冻融作用对黑土坡面融雪、风力和降雨侵蚀的影响研究

[目的] 研究冻融作用对东北黑土区坡面土壤侵蚀的影响,可加深对黑土坡面侵蚀过程机理的认识,并为区域侵蚀治理提供重要科学依据。[方法] 以东北黑土区单一侵蚀营力驱动的融雪、风力和降雨侵蚀为对照,通过设计冻融-融雪、冻融-风力、冻融-降雨双侵蚀营力叠加的模拟试验,分析冻融作用对坡面融雪、风力和降雨侵蚀的影响。试验处理包括1次冻融作用、2个融雪径流量(1,2 L/min)、1个风速(12 m/s),1个降雨强度(100 mm/h)和1个坡度(3°)。[结果] (1)冻融作用显著增加坡面融雪、风力和降雨侵蚀量(p<0.05)。与无冻融作用相比,1次冻融作用使坡面融雪侵蚀在1,2 L/min融雪径流下分别增加2 042.9%和777.9%,使风蚀量和降雨侵蚀量分别增加118.0%和74.9%。(2)冻融作用对坡面水蚀(融雪和降雨侵蚀)过程的影响大于对径流过程的影响,且加剧坡面侵蚀过程,使坡面侵蚀活跃期历时增长和侵蚀强度增加;冻融作用也使风力侵蚀的输沙高度增加30%,各高度风蚀输沙量均增加50%以上。(3)冻融作用降低土壤抗侵蚀能力,其使表层土壤密度、土壤抗剪强度、土壤硬度分别显著减小2.5%,22.6%,15.0%。同时,冻融作用使水蚀过程中的坡面水流流速平均增加13.6%~25.0%,水流剪切力平均增加2.3%~81.9%,而阻力系数减小1.6%~20.6%,进而加剧坡面侵蚀过程。[结论] 冻融作用改变侵蚀动力与阻力关系,加剧坡面融雪、风力和降雨侵蚀过程。     

降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀特征的影响

选取3种东北黑土区有代表性的侵蚀性降雨(60,90,120mm/h)和3个典型坡度(3°,5°和7°),采用模拟降雨试验方法,研究不同降雨强度和坡度下黑土区土质道路路面径流量、侵蚀量以及产流产沙过程的变化特征。结果表明:不同降雨强度和坡度试验处理的径流量主要变化于56.3~61.8mm;而路面侵蚀速率随降雨强度和坡度的增加分别增大1.8~11.0倍和1.2~10.0倍,且二者相互促进,共同影响土质道路路面土壤侵蚀。此外,降雨强度对黑土区土质道路路面产流率变化过程的影响明显,而坡度的影响较小。随着降雨强度和坡度的增加,含沙量均明显增大,且波动幅度逐渐增强。可见,降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀影响显著,可以通过消减雨滴动能以及改变路面性质防治道路水土流失。     

降雨和汇流条件下浅沟侵蚀过程试验研究

[目的]探究含沙水流汇入对含有浅沟微地形的裸土和草地坡面的侵蚀产沙过程的影响,为该地区浅沟侵蚀治理提供理论依据,并为坡沟系统的土壤侵蚀模型建立奠定基础。[方法]通过降雨和放水相结合的野外模拟试验和人工建筑的浅沟模型开展研究。[结果]含沙水流汇入裸土浅沟坡面的侵蚀量增加了15%～58%,而对草地浅沟坡面的侵蚀影响不显著,说明草地恢复对于减少由汇流作用的侵蚀具有显著效益。试验条件下裸坡和草地坡面泥沙浓度都在产流开始时达到最大然后逐渐降低,最后达到稳定,然而含沙水流汇入使得泥沙浓度达到稳定所需的时间延长。含沙水流汇入能够显著增加浅沟发育速度,特别是浅沟沟宽和下切深度增加明显,草地恢复可以显著减缓浅沟的下切侵蚀,进而减缓浅沟的发育速度。对于裸土和草地浅沟坡面,含沙水流汇入显著增加了浅沟部位流速,尤其是草地浅沟部位各坡段流速平均增幅达到了55%。[结论]增加含沙水流汇入会显著增加裸坡坡面上的浅沟侵蚀量和浅沟的发育速度,而对草地坡面上浅沟的侵蚀和发育影响不显著。     

东北漫岗黑土区防护林带分布对浅沟侵蚀的影响

东北漫岗黑土区坡耕地浅沟侵蚀非常严重,防护林带体系作为坡耕地的重要组成部分,势必会对浅沟侵蚀过程产生影响。本文以漫岗黑土区黑龙江鹤山农场典型小流域为研究对象,基于Quickbird高精度遥感影像和数字高程模型,结合实地调查结果,对小流域内防护林带的分布规律和浅沟侵蚀规律进行了分析,并探讨了防护林带布局对坡面浅沟侵蚀的影响。结果表明:在横坡耕作的坡面上,临界汇水区范围内林带的个数与临界坡长、临界汇水面积呈显著正相关,即增加林带个数、减小林带间距可以增大临界坡长和临界汇水面积,而研究区防护林带间距过大,大于该区浅沟发生的临界坡长,并且防护林带间断有利于浅沟的发育;同时,坡耕地垄向由于受到防护林带影响而与其走向一致,使垄沟笔直穿过低洼水线,形成局部顺坡垄,间接诱发浅沟侵蚀。因此,通过增加横坡耕作坡面上防护林带个数、缩小林带间距、加强林带的管护和更新,同时对不合理的防护林带进行必要的调整,才能有效防治坡面浅沟侵蚀。     

降雨侵蚀力与东北黑土区典型小流域侵蚀沟发育关系研究

降雨是东北黑土区侵蚀沟发育主要动力因素,土壤、地形、地貌等下垫面因素地域性分异造成降雨对黑土区侵蚀沟发育的影响具有一定差异性,降雨侵蚀力是衡量降雨侵蚀能力的重要指标,与侵蚀沟的发育密切相关,选取3个典型小流域为研究对象,利用差分GPS实地测量获取侵蚀沟2013年雨季发育数据,计算各流域2013年雨季降雨侵蚀力,分析不同流域降雨侵蚀力与侵蚀沟发育的关系。研究发现,降雨侵蚀力对光荣、吉兴流域侵蚀沟发育影响显著,对光荣流域侵蚀沟发育影响相对较弱,平均1 MJ·mm/(hm2·h)降雨侵蚀力造成光荣、吉兴、五一流域侵蚀沟长度增加0.001、0.013、0.025 m,侵蚀沟面积增加0.037、0.02、0.334 m2,侵蚀沟体积增加0.078、0.144、0.154 m3。     

坡度对浅沟侵蚀产沙的野外放水冲刷试验影响

为了研究坡度对坡面浅沟侵蚀产沙的影响,以黄土丘陵沟壑区坡面浅沟为研究对象,选取野外实地坡面14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度和5,10,15,20,25L/min放水流量进行典型野外坡面浅沟径流小区放水冲刷试验,研究坡度对浅沟径流率、产沙率、含沙量、总径流量、总产沙量的影响。结果表明:5,10,15,20,25L/min不同放水流量下,坡度与径流率、总径流量成正相关,既随着坡度增大径流率、总径流量增大;5,10,15,20,25L/min不同放水流量和14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度下产沙率、含沙量和总产沙量随时间变化的规律一致,表现为试验时间内,均出现先增大—到达最大—波动减小—稳定趋势;产沙率、含沙量、总产沙量与坡度的关系表现为产沙率、含沙量、总产沙量随着坡度的增大先增大,达到最大值后减小,最大值出现在26.0°,26.0°的产沙率、含沙量和总产沙量分别为14.0°的1.06~2.87,1.31~2.21,1.08~2.77倍,产沙率、含沙量、总产沙量均存在临界坡度,临界坡度范围为18.5°~29.0°。     

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。     

汇流强度、坡度及侵蚀泥沙颗粒分形对工程堆积体坡面侵蚀的影响

为了探讨汇流强度、坡度和侵蚀泥沙颗粒分形对堆积体坡面土壤侵蚀的影响,选用3种土壤(风沙土、红土、塿土),4个汇流强度(8,12,16,20 L/min),在3个坡度(28°,32°,36°)堆积体坡面上进行野外径流冲刷模拟试验.结果表明:(1)汇流强度和坡度的交互作用对坡面平均流速的影响最大.3种土壤坡面流流速均随汇流...     

黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀影响的试验研究

采用供沙土槽与试验土槽双土槽径流小区的人工模拟降雨试验，研究了不同含沙水流、不同降雨条件下坡面汇水汇沙对浅沟侵蚀过程的影响。结果表明，坡面浅沟侵蚀过程以侵蚀一搬运过程为主，当雨强为64mm／h和116mm／h时，坡面汇水使坡下方浅沟侵蚀产沙量分别增大26．2％～82．5％和23．5％～58．7％，坡面汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量随坡面汇水含沙量的减小和降雨强度的增加而增大。     

土壤结皮对黑土区坡面产流产沙的影响

土壤结皮对坡面产流形成和侵蚀过程有重要的影响。基于室内人工模拟降雨试验,研究了土壤结皮对黑土区坡面产流产沙的影响。结果表明:土壤结皮促使坡面产流提前发生,但对坡面产流量的影响不甚明显;对坡面侵蚀产沙量却有明显的作用。试验条件下,5°坡面有土壤结皮处理的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理减少了54%。有土壤结皮处理的10°坡面,在降雨过程中结皮尚未破坏前,其坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理的对照减少了40%;一旦土壤结皮被破坏,之后的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理的对照增加了46%;在整个降雨过程中,10°有土壤结皮处理的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理增加了16%。表明土壤结皮对坡面侵蚀的影响与地面坡度有密切关系。     

东北漫岗黑土区地形因子对浅沟侵蚀的影响分析

浅沟侵蚀是坡耕地上重要的产沙方式之一,地形是控制其发生及发展的关键因素。通过对东北漫岗黑土区两个小流域的地形因子和浅沟侵蚀进行相关分析发现,浅沟长度、侵蚀体积与坡面长度呈显著相关,与汇水面积也有较好的相关。根据地形临界理论,确定了研究区浅沟和切沟侵蚀发生的地形临界（S-A）关系：SEG=0.052AEG^- 0.148和SG=0.072 AG^- 0.141,可以用来预测小流域内可能发生浅沟侵蚀以及浅沟向切沟侵蚀转变的部位。在地形分析的基础上,建立了预测浅沟长度的回归模型,交叉验证表明模型对单条浅沟长度的预测误差较大,平均误差37%;而预测浅沟总长度效果较好,预测浅沟总侵蚀量与实测值的误差也只有6%。     

坡面降雨侵蚀和径流侵蚀研究

降雨侵蚀过程包括径流侵蚀作用和雨滴打击作用两个方面,传统的单径流小区降雨试验难以区分二者对坡面侵蚀的贡献。通过双土槽人工降雨试验,研究了降雨侵蚀和径流侵蚀的关系及二者对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明;在坡度和降雨强度一定时,坡上方来水量引起坡下方侵蚀产沙量随着上方来水量的增大而增大;在坡度一致和坡面径流量基本相同时,降雨侵蚀产沙量大于供水径流的侵蚀产沙量,降雨强度增大１倍时,坡面侵蚀产沙量增大约５０     

东北黑土区冻融、风力、水力交互作用对坡面侵蚀的影响

多种外营力作用的复合侵蚀是东北黑土区坡耕地的主要侵蚀特征,但目前缺乏冻融、风力、水力之间相互作用对复合侵蚀影响的量化研究.基于此,采用室内冻融模拟、风洞试验和降雨模拟试验相结合的研究方法,分析了前期土壤冻融作用对土壤风蚀以及前期土壤冻融和风力叠加作用对后期坡面水蚀的影响.结果表明,前期土壤冻融作用显著增加了后期坡面的风...     

模拟降雨条件下坡度和降雨强度对桂南崩积体侵蚀产沙的影响

[目的]探究坡度和降雨强度对崩岗崩积体坡面侵蚀产沙特征的影响,为桂南地区崩积体水土流失预测及其防治提供科学依据。[方法]采用室内模拟降雨试验,研究不同坡度(15°,20°,25°)和降雨强度(60,90,120 mm/h)条件下崩积体坡面侵蚀产沙过程。[结果]各坡度条件下,60 mm/h降雨强度时,崩积体坡面侵蚀速率变化过程较为稳定,且侵蚀速率多低于5.0 g/(m²·s),并呈现出一定的下降趋势;90～120 mm/h降雨强度下,侵蚀速率呈先波动增大后波动减小的变化趋势。降雨过程中侵蚀速率最大值随降雨强度和坡度的增大而增大,侵蚀速率最大值出现的时间集中在0～25 min内,且随坡度的增大有提前的趋势。次降雨产沙量(3.64～48.07 kg/m²)随降雨强度和坡度的增大而增大,与降雨强度和坡度之间的非线性回归结果(幂函数)优于线性回归结果。次降雨产沙量与坡度和降雨强度的交互项相关性最为显著,二者呈极显著线性函数关系。[结论]次降雨产沙量对降雨强度的敏感系数要高于对坡度的敏感系数,降雨强度对次降雨产沙量的影响强于坡度,崩积体侵蚀防治中建议做好...     

植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀影响的研究

运用野外实测资料,分析研究了子午岭林区植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀的影响。所得结论为:一旦植被恢复,坡面浅沟沟槽部位发生泥沙淤积,其淤积速度为0.5cm/a;浅沟沟槽部位淤积,坡面横向起伏减少,坡面向平直方向发展。人为破坏植被后的开垦地,坡面浅沟侵蚀急剧发展,浅沟侵蚀量为4400～7600t/（km²·a）,占坡面侵蚀量的47%以上;当年新冲刷的浅沟沟槽宽为20～80cm,深度为10～30cm;开垦3年裸露地与林地相比,浅沟沟槽深度增加40～60cm;浅沟沟头前进速度为3～5m/a,浅沟深、宽、长的逐年发展,坡面横向起伏加大,片蚀和细沟侵蚀随之加大,又促使了浅沟侵蚀的加剧。     

降雨强度和坡度对黑土坡耕地团聚体流失特征的影响

为量化雨强和坡度对团聚体流失特征的影响,以黑土坡耕地表层土壤(0—10 cm)为研究对象,采用室内模拟降雨的研究方法,对比了不同雨强(78,127 mm/h)及坡度(2°,4°,6°)下团聚体流失特征,并计算了雨强和坡度对团聚体流失量的贡献率。结果表明：(1)相同雨强条件下,团聚体流失总量随坡度的增加显著增加0.70～1.42倍;相同坡度条件下团聚体流失总量随雨强的增加在坡度4°和6°时分别显著增加1.94,2.41倍。雨强是团聚体流失总量的主要影响因子,贡献率为52.44%;(2)随坡度增加,流失团聚体MWD显著减少,D值仅在雨强78 mm/h时显著增加;随雨强增加流失团聚体MWD,D无显著差异;(3)随坡度增加,粒径5～1,1～0.25,0.25～0.053 mm团聚体流失量呈先增加后减少的趋势,粒径<0.053 mm团聚体流失量显著增加。随雨强的增加,小粒径团聚体流失量呈增加趋势,大粒径团聚体流失量仅在高坡度条件下明显增加;(4)雨强是粒径1～0.25,0.25～0.053,<0.053 mm团聚体流失量的主要影响因素,贡献率为27.42%～47.09%;坡度是粒径5...     

不同降雨强度下地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下地面坡度对红壤坡面产流过程和侵蚀过程的影响,结果表明,红壤坡面起始产流时间随坡度的增加有所提前,但不明显,坡面起始产流时间的早晚主要受降雨强度控制;坡面径流量随雨强的增大而增大,随坡度的变化比较复杂,在雨强为50mm/h时,径流量随坡度的增加而减小,在雨强为75mm/h时,径流量随坡度的增加先增大后减小;不同降雨强度下各坡度的侵蚀产沙率都是在降雨初期急剧上升,随后以指数下降,形成一个向左倾斜的曲线。坡度对坡面侵蚀产沙的影响随雨强的增大而增强;红壤坡面土壤侵蚀量随雨强的增大明显增大,随坡度的增加,在50mm/h小雨强时呈现先增加后减小的变化趋势,在坡度20°附近存在临界坡度;在75mm/h雨强下,侵蚀量随坡度增大而增大。     

黑龙江省山丘区坡耕地最小侵蚀坡度研究

黑龙江省黑土区是我国重要的商品粮基地,长期以来,由于不合理地开发利用,水土流失严重.耕地黑土层的流失将给国家的粮食安全带来重大隐患,严重影响国民经济与社会的可持续发展.因此,如何提高黑龙江省山丘区坡耕地的粮食产量,对确保我国粮食安全将起到至关重要的作用.在明确黑龙江省山丘区容许土壤流失量等指标的基础上,运用黑龙江省土壤流失方程,研究确定了黑龙江省山丘区耕地最小侵蚀坡度,在此基础上,依靠遥感和地理信息系统技术,综合运用GIS数据库合成、分析、统计查询和数理统计等方法,得出了黑龙江省山丘区坡耕地侵蚀面积,为后续分类治理奠定了基础.     

不同坡度下掺沙对黑土坡面径流侵蚀特征的影响

黑土区野外考察发现,当地农民通过土壤掺沙的方法改良土壤质地,以提高作物产量。鉴于此,基于人工模拟降雨试验,探究东北典型坡度(3°,5°和7°)条件下掺沙比例(0,10%,20%和30%)对黑土坡面径流侵蚀特征的影响,以期为东北农业生产和土壤侵蚀防治提供科学依据。结果表明:掺沙比例对坡面径流特征的影响较坡度更加明显;随着坡度的增加,掺沙比例对径流特征的影响增大。随着掺沙比例的增加,平均径流流速从5.2～5.3 cm/s减小到2.7～3.4 cm/s,产流率和径流量逐渐减小,掺沙30%时达到最小值。产沙率随掺沙比例和坡度的增大呈先增加再减小的变化。侵蚀量随掺沙比例增大变化显著,呈先增加后减小的变化,在掺沙10%和20%时较大。可见,土壤掺沙(20%)在减小坡面径流量的同时,亦能增加坡面土壤侵蚀量。从水土保持角度分析,掺沙处理不利于防治黑土坡面土壤流失,但是综合考虑其生态经济效益,适度掺沙能够作为一种黑土区坡耕地农业技术措施。     

未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响

春季解冻期土壤侵蚀受未完全解冻层影响较大,以东北黑土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析未完全解冻层对土壤侵蚀总量及侵蚀速率的影响.结果表明:在所选水平内,低含水率黑土侵蚀总量随着初始解冻深度增加而减少;高含水率黑土在h=10mm水平上侵蚀总量最大;侵蚀速率均呈现先增大后减小的变化趋势,在20min降雨时间内,总会出现一个侵蚀速率峰值,不同初始解冻深度峰值出现时间并不完全相同;当h=5mm和h=10 mm时,未完全解冻层阻水作用都比较明显,侵蚀量差异主要在试验初始阶段,也就是说,土壤含水率只是在试验最初阶段起着一定作用,随着入渗量增多,土壤逐渐达到饱和,二水平之间侵蚀量差异较小,相反这一阶段未完全解冻层隔离作用被充分体现.