黄土坡面不同植被覆盖度下产流产沙与养分流失规律

植被与降水是决定坡面产流产沙及养分流失的主要因素,为探求植被覆盖度对土壤侵蚀和养分流失的影响,采用野外黄土坡面放水冲刷试验,在30L/min冲刷流量条件下,对不同苜蓿覆盖度下黄土坡面的径流量、产沙量和养分流失量进行研究。结果表明:当植被覆盖度分别为0%,33.5%,43.2%和68.8%时,坡面径流量分别为693.35,362.51,324.65,266.64L;产沙量分别为16.3,5.9,0.16,0.091kg;溴离子流失量分别为5 852.07,1 274.51,397.29,178.56mg。利用幂函数对径流溶质浓度变化过程进行拟合,结果显示幂函数可以很好地反映田间坡面溶质随地表径流变化过程,为进一步描述径流溶质变化过程的数学模型提供指导。平均坡面糙率能够反映土壤侵蚀量的变化。植被覆盖度增加使得平均坡面糙率增大,从而减小了土壤侵蚀量和养分流失量。     

北方土石山区坡面水土流失特征研究

[目的]揭示北方土石山区坡面水土流失规律，为山区土壤侵蚀防治和生态建设提供科学依据。[方法]利用1988—1991年坡面径流小区观测数据，运用统计和相关分析等方法，对不同下垫面条件下坡面水土流失特征进行了分析，并探讨了坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率与有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时、降雨等级的关系。[结果](1)在5°08′～24°08′坡度范围内，坡面径流深度随坡度增加逐渐减小，土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡度增加逐渐增大；(2)在2.18～33.19 m坡长范围内，坡面径流深度随坡长增加逐渐减小，土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡长增加呈现先增后减的变化趋势，存在临界坡长；(3)随着植被覆盖度增加，坡面径流深度、土壤侵蚀模数迅速减小，土壤入渗率逐渐增加；裸地的坡面径流深度和土壤侵蚀模数显著高于30%植被覆盖度坡面，但植被覆盖度由30%增加到60%,90%时，坡面水土流失过程的影响差异并不明显，说明在水土流失治理中存在临界植被覆盖度；(4)坡面径流深度、土壤侵蚀模数主要受到有效降雨量和平均降雨强度影响，且均呈显著正相关；而土壤入渗率主要受到平均降雨强度和降雨历时影响，与平均降雨强度...     

植被对含碎石土壤坡面降雨入渗和径流侵蚀的影响

[目的]研究植被对含碎石土壤坡面入渗和径流侵蚀的影响,为合理配置三峡地区含碎石土壤坡面植被提供科学依据。[方法]在建立的径流小区内铺设含碎石土壤,并配置不同种类、不同覆盖度的植被,进行人工降雨试验。[结果]各类小区径流量排序为:裸坡灌木坡面草本坡面草灌混合坡面,入渗量与径流量排序相反,有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡;入渗率服从对数函数规律,产流强度呈幂函数变化;草地对水沙的调控机制更多的是直接拦沙;累计径流量和累计侵蚀量的关系均满足幂函数形式。[结论]植被措施可有效地减少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施减少的效益不同。     

坡面径流冲刷侵蚀的植被覆盖阈值现象研究

提高植被覆盖度是防治坡面土壤侵蚀的主要途径之一。一般而言,随着植被覆盖度的增加,侵蚀产沙量会呈负指数下降。植被覆盖度与侵蚀的发展之间存在多种多样的阈值现象。采取GIS模拟技术和野外控制试验相结合的方法,揭示植被覆盖度与坡面径流冲刷侵蚀之间的阈值现象。研究结果表明,在植被覆盖度较低、植被分布分散的情况下,植被汇聚径流的作用会导致侵蚀风险的升高;当植被覆盖度达到一定的阈值后,随着植被覆盖度的继续增加,侵蚀产沙量逐渐减小,并最后趋于稳定。该研究结果有助于增强对植被覆盖度和土壤侵蚀之间阈值现象的认识,也表明简单地认为植被覆盖度和土壤侵蚀之间是负指数关系存在不严谨的地方,即在植被覆盖度较低时是不准确的。     

室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供重要科学依据。利用室内模拟降雨试验,研究了不同植被格局条件下的坡面侵蚀产沙、径流、入渗规律及相关关系。研究结果表明,裸坡坡面下,雨强是影响径流的主要因素,径流贡献率为87%;坡度是影响产沙的主要因素,产沙贡献率为76%;在大雨强或陡坡条件下,这种趋势更加明显。模拟降雨条件下,坡面含水量以坡面中下部最大,坡面中部居中,坡面上部最小。坡面植被覆盖对侵蚀产沙的影响大于坡度因素的影响;相同覆盖度条件下,植被空间位置对水沙调控作用大小顺序依次为:坡底>坡中>坡顶。随植被覆盖率的增加,径流总量呈幂函数减小趋势,产沙总量和径流含沙量呈指数函数减小趋势,植被对水沙调控作用逐渐增强。本文研究成果对于深入理解流域径流产流产沙过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

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。     

坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

为了探究坡面植被及其布设位置对坡面侵蚀动力过程的影响,通过室内放水冲刷试验,分析了不同植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)和不同坡面覆盖位置(坡上、坡中和坡下)下的坡面产沙及其水动力学参数的变化。结果表明:植被覆盖度、径流动能、径流流速、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力等与坡面侵蚀产沙量密切相关。随覆盖度的增加,径流流速、径流剪切力、单位水流功率和径流动能逐渐降低,曼宁糙率系数和阻力系数逐渐增加,产沙量呈直线下降。当覆盖度从0增长到50%时,植被的减沙效益显著提高,当盖度增加到70%时,植被保持水土的作用不随覆盖度的增加显著提高,不同坡面覆盖位置下坡面侵蚀产沙表现为植被位于坡面中下部的产沙量小于植被位于坡面上部的,可用包含植被覆盖度、单位水流功率和径流动能等参数建立的联合公式模拟预测坡面侵蚀产沙量。研究结果可为阐明植被减沙的临界盖度和合理位置以及黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供参考。     

10种藤本植物边坡水土保持效应研究

利用坡面人工径流小区,对比了10种藤本植物地的植被覆盖度、径流量、土壤侵蚀量和土壤抗蚀性能。结果表明,与裸地相比,藤本植物可以增加土壤的覆盖度,减少降水的径流量,减少土壤侵蚀量,其中以地枇杷、爬山虎、扶芳藤的效应最为明显;藤本植物还可以提高土壤的抗蚀性,其中地枇杷地崩解所需时间最长,有效根密度最大,水土保持效果最好。     

天山山区草地覆被和雨强对产流和产沙的影响研究--以天山天池自然保护区为例

通过设在天山天池的实地径流小区试验观测,分析了天山天池自然保护区草地覆被变化和雨强对产流和产沙的影响.结果表明,(1)植被覆盖度对产沙的影响大于对产流的影响.植被覆盖度为35%的退化草地径流场内的总径流深和总侵蚀量分别是50%,55%,75%.这3种植被盖度场地内总径流深的1.4,1.5,2.2和4,6,10倍;总的径流深、总的侵蚀量与植被覆盖度之间的关系可分别用指数函数表示.(2)降雨强度对于产沙的影响大于对产流的影响.在下垫面条件一定时,降雨强度越大,径流量、侵蚀量也越大;径流量、侵蚀量与降雨强度之间的关系可以分别用多项式表示.(3)径流系数与植被覆盖度之间的关系可以用指数函数关系表示.     

模拟降雨条件下不同植被覆盖度/格局的坡地土壤铵态氮流失特征

尽管采取各种措施控制农业氮素污染,但大量氮素的流失仍然成为农业非点源污染的主要来源之一。采用室内模拟降雨的方式,选用了3种植被覆盖度(25%,50%和75%)、9种不同的植被格局,对21°坡面铵态氮随径流和泥沙流失迁移规律进行了研究。结果表明:径流和泥沙流失的控制关键期在初期产流阶段。植被覆盖度25%时,铵态氮流失规律不明显。植被覆盖度50%时,在中期和后期产流阶段径流和泥沙携带的铵态氮流失量分别占累计流失量71.2%~82.8%,应加强中期和后期产流阶段铵态氮流失量控制。植被覆盖75%时,初期产流阶段是铵态氮流失控制的关键时期。径流与径流结合态铵态氮流失量呈幂函数关系,两者呈显著正相关(p0.05),泥沙与泥沙结合态铵态氮流失量均呈幂函数关系,并具有极显著正相关性(p0.01)。径流和泥沙流失是坡面铵态氮流失的两种途径。从削减水沙和养分流失量角度来看,坡下植被格局最强,坡上植被格局次之,坡中植被格局最弱。     

黄土高原吕二沟流域土地利用及降雨强度对径流泥沙影响初探

在对黄土高原吕二沟流域1982—2005年侵蚀产沙资料统计计算的基础上,从流域尺度上,以次降雨径流产沙为主要研究对象,分析该地区不同降雨强度及不同土地利用情况下降雨量—径流量、径流量—输沙量的相互关系特征,并模拟相应的数学表达式。结果表明：吕二沟流域同一土地利用情况下,场降雨量和场径流量之间存在指数函数相关关系,场径流量和场产沙量之间存在幂函数相关关系;相同降雨量条件下,同样的径流量,土地利用结构得到改善的土地利用模式3能有效地减少大降雨强度条件下的土壤侵蚀量,同样的径流量,降雨强度越大,场产沙量越大。从长远来看,改善流域土地利用结构,改变流域下垫面的情况,增加森林植被覆盖度是控制黄土高原水土流失的根本措施。     

晋西黄土区不同植被覆盖小流域的产流输沙特性

为了进行不同植被覆盖小流域的产流输沙研究,以山西省吉县蔡家川流域内部嵌套的3个典型小流域为研究对象,采用对比分析的方法,探索降雨特性和植被覆盖条件对流域产流输沙的影响。结果表明:小流域产生的径流量和输沙量均随着降雨量的增大而增大,但并不成一定比例;小流域的径流量和输沙量也随降雨强度的增大而增大,泥沙量的增长幅度大于径流量;在黄土区,短历时的暴雨易产生严重水土流失,应该作为水土流失预防的重点;在不同植被覆盖条件下,以封禁植被为主的小流域产生的径流量和输沙量最小,人工植被为主的小流域次之,水平梯田为主的小流域最大;在封禁条件下自然恢复植被为主的小流域对黄土区典型暴雨的水土流失预防效果最佳。因此,如何在水土流失严重的黄土高原地区仿拟自然进行植被恢复,是有效控制水土流失的关键。     

喀斯特地区不同降雨和植被覆盖的坡面产流产沙特征

[目的]分析不同降雨类型下的径流和产沙量特征,及其在不同植被覆盖类型和植被覆盖度下的响应,为喀斯特地区黄壤坡面在不同降雨和植被覆盖条件下的产流和产沙量动态特征研究提供理论基础。[方法]以贵州省黔南州龙里县羊鸡冲小流域2014—2018年径流小区实测数据为基础,基于均值分类的方法,将研究区降雨类型划分为4类,对各指标进行相关性分析、回归模型模拟以及指数函数分析。[结果]不同降雨对研究区产流产沙的影响程度不同,不同植被覆盖类型下降雨特征对产流产沙的影响存在明显的差异。总体上A型降雨(极强雨强,极大降雨量、中等降雨历时的低频次降雨事件)更容易造成侵蚀性危害,该条件下坡面产流和产沙量之间显著相关,并且经果林表现出极好的水土保持效果;B型降雨(强雨强,中等降雨量、短降雨历时的高频次降雨事件)为该地区主要降雨类型;在4种降雨条件下,混交林的水土保持效果优于其他植被覆盖类型。产沙量与雨强、径流深正相关,和植被覆盖度负相关,对产沙量的影响为:径流深平均雨强植被覆盖度。当植被覆盖度到达80%左右,其削减径流以及减沙的效果处于稳定的状态。[结论]在降雨一定的前提下,植被是影响坡面产沙量的关键因子。对于喀斯特地区黄壤坡面而言,增加地表覆盖度是减少产沙量的基础,也是防治水土流失的一项重要举措。     

相似降水年组下黄土高原植被恢复与土壤水分变化过程与空间特征分析

土壤水分是黄土高原植被恢复及其可持续性的主导限制因子,为认识退耕还林(草)工程以来大尺度植被恢复与土壤水分关系,以25km×25km格点为研究单元,采用1992—2013年逐月降水量、归一化植被指数(NDVI)和土壤水分指数(SWI)等数据,分析了该区植被恢复与土壤水变化过程及其区域分布特征。结果表明,黄土高原植被和土壤水分变化特征和趋势不一致,其中大部分区域(70%以上面积)NDVI呈极显著增加趋势(p0.01),但绝大部分地区(94%面积)的SWI没有趋势性变化。为进一步揭示植被和土壤水分变化关系,以格点为单元提取并分析了相似年组(年降水量差小于2%,年差大于或等于5年,逐月降水量相关性大于0.55),并分析了不同相似年组内NDVI和SWI的变化特征。植被指数与土壤水分变化主要包括两类:植被指数和土壤水分同时增加与植被指数增加而土壤水分减少。黄土高原植被、土壤水分变化的区域性明显,在未来生态恢复过程中,需要进一步认识植被恢复对土壤水分的关系,促进黄土高原植被恢复的可持续性。     

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。     

植被叶面积指数与覆盖度定量表征红壤区土壤侵蚀关系的对比研究

选择较合理的植被指标,对提高植被水土保持效益评价精度具有重要理论与现实意义。本研究基于福建省长汀县河田镇12个土壤侵蚀试验小区2007年和2008年2 a的降雨、径流、泥沙数据及各小区的植被叶面积指数(LAI)、植被覆盖度(VFC)资料,利用对比与统计分析方法,研究了2种植被覆盖类型(纯马尾松林、马尾松林草)和不同覆盖度(80%、60%、45%、30%、15%和5%)的红壤水土流失特点,探讨了LAI与VFC定量表征水土流失关系的稳定性和可靠性。结果表明,与裸地小区比较,马尾松纯林覆盖一定程度上降低了土壤侵蚀模数,对径流的减少作用并不明显;而马尾松林草覆盖可显著减少25%左右的径流,土壤侵蚀模数减少也在90%以上,林草结合的植被覆盖结构具有更强的水土保持功能。以LAI表征2种植被覆盖类型的土壤侵蚀模数,均能达到显著水平(p0.05);而以VFC来表征土壤侵蚀模数,仅马尾松林草覆盖类型达到了显著水平。选择LAI表征土壤侵蚀模数来评价植被水土保持效益,将更为稳定和可靠。     

草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响,并从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果,结果表明草本植被覆盖深刻影响降雨侵蚀动力,并最终对坡面径流侵蚀量产生较大的影响。植被覆盖度为0%～60%时,产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低,植被覆盖度>80%时,覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降,植被水沙调控作用趋于稳定,确定本研究的临界植被覆盖度为60%～80%;以径流深和洪峰流量模数表示的坡面径流侵蚀功率以及降雨侵蚀力等侵蚀动力指标均与侵蚀产沙量呈正相关关系,但径流侵蚀功率与产沙量具有更强的相关性,说明径流侵蚀功率能更好地模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示植被覆盖度对侵蚀结果的影响,反映了临界植被覆盖度的存在,可以作为评价植被侵蚀动力调控效应的一个指标。     

不同植被盖度下的黄土高原土壤侵蚀特征分析

利用地理信息系统(GIS)技术对黄土高原土壤侵蚀空间数据和植被盖度等级数据进行了空间叠加,研究不同盖度的植被对土壤侵蚀的影响。结果表明:植被盖度等级为1时,黄土高原土壤侵蚀全部为水蚀,占整个土壤侵蚀的100%;植被盖度等级为2时,土壤侵蚀主要以水蚀为主,占整个土壤侵蚀的95.61%;植被盖度等级为3、4、5时,土壤侵蚀仍主要以水蚀为主,分别占整个土壤侵蚀的74.90%、66.68%和58.19%。冻融侵蚀出现在植被盖度等级为4和5时,占整个土壤侵蚀的比例均不大。随着植被盖度的增加水蚀所占比重逐渐减小,而风蚀、水?风混合侵蚀和冻融侵蚀所占比重逐渐加大。植被盖度等级为5时,水蚀、风蚀和水-风混合侵蚀的土壤侵蚀指数均比其他植被盖度等级的土壤侵蚀指数大,分别为657.56、796.68和596.79,土壤侵蚀最严重。黄土高原植被盖度变化对土壤侵蚀状况影响显著。     

Biocrusts resist runoff erosion through direct physical protection and indirect modification of soil properties

Purpose

Biological soil crusts (biocrusts) are ubiquitous in arid and semi-arid regions and play many critical roles in soil stabilization and erosion prevention, greatly decreasing soil loss. Although sediments may be completely controlled by well-developed biocrusts, runoff loss is observed. Consequently, it is important to study how biocrusts resist runoff erosion in different developmental stages to evaluate and manage water erosion.

Materials and methods

In the Loess Plateau Region, we sampled 32 biocrust plots representing eight stages of biocrust development and 5 slope cropland soil plots as bare soil control plots. We then used a rectangular open channel hydraulic flume to test the effects of biocrust development on runoff erosion.

Results and discussion

As expected, the establishment of biocrusts enhanced soil stability, and accordingly, soil anti-scourability significantly increased with biocrust development. Biocrusts exhibiting more than 36% or 1.22 g dm^?2 of moss coverage or biomass fully protected the soil from runoff erosion. Moreover, soil properties, such as soil organic matter, soil cohesion and soil bulk density, were also important in reducing erosion. The findings indicated that biocrusts inhibited runoff erosion through direct physical protection related to biocrust cover and biomass and through the indirect modification of soil properties. In the early biocrust development stage (when moss cover was less than 36%), cyanobacterial biocrust played a primary role in providing resistance to runoff erosion, with resistance being positively related to cyanobacterial biomass (chlorophyll a) and influenced by soil properties.

Conclusions

The relationship between soil anti-scourability and moss coverage or biomass can be divided into two stages based on a moss cover or biomass threshold. The capacity of biocrusts to resist runoff erosion was limited when moss cover was below the threshold value. Therefore, the stage corresponding to this level of moss cover should be of concern when estimating, predicting and managing water erosion.