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。     

模拟降雨入渗对岷江流域红壤坡面产流产沙的影响

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对岷江流域红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响。结果表明:在不同降雨强度下,随坡度的增加,初始产流时间趋于提前;随降雨强度的增大,产流时间提前,降雨强度对初始产沙时间的影响大于坡度变化的影响。在同一坡度条件下,径流强度随降雨强度的增加而增加,平均入渗率随降雨强度的增加表现为先增大后减小的趋势。50mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后20min开始趋于稳定;75mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后15min开始趋于稳定;100mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后10 min开始趋于稳定,径流强度和平均入渗率趋于稳定的时间均随雨强的增大而明显提前,各个时刻的径流强度和入渗率的稳定值在降雨过程中并不稳定,表现为随降雨强度和坡度的增大,波动愈剧烈。坡面产沙量随坡度和降雨强度的增大而增大,当坡度由5°增大到10°时,产沙量急剧增加;当坡度由10°增加到30°时,产沙量增速趋缓,侵蚀产沙量没有出现临界坡度。坡面产流强度和入渗率随时间的变化关系分别服从幂函数和对数函数规律,不同降雨强度下的径流深和产沙量也呈现出显著的正线性关系。     

短时强降雨对岩溶坡面土壤地表流失/地下漏失的影响

为研究岩溶地区雨强变化对水土地表流失和地下漏失的影响,对中国西南典型岩溶石漠化地区30年来的降雨特征进行了分析,并采用室内模拟试验,通过控制不同降雨时间和强度,研究其对土壤地表流失/地下漏失的影响。结果表明：(1)降雨强度与土壤地表流失量/地下漏失量均呈正比关系,但降雨强度的大小交替顺序对土壤地表流失/地下漏失量的影响存在差异,雨强大的降雨发生在降雨过程的后期更易发生土壤地下漏失。(2)短时多次降雨之间的时间间隔对土壤地表流失量和地下漏失量影响显著,集中性大雨比间断性大雨更易引发岩溶坡面土壤地表流失及地下漏失。短时多次降雨之间无雨的时间越长越不易发生水土流失和漏失。(3)降雨前期,降雨强度与土壤地表流失速率之间呈正相关关系,降雨中后期,土壤地表流失速率不受降雨强度的变化影响。降雨过程中,土壤地下漏失速率随着降雨强度的增大而升高。研究成果可为岩溶石漠化地区水土流失精准防治提供技术支撑。     

不同降雨强度下坡地覆盖对土壤有机碳流失的影响

采用模拟降雨试验研究不同降雨强度下坡地覆盖对因地表径流泥沙流失的有机碳影响.结果表明:降雨强度越高,土壤覆盖度越低,土壤有机碳流失量越高.影响土壤有机碳流失的因素表现为降雨强度＞土壤覆盖度＞地面坡度.降雨过程中,降雨强度由60 mm/h增至120 mm/h,土壤有机碳流失量增大.覆盖度较小时,降雨强度对土壤有机碳流失起决定作用.降雨强度≤60 mm/h时,植物覆盖层抑制土壤有机碳流失,重度覆盖(覆盖度100％)、轻度覆盖(覆盖度50％)与裸露地(覆盖度0％)相比,土壤有机碳流失量分别减少56.2％和36.3％.同时,土壤有机碳流失量随地面坡度由5°升至10°增加4.6％,初始产流时间提前14s.降雨强度与土壤有机碳流失量呈正相关,土壤覆盖度与泥沙流失量(土壤侵蚀量)以及土壤有机碳流失量呈负相关,径流中土壤有机碳流失量随着土壤侵蚀量同步变化.     

喀斯特地区裸坡面土壤侵蚀的人工模拟降雨试验研究北大核心CSCD

通过人工模拟喀斯特裸坡面微地貌特征和地下喀斯特裂隙构造,结合人工模拟降雨实验,研究不同基岩裸露率、不同降雨强度、不同地下孔裂隙度以及降雨历时对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)地表、地下孔裂隙流量均随雨强的增大而增大,地表累积悬移质和推移质流失量,地下累积悬移质流失量均随雨强的增大总体呈增大的变化规律;(2)总体上地表径流随基岩裸露率的增大先增大后减小,地下孔裂隙流随基岩裸露率的增大先减小后增大;地表累积推移质和悬移质流失量随基岩裸露率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基岩裸露率的增大总体呈减小的变化规律;(3)降雨历时和地表径流呈正相关的关系,而和地下孔裂隙流则呈负相关的关系;地表的推移质和悬移质产沙量,地下孔裂隙的产沙量随降雨历时总体呈下降趋势;(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)土壤侵蚀和各因子间相关程度为雨强>降雨历时>地下孔裂隙度>基岩裸露率。     

人工模拟降雨下花岗岩崩岗区不同层次土体产流产沙特征

选取湖北通城县五里镇发育典型的崩岗作为研究对象,利用室内人工模拟降雨试验,分析花岗岩崩岗区各层次土体的产流产沙状况和泥沙各粒径流失规律。结果表明,各层次土体入渗率和累积入渗量在整个降雨时段内差异显著。随着降雨时间的延长,各层次土体入渗率均表现出先快速减小后逐渐趋于稳定,累积入渗量则相差越来越大;淀积层的稳定入渗率最大为328.75ml/min,是淋溶层的1.13倍,母质层的1.76倍;Horton模型能对各层次土体入渗率很好的拟合(R20.922),且拟合结果证实了模拟降雨条件下各层次土体入渗速率随时间变化规律。各层次土体产沙率和累积产沙量在整个降雨时段内差异显著。母质层平均产沙率为40.43g/(L·min),是淀积层的1.79倍,淋溶层的3.11倍;淀积层的累积产沙量增加较快,淋溶层的累积产沙量增长缓慢,母质层的累积产沙量在整个降雨时段内不断增加且远大于淋溶层和淀积层的累积产沙量。各层次土体0.2mm粒径的流失量最多,0.2~1mm粒径次之,1~2mm粒径和2mm粒径流失量最小;随着降雨时间的延长,淋溶层各粒径流失量均逐渐减小,淀积层各粒径流失量逐渐增多,母质层各粒径流失量逐渐趋于稳定。该研究对揭示崩岗区各层次土体侵蚀的产流产沙机理及侵蚀规律的研究具有重要的理论和实践意义,为崩岗水蚀过程物理模型的建立奠定基础。     

喀斯特裸露坡耕地径流养分流失试验研究

为揭示雨强对喀斯特坡耕地养分流失的影响,运用可调坡度、地下孔(裂)隙度试验钢槽装填土石模拟喀斯特裸露坡耕地,采用人工模拟降雨的方法研究不同雨强下喀斯特裸坡径流养分流失特征。结果表明:(1)雨强为15,30mm/h时地表不产流,雨强为50mm/h时地表有产流;试验雨强下地下孔(裂)隙均有径流产生。(2)地表径流中全氮和全钾流失量均随雨强增大而增大,全磷流失量则先增大后减小;地下径流中全氮流失量随雨强增大呈先增大后减小趋势,全钾流失量与雨强正相关,全磷流失量与雨强关系不明显。(3)雨强为30,50mm/h时养分以地下孔(裂)隙流失为主,其贡献率为100%;地下径流中全氮流失量对其总流失量的贡献率表现为:15mm/h30mm/h50mm/h70mm/h90mm/h,全磷与全钾为:15mm/h30mm/h50mm/h90mm/h70mm/h。(4)地表径流量、全氮、全钾流失量和地下全钾流失量与雨强均呈显著正相关,相关系数分别为0.926,0.919,0.982和0.955。15,30mm/h雨强下,径流养分仅通过地下孔(裂)隙流失,50mm/h及以上雨强时养分伴以地表径流流失,且地下流失量大于地表流失量。     

初始解冻深度对黄绵土坡面产流产沙的影响

春季解冻期土壤侵蚀受初始解冻深度影响较大,通过室内模拟降雨试验研究了降雨强度和初始解冻深度对解冻期黄绵土坡面降雨侵蚀的影响。试验处理包括3个降雨强度(0.6,0.9,1.2mm/min)和4个初始解冻深度(0,2,4,6cm)。结果表明:在不同的初始解冻深度下,雨强由0.6 mm/min增加到1.2 mm/min时,坡面产流量增加了2.79~3.63倍;相同降雨条件下,坡面产流量随着初始解冻深度的增加大致呈逐渐增加趋势;相同初始解冻深度下,雨强由0.6mm/min增加到1.2mm/min时,坡面产沙量增加了0.78~4.22倍;随着初始解冻深度的增加,不同降雨强度下的坡面产沙量变化规律较为复杂,但是当雨强和初始解冻深度均增加时,坡面产沙量增加,这表明降雨强度、初始解冻深度对坡面产沙量的影响存在交互作用。经分析后发现,坡面产流量主要受降雨强度的影响,而坡面产沙量主要受降雨强度、降雨强度—解冻深度交互作用的影响。根据试验数据,分别建立了坡面产流量与降雨强度的经验关系式以及坡面侵蚀量与降雨强度、降雨强度—解冻深度交互作用的经验关系式。该研究成果期望为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考依据。     

模拟降雨条件下不同颗粒级配工程弃土的侵蚀实验

以沈阳市天柱山附近的工程弃土为研究对象,利用室内人工模拟降雨方法,对25°坡面上不同土壤颗粒级配的工程弃土在1.0、1.5和2.0 mm/min 3种不同降雨强度作用下产生的径流量和产沙量进行分析研究.结果表明:1)试验所用Ⅰ-Ⅴ组土样随着降雨强度的增加(从1.5增加到2.0 mm/min),累积产沙量分别增加12.55、7.56、12.00、8.81和10.41 g,而在3种降雨强度作用下,3个最大与最小累积产沙量差值分别为6.39、11.64和13.78 g；2)产沙量随细度模数的增大而减少；3)在降雨强度、坡度、降雨历时等因子一定的条件下,土壤颗粒级配对径流量的影响比较小,不同颗粒级配土壤的累积径流量差异不明显.     

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。     

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。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

多场次降雨对崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,因土质疏松,极易被侵蚀。细沟侵蚀特征是探讨崩积体侵蚀机制的重要内容。采用人工模拟降雨试验,研究多场次降雨条件（1.00、1.67、2.33 mm/min分别降3次雨）对崩积体30°坡面（5m×1 m）细沟侵蚀产沙过程及发育形态特征的影响。结果表明：1）1.00 mm/min降雨强度条件下,3次降雨的后期产沙过程趋于一致,而1.67和2.33 mm/min降雨强度条件下,前2次降雨后期产沙过程趋于一致,但第3次降雨后期产沙率急剧增大;2）各降雨强度条件下,沟头溯源作用、细沟平均宽度及深度随着降雨场次的增加而增加;3）不同降雨强度条件下的细沟特征存在差异,1.00和1.67 mm/min降雨强度时,随着降雨场次的增加,坡面的细沟数及细沟密度增加,宽深比减小,但在2.33 mm/min降雨强度条件下的结果恰好相反;4）各降雨强度条件下细沟侵蚀量及其增加幅度均增大,细沟侵蚀愈剧烈。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

沂蒙山区坡面侵蚀过程

通过组合不同降雨强度、坡度的室内模拟降雨试验,研究沂蒙山区坡面侵蚀过程。结果表明：坡面产流时间随降雨强度、坡度的增加而提前,降雨强度对产流时间的影响较大;径流速度与降雨强度、坡度正相关,降雨强度对径流速度的影响相对坡度较弱,褐土表面径流速度大于棕壤;坡面径流量随降雨强度增大而增大,随坡度的增大而减少;土壤侵蚀率与总侵蚀量皆随降雨强度、坡度的增大而增大,但波动规律不同,细沟侵蚀使土壤侵蚀率急剧增加。对于棕壤,小降雨强度时,坡度是影响侵蚀率的主导因子,大降雨强度时,主导作用被降雨强度替代;对于褐土,侵蚀率的大小主要受控于降雨强度。在相同试验条件下,棕壤的侵蚀率、总侵蚀量要大于褐土,说明棕壤抗侵蚀能力小于褐土。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。     

喀斯特坡地裸露心土层产流产沙模拟研究

通过人工降雨探索表土剥离后喀斯特坡地侵蚀产沙特征及机制,为该地区开展地下水土流失研究及指导水土流失防治工作具有重要的理论和现实意义。试验采用钢槽装填土石模拟喀斯特地区表土剥离后坡地的"二元结构",通过人工模拟降雨揭示了雨强(30、50、80mm h~(-1))、坡度(10°、15°、20°、25°)和地下孔(裂)隙度(1%、2%、3%、4%、5%)对坡地土壤侵蚀的影响,并在此基础上进一步讨论了各因子对剥离表土后的坡地造成的影响。结果表明:(1)表土剥离后地下漏失的隐蔽性增强,小雨强的坡地土壤侵蚀容易被忽视,30、50 mm h~(-1)雨强条件下,仅当坡地坡度≥15°时地表出现径流,坡地侵蚀产沙以地下流失为主,地下产流量、产沙量随雨强先增大后减小。(2)喀斯特地区坡地土壤侵蚀治理不应只重视地表水土流失,更应关注垂直方向上的土壤侵蚀——地下漏失,低坡度(坡度≤15°)条件下,地表近乎无产流产沙,坡地侵蚀产沙集中在地下孔(裂)隙,而坡度为20°、25°的坡地,其地下产沙比重仍分别高达0.85~0.97、0.59~0.84。剥离表土后的坡地水土保持应从地表、地下两个方向进行,避免由地下漏失引起的岩溶塌陷。增大地下孔(裂)隙度能显著提高地下产流量和产流系数,并促进地下孔裂隙产沙量和产沙比重的增加。     

降雨及土壤湿度对水土流失的影响

水土流失同降雨及降雨前土壤湿度关系密切。坡耕地产生坡面流失的临界雨强约为4mm/10min,降雨量为12.5mm;从中雨至大暴雨,雨型每增加一级,土壤流失量将翻一番;水土流失量同侵蚀雨量呈极显著的线性关系;地表径流量同降雨前0—30cm的土壤湿度因子成正比,冲刷量则与此成反相关。     

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。