OH)能有效增加土壤颗粒之间的粘结力,从而抑制侵蚀的发生。为此,通过变坡式水槽实验,研究不同浓度的W-OH材料(2.0%、3.0%、4.0%、5.0%)对崩岗崩积体土壤分离速率的影响。结果表明:W-OH材料能够显著降低崩积体土壤的分离速率,土壤分离速率的大小随W-OH浓度的升高而降低;由于固结表层的存在,W-OH材料显著改变了表层土壤的侵蚀过程,使得土壤分离速率与坡度、水流剪切力、水流功率等参数之间的函数关系相对于对照发生了改变,并且表层土壤发生分离的临界水流剪切力也得到了提升。