红壤有机碳流失特征及其与泥沙径流流失量的定量关系

通过野外微型径流小区模拟降雨试验,对坡面小区尺度水力侵蚀过程中物理运移土壤有机碳的规律进行研究。结果表明:2 m×5 m径流小区持续降雨30 min后,大雨强(1.64 mm min-1)和小雨强(0.58 mm min-1)降雨条件下泥沙携带流失的有机碳总量分别为56.09 g和3.18 g,溶解于径流流失的有机碳总量分别为13.55 g和2.81 g。降雨强度和持续时间对有机碳流失的过程特征有显著影响。降雨强度越大,泥沙携带及溶解于径流的有机碳流失速率和总量也越大。大雨强泥沙有机碳富集比在产流发生后的18min内大于1,随后降至1以下。小雨强泥沙有机碳富集比始终小于1。大雨强径流有机碳浓度与径流量呈立方关系,小雨强有机碳流失量随径流量增加呈线性递增趋势;大雨强泥沙有机碳含量与泥沙量之间具有明显的立方关系。     

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...     

不同雨强下喀斯特坡耕地养分流失特征研究

为揭示西南喀斯特坡耕地的养分流失特征,通过人工模拟降雨试验,研究不同雨强下喀斯特坡耕地养分流失的过程机制及特征。结果表明:(1)喀斯特坡耕地产流产沙从地下过渡到地表的临界雨强在30 mm·h~(-1)～50 mm·h~(-1)之间,产流量和产沙量均随降雨强度的增大而增大,且产流产沙主要以地表为主。(2)小雨强(15 mm·h~(-1)和30 mm·h~(-1))下,喀斯特坡耕地TN、TP、TK主要通过地下径流进行流失,大雨强(≥50 mm·h~(-1))下,喀斯特坡耕地TN、TP、TK地表流失比例为地下漏失的3倍左右;TP径流流失量及流失浓度均随雨强的增大而增大,TN和TK径流流失量及流失浓度却随雨强的增大变化不明显。(3)喀斯特坡耕地泥沙养分流失也主要是以地表流失为主,地表流失量较地下高出约5.03倍,且泥沙中流失的养分浓度均大于径流中流失的养分浓度;地表泥沙养分富集率整体高于地下漏失部分;地表、地下泥沙养分流失总量与养分流失模数均随降雨强度的增大而增大。(4)喀斯特坡耕地径流总量与径流养分(TP、TK)、泥沙养分(TN、TP、TK)均呈极显著正相关关系(P0.05),径流总量与径流TN呈现极显著正相关关系(P0.01)。研究结果可为喀斯特区坡耕地养分流失防治及面源污染治理等提供理论参考依据。     

自然降雨条件下红壤坡面有机碳的选择性迁移

依托江西水土保持生态科技园,2015年3月―8月期间,对裸地、草地、果园和湿地松人工林四种类型径流小区自然降雨条件下侵蚀过程中径流泥沙和土壤有机碳的流失特征进行了原位监测。结果表明,监测期间24场降雨下,径流系数和侵蚀模数基本上均随雨型的增大而增加。随着土地利用类型由裸地向果园、草地和林地的转换,减流效益和减沙效益依次增大。径流量和泥沙流失量最主要的影响因素分别是降雨量和径流量。裸地、草地、果园和林地四种类型坡面上,自然降雨下土壤有机碳随泥沙迁移的比例分别为64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳流失强度分别达到560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。径流有机碳含量与径流量之间、泥沙含碳量与泥沙量之间均呈负相关关系。裸地、果园、草地和林地四种径流小区泥沙有机碳富集比分别为1.27、1.10、0.80和0.58,即随着土壤侵蚀模数的降低,有机碳富集比也减小。泥沙有机碳富集比均随雨强的增大而减小,有机碳的选择性迁移在低强度降雨条件下表现更为明显。     

坡面侵蚀过程中泥沙有机碳流失特征分析

以野外布设的径流小区为研究对象,采用模拟降雨方法研究随机条件下降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量及流失过程的动态变化规律。结果表明:(1)降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量随降雨的进行逐渐降低并趋于平稳,与坡面土壤有机碳含量相比显著增高(p0.01),有机碳在泥沙中明显富集,富集比最大值达1.780,泥沙中有机碳含量及富集比随侵蚀速率的增加明显减小且趋于稳定;(2)泥沙有机碳流失速率随降雨的进行先波动增大,达到最大值后又波动减小,最后逐渐趋于准稳定,整个过程呈单峰分布;(3)泥沙有机碳流失强度与土壤侵蚀强度呈显著性线性正相关(p0.01),说明土壤侵蚀量决定侵蚀过程中有机碳流失量,准确获取土壤侵蚀强度是估算坡面有机碳流失量的基础。     

人工模拟降雨条件下石灰土养分流失规律

通过对三峡库区香溪河流域选取具有代表性石灰土坡耕地进行原位人工模拟降雨试验,研究了在不同降雨强度下石灰土中氮磷养分随地表径流的流失规律。结果表明:雨强越大,地表径流量、径流总量、泥沙流失量越大,初始产流时间越短,但是雨强对泥沙流失浓度的影响不显著;不同雨强下TP、TN浓度都随着产流时间的延长逐渐变小,最后趋于平衡,而且雨强越大,TP、TN浓度流失越严重,其中TP主要以PP形式流失,达到80%以上,TN的流失在大雨时PN占优,中雨时以DN占优;地表径流磷素的流失主要以泥沙携带为主,泥沙养分流失浓度与雨强无关,但是泥沙养分流失量却与雨强和泥沙流失量成正比。     

模拟降雨对工程建设区裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响

为揭示不同降雨强度下工程建设区裸露坡地土壤侵蚀过程和氮素流失特征,采用人工模拟降雨的方法,研究不同降雨强度(1,1.5,2mm/min)和处理(裸地、坡面覆盖纱网)对工程裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响。结果表明:(1)径流强度、径流含沙量、土壤剥蚀率都与降雨强度呈正相关关系,土壤入渗率与降雨强度呈现负相关关系。(2)累积泥沙量与累积径流量在裸地处理中呈现线性函数关系,在纱网处理中呈现幂函数关系。(3)地表径流中氮素流失浓度随降雨历时呈现"下降—稳定"趋势,氮素流失量随降雨强度的增加而增大,其中NO_3~-—N流失量占总氮比重高于NH_4~+—N。(4)土壤坡面覆盖纱网后能有效控制水土流失量和氮素流失量,其中径流量和NO_3~-—N流失量在小雨强处降低效果显著,分别降低了60.21%和56.74%;TN流失量和NH_4~+—N流失量在小、中雨强处降低效果较好,均达到59.26%以上;侵蚀泥沙量在小、中、大雨强处均降低了79%以上。说明土壤坡面覆盖纱网这一措施对降低工程建设区裸露坡地土壤侵蚀量和氮素流失量具有效果显著,可以作为工程建设区水土流失防止措施。     

玉米苗期横垄坡面侵蚀产沙与有机碳流失特征

为揭示紫色土横垄坡面侵蚀产沙与有机碳流失对坡度的响应特征,通过人工模拟降雨和野外径流小区相结合的方法,探讨了不同坡度下玉米苗期径流、侵蚀泥沙及其有机碳流失特征。结果表明:玉米苗期不同坡度下地表径流量总体表现为降雨初期变化较为稳定,随降雨时间持续呈逐渐增加的趋势,而壤中流表现为10°坡度下,径流量在降雨初期变化不大,随降雨时间持续呈逐渐增大的趋势,15°和20°坡度下壤中流则表现为逐渐增加的变化趋势;不同坡度下侵蚀强度均表现为20°15°10°,且20°坡度下侵蚀强度显著高于10°和15°坡度;不同坡度下,地表径流总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)质量浓度随降雨时间延长呈逐渐降低趋势,有机碳质量浓度均表现为20°15°10°,而壤中流表现为先升高后降低的趋势,质量浓度表现为10°15°20°,且地表径流、壤中流TOC和DOC质量浓度相差不大;不同坡度下TOC和DOC迁移通量总体表现为壤中流大于地表径流,地表径流有机碳迁移通量则表现为20°15°10°,而壤中流迁移通量表现为10°15°20°,且径流DOC迁移通量占TOC迁移通量百分比高达90%;不同坡度下侵蚀泥沙中有机碳含量随坡度增大均呈减小趋势,且同一坡度下,泥沙有机碳含量随降雨时间的延长呈降低的趋势;侵蚀泥沙中有机碳富集明显,随坡度的增大富集比减小。因此,紫色土区坡耕地径流中有机碳主要以DOC的形式流失,壤中流为DOC迁移的主要方式。     

不同降雨强度下坡地覆盖对土壤有机碳流失的影响

采用模拟降雨试验研究不同降雨强度下坡地覆盖对因地表径流泥沙流失的有机碳影响.结果表明:降雨强度越高,土壤覆盖度越低,土壤有机碳流失量越高.影响土壤有机碳流失的因素表现为降雨强度＞土壤覆盖度＞地面坡度.降雨过程中,降雨强度由60 mm/h增至120 mm/h,土壤有机碳流失量增大.覆盖度较小时,降雨强度对土壤有机碳流失起决定作用.降雨强度≤60 mm/h时,植物覆盖层抑制土壤有机碳流失,重度覆盖(覆盖度100％)、轻度覆盖(覆盖度50％)与裸露地(覆盖度0％)相比,土壤有机碳流失量分别减少56.2％和36.3％.同时,土壤有机碳流失量随地面坡度由5°升至10°增加4.6％,初始产流时间提前14s.降雨强度与土壤有机碳流失量呈正相关,土壤覆盖度与泥沙流失量(土壤侵蚀量)以及土壤有机碳流失量呈负相关,径流中土壤有机碳流失量随着土壤侵蚀量同步变化.     

降雨强度对三峡库区坡耕地土壤氮、磷流失主要形态的影响

揭示紫色土坡耕地在不同降雨条件下对土壤养分流失及其环境效益的影响,对于保护三峡库区水环境具有重要意义。通过径流场试验分析2010年5月1日-7月10日6次降雨过程中紫色土坡耕地的氮、磷流失特征。结果表明:大雨时产生的径流量分别为中雨和小雨时的2.34,7.59倍,同时大雨产生的径流中TN、TP含量高于小雨和中雨时,大雨导致的氮、磷流失远远超过中雨与小雨。大雨时产生的累积泥沙量分别是中雨和小雨的8.34,111.38倍。紫色土坡耕地径流中TN、TP的主要形式是有泥沙携带的颗粒态氮、磷,降雨量越大,颗粒态氮、磷的比例越高。中雨产生的径流中颗粒态氮占TN的74.9%～75.9%,大雨产生的径流中颗粒态氮占TN的比例更高,达到85.0%～92.6%。颗粒态磷是径流中磷的主要形态,大雨、中雨、小雨产生的径流中颗粒态磷占TP的比例分别为96.6%～97.7%,93.9%～96.2%,90.5%～94.4%。紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙为载体,这在降雨量较大时表现得尤为明显。控制坡耕地氮、磷流失应着重考虑控制降雨量较大时的氮、磷流失。     

红壤丘陵区坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响

坡长对坡耕地土壤侵蚀的影响随雨强的不同而变化,为解决南方红壤丘陵区坡耕地水土流失问题,该文采用野外人工模拟降雨的方法,研究了南方红壤丘陵区作物覆盖坡耕地上不同雨强下坡长对其土壤侵蚀的影响,并探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长,结果表明:产沙量随坡长延长整体呈增大趋势,但存在一定的波动,二者的关系可用幂函数(决定系数0.84)表示。坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加,但每隔4 m产沙量增量有减少的趋势,且径流侵蚀产生的泥沙中主要为粒径0.002~0.02 mm的粉粒及粒径0.002 mm的黏粒,加剧了耕地土壤粗化,因此,可每隔4 m设置水土保持措施,有效减少坡耕地水土流失。坡面径流侵蚀产沙量随着雨强的增大而增加,坡长越长,产沙量随雨强增加速度越快,二者呈幂函数关系(决定系数0.76),60 mm/h是红壤丘陵区侵蚀增强的临界雨强;雨强、坡长与产沙量均呈正相关关系,且雨强对坡耕地产沙量的影响较坡长大。对不同雨强下坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响研究,可以为南方红壤丘陵区坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。     

模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大,其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白,而雨强和地下孔(裂)隙度(以下简称地下裂隙)对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下裂隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明:雨强对地表产流产沙影响显著(P0.05),其产流产沙量均随雨强增大而增加,且地表产流产沙临界雨强在30~50 mm/h之间;雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮(TN)输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著(P0.05)。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著(P0.05),而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷(TP)输出负荷总体以径流为主,而全钾(TK)输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子,地下裂隙度对其养分流失影响不大,但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。     

黄土丘陵区不同坡度下土壤有机碳流失规律研究

通过野外径流小区观测与采样分析,研究了自然降雨条件下坡度对土壤有机碳流失的影响.结果表明:在黄土丘陵区,随着坡度增加(10°～30°),其侵蚀强度(A)变化趋势为:A_20°>A_30°>A_15°>A_10°>A_25°,表明在20°和25°之间存在着临界坡度;土壤有机碳流失的变化趋势与侵蚀强度一致,可见有机碳流失主要受侵蚀强度的影响.土壤侵蚀造成了泥沙中有机碳的富集,其平均富集比为2.27～3.74,且富集比随着侵蚀强度和坡度增大而减小.土壤有机碳流失程度与降雨特征值PI₃₀呈幂函数关系.减少地表径流和土壤侵蚀是降低土壤有机碳流失的关键.     

南方红壤区植被结构类型与降雨模式对林下水土流失的影响

植被和降雨是水土流失的关键因素,探究二者对水土流失的影响对开展水土保持具有重要意义。该研究基于鹰潭红壤生态试验站5种植被结构类型的径流小区2016-2018年93次降雨、径流、泥沙观测资料以及各小区植被结构参数,利用自组织映射(self-organizing maps,SOM)方法,根据雨量、历时、60 min最大雨强、平均雨强、降雨集中性等特征指标划分降雨模式,研究了不同降雨模式和植被结构类型的水土流失特征,并采用冗余分析(RDA)定量研究降雨与植被对林下水土流失的影响。结果表明,SOM方法能客观识别红壤区4种典型侵蚀降雨模式,R_Ⅲ模式(短历时、大雨强、雨量集中)是造成水土流失的主要降雨模式,R_Ⅳ模式(多雨量、大雨强、长历时)最具侵蚀性破坏力;植被结构类型显著影响水土流失,水土保持功能从大到小依次为:灌草混交林、草地、低灌林、乔木林、高灌林。RDA分析表明,降雨模式与植被结构类型能够改变降雨、植被对水土流失的影响,随着降雨模式由弱到强转变,植被的水土保持功能逐渐减小,降雨影响增强,水土流失由植被主控演变为平衡控制、降雨主控;随着植被结构类型由近地表植被向灌木、乔木的变化,植被的调节能力减小,降雨影响增强。     

等高反坡阶对坡耕地土壤碳库的影响

[目的]研究坡耕地等高反坡阶措施的蓄水保土和固碳减排效应,为改善云南山区红壤坡耕地土壤侵蚀状况提供科学依据。[方法]自然降雨条件下,通过松花坝迤者小流域1a的野外径流小区定位观测,对有、无等高反坡阶措施条件下的坡面产流产沙和土壤有机碳流失进行对比分析。[结果](1)泥沙作为土壤有机碳流失的重要载体,因其流失所致的流失量占总有机碳流失量的85%以上,最高达95.38%;(2)等高反坡阶具有显著的蓄水减流和保土减沙效应,其减流率在5.56%~53.91%,减沙率在18.84%~83.11%,产沙调控作用更优;(3)雨季前后,原状坡面小区土壤碳储量减少率达9.90%,明显高于等高反坡阶小区土壤碳储量的减少率3.99%;(4)通过相关分析发现,2个小区土壤有机碳的流失率与降雨量均未达到显著相关,但与降雨侵蚀力显著相关(p0.05)。径流、泥沙与2个小区有机碳的流失率均达到了显著正相关(p0.05)。[结论]等高反坡阶通过改变地表微地形,减少了坡耕地有机碳的输出。     

Residue cover and rainfall intensity effects on runoff soil organic carbon losses

Soil cover and rainfall intensity (RI) are recognized to have severe impacts on soil erosion and an interaction exists between them. This study investigates the effect of rainfall intensity (RI) and soil surface cover on losses of sediment and the selective enrichment of soil organic carbon (SOC) in the sediment by surface runoff. A field rainfall simulator was used in the laboratory to produce 90 min rainfall events of three rainfall intensities (65, 85 and 105 mm h^− 1) and four cover percentages (0%, 25%, 50% and 75%) on soil material at 9% slope. A strong negative exponential relation was observed between cover percentage and RI on sediment loss under 85 and 105 mm h^− 1 of rain, while under RI of 65 mm h^− 1, the highest sediment loss was observed under 25% cover. Overall, higher RI and lower cover produced higher sediment and consequently higher nutrient loss, but resulted in a lower SOC enrichment ratio (ER_SOC) in the sediment. The amount of runoff sediment rather than the ER_SOC in the sediment was the determinant factor for the amount of nutrients lost. The values of ER_SOC were high and positively correlated with the ER values of particles smaller than 20 µm (p < 0.01). Although the sediment contained substantially more fine fractions (fine silt and clay, < 20 µm), the original soil and runoff sediment were still of the same texture class, i.e. silt clay loam.     

秸秆覆盖对岩溶区坡耕地产流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究秸秆覆盖对西南岩溶区坡耕地产流产沙的影响。试验处理按照2个雨强(63,100mm/h)和5个秸秆覆盖度水平(0,20%,50%,80%和100%)进行。结果表明:在中雨强(63mm/h)条件下,秸秆覆盖减少了地表径流的径流系数和径流强度,增加了壤中流径流系数和径流强度,在较大秸秆覆盖度下(50%,80%和100%),秸秆覆盖能有效减少土壤流失量;但在大雨强(100mm/h)条件下,秸秆覆盖导致地表径流增加并同时显著减少了壤中流,地表径流的增加同时导致土壤流失量的增加。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。