不同透水状况对坡地土壤侵蚀和养分流失的影响

 为研究坡地物质迁移的重要过程,通过室内人工降雨模拟试验,研究不同透水状况坡地土壤侵蚀和养分流失的过程与机制。研究结果表明:不透水坡地的初始产流时间比半透水和完全透水坡地提前57min,且土壤侵蚀总量大于其余两者土壤侵蚀量之和;在二次降雨条件下,不透水坡地的土壤侵蚀剧烈,土壤侵蚀量大于其他2种状况之和的5倍;在首次降雨过程中3种不同透水状况的径流养分浓度变化表现一致,仅在降雨75min后开始呈现差异;二次降雨过程中径流养分浓度存在显著差异。因此,存在不透水底层或入渗速率低的犁底层坡地,具有潜在的严重土壤侵蚀与磷钾流失趋势,尤其在初始土壤含水量较高的情况下。为合理配置坡地水土保持管理措施和控制养分流失提供参考。     

下垫面变化对喀斯特坡地地下产流产沙的影响

通过人工模拟降雨试验,探索表土剥离对喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响。采用钢槽装填土石模拟喀斯特坡地的"二元结构",通过正交试验分析了下垫面类型(坡耕地、裸坡地)、雨强(0.5,0.8,1.3mm/min)和地下孔(裂)隙度(1%,2%,3%,4%,5%)对坡地地下产流、产沙的影响。结果表明:表土剥离导致下垫面土壤物理性质改变,是影响坡地产流、产沙特征变化的主要因素。降雨强度主要影响坡地地下产流量和产沙量,地下孔(裂)隙度主要影响径流和泥沙在地表和地下的分配比例。表土剥离后表层土壤的容重和土壤颗粒分形维数呈显著性增大,导致土壤透水性、孔隙大小等发生改变。相比之下,在0.5mm/min雨强下,裸坡地的地下产流量、产流系数、产沙比重均大于坡耕地,雨强增大至0.8,1.3mm/min后,则是坡耕地大于裸坡地。同时,随着降雨强度的增大,坡耕地产流量和产沙量随雨强的变化顺序为0.5mm/min雨强0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强。而裸坡地的产流量大小随雨强的变化顺序为0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强0.5 mm/min雨强,产沙量大小随雨强的变化顺序为0.5 mm/min雨强0.8mm/min雨强1.3mm/min雨强。增大地下孔裂隙度能显著(p0.05)的增大两种坡地的地下产流、产沙的贡献量。地下孔裂隙度为1%~3%条件下,2种坡地地下侵蚀产沙比重存在极显著差异(p0.01),随着地下孔(裂)隙度增大至4%和5%,两者间的差异缩小。虽然裸坡地的地下侵蚀产沙量小于坡耕地的,但是其地下产沙比重更大。在喀斯特地区进行开发建设时,应注重地下漏失的防治工作。研究成果能够为喀斯特坡地土壤侵蚀研究和水土流失防治提供重要参考。     

4树种叶片表面颗粒物洗脱特征与其微观形态的关系

【目的】深入了解不同树种叶片的颗粒物(Particulate Matter,PM)滞纳能力在降水事件中的恢复特征。【方法】对颗粒物滞纳量达到饱和状态的核桃、刺槐、加拿大杨和银杏4个树种的叶片进行模拟降雨处理,降雨量设置为0,0.66,1.32,1.98和2.64mm,测定并计算单位面积叶片粒径2.0~8.0μm的颗粒物(PM2.0~8.0)和粒径小于2.0μm的颗粒物(PM2.0)的洗脱率,并观察叶片的微观结构,分析其对颗粒物洗脱作用的影响。【结果】单位面积叶片颗粒物饱和滞纳量最大的是核桃,其对PM2.0~8.0、PM2.0的饱和滞纳量分别为(37.05±2.54)和(5.30±0.74)μg/cm2,其次为刺槐(对PM2.0~8.0和PM2.0的饱和滞纳量分别为(8.17±1.15)和(2.47±0.14)μg/cm2);加拿大杨和银杏叶片的饱和滞纳量较低。洗脱率测算结果显示,银杏叶片表面2个粒径范围的颗粒物均最易洗脱,在降雨量为2.64mm时,PM2.0~8.0、PM2.0的洗脱率分别为99.36%和99.44%;刺槐叶片表面PM2.0~8.0比PM2.0更易洗脱,在降雨量为2.64mm时,PM2.0~8.0、PM2.0的洗脱率分别为78.79%和52.02%;核桃叶片表面PM2.0比PM2.0~8.0更易洗脱,在降雨量为2.64mm时,PM2.0~8.0、PM2.0的洗脱率分别为83.13%和95.84%;加拿大杨叶片表面2个粒径范围颗粒物的洗脱率相近,在降雨量为2.64mm时,PM2.0~8.0、PM2.0的洗脱率分别为87.36%和80.29%。扫描电镜图显示:核桃叶片表面呈现不规则平滑褶皱,气孔较小,数量较多,蜡质呈无定形态;刺槐叶片表皮毛分布丰富,表皮细胞呈顶部平缓的凸起状,且表面分布形态规律的蜡质晶体,气孔十分稀疏;加拿大杨叶片表皮细胞无明显凸起,蜡质层平滑,气孔较大,数量与核桃相比较少;银杏叶表皮细胞具有明显的穹状凸起,整个叶片覆盖厚且形态规律的蜡质晶体,气孔大而稀疏。【结论】具有规则形态结构的蜡质层(加拿大杨、银杏)和穹状凸起表皮细胞及不具有表皮毛(银杏)的叶片颗粒物饱和滞纳量较低,而洗脱率较高;反之,叶片(核桃,刺槐)的颗粒物饱和滞纳量较高,洗脱率较低。     

太行山低山丘陵区不同地表类型降雨入渗产流规律研究

通过人工降雨来研究太行山低山丘陵区典型地表类型下的降雨入渗产流规律.结果表明:(1)不同地表类型,地表产流特征不同.主要表现在:降低坡度主要推迟产流开始时间,而植被能够推迟整个径流过程;增加植被覆盖度和降低坡度能够明显降低产流量,延缓产流时间、降低径流速率;不同地表类型的地表径流速度与径流稳定前降雨历时具有明显的对数函数关系.在以0.64 mm/min左右的降水强度持续80 min后,斜坡径流小区不同地表类型径流系数大小顺序为:斜坡裸地>没有枯枝落叶的斜坡灌木>斜坡草地>有枯枝落叶的斜坡灌木.与裸地相比,后面3种地表类型的地表径流量分别减少了33.7%(8.3 mm),49.2%(12.1 mm)和75.2%(18.5 mm).(2)不同植被、枯枝落叶在降低地表产流量的同时也增加了深层土壤中的人渗量.斜坡裸地下渗到20 cm以下的水量仅为降雨的6.0%,明显小于有植被条件下的23.3%～32.5%.灌木下的枯枝落叶能够增加土壤入渗量20%左右,土层20 cm以下入渗量增加8%.     

春季解冻期棕壤坡面磷素迁移过程研究

春季解冻期土壤季节性冻融发生最为强烈,极易发生土壤侵蚀,也是磷素流失的关键时期。采用人工模拟降雨的方法,探究春季解冻期不同磷素背景值坡面产流产沙及磷素流失动态过程。结果表明:产流后14 min内径流量和泥沙量均呈现较好的线性分布,径流相关系数为0.969,泥沙相关系数为0.936;14~18 min内径流量缓慢增加,从18 min开始一直到产流结束径流量基本保持在3 100 ml/min,而泥沙则总体呈现先增大再减小的趋势;土壤背景值（APb）越高,径流、泥沙中磷浓度越高;径流中磷素流失比率均值APb₂₀坡面最大,且随着背景值的增大呈减小趋势;而泥沙中磷素流失比率均值变化则与径流不同,APb₄₀的坡面其流失比率最小,其他坡面差异较小;径流中磷素流失量与泥沙中磷素流失量呈线性关系,y=6.751x-0.628（R²=0.958）。     

施加PAM和PG对坡地产流产沙的影响研究

在人工降雨条件下,研究吕梁地区混合施加不同量的聚丙烯酰胺(PAM)和磷石膏(PG)对坡地产流和产沙的影响,结果表明:单独施加PAM可以明显减少产流量和产沙量,施加1、2 g/m~2PAM处理分别比CK总产流量减少58.6%和21.2%,总产沙量减少41.7%和54.1%;单独施加PG对产流量影响不明显,而且产沙量会增加,施加100、200 g/m~2PG处理比CK总产沙量增加7.8%和10.3%;PAM与PG混施可提高土壤的稳定入渗率,具有比单独施加等量PAM更佳的减流效果,但产沙量会有所增加;1 g/m~2PAM和200 g/m~2PG混施具有最优的减流、减沙综合效果,相比CK总产流量减少71.2%、总产沙量减少33.2%。实践中建议采用1 g/m~2PAM和200 g/m~2PG混施以达到最佳的蓄水减沙效果。     

人工降雨条件下秸秆覆盖及留茬的水土保持效应

通过人工模拟降雨试验,研究了秸秆覆盖及留茬的水土保持效应。结果表明,秸秆覆盖和留茬均可延缓径流产生,其中5 000和3 000 kg/hm2秸秆覆盖分别能使初始产流时间延后427%和19%,而30 cm高留茬及15 cm低留茬覆盖则可分别延后初始产流时间107%和76%。5 000 kg/hm2覆盖量下累积径流量较对照减少了61.72%,土壤侵蚀量减少了86.7%;3 000 kg/hm2覆盖量下累积径流量减少了6.26%,土壤侵蚀量减少了60.1%,实施覆盖能够有效抑制水土流失,且以高覆盖量的作用效果更为显著。30 cm高留茬的土壤侵蚀量较对照减少了62.9%,15 cm低留茬覆盖减少25.6%,留茬能够有效防止土壤侵蚀,但对径流量无明显影响。     

土壤容重对草甸土坡面养分流失特征的影响

通过室内模拟降雨试验对不同土壤容重的草甸土坡面养分流失特征进行研究。结果表明:土壤容重是坡面草甸土养分流失的重要影响因子,土壤容重不同,降雨引起的坡面表土养分流失的程度不同。硝态氮主要随径流流失,占总流失量的55%～79%,70%～84%的有效磷和速效钾随泥沙流失。不同形态的养分在流失泥沙中有富集现象,但富集比各不相同。土壤容重在0.8～1.2g/cm3之间变化时,随土壤容重增加,土壤孔隙度减小,入渗能力减弱,土壤养分在降雨侵蚀力作用下流失量不断增加。但随容重的继续增大,土壤抗蚀性增大,产沙量减小,养分流失量也有减小的趋势。在降雨、坡度等一定的条件下,土壤最容易被侵蚀而发生养分流失的容重范围为1.2～13g/cm3。     

人工降雨作用下黄土边坡的室内模型试验研究

在自然界中,降雨是诱发黄土滑坡的主要因素,但由于黄土特殊的结构性和力学特性,导致对此问题的研究仍然不够系统和深入。为了对降雨诱发黄土滑坡失稳机理有更深的了解,进行了人工降雨作用下的黄土滑坡的室内模型试验研究。在前两次的降雨中,平均入渗率为86%,之后入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少,最后维持在40%左右;在一定的降雨强度下,黄土边坡会先产生坡面侵蚀和水土流失,形成冲蚀沟和泥流运动,然后引发多重滑体的牵引式滑坡;滑动变形区为坡面下0~1.6m之内的浅层土体。降雨入渗使土体的孔隙水压力增大致使有效应力减小以及产生指向坡外的渗透力导致坡体不稳定,这一双重效应为降雨诱发黄土滑坡的原因之一。     

人工降雨对稻田中氮磷动态变化的影响研究

在水稻黄熟期,通过对微区模拟稻田进行人工降雨试验,分析了60,48,17.4 mm/h 3个雨强处理(分别表示为y-b、y-m、y-s)条件下,不同滞水时间的田面水中氮磷的动态特征以及总氮、总磷的流失潜能,研究了不同雨强和滞水时间对稻田氮磷的减排效能。结果表明:(1)在3个雨强处理下,田面水中TN浓度在人工降雨后1 h为最高,y-s的田面水中TN浓度下降迅速;y-m和y-b的田面水积聚量较大,但在第5 d时其TN浓度也迅速下降到最低值。田面水中NH+4-N浓度整体水平较低,NO-3-N浓度总体水平较高,但随时间推移呈逐渐下降的趋势。(2)3个雨强处理的田面水中TP和DP浓度总体上表现为y-b>y-m>y-s,呈升-峰值-降的趋势。(3)降雨处理后若延迟排水时间至第5 d,模拟稻田的相对减排效能最大,可减少排放田面水中TN80.44%~94.14%。如延迟稻田排水时间到第3~5 d,y-b和y-m的田面水中TP的减排效能显著,可减少排放田面水中TP 9.95%~100.00%。