黄土丘陵区生物结皮对坡面流水动力特征的影响

[目的]探究生物结皮对坡面流水动力特征的影响,为黄土高原丘陵区生物结皮防蚀机理研究提供理论指导。[方法]设置生物结皮覆盖及破坏处理,进行人工模拟降雨试验。[结果](1)生物结皮覆盖及破坏处理下坡面流均属于层流急流。(2)生物结皮可显著降低坡面流流速,增加水流剪切力,阻力系数和水流功率(p<0.05)。其中,藻结皮处理和苔藓结皮处理较裸地流速分别减少了48.74%和62.24%,水流剪切力、阻力系数、水流功率较裸地分别增加了130.01%和308.07%;703.35%和2 532.01%;21.16%和57.43%。(3)生物结皮破坏后其阻力系数与裸地无显著变化,流速、水流剪切力、水流功率均显著高于裸地(p<0.05)。其中,藻结皮破坏和苔藓结皮破坏处理较裸地流速、水流剪切力、水流功率分别增加了10.84%和16.46%;36.83%和42.44%;60.90%和62.14%。[结论]生物结皮覆盖会增大坡面流阻力系数,降低流速。生物结皮破坏后坡面流阻力系数与裸地无差异,流速增加。此外,生物结皮覆盖及破坏处理均会增大坡面流水流剪切力及水流功率,进而增加径流侵蚀能量。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

黄土高原典型生物结皮对坡面产流产沙过程的影响

[目的] 明确不同类型生物结皮坡面产流产沙过程及其影响因素,为评价生物结皮的水土保持功能提供理论依据。[方法] 选取黄土高原常见藻结皮和苔藓结皮为研究对象,系统研究降雨条件下结皮类型及破坏前后对坡面产流产沙的影响。[结果] ①生物结皮可显著增强土壤黏结力,藻结皮和苔藓结皮土壤黏结力是裸地（4.53 kPa）的1.52倍和1.25倍,结皮破坏后其土壤黏结力仍高于裸地,分别是裸地的1.22,1.10倍;②生物结皮可以增加坡面产流,抑制坡面产沙。藻结皮和苔藓结皮产流量分别增加了21.64%和55.75%,产沙量分别减少了94.06%和89.24%。结皮破坏后,产流量分别增加了58.76%和59.66%,产沙量分别减少了16.18%和29.45%,仍可促进产流,抑制产沙;③随累积径流量的增加,累积产沙量增长速度由大到小依次为：裸地 > 藻结皮去除 > 苔藓结皮去除 > 苔藓结皮覆盖 > 藻结皮覆盖。黏结力是表征生物结皮抑制土壤侵蚀的有效指标。随黏结力的增大,产沙量呈线性降低（R²=0.66）。[结论] 增加生物结皮覆盖并有效防止生物结皮被破坏,可最大程度发挥其水土保持功能。     

黄土高原北部水蚀风蚀交错带坡面降雨分析

为探明黄土高原北部水蚀风蚀交错带的降雨特点,进而为该地区开展土壤侵蚀、开发利用降雨及地表径流的研究提供科学依据,该文对黄土高原六道沟流域5 a （2006－2010年）雨季的坡面降雨进行了分析。采用Box Car Pro 4.3软件对降雨数据在时间轴上进行分割,分割时间间隔分别为3、5、10 min和1 h,分析了六道沟流域雨季的坡面雨强、降雨历时及降雨量的分布。结果表明,3、5、10 min和1 h时间间隔的最大雨强分别为2.2、2.08、1.68和0.7 mm/min,各时间间隔 5 a内雨季所有降雨历时的平均雨强分别为0.12、0.09、0.06和0.03 mm/min。随着单位时间间隔的增加平均降雨强度降低,各时间间隔的小雨强发生概率远高于大雨强发生概率。3 min时间间隔雨强大于1 mm/min、5 min时间间隔雨强大于1 mm/min、10 min时间间隔雨强大于0.8 mm/min以及1 h时间间隔雨强大于0.4 mm/min发生的概率分别为0.4%、0.2%、0.2%和0.1%。降雨历时小于30 min的降雨事件占总降雨事件的近50%;降雨历时在2 h以上的降雨事件约占总降雨事件的23%,其中降雨历时大于12 h的降雨事件只占总降雨事件的2.6%。降雨量小于等于1 mm 的降雨事件占年均雨季降雨事件的近50%,但其总降雨量不足年均降雨量的7%;降雨量大于20 mm的降雨事件年均5次,其降雨量占年均雨量超过20%。研究结果在一定程度上揭示了黄土高原北部水蚀风蚀交错带的坡面降雨特征。     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

降雨对荒漠草原生物土壤结皮化学计量的影响

生物土壤结皮是干旱地区地表景观的基本组成部分,对生物地球化学循环具有重要影响。在中国北方荒漠化地区,生物土壤结皮化学计量在很大程度上是未知的,特别是降雨如何影响荒漠草原生物土壤结皮化学计量仍然不确定。该研究以自然降雨为对照,通过使用遮雨棚和喷灌系统控制降水输入,开展增水和减水处理野外控制性试验,研究降雨量对荒漠草原生物土壤结皮化学计量的影响。试验结果表明：1）减水处理增加了结皮层C∶N、C∶P和N∶P的比率,增水处理增加了结皮层下垫面C∶N、C∶P和N∶P比率;2）减水处理增大了结皮层与下垫面之间C含量的差异,同时减小了N和P含量的差异,增水处理增大了结皮层与下垫面之间N和P含量的差异,减水处理有利于结皮层C的积累,而增水后结皮层中磷的有效性降低;3）适宜的土壤水分条件促进了结皮层及下垫面土壤微生物生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon,SMBC）和土壤微生物生物量氮（Soil Microbial Biomass Nitrogen,SMBN）的积累,而过高的降雨量导致土壤养分损失,不利于SMBC和SMBN的积累。相对干旱的土壤环境有利于结皮层土壤C、N的富集,为土壤微生物呼吸提供较多的营养物质,有利于SMBC和SMBN的积累。总之,在中国北方荒漠化地区,生物土壤结皮和下垫面的C∶N∶P化学计量对降雨量有不同的响应。     

间歇降雨对红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

自然条件下降雨多以间歇形式出现,而坡面土壤侵蚀又是一个渐变发育的复杂过程。通过3个雨强(60,90,120 mm/h)、5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的15场室内模拟降雨,研究一、二次降雨条件下不同雨强、坡度及降雨量对红壤坡面径流和侵蚀过程的影响,探讨间歇降雨条件下坡面侵蚀发育过程及其主要影响因素的变化。结果表明:(1)二次降雨的产流时间相比一次降雨均提前,一次降雨径流总量受到雨强、坡度和降雨量的共同影响,15°坡度是径流总量变化的一个转折点,二次降雨时降雨量的作用减弱,各雨强下的最大相差倍数减小,各坡度之间的倍数差距也减小。(2)一次降雨发生细沟侵蚀最主要的动力是降雨强度,大雨强、陡坡情况下细沟侵蚀更容易产生,而15°坡度对细沟侵蚀的产生具有重要作用,此时若发生细沟侵蚀,坡面侵蚀则多以细沟侵蚀为主,二者侵蚀量呈正比例函数关系,二次降雨的细沟侵蚀量和一次降雨过程中细沟发育情况相关,一次降雨的细沟发育越剧烈,二次降雨的细沟侵蚀量越少,此时细沟侵蚀量和总侵蚀量呈一次函数关系。总体来说,侵蚀总量的变化和细沟发育所处阶段紧密相关。(3)间歇降雨条件下,不同雨强、坡度、降雨量对坡面土壤径流和侵蚀过程的影响存在差异;同时,一次降雨土壤径流和侵蚀的变化对后期二次降雨径流和侵蚀的发展具有重要影响,使得在不同土壤侵蚀发展阶段,雨强、坡度、降雨量等因子对坡面土壤径流和侵蚀影响的程度也随之改变。     

不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究不同雨强对紫色土坡面侵蚀过程的影响,通过人工模拟降雨试验和室内分析,采用降雨总量(30mm)一定、降雨历时不定的原则,在2种覆盖度(50%和75%)下,分析了3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)对紫色土土壤坡面产流产沙的影响。结果表明:在50%和75%覆盖度下,(1)雨强越大紫色土坡面产流总量和径流率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下的2种覆盖度产流量分别占坡面产流总量的18%,30%,52%。(2)雨强越大紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下,2种覆盖度产沙量分别占坡面产沙总量的13%,33%,54%。(3)紫色土坡面侵蚀泥沙中的水稳性团聚体的粒径主要集中在0.25,3mm,分别占泥沙总量的74%和67%,0.25~3mm粒径的水稳性团聚体分别占泥沙总量的30%和26%。(4)相关分析表明,雨强和紫色土坡面产流产沙量均为极显著正相关(P0.01)。雨强与产沙量之间均拟合为一次线性方程;雨强与产流量之间分别拟合为一次线性方程和二次方程。研究结果为控制紫色土坡面水土流失和揭示其相关侵蚀机理提供参考。     

黄土高原生物土壤结皮研究进展与展望

黄土高原是典型的生态脆弱敏感区和世界上水土流失最为严重的地区,也是当今我国生态恢复和生态文明建设的重点区域.生物土壤结皮是细菌、藻类、真菌和孢子植物与土壤颗粒胶结而成的有机复合体,是干旱半干旱地区地表系统的重要组成部分,它们对黄土高原的水土保护、养分积累和生态恢复具有重要的生态功能.本文论述了生物土壤结皮类型与演替过程...     

草地覆盖坡面流水动力参数的室内降雨试验

为研究两种典型黄土的坡面流水力特性变化规律,进行了室内人工降雨试验。以草地盖度为主要影响因子,土壤质地和雨强为辅助影响因子进行分析。结果表明:同一盖度下,随雨强逐渐增大,流量和流速也随之增加;当盖度增加时,流量和流速随之减小。流速随降雨历时的延长而逐渐增大;当雨强增大时,流速曲线整体抬高;当覆盖度逐渐增大,流速曲线整体降低。平均水深随流速增大而减小;同一雨强下,盖度增加时氟汝德数Fr随之增加,雷诺数Re降低,而Darcy-Weisbach阻力系数f及曼宁粗糙系数n均大致呈增加趋势;对同一盖度,雨强增加Fr随之减小,Re逐渐增加,同时f和n均随之减小。因此草地覆盖度增加将改善坡面流水力性质,总体上减小了坡面流速,增加了阻力和粗糙度。     

降雨强度对黄土区不同土地利用类型入渗影响的试验研究

降水入渗规律的研究可为流域水文过程的预测和评价提供重要的科学依据。通过野外人工模拟降雨的试验方法,研究了短历时暴雨条件下,不同降雨强度对林灌地、封禁草灌地以及裸露农地3种不同土地利用类型下土壤入渗的影响。试验结果表明:不同土地利用类型之间,林灌地和封禁草灌地的土壤入渗速率差异不明显,而与裸露农地之间的差异显著,且前者具有较大的入渗速率,后者入渗速率较小;在不同降雨强度下,林灌地和封禁草灌地的土壤水分入渗速率有随雨强增大而增大的趋势,对于坡耕裸地,随着雨强的增大,土壤水分入渗速率有降低的趋势;通过对试验数据的回归分析,建立了林灌地和封禁草灌地在短历时暴雨条件下的土壤水分入渗经验模型。     

黄土高原坡面降雨产流产沙过程变化的统计分析

该根据子洲团山沟３号径流场（坡度２２°，面积６０ｍ×１５ｍ＝３００ｍ＾２）３３次降雨产流产沙的过程变化情况，统计分析了不同类型降雨坡面产流过程中的降雨变化及产流产沙过程变化。     

内蒙古黄土丘陵区次降雨条件下坡面土壤侵蚀影响因子研究

通过对内蒙古宁城、和林、东胜三个试验站进行坡面径流泥沙试验,采用数据分析法,研究内蒙古黄土丘陵区坡耕地在一次降雨中各典型影响因子与土壤侵蚀量之间是否存在相关关系及相关程度问题。研究表明该区次降雨雨强、降雨前期土壤含水量、植被覆盖度、坡面坡度和土壤侵蚀量之间存在着密切的相关关系。     

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。     

降雨强度对紫色土坡耕地养分流失的影响

采用人工模拟降雨装置,通过野外径流小区试验,研究了不同雨强对紫色土净作玉米条件下坡耕地土壤氮、磷、钾养分流失的影响.结果表明,在小雨强条件下,无地表径流及土壤侵蚀发生;随着雨强的增大,地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量都急剧增加.磷素和钾素流失总量也随着雨强的增加而增加,而雨强对氮素流失的影响不大.在3种雨强条件下,氮素均主要通过地下径流的途径而流失,平均占氮素总流失量的96.5%.在小雨强条件下,磷、钾素不通过地表径流和泥沙流失;在中、大雨强条件下,磷、钾素流失途径均以侵蚀泥沙流失为主,分别平均占流失总量的95.3%,93.0%.     

干旱区不同降雨模式对藻结皮覆被区土壤碳释放的影响

[目的]探究干旱区不同降雨模式对藻结皮覆被区土壤碳释放的影响,为精确估算干旱区生态系统土壤碳释放量提供科学依据。[方法]以乌兰布和沙漠为例,通过人工增雨和改变降雨频率来模拟全球气候变化,对藻结皮覆被区土壤碳释放量进行长期野外监测。[结果]降雨能够刺激藻结皮覆被区土壤呼吸速率迅速大幅度提升,并在1 h内达到峰值,12 h左右降至较低水平。但随着干湿交替次数的不断增大,土壤再湿润后所产生的呼吸脉冲逐渐减弱,最后1次降雨与第1次相比土壤呼吸峰值降低了40%～60%。在降雨后16 h累积碳释放量、总碳释放量都随着降雨量的增大而增大,但当降雨量增大到一定程度后,其对土壤碳释放量的促进作用不再明显。就单次降雨而言,低频率、大雨量的降雨事件所引起的碳释放量明显高于高频率、小雨量的降雨事件。但总降雨量一致的情况下,则是高频率的小降雨事件所释放的总碳量最高,其次为低频率的大降雨事件,正常降雨频率下最小。[结论]气候变化所引起的降雨量增加和降雨频率的变化将会增加藻结皮覆被区的碳排放量,在预测碳收支时,也应将藻结皮的碳排放量变化作为考虑因素之一。     

植被类型对河岸带坡面流水动力特性的影响

为了研究河岸带植被类型对坡面流水动力学特性的影响,通过野外简易径流小区放水冲刷试验,在3种流量(4,6,8 L/min)和6种不同坡面类型条件下对河岸带坡面流水动力学参数变化进行了分析。结果表明：(1)坡面植被的存在具有明显降低径流流速的作用,裸坡坡面平均流速(0.276±0.065 m/s)显著高于其他植被类型(p<0.05),坡面平均径流流速随着来水流量的增加而增加;(2)雷诺数随着放水流量和放水时间的增加而增加,所有河岸带边坡流型都属于层流;弗劳德数随着放水时间先减小后趋于稳定,各坡面流均属于急流状态(弗劳德数大于1);(3)植被覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数和弗雷德数,裸坡的雷诺数(128.53)和弗雷德数(4.0)显著高于其他坡面类型(p<0.05)。狗牙根坡面的Darcy-weisbach阻力系数(3.71)以及曼宁糙率系数(0.062)均最大,表现出对坡面流流速最好的阻滞效果。     

野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究

利用野外模拟降雨试验,研究了植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对荒草地和裸地降雨入渗、产流的影响。结果表明:裸地因降雨易产生地表结皮,产流时间主要取决于降雨强度,两者的关系可用幂函数描述,达显著水平;荒草地由于植被覆盖度较高,产流时间主要取决于土壤初始含水量,两者的关系可用线性公式描述,达极显著水平;与裸地相比,荒草地能延缓产流,并有效拦蓄径流;裸地形成地表结皮后,产流提前,平均入渗率降低,但坡面覆盖杂草(尤其是坡中下部覆盖杂草)能有效拦蓄径流、延缓产流、增加入渗,并促进土壤水分向深层的运移,而雨后采用抑制蒸发的措施能起到类似的效果     

人工模拟降雨条件下紫色土坡面流水动力学参数特征

采用人工模拟降雨法,在3.0m长、1.0m宽的可变坡土槽上,通过4个不同坡度(5°,10°,15°,20°)、5个不同雨强(0.6mm/min,1.1mm/min,1.6mm/min,2.12mm/min,2.54mm/min)的组合实验,对降雨条件下紫色土坡面流水动力参数特征进行了研究。结果表明,在实验的坡度和雨强范围内,紫色土坡面流平均雷诺数Re变化于104.9～1571.7之间,在一定雨强和坡度条件下,坡面流雷诺数Re随实验时间延长而逐渐增大,这主要与坡面形态受降雨侵蚀发生改变后坡面流流态由层流向紊流转变有关;坡面流弗罗德数Fr在各种雨强和坡度条件下都小于1,属缓流状态;坡面流阻力系数f与雷诺数Re无明显关系,但其与佛罗德数Fr之间呈显著的指数关系;曼宁糙率系数n与雷诺数Re之间为幂函数关系,但其与佛罗德数Fr无明显关系。