黑土区宽垄和窄垄耕作的顺坡坡面土壤侵蚀对比

宽垄耕作具有明显的增产效应,但顺坡宽垄耕作的坡面土壤侵蚀研究鲜见报道。该文基于野外大型坡面径流场观测和室内模拟降雨试验,对比分析了中国黑土区顺坡宽垄和窄垄耕作的坡面土壤侵蚀差异。结果表明,野外观测和室内模拟条件下顺坡宽垄坡面侵蚀量较之于顺坡窄垄坡面分别减少64.4%～90.4%和33.2%～57.9%,同时2种垄作方式下坡面侵蚀量与径流量均呈现出良好的线性关系(R2≥0.81),但顺坡宽垄处理下的坡面侵蚀量随径流量的增加幅度小于顺坡窄垄处理。野外观测结果还表明,2种垄作方式的坡面侵蚀量皆与降雨侵蚀力PI30和径流量呈显著正相关关系,顺坡宽垄较之于顺坡窄垄减少的坡面侵蚀量随着PI30的增大而呈降低趋势,当PI30为430～605时,顺坡宽垄较顺坡窄垄的坡面土壤侵蚀量减少74.8%～90.4%,当PI30为1520～1708时,顺坡宽垄较顺坡窄垄的坡面土壤侵蚀量减少64.4%和66.5%。无论是野外观测还是室内模拟试验均表明,与传统的顺坡窄垄相比,顺坡宽垄具有较好防治坡面土壤侵蚀效果。因此,在东北黑土区推广宽垄耕作对保护黑土资源有重要意义。     

模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响。根据研究区坡耕地特点,试验共设计5个坡度,分别为9°,12°,15°,20°,25°,设计雨强为1.0mm/min,降雨历时为60min。结果表明:(1)5个坡度下坡面径流总量表现为先增大后减少,在20°与25°坡面表现出显著性差异,地表糙度变异率降幅为12°9°25°15°20°;(2)次降雨产流量与坡度、糙度变异变率呈显著指数函数关系;(3)5个坡度其坡面产沙量表现为先增大后减少,产沙量在坡面梯度为3°的坡面之间以及20°与25°坡面间存在显著性差异,说明坡度对产沙量有显著影响;(4)次降雨产沙量与坡度、糙度变异变率呈极显著线性关系;(5)次降雨量、产沙量与坡度、糙度变异变率的回归关系均优于分别与坡度、糙度变异变率的回归关系。研究成果为揭示水蚀过程中坡度与地表糙度对侵蚀的作用机理提供了参考。     

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。     

垄作方式对薄层黑土区坡面土壤侵蚀的影响

定量评价垄作方式对坡面土壤侵蚀的影响,可为坡面土壤侵蚀防治提供理论参考。基于2012—2015年哈尔滨市野外径流小区监测资料,探讨了顺坡垄、横坡垄、无垄作(裸地休闲对照)垄作方式对坡面土壤侵蚀的影响,分析了不同垄作方式下坡面水沙关系。结果表明:不同垄作方式下径流量和侵蚀量均具有显著差异,坡面径流量和侵蚀量均表现为无垄顺坡垄横坡垄;与无垄作试验处理相比,横坡垄作使坡面径流量和侵蚀量平均减少了92.4%和98.3%,顺坡垄作使坡面径流量和侵蚀量平均减少66.4%和72.2%。当坡度由3°增加到5°时,无垄作、顺坡垄作、横坡垄作坡面侵蚀量分别增加了0.8,8.2,5.5倍。3种垄作方式下坡面水沙关系均呈现出良好的相关关系,顺坡垄作和无垄作坡面侵蚀量随径流量的增加幅度远大于横坡垄作坡面,当坡面径流量10.0mm时,二者坡面侵蚀量急剧增加。     

不同模拟糙度定床坡面集中水流水力学特性研究

采用钢制变坡冲刷水槽,研究了5种模拟糙度以及不同坡度和不同流量组合下集中水流内主要水力学特性变化规律。结果表明,相同糙度情况下,雷诺数随着流量增加而明显增加,与坡度相比,流量对其流态的影响较大,但坡度对弗劳德数的影响明显大于流量;等流量和等坡度情况下,随着坡面糙度的增加,雷诺数无明显变化规律,但弗劳德数均呈不断增加的趋势。5种模拟糙度下,随着坡度的增加,各流量平均流速随坡度增加呈幂函数增加趋势,且在小流量和小坡度时各值变化较小;随着坡面糙度的增加,反映坡面流阻力指数k值具有明显的幂函数下降趋势。各流量范围内阻力系数均出现随坡度的增加而增大的趋势,且在小流量情况下增加更为明显;不同模拟糙度坡面阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数降低趋势。研究结果有助于从水力学角度认识不同下垫面条件下泥沙输移特性和土壤侵蚀演变过程。     

降雨类型对褐土横垄坡面土壤侵蚀过程的影响

雨型是影响土壤侵蚀过程的重要因子之一,而影响效应与耕作措施密切相关。目前,雨型对横垄坡面土壤侵蚀过程的影响机制尚不清楚。该文以褐土横垄坡面为研究对象,设计了平均雨强和降雨量相同的4种雨型(增加、减弱、增加-减弱和减弱-增加型),采用可同时调节垄向和坡面坡度的土槽进行模拟降雨,研究各个雨型下不同侵蚀阶段的产流产沙特征。结果表明:雨型间的径流量和侵蚀量在细沟间和细沟侵蚀阶段均差异显著,且差异在细沟阶段体现的更为明显。雨型间径流量的大小顺序为增加-减弱型减弱型减弱-增加型增加型,侵蚀量则为增加-减弱型减弱-增加型减弱型增加型。给定雨强下(30、60或90 mm/h),径流量、径流贡献率和侵蚀量贡献率均随降雨过程中雨强发生时序的延迟而增加,而单位径流侵蚀量呈相反趋势;雨型间给定雨强同一发生时序下的径流量和侵蚀量及其它们对总径流量和总侵蚀量的贡献率均差异显著。4种雨型下,幂函数均能很好的描述细沟间和细沟侵蚀阶段内产沙率与径流率间的关系,且方程中的指数均低于2,但雨型间幂函数方程中的指数存在明显差异。以上研究结果有助于深入理解褐土垄作系统下的土壤侵蚀机理,并为横坡垄作的合理利用提供科学指导。     

横坡垄作对坡耕地产流产沙及氮磷养分流失过程影响研究

横坡垄作是一种常见的水土保持耕作措施,它通过增大坡面拦蓄和入渗能力,进而影响坡面土壤侵蚀过程。为揭示黄土坡耕地养分流失特征,通过人工模拟降雨试验,利用投影面积为4.5 m×1.5 m的径流小区,设计降雨强度（90 mm·h-1）、5个地表坡度（3o、5o、10o、15o、20o）以及横坡垄作和平整坡面两种坡面处理,探究横坡垄作对不同坡度坡耕地产流产沙特性及其携带的氮磷养分流失情况。结果表明：（1）坡面坡度小于20o时,横坡垄作能明显降低降雨过程中坡面的产流产沙量,产流量和产沙量最大分别可降低95%和99%;而当坡度增大至20o时,横坡垄作坡面发生断垄,横坡垄作对径流和泥沙的控制效应随之减弱,产流和产沙量会接近或大于平整坡面。（2）横坡垄作对养分流失浓度的影响较小,但对养分流失量具有明显影响。坡面坡度小于20o时,横坡垄作具有较好的控制坡面养分流失量的效果;当坡度增大至20o时,横坡垄作控制养分流失的作用减弱。径流中全氮的流失量始终大于全磷的流失量;除横坡垄作10o坡面外,泥沙中全磷的流失量均大于全氮的流失量。（3）坡面养分流失量主要由坡面径流量和泥沙量决定。径流养分流失率和产流速率、泥沙养分流失率和产沙速率满足线性正相关关系。横坡垄作对径流和泥沙中养分减少效益分别可以达到45%~100%、59%~100%。整体上而言,横坡垄作是控制坡面土壤侵蚀及减少养分流失的一种有效方法。     

黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果

[目的]分析黑土区不同垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果,为该区土壤侵蚀防治提供科学指导。[方法]在5°和10°坡耕地开展人工模拟降雨试验,降雨强度为50,100 mm/h,垄作方式包括：横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟,对照处理为传统顺坡垄作。[结果]试验条件下,与顺坡垄作处理相比,横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理均可有效调节径流、降低土壤侵蚀量,但不同垄作方式对径流和侵蚀的调控效果随着降雨强度和坡度的增加而减小。在5°坡耕地,横坡垄作方式对径流和侵蚀的调控效果最佳,产流率和土壤侵蚀速率分别稳定在15.0 mm/h和0.2 kg/(m~2·h)以下。在50,100 mm/h降雨强度下,与顺坡垄作处理相比,其径流量分别降低92.3%和83.9%,土壤侵蚀量分别降低96.8%和94.6%;而垄向区田方式对径流和侵蚀的调控效果略大于顺垄+底部横垄处理。在10°坡耕地,横坡垄作方式在降雨前期具有较好的蓄水保土作用,但在降雨后期垄体易损坏,造成土壤侵蚀量剧增;横垄+排水沟方式在降雨前期能够蓄水保土,在降雨后期能够较好地进行排水。[结论]在坡度平缓的坡耕地,应...     

砾石覆盖条件下盐碱土边坡降雨侵蚀水动力学特征

为了探究砾石覆盖对盐碱土坡面侵蚀的减沙效应,通过室内模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下降雨径流水动力学特征及产沙受砾石覆盖的影响。试验坡度选取15°和30°,雨强选取92,119mm/h,坡面砾石覆盖度分别为0,10%,20%,40%,60%,80%,采用染色示踪法测定坡面径流流速。结果表明:不同坡度和雨强条件下,水流产沙率随坡面砾石覆盖度增大先增后减;雷诺数与弗劳德数均随砾石覆盖度增大呈先增后减的抛物线趋势,曼宁糙率、Dracy-Weisbach阻力系数、坡面径流剪切力和径流功率均与坡面砾石覆盖度呈线性正相关;径流功率预测产沙率效果较好,二者呈对数关系(R2=0.47)。     

模拟降雨条件下不同砾石含量工程边坡土壤侵蚀及水动力学特征

[目的]探究砾石含量对急陡工程边坡土壤侵蚀及流水力学特征的影响。[方法]采用室内模拟降雨试验和人工制备土壤等方法,研究了在3种降雨强度(40,60,80 mm/h),5种砾石含量(3%,15%,35%,55%,75%)条件下50°工程边坡土壤侵蚀率变化特征以及土壤侵蚀率与各水动力学参数的关系。[结果]①40,60,80 mm/h雨强下,各砾石含量坡面径流率较土质坡面分别减少了10.1%～55.9%,13.9%～41.9%,19.6%～47.7%;径流剪切力、径流功率、过水断面单位能分别与砾石含量呈显著递减的线性函数、指数函数、幂函数关系。②坡面侵蚀率随着砾石含量的增加而减小,不同试验雨强下侵蚀率大小及变化过程具有明显差异。当雨强为40 mm/h时,坡面整体产沙率较低,随降雨过程整体呈现出缓慢增加的趋势;当雨强为60 mm/h时,不同砾石含量下侵蚀率迅速增加后呈波浪式缓慢上升或平稳下降的趋势;当雨强为80 mm/h时,砾石含量为3%条件下,坡面侵蚀率迅速增长后增速降低,当砾石含量大于15%时,边坡侵蚀率达到峰值后均开始缓慢下降。③工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈显著线性函数、对数函数、幂函数关系。[结论]工程边坡土壤中的砾石具有抗侵蚀作用,随着砾石含量的增多,坡面土壤侵蚀量和各水动力学参数均明显降低。     

不同耕作措施对黑土坡耕地土壤侵蚀的影响

针对黑龙江省西部半干旱区土壤流失情况,在坡耕地径流小区通过野外人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同耕作措施下降雨产沙产流特征和过程。试验结果表明:降雨强度越大,对地表径流量和侵蚀量的影响越大,即雨强与径流量和泥沙量呈正相关,各种耕作措施的土壤流失顺序是顺坡垄裸地>横坡垄裸地>等高种植地>深松地>秸杆覆盖地>垄向区田地,植被覆盖地能有效控制水土流失,垄向区田地是这几种耕作措施中减少坡耕地水土流失的有效措施。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

大渡河干旱河谷区横垄坡面产流产沙特征及水保效益

为弄清干旱河谷区横垄坡面水土流失特征及水保效益,采用野外调查与室内人工模拟降雨相结合的方法,以坡耕地平作坡面为对照,开展了4种降雨强度(30,60,90,120 mm/h)和4种坡度(10°,15°,20°,25°)条件下横垄坡面产流产沙特征及减流减沙效益。结果表明:(1)横垄坡面产流时间随降雨强度和坡度的增大而提前,且受坡度影响远小于降雨强度;同等条件下,横垄坡面产流时间滞后平作坡面8.14%~55.60%。(2)随着降雨强度和坡度的增大,横垄坡面产流率和产沙率均表现为增加趋势。(3)坡度与横垄坡面减流减沙效益随降雨强度的增大由正相关关系转变为负相关关系,而降雨强度与横垄坡面减流减沙效益关系复杂,无明显变化规律。降雨强度和坡度对横垄坡面产流产沙过程和减流减沙效益有重要影响,横垄坡面能够延长坡面径流形成时间,有效减少坡面产沙率,但横垄坡面减流减沙作用存在临界条件。研究结果可为区域坡耕地横垄措施合理布设和水土流失有效防控提供数据支撑和理论依据。     

垄作与垄向区田技术对黑土区坡耕地土壤侵蚀影响的研究进展

东北黑土区在中国粮食安全与可持续发展中占据重要地位,但过度开发利用导致该区土壤侵蚀问题严峻。耕作方式的差异直接影响黑土区坡耕地土壤侵蚀特征,相关研究的开展对于准确评价水土保持措施的适宜性具有重要意义。该研究通过系统梳理文献资料,总结了垄向、垄规格以及垄向区田技术的内涵及应用条件,分别综述了其对黑土区坡耕地土壤侵蚀的影响;指出了目前研究中还存在垄作与垄向区田技术对坡耕地土壤侵蚀影响的机理研究不深、垄向与垄规格之间的耦合关系分析不细、垄向区田垄沟土埂优化设计不足、土壤侵蚀综合影响因素探索不全等方面主要问题;明确了未来研究中应加强量化垄向、垄规格、垄向区田技术与其他水土保持措施相结合对黑土区坡耕地土壤侵蚀影响的过程与机理,为筛选适宜的水土保持耕作措施提供科学依据。     

横垄坡面地表糙度的变化特征及其对片蚀的响应

为揭示地表糙度的片蚀效应,采用野外人工模拟降雨,研究了横垄坡面地表糙度在玉米不同生育期的变化特征,并分析了地表糙度的变化对片蚀过程的响应特征。结果表明:1.0mm/min降雨强度条件,随着玉米生育期的推进,地表糙度呈先增加后降低的变化趋势,且在玉米苗期增幅最大,在成熟期降幅最大。1.5,2.0mm/min降雨强度条件,随着玉米生育期的推进,地表糙度呈先降低后增加的变化趋势,且玉米苗期—拔节期地表糙度变幅却最大。降雨强度1.0mm/min条件下,随着玉米生育期的推进,地表糙度的变化与径流量变化同步,均呈先减小、后增加、再减小的变化趋势。降雨强度1.5,2.0mm/min条件下,在玉米苗期—拔节期—抽雄期,地表糙度与径流量呈同步的变化,而在抽雄期—成熟期,地表糙度呈减少的变化趋势,而地表径流量却呈增加的变化。不同降雨强度条件下,在玉米苗期和拔节期,地表糙度的变化与产沙强度呈同步变化;在抽雄期和成熟期,两者间表现出相反的变化趋势。玉米拔节期,地表糙度变幅与径流量呈极显著负相关关系,抽雄期地表糙度变幅却与径流量呈极显著正相关关系;玉米苗期、拔节期和成熟期,地表糙度变幅与侵蚀产沙量呈显著或极显著正相关关系,玉米抽雄期,地表糙度变幅却与侵蚀产沙量呈极显著负相关关系。研究结果为揭示地表糙度在片蚀作用下的本质特征和坡耕地水土流失有效防控提供理论和技术支撑。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

鄂西南路基边坡影响土壤侵蚀量因素分析

为深入了解路基边坡土壤侵蚀过程及其影响因素,以位于鄂西南的湖北沪蓉西高速公路恩施至利川段公路路基边坡作为研究对象,在天然降雨条件下进行土壤侵蚀观测,对路基边坡土壤侵蚀的主导因子进行分析判断.结果表明,影响土壤侵蚀量的最主要因素是降雨过程,总体上降雨量、降雨历时和降雨强度对土壤侵蚀量产生的影响较为接近;在坡度较缓的坡面,降雨量的影响大于降雨强度,而在坡度较陡的坡面,降雨强度的影响大于降雨量;在以时间为变化序列的因素中,对土壤侵蚀的影响大小顺序依次为:降雨>土壤含水量>植被覆盖度;土壤侵蚀量与坡长、坡度均不存在显著相关关系,与坡长相比,土壤侵蚀量对坡度的变化更为敏感.     

REE示踪坡面侵蚀的演变过程

通过人工模拟降雨，利用分段和分层结合布设不同的稀土氧化物(Rare-Earth Oxide)，研究次降雨条件下坡面侵蚀的演变过程。结果表明，随降雨的进行．坡面侵蚀一般存在一个由片蚀-近坡角纹沟发育-细沟发育-坡面侵蚀稳定(至基准面)的动态演化过程，各过程中相应侵蚀形态占据主导地位；沟头的出现是导致各侵蚀段侵蚀活跃的重要因素；连续小雨强降雨条件下，坡面以细沟发育为主，侵蚀过程较初次降雨要平稳得多。