生态工程人工土壤氮磷钾径流损失模型研究

以生态工程人工土壤为研究对象,开展室内人工模拟降雨试验,应用幂函数模型拟合生态工程人工土壤中3种大量元素氮、磷、钾的径流损失与降雨量间的关系,结果显示:磷和钾元素的径流损失量与降雨量的关系呈现相同变化趋势,即在产流初始阶段其单位时间径流损失量较大,随着降雨时间的延长,其单位时间损失量逐渐衰减,最后均趋于稳定,而氮元素的变化趋势与其他元素不同,其单位时间损失量较稳定;钾元素累积径流损失量最大,氮元素累积径流损失量次之,磷元素累积径流损失量相对最小;幂函数模型相关性系数均达0.85以上,能较好地拟合人工降雨后大量元素损失量随降雨量的变化过程。因此,利用该模型可初步描述氮磷钾元素径流损失与降雨量间的耦合关系,为生态工程水土保持与人工土壤养分设计提供理论基础。     

人工土壤微量元素降雨侵蚀试验研究

采用人工模拟降雨的试验手段,研究了降雨场次、坡度和初始养分含量对人工土壤中铁、锌、锰3种微量元素降雨侵蚀特性的影响。结果表明:铁、锌、锰元素在径流中的浓度和侵蚀量与降雨场次呈负相关,用幂函数拟合,相关系数均达0.80以上;降雨径流量与坡度间呈线性负相关,铁、锰、锌流失量与坡度间也呈线性负相关,相关系数达0.90以上;铁、锰、锌侵蚀量与初始养分含量呈线性正相关,相关系数达0.90以上。     

人工模拟降雨条件下紫色土陡坡地侵蚀泥沙变化特征研究

基于人工模拟降雨研究了三峡库区25°径流小区侵蚀泥沙对0.285,0.978,1.737 mm/min 3种不同降雨强度的响应特征。结果表明:在降雨过程中径流泥沙量,随产流历时的增加呈现先增加后逐渐减少,最终趋于稳定。侵蚀泥沙峰值量出现的时间随着雨强的增大在整个产流历程中不断提前。坡面径流的累积产沙量随产流历时的增加呈幂函数规律,相同降雨历时大降雨强度的累积产沙量明显高于小降雨强度的累积产沙量。在降雨强度为0.285,0.978,1.737 mm/min时,侵蚀泥沙中大颗粒的砂粒含量随产流历时的增加大致呈现降低趋势,侵蚀泥沙中细颗粒的粘粒及粉粒含量随着产流历时的增加呈现增加的趋势,但不同降雨强度下侵蚀泥沙机械组成的波动性有显著差异,雨强越大,侵蚀泥沙机械组成与产流历时回归模型拟合越好。     

神府东胜煤田扰动地面野外降雨试验

神府东胜煤田是我国探明储量最大的煤田,在开发建设过程中产生了大量的扰动地面,造成了严重的矿区水土流失。为了科学地预测和治理矿区扰动地面的水土流失,采用野外人工模拟降雨试验对神府东胜煤田扰动地面的侵蚀产沙过程进行模拟,深入探讨其侵蚀产沙、产流特征。结果表明:降雨强度是影响扰动地面产流时间的主要因素,产流时间与降雨强度呈负幂函数相关;在试验条件限定的范围内,入渗率随降雨强度和坡度的增大均呈先增大后稳定的趋势,但坡度对其影响较弱;径流率随降雨强度和坡度的增大均呈幂函数增大,且相关系数较高;径流含沙量和侵蚀速率均与降雨强度呈幂函数相关,但相关系数不高;径流量与降雨强度呈很好的线性相关;产沙量与径流量呈幂函数相关,且相关系数较高。     

不同雨强条件下坡度对坡地产汇流及溶质运移的影响

为了分析坡度对坡面产汇流和溶质运移的影响,以室内土槽为平台,采用人工模拟降雨实验,研究了坡度为5°,10°和15°,雨强为30,60和120 mm/h条件下植被坡地的入渗总量、坡面流流速、地面径流以及地面径流中Br-,NH4+和NO3-的浓度变化.结果表明,在其它影响因素相同的情况下,随着坡度的增大,坡面平均流速增大,地面径流总量增加,入渗总量减少、地面径流初始产流时间和径流终止时间均呈减小趋势,地面径流中Br-浓度变化不大,变化曲线几乎重合,NH4+浓度总体上呈递减趋势,且随着降雨强度的增大,这种递减趋势越显著,NO3-的规律性不明显.用幂函数关系可较好地拟合出坡面平均流速与坡度的关系.     

基于改进径流曲线数模型的北京密云坡地径流估算

密云区是北京重要的地表饮用水源地,准确模拟地表径流量,对于分析泥沙和污染物的运移十分重要。近年来,学者们运用径流曲线数(soil conservation service curve number,SCS-CN)模型计算本区地表径流量,但预报精度不理想;未考虑降雨过程和雨强对于产流过程的影响,可能是造成预报误差的重要原因。该文利用密云石匣小流域5个坡面径流小区共201场降雨产流资料,提出次产流径流曲线数计算方法,以改进SCS-CN模型并分析改进后模型模拟效果。结果表明,次产流径流曲线数与多年平均径流曲线数的比值和最大30 min降雨量与次雨量的比值之间呈显著幂函数递增关系,据此提出计算次产流径流曲线数的幂函数方程,以改进SCS-CN模型。当曲线数为0.02时,改进后模型模拟效果最好,效率系数为0.693,明显高于未改进的SCS-CN模型。改进后模型对裸地和耕地的产流模拟效果较好,但对林地的产流模拟效果不理想。今后需在深入分析产流机理的基础上,进一步提出与土壤特性有关的模型参数优化方法。     

丘陵半干旱区小流域入渗产流特征研究

为了探索我国丘陵半干旱区小流域入渗产流规律,为该地区雨水径流集蓄利用和区域生态环境治理提供依据,通过人工模拟降雨和自然降雨入渗产流试验,对小流域坡耕地、林地、草地和荒地的降雨入渗产流特征进行了系统研究。结果表明,农林草地比荒地具有明显的拦蓄地表径流和减少土壤侵蚀的效果,比荒地拦蓄地表径流效率增加35.7?.0%,拦蓄泥沙效率增加46.2?.6%;利用Philip入渗理论和逐步回归分析方法对入渗产流试验结果处理分析,建立了小流域坡耕地、林地和荒地土壤的入渗产流及其相关因子数学模型;小流域产流系数与降雨小区地形坡度、降雨强度、植被盖度、土壤雨前含水量和土壤孔隙度等因子显著相关。     

黄土丘陵区不同坡度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

降雨特征和坡度是影响土壤入渗过程的重要因素,在植被恢复过程中,其对土壤入渗特征的影响可能会有所不同。选取黄土丘陵区6个坡度(5°,10°,15°,20°,25°和30°)的撂荒草地(2年)径流小区(5 m×20 m),观测自然降雨条件下(共计34场降雨,产流11场)植被生长旺期(7—9月)土壤入渗特征,研究降雨过程参数(降雨量、平均雨强、降雨历时和I_(30))、坡度和植被盖度对坡面入渗特征的影响。结果表明:(1)11场产流降雨不同坡度土壤入渗量总体变化范围为6.58～70.91 mm,入渗补给系数为0.83～1.00,入渗率为0.22～19.35 mm/h;(2)土壤入渗量随降雨量呈线性增加(R~2=0.99,p0.01),入渗补给系数随I_(30)呈指数降低(R~2=0.91,p0.01),平均入渗率随降雨强度呈线性增加(R~2=0.71,p0.01),随降雨历时呈幂函数降低(R~2=0.99,p0.05);(3)坡度增大使得径流位移增长,导致入渗量、入渗补给系数和平均入渗率整体随坡度增大而呈幂函数增加,但当坡度25°时,因径流势能沿坡面方向分量增加,径流流速加快,上述入渗特征参数略有降低;(4)由于降雨量在植被生长周期内呈下降趋势,很大程度上导致植被对入渗特征的影响受控于降雨量,土壤入渗量表现出随着植被盖度的增加呈幂函数显著下降的趋势。总体而言,降雨特征和坡度是影响土壤入渗的主要因素,且土壤入渗特征参数可表示为降雨过程参数和坡度的综合幂函数方程;在入渗补给系数较高的情况下,植被覆盖对土壤入渗特征的影响减弱。研究结果对于坡面尺度降雨径流调控机制和生态水文过程研究具有重要意义。     

麦田降雨产流过程的影响因素

为探讨多种因素对麦田降雨产流的影响及其相应的定量关系,通过人工模拟降雨试验,研究麦田降雨强度(RI)、冠层覆盖度(用叶面积指数表示,LAI)及0-40cm土壤初始含水量(θ40)对降雨产流特征的影响。结果表明:在其他影响因素一定条件下,径流强度和累积径流量与降雨历时分别具有显著的负指数函数和幂函数关系(P<0.01);产流时间随RI增大而提前,径流强度、累积径流量和径流系数随RI增大而增大;产流时间随LAI的减少而提前,径流强度、径流量及径流系数随LAI减小而增大;当降雨强度增大时,LAI对麦田产流过程的影响减弱。在RI和LAI不变时,产流时间随θ40增大而提前,径流强度、径流量及径流系数随θ40增大而增大,但稳定径流强度基本相同。通过对模拟降雨实测数据统计分析,径流强度、累积径流量可最终表示为t、RI、LAI和θ40的4因素函数关系,并建立了径流系数回归计算模型(P<0.05)。     

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。     

不同耕作措施对黑土坡耕地土壤侵蚀的影响

针对黑龙江省西部半干旱区土壤流失情况,在坡耕地径流小区通过野外人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同耕作措施下降雨产沙产流特征和过程。试验结果表明:降雨强度越大,对地表径流量和侵蚀量的影响越大,即雨强与径流量和泥沙量呈正相关,各种耕作措施的土壤流失顺序是顺坡垄裸地>横坡垄裸地>等高种植地>深松地>秸杆覆盖地>垄向区田地,植被覆盖地能有效控制水土流失,垄向区田地是这几种耕作措施中减少坡耕地水土流失的有效措施。     

模拟降雨条件下侧柏林地枯落物对坡面产流产沙的影响

以北京山区人工侧柏林地坡面为研究对象,基于2个2m×5m径流小区,设枯落物覆盖自然坡面与裸露坡面2种处理、大小2种雨强(126,70mm/h),通过对比分析2种处理下坡面产流产沙过程,揭示林下枯落层覆盖对北京山区坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)与裸坡相比,枯落物覆盖自然坡面产流产沙分别减少了67.0%和90.6%,其中,减沙效益大于减水效益。(2)无论是枯落物覆盖自然坡面还是裸坡,坡面产流过程均表现为先增大后趋于稳定的变化规律,但枯落物覆盖坡面产流趋于稳定的时间较裸坡有所提前。(3)枯落物覆盖坡面70,126mm/h降雨平均产沙速率分别为2.8,80.8g/min,裸坡分别为51.4,872.7g/min,枯落物覆盖坡面产沙率显著小于裸坡(p0.05)。当地表有枯落物覆盖时,产沙速率与含沙量随产流历时均波动变化不大,坡面产沙是一个基本稳定的过程;于裸坡而言,产沙速率与含沙量在小雨强条件下呈现先增加后趋于稳定的变化规律,而大雨强条件下,两者随产流历时先急剧增加后波动降低。(4)枯落物覆盖坡面产沙量与产流量为线性关系,而裸坡产沙量随产流量的增加呈幂函数急剧上升。研究结果可为评价北京山区人工林恢复水土保持效益提供理论依据,同时增进了对北京山区林地坡面产流产沙机制的认识。     

燥红土不同土地利用类型土壤侵蚀特征——以云南小江流域为例

云南小江流域土壤侵蚀十分严重，为揭示其侵蚀机理及探索有效治理方法，对其典型土壤——燥红土不同土地利用类型开展了人工降雨产流产沙试验，并运用水分测定仪（TRASE 6050X1 TDR）对土壤水分变化进行动态监测。结果表明：灌草地蓄水拦沙能力最强，坡耕地（坡式梯地沿等高线开挖垄沟种植花生）次之，裸坡地最弱；同种利用类型土壤不同土层传输水分和吸收水分能力不同；在较大雨强（0．61mm／min）且充足降雨条件下，小江流域燥红土地表产流特征经历了以超渗产流为主、超渗产流和饱和产流同时进行、以饱和产流为主的3个阶段。     

不同石漠化程度土地坡面产流特征分析

采用人工模拟降雨试验,研究了不同石漠化程度土地坡面产流特征。结果表明:中度和重度石漠化土地地表径流特征相似,但其与潜在、轻度和极重度石漠化土地差异明显。当雨强小于40 mm/h时,潜在石漠化土地难产生地表径流,当雨强达到55 mm/h,连续降雨34 min其开始产流;当雨强在51～60 mm/h之间时,其径流强度围绕3 mm/h小幅波动,当达到61 mm/h以上时,其径流强度随着降雨时间的延长而增大。轻度石漠化土地产流时间随着雨强的增大而变短,但其径流强度差异不大,介于2～5 mm/h之间。中度和重度石漠化土地地表径流呈现峰谷相间的特点。极重度石漠化土地裂隙、节理极为发育,洼地内多漏斗、落水洞,集流面积小,雨强增大后产生的径流变化幅度不明显。     

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。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。     

玉米季横垄坡面细沟侵蚀特征及其影响因素

通过野外人工模拟降雨试验,开展玉米不同生长期紫色土坡耕地细沟侵蚀特征研究,并分析玉米叶面积、雨强对细沟侵蚀过程的影响。结果表明:随玉米生长期推进,坡面产流时间、跌坎及细沟出现时间总体呈先增加后减少的趋势。苗期、拔节期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为10′59″和15′30″,抽雄期、成熟期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为20′16″和18′58″,玉米苗期坡耕地更易产生细沟侵蚀。苗期细沟形态发育完整,2.0 mm min-1雨强条件下,苗期最长细沟的长、宽、深分别为77.62、6.25和4.04 cm。随玉米生长期推进,细沟侵蚀阶段产流量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期和抽雄期细沟侵蚀阶段产流量分别占玉米季径流总量的30.97%和19.01%,玉米各生长期细沟侵蚀阶段产流率均随降雨时间的推移呈波动上升。细沟侵蚀阶段产沙量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期细沟侵蚀阶段产沙量显著高于其他生长期,玉米各生长期细沟侵蚀产沙率均随降雨时间呈波动变化。玉米季坡耕地细沟侵蚀产流量与雨强呈极显著正相关,产沙量与玉米叶面积指数呈显著负相关,产流率、产沙率与叶面积指数和雨强的回归方程均达极显著水平。     

大渡河干旱河谷区横垄坡面产流产沙特征及水保效益

为弄清干旱河谷区横垄坡面水土流失特征及水保效益,采用野外调查与室内人工模拟降雨相结合的方法,以坡耕地平作坡面为对照,开展了4种降雨强度(30,60,90,120 mm/h)和4种坡度(10°,15°,20°,25°)条件下横垄坡面产流产沙特征及减流减沙效益。结果表明:(1)横垄坡面产流时间随降雨强度和坡度的增大而提前,且受坡度影响远小于降雨强度;同等条件下,横垄坡面产流时间滞后平作坡面8.14%~55.60%。(2)随着降雨强度和坡度的增大,横垄坡面产流率和产沙率均表现为增加趋势。(3)坡度与横垄坡面减流减沙效益随降雨强度的增大由正相关关系转变为负相关关系,而降雨强度与横垄坡面减流减沙效益关系复杂,无明显变化规律。降雨强度和坡度对横垄坡面产流产沙过程和减流减沙效益有重要影响,横垄坡面能够延长坡面径流形成时间,有效减少坡面产沙率,但横垄坡面减流减沙作用存在临界条件。研究结果可为区域坡耕地横垄措施合理布设和水土流失有效防控提供数据支撑和理论依据。     

人工模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面侵蚀过程与特征分析简

通过室内人工模拟降雨试验,研究降雨强度、坡度及地表覆盖3因素对花岗岩红壤坡面侵蚀过程的影响.结果表明：1）起始产流时间随降雨强度和坡度的增加而有所提前,而地表覆盖能延缓起始产流时间;2）在不同降雨强度和坡度条件下,径流率从产流初期开始都快速增加,7 ～ 10 min后达到稳定,且随着降雨强度和坡度增加,径流率也显著增加;3）随着降雨强度的增大,产沙率明显增大,且降雨强度越大,坡度对产沙率的影响越明显;4）降雨强度和径流总量、产沙总量之间相关性极显著,其相关系数分别为0.892和0.799;5）地表覆盖具有良好的减沙作用,其减沙效益超过90％.     

石漠化区露石岩-土界面流形成过程模拟试验

岩-土界面是石漠化区露石岩面流和地表径流下渗转化为地下裂隙流的主要路径。作为地下裂隙流的重要组成部分,岩-土界面流对坡面降雨径流转化、水分地下快速渗漏以及土壤侵蚀/漏失具有重要影响。为探究喀斯特石漠化区露石岩-土界面流形成过程与转化机制,通过模拟典型露石岩-土界面,采用人工模拟降雨试验研究露石面-土壤组成的岩-土结构单元下地表径流及地表下壤中流、岩-土界面流及非岩-土界面流的形成过程及输出特征,探究其对岩周径流形成转化的影响。结果表明：岩-土界面流产流量在降雨过程中呈先增加后稳定的变化趋势;相同条件下,有出露岩面流形成的岩-土界面流（岩面倾角45°、60°、75°）产流量远大于仅有土壤水分下渗形成的岩-土界面流（岩面倾角90°）,前者是后者的4.78～16.58倍。岩面倾角是影响岩周径流形成、转化的主要因素,岩面倾角越大则岩-土界面流对水分漏失总量贡献越小,而非岩-土界面流则相反;雨强次之。然而,雨强是影响初始产流时间、稳定产流时间的主要因素,二者均随雨强增大显著减小（P<0.01）;岩面倾角次之。岩-土界面的存在不仅直接形成岩-土界面流,同时对非岩-土界面流表现出较强的补给效应,约有一半的岩-土界面流最终以非岩-土界面流的形式流失。研究结果可为石漠化区产流过程及机制的深度揭示提供理论依据。