坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究

植被是影响坡面水力侵蚀过程的重要因素,深入理解草本植物坡面不同降雨和径流特性对土壤分离的作用是研究土壤侵蚀动力学的基础。为此基于坡面土壤分离试验,通过定量测定2种草本植物草冠、根系对降雨和径流的影响,研究了不同侵蚀力作用下的土壤分离特征。结果表明,草本植物对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用,相同覆盖度下狗尾草坡面的径流含沙量低于青蒿坡面(P0.05)。对比草本植物结构对坡面土壤分离的影响,植物根系对坡面的减沙贡献率均高于其冠层(P0.05),其中,青蒿草冠对于坡面降雨的阻滞作用高于狗尾草草冠(P0.05),而狗尾草根系的减沙效益高于青蒿根系(P0.05),这主要与草本植物叶面积指数(LAI)及根系形态分布有关,不同植物的根长密度与土壤分离率呈指数函数关系。坡面土壤分离过程受到侵蚀阻力的影响,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加,颗粒阻力和波阻力均呈增大趋势。降雨侵蚀力和径流剪切力是坡面土壤分离的主要侵蚀动力,不同试验条件下草本植物对降雨和径流侵蚀力的降低值为189.21~698.92 J·mm/(m2·min)和6.27~20.38 kg/(m·s2),减弱系数分别为22.75%~84.04%和19.68%~63.97%。     

雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响

基于模拟降雨试验和纱网覆盖消除雨滴打击作用的试验方法,研究雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响。试验包括3种黄土高原代表性的侵蚀性降雨强度(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°和20°)。结果表明,与有雨滴打击试验处理相比,纱网覆盖消除雨滴打击后,坡面径流稳定产流率和含沙量均明显减小;坡面侵蚀量和细沟侵蚀量分别减少28.1%~47.7%和20.2%~38.6%;而细沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献率增加。消除雨滴打击后,坡度对细沟侵蚀的影响与有雨滴打击时相同,而降雨强度对细沟侵蚀的影响增加。有、无雨滴打击试验处理的细沟密度和割裂度均随着降雨强度和坡度的增加而增大;而细沟倾斜度的变化较为复杂,所以细沟密度和割裂度可作为描述细沟形态的最佳指标。试验结果还表明,雨滴打击对细沟沟槽形状也有间接影响,即消除雨滴打击后,细沟宽度和深度的变异程度减小,沟槽形状更为规则。同时,有雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度和降雨强度的增加而减小,而无雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度的增加而减小,随着降雨强度的增加呈微弱的增加趋势。     

沟蚀发育的黄土坡面上秸秆覆盖防蚀效果研究

为评价玉米秸秆这一廉价资源的防蚀效果,利用人工模拟降雨试验,研究在黄土高原典型高强度侵蚀性降雨条件下,不同玉米秸秆覆盖方式(沟头缓冲带覆盖、沟内填充覆盖)及其组合对沟蚀发育黄土坡面侵蚀的防治效果。结果表明,对于有细沟和浅沟发育的黄土坡面,不同方式秸秆覆盖可减少坡面侵蚀量8.3%~46.2%,降低径流含沙浓度19.1%~49.6%。其中浅沟沟头覆盖+浅沟侵蚀带沟道全覆盖(H+G)和浅沟沟头覆盖+浅沟侵蚀带主沟道覆盖+细沟沟头覆盖(H+MG+RH)2个处理的防蚀效果最佳,二者分别减少坡面侵蚀量45.0%和46.2%。秸秆覆盖通过改变坡面径流与侵蚀产沙量的关系而非减少径流量来减少坡面侵蚀量。不同方式的秸秆覆盖均可降低径流流速、减弱径流挟沙能力以及径流侵蚀力,进而减少坡面侵蚀量,其中,浅沟沟头秸秆缓冲带覆盖和浅沟沟槽内秸秆填充覆盖均可减小流速42.6%以上。比较2种覆盖方式,沟头缓冲带覆盖较沟内填充覆盖在减少侵蚀方面更有效。因此,在沟蚀发育的黄土坡面上,用玉米秸秆缓冲带覆盖侵蚀活跃的沟头部位可达到最优的防蚀效果。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

降雨强度和坡度对细沟形态特征的综合影响

细沟的形态特征研究可揭示坡面侵蚀发生机理,且细沟形态对坡面径流和侵蚀有重要影响;而现有研究仅用细沟密度和细沟宽深比等指标来表征细沟形态,不能全面准确地反映细沟的形态特征。为此基于模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对黄土坡面细沟侵蚀和细沟形态特征的综合影响。试验处理包括3种黄土高原有代表性的侵蚀性降雨(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°、20°)。试验结果表明,坡面侵蚀速率和细沟侵蚀速率均随着降雨强度和坡度的增加呈幂函数增加。试验条件下,细沟倾斜度介于16°~20°之间,随着降雨强度的增加而增大,随着坡度的增加而减小;细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度分别为0.74~1.95 m/m2、0.08~0.17和1.09~1.38,三者皆随降雨强度和坡度的增加而增大;细沟宽深比为1.93~2.35,随着降雨强度和坡度的增加而减小。通过相关分析发现,细沟割裂度是评价细沟侵蚀和细沟形态的最优指标;研究降雨强度对细沟形态的影响时,建议优先选用细沟割裂度、细沟复杂度和细沟倾斜度指标;分析坡度对细沟形态的影响时,除选取细沟割裂度外,建议优先选用细沟密度和细沟宽深比指标。细沟横断面主要呈"V形",随着降雨强度和坡度的增加,径流紊动性增强,细沟横断面变化趋于不规则,说明细沟横断面变化可以反映径流的变化特征,从而揭示细沟侵蚀发生机理。     

基于模拟降雨的北京褐土坡地土壤团粒流失特征试验

选取20°北京典型褐土坡面径流小区为试验对象,基于野外人工模拟降雨试验和有无雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响,研究了坡面土壤团粒组成及其变化特征,揭示了坡面侵蚀过程中泥沙团粒的分离和输移规律。试验处理包括3种代表性降雨强度(35、65、100 mm/h)和3种植被盖度(0%、30%、80%)。结果表明,消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀特征变化明显,坡面含沙量和土壤分离率分别减少25.91%~31.15%和35.10%~41.20%,坡面侵蚀泥沙团粒中值粒径均小于雨滴击溅坡面。通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值(E/U)分析泥沙团粒的粒径分选特征,发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在,而粗粉砂以初级粒子形式存在;随着降雨历时延长,侵蚀泥沙各粒级的分离程度增加,泥沙颗粒逐步分解为初级粒子。坡面侵蚀泥沙分离规律表明,泥沙团粒结构变化与坡面水动力学特征密切相关,土壤团聚体分形维数(D)与时间(T)呈幂函数关系。坡面产流前雨滴击溅对土壤分离有重要作用,其对土壤分离贡献率为28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分形维数增量是有雨滴打击增量的48.43%。在该区坡地泥沙颗粒输移过程中,稳定性较差的砂粒被分解为细小颗粒,粗粉砂多以初级粒子形式存在,对坡面侵蚀泥沙颗粒分离过程具有重要影响,而粘粒在侵蚀坡面则逐渐富集。     

模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究

探究植被覆盖下的坡面流阻力特性对土壤侵蚀模型的建立有着重要意义。通过3个坡度、7个流量和10个草被覆盖度下的定床冲刷实验，系统分析坡面薄层水流的流型流态与阻力特性。实验结果表明，坡面水流流态受到草被覆盖度与坡度的综合影响，主要分布在层流区及过渡流区。通过等效粗糙度和坡面水流流动阻力规律，推导出等效阻力系数fe的计算公式，公式表明草被覆盖度是影响水流阻力的重要因素，fe值随覆盖度增加而整体增大，实验结果显示当覆盖度在0%～37.68%的范围内时，等效阻力系数始终小于1.5；而当覆盖度在56.52%～94.2%的范围内时，fe由0.697～3.042增长至2.440～14.393。淹没度及雷诺数对等效阻力系数的影响与覆盖度密切相关，覆盖度低于18.84%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而呈减小趋势；而当覆盖度高于65.94%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而以较大的速率上升。研究结果以期为水土流失综合治理提供理论支撑。     

不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。     

黄土坡面细沟侵蚀及水动力学参数的时空变化特征

坡面细沟侵蚀速率和水动力学参数在坡面细沟发育过程中存在明显的时空变化。基于间歇性人工模拟降雨和三维激光扫描技术提取的高精度DEM,分析了黄土坡面细沟发育不同主导过程中细沟侵蚀和水动力学参数的时空分布规律。结果表明,细沟侵蚀速率和总侵蚀速率的最大值出现在以细沟沟底下切侵蚀为主的细沟发育活跃期,最小值出现在以沟头溯源侵蚀为主的细沟发育初期。细沟侵蚀速率与总侵蚀速率随降雨历时的变化皆呈先上升后趋于稳定,并在一定范围内波动的变化趋势,且总侵蚀速率早于细沟侵蚀速率达到稳定。细沟侵蚀量随单位斜坡长呈先上升后下降的抛物线形式分布,细沟侵蚀速率的最大值出现在坡面中下部。90 mm/h降雨强度下径流剪切力、径流功率和单位径流功率分别是60 mm/h降雨强度下的1.3、1.1、1.4倍。细沟间水流和细沟流的水动力学参数随降雨历时的增加呈不同的变化趋势。两种降雨强度下,径流剪切力、径流功率和单位径流功率随单位坡长的分布均呈波动上升趋势。单宽细沟侵蚀量与水动力学参数之间呈线性正相关关系,细沟发育初期坡面侵蚀发生的临界径流剪切力、临界径流功率和临界单位径流功率最大。     

复合坡度下雨水高效集蓄利用模式研究

通过复合坡面人工模拟降雨径流冲刷试验,研究了2种雨强下4种下垫面模式的坡面径流调控效应,从产流时间、侵蚀量、径流量以及泥沙含量等方面分析了径流调控的机理。结果表明:帕特草+PAM是一种理想的措施,其坡面径流量和侵蚀量均最小,较裸地对照(CK)分别提高了93.02%和98.13%,其次是帕特草+地孔,PAM+地孔;单纯在裸地上打地孔的坡面径流调控效果较裸地对照效果不明显。坡度对不同下垫面复合措施的影响甚微,而降雨强度对其影响却极为显著。坡面雨水的集蓄利用复合措施与水土保持综合治理模式改变了坡面的小地形状况,增加了植物(作物)覆盖度,加大了降水的入渗速率和数量,对黄土高原的水资源有效利用具有理论指导作用。     

北京地区等高草篱防治坡耕地水土流失效果

在北京地区采用自然降雨和模拟降雨相结合的方法,研究了狼尾草和野古草两种等高草篱在不同坡度（5%、10%、15%、20%）下对裸露坡耕地水土流失的影响。结果一致表明,狼尾草和野古草2种草篱均可显著降低坡耕地水土流失,且狼尾草草篱的效果显著好于野古草草篱。在自然降雨下（平均雨强13.3 mm/h）,狼尾草草篱可减少72.7%的地表径流和86.3%的土壤流失,野古草草篱可减少53.8%的地表径流和64.1%的土壤流失;在模拟降雨下（平均雨强49.5 mm/h）,狼尾草草篱可减少80.7%的地表径流和94.5%的土壤流失,野古草草篱可减少59.5%的地表径流和71.5%的土壤流失。另外,2种等高草篱防治水土流失的效果与坡度成显著负相关关系,随坡度增加2种草篱的水土保持功能逐渐减弱,但至20%坡度时,其对径流和土壤流失的降低作用仍维持在40%和50%以上。回归分析结果显示,草篱因素已经超过坡度和雨强,成为控制坡耕地水土流失的首要因素。     

Soluble potassium transport in agricultural runoff water

Potassium transport in runoff from three agricultural soils was investigated in laboratory and field experiments using a kinetic equation describing soil K desorption. In the laboratory, this equation was used to study the effect of rainfall intensity and soil slope, cover, and residue incorporation on the effective depth of interaction between surface soil and runoff (edi), an important parameter in the kinetic equation. Using simulated rainfall, edi increased linearly (from 1.6 to 22.0 mm) with an increase in rainfall intensity (50 to 160 mm h⁻¹) and soil slope (2 to 20%). edi was reduced an average 82% following incorporation of 5.0 t ha⁻¹ of wheat straw (Triticum aestivum L. sp.) and 44% by a 0.5-mm² mesh screen, simulating crop cover, compared to the control (4.5 mm). This reduction was attributed to a decreased turbulent mixing of water at the soil surface brought about by an increased physical protection of soil. For all soils and treatments, edi was logarithmically related to soil loss (r² = 0.80), allowing estimation of edi under variable rainfall intensity, soil slope, type, and cover conditions from measured or estimated soil loss. The values of edi, thus estimated were used in the kinetic equation to predict solution K transport in runoff from eight agricultural watersheds in Oklahoma, U.S.A. Measured and predicted mean annual flow-weighted concentrations of solution K were not significantly different and were strongly correlated (r² = 0.92). These results improve our capability to predict K transport in runoff under field conditions. These methods could also be applied to other agricultural chemicals transported in runoff and results used to improve management of soil and water.     

雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响

基于人工模拟降雨试验,研究了雨型对东北黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响。根据典型黑土区侵蚀性降雨标准及雨型特征,试验设计了总降雨量相同(降雨量为87.5 mm)的5种不同雨型,即增强型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125 mm/h)、减弱型(降雨过程中降雨强度分布为125-100-75-50 mm/h)、峰值型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125-100-75-50 mm/h)、谷值型(降雨过程中降雨强度分布为100-75-50-75-100 mm/h)和均匀型(降雨过程中降雨强度保持75 mm/h不变),以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°)。结果表明,受前期预降雨的影响,各雨型处理的顺坡垄作坡面径流量差异较小,但坡面侵蚀量存在明显差异,其中峰值型雨型引起的坡面侵蚀量最大,分别是谷值型、减弱型、均匀型和增强型雨型处理下的1.20、1.63、1.78、1.80倍。引起侵蚀量较大的雨型(峰值型、谷值型和减弱型)在典型黑土区天然降雨中出现频次超过70%,这可能是该区夏季顺坡垄作坡面侵蚀作用强烈的重要原因之一。同一降雨强度在不同雨型中出现的时序不同,其产生的径流量和侵蚀量对总径流量和总侵蚀量的贡献率也不相同。除125 mm/h外,同一降雨强度出现在起始阶段产生的侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率显著大于其出现在其他阶段对坡面总侵蚀量的贡献率。     

基于SWAT模型的沂蒙山水土流失治理区地表水与地下水转化规律研究

为研究沂蒙山水土流失治理区,气候及植被覆盖变化影响下,水资源转化规律,以蒙阴县岸堤水库控制流域为研究对象,采用归一化植被指数(NDVI)为指标,分析植被覆盖的时空变化规律,采用分布式水文模型SWAT研究流域水文要素的时空演变规律,定量分析地表水与地下水转化量.计算结果表明:2000-2016年,流域NDVI呈增大趋势,...     

Runoff estimation in southern Brazil based on Smith's modified model and the Curve Number method

The objective of this work was to measure and model the runoff for different soils classes at different rainfall intensities (30, 60 and 120 mm h⁻¹) in Southern Brazil. A portable rainfall simulator with multiple nozzles was used to simulate these rainfall intensities. For each soil, the initial time and runoff rate, rainfall characteristics (total, duration and intensities), surface slope, crop residue amount and cover percentage, soil densities (bulk and particle), soil porosity (bulk, macro and micro), textural fractions (clay, silt and sand), and the initial and saturated soil water content were measured. The runoff measured was compared to Smith's modified and Curve Number (USDA-SCS) models. The cumulative runoff losses were 67, 45 and 27% of the total rainfall, for a Rhodic Paleudalf, Typic Quartzipsamment and Rhodic Hapludox, respectively. An inverse relationship was observed between initial runoff and the runoff rate, independently of the soil surface and rainfall conditions. Increasing rainfall intensity decreased the time to runoff and increased runoff rate. The Smith's modified model overestimated the cumulative runoff by about 4%. The Smith's modified model presented a better estimate for both higher and lower rainfall intensities (120 and 30 mm h⁻¹). The SCS Curve Number model overestimated the cumulative runoff by about 34%. This large overestimate is probably due to that the model did not take into account the soil tillage system used in the field by farmers, particularly for irrigated conditions. The combination of high porosity, low bulk density and presence of crop residue on soil surface decreased runoff losses, independently of the soil texture class. Smith's modified model better estimated the surface runoff for soil with a high soil water content, and it was considered satisfactory for Southern Brazil runoff estimations. The SCS Curve Number model overestimated the cumulative runoff and its use needs adjustments particularly for no-tillage management system.     

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。     

不同地表条件下土壤侵蚀的坡度效应

通过野外人工模拟降雨的方法，对不同地表条件下的径流和产沙的变化与坡度、降雨量、降雨强度等因素进行了相关分析，并在此基础上，就上述过程中的坡度效应进行了评价。结果表明，在相同降雨作用下，坡度对土壤侵蚀影响表现为：光滑地表大于中等粗糙地表大于粗糙地表；但在不同地表条件下，坡度与侵蚀和径流的相关性表现出不同。相对光滑地表，中等粗糙与粗糙的地表。在不同降雨作用下，径流量与侵蚀量，随坡度的变化，表现出不同的变化规律。且存在着一定的临界坡度。这一研究，为该区域坡耕地水土保持措施的配置提供了一定的理论依据，同时也可服务于黄土高原退耕还林（草）工程的实施。     

聚丙烯酰胺(PAM)对不同土壤坡地水分养分迁移过程的影响

采用室内人工降雨模拟试验,分析了小降雨强度下聚丙烯酰胺(PAM)对塿土和砂黄土坡面土壤水分养分迁移过程的影响。试验结果表明,与对照相比较,PAM处理降低坡地入渗速率,增大了地表径流量,砂黄土表现更显著,其径流系数提高了约113%;PAM对土壤硝态氮流失过程影响甚微,但对径流磷和钾的流失特征影响显著;施加PAM分别增加塿土坡地径流磷和径流钾流失量近55%和100%,分别提高了砂黄土坡地径流磷和径流钾流失量1.4倍和4.8倍。因此,水蚀环境不严重的黄土坡地,采用地表施加PAM方式来降低土壤养分流失的途径是不适宜的。