Field calibration of an impedance soil water probe for the shallow seedbed across field topography

Impedance soil water probes enable frequent and non‐destructive determination of soil water status in situations where gravimetric soil sampling is too demanding of time and sampling space. The ThetaProbe is an impedance soil water probe requiring calibration for local soil conditions, because measurement accuracy can be affected by properties of the soil. Often, only a single calibration is performed for an experimental site. An experiment investigating the seedbed to 75‐mm depth across a field topography with variable soil properties was examined to determine which soil properties affected the calibration of the ThetaProbe, and if soil‐specific calibration was required to derive suitable estimates of the water status in the experiment. Experimental factors examined included hillslope aspect, hillslope position, crop residue and soil depth. Soil properties, other than volumetric water content, significantly affecting the probe measurements were bulk density, electrical conductivity and temperature. The probe underestimated soil water at very low water contents, and overestimated soil water at contents greater than 11 m³ m^?3, compared with gravimetric measurements. A single calibration, not corrected for hillslope position at a water content of 20 m³ m^?3, overestimated water content by 0.02 m³ m^?3 in the summit hillslope position and underestimated water content by 0.04 m³ m^?3 in the toeslope position. A single calibration, not corrected for soil depth at a water content of 20 m³ m^?3, overestimated water content by 0.02 m³ m^?3 in the 0‐ to 25‐mm soil layer and underestimated water content by 0.03 m³ m^?3 in the 50‐ to 75‐mm layer. The complexity of microsites in a shallow seedbed requires soil‐specific calibration in field experiments containing heterogeneous soil properties.     

黄土坡面产流动态变化过程实验模拟

采用模拟降雨试验方法对黄土坡面产流动态变化过程进行研究，取得了如下结果：（1）不同雨强条件下，坡面径漉率随降雨过程的动态变化可用对数相关方程描述，5-10min之间径流率随降雨过程的变化幅度较大，以后变缓，并趋于基本稳定状态；（2）不同坡度条件下，坡面径流深随降雨强度的动态变化可用线性相关方程进行描述，坡面径流深随降雨强度的增加而急剧增大；（3）不同雨强条件下，坡面径流深随坡度的动态变化总体可用抛物线相关方程进行描述，25’左右是径流深随坡度变化的转折点；（4）不同雨强条件下，坡面径流深随坡长的动态变化可用对数相关方程进行描述，随着雨强的增加，径流深随坡长的增加明显增大；（5）坡面径流深随坡度、坡长及降雨强度的动态变化可用多元幂函数相关方程进行描述，降雨强度对径流深的作用大干坡度及坡长因子。     

东北黑土区顺坡垄作和无垄作坡面侵蚀过程对比

[目的]以无垄作坡面侵蚀过程为对照,研究顺坡垄作坡面土壤侵蚀过程及机理,为东北黑土区坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计了3个降雨强度(50,75和100mm/h)以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°),进行顺坡垄作和无垄作坡面侵蚀过程的对比研究。[结果]顺坡垄作坡面径流量和侵蚀量分别较无垄作坡面增加了1.2~1.7和1.3~2.1倍,径流和侵蚀过程也发生了变化。与无垄作坡面相比,顺坡垄沟的集中汇流作用使坡面水流流速增加了1.0~2.3倍,径流剪切力增加了0.7~1.2倍,其坡面侵蚀方式也由片蚀为主转变为以细沟侵蚀为主,细沟侵蚀量可占总侵蚀量的55.3%~65.6%。[结论]坡面水流流速增加和细沟侵蚀发生是导致顺坡垄作坡面土壤侵蚀增加的主要原因。     

黄土区均匀坡面水文模型研究

应用Green—Ampt修正方程及运动波方程,构建了天然降雨条件下的黄土区均匀坡面水文预报模型,并利用野外天然降雨径流实测资料进行了验证。结果表明,总径流量预报相对误差在20%以下,预报径流过程与实测径流过程吻合很好,坡面水文模型可以较好地模拟黄土地区天然降雨条件下的均匀坡面水文过程。同时也指出,应深入研究复杂坡面上的水文预报模型,进一步完善黄土区坡面水文模型。     

典型峰丛洼地坡面土壤水分动态变化的时序分析

采用时间序列分析方法，分析了2004年5～9月广西环江典型峰丛洼地坡面上6种土地覆被类型10，20cm土壤水势与降水动态变化的相关关系。结果表明：（1）灌丛与板栗覆草土壤中的水分较充裕，其含量受天气的波动变化较小，对降水的影响具有缓效性、长期性的特点；（2）坡耕地中水分含量较低，随降雨的波动变化剧烈，但南瓜的地上植株部分对土壤水分的调节保持有积极作用；（3）撂荒草地与木豆土壤水分含量的层间差异都较显著，对降水响应的即时性也强，但撂荒地20cm土层对降水的响应期长些，能保证短时间内向10cm土层的水分补给；（4）处于幼龄期的板栗，土壤水分变化反映的是仅受天气影响下的自然裸露坡地的状况，变化介于灌丛、板栗覆草和撂荒草地、木豆之间。     

雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响

基于人工模拟降雨试验,研究了雨型对东北黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响。根据典型黑土区侵蚀性降雨标准及雨型特征,试验设计了总降雨量相同(降雨量为87.5 mm)的5种不同雨型,即增强型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125 mm/h)、减弱型(降雨过程中降雨强度分布为125-100-75-50 mm/h)、峰值型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125-100-75-50 mm/h)、谷值型(降雨过程中降雨强度分布为100-75-50-75-100 mm/h)和均匀型(降雨过程中降雨强度保持75 mm/h不变),以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°)。结果表明,受前期预降雨的影响,各雨型处理的顺坡垄作坡面径流量差异较小,但坡面侵蚀量存在明显差异,其中峰值型雨型引起的坡面侵蚀量最大,分别是谷值型、减弱型、均匀型和增强型雨型处理下的1.20、1.63、1.78、1.80倍。引起侵蚀量较大的雨型(峰值型、谷值型和减弱型)在典型黑土区天然降雨中出现频次超过70%,这可能是该区夏季顺坡垄作坡面侵蚀作用强烈的重要原因之一。同一降雨强度在不同雨型中出现的时序不同,其产生的径流量和侵蚀量对总径流量和总侵蚀量的贡献率也不相同。除125 mm/h外,同一降雨强度出现在起始阶段产生的侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率显著大于其出现在其他阶段对坡面总侵蚀量的贡献率。     

黄土坡面细沟流土壤侵蚀机理研究

细沟侵蚀是黄土坡面最主要的侵蚀方式之一,土壤剥离过程是细沟侵蚀中的重要环节。采用6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°)、5种流量(8、16、24、32、40 L/min)组合冲刷试验,系统研究了黄土坡面细沟流土壤剥蚀率与水动力学和床面形态的耦合关系。结果表明:土壤剥蚀率与流量、坡度均呈幂函数增加关系,且坡度对土壤剥蚀率的影响更大;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲流速之间存在分区现象,表明土壤侵蚀受到除泥沙粒径外其他因素的影响;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲切应力双对数函数呈线性增加关系,且不存在分区;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲单位水流功率存在分区;土壤剥蚀率随跌坑发育系数的增加呈幂函数增加趋势,而土壤剥蚀率随L/H增加呈幂函数减小趋势,说明床面形态越加复杂、跌坑发育越加成熟,土壤侵蚀就越剧烈。研究结果对细沟水流侵蚀机理的探究具有一定的理论价值,对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。     

黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究

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,为该区水土保持与生态建设提供重要科学依据。该文基于收集分析子洲径流试验站天然非恒定降雨、产流、产沙过程观测资料,应用非线性模拟技术,对黄土坡面降雨产流产沙动态变化过程及响应关系进行了研究,结果表明,黄土坡面累积降雨量随降雨历时的变化过程、累积径流深随产流历时的变化过程、累积侵蚀产沙模数随产沙历时的变化过程、累积径流深变化过程对累积降雨量变化过程的响应、累积侵蚀产沙模数变化过程对累积径流深变化过程的响应均呈现为非线性关系,可分别划分为两种类型,并分别可用扩展S型曲线模型和扩展幂函数模型进行数学描述。     

东北黑土区横垄坡面融雪期细沟侵蚀特征研究

融雪期土壤由于受到融雪径流、冻融作用及未完全解冻层影响,细沟发育有别于降雨期。基于野外实地测量,对东北典型黑土区横垄坡面融雪期细沟侵蚀形态及空间分布进行分析。结果表明,横垄坡面融雪侵蚀产生的细沟主要为顺垄型、断垄型和复合型三种。顺垄型细沟平均长度和宽度较大,深度小于其他两种类型;断垄型细沟平均长度最小且变异程度最低、深度最大;复合型细沟平均长度最大、宽度最小。均匀坡面下部细沟侵蚀量最大,占坡面总量的85%,形态以顺垄型和断垄型细沟为主;坡面中部存在起伏区域,低洼处细沟侵蚀量最大,占坡面总量的64%,三种类型细沟均有发育。融雪期细沟发育的形态受微地形及未完全解冻层等因素影响,细沟分布则主要受坡位及融雪径流量等因素影响。