煤矸石填充对沟道导排水性能和土壤肥力及重金属污染的影响

为探寻适合东北黑土区侵蚀沟复垦的技术方法,该文研究了一种基于复垦后导排水能力最大的侵蚀沟煤矸石填充复垦技术方法,通过模拟一定深度的沟道、应用响应曲面法探究覆土和煤矸石填充厚度的变化对于复垦沟道导排水性能的影响及最优厚度搭配组合预测。同时引入土工布并考察土工布对煤矸石淋溶过程中重金属的隔绝作用。选择一条用煤矸石填充复垦4 a后的侵蚀沟,在耕层(0～20 cm)进行土壤肥力以及重金属污染情况的调查研究。结果表明:1)土层厚度增加减弱沟道导排水能力,混合粒径、大粒径煤矸石层厚度增加增大沟道导排水能力,土层与大粒径煤矸石层组合存在交互作用。覆土、混合粒径及大粒径煤矸石层厚度分别为53.42、38.51、90 cm时,模拟2 m深沟道导排水能力最强。2)沟道复垦4 a后,容重增加、酸度改善、全磷含量持平于对照土壤,全氮、全钾及有机质含量显著低于对照土壤。综合肥力小于对照土壤,略高于黑龙江省第二积温带的土壤综合肥力。3)复垦土壤Pb含量持平于当地对照土壤及背景值,Cr、Cu含量高于当地对照土壤及背景值,但均未超过环境质量二级标准值,3种重金属存在轻度污染及富集现象。研究结果可为土地整理规划提供一定借鉴。     

黄土丘陵区小流域分布式水文和侵蚀模型建立和模拟

基于黄土丘陵区复杂地理环境和土壤侵蚀物理过程,建立了水文过程和侵蚀过程数学模型,水文过程包括降雨入渗和产汇流计算模型;侵蚀过程包括溅蚀-片蚀带侵蚀子模型、梁坡中上部细沟侵蚀带侵蚀子模型、梁坡中下部细沟-浅沟侵蚀带侵蚀子模型、切沟侵蚀带侵蚀子模型、沟道侵蚀带侵蚀子模型;选择黄土丘陵区黑矾沟小流域10场侵蚀性降雨事件作为参数率定,其径流量和侵蚀量模拟精度分别达到了81.8%和70.8%;纸坊沟小流域2场侵蚀性降雨事件用来对模型进行检验,其径流量和侵蚀量模拟精度分别达到了75%和69.3%,与实测结果基本符合,较好地反映了小流域的地表径流过程和侵蚀产沙过程。     

东北侵蚀沟蜂格式生态砖砌护坡治理技术

侵蚀沟是东北黑土区水土流失的最严重表现和最突出危害,沟坡治理是控制沟坡崩塌和沟体扩张的关键。针对东北黑土区大中型切沟沟坡治理和植被恢复的需求,构建了蜂格式生态砖砌护坡治理技术。该技术主要由蜂格式护坡构件、坡脚防护构件、沟底排水基石和植生袋等4个部分组成,将以生态砖为主的工程措施和蜂格内的植物措施有机结合,使坡面降雨高效入渗,多余径流有效调控,防止了径流汇集对坡面的直接冲刷,使侵蚀沟坡面得到了有效治理。该技术适用于东北黑土区侵蚀沟沟坡崩塌、沟体扩张的防治与植被恢复,从而保护黑土地耕地资源,技术应用后沟坡侵蚀、崩塌完全控制,水土流失减少95%以上,减少沟底冲刷90%,较传统生物护坡措施显著提升沟坡植被恢复速度与效果,应用当年植被覆盖面可达70%以上。工程后期运行稳定,管护成本低,可长期稳定发挥防治效果,实现生态治理。     

秸秆还田阻控黑土侵蚀机理及效应

东北黑土区土壤侵蚀强烈发育,导致黑土地严重退化,直接威胁区域生态安全和国家粮食安全。秸秆还田是黑土区广泛采用的保护性耕作措施,具有明显的阻控土壤侵蚀、抑制土壤退化、提升退化黑土地生态生产功能的作用。本文在系统分析秸秆还田阻控细沟间、细沟、浅沟与切沟侵蚀机理,综合评价秸秆还田水土保持效应的基础上,提出了未来研究亟待加强的重点内容。秸秆还田阻控侵蚀的机理与侵蚀类型直接相关。秸秆覆盖消减降雨动能、抑制土壤物理结皮发育、维持土壤入渗性能、增加地表随机糙率、降低坡面径流流速、减小径流挟沙力和剪切力,是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的直接作用。秸秆分解改善土壤理化性质、促进团聚体发育并提升其稳定性,引起作物生长特性变化,导致细沟间土壤可蚀性和细沟土壤可蚀性降低,土壤临界剪切力增大,是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的间接作用。尽管秸秆还田阻控浅沟和切沟侵蚀的作用不如细沟间和细沟侵蚀那样直接,但仍可通过减小集水区径流侵蚀动力来降低浅沟和切沟发育风险。秸秆还田具有显著的水土保持效应,减流和减沙效益分别为28.0%~95.1%和40.3%~99.7%。但受不同试验条件差异的影响,研究结果可比性较差。未来亟需加强秸秆还田增加地表糙率与径流阻力、降低径流挟沙力水力学机理,土壤抗蚀性能对秸秆还田驱动土壤理化性质变化的响应机制,秸秆还田水土保持效应受土壤类型与坡度的影响及主控因素,秸秆还田阻控侵蚀的长期效应与空间分异,以及秸秆还田技术影响土壤侵蚀过程与机理等研究,为遏制黑土地退化、维持黑土区生态安全、保障国家粮食安全提供理论和技术支撑。     

腐解秸秆和脱硫石膏添加对苏打盐渍土淋洗脱盐效率的影响

苏打盐渍化土壤胶体吸附大量交换性Na~+,造成土壤团聚体崩解,粘粒分散,阻塞土壤孔隙。改良苏打盐渍土需两步:一是提供钙源替换交换性Na~+,二是排出盐分。本文研究了腐解玉米秸秆和脱硫石膏不同改良组合对苏打盐渍土淋洗脱盐效率影响。结果表明,所有改良处理均能改善土壤入渗,入渗速率大小为:脱硫石膏脱硫石膏+腐解秸秆腐解秸秆对照;含脱硫石膏处理显著提高土壤饱和导水率(Ks),在短时间内腐解秸秆处理不能改善土壤导水性,在70 d后才有效果;腐解秸秆处理土壤含水率最高,材料保水性好;淋出液化学性质显示,各改良处理均能促进钠离子的淋洗;土壤化学性质显示,淋洗后各处理土壤盐分均显著下降;脱硫石膏和脱硫石膏+腐解秸秆处理与对照相比,土壤pH降低更显著;各改良处理土壤可溶性钠离子含量显著低于对照,并且土壤中可溶性钙镁等二价阳离子显著高于对照;各改良处理土壤钠吸附比(SAR)均显著低于对照组。     

西柳沟流域拦沙坝沟道冲刷减蚀能力模拟

为探讨风水交错侵蚀区拦沙坝建设对流域沟道侵蚀动力过程及沟道冲刷侵蚀能力的影响,通过分布式水文模型MIKE SHE以及一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了西柳沟流域洪水过程,分析了新建拦沙坝建设前后流域沟道侵蚀动力变化,通过建立流域次暴雨水沙响应模型估算了新建拦沙坝工程运行期内的沟道冲刷减蚀能力。结果表明：(1)拦沙坝建成后,流域出口处洪峰流量减少40.90%,洪水总量减小35.85%,显著改变了西柳沟流域洪水过程,洪水过程线明显坦化;(2)流域主沟道平均最大流速、最大径流剪切力和最大径流功率分别减小21.66%,22.02%和34.31%,有效降低了沟道侵蚀动力;(3)在多年平均降水情况下,预计流域新建拦沙坝工程在25年工程运行期内的冲刷减蚀能力可达到3 309.49万t。研究结果可为风水交错侵蚀区拦沙坝减蚀能力评估提供理论支撑。     

乡村振兴背景下灾毁耕地复垦潜力研究——以重庆市北碚区为例

为探究乡村振兴背景下灾毁耕地复垦潜力,推进乡村振兴战略,以重庆市北碚区灾毁农用地为例,野外调查灾毁农用地的数量、分布和类型,总结研究其现状特点,并构建灾毁耕地复垦潜力评价指标体系,对灾毁耕地进行复垦潜力评价研究。结果表明:Ⅰ级潜力类型的灾毁耕地经过相应的复垦措施,能够恢复成优质农田;Ⅱ级潜力类型的灾毁耕地有较好的农业发展基础,可因地制宜发展本地蔬菜种植;Ⅲ级潜力类型的灾毁耕地大多数地表破坏程度较严重,灌溉条件难以保证并且排水设施不健全,可适度发展牧草业;Ⅳ级潜力类型的灾毁耕地改造难度大,限制性因素较多,几乎不能复垦为耕地,可适度发展林业。研究表明,北碚区灾毁耕地复垦虽然受到一定因素限制,但该区降水充足、土壤水分状况较好、有机质含量较丰富,农业生产潜力较大。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

黄土高原典型小流域侵蚀沟形态和稳定性监测初探

[目的]在黄土高原地区选择6条典型小流域,开展侵蚀沟形状特征、发育程度、形态变化等监测,对侵蚀沟稳定性进行分析,初步构建侵蚀沟稳定性评价指标体系。[方法]在雨季前后2次对6条典型小流域主沟道代表性断面、支毛沟代表性断面、支毛沟的沟头进行亚米级精度测量。[结果]获得了6条典型小流域各等级侵蚀沟数量和各流域沟道主断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头变化数据,并对其进行了分析。初步构建了侵蚀沟稳定性评价指标体系。[结论]影响沟道形态变化的因素基本总结为:降水因素、水保措施、植被覆盖因素、汇水面积、坡度、地表组成物质等。     

植物篱对坡耕地侵蚀沟发育的影响研究

侵蚀沟严重影响黑土区坡耕地的质量和数量,植物篱为无间断式或接近连续的狭窄带状植物群,具有分散地表径流、降低流速、增加入渗和拦截泥沙等多种功能。是坡耕地治理的优良水土保持措施。通过试验表明,植物篱在保持水土的同时,增加了土壤有机质,改善土壤结构和理化性质,提高了土壤抗冲抗蚀性能,蓄水能力的增强,减少了地表径流,减轻了坡耕地较大侵蚀沟发生的可能性。     

东北黑土区沟道侵蚀现状及其防治对策

沟道侵蚀是土地退化最严重的表现形式,东北黑土区是中国除黄土高原外沟道侵蚀最为严重的区域,沟道侵蚀严重威胁东北区域农业生产和生态环境。该研究基于多年的研究积累,结合国家侵蚀沟治理专项调查和国家重点研发计划项目研究成果以及已有文献,系统总结归纳了东北黑土区沟道侵蚀特征、发展演变趋势及其危害;梳理出现有侵蚀沟治理措施的成功经验及失败教训,凝练提出区域侵蚀沟防治目标及4种主要侵蚀沟治理模式,并给出了适用范围及条件;同时提出了新时代东北黑土区侵蚀沟防治对策建议。该研究为区域现代农业发展和生态文明建设决策以及沟道侵蚀治理工程的实施提供了科技支撑。     

土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用及其评价趋势展望

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层质量退化和土壤生产力不稳定的关键驱动因素。该文从水蚀区坡耕地侵蚀控制和生产功能角度,在解析地块尺度土壤侵蚀、水土保持、农业活动对坡耕地耕层生态过程作用特征的基础上,系统分析了土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用、影响效应及作用途径。认为:1)坡耕地耕层质量变化由降雨侵蚀、耕作活动交互作用的生态过程决定,2种作用的时间、空间尺度不同;耕层土壤参数在坡耕地农业生产中作用分为保水、保土、保肥和增产潜力,由地块尺度农作物-耕层耦合效应决定土壤生产能力、坡耕地水土流失特征及耕层侵蚀性退化方向及程度。2)土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用表现为土壤性质恶化、土壤质量劣化、土地生产力衰退3个方面,耕层土壤物理性质变异程度大于化学性质变异,径流作用导致的土地生产力衰退大于土壤流失作用。3)坡耕地耕层质量评价指标体系应兼顾侵蚀下降、产量提升2个目标,地块尺度诊断指标有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性可作为合理耕层评价最小数据集;坡耕地合理耕层适宜性分为5级,其诊断指标分级标准宜与土壤侵蚀分级和耕地地力分级衔接。4)坡耕地合理耕层评价未来应密切关注耕层质量诊断指标最小数据集、坡耕地合理耕层阈值/适宜值分级标准、坡耕地水土流失阻控标准拟定3个主要方向。研究可为深入认识坡耕地侵蚀性退化机制,辨识坡耕地合理耕层调控途径以及坡耕地合理耕层构建技术参数提供依据。     

冲刷条件下黄土丘陵区浅沟侵蚀形态及产流产沙特征

浅沟是农耕区特有的一种侵蚀沟类型,浅沟侵蚀是耕地土壤流失的主要方式之一。该文采用野外放水冲刷试验,研究黄土丘陵区典型坡耕地浅沟在不同坡度及放水流量条件下的产流产沙及侵蚀形态特征。结果表明:1)产流时间变化范围7.00~68.02 s,与坡度×放水流量交互项呈极显著负指数幂函数关系。稳定径流率变化范围3.06~23.71 L/min,与放水流量呈极显著线性函数关系,并随坡度的增大呈增大趋势。稳定流速变化范围27.35~55.59 cm/s,与坡度×放水流量交互项呈极显著幂函数关系;2)产沙率呈波动减小-稳定和增大-波动减小-稳定2种变化趋势,平均产沙率随放水流量的增加呈极显著指数函数增大,随坡度增加先增大后减小,并在26°条件下存在临界值;3)侵蚀沟槽平均宽、深变化范围分别为4.45~17.09、1.88~10.15 cm,平均宽深比变化范围1.45~2.39。平均横断面面积变化范围为11.40~197.91 cm2,是描述浅沟侵蚀产沙量的最优形态因子,二者呈极显著线性函数关系。结果可为黄土丘陵区浅沟防治及浅沟侵蚀产沙模型的建立和修正提供参考。     

保护性耕作对坡耕地土壤水分特性和水土流失的影响

在黄土高原西部丘陵沟壑区水土流失严重的坡耕地进行了2 a的定位试验,研究了不同耕作方式对坡耕地土壤水分特性和水土流失的影响.研究结果表明:(1)免耕+覆盖的保护性耕作方式保水效果明显,全年平均土壤含水量比传统耕作高出1%以上,单纯的免耕与传统耕作没有显著差异.(2)免耕可使耕作层土壤水分保持相对稳定,初春播种后土壤较长时间保持较高含水量有利于作物出苗;雨后免耕处理耕作层具有更强保水能力,从而使土壤水分保持相对稳定则有利于作物生长.(3)不同耕作方式对坡耕地土壤水分特性的影响与其对士壤结构的影响有关,免耕虽然增加了耕作层土壤容重,但也增加了团聚体的稳定性,降低了团聚体破坏率,增强了土壤抗蚀力,覆盖能降低免耕地表层土壤容重,增强其持水与保墒能力.(4)免耕措施未必能减少坡地径流量,但可显著降低土壤侵蚀量,免耕辅以秸杆覆盖的保护性耕作可有效防止水土流失,径流量和产沙量较传统耕作处理分别减少了8.35%和88.11%.     

Seasonal Surface Drainage of Sloping Farmland: A Review of Its Hydrogeomorphic Impacts

The combination of runoff‐generating areas (saturated soils) and overland flow concentration in features such as drainage ditches makes sloping farmland vulnerable to soil erosion. The establishment of drainage ditches aims at draining the excess of water from the farmland, particularly in areas where soils are saturated in the rainy season. The hydrogeomorphic impacts on the farmland itself and on downstream areas need however also to be studied. Off site, downstream problems comprise higher peak discharges, leading to gully initiation, an increase in sediment load, and flooding problems. On‐site problems such as the development of the drainage ditches into (ephemeral) gullies are less documented, although they may be important, as illustrated in the Lake Tana Basin (Ethiopia). The similarities and interactions between ephemeral gully channels and drainage ditches have to be considered to better understand all effects of drainage. Drainage ditches are a potential source of conflict between farmers with different interests and power, as well as between upstream and downstream users. A case study on drainage ditches on sloping farmlands in the Lake Tana Basin showed that nine out of ten catchments had drainage densities by ditches ranging from 53 to 510 m ha⁻¹. Drainage ditches were constructed with an average top width of 27 (±9) cm. A significant correlation was found between stone bund density (physical conservation structures) and ditch drainage density (R = −0·72), in line with the Ethiopian government's ban on drainage ditches in farmlands where stone bunds have been constructed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

泥河沟小流域土壤养分的分布与保护

以淳化县泥河沟流域为对象 ,通过不同时期土壤样品的分析以及径流小区资料的统计 ,得出该流域土壤养分具有明显的空间分布规律 ;从分水岭到沟缘 ,土壤肥力呈衰减趋势 ,沟谷地向沟床呈增大的变化趋势 ,其主要是水土流失的结果。因此 ,进行水土流失综合治理、坡耕地覆膜套种等是保护与恢复土壤肥力的有效途径。     

坡耕地不同水土保持措施下的养分平衡和土壤肥力变化

在贵州省罗甸县坡耕地上布置长期定位试验 ,研究几种水土保持措施对作物产量和土壤肥力变化的影响。9年的测试结果表明 ,在旱坡耕地上 ,水土流失是造成坡地地力下降、养分损失 ,的主要原因。未采用水土保持措施的坡地种植 ,因水土流失产生的全氮、全磷、有效钾损失 ,分别占总养分消耗量的 5 3.0 % ,6 7.6 %和 19.0 % ,相当于施入土壤的氮素化肥 ,施入的有机和无机磷素 ,有机质的损失与施入的有机肥中有机质含量相当 ,土壤全氮、有机质和有效钾含量趋于下降 ,全磷维持在较低的水平。采取水土保持措施后 ,这些土壤养分可维持平衡或在土壤中逐步积累 ,试验中的植物篱水保处理 ,9年玉米产量平均增产 8.6 % ,并趋于逐年上升。长期的试验证明 ,采用适宜的水土保持措施可提高地力 ,增加产量 ,实现坡耕地的可持续利用     

不同长度小麦秸秆覆盖下黄土耕地坡面流水动力学特性

为了系统研究秸秆长度对坡面流水动力学特性的影响,利用室内人工模拟冲刷定床阻力试验,在4个坡度、5个流量条件下分别对3~5、8~10和13~15 cm长度秸秆覆盖坡面流水动力学参数变化特征进行分析,阐明不同长度秸秆覆盖坡面水流阻力与雷诺数的关系。结果表明,秸秆长度对坡面流水动力学参数影响显著。不同长度秸秆覆盖条件下,坡面流雷诺数变化范围为166~558,当流量≤7.5 L/min时,坡面流态为层缓流;流量为9.0 L/min时,坡面流态为过渡缓流。秸秆覆盖条件下,坡面流具有较小的流速和较大的水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数。随着秸秆长度增加,坡面流流速随之增加,而水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数随之降低。随着秸秆长度和水力坡度增加,流态指数值总体呈现降低趋势。当秸秆长度由3~5 cm增加至13~15 cm时,流态指数平均由0.716降至0.501。研究可为秸秆覆盖条件下水土流失阻控机理研究提供科学依据。     

东北坡耕地春季融雪侵蚀观测研究

为研究东北地区坡耕地的春季融雪侵蚀特征及其影响因素,选取吉林省吉兴小流域内坡耕地进行原位观测,通过分析融雪过程中径流量和含沙量的变化,以及融雪径流、土壤解冻深度等指标对融雪侵蚀的影响,探讨坡耕地融雪侵蚀过程及变化规律。结果表明,在日平均温度0~3.8℃的气象条件下,春季融雪侵蚀较为集中,径流与含沙量变化均先增加后减少。融雪径流与表层土壤解冻深度是影响融雪侵蚀的重要因素,初期融雪产流,土壤未解冻,径流急剧增加,径流量占融雪期总径流量的59.15%;中期积雪融化趋于稳定,土壤表层开始解冻,径流减少含沙量增加,侵蚀量达到最大且占融雪期总侵蚀量的41.74%;末期融雪产流停止,土壤解冻深度增加,含沙量达到最大(8.00kg/m~3)。坡耕地融雪侵蚀受垄作区域与集水洼地地形变化的影响,产流产沙具有较强规律性,二者峰值出现频次一致时,径流—泥沙呈"8"字循环滞后关系,反之呈复式循环滞后关系。     

秸秆覆盖对西南喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响

喀斯特坡地幼龄橘园人为扰动剧烈,容易发生土壤侵蚀。秸秆覆盖是坡地常用的水土保持措施,但其在喀斯特坡地橘园的水土保持效益还不清楚。通过人工土槽模拟降雨试验,研究了水稻秸秆覆盖对喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响,试验设置了2个雨强(60 mm/h和120 mm/h)和4种水稻秸秆覆盖度(0,20%,50%和80%)。结果表明:(1)秸秆覆盖减小地表径流的效果受降雨强度控制。在中雨强(60 mm/h)条件下,秸秆覆盖可以有效降低地表径流系数。在大雨强(120 mm/h)下,只有20%覆盖度可以减少地表径流系数;(2)在中雨强(60 mm/h)条件下,20%和50%的秸秆覆盖显著增加壤中流和地下径流量; 在大雨强(120 mm/h)条件下,20%的秸秆覆盖显著增加了壤中流量,50%和80%秸秆覆盖度对壤中流量影响不显著;(3)秸秆覆盖可以有效减少地表土壤侵蚀总量,地表土壤侵蚀总量与秸秆覆盖度呈负相关。(4)秸秆覆盖减弱了地表径流的携沙能力,在50%和80%秸秆覆盖度时地表径流的携沙能力得到显著减弱。结果可为喀斯特坡地幼龄橘园合理布设秸秆覆盖措施提供科学依据。