紫色土坡耕地降雨入渗试验研究

在田间条件下,利用人工模拟降雨研究了坡度、降雨、耕作方式对紫色土坡耕地入渗过程的影响.试验结果表明:雨强对入渗过程有重要影响.当雨强在19.62～111..69 mm/h之间变化,稳定入渗率随雨强增加而增大.坡度对入渗的影响比较复杂.在5°～25°范围内,随坡度增加,稳定入渗率表现出升-降-升的变化趋势,在10°与20°分别存在极大值与极小值.中耕显著增加了水分入渗,特别在高强度降雨下,中耕使稳定入渗率增加1倍以上,入渗补给系数增大50%以上.入渗率随降雨历时增加而减小,二者关系可以用乘幂函数描述.累积入渗量可以用降雨历时的线性函数来表示.     

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。     

紫色土坡耕地径流特征试验研究

通过具有壤中流观测功能的径流小区的定位观测,结合人工降雨模拟试验,对常规施肥条件下紫色土坡耕地径流特征、过程及影响因素进行长期监测。结果表明:(1)紫色土坡耕地地表径流过程呈多峰特征,受瞬时雨强的影响明显;而壤中流过程则表现出明显的单峰、产流时间滞后、持续时间长等特点;(2)玉米灌浆成熟-收割期径流量明显高于其它生育期,地表径流、壤中流径流量分别为(65.06±5.94)mm,(86.36±3.27)mm,分别占3年地表径流、壤中流年均径流量的67.92%,79.82%;(3)坡耕地地表径流和壤中流径流量与降雨量的相关性显著,但与降雨强度的相关性不显著。坡耕地地表径流系数随坡度的增加而增加,而壤中流径流系数随坡度的增加而明显降低。(4)坡耕地径流分配特征明显。3年地表径流年平均径流量为95.78 mm,壤中流平均流量为108.19mm,分别占总径流量的46.96%,53.05%。     

紫色土坡耕地埂坎裂隙发育对土壤入渗的影响

为揭示埂坎裂隙发育程度对土壤入渗性能的影响,该研究选取了3种裂隙发育程度（重度发育、中度发育、轻度发育）的埂坎为研究对象,利用双环入渗试验揭示裂隙发育的埂坎土壤入渗规律并采用入渗模型进行模拟。结果表明：1）不同裂隙发育程度下,埂坎土壤入渗率变化趋势均为先迅速下降后逐渐趋于稳定。有裂隙埂坎各时段的入渗率均大于对照组无裂隙埂坎,但其差值均随入渗时间的增加而减小;2）随着埂坎裂隙发育程度的增加,土壤初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量均增大,其中初始入渗率的增幅最高（98.72%）;3）控制初始含水率条件下,裂隙深度和面积-周长比仍与初始入渗率、平均入渗率及120 min累积入渗量呈显著正相关（P＜0.05）,裂隙面密度仅与平均入渗率呈显著正相关（P＜0.05）;4）Kostiakov模型和Mezencev模型对不同裂隙发育程度下埂坎入渗过程拟合效果较好（R2为0.84～0.99）,但Kostiakov模型只有在一定时间范围条件下才能有效描述裂隙埂坎入渗过程。研究结果可为紫色土区坡耕地埂坎的建设、维护管理和合理利用及水土保持提供参考。     

三峡库区紫色土坡耕地表土的可蚀性研究

[目的]揭示三峡库区紫色土坡耕地表土可蚀性特征,为水土保持措施空间配置优化设计提供依据。[方法]以无措施坡耕地为对照,选取紫色土区埂坎、水平沟坡耕地为研究对象,采集表土测试机械组成和有机质含量,利用EPIC(environmental policy-integrated climate)模型计算可蚀性指标,比较3种坡耕地表土的颗粒组成、有机质含量和可蚀性指标。[结果]①紫色土坡耕地表土粉粒含量较高,黏粒含量较低,分别为45.78%～76.29%和6.05%～10.58%。坡面尺度内,埂坎坡耕地上地块下坡位表土粉粒含量明显高于紧邻的下地块上坡位,砂粒含量则相反。地块尺度内,上坡位砂粒含量较高,中下坡位粉粒含量和黏粒含量较高。②紫色土坡耕地表土有机质含量为0.61%～1.48%。坡面尺度内,埂坎坡耕地上地块下坡位表土有机质含量明显高于紧邻的下地块上坡位。地块尺度内,有机质主要在中下坡位富集。③紫色土坡耕地表土可蚀性K值介于0.043 8～0.059 2之间。坡面尺度内,埂坎和水平沟坡耕地下地块上坡位表土可蚀性K值分别比紧邻的上地块下坡位低16.55%和6.30%。地块尺度内,中下坡位的表土可蚀性K值较大,且最高值出现在坡面的3/4处。表土可蚀性K值与粉粒含量呈极显著正相关(p0.01),与砂粒含量呈极显著负相关(p0.01)。[结论]三峡库区紫色土坡耕地表土抗蚀能力较弱,埂坎和水平沟均具有较好的水土保持效果,对提高坡耕地抗蚀性具有一定作用。     

紫色土坡耕地硝酸盐流失过程与特征研究

通过对紫色土坡耕地地表径流、壤中流径流过程及其硝酸盐含量的长期监测,研究紫色土坡耕地硝酸盐流失特征。结果表明,径流过程对紫色土坡耕地硝酸盐流失过程影响明显。地表径流过程中硝酸盐含量随降雨历时表现为先升后降的趋势,而壤中流过程则表现为不断上升、趋于稳定的趋势。紫色土坡耕地硝酸盐流失潜在的环境风险极大,历次降雨产流事件中地表径流和壤中流NO3--N平均含量分别为0.73±0.17 mg L-1、21.72±2.05 mg L-1,其中,75%的地表径流NO3--N含量超过0.5 mg L-1,85%的壤中流NO3--N含量超过10 mg L-1。紫色土坡耕地地表径流NO3--N年流失负荷为0.93±0.05 kg hm-2,壤中流NO3--N年流失负荷为33.51±2.73 kg hm-2,分别占当季施肥量的0.62%、22.34%,随壤中流淋失是紫色土坡耕地硝酸盐流失的主要途径。紫色土坡耕地硝酸盐流失不仅可能造成当地地表水富营养化,而且可能造成当地浅层地下水硝酸盐污染,将加剧长江上游水环境压力。     

紫色土坡耕地壤中产流特征及分析

壤中流是紫色土坡面流的重要组成部分和表现形式,它受雨强、坡度、土层厚度、耕作方式等多种因素的综合影响。利用人工模拟降雨研究了紫色土坡耕地壤中流产流规律。结果表明,(1)耕作能有效改善土壤结构,增加降雨入渗量,并增大壤中流发生机率;(2)紫色坡耕地土层较浅是导致壤中流增大的主导因素,缓坡有利于壤中流的产生;(3)雨强对壤中流的流量过程线有显著影响,但对于壤中流的起始产流时间影响不明显;随雨强增大,壤中流峰值流量显著增加;(4)壤中流的产生滞后于地表流,产流过程表现出缓慢变化的单峰过程。     

不同施肥制度下紫色土坡耕地氮素流失特征

利用野外径流小区试验,比较了川中紫色土丘陵区12种不同施肥制度下坡耕地侵蚀产沙特征和氮素迁移特征。结果表明,在单次降雨量达到44 mm时,相对于不施肥而言,农家肥配施化肥分别降低坡地径流与侵蚀量68.2%,67.3%,秸秆还田配施化肥分别降低80.3%,92.6%。不同施肥制度下随地表径流迁移的颗粒态氮占总氮的比例大部分都在60.0%以上。坡耕地平衡施肥能降低坡耕地土壤氮素随径流的损失,增施了磷、钾肥后,总氮迁移量分别降低了41.0%和46.1%。与不施肥相比较,农家肥配施化肥减少径流总氮69.0%,秸秆还田配施化肥减少90.5%。     

三峡库区紫色土坡耕地不同利用方式的水土流失特征

紫色土坡耕地水土流失已成为三峡库区生态环境和农业可持续性发展所面临的一个重大问题。研究通过15°、25°坡耕地不同利用方式的定位试验,探讨了三峡库区紫色土坡耕地的水土流失状况、侵蚀泥沙的颗粒组成及养分特征。结果表明紫色土坡耕地流失的泥沙中<0.02mm的颗粒大量富集,是养分流失的主要载体。不同土地利用方式中以果—植物篱复合、粮经果复合垄作模式的水土保持效果理想。     

地形因子对紫色土坡耕地土壤侵蚀作用的试验研究

地形因子在坡耕地土壤侵蚀过程中起着重要作用,重庆市紫色土坡耕地的地形具有坡度陡、坡长短的特点。该文采用野外人工模拟降雨方法研究了不同地形因子条件下紫色土坡耕地的产流产沙特征,结果表明:(1)径流输沙率过程与雨强变化表现为具有一定相关性和一致性的动态响应过程,随着坡长增加,产流量增加很快,4m坡长的产流量约为2m坡长的2.7倍;在20.6°坡度以下,随着小区坡度增大,产流量以接近直线的关系增长,在20.6°时产流量增加到最大。(2)相同坡长小区不同降雨条件下的产沙量存在一定波动性,相同坡度和降雨下4m坡长小区的产沙量约为2m小区的1.3倍,经推导,4m坡长坡耕地径流输沙率大致为2m坡长的0.48倍。(3)在相同坡长条件下,坡度与土壤流失量可拟合为二次多项式关系,紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度约为22°。研究成果可为重庆市三峡库区坡耕地水土流失量预测和坡耕地综合整治提供参数和依据。     

不同降雨侵蚀力条件下紫色土坡耕地的养分流失

通过对川中丘陵区几次暴雨过程氮、磷流失的观测与分析,研究了不同降雨侵蚀力条件下的紫色土坡耕地的养分流失特征。结果表明在产流初始阶段,氮、磷流失严重,径流中养分输出浓度比较高,总氮最大可达8.0 mg/L左右,总磷在1.9 mg/L左右;坡耕地养分流失与土壤侵蚀的关系密切,氮、磷迁移以泥沙吸附态迁移为主,径流中的颗粒态氮、磷含量随降雨侵蚀力增大而增大,而溶解态氮、磷含量与降雨侵蚀力无明显相关。     

紫色土坡耕地埂坎土壤抗剪性能对含水率的响应

选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎进行试验,通过室内三轴试验研究不同含水率(质量分数6%、11%、16%、21%、26%和31%)对埂坎土壤抗剪强度指标的影响,以深化紫色土坡耕地埂坎力学性质研究。结果表明:1)试验含水率范围内,紫色土坡耕地埂坎土壤黏聚力受含水率影响显著(P0.05),且随着含水率增加呈现出先增大后减小的趋势,明显的峰值出现在含水率质量分数11%左右,黏聚力为85.52 k Pa;2)埂坎土壤内摩擦角随含水率增加而减小,呈非线性衰减,符合一阶指数衰减规律。高含水率时,衰减缓慢;3)紫色土坡耕地埂坎抗剪强度受含水率变化影响显著(P0.05),埂坎土壤极限主应力差随含水率和围压的变化明显且具有规律性。相同围压下,埂坎土壤极限主应力差随含水率增大而迅速减小,即土体的抗剪强度降低。相同含水率下,极限主应力差随围压增大而增大,低含水率时增加明显,高含水率时增加缓慢。当含水率质量分数达到26%左右,埂坎土壤抗剪强度趋于低值;4)紫色土埂坎土壤的应力-应变曲线随含水率递增依次呈现应变软化型、硬化型和弱硬化型。研究结果可为三峡库区高标准基本农田等工程的埂坎建设提供依据和技术支撑。     

紫色土坡耕地耕层蓄水保土及耕性特征研究

通过对重庆合川和云南楚雄紫色土坡耕地野外调查和土壤物理力学性质分析,对比研究了紫色土坡耕地耕层土壤的蓄水、稳定性及耕性特征。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤入渗速率随土层深度而降低,0—20,20—40,40—60cm耕层土壤稳定入渗率分别为5.80~9.58,2.81~4.35,0.98~1.96 mm/min;而相应深度土壤最大有效库容分别介于49.93~66.26,46.04~59.05,37.42~43.55mm范围,0—20cm土壤兴利库容高产耕层大于低产耕层;(2)不同类型紫色土坡耕地耕层土壤稳定性差异明显,土壤团聚体结构均以5,5~3,3~0.5mm 3个粒级为主,且0.25 mm水稳性大团聚体含量随耕层深度显著降低;0—20cm耕层土壤稳定性指数依次为烟草高产耕层(2.96)玉米高产耕层(2.55)烟草低产耕层(2.45)玉米低产耕层(2.38);20—40,40—60cm土层的玉米和烟草稳定性指数分别较0—20cm耕层降低0.44,0.64和0.66,0.71;(3)不同坡耕地耕层土壤抗剪强度和贯入阻力差异显著(p0.05),土壤抗剪强度依次为玉米低产耕层(36kPa)玉米高产耕层(29kPa)烟草低产耕层(25kPa)烟草高产耕层(21kPa),峰值出现在20—40cm;高产耕层的土壤贯入阻力在0.3~1.9 MPa,低产耕层则在0.5~2.5MPa变化,其峰值出现在40—50cm。紫色土坡耕地高产耕层具有稳定入渗率高、有效库容大、土壤持水性能较强、土壤结构稳定性高、表层土壤抗剪强度和贯入阻力较低的特征。     

土壤容重和含水率对紫色土坡耕地耕层抗剪强度的影响

土壤抗剪强度既可评价土壤侵蚀敏感性,也是反映耕层土壤耕作性能的重要参数。不同剪切方式下土壤抗剪强度指标存在一定差异,以紫色土坡耕地耕层土壤为研究对象,采用室内重塑土三轴及直剪试验方法,研究容重和含水率对紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度的影响,并分析了2种试验方法的差异性。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤黏聚力(c)总体随容重(ρd)增大而增加,随含水率(w)增加而减小,三轴及直剪试验条件下黏聚力最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为32.33,21.78 kPa。耕层土壤内摩擦角(φ)随容重增加而增大,随含水率增大而减小,三轴及直剪试验条件下内摩擦角最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为22.67°,29.11°。(2)在同一围压下,耕层土壤最大主应力差随容重增加而增大,随含水率增加而减小;在同一容重和含水率水平下,耕层土壤的最大主应力差随着围压升高而增大。(3)耕层土壤容重、含水率的交互作用对黏聚力和内摩擦角影响显著(P<0.05),对坡耕地耕层土壤抗剪强度抵抗侵蚀作用的最优土壤容重-含水率条件为1.4 g/cm^3—10%。(4)不同剪切方式影响了土体抗剪强度指标,耕层土壤黏聚力在三轴试验条件下大于或接近直剪试验结果,而土壤内摩擦角则明显小于直剪试验结果,这主要与两种剪切试验原理差异有关。     

紫色土坡耕地埂坎水分衰减下土压力非线性分布

[目的]揭示紫色土坡耕地埂坎土压力分布特征及其影响因素,为三峡库区乃至长江上游地区的紫色土坡耕地埂坎优化设计、建设与维护提供科学依据。[方法]采用土槽模拟试验,向土槽注水至土壤基本饱和,使用静态应变仪分层采集土压力,采用烘干法测量各层土壤水分含量,分析土壤水分衰减过程中土压力变化特征。[结果]①土压力随着土层深度的增加呈非线性分布,表现为土压力先随着土层深度的增加而增大,在距离试验土槽底部0.375 H左右达到最大,然后又随着土层深度的增加而减小。②试验条件下,土壤水分饱和后随着时间的变化呈近似线性衰减,并对土压力产生了显著影响(p0.01),但不同土层间存在一定差异。③土层深度和土壤水分含量的交互效应对土压力的影响显著(p0.01)。[结论]三峡库区紫色土坡耕地埂坎土压力呈非线性分布,土层深度和土壤水分含量及其交互效应对埂坎土压力均存在显著影响。     

薄层紫色土坡耕地胶体颗粒随地表径流及裂隙潜流迁移规律

为查明薄层紫色土坡耕地土-岩二元结构中胶体颗粒随地表径流和泥岩裂隙潜流迁移的规律,在2015年3场自然降雨事件中对1 500 m~2大型坡耕地径流场进行监测研究。结果表明:1)地表径流的产流方式主要受土壤前期水饱和度、降雨强度和历时影响;裂隙潜流则主要受降雨量控制,其峰值流量对降雨的响应滞后于地表径流30 min左右;坡中部和坡下部对地表径流、裂隙潜流的贡献明显高于坡上部。2)地表径流中胶体颗粒质量浓度数十倍于裂隙潜流,最高可达4 827 mg/L,单场降雨事件中地表径流胶体迁移总量可超过7 kg。3)地表径流和裂隙潜流中胶体迁移速度快于径流,胶体质量浓度峰值的出现早于径流量峰值;地表径流中的胶体颗粒质量浓度主要受土壤水饱和度和径流过程控制。该研究结果对于估算农田中胶体结合态污染物的迁移通量具有参考价值。     

紫色土丘陵区土壤入渗及其测定方法研究

为了研究紫色土丘陵区林草地土壤入渗规律,并对比不同测定方法间的差异性,采用点源入渗法、双环法和环刀法对其入渗性能进行测定。结果表明:林地土壤入渗过程呈现的规律性比草地的好,且用点源入渗法和环刀法测定进入稳定阶段用时较双环法快1倍以上;采用4种入渗模型对土壤入渗过程拟合的效果表现为Horton模型(R~2=0.953)通用经验模型(R~2=0.941)Kostiakov模型(R~2=0.920)Philip模型(R~2=0.819),且草地的拟合效果比林地的好;林地的初渗速率、稳渗速率、平均入渗速率比草地的大,分别大了21.03%~116%,30.43%~102.56%,26.35%~112.73%;2种地类的初渗速率大小为点源入渗法双环法环刀法,稳渗速率表现为双环法环刀法点源入渗法,平均入渗率则为双环法点源入渗法环刀法;土壤入渗性能各项指标与其理化性质相关性差别较大。点源入渗法在紫色土丘陵区尚属新方法,在研究中应视情况而采用。     

紫色土坡耕地土壤侵蚀及其防治措施研究进展

紫色土是我国西南地区一种主要的土壤类型,具有土层浅薄、结构性差和有机质含量低的缺点,同时又具有成土速率快、生产性能高的优点。在紫色土坡耕地上,不仅降雨和地表径流对坡面土壤迁移起着重要作用,而且壤中流的侵蚀也不可忽视。与此同时,耕作侵蚀作为坡耕地上主要的人为加速侵蚀形式,在坡面土壤侵蚀、搬运和堆积过程中也起着举足轻重的作用。对紫色土坡耕地的土壤侵蚀现状、定量研究方法和防治措施等作了简要论述,并指出:在紫色土坡面水蚀过程中,壤中流侵蚀过程扮演着重要的角色,但该方面研究成果较少,今后应当加强;相对于水蚀而言,耕作侵蚀的研究还很少,且在该区域主要关注单纯的耕作侵蚀效应,耕作侵蚀与水力侵蚀的交互作用研究更少,因此需要加强对耕作侵蚀和水力侵蚀的耦合作用机制的研究;在研究方法方面,应将各种定量研究方法有机结合,互相验证,开展多尺度的定位观测和控制试验。     

丘陵区不同土地利用类型紫色土入渗特征研究

对三峡库区4种土地利用类型下紫色土入渗特征进行了研究。结果表明,农林混作型耕地与传统农耕地相比,砂粒含量增加21.37%,粉粒含量和粘粒含量分别减少11.63%和4.14%,其土壤总孔隙度和非毛管孔隙度是4种土地利用类型中最高的,分别为45.80%和8.96%;4种土地利用类型土壤入渗速率随时间变化呈幂函数关系,土壤稳定入渗率差异明显,表现为竹林地(55.89 mm/h)>农林混作型耕地(5.91 mm/h)>园地(2.71 mm/h)>传统农耕地(1.87 mm/h);农林混作型耕地达到稳渗时间比传统农耕地长70 min,稳定入渗率是传统农耕地的3.16倍,能够延缓地表径流产生,增加土壤水分入渗,可以在三峡库区范围内推广;紫色土入渗能力与砂粒含量、总孔隙度及非毛管孔隙度呈正相关关系,与粘粒含量、容重、初始含水量呈负相关关系。