冻融条件下藻结皮对土壤分离能力的影响

为探明生物结皮存在时,冻融条件下结皮盖度、坡度和流量对土壤分离能力的影响,以黄土高原北部东柳沟小流域的藻结皮为研究对象,采用室内模拟冻融和放水冲刷相结合的试验方法,利用正交设计和田口方法分析藻结皮盖度、坡度、流量和冻融对土壤分离能力的影响。结果表明：土壤分离能力最大时盖度、坡度和流量分别为10%、20 7)和24 L/min,而冻融次数正交设计和田口方法中分别为10,1次。冻融条件下,随藻结皮盖度的增大土壤分离能力逐渐减小;随坡度和流量的增加土壤分离能力增大;正交设计中土壤分离能力随冻融次数的增减呈先减小后增大的趋势,而田口方法中则在试验条件下无明显变化规律。正交设计中坡度是影响土壤分离能力的主要因子,各因子对土壤分离能力的贡献率为坡度(15.08%)>盖度(14.38%)>流量(13.69%)>冻融(-13.23%);田口方法中藻结皮盖度是土壤分离能力的主要影响因子,且各因子对土壤分离能力的贡献率为盖度(30.41%)>坡度(25.32%)>流量(1.59%)>冻融(0.85%)。田口方法预测的土壤分离能力相对误差变化幅度小(CV=0.49),决定...     

冻融对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响

冻融后坡面为水力侵蚀产沙提供了大量有效物质源,是河道泥沙的主要策源地。该研究利用室内模拟冻融和径流冲刷试验,设置不同冻融循环次数、坡度和流量梯度,分析冻融对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响机制。结果表明,冻融条件下,坡度、流量和冻融循环次数均对土壤分离能力有显著影响(P0.05),贡献率分别为17.94%、19.96%和18.43%。冻融前后,土壤分离能力基本均随坡度和流量的增加而增大,冻融后的均值(5.28±2.48g/(cm~2·min))显著大于冻融前(2.39±1.71 g/(cm~2·min)),但冻融后的增幅明显小于冻融前。不同坡度和流量条件下,冻融1次后,土壤分离能力均显著增大(P0.05),但其随冻融循环次数增加的变化趋势差异较大,只有在坡度与流量同时较小(10°和≤18L/min)或较大(15°和≥18L/min)时,呈显著增大趋势。冻融循环1、5、10次后,土壤细沟可蚀性分别增大1.25、1.66和1.72倍,随冻融次数的增加逐渐趋于稳定;土壤临界剪切力冻融后显著降低,与冻融次数无明显关系。冻融后土壤平均容重、水稳性团聚体和抗剪强度分别降低了6.61%、24.77%和21.35%,土壤孔隙度和三相结构指数变化与之相反。冻融条件下,土壤细沟可蚀性与水稳性团聚体和抗剪强度呈显著负相关关系,而与孔隙度呈显著正相关关系。     

坡面水流分离崩岗崩积体土壤的动力学特征

利用变坡式水槽,在坡度(20°,25°,30°,35°,40°)和流量(1.1,2.2,3.3,4.4,5.5L/min)下进行崩岗崩积体土壤的分离试验。结果表明:流量对土壤分离速率的作用大于坡度,土壤分离速率与坡度及流量呈线性相关;水深对土壤分离速率的影响大于坡度,土壤分离速率与坡度及水深呈线性相关;土壤分离速率与水流流速呈指数函数关系;水流剪切力、水流功率及单位水流功率与土壤分离速率之间的关系均为线性关系,其中,水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩积体的土壤分离速率。     

模拟降雨下前期含水量对黄绵土坡面产流产沙过程的影响

为探究不同前期土壤含水量条件下坡面产流产沙特征及产流产沙关系，以安塞黄绵土为研究对象，通过设置6个前期土壤含水量处理(5%,10%,15%,20%,25%,30%),采用室内人工模拟降雨试验来系统研究前期土壤含水量对坡面产流产沙过程的影响。每个含水量处理设置2个重复，坡面坡度为15°,设计雨强为90 mm/h,降雨历时为1 h。结果表明：(1)随着前期土壤含水量的升高，坡面初始产流时间幂函数减小，产流量线性增大。(2)坡面土壤流失量随前期土壤含水量增大呈幂函数增加，高含水量组(29.3%)土壤流失量分别是低含水量组(5.8%和10.6%)和中含水量组(15.3%,20.4%,25.1%)的86.1,8.9倍。当前期含水量接近饱和时，坡面侵蚀加剧，土壤流失量迅速增加。(3)不同前期土壤含水量条件下坡面产流量与产沙量呈幂函数关系，当产流速率超过1.4 L/min,产沙量迅速增加甚至翻倍，呈“水大沙多”的特点。前期土壤含水量通过影响入渗产流和改变径流泥沙关系双重作用来影响坡面产沙。因此，对黄绵土坡面而言，应注意防范连绵持久降雨后暴雨或特大暴雨所造成的水土流失问题，可采取耕作、植被覆盖等措施维...     

不同坡度坡耕地土壤氮磷的流失与迁移过程

采用人工模拟降雨试验研究不同坡度的土壤侵蚀程度,分析了土壤养分在不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)随坡面径流流失及水分入渗向下迁移的动态变化过程和机制。结果表明,在恒定降雨强度下,初始产流10min内,产流产沙量随时间迅速递增,随后缓慢增加并逐渐趋于稳定,总产流量大小为15°10°20°5°25°;10°总产沙量最大,15°和20°总产沙量相近,5°和25°总产沙量接近。不同坡度条件下总产流量和总产沙量随坡度的变化趋势均可用二次函数拟合,相关系数R2为0.65。10°~15°坡度之间存在一个对径流中养分浓度变化有显著影响的转折点。硝态氮在湿润层内的迁移过程用幂函数描述,铵态氮在湿润层内的浓度变化用三次多项式拟合,速效磷浓度在湿润层内随深度变化并不明显;硝态氮、铵态氮总流失量随坡度的变化趋势符合二次多项式变化,相关系数R2分别为0.91和0.77。20°时水溶性磷流失总量最大,为15°坡面的1.61倍。径流中初始养分浓度主要受养分在径流中溶解度的影响,在产流后期,土壤流失量对径流养分浓度的影响程度加大。     

径流冲刷条件下冻融坡面产沙时空分布

为确定冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙时空分布特征,利用稀土元素(REE)示踪技术,采用2个坡度(10°,15°),4个初始解冻深度(2,5,10,15cm),4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)进行径流小区冲刷试验,分析冻融坡面侵蚀产沙时空变化规律。结果表明:相同初始解冻深度条件下土壤侵蚀产沙量随着坡度和流量的增大而增大,坡面第1坡段发生侵蚀最大,占总产沙量的68.24%,第3坡段产沙量一直趋于平稳状态;坡度相同时,侵蚀产沙量随着起始解冻深度和流量的增大而增大;冻融坡面侵蚀产沙量沿坡面方向和沿土壤深度方向逐渐降低;La元素示踪区产沙量随时间变化呈先增大后减小的趋势,其他各稀土元素示踪区产沙量随侵蚀时间变化的趋势与La元素示踪区产沙量的变化趋势基本一致。     

急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化的水动力学机制研究

为探明模拟降雨条件下急陡黄土坡面侵蚀产沙的水动力学特征,采用室内模拟降雨的方法研究了6个坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)和3个雨强(1.0,1.5,2.0mm/min)组合条件下急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化规律以及土壤剥蚀率与各水动力学参数之间的关系。结果表明:同坡度下土壤剥蚀率随雨强的增加而增大,相同雨强下坡度对土壤剥蚀率的影响存在临界效应(40°~45°),当坡度小于临界坡度时,土壤剥蚀率随着坡度的增加而增大,当坡度大于临界坡度时,土壤剥蚀率随坡度的增加而减小;径流剪切力、径流功率与过水断面单位能随坡度和雨强的增大均呈增加趋势,其中规律最好的是径流功率;急陡黄土坡面土壤剥蚀率与平均径流剪切力、平均径流功率与平均过水断面单位能均呈幂函数关系,就拟合优度而言,R~2(ω)R~2(τ)R~2(E)。因此本试验条件下平均径流功率是描述急陡黄土坡面径流侵蚀的最优水力学参数。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响

坡度是红壤坡面侵蚀的重要因子,通过室内模拟降雨试验研究3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min),3个坡度(10°,15°,20°)条件下坡度对红壤坡面产流、产沙过程影响。结果表明:(1)相同雨强下,坡面初始产流时间随坡度增加逐渐缩短,坡度与坡面径流量呈正相关关系;相同坡度下,随雨强增加初始产流时间及坡面径流量差异均减小。(2)坡度对红壤坡面含沙量的影响表现为平均产沙量随坡度增加而增大,其中15°坡度下坡面产沙过程波动较大。(3)坡度对坡面径流量的贡献率在60%以上,而坡度对坡面产沙量贡献率保持在30%左右。通过分析不同降雨条件下坡度对红壤坡面侵蚀过程影响,以期为红壤水土流失地区的水土保持预测与措施布没提供相应理论参考。     

花岗岩崩岗不同层次土壤抗冲性及其影响因素

针对湖北通城花岗岩崩岗区发育的淋溶层(A层)、淀积层(B层)、过渡层(BC层)以及母质层(C层),采用不同坡度(8.8%,17.6%,26.8%,36.4%,46.6%)和不同流量(0.2,1.0L/s)相结合的室内放水冲刷试验,分析崩岗各层次土壤的抗冲性指数,初步探讨花岗岩崩岗不同坡度及各层次土壤主要理化性质对抗冲性的影响。结果表明:(1)湖北通城县崩岗土壤A层、B层、BC层以及C层的理化性质存在较大差异。(2)当流量一定时,随着坡度的增大,土壤的抗冲性指数均表现为减小的趋势;当坡度一定时,大流量条件下土壤的抗冲性指数较小;在相同坡度和流量条件下,土壤的抗冲性指数均由A层向C层递减,说明A层抗冲性能最好,C层最差。(3)各层次的土壤抗冲性指数随坡度呈显著的线性递减关系(p0.05),土壤的抗冲性能随坡度的增加而减小,其中A层回归方程的系数项绝对值最大,常数项也最大,说明A层的抗冲性随坡度的变化最快,抗流水侵蚀能力最强,土壤流失量最少。(4)土壤抗冲性与粉粒含量、黏粒含量、水稳性指数、渗透系数呈正相关;与土壤干密度、砂粒含量呈负相关,其中和干密度以及水稳性指数的相关性较高,表现为极显著相关;土壤抗冲性与有机质含量、CEC、游离氧化铁呈正相关,与土壤pH呈负相关,其中与有机质含量的相关性系数大于0.9,相关性极显著。     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究.采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm;3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征.结果表明:不同近地表水流饱和深度下...     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响

西南喀斯特地区普遍发育的生物结皮，对土壤侵蚀有显著的抑制作用。以贵州喀斯特坡面不同退耕年限地块(0,3,5,8,11年)生物结皮为研究对象，对不同流量水平(0.2,0.3,0.4,0.5 L/s)和坡度(5°,12°,17°,23°)条件下生物结皮对土壤抗蚀性能的影响机制进行研究。结果表明：(1)生物结皮发育能够促进土壤颗粒胶结，增强土壤团聚体稳定性，改善土壤结构，提高土壤持水和透水能力。(2)生物结皮发育可增强土壤抗崩解和抗剪切能力，与去除结皮处理相比，结皮存在时的土壤抗崩解和抗剪切能力分别提高24.83%～46.62%和25.77%～37.73%。(3)发育年限内(3～11年)结皮层抗拉力变化范围为1.95～5.76 N,随着生物结皮发育年限增加，结皮层结构越趋稳定，其抵抗破坏的能力也越强。(4)生物结皮可明显提高土壤抗冲性能，且受流量和坡度的双重制约，流量和坡度都存在临界值，分别为0.4 L/s和17°,超过临界值后，其保护作用显著减弱。研究结果对于喀斯特地区准确估算土壤流失和生态恢复建设正确评价具有重要意义。     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀.输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义.通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度...     

渭北台塬区新增坡耕地土壤侵蚀产沙模拟试验研究

[目的]研究不同放水流量条件下坡面土壤的侵蚀产沙规律,揭示渭北台塬区新增坡耕地坡度及土壤容重对侵蚀程度的影响,为该区坡耕地开发利用提供理论支持和实践指导。[方法]通过室内模拟试验开展研究。[结果]土壤入渗率随放水流量的增大呈现先增大后减小的趋势,且存在明显的转折点,并随容重的增大而减小,径流量随容重和放水量的增大而增大;土壤容重越大,产沙量也越大,容重1.6g/cm3较1.2g/cm3,1.4g/cm3的坡耕地产沙量明显增大;坡度越大,土壤侵蚀越剧烈,在5°坡时,产沙量存在临界值;放水流量越大,产沙量越大,当放水量超过6L/min时,增加趋势更加明显。[结论]渭北台塬区新增坡耕地的易侵蚀程度与土壤容重和坡度密切相关,为减少侵蚀,应控制容重在1.4g/cm3左右,坡度不宜超过15°。     

坡面薄层水流分离土壤的动力学机理

为探讨土壤分离过程的水动力机理及植被根系对土壤分离的抑制作用,采用变坡实验水槽,系统研究坡度、流量及根系对土壤分离速率的定量影响。结果表明,土壤分离速率是坡度、流量及根系密度的函数;植被根系能显著降低土壤分离速率,草地土壤分离速率均值仅为休闲对照地的30.6%;随根系密度增加,土壤分离速率呈指数关系下降;0～4 kg/m^3为根系减少土壤分离的有效密度区间,在此范围内,根系密度的增加能引起土壤分离速率的急剧降低,超过4 kg/m^3,随根系密度增加,土壤分离速率的降幅并不明显。     

土壤侵蚀物理模型中紫色土细沟侵蚀参数研究

以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟土槽,研究不同流量、坡度和沟长情况下,紫色土细沟侵蚀特征,并量化了细沟侵蚀参数。结果表明:细沟侵蚀受水流水力特征、土壤性质和坡面影响,随着水流含沙量的增大,细沟侵蚀速率呈现减小趋势;流量越大,坡度越陡,细沟水流的剥蚀率越大,造成细沟侵蚀速率也越大。在5L/min的小流量下,细沟侵蚀速率受剥蚀率限制与含沙量没有出现线性关系,15,25L/min流量下,细沟侵蚀速率与含沙量呈线性相关。侵蚀速率在细沟开始处最大,随沟长的增大,水流能量消耗于挟带泥沙而迅速减小,相关性分析得到侵蚀速率与沟长呈指数递减,相关系数R2变化于0.45~0.98之间。通过回归分析得到试验条件下,紫色土细沟土壤可蚀性均值为0.005 3s/m,临界剪切力均值为2.92Pa。研究结果对于坡面土壤侵蚀物理模型的建立和推广应用提供数据支撑,为紫色土坡面侵蚀研究提供借鉴。     

Modelling Soil Detachment of Different Management Practices in the Red Soil Region of China

Soil erosion from cropland is a primary cause of soil degradation in the hilly red soil region of China. Soil characteristics and the resistance of soil to erosion agents can be improved with appropriate management practices. In this study, hydraulic flume experiments were conducted to investigate the effects of five management practices [manure fertilizer (PM), straw mulch cover (PC), peanut–orange intercropping (PO), peanut–radish rotation (PR) and traditional farrow peanut (PF)] on soil detachment. Based on the results, three conservation management practices (PC, PM and PO) increased the resistance of soil to concentrated flow erosion. The rill erodibility of different treatments was ranked as follows: PC (0·001 s m⁻¹) < PM (0·004 s m⁻¹) < PO (0·007 s m⁻¹) < PF (0·01 s m⁻¹) < PR (0·027 s m⁻¹). The rill erodibility was affected by soil organic content, aggregate stability and bulk density. The soil detachment rate was closely correlated with the flow discharge and slope gradient, and power functions for these two factors were developed to evaluate soil detachment rates. Additionally, the shear stress, stream power and unit stream power were compared when estimating the soil detachment rate. The power functions of stream power and shear stress were equivalent, and both are recommended to predict detachment rates. Local soil conservation can benefit from the results of this study with improved predictions of erosion on croplands in the red soil region of China. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。