华北土石山区土壤溅蚀影响因素分析

土壤侵蚀会破坏土地吞食农田,降低土壤肥力,直接影响水土资源的利用和保护.雨滴击溅作用下,地表土壤颗粒会发生位移,引起表层土壤颗粒的分离.以华北土石山区作为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,采用改良后的摩根溅蚀盘和雨滴发生器,利用色斑法结合叶面积系数法测定不同条件下的土壤溅蚀量.结果表明:1)溅蚀量随土壤前期含水量增大而增大、与雨滴动能呈正相关(R2＞0.96,P＜0.05);2)溅蚀量和植被覆盖度呈非线性负相关(R2 ＞0.99,P＜0.05)——植被覆盖度越大,土壤溅蚀量随降雨强度增大的幅度越小;3)植被主要通过叶面积改变雨滴直径,通过株高改变降雨高度,对降雨进行再分配,进而改变雨滴动能.叶面积系数越小、株高越低,植被对溅蚀的阻挡作用越强.     

降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响

选用黄土高原地区的安塞黄绵土、绥德黄绵土、杨陵粘黄土、杨陵农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验 ,研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响。结果表明 :土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数 ;将降雨动能与雨滴中数直径的乘积 ( Ed50 )定义为降雨溅蚀力 ,降雨溅蚀力与溅蚀量呈线性相关关系。降雨溅蚀力是降雨潜在溅蚀能力的反映 ,对溅蚀降雨侵蚀力因子的研究有一定参考价值 ;溅蚀总量随降雨历时的增加而增加 ,而溅蚀率则随降雨历时的增加而减小 ,其变化过程可用幂函数描述 ;原状土的溅蚀量仅为其扰动土溅蚀量的2 2 %～ 3 0 % ,随降雨强度增大 ,雨滴打击力对土壤结构的破坏作用增强 ,使原状土与扰动土溅蚀量间的差异缩小。     

雨滴击溅对耕作层土壤团聚体粒径分布的影响

为研究不同雨滴直径的降雨对耕作层团聚体的破碎及其粒径分布特征的影响,该文选取4个雨滴直径(2.67~3.79 mm)对耕层土壤(0~20 cm)团聚体进行雨滴击溅试验,每次试验各滴5 000滴,每1 000滴收集1次溅蚀团聚体。结果表明:1)所有收集次序中雨滴直径3.79 mm溅蚀量最大,累积雨滴数为2 000、3 000和4 000时,溅蚀量与雨滴直径均呈显著的指数函数关系。2)各雨滴直径的溅蚀量随粒径减小呈增大-减小-增大趋势,2 mm粒径的溅蚀量几乎为0,0.053 mm粒径的溅蚀量随雨滴直径增大而增大。3)相同雨滴直径不同累积雨滴数之间平均重量直径值差异不显著,相同累积雨滴数不同雨滴直径之间平均重量直径值差异不显著(P0.05)。4)不同雨滴直径溅蚀团聚体富集率随粒径变化一致,1 mm粒径溅蚀量团聚体富集率值接近0,0.053~1 mm粒径团聚体富集,1 mm粒径团聚体主要破碎成0.053~1 mm粒径团聚体,且粒级越小,富集率越高。研究可为黄土高原地区水土保持提供理论依据。     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

雨滴对击溅侵蚀的影响研究

采用雨滴发生器产生雨滴,选用5种直径的雨滴在4种降落高度下,分别对5种含水量的壤土进行雨滴击溅实验,每组实验设定2个重复,分析雨滴直径以及雨滴动能对溅蚀量的影响,同时分析溅蚀量的粒径分选特征。结果表明:(1)当雨滴动能小于0.067 4×10-3 J时,雨滴不能产生击溅侵蚀。在一定的雨滴直径范围内,小雨滴产生的溅蚀量较多,即小雨滴易于造成击溅侵蚀。溅蚀量随着雨滴动能的增加呈线性增长。(2)对于同种类型的土壤,溅蚀量随着前期含水量的增加而增大,存在着使土壤溅蚀量达到最大的前期含水量。土壤前期含水量与土壤抗蚀性呈负相关关系。(3)溅蚀土粒的粒径≤2mm时,其中细砂粒和粘粒含量与原土较为接近,粉粒含量远低于原状土壤,而粗粉粒含量远高于原状土壤。随着雨滴动能的增大,溅蚀土粒的分选规律变得明显,小粒径(0.05mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而减小,大粒径(0.2mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而增加。     

泾河南小河沟流域自然降雨特性

采用德国HSC-OTT Persivel32激光雨滴谱探测仪监测南小河沟流域自然降雨的雨滴谱,分析不同雨型自然降雨雨滴特征及其分布规律,并分析了降雨特性各要素间的相互关系。结果表明:(1)该区自然降雨雨滴直径集中在0.3~1.5mm,与黄土高原利用传统的滤纸色斑法测定结果基本一致,但略小于东北和闽南地区。当雨强I10mm/h时,雨滴中数直径随雨强的增大而增大;当I≥10mm/h时,雨滴中数直径骤然下降,这在一定程度上和雨强增大后大雨滴破裂有关。该地区雨谱随雨强的变化可用Best分布拟合。(2)普通型降雨雨滴数量随直径的分布曲线较平缓,其动能与雨强呈线性相关;而短阵型降雨的雨滴数量随直径的分布曲线较陡峭,其动能与雨强呈幂函数关系。两种雨型的降雨动能均随雨强的增大而增大,但短阵型降雨动能增大的更快,因此短阵型降雨的侵蚀力更大。     

植被对降雨的再分配分析

 定量分析植被对降雨的再分配过程和植被影响雨滴溅蚀的方式,并比较了它们在被分配前后的击溅侵蚀能量。植被对降雨的再分配主要有3种形式:截流、透流和干流,其中,只有透流能溅蚀地面。再分配减少了溅蚀地面的雨量,但增加了雨滴直径。经过比较,结论如下:1)枯落物覆盖度与溅蚀能量呈线性负相关,枯落物覆盖度越大,溅蚀能量越小;2)在降雨量达到透流(经枝叶聚集部分)临界雨量以后,植被高度是所有植被特性中影响溅蚀能量贡献率最大的因子,植被越高,溅蚀能量越大;3)在降雨量达到透流(经枝叶聚集部分)临界雨量以后,雨滴终速度越大,植被所能减少的溅蚀能量越多。     

溅蚀研究进展

溅蚀是水蚀的初始阶段,是雨滴对地表击打直接作用的结果,是一个动能减少,地表土壤颗粒发生位移的过程。溅蚀主要发生在坡面产生径流之前和刚产生径流时,是水蚀的主要形式之一。国内外学者对溅蚀的影响因素的研究主要集中在降雨特征、土壤特性以及地形因素等方面,其中主要影响因子包括:坡度、降雨特征、植被覆盖和土层结构。溅蚀量随坡度的增大逐渐增多,但是坡度超过临界坡度时,随坡度增大而减小;随降雨强度和雨滴大小增大而增大;地表植被对降雨有直接的再分配的过程,主要表现为截流、透流和干流3方面,当地表覆盖物超过1cm时,溅蚀可以完全消失;不同级配的土壤颗粒抗溅蚀能力不同,粒径在0.15mm附近的颗粒最容易被溅蚀,溅蚀同时随着土壤结皮厚度增大,土壤抗溅蚀能力增强。然而目前国内外对溅蚀的研究主要是在实验室模拟条件下完成的,较少有野外实地的研究,更缺乏在实际农业生产条件下的研究。所以需要在前人的基础上结合我国有些地方坡耕地较多的情况,在不同作物、作物生产方式和土地耕作方式等条件下,探讨坡耕地溅蚀规律。     

不同植被覆盖度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究植被覆盖度对紫色土坡面侵蚀过程的影响,探讨有效控制水土流失的坡面植被临界盖度问题,利用人工模拟降雨试验与室内分析相结合的方法对紫色土坡面侵蚀过程进行分析。结果表明:(1)总体上,紫色土坡面产流量随植被覆盖度的增大而减小,二者之间呈线性负相关,但是植被覆盖度在25%以下,径流量变化不明显,植被覆盖度达75%时,径流量处于较低的稳定值,明显低于植被覆盖度0%,25%,50%;(2)坡面侵蚀泥沙量随植被覆盖度的增加而减少,二者呈二次项相关(R2=0.99),植被覆盖度25%以下对坡面减沙起到重要作用,50%的植被覆盖度是紫色土坡面有效控制水土流失的临界盖度;(3)侵蚀泥沙中以微团聚体(0.25mm)为主,各级团聚体基本上随着植被覆盖度的增加而呈现减少趋势;(4)通过统计分析,植被覆盖度对产流、产沙量的影响均为极显著(p0.01)。紫色土坡面植被覆盖度达到50%对涵养水源、保持水土起到至关重要的作用。     

玉米季坡耕地地表糙度的变化及其对土壤溅蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,开展横垄条件下玉米全生育期紫色土坡耕地地表糙度变化及其对土壤溅蚀影响的研究。结果表明:随着玉米生育期的推进,地表糙度逐渐衰退,在抽雄期或成熟期达最小,而地表糙度变幅在玉米拔节期或抽雄期时最大,雨强对地表糙度变幅的影响表现出20°坡面15°坡面。不同坡面的向上、下坡溅蚀量及溅蚀总量,在雨强为2.0mm/min时,玉米苗期最大,1.0mm/min和1.5mm/min雨强下,最大溅蚀量出现在玉米抽雄期;玉米全生育期溅蚀量随雨强的增大而增加。在玉米苗期,各坡面雨强、糙度比率和溅蚀量间呈极显著线性正相关关系;玉米成熟期,仅在20°坡面雨强和糙度比率与溅蚀量呈显著线性关系,可知玉米冠层对各坡面溅蚀影响较大。     

草本植物对雨滴动能的影响

采用自制雨滴发生器产生雨滴,选取野牛草、狗尾巴草、苜蓿草和玉米小苗4种草本植物及6种茎高进行溅蚀实验,采用色斑法计算雨滴直径,系统研究草本植物对雨滴动能的影响作用。结果表明:(1)在相同植物茎高的条件下,草本植物的叶面积越大,经其作用后雨滴改变直径也越大,两者呈现明显的正相关关系;(2)在同种草本植物的条件下,雨滴直径与植物茎高呈正相关,这一关系可以用幂函数表示;(3)草本植物的茎高和叶面积均和雨滴动能呈正相关关系。其中在相同草本植物的条件下,植物茎高和植物改变后的雨滴动能符合与植物叶面积相关的线性函数;(4)溅蚀量(S)和雨滴动能(E)呈正相关,符合与植物叶面积相关的线性函数,且线性方程的斜率随叶面积的增大而减小。     

不同植被盖度对三峡库区边坡减蚀的室内模拟降雨研究

为探究气候和植被覆盖度变化对三峡库区消落带库岸边坡的影响,通过开展人工模拟降雨试验,分析不同雨强和植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)下坡面侵蚀规律及变化特征。结果表明：(1)在不同雨强下,植被边坡侵蚀累计产沙量均随植被覆盖度的增加呈现下降趋势,整体下降演变的趋势可分为迅猛—平缓—稳定3个阶段,三峡库区消落带库岸边坡的临界盖度为50%～70%,维持植被覆盖度在此区间可以有效抑制坡面的泥沙损失。(2)同一植被覆盖度条件下地表径流相对系数与雨强呈正相关。同一雨强条件下地表径流相对系数与植被覆盖度呈负相关,说明坡面植被可以有效地阻滞地表径流,对水土流失具有一定的抑制作用。(3)选用Horton降雨入渗模型分析不同植被覆盖度对降雨入渗速率影响,发现不同植被覆盖下边坡降雨入渗大体分为降雨初期迅速减小,中期减小幅度变缓,后期逐渐趋于稳定3个阶段。植被覆盖度越大,稳定入渗率越高。研究成果可为三峡库区库岸边坡水土流失治理与推动长江生态环境保护修复提供理论参考。     

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。     

坡度对降雨溅蚀影响的研究

利用可以分别收集不同方向溅蚀土样的土槽装置,选取9个坡度(5°~45°),采用北京的普通褐土,借助人工模拟降雨手段研究了降雨溅蚀的发生过程及溅蚀量与坡度的关系。结果表明,随着坡度的不同,各方向的溅蚀过程呈现三种形式:(1)产流前溅蚀率较小,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并逐渐达到稳定,峰值与稳定溅蚀率相差2倍以上;(2)产流前溅蚀率最大,产流后迅速减小并趋于稳定;(3)整个降雨过程中没有明显起伏。各个坡度下,次降雨溅蚀量均为上坡最小,下坡最大。上坡和侧坡溅蚀量与坡度成负相关,可分别用直线和指数函数拟合。下坡溅蚀量、溅蚀总分散量和溅蚀净搬运量均随着坡度的增大而先增大后减小,且为线性关系,临界坡度为35°。本研究将有助于深入理解降雨溅蚀侵蚀机理,并可为布设水土保持措施提供理论依据。     

雨滴侵蚀特征分析

引起水土流失发生的侵蚀营力是多方面的,其中雨滴的侵蚀作用不可忽视.雨滴击溅可分为干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段.溅蚀具有明显的分带性,坡面上部的土壤溅蚀量大于坡面下部的土壤溅蚀量,雨滴击溅中约有75%的土粒向坡下迁移.雨滴中数直径D_(50)、降雨强度、雨滴终点速度与雨滴动能成正比关系,雨滴动能是地表径流动能的256倍,EI_(30)乘积是较好的表示雨滴侵蚀力指数的方法.     

鄱阳湖流域3种典型母质发育红壤溅蚀特征

为了研究鄱阳湖流域3种典型母质对土壤溅蚀的影响,设计一种可收集过程样的溅蚀盘,通过室内模拟降雨试验,分析不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和母质(第四纪沉积物母质、花岗岩母质、红砂岩母质)条件下红壤溅蚀特征。结果表明:第四纪沉积物母质红壤总溅蚀量最低,其次是花岗岩母质红壤,红砂岩母质红壤总溅蚀量最高,土壤质地、有机质、游离氧化铁等指标对总溅蚀量影响较大;随着雨强的增大,总溅蚀量呈对数函数关系增加;总溅蚀量80%以上分布在0—15 cm范围内,随着雨强增大,溅蚀颗粒分布越集中。     

种植大豆地表土壤溅蚀效应及其空间分布特征

为系统研究种植大豆条件下农地溅蚀速率变化特征并建立简单易用的模型,评价大豆种植对土壤溅蚀的影响,采用室内模拟降雨的方法,测定了不同降雨强度(40 mm h-1和80 mm h-1)、不同大豆生长阶段(始花期、盛花期、结荚期和始粒期)下的穿透雨强度和溅蚀速率,分析了大豆冠下溅蚀速率与叶面积指数和穿透雨强度的关系,探讨了冠下溅蚀速率的空间分布特征.结果表明:与裸地相比,在大豆全生育期,大豆冠下平均溅蚀速率在设计雨强40 mm h-1和80 mm h-1下,分别减少了62.85％和60.74％.冠下平均溅蚀速率随叶面积指数增加呈显著的增加趋势,且随降雨强度的增大而显著增加.冠下各点溅蚀速率受相应各点的穿透雨强度影响在80 mm h-1设计雨强下较为显著,随穿透雨强度的增加而增加.大豆冠下溅蚀速率的空间分布与穿透雨的分布具有一定的对应性,即冠下穿透雨较为集中的区域会在一定程度上增加溅蚀的发生,并导致冠下溅蚀速率分布不均,大豆冠下穿透雨是冠下溅蚀产生和分布的主要能量来源.该研究提出的大豆冠下溅蚀速率模型可为坡耕地土壤侵蚀防治和农田灌溉有效利用提供理论支持.     

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。     

雨滴机械打击和消散作用对土壤团聚体的破坏特征

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,其稳定性是描述土壤抵抗侵蚀过程中破坏作用的重要指标。但溅蚀过程中,雨滴对团聚体的消散和机械打击两种破坏作用的相对贡献及其破坏机制尚未明晰。利用酒精和超纯水作为雨滴形成材料,模拟机械打击单独作用及消散和机械打击共同作用,分别在五个高度(0.5、1、1.5、2和2.5 m)对塿土和黄绵土进行溅蚀实验。结果表明:当降雨动能相同时,塿土的溅蚀率均小于黄绵土。同时,超纯水雨滴对土壤的机械打击和消散共同作用所导致的溅蚀率均大于酒精雨滴单一机械打击作用的溅蚀率。随着降雨动能增加,两种雨滴对两种土壤的溅蚀率均呈幂函数增加;团聚体因消散破坏作用和机械打击作用的溅蚀率均亦随之增加。但两种土壤的消散破坏作用和机械打击作用的贡献率分别随着降雨动能增加而减小和增加。在相同降雨动能时,塿土消散破坏作用的贡献率均大于黄绵土,而机械打击作用贡献率均小于黄绵土。研究结果对深入理解溅蚀过程中团聚体破坏机理及评价溅蚀过程中团聚体稳定性具有重要意义。     

模拟雨滴条件下崩壁不同土层的溅蚀特征

崩壁是崩岗侵蚀的重要组成部分,为了研究崩壁不同土层的溅蚀特征,采用自制雨滴发生装置模拟不同直径雨滴,分析了不同雨滴大小和雨强下崩壁3个土层溅蚀量、溅蚀土壤颗粒特征的差异。结果表明:崩壁3个土层的溅蚀土粒均大都分布在0—5cm的范围内,其中,红土层的溅蚀量随雨滴强度的变化率最大,碎屑层次之,砂土层最小;通过双因素方差分析可知,土壤特性对溅蚀量的影响大于雨滴强度;溅蚀土粒中砂粒(0.05~2mm)百分比最大,而黏粒(0.002mm)百分比最小,可以推测出使溅蚀量达到最大的粒径范围;崩壁3个土层的溅蚀土粒中,随着溅蚀距离的增加,砾石(2mm)最不易被溅移,粉粒(0.002~0.05mm)和黏粒(0.002mm)最易被溅移。