模拟降雨条件下塿土的溅蚀特征试验研究

溅蚀在破坏土壤表层结构的同时为后续侵蚀提供丰富材料,以黄土高原典型土壤塿土为试验用土,通过模拟降雨试验,根据溅蚀速率、溅蚀前后土壤颗粒组成及表面强度变化指标,系统研究塿土的溅蚀特征。结果表明,溅蚀速率随降雨历时呈现幂函数变化,分为迅速降低、缓慢降低、趋于稳定3个阶段。土盘表面松散颗粒及利于溅蚀的粒级范围内颗粒的消耗、团聚体破碎及超渗产生的水层消耗雨滴能量、结皮的形成和发育分别是3个阶段的主要影响因素。在90mm/h的雨强下,塿土颗粒富集与耗损的临界粒径是0.05mm,雨滴打击分离粒级0.05mm颗粒,富集迁移粒级0.05mm颗粒。当含水率相等时,降雨历时越长贯入深度越浅。塿土表面强度随降雨历时增加,0~30min是塿土结皮形成的关键时期。塿土溅蚀过程是表土颗粒组成不断变化和表面强度逐渐完善的过程。     

降雨驱动下红壤团聚体的溅蚀特征及周转过程

[目的]研究降雨驱动作用下土壤团聚体受雨滴打击发生破碎和形成的过程,丰富土壤侵蚀研究机理。[方法]基于稀土元素示踪法,对各粒径土壤团聚体同时进行标记。在90 mm/h降雨溅蚀条件下,通过各粒径土壤团聚体(2～5 mm, 0.25～2 mm, 0.053～0.25 mm,<0.053 mm)在不同降雨特征参数(降雨历时、雨滴大小)下的质量变化和稀土元素含量变化,定量分析了团聚体间的周转路径和溅蚀颗粒特征。[结果]降雨驱动作用下,溅蚀量和溅蚀率会随着降雨动能的增加而变大,溅蚀颗粒主要分布于0.25～2 mm粒径范围内;除>2 mm的颗粒为大团聚体直接飞溅产生,<0.25 mm粒级溅蚀颗粒均主要源于大粒级团聚体破碎形成,最高可达到73.83%,其次为该粒级直接被击飞形成,同时会有小粒级颗粒吸附黏结形成;在残余团聚体的动态周转过程中,主要是相邻级别的团聚体间形成和破碎过程占比较高,其中大团聚体破碎产生小团聚体和粉黏粒团聚形成小团聚体分别对原粒级团聚体的破碎和形成方向的贡献率较高,分别达到24.06%～42.15%和36.83%～70.76%,且随着降雨时间的变化,大团聚体首先...     

溅蚀过程中红壤团聚体周转路径的定量表征

为研究土壤团聚体的形成和破碎过程对于降雨侵蚀的响应机制，对降雨打击作用下不同粒径红壤团聚体在溅蚀过程中的周转路径进行了探讨。该研究基于稀土元素示踪法，对各粒径团聚体分别进行了标记，电感耦合等离子体质谱测定，实现全土样团聚体的周转路径追踪；然后通过室内模拟降雨试验，在90和30 mm/h降雨溅蚀条件下，对不同粒径大小团聚体（2～5、0.25～<2、0.053～<0.25、<0.053 mm）随降雨历时的周转变化规律进行了定量化研究。结果表明：稀土元素标记得到的标记团聚体效果较好且在湿筛过程中回收率达到90%以上，吸附稳定；不同降雨强度下，土壤团聚体的周转过程呈现出向破碎方向转化的趋势；90 mm/h降雨下团聚体更快发生破碎并到达稳定状态，其累积破碎率在降雨40 min后基本不发生改变，而30 mm/h下土壤团聚体会随降雨动能的累积逐步发生破碎；结合相关性分析可以发现小团聚体的变化对于整个溅蚀过程的累积破碎率和累积团聚率均表现出显著相关（P<0.01），>0.25 mm团聚体与其他粒级团聚体间的周转不显著相关（P>0.05），但<0.25 mm团聚体可能通过逐级团聚影响到其他粒级团聚体。不同团聚体在溅蚀过程中的双向转化过程，研究结果为侵蚀过程中土壤结构的动态变化模型提供理论参考。     

华北土石山区坡面溅蚀和片蚀泥沙颗粒特征研究

基于野外人工模拟降雨试验,研究3种降雨强度(35,65,100mm/h)、2种坡度(5°,15°)和3种植被盖度(0%,30%,80%)条件下,溅蚀和片蚀泥沙颗粒的粒径动态分布特征,及其与降雨强度、坡度和植被覆盖度的关系,揭示表层土壤团聚体在侵蚀过程中的破碎机制。结果表明,2种侵蚀方式下的泥沙颗粒主要集中在0.1~0.002mm粒级范围内,显著高于其它粒级颗粒含量。在溅蚀泥沙颗粒中0.1~0.05mm粒级颗粒含量较高,而片蚀泥沙颗粒中0.02mm粒级颗粒含量较高,溅蚀泥沙颗粒的平均重量直径均大于片蚀泥沙颗粒。对比泥沙颗粒粒径的变化特征,溅蚀泥沙颗粒中粗砂粒(2~0.25mm)和细砂粒(0.25~0.05mm)含量逐渐减少,粉粒(0.05~0.02mm)和粘粒(0.002mm)含量逐渐增加,而片蚀泥沙颗粒中砂粒(2~0.05mm)含量呈增加趋势,粘粒(0.002mm)含量呈减小趋势。2种侵蚀方式下不同粒径泥沙颗粒与坡面径流深和径流量的相关性分析表明,泥沙颗粒粒径分布与地表产流过程密切相关。同时,雨滴击溅侵蚀泥沙颗粒的分形特征与侵蚀土壤的相对机械破碎指数有关,能够有效预测侵蚀过程中降雨和径流对坡面土壤团聚体的分选特征。     

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度(30、60和90 mm/h)和2个坡度(3°、5°),研究降雨强度和坡度对典型黑土(Mollisol)农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明:当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5～17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%～74.08%。当降雨强度为30和60mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5～1 mm粒级最多,2～5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为0.25和2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中0.25mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1～5和0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。     

土粒表面电场对土壤团聚体破碎及溅蚀的影响

团聚体是土壤结构的基本单元,其稳定性是评估土壤抗侵蚀能力的重要指标。土壤团聚体破碎是降雨溅蚀发生的关键一步。土粒表面电场对团聚体稳定性具有重要影响,必然也会深刻影响降雨溅蚀过程。该文以黄土母质发育的黄绵土和塿土为研究对象,采用不同浓度的电解质溶液定量调控土粒表面电场,研究不同电场强度对团聚体破碎及溅蚀的影响。结果发现:1)随电解质浓度的降低,土粒表面电位升高,表面电场增大,黄绵土和塿土团聚体平均重量直径减小,团聚体稳定性降低,降雨溅蚀量增大。2)电解质浓度小于10-2 mol/L,黄绵土和塿土表面电位绝对值分别高于202.0和231.6 mV,此时团聚体稳定性和溅蚀量变化不明显,表明表面电位202.0和231.6 mV分别是影响黄绵土和塿土团聚体稳定性及溅蚀的关键电位。3)随着土粒表面电场的减弱,团聚体破碎后释放的<0.15 mm微团聚体含量减小,>0.25 mm大团聚体含量增加,团聚体倾向于破碎为更大粒级的团聚体。4)电场作用下团聚体的破碎特征对降雨溅蚀具有重要的影响,溅蚀量与团聚体破碎释放的<0.15 mm微团聚体含量呈显著正相关,与>0.25 mm大团聚体含量呈显著负相关。上述结果表明,当降雨进入土壤后,对于干燥的土壤而言,土壤溶液电解质浓度被迅速稀释,土粒表面产生强大的电场,该电场通过影响团聚体破碎程度进而影响降雨溅蚀。该研究有助于加深对降雨溅蚀的科学认识,同时也为土壤团聚体稳定性及降雨溅蚀的人为调控提供了一定的理论依据。     

聚丙烯酰胺(PAM)对黄土溅蚀的影响

采用人工模拟降雨方法,用摩根溅蚀盘测定土壤的溅蚀量,研究聚丙烯酰胺(PAM)对溅蚀的影响.结果表明,使用聚丙烯酰胺(PAM)会改变土壤的溅蚀速率,不同浓度PAM溶液对溅蚀速率的影响程度不同,而且随降雨历时的延长结皮埘溅蚀速率的影响作用会占主导地位.一般来说,在降雨初期,由于PAM的聚合作用,使得土壤团聚体的稳定性增加,土壤溅蚀速率较小,随着时间的延长,溅蚀速率开始上升,但是当土壤表面开始发育结皮时,结皮的形成使土壤表面抗溅蚀的强度增强,土壤溅蚀速率减小.     

不同降雨条件下沂蒙山区耕层土壤团聚体特征

降雨强度和时长对土壤团聚体的影响至关重要,不同降雨特征下沂蒙山区耕层土壤团聚体时空变异特征仍不清晰。基于模拟降雨试验,研究了不同降雨强度(16 mm/h,43 mm/h,71 mm/h)和降雨时长(10 min,30 min,60 min)下沂蒙山区褐土耕层土壤团聚体特征。结果表明:降雨强度16 mm/h,10 min降雨时长下仅对0—5 cm土层土壤团聚体产生影响,>5 mm粒级团聚体含量迅速降低。其他雨强和时长下,0—5,5—10,10—20 cm土层团聚体含量均发生变化。在43,71 mm/h的降雨强度下,随着降雨时长的增加,0—5 cm土层微团聚体含量均表现出先增加后降低的趋势。与供试土壤相比,雨强为71 mm/h,降雨时长60 min时,0—5 cm土层>5 mm粒级团聚体含量减少了93%,而<0.25 mm粒级团聚体含量增加了42%。土壤团聚体的平均重量直径(MWD)随降雨强度及时长的增加而减小,在降雨强度71 mm/h,降雨时长60 min时各土层MWD趋于一致。说明,随降雨强度及时长的增加,雨滴打击和雨水湿润作用对土壤大团聚体的拆分作用增强,大团聚体含量逐渐减少,微团聚体含量逐渐增加,土壤稳定性先降低后趋于稳定。     

辽西低山丘陵区褐土和棕壤坡耕地溅蚀过程模拟

为揭示辽西低山丘陵区坡耕地典型土壤溅蚀特征,选取褐土和棕壤作为研究对象,采用人工模拟降雨试验对比研究2种土壤的溅蚀差异。结果表明:褐土和棕壤不同方向溅蚀率、净溅蚀率和总溅蚀率差异较大。不同降雨强度下,棕壤溅蚀率均随降雨历时呈现递减并趋于稳定的趋势;褐土溅蚀率随降雨历时的变化可以划分为缓慢增长阶段、迅速增长阶段、快速下降阶段和相对稳定阶段。褐土的小粒级颗粒完成迁移的降雨历时临界值与不同方向溅蚀率、净溅蚀率和总溅蚀率的降雨历时临界值一致,降雨历时为20~25 min;棕壤的小粒级颗粒完成迁移的降雨历时临界值与不同方向溅蚀率、净溅蚀率和总溅蚀率的降雨历时临界值一致,降雨历时为10~15 min。褐土向上坡溅蚀率、向下坡溅蚀率、净溅蚀率和总溅蚀率皆与降雨历时呈显著二次多项式关系,而棕壤向上坡溅蚀率、向下坡溅蚀率、净溅蚀率和总溅蚀率皆与降雨历时呈显著对数关系。     

人工降雨条件下土壤结皮的形成以及与土壤溅蚀的关系

通过人工模拟降雨溅蚀实验,测定土壤溅蚀速率,同时采样制作土壤切片,观察分析结皮的发育特征以及与土壤溅蚀的关系。结果表明,降雨过程中有两种类型结皮形成,即沉积结皮和结构结皮。土壤结皮随着土壤表面大团聚体或者大颗粒的分散而形成,并且伴随着下层大孔隙的出现。土表结皮的完善过程,也是土壤抗溅蚀能力增强的过程     

降雨特性和坡度对辽西低山丘陵区坡耕地褐土溅蚀的影响

为揭示辽西低山丘陵区坡耕地典型土壤溅蚀特征,选取褐土为研究对象,采用人工模拟降雨试验研究降雨特性和坡度对溅蚀的影响。结果表明:随着降雨强度的增大,5°和10°溅蚀量分别由6.86g/cm和8.13g/cm增加到14.21g/cm和16.00g/cm,增加幅度为48.47%~209.81%;不同溅蚀距离内的溅蚀量表现为0~5cm>5~10cm>10~15cm>15~20cm>20~25cm,溅蚀距离0~5cm范围内的溅蚀量(75mm/h)为7.29g/cm,占0~25cm范围内总溅蚀量(16.00g/cm)的45.56%,溅蚀距离20~25cm范围内的溅蚀量仅占9.88%。溅蚀量与降雨强度和溅蚀距离均具有较好的指数关系,其回归方程的决定系数R2在0.8以上。随着降雨时间的延续,溅蚀量逐渐增加,但溅蚀量增长率呈减小的趋势;降雨历时由5min增加到10min时溅蚀量增长率最大。溅蚀量和降雨历时之间具有较好的指数关系,其回归方程的决定系数R2在0.9以上。随着降雨强度发生变化时,溅蚀团聚体空间分布规律也随之发生改变。各径级团聚体的溅蚀距离均随降雨强度的增大而增大,2~5mm团聚体由30mm/h的0~5cm扩大到75mm/h的0~15cm。溅蚀团聚体以粒径<1mm为主,小粒径团聚体溅蚀距离和溅蚀量均大于大粒径团聚体,>5mm团聚体并没有迁移。5°总溅蚀量、上坡溅蚀量、下坡溅蚀量、净溅蚀量(75mm/h)依次为14.21,3.54,10.67,7.13g/cm,10°依次为16.00,3.85,12.15,8.30g/cm,与5°相比显著增加12.60%,8.76%,13.87%,16.41%,下坡溅蚀量大于上坡溅蚀量。     

不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究不同雨强对紫色土坡面侵蚀过程的影响,通过人工模拟降雨试验和室内分析,采用降雨总量(30mm)一定、降雨历时不定的原则,在2种覆盖度(50%和75%)下,分析了3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)对紫色土土壤坡面产流产沙的影响。结果表明:在50%和75%覆盖度下,(1)雨强越大紫色土坡面产流总量和径流率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下的2种覆盖度产流量分别占坡面产流总量的18%,30%,52%。(2)雨强越大紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下,2种覆盖度产沙量分别占坡面产沙总量的13%,33%,54%。(3)紫色土坡面侵蚀泥沙中的水稳性团聚体的粒径主要集中在0.25,3mm,分别占泥沙总量的74%和67%,0.25~3mm粒径的水稳性团聚体分别占泥沙总量的30%和26%。(4)相关分析表明,雨强和紫色土坡面产流产沙量均为极显著正相关(P0.01)。雨强与产沙量之间均拟合为一次线性方程;雨强与产流量之间分别拟合为一次线性方程和二次方程。研究结果为控制紫色土坡面水土流失和揭示其相关侵蚀机理提供参考。     

黄河源区退化草地水土流失规律

为了阐明高寒草甸退化草地水土流失的规律,以黄河源区河南县退化草地为研究对象,采用野外现场原位人工模拟降雨试验方法,对不同降雨条件下土壤径流量、冲刷量随坡度、退化程度、降雨历时和降雨强度的变化规律进行了试验和分析。结果表明:天然退化草甸的含水量及密度均随坡度和退化程度呈递减趋势(P0.05);同等条件下径流量与植被覆盖度呈幂函数负相关关系(y=140.69x~(-0.4667),R~2=0.988 2),与降雨强度呈指数函数正相关关系(y=40.35e~(0.0252x),R~2=0.970 8);泥沙量与植被覆盖度呈指数函数的负相关关系(y=4294.3e~(-0.0418x),R~2=0.990 7),与降雨强度呈指数函数正相关关系(y=62.657e~(0.0201x),R~2=0.968 8);坡度为30°的小区径流量较10°和20°的坡度小区分别增加了3.6倍和1.7倍,泥沙量分别增加了16倍和1.4倍,表明径流量、泥沙量随坡度的增加而急剧增大;植被覆盖度40%以下的区域其径流和泥沙含量变化幅度较大;降雨开始30min内的地表径流量相对稳定,降雨时间30min后地表径流量开始缓慢上升,坡面泥沙流失量主要集中在降雨后的5~15min内,而降雨55~60min后泥沙量急剧降低,因此试验认为降雨历时1h为土壤颗粒流失的敏感期;天然边坡径流产生后坡面出现汇流冲蚀现象,是退化草地水土流失加剧的重要原因。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

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...     

未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响

春季解冻期土壤侵蚀受未完全解冻层影响较大,以东北黑土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析未完全解冻层对土壤侵蚀总量及侵蚀速率的影响.结果表明:在所选水平内,低含水率黑土侵蚀总量随着初始解冻深度增加而减少;高含水率黑土在h=10mm水平上侵蚀总量最大;侵蚀速率均呈现先增大后减小的变化趋势,在20min降雨时间内,总会出现一个侵蚀速率峰值,不同初始解冻深度峰值出现时间并不完全相同;当h=5mm和h=10 mm时,未完全解冻层阻水作用都比较明显,侵蚀量差异主要在试验初始阶段,也就是说,土壤含水率只是在试验最初阶段起着一定作用,随着入渗量增多,土壤逐渐达到饱和,二水平之间侵蚀量差异较小,相反这一阶段未完全解冻层隔离作用被充分体现.