土壤溶质迁移过程的试验研究

设计了自由排水、土壤水分饱和和壤中流3种水文条件,采用人工模拟5组不同地表径流流速,分别对土壤溶质迁移到地表径流过程中土壤侵蚀、伯努利效应、扩散和对流4种途径的作用机理进行了分析.结果表明,在土壤水分饱和条件下,伯努利效应引起的土壤溶质流失量占总流失量的比例很大.结合混合层理论和试验得到了3种水文条件下混合层的深度,其中自由排水(-10 cm)时混合层深度小于1.5 mm;在土壤水分饱和条件下,混合层深度介于0.9～4.5 mm;但是在壤中流条件下,混合层表现为整个土层都为混合层深度.     

不同近地表水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程研究

采用模拟降雨试验,研究了自由下渗(free drainage)、土壤水分饱和(saturation)、壤中流(seepage)3种近地面水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程.结果表明,近地表水文条件会对紫色土坡面侵蚀过程产生重要影响.在地面坡度5°～15°条件下,当地表水文条件由自由下渗演变为土壤水分饱和时,坡面侵蚀量由1.31～2.02 g/(min·m2)增加到1.83～5.50 g/(min·m2);当地表水文条件由土壤水分饱和变为壤中流时,坡面侵蚀量达到4.40～16.41 g/(min·m2).土壤水分饱和条件下坡面侵蚀量是自由下渗的1.40～2.73倍;壤中流条件下坡面侵蚀量是自由下渗时的3.36～8.12倍,是土壤水分饱和时的2.40～2.98倍.同时,坡面坡度对紫色土坡面侵蚀过程有重要的影响.     

次降雨条件下鲁中南山区砂质壤土赤松林地产流与氮磷流失特征

为了研究水源地上游林地产流及其氮磷运移规律,采用人工模拟次降雨试验方法,选择鲁中南山区泰安市黄前水库上游药乡小流域赤松林地作为研究对象,以荒草地为对照,对其地表径流和壤中流及其氮磷流失特征进行研究。结果表明:(1)次降雨条件下赤松林地地表径流量低于荒草地,而荒草地壤中流量低于赤松林地,赤松林地及荒草地土壤入渗量与植被覆盖度呈正相关。随着降雨的进行,赤松林地和荒草地地表径流产流量不断增加且趋于稳定,壤中流产流时间比地表径流晚,径流量较平稳。(2)次降雨条件下地表径流全氮(TN)流失量呈现初期输出浓度较高,随降雨的进行,输出浓度减少并逐渐趋于稳定状态,壤中流呈现相对稳定的状态。TN流失量与输出浓度呈正相关。赤松林地地表径流及壤中流TN流失量均低于荒草地。(3)次降雨条件下赤松林地地表径流全磷(TP)的输出浓度与流失量呈正相关;赤松林地地表径流及壤中流TP流失量均低于荒草地的。(4)赤松林地及荒草地前期降雨TN、TP总流失量均低于次降雨的;次降雨TN总流失量是前期降雨的1.11倍;次降雨TP总流失量是前期降雨的1.15倍。同时,次降雨赤松林地TN、TP流失量均低于荒草地的。因此,与荒草地相比,赤松林地具有较好的调控氮磷流失的作用。     

模拟降雨条件下丹江鹦鹉沟小流域坡面径流氮素流失特征

通过野外人工模拟降雨,研究丹江鹦鹉沟小流域不同土地利用类型的坡面地表径流和壤中流中氮素的流失特征,结果表明:径流小区降雨—地表径流过程总氮浓度平均值超过10mg/L,随着降雨历时的增加,全氮流失浓度大体呈现较平稳的状态,总体变化幅度不大。硝态氮浓度输出变化过程和总氮变化表现出良好的相关性,是氮素流失的主要形态;在大雨强条件下,农田小区壤中流氮素流失浓度均小于裸坡,其中农田全氮的流失量是裸地的1/2。在其他2种雨强条件下,农田小区壤中流除全氮外流失浓度均小于裸坡;壤中流中的氮素养分流失量占径流中比例较大,其中NO3--N表现最为明显,壤中流中NO3--N含量为9.09～11.42mg/L,最大比例为61.4%。     

自然降雨条件下香根草生物篱对菜地土壤地表径流和氮流失的影响

通过修建径流小区,开展了自然降雨条件下香根草生物篱对种植辣椒土壤地表径流的发生及其引起的水土流失和氮素流失影响的研究.试验结果表明,在菜地土壤种植香根草生物篱能有效地降低地表径流以及减少因地表径流引起的土壤氮素流失.在辣椒种植期间,香根草生物篱种植小区的总产流量比传统辣椒种植小区的降低了41.9%.与传统辣椒种植小区相比,香根草生物篱种植小区的地表径流中NH+4-N和NO-3-N流失量平均分别降低57.9%和59.7%,土壤侵蚀量平均降低64.5%,侵蚀土壤的氮流失量平均降低64.8%,试验结果还显示,降雨强度与地表径流量、地表径流NH+4-N、地表径流NO-3-N、地表径流全N流失量、土壤侵蚀量和侵蚀土壤N流失量之间的相关性均达到极显著水平,这一结果说明降雨强度影响水土流失和土壤氮素流失的主要因素.     

表层土壤容重对黄土坡面养分随径流迁移的影响

农田化学物质随地表径流迁移的问题,既是农业问题,又是水环境问题。地表土壤容重是影响土壤溶质随径流迁移的重要因素之一。通过室内模拟试验,研究了降雨条件下土壤容重对黄土区坡面土壤氮、磷和钾随径流迁移过程的影响。结果表明,随着土壤容重增大,初始产流时间提早,径流系数增大,土壤流失量增多,土壤磷和钾流失量也随之增大。径流养分浓度变化对土壤容重响应程度的大小次序是：NO3ˉ-N〉PO4^3-P〉K^＋。径流养分流失率过程曲线存在“峰值点”,它是土壤容重、溶质理化特性以及土壤水文参数综合作用的结果。通过数学模拟,进一步证实了幂函数是模拟黄土区非饱和水流条件下养分流失过程的最佳模型。本研究为深入理解黄土坡面径流溶质迁移机理提供了参考。     

横坡垄作壤中流条件下垄高对径流态氮磷流失的影响

以棕壤横垄为研究对象,基于人工模拟降雨,研究壤中流条件下垄高(8,12,16cm)对不同侵蚀阶段(壤中流、壤中流+降雨沟间侵蚀和细沟侵蚀)径流态氮、磷流失的影响。结果表明:(1)壤中流侵蚀阶段,NO3-N、NH4-N和PO4-P的浓度和流失量均表现为垄高16cm8cm12cm;壤中流+降雨沟间侵蚀和细沟侵蚀阶段,养分浓度表现为垄高8cm16cm12cm,流失量为垄高8cm12cm16cm。12cm是有效控制氮、磷流失的最佳垄高。(2)壤中流侵蚀和沟间侵蚀阶段,随垄高增加养分流失的变化幅度逐渐增大,而细沟侵蚀阶段则呈平稳趋势。(3)壤中流侵蚀和沟间侵蚀阶段垄高的变化并未引起氮、磷流失机制的改变,而细沟侵蚀阶段垄高的变化改变了氮、磷流失机制。(4)垄高对氮流失的影响高于对磷的作用强度。     

间歇性降雨对黄土坡地水土养分流失的影响

坡面水土养分流失是研究农业非点源污染方面的核心问题,涉及土壤侵蚀、坡地水文和环境治理等方面的内容。以黄土坡地为研究对象,利用人工降雨模拟试验,分析间歇降雨时坡地产流-入渗-土壤侵蚀过程,以及通过预先在坡地喷施养分(NH_4~+-N、NO_3~--N、PO_4~(3-)-P),研究间歇降雨时坡面水土流失以及土壤溶质的迁移规律。试验采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨,对试验坡地间歇性进行3次降雨,雨强恒为100mm/h,每次降雨历时60min,降雨间隔时间60min。结果表明:(1)3次降雨的初始含水率不同,但产流规律相似,降雨径流率均为先增大后趋于平稳。(2)3次降雨产生的泥沙累积量分别为250.91,100.20,79.76g,第1次降雨的泥沙量远高于第2,3次。泥沙率先迅速增大到峰值然后缓慢减少,平均泥沙率随降雨次数的增多而递减。(3)对于非吸附性的NO_3~-、NH_4~+,3场降雨过程中溶质浓度均呈现由高降低并逐渐平稳的变化趋势;PO_4~(3-)-P浓度的变化规律却略显不同,降雨初期溶质浓度先短暂升高,然后再由高降低并逐渐平稳。(4)3次降雨的NH_4~+-N、NO_3~--N、PO_4~(3-)-P的径流总流失量分别为535.33,1 058.18,400.79mg,其中NO_3~--N流失量最多,PO_4~(3-)-P流失量最少。随着降雨次数的增加,不同降雨次数下的NH_4~+-N、NO_3~--N、PO_4~(3-)-P径流流失量均逐渐减少,流失量较前次降雨分别降低了19%,14%、3%,62%和57%,28.3%。因此,通过对间歇性降雨条件下黄土坡地水土溶质迁移特征的研究,对揭示降雨-径流-土壤相互作用过程和土壤养分迁移机理具有重要意义。     

模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较

选择太湖流域平原河网地区为试验地点,采用3次重复人工暴雨试验方法,研究暴雨径流过程中地表径流与壤中流氮素流失特征。结果表明:地表径流与壤中流氮素流失特征具有较大差异,地表径流水相TN平均浓度为12.41 mg/L,壤中流水相TN平均浓度低于地表径流约50.65%。地表径流氮素流失以PN为主,DN和PN的流失量比为1∶2.65,壤中流氮素流失以DN为主,DN和PN流失量比为2∶1。整个暴雨径流过程中氮素流失以地表径流为主,占总流失量的81.66%,壤中流氮素流失量相对较少,仅占氮素总流失量的18.34%。地表径流与壤中流氮素流失量比较分析结果证实,土壤的水分下渗滤过机制对氮素具有较强的削减作用,对PN的削减作用尤为明显,可达70%以上。在流域产汇流过程中,充分发挥洼地和高透水地段对地表径流的蓄渗功能,对面源营养盐污染控制具有重要的作用。     

汉江水源区自然降雨过程下坡地壤中流对硝态氮流失的影响

壤中流是土石山区降雨径流的重要组成部分,也是养分流失的重要途径。通过对陕西省石泉县后沟小流域2011年汛期3场自然降雨过程条件下玉米和辣椒径流小区壤中流过程对硝态氮(NO3--N)迁移流失影响研究,结果表明,在3场典型自然降雨过程中,2个径流小区内产生的壤中流量占总径流量的比例均大于74.3%;而且大雨强短历时降雨过程下壤中流的流量较小,小雨强长历时的降雨过程容易形成壤中流流量较大;作物的前期和中后期生长阶段的壤中流占总径流量比例是作物收获和土地空置阶段壤中流比例的1.14～1.35倍。在3场自然降雨过程中,由壤中流携带的硝态氮流失量占径流小区硝态氮流失量的87.81%～98.99%,表明壤中流是坡耕地NO3--N的流失的最重要载体。因此,加强壤中流管理对于汉江水源区坡耕地面源污染控制管理和南水北调中线工程引水水质安全有重要的参考意义。     

紫色土水分和壤中流对降雨强度的响应

为研究降雨强度对紫色土坡耕地不同深度土壤水分含量和壤中流的影响,初步揭示紫色土水分和壤中流之间的相互耦合关系,通过原位人工模拟降雨试验,在60,90,120 mm/h 3种降雨强度条件下,采用Minitrase TDR可埋式探头对紫色土坡耕地土壤剖面浅层(0—20cm)、中层(20—40cm)、深层(40—60cm)的土壤水分含量进行了实时连续测定,并在降雨过程中分层收集测量壤中流,开展了降雨—产流过程的观测试验。结果表明:(1)当雨强较小时,浅层土壤含水率变化曲线呈现上升期和稳定期,随着雨强和深度的增加则呈上升期、稳定期或始终处于稳定期;(2)随深度和降雨强度的增加,土壤含水率稳定时间增加,含水率变化越小,响应越不明显;(3)在不同降雨强度条件下,各土层均有壤中流产生,低雨强条件下壤中流都是单峰产流过程,中雨强和高雨强下为双峰产流过程;(4)壤中流产流时间随雨强增大而显著减小,随深度增加而显著增加;(5)降雨强度与土壤水分含量和壤中流参数三者间相互有显著相关性。     

嵌套砾石红壤坡面壤中流对降雨强度的响应

为研究嵌套砾石红壤坡面的壤中流动态过程及降雨产流分配,以红壤缓坡(10°)和陡坡(25°)坡面为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(60,90,120 mm/h)和不同砾石含量(0,10%,20%,30%)条件下壤中流的初始产流时间、产流速率和径流过程。结果表明:(1)不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流初始产流时间在雨强60 mm/h时接近15 min,在雨强90,120 mm/h时差别较大;雨强从60 mm/h增大到120 mm/h,不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流量和产流速率基本上表现为降低,其中25°嵌套20%和30%砾石坡面的壤中流产流速率均值分别下降86.7%和89.0%,雨强120 mm/h时壤中流峰值仅为60 mm/h条件下的10.7%和10.2%。(2)10°和25°各试验坡面,雨强60 mm/h时地表径流所占比例为8.0%~66.3%,雨强120 mm/h时地表径流所占比例为76.1%~93.5%,地表径流所占比例均随雨强的增大而提高32.8%~1 009.4%;雨强60 mm/h时壤中流所占比例为7.3%~30.0%,雨强120 mm/h时壤中流所占比例为1.1%~9.6%,壤中流所占比例随雨强增大而减小46.1%~93.9%。(3)回归结果显示,壤中流峰值流量Ip、壤中流系数It、壤中流消退速率K和降雨强度、砾石含量的二元线性回归效果都达到了显著水平(P<0.05);坡度10°时,降雨强度和砾石含量对壤中流过程参数所起的作用是相反的,而坡度25°时,砾石含量和降雨强度对壤中流各参数的作用相同。     

桂西北喀斯特区石灰土与红壤坡地幼龄橘园降雨侵蚀特征

为探究桂西北喀斯特区石灰土与红壤坡地幼龄橘园的降雨侵蚀特征，通过室内人工模拟降雨试验，研究3种降雨强度(30,60,90 mm/h)下，石灰土与红壤坡地幼龄橘园的产流产沙特征。结果表明：(1)降雨强度为30,60 mm/h时，红壤橘园的产流总量分别为石灰土橘园的2.46,1.83倍，且红壤橘园主要以地表产流为主，石灰土橘园主要以壤中流产流为主；当降雨强度为90 mm/h时，二者产流总量无显著性差异(p>0.05),均以地表产流为主。(2)石灰土橘园与红壤橘园地表径流强度随降雨强度增大而增大；但随着降雨强度增大，石灰土橘园的壤中流径流强度呈先增大后减小趋势，红壤橘园壤中流径流强度却在减小。(3)降雨强度为60 mm/h时，红壤橘园产沙总量为石灰土橘园的3.74倍，当降雨强度为90 mm/h时，石灰土橘园产沙总量为红壤橘园的2.86倍；在降雨过程中，石灰土橘园产沙量随着降雨历时增大上下波动较为剧烈，红壤橘园产沙量随降雨历时增大波动幅度较小。(4)当降雨强度≥60 mm/h时，石灰土橘园与红壤橘园累积产沙量与累积产流量存在显著线性关系，且降雨强度越大线性关系越明显。研究结果可为喀斯特地...     

降雨-径流条件下土壤溶质迁移过程模拟

通过雨滴的打击加速土壤表面溶质迁移至地表径流过程。通过设计3种水文条件即控制排水状态（-5 cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5 cm）,采用人工模拟3种降雨强度（30、60和90 mm/h）,及同时外加模拟相对于降雨量的0、2、4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中扩散过程的规律。试验结果表明降雨强度、或地表径流总量、或地表水位线的增加,均加速土壤溶质的扩散过程。渗流作用下,对流-扩散作用存在着一种交互作用,能加速分子扩散过程。土壤溶质迁移过程同降雨强度、地表径流量和地下水位高低有着重要关系。     

地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟

为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用,通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表,在室内模拟降雨条件下,对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明,雨前雨后各措施坡面的地表糙度为:等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。相同雨强和降雨历时下,不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面,径流越容易稳定在层流状态;反之,径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说,在相同雨强和降雨历时下,初始糙度越大的坡面,其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大,径流阻力系数也越大,但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小,径流对地表糙度具有减小作用,雷诺数和水流剪切力越大,径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之间的相互作用提供参考。     

Relationships between rock fragment cover and soil hydrological response in a Mediterranean environment

Rock fragments are a key factor for determining erosion rates, particularly in arid and semiarid environments where vegetation cover is very low. However, the effect of rock fragments in non-cultivated bare soils is still not well understood. Currently, there is a need for quantitative information on the effects of rock fragments on hydrological soil processes, in order to improve soil erosion models. The main objective of the present research was to study the influence of rock fragment cover on run-off and interrill soil erosion under simulated rainfall in Mediterranean bare soils in south-western Spain. Thirty-six rainfall simulation experiments were carried out at an intensity of 26.8 mm h⁻¹ over 60 min under three different classes of rock fragment cover (<50%, 50–60% and >60%). Ponding and run-off flow were delayed in soils with high rock fragment cover. In addition, sediment yield and soil erosion rates were higher in soils with a low rock fragment cover. The relationship between soil loss rate and rock fragment cover was described by an exponential function. After this first set of experiments, rock fragments were removed from sites with the highest cover (>60%) and the rainfall simulation experiments were repeated. The steady-state run-off rate and soil loss increased significantly, showing that run-off and soil erosion were partly conditioned by rock fragment cover. These results have significant implications for erosion modelling and soil conservation practices in areas with the same climate and soil characteristics.     

Sensitivity of simulated hillslope subsurface flow to rainfall patterns,soil texture and land use

Knowledge of the generation of subsurface flow for hillslopes is important for controlling agricultural nonpoint nutrient losses. This study used a physically based hillslope hydrologic model HYDRUS‐2D to assess the sensitivity of simulated subsurface flow to the interactions between precipitation, soil texture and land use. Soil moisture data from 1 January 2013 to 23 August 2014 at two monitoring sites on a tea plantation hillslope were used to calibrate the van Genuchten–Mualem hydraulic parameters for this model. For six different textural classes (loamy sand, loam, silt, silt loam, clay loam and clay) and four land‐use types (tea garden, forest, grassland and bare soil), scenario‐based simulations were carried out for varied precipitation intensities (6.0, 15.0, 30.0, 45.0, 60.0 and 76.0 mm/day) and frequencies (time intervals of 1, 5, 10, 15, 20 and 25 days). Results indicated that the hillslope run‐off was dominated by subsurface flow, which was influenced by precipitation and antecedent moisture conditions. A threshold value of 0.18 m³/m³ of mean hillslope soil moisture was observed for the initiation of subsurface flow. High precipitation intensity (i.e. 75.0 mm/day) substantially increased subsurface flow for all soil textures. In addition, the sensitivity of the bare soil hillslope to rainfall patterns was more than two times higher than that of the vegetated (i.e. grassland, tea garden and forest) hillslope. These findings suggest that extreme precipitation events and land‐use change will increase the risks of subsurface flow on hillslopes. Therefore, optimal fertilizer application strategy and land‐use planning should be proposed for controlling the hillslope nonpoint nutrient losses.     

二次降雨条件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究

地表径流及壤中流中N、P的流失是造成非点源污染的主要原因。以重庆地区紫色土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,研究了地表径流和壤中流中N、P流失随地面坡度、降雨强度及土壤改良剂聚丙烯酰胺(PAM)施用量的不同而变化的特点,分析了不同土层深度壤中流的N、P流失特征,为防治非点源污染、增加土壤蓄水、提高土壤养分等提供了科学依据。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。     

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。