玉米茎秆汁液防治坡面土壤侵蚀的室内模拟试验

该文通过室内人工模拟降雨试验,研究了地表施加玉米茎秆汁液对降雨产流产沙强度的影响,旨在探索玉米茎秆汁液是否可以作为土壤改良剂来减少产流产沙强度。试验设计了2种玉米茎秆汁液的施加量(400和800 g)、4种施加浓度(10%、25%、50%和75%)和4种降雨强度(50、25、75、100 mm/h)。结果表明,各施加浓度和施加量的玉米茎秆汁液都能够减少降雨产流产沙强度,且相同条件下的产沙强度减小程度大于产流强度减小程度。当玉米茎秆汁液的施加量为400 g时,随着施加浓度从10%增加至25%、50%和75%,减流百分比分别为31.243%、31.685%、34.595%和39.475%,减沙百分比分别为23.167%、41.993%、37.918%和64.606%;当玉米茎秆汁液的施加量为800 g时,随着施加浓度从10%增加至25%、50%、75%,减流百分比分别为37.583%、56.433%、63.170%和76.360%,减沙百分比分别为48.214%、77.219%、88.572%和95.539%。当施加量和降雨强度相同时,产流产沙强度与施加浓度之间呈显著的指数函数递减关系,产沙强度随降雨强度的变化呈显著的幂函数递增关系。当施加量为400 g时,各施加浓度下的产流强度与降雨强度之间呈显著的线性函数递增关系,当施加量为800 g时,各施加浓度下的产流强度随降雨强度呈显著的指数函数递增关系。研究为水力侵蚀的防治提供了新思路,为水蚀荒漠化的防治提供了新方法。     

玉米茎秆汁液对土壤的减水减沙效益及其机理

为研究土壤改良剂玉米茎秆汁液对中国西部地区水土流失的影响和机理,该文通过室内土壤理化性质测定和人工模拟降雨试验,研究了地表施加玉米茎秆汁液对土壤团聚体的平均重量直径、土壤有机质质量分数和土壤减水减沙效益的影响。试验以未施加任何玉米茎秆汁液的黄土坡面为对照,设计单位面积玉米茎秆汁液施加量1 041.7 mL/m2,施加汁液体积分数25%和50%,降雨强度为50 mm/h,研究玉米茎秆汁液施加对土壤减水减沙的影响。结果表明,玉米茎秆汁液的施加可以增加土壤有机质的含量,提高土壤团聚体的平均重量直径,降低产流产沙速率。对照、体积分数25%和50%汁液施加下的土壤团聚体平均重量直径分别为0.18、0.46和0.51 mm,土壤有机质质量分数分别为5.70%、6.75%和7.17%。较对照,体积分数25%和50%汁液施加下,土壤的减水效益分别为45.81%和48.34%,减沙效益分别为65.00%和75.47%。玉米茎秆汁液的减水减沙效益随时间的推移而降低,月均减水、减沙效益降低量约为1.25%和1.41%,研究中施加体积分数25%和50%汁液的土壤减水减沙效益约可持续3和4.5 a。综上,玉米茎秆汁液作为土壤改良剂在施加量为1 041.7 mL/m2时,茎秆汁液与水的体积比为1:1时,效果较好。该研究可以为将玉米茎秆汁液作为土壤改良剂用于土壤侵蚀的防治提供施放参考。     

玉米秸秆覆盖对坡面产流产沙过程的影响

通过室内土槽模拟试验,研究不同降雨条件下玉米秸秆覆盖对沙坡地产流时间和产流产沙过程的影响。处理分为8种降雨强度和5个水平的秸秆覆盖度:0、15%、30%、60%和90%。40组模拟降雨结果表明:华北保护性耕作研究区域沙壤土条件下的产流时间与降雨强度符合幂函数关系;秸秆覆盖能延缓地表径流的产生,自然降雨(雨强10~80 mm/h)过程中,15%、30%、60%和90%秸秆覆盖较无覆盖分别推迟产流时间1.0~15.4、2.1~22.1、3.4~48.2和5.9~73.6 min;秸秆覆盖对地表径流和产沙影响显著,降雨历时1 h,30%秸秆覆盖减少径流总量17.9~/o~38.7%,减少产沙总量34.1%~48.0%0 30%秸秆覆盖水土保持效果显著,考虑到过多的秸秆覆盖(80%)会造成播种机堵塞,所以在保护性耕作研究实践中,建议保持30%~60%(1 400~3 100 kg/hm~2)的玉米秸秆覆盖,以达到较好的水土保持效果和播种质量,该研究可为保护性耕作研究区域适宜的玉米秸秆覆盖量提供依据。     

交替冻融对坡面产流产沙的影响

冻融作用使土壤更容易成为侵蚀的物质来源,进而加剧土壤侵蚀程度。为了揭示冻融作用对坡面土壤水蚀的影响,该文通过室内交替冻融循环试验和人工模拟降雨试验,研究了交替冻融作用下坡面的降雨产流产沙特征。试验以未经过任何冻融作用的风干土壤为对照,设计了2种交替冻融循环周期处理(3和6)、2种土壤质量含水率水平(10%和20%)、4种降雨强度(25、50、75、100 mm/h)。结果表明,相对于对照,降雨强度相同时,2种土壤含水率下的交替冻融作用都可以使产流产沙强度增大,且产沙强度的增大幅度大于产流强度。交替冻融循环周期相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随含水量的增加而增加。质量含水率相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随冻融循环周期的变化相对较为复杂,当质量含水率为10%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而增大,当质量含水率为20%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而减小。当质量含水率为10%,交替冻融循环周期为3和6时,增流百分比分别为3.52%、4.71%,增沙百分比分别为6.13%、16.95%。当质量含水率为20%,交替冻融循环次数为3和6时,增流百分比分别为10.24%、5.01%,增沙百分比分别为81.99%、53.07%。相同降雨强度下,土壤质量含水率对产流产沙强度的影响大,交替冻融作用对产流产沙强度的影响小。该研究为冻融侵蚀机理的研究提供参考依据。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响

秸秆覆盖是防治水土流失最有效的措施之一。该文通过模拟降雨（降雨强度为60 mm/h,降雨历时1 h）研究坡耕地在不同土壤初始含水率状态下秸秆覆盖变化对产沙过程的影响。试验地位于中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为耕作铝质湿润淋溶土,试验小区为12 m×3 m,坡度为9%。处理分为5个水平的覆盖度（0、15%、30%、60%和90%）和2种土壤初始含水率（干态和湿态）。结果表明,在0、15%、30%、60%和90%覆盖度下,干态土壤平均产沙速率依次为24.5、15.8、10.4、11.2和1.0 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内略微增大。湿态土壤条件下平均产沙速率依次为115.6、70.0、49.6、34.8和31.9 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内下降明显。0、15%、30%、60%和90%覆盖度下平衡时产沙速率依次为52.5、30.5、22.8、19.8和15.4 g/(m2·h)。另外,5个水平的覆盖度中,30%的花生秸秆覆盖降低不同前期含水率下土壤产沙速率50%以上。因此,不同前期含水率情况下土壤产沙速率对秸秆覆盖度变化的响应非常明显,30%秸秆覆盖具有较为经济的水土保持效果。     

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。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28．7％,70．4％和37．1％。     

降雨产沙资料整理方法对两者关系的影响

合理的水土流失资料整理方法是挖掘数据内在规律的基础,通过采集江西省赣县花岗岩次生马尾松林地不同植被恢复类型小区2010—2011年2 a的降雨产沙资料,研究了4种整理方法对降雨产沙关系的影响。结果表明:加大资料整理的时间尺度和降雨间隔时间,可以显著提高降雨产沙之间的相关性,同时整理方法对拟合曲线的性质产生影响,综合考虑拟合优度和曲线性质的一致性,可以采取周晴方法的幂函数来描述不同类型小区降雨产沙之间的内在关系;植被恢复减弱了产沙速率,随着降雨量的增加,纯林小区的产沙速率下降,百喜草恢复小区变化缓慢,低郁闭度胡枝子恢复小区增加迅速,因此侵蚀严重的林地应首先实施草本植被恢复,逐步实现乔灌草生态结构恢复。     

人工模拟降雨供水水质对坡面产流产沙的影响

利用黄土高原2种典型的土壤类型(黄土和塿土),在2个降雨强度(45.5,95.5mm/h)和2个坡度(8.7%,25.9%)条件下进行了人工模拟降雨试验,研究了3种水质(去离子水、自来水、盐水)对坡面产流、产沙过程的影响。结果表明,2种土壤类型的产流过程差异显著,黄土条件下去离子水最先产流,但产流速率小于自来水与盐水;而塿土条件下去离子水的产流速率始终最大,自来水与盐水由于离子数量相当,产流速率差异较小。水质主要通过地表结皮的形成与发育影响径流,以总降水量45.5mm为例,径流深随供水电导率的增大而减少,与去离子水相比,黄土条件下自来水和盐水的径流分别减少了5.7 mm和1.5mm,而塿土条件下分别减少了7.2mm和9.8mm。受产流过程的影响,不同供水水质条件下产沙过程不一,产沙速率与产流速率变化同步。2种土质条件下产沙量均是去离子水最大,与去离子水相比,自来水和盐水分别减少了45.9%,35.8%(黄土)和65.6%,68.3%(塿土),结果显示模拟降雨水质会显著影响坡面产流产沙过程,为保证试验数据的准确性和可对比性,建议在进行人工降雨相关试验时均采用去离子水。     

黄土坡耕地径流水力学参数与侵蚀产沙的模拟

为了明确连续降雨条件下黄土坡耕地微地形的径流产沙及水力学特征,基于4种坡度(5°,10°,15°,25°)、4种耕作方式(直线坡、人工锄耕、人工掏挖、等高耕作)和2种雨强(60mm/h,120mm/h)的组合,通过室内模拟连续90min降雨试验,对不同坡面的径流泥沙特征和水力学参数进行了定量分析和计算。结果表明:4种耕作措施的径流量和产沙量均遵循一致的规律,从大到小均为直线坡人工锄耕人工掏挖等高耕作,直线坡的径流量和产沙量分别是等高耕作坡面的2倍和2.3倍,其水土保持效应依次增强;相同耕作方式下,与60mm/h雨强相比,120mm/h雨强下的径流量由1.04kg/min增大到3.02kg/min,雨强对径流量的影响显著;径流量和泥沙量随时间均呈现对数变化趋势;相同降雨历时下,坡面流随雨强和坡度的增大,从层流和缓流向紊流和急流发展,加剧了水土流失。耕作方式、雨强和坡度是影响黄土坡耕地侵蚀产沙过程及水力学特征的重要因素。因此,通过实施有效的保护性耕作、削弱坡度效应将有助于黄土坡耕地的水土保持。     

四川黄壤区玉米季坡耕地自然降雨及其侵蚀产沙特征分析

为明确玉米全生育期自然降雨特征以及坡耕地产流产沙规律,以研究区自然降雨为基础,采用野外径流小区和室内分析相结合的方法,分别对横坡垄作、平作和顺坡垄作坡面玉米全生育期(苗期、拔节期、抽雄期和成熟期)的自然降雨、径流及侵蚀产沙量进行了测定。结果表明:研究区2015年玉米全生育期内雨量为676.71mm,其中成熟期侵蚀性雨量达411.71mm,占累计侵蚀性雨量的69.85%。玉米全生育期内,产流受雨量、玉米生育期显著影响,横坡垄作产沙受雨量、雨强的影响显著,而平作和顺坡垄作则受雨量、株高的影响显著;产流产沙均随玉米生育期的推进逐渐增加,且产沙受产流影响显著,横坡垄作和平作含沙量先减小后增加再减小,而顺坡垄作则先减小后增加;抽雄期横坡垄作产流显著小于顺坡垄作而产沙显著小于平作和顺坡垄作,成熟期横坡垄作产流产沙显著小于平作和顺坡垄作。研究区自然降雨条件下,雨量是影响黄壤坡耕地产流产沙的最主要因子,产沙滞后于产流;玉米成熟期土壤侵蚀最为严重,横坡垄作是防治研究区水土流失的有效途径,研究成果为山地黄壤水土流失有效防控与农业的可持续发展提供理论参考。     

扰动土与原状土侵蚀产沙规律研究

采用野外模拟降雨试验,对扰动土与原状土的土壤侵蚀规律进行了研究。结果表明,原状土坡面含沙量呈先下降后波动的过程,扰动土径流含沙量在坡度5°,11°时均呈上升-下降后波动的过程。在坡度相同,雨强相近的情况下,扰动土坡面径流含沙量大于原状土。前期原状土产沙量大于扰动土,后期扰动土产沙量大于原状土。扰动土产沙量大于原状土的时间点随着坡度的增加而提前。产沙速率达到稳定后,扰动土产沙速率大于原状土,差距随着坡度的增大而增大。     

香根草植物篱带宽对紫色土坡地产流产沙的影响

为研究植物篱篱带宽度对紫色土坡地产流产沙过程的影响,寻求有效控制水土流失的最优植物篱带宽度,采用人工模拟降雨试验对3种篱带宽度(20,30,40cm)、不同雨强(30,60,90mm/h)下的紫色土坡地产流产沙过程进行研究。结果表明:(1)植物篱能有效延缓紫色土坡面产流时间,坡面产流量与篱带宽度能拟合为二次方程(R2=0.99)。随篱带宽度的增大,流速减小,且篱带内部的流速下降最明显,流速变化曲线波动幅度变小。(2)植物篱在产沙过程前期有效抑制坡面产沙量的增长,坡面产沙量随篱带宽度的增大而减少,且当雨强为30,90mm/h时,二者拟合的二次方程R2达到0.99。(3)篱带宽度对产流、产沙量的影响均为极显著。30mm/h雨强下、宽度为30cm的篱带可达到显著的减流减沙效益,是能有效控制水土流失的最优植物篱带宽度。     

磁性示踪条件下坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征

在10°,15°,20°坡面上布设磁性示踪剂,通过模拟降雨(60mm/h)研究坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征。结果表明,随着坡度增大,坡面产流、产沙量递增;坡面坡度越大,达到稳定产流、产沙的时间点越靠后。10°坡面土壤磁化率降幅以上坡位最大,中坡位其次,下坡位最小;随着坡度增大,坡面土壤磁化率降幅以下坡位最大,中坡位其次,上坡位最小。坡面磁化率变化表明,10°坡面上坡位受到的土壤侵蚀最严重,在15°和20°坡面下坡位土壤侵蚀强度加大。     

蚯蚓粪对黄土区坡耕地径流产沙和硝态氮流失特征的影响

蚯蚓粪对土壤入渗和水稳性团聚体组成均有显著影响,通过在黄土区空闲农田坡耕地试验小区采用混施和层施的方式分别施入0,200,400,600,800 g/m^2 5个不同梯度的蚯蚓粪,研究其对降雨条件下坡面径流泥沙和养分流失的调控作用。结果表明:(1)2种施加方式均有效延缓了产流起始时间,且层施800 g/m^2处理下的产流起始时间较CK推迟了3.88 min,延缓效果最为明显;(2)层施800 g/m^2处理下可以显著减小产流前期的径流增大速率,并推迟进入稳定入渗阶段的时间,累积径流量随时间的变化均可以很好地用幂函数描述;(3)混施和层施800 g/m^2的2种处理下,稳定产沙率分别较CK显著减小79.61%和86.74%;累积泥沙量随时间变化均可以用幂函数描述,且初始产沙率均随蚯蚓粪施加量的增大呈显著减小趋势。(4)较混施而言,层施可以显著减小径流中硝态氮的浓度,且施加量越大,效果越明显。总之,蚯蚓粪施入均会对黄土区空闲坡耕地水土养分流失起到一定的调控作用,当施加量较大且施加方式为层施时,可以起到良好的保水控沙控肥效果。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

黄土坡面细沟发育过程及侵蚀产沙特征研究

研究细沟发育及其产沙特征对细沟侵蚀预报模型至关重要.采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,在不同坡度(10°,15°,20°,25°)和不同雨强(1.5,2.0 mm/min)条件下,研究了细沟的发育过程,并讨论分析各发育阶段产沙特征及其影响因素.结果表明,根据坡面含沙量与细沟形态的变化特征,细沟侵蚀过程可划分为面蚀、细沟雏形、细沟发育、细沟调整4个阶段;各阶段的侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例均不同,其中细沟发育阶段最大,约占总侵蚀量的40％;各阶段持续时间随着坡度的改变而改变;雨强增大对细沟间与细沟流速有促进作用,细沟流速为细沟间流速的0.75～1.77倍;坡面侵蚀速率受雨强与坡度的影响很大,在同一坡面上细沟流速与侵蚀速率的关系更紧密,但二者的定量关系有待进一步探索.     

(土娄)土坡面降雨水沙运移实验研究

黄土高原是我国植被破坏与水土流失最为严重的地区。本文基于室内坡地降雨实验,分析了塿土坡面降雨入渗补给系数的变化,对比了不同雨强影响下径流泥沙含量和累积泥沙含量的时间变化趋势,并将侵蚀与入渗结合,分析了同时段产沙量和入渗率的变化关系,研究表明:入渗补给系数随雨强增大而逐渐减小,两者可描述为线性关系,雨强越小,入渗补给系数越高;降雨初始产沙值最大,在产沙10 min内变缓。雨强大的,初始产沙量和稳定沙量都稍大,但总体差异不大,产沙量分布曲线形状与入渗率曲线极为相似;不同雨强下累积泥沙量与降雨历时之间存在明显的幂函数关系,且幂函数的指数部分基本随降雨雨强增加而逐渐增加;不同雨强下入渗率和累积泥沙量的变化趋势相反,当累积泥沙量增加,相应的土壤入渗率减小,两者变化趋势随雨强增大而趋于明显。