下垫面变化对喀斯特坡地地下产流产沙的影响

通过人工模拟降雨试验,探索表土剥离对喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响。采用钢槽装填土石模拟喀斯特坡地的"二元结构",通过正交试验分析了下垫面类型(坡耕地、裸坡地)、雨强(0.5,0.8,1.3mm/min)和地下孔(裂)隙度(1%,2%,3%,4%,5%)对坡地地下产流、产沙的影响。结果表明:表土剥离导致下垫面土壤物理性质改变,是影响坡地产流、产沙特征变化的主要因素。降雨强度主要影响坡地地下产流量和产沙量,地下孔(裂)隙度主要影响径流和泥沙在地表和地下的分配比例。表土剥离后表层土壤的容重和土壤颗粒分形维数呈显著性增大,导致土壤透水性、孔隙大小等发生改变。相比之下,在0.5mm/min雨强下,裸坡地的地下产流量、产流系数、产沙比重均大于坡耕地,雨强增大至0.8,1.3mm/min后,则是坡耕地大于裸坡地。同时,随着降雨强度的增大,坡耕地产流量和产沙量随雨强的变化顺序为0.5mm/min雨强0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强。而裸坡地的产流量大小随雨强的变化顺序为0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强0.5 mm/min雨强,产沙量大小随雨强的变化顺序为0.5 mm/min雨强0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强。增大地下孔裂隙度能显著(p0.05)的增大两种坡地的地下产流、产沙的贡献量。地下孔裂隙度为1%~3%条件下,2种坡地地下侵蚀产沙比重存在极显著差异(p0.01),随着地下孔(裂)隙度增大至4%和5%,两者间的差异缩小。虽然裸坡地的地下侵蚀产沙量小于坡耕地的,但是其地下产沙比重更大。在喀斯特地区进行开发建设时,应注重地下漏失的防治工作。研究成果能够为喀斯特坡地土壤侵蚀研究和水土流失防治提供重要参考。     

喀斯特典型坡耕地模拟降雨条件下的土壤侵蚀响应

为了定量研究不同降雨强度、坡度和孔(裂)隙度条件下坡耕地土壤侵蚀响应和空间分布特征,采用人工模拟降雨试验,通过模拟喀斯特典型坡耕地耕作层和微地貌特征以及孔裂隙构造特征,研究土壤侵蚀响应和空间分布特征。结果表明:(1)15,30mm/h降雨强度时地表不产流,水土流失形式为地下漏失;50mm/h降雨强度时地表产流产沙,水土流失也以地下漏失为主,地下径流出现最大值。50mm/h以上降雨强度时,土壤侵蚀逐渐向地表侵蚀转变,地表、地下径流泥沙分配呈负相关;(2)在一定条件下,坡度增大,地表径流泥沙量增加,地下径流量减小,当坡度在10°~15°时地表径流泥沙量急剧增加,25°时坡面产流产沙量达到最大值,其中20°坡面径流泥沙与25°接近;地下泥沙与坡度、孔(裂)隙度间变化规律不明显。(3)径流空间分配特征以地下径流为主,其中90 mm/h降雨强度以地表侵蚀为主。(4)降雨强度、坡度和孔(裂)隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次为降雨强度坡度孔(裂)隙度。总之,喀斯特坡耕地以地下漏失为主,地表产流之前随雨强增大而增大,地表径流产生后则反之,极端暴雨(90mm/h)下以地表侵蚀为主;降雨强度对水土流失影响程度最大,其次坡度,再次孔(裂)隙度。     

喀斯特山地石漠化过程中地表地下侵蚀产沙特征

喀斯特地区特殊的地表、地下侵蚀产沙是引发石漠化发生发展的重要物理过程。以喀斯特山地石漠化过程中不同石漠化状况的裸坡面为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究其地表及地下侵蚀产沙特征。结果表明:无石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化的裸坡在相同条件下的地表产沙量总体上高于地下产沙量,且10 min降雨时段内地下产沙量在0~100 g之间。不同石漠化强度的裸坡地表、地下侵蚀产沙量均随雨强的增大而增加;小雨强(30~80 mm h~(-1))下,随着石漠化强度加剧其地表越不易发生侵蚀,而石漠化强度达到一定程度时(基岩裸露率40%)土壤流失以地下流失为主;大雨强(150 mm h~(-1))下,地表产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化不明显,而地下产沙量则呈先增加后减小的变化且在基岩裸露率为30%时达到最大。不同石漠化强度的裸坡地表产沙量及其分配比例随地下孔(裂)隙度变化不明显,地下产沙量及其分配比例总体上随地下孔(裂)隙度增加而增加;在不同地下孔(裂)隙度下(1%~5%),地表、地下产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化(10%~50%)差异较大。研究结果对认识喀斯特地区石漠化发生发展机制、揭示土壤侵蚀特征、防治地表地下水土流失具有重要的理论和现实意义。     

喀斯特坡地土壤地下侵蚀模拟试验研究

通过人工降雨及模拟喀斯特坡地地下孔(裂)隙构造,研究坡地地下产流产沙特征。结果表明:在降雨强度与孔(裂)隙度条件不变的情况下,地下孔(裂)隙累积径流量、径流率与坡度呈负相关关系,随坡度的增大而减小,地下孔(裂)隙产沙量总体上随坡度的增大而减小,但当地下孔(裂)隙度相差较大时,其产沙量在坡度变化上并非绝对随坡度的增大而减小;其他条件相同时,在50~80mm/h之间存在临界雨强,使地下孔(裂)隙累积径流量及产沙量先随坡度的增大而增大,达到临界降雨强度后,呈减小趋势,地下孔(裂)隙径流率总体随降雨强度的增大而减小;地下孔(裂)隙累积径流量、径流率、产沙量与地下孔(裂)隙度呈正相关关系;地下孔(裂)隙产沙量随地下孔(裂)隙累积径流量变化呈正相关关系;地下土壤漏失产流产沙与各因子间相关程度为坡度降雨强度地下孔(裂)隙度。     

短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响

探索短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响,为喀斯特区坡耕地应对极端天气的水土流失防治提供理论依据。研究采用人工室内模拟降雨试验的方法,对喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征在短历时强降雨作用下的影响因素开展研究。结果表明:(1)短历时强降雨导致喀斯特坡耕地地表输沙模数和产沙量随降雨强度的增大而增大,而地下输沙模数和产沙量与降雨强度无明显变化规律,坡耕地土壤侵蚀以地表为主。地表产沙临界雨强为30～50 mm/h。(2)坡度增大时地表产沙比重大于地下产沙比重,地表土壤侵蚀以地表为主。产沙比重发生转折的坡度值为15°～20°。70 mm/h降雨强度和5°坡度下,降雨强度对地下土壤侵蚀可能存在"负效应"。(3)喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征与降雨强度和坡度密切相关,但降雨强度因子起主导作用。强降雨主要影响地表土壤侵蚀,因此,对喀斯特坡耕地土壤侵蚀治理应以地表为主。研究结果有助于深入了解短历时强降雨对喀斯特坡耕地土壤侵蚀的影响,为对喀斯特坡耕地应对极端天气和水土流失防治以及维持生态环境健康持续发展提供理论依据。     

喀斯特坡耕地及其浅层孔(裂)隙土壤侵蚀响应试验研究

通过模拟喀斯特坡耕地地貌特征和喀斯特地下孔(裂)隙构造,采用人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同坡度、不同地下孔(裂)隙度及降雨历时条件下地表及地下的土壤侵蚀响应。结果表明,(1)地表径流与降雨强度、坡度的变化呈极显著正相关关系,与地下孔(裂)隙度的变化呈显著负相关关系;地下孔(裂)隙流与坡度、降雨强度的变化呈极显著负相关关系,与地下孔(裂)隙度的变化呈极显著正相关关系。(2)地下孔(裂)隙流流量、累积产沙量均随雨强的增大呈先增大后减小的变化规律。(3)总体上,地表径流随坡度的增大呈增大趋势,地下孔(裂)隙流随坡度的增大呈减小趋势;地表累积推移质和悬移质流失量随坡度的增大总体呈增大趋势,地下孔(裂)隙流的累积悬移质流失量随坡度的增大总体呈减小趋势。(4)地表产流、产沙随地下孔(裂)隙度增大而减小,而地下产流产沙则相反。(5)降雨强度、坡度和地下孔(裂)隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次是坡度降雨强度地下孔(裂)隙度。     

喀斯特裸坡地地下孔(裂)隙流养分流失特征研究

通过人工模拟试验,研究喀斯特坡耕地地下孔(裂)隙流养分流失特征,结果表明:(1)地下产流、产沙量与雨强、地下孔(裂)隙度呈正相关关系,与坡度呈负相关关系。(2)雨强对地下径流流失浓度影响不显著,不同坡度全钾流失浓度随坡度呈波浪型变化,全磷流失浓度在缓坡(5~10°)地上径流流失浓度最大,是陡坡(15°以上)地上磷素淋失浓度的2~3倍,氮素流失浓度呈现出随着坡度增大而逐渐减小的变化趋势,地下径流全钾流失浓度与地下孔(裂)隙之间没有明显的变化趋势。(3)全钾、全磷和全氮流失量与雨强变化均呈指数函数关系,R~2分别为0.718 7,0.817 1,0.849 2;不同坡度条件下,全钾、全磷和全氮流失量随坡度的变化趋势一致,拟合曲线均为线性关系;全钾和全磷与地下孔(裂)隙度均可用指数函数拟合,全氮流失量与地下孔(裂)隙度可用幂函数拟合,地下径流中养分流失以氮素为主。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

中国西南喀斯特坡地水土流失/漏失过程与机理研究进展

西南喀斯特区坡耕地特殊的地表、地下双层空间结构,使得岩溶区的土壤侵蚀过程具有特殊性和复杂性,并产生了一系列特殊的环境地质问题,如水土流失、旱涝、石漠化等。开展喀斯特坡地水土流失/漏失研究,主要是揭示喀斯特坡地水土流失/漏失过程及驱动机制,为喀斯特石漠化的综合治理及其石漠化生态恢复提供理论依据和技术支撑。同时,系统论述了我国西南喀斯特坡地地表侵蚀和地下漏失过程与机理的最新研究进展,其中地表侵蚀过程与机理都进行了定性和定量化的研究,而地下漏失过程与机理则处于定性描述和室内模拟探索阶段;喀斯特坡地有关的模拟和野外观测研究均表明,喀斯特坡地的土壤侵蚀方式是一个从地下漏失到地表侵蚀的转变过程,即小雨时以漏失为主,而暴雨时则以二者并重甚至以地表流失为主;此外,还深入分析了喀斯特区坡地水土流失阻控的研究动态及研究不足,并指出该区水土漏失过程与机制在未来的研究方向和发展趋势。     

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。     

粗质地土壤坡度和前期含水量对土壤侵蚀的影响

利用野外模拟降雨试验,研究了粗质地土壤裸地和苜蓿地在不同坡度(5°,15°,25°)、不同前期含水量(低、中、高)条件下坡面降雨产流、产沙的过程及其特征,以此探究该区退耕还草效益。结果表明:3种坡度条件下裸地和苜蓿地的产流过程在不同前期含水量下均为先增大后趋于稳定,不同坡度之间的径流量差异不显著,但泥沙流失量随着坡度的增大而显著增加,在降雨过程中先增大达到峰值趋于稳定波动,裸地的波动幅度大于苜蓿地。2种处理的前期含水量对径流量以及平均入渗率的影响均达显著水平,裸地在相同的坡度下,前期含水量由低水平增加到中水平、低水平增加到高水平,径流量分别增加38.2%~52.8%,39.7%~42.8%,苜蓿地径流量分别增加27.3%~77.8%,45.5%~91.1%。坡度对泥沙流失量及含沙率影响显著,在相同的前期含水量下,裸地由5°增加到15°,15°增加到25°的泥沙流失量分别增加96.3%~268.7%,6.9%~40.3%,苜蓿地的泥沙流失量分别增加81.1%~384.2%,61.7%~169.9%。在相同坡度和前期含水量下,苜蓿地的径流量和泥沙流失量均显著低于裸地。研究结果表明粗质地土壤前期含水量和坡度显著影响坡地土壤侵蚀过程和总量,植被不但因为冠层拦截而减少径流,而且因为耗水量增加,降低了土壤前期含水量而减水减沙。     

岩层倾向对喀斯特槽谷区地表/地下产流过程的影响

喀斯特槽谷区在降雨过程中极易发生水土流失,这使得该区生态环境被破坏。以喀斯特槽谷区为研究对象,通过室内模拟其典型顺/逆层坡面特征及地下孔裂隙发育程度,利用人工降雨试验研究不同雨强条件下地表地下产流特征,从而揭示喀斯特槽谷区地表地下产流机制。结果表明:(1)喀斯特槽谷区地表地下产流受雨强影响,小雨强(30 mm/h)条件下地下产流量大于地表产流量,中雨强(60 mm/h)条件下地表产流量增大且裸坡条件下地表产流量大于地下产流量,大雨强(90 mm/h)条件下裸坡与顺层坡的地表产流量均大于地下产流量。(2)地下孔裂隙发育程度对地表地下产流量的分配比例产生影响,地下孔裂隙度越大则地下产流量越多,且2%～3%的地下孔裂隙度时地表地下产流量分配比例发生转变。(3)不同岩层倾向条件下,地表产流量及其分配比例最高为裸坡,最低为逆层坡,地下产流量及其分配比例最高为逆层坡,最低为裸坡。(4)不同岩层倾角条件下,顺层坡地表产流量最高为30°,最低为90°,地下产流量则相反;逆层坡地表产流量最高为90°,最低为60°,地下产流量最高为60°,最低为90°。研究结果可为喀斯特槽谷区地表及地下产流机制的进一步认识提供科学依据。     

模拟降雨条件下林木裸露根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响

为探究喀斯特地区林木根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响,采用人工模拟降雨方法,研究林木根系3类分布方式：根系横坡方向局部裸露（横向）、根系顺坡方向局部裸露（顺向）、根系垂直坡面（垂直）的土壤侵蚀特征。降雨强度为75 mm/h,降雨历时为90 min,坡度为25°。结果表明：（1）降雨过程中,横向和垂直生长根系影响土壤入渗,壤中流和地下径流产流时间表现为顺向>横向>垂直;顺向坡面地表径流初始产流时间比横向和垂直坡面略有提前,但差异不显著（p>0.05）;（2）横向、顺向及垂直坡面地表径流总量大小表现为顺向>垂直>横向,壤中流与地下径流产流速率在降雨过程中缓慢增加,降雨停止后急剧减小;（3）林木根系3类分布方式坡面间的地表减沙效益表现为横向>垂直>顺向。综上所述,顺向坡面的汇流作用促使地表产流产沙增加,垂直坡面增加土壤降雨入渗并减少侵蚀,横向坡面对坡面径流泥沙的拦蓄作用最为明显。研究结果对认识喀斯特石漠化坡地土壤侵蚀机理和水土流失防治措施提供了参考。     

Drivers of soil erosion and subsurface loss by soil leakage during karst rocky desertification in SW China

As an extreme manifestation of environmental degradation, karst rock desertification is caused by soil loss and rock exposure. In some areas with serious rocky desertification, there is no soil to be eroded or leaked. The soil loss in these areas superimposes soil erosion and unique subsurface loss by soil leakage through fissures, pipelines, sinkholes, etc., which directly reduce soil resources and accelerate rocky desertification. However, the factors driving soil erosion and subsurface loss by soil leakage are still unclear. Rainfall experiments were conducted on simulated slopes with surface-exposed bedrock and subsurface fissures based on field investigations in a karst rocky desertification area of Guizhou Province, China. Four factors, including rainfall intensity, slope gradient, bedrock exposure rate and subsurface fissure degree, were considered in the experiment. We found that the amount of soil surface erosion and subsurface leakage loss is driven not only by the runoff volume but also by other influential factors. Rainfall intensity is the driving factor determining the amount of surface erosion and subsurface leakage loss of soil and water and the relationship between them. The slope gradient plays a leading role only in subsurface fissure flow leakage loss. The bedrock exposure rate drives the surface soil erosion rate, shows a critical value (30%), and dominates the fissure flow leakage loss rate. Subsurface fissure density plays an important role in the surface loss of soil and water; however, an increase in the subsurface fissure density does not obviously accelerate the subsurface leakage loss of soil and water. Although this result, obtained from laboratory simulations, may differ at the field scale or larger, it could provide a foundation for systematic studies on soil erosion/leakage and insights into the relations between rocky desertification and soil erosion/leakage and their driving factors in karst rocky desertification.     

喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探

喀斯特坡地表层岩溶带发育，入渗强烈，产流机制与非喀斯特坡地有较大差异，为提高喀斯特坡地土壤流失模型预测准确性，以贵州省普定县陈旗小流域6个不同土地利用类型径流小区为观测对象，分析2007—2010年、2015—2019年2期泥沙和地表径流数据，了解产流产沙规律，并利用降雨侵蚀力偏差法计算各小区侵蚀性降雨量。结果表明：(1)植被覆盖率与喀斯特坡地地表产流产沙量呈负相关，高植被覆盖下，暴雨和极端暴雨是造成喀斯特坡地水土流失的主要降雨事件；(2)植被恢复十余年随着覆盖度的提高，年均土壤流失量呈显著下降趋势，多小于10 t/km²;(3)喀斯特坡地裂隙发育，地下漏失严重，土壤量少且不易被侵蚀，除少数极端暴雨外，多数降雨不产流不产沙，因此建议将喀斯特坡地侵蚀性降雨量阈值定为50 mm,该阈值显著高于非喀斯特地区。     

坡面不同截-排水沟布置方式下土壤微团聚体流失特征

传统坡面水系工程主要在节约工程量的考量下,把截水沟布置成平行于等高线的形式,但为了符合坡面自然排水状况,该研究中考虑用汇流和分流的方式来探究从理论上改变坡面沟道的基本形状是否具有可行性。该研究设计按比例缩小的坡-沟模型,以无措施坡面为对照,用人工模拟降雨的方法探究在不同坡度、地类坡面上布置汇流型和分流型截排水沟道后,坡面土壤微团聚体的流失变化规律。结果表明:在各个地类和坡度中,布置汇流和分流截排水措施后均出现较小颗粒微团聚体(5μm)在侵蚀泥沙中富集的现象;在坡耕地中,布设截排水措施能显著稳定土壤小粒径微团聚体(5μm)比例的稳定性,但分流截排水措施的效果更加明显,但在5°和10°时,汇流截排水措施能更好减缓坡面土壤粗化(250~1 000μm)趋势;汇流措施能减少林地侵蚀泥沙中微团聚体富集的波动性并控制林地坡面较小粒径微团聚体流失(5μm)的程度,但在荒草地中,总体来看,汇流措施对控制坡面微团聚体流失具有更强的作用。汇流型和分流型截排水措施对不同地类坡面微团聚体的控制保护各有侧重,在布设坡面沟道时,根据坡面、土壤实际情况和土壤保护要求来选择坡面截排水措施是极有必要的。该研究为进一步研究坡面自然排水方式在现实中运用可能性和可行性提供部分基础资料。     

人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程

为了研究人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程,利用人工模拟降雨系统和变坡土槽,分别采用140,160,190mm/h的雨强和10°,15°,20°,25°的坡度,对经过简单人工处理的红壤坡面在超大雨强降雨条件下的产流产沙响应过程进行了试验。结果表明:经过简单人工处理的红壤坡面在140~190mm/h超大雨强下的土壤侵蚀模数明显低于50~120mm/h雨强下未进行相应处理的坡面,细沟发育较为缓慢,对坡面土壤的处理方式能够有效提高坡面的抗侵蚀能力。在同雨强下,随着坡度的增加,产流时间先延长后缩短,在20°~25°存在产流的临界坡度。侵蚀模数在同雨强下随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势,且不同雨强的临界坡度不一致,雨强为140mm/h时侵蚀临界坡度为15°~20°,雨强为160mm/h和190mm/h时侵蚀临界坡度为20°~25°。总体来看,侵蚀过程受雨强的影响大于坡度的影响,雨强为140mm/h时,不同坡度的侵蚀过程均较为平稳,细沟发育微弱;雨强为160mm/h时,侵蚀有所加强,但侵蚀过程无明显规律;雨强为190mm/h时,侵蚀主要发生在降雨的前30min,且细沟发育相对较为剧烈,30min之后趋于稳定。