黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应

定量分析减少径流和改变水沙关系在泥沙调控中的不同作用,对于深刻理解径流调控措施的水土保持效益具有重要意义。以黄土区工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,探讨了野外模拟径流冲刷试验条件下,不同工程措施及其组合调控坡面径流的水沙效应及其作用效率。结果表明:1)不同工程措施均能较好地调控坡面径流侵蚀过程,不同情形下的产流时间控制比为2～20,径流量控制比为0.45～0.78,产沙量控制比为0.20～0.59;平均含沙量控制比为0.38～0.79;2)减流控沙作用是工程措施调控坡面侵蚀产沙的主要原因,水沙关系调沙作用则受减流控沙作用的制约;3)水平阶类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈线性正相关,当减流控沙量超过一定临界值时,水沙关系才开始发挥调沙作用;水平沟类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈二次函数关系,水沙关系调沙量存在极大值;4)水平沟类措施调控泥沙的作用效率高于水平阶类措施,水平沟+鱼鳞坑的组合可很好地发挥减流控沙和水沙关系调沙作用的潜力(55%),使二者在较高的水平上维持相对平衡;因此,不同工程措施与组合的实际应用应以具体的水土保持效益和防治目标为布设依据。研究可为堆积体陡坡治理的工程措施优化提供理论参考。     

红壤侵蚀退化坡面植被恢复过程中的水土保持效益演变

为探究花岗岩红壤侵蚀退化坡面植草措施实施中植被在不同生长阶段水土保持效益的演变规律，设置条带型（D1）、随机型（D2）、斑块型（D3）3种不同植草格局坡面，并以侵蚀退化裸地坡面（CK）作为对照开展试验，在天然降雨条件下监测整个植被生长过程中的坡面土壤侵蚀变化特征。结果表明：（1）植被的生长可显著提升坡面的水土保持能力，随着植被生长阶段的推进，坡面的产流产沙量明显下降，减流效益达20.74%~79.03%，减沙效益达97.42%~99.40%，但在不同降雨类型下，随着植被生长，坡面减流减沙效益表现出的递增变化规律具有差异。（2）植被生长能逐渐削弱降雨因素对坡面产沙的影响，使得坡面减沙率在不同雨型间的差异逐渐减小，最终稳定在一个较高水平，不同雨型间坡面减流率的差异在植被生长各时期皆较大。减流率、减沙率与植被生长时间二者之间存在对数函数关系，相关系数分别大于0.491和0.792。植被生长指标（分蘖数、盖度、株高）与坡面产流产沙量之间呈显著或极显著负相关关系。（3）从整个植被生长过程来看，3种植草格局的水土保持效益大小表现为D1>D3>D2，在植被生长的前期以及前中期，高植株密度的分布格局强于低植株密度分布格局，后期各格局差异较小。研究结果为南方红壤水土流失区严重侵蚀退化地植被恢复提供科学依据及技术支撑。     

湘中低山丘陵区坡面产流输沙对降雨、土壤类型及水保措施的综合响应特征

针对湘中低山丘陵区地形地貌条件多样、水土流失影响机制复杂的问题,选取湖南省中部井头(黄壤)、秋波(紫色土)以及莲荷(红壤)3个径流场不同水土保持措施径流小区,综合探究湘中丘陵区不同土壤类型、水土保持措施以及侵蚀性雨型等因子对坡面产流输沙规律的影响特征。结果表明:在年降水量相近的条件下,年径流深和年侵蚀量均为红壤紫色土黄壤;各水保措施小区的减流效益较差,但其减沙效益较好,以黄壤草地措施、紫色土水保林以及红壤经果林和草地措施减沙效益较为明显,年侵蚀减沙率分别达87.89%,55.88%,37.99%和41.07%;大雨强、短历时、低雨量、高频率的降雨占各小区侵蚀降雨场次的比例均在50%以上,该类降雨也是黄壤和红壤各小区坡面产流输沙以及紫色土各小区产流的主导雨型。中雨强、长历时、高雨量、低频率降雨是引起各小区单次降雨径流泥沙流失量最大的雨型。研究结果对完善水土流失的相关理论和规律具有重要的意义,对区域水土保持工作的开展提供了重要的指导作用和理论价值。     

坡面径流侵蚀产沙机理试验研究

利用野外模拟降雨试验,分析不同植被条件覆盖下坡面降雨入渗产流和侵蚀产沙过程特征及其互作关系,阐明不同植被类型对坡面降雨侵蚀产沙过程的调控机理及其差异。结果表明：荒地、草地和坡耕地坡面产流产沙过程线均较林地的强烈,呈现出多峰多谷的特点,产沙过程较产流过程波动更为剧烈;坡面累计产沙量随累计径流量增加呈幂函数显著递增趋势,坡面侵蚀产沙过程表现为发育期、活跃期和稳定期3个阶段。在水沙调控方式上,林地主要通过植被根系削减侵蚀动力、增加入渗、削减径流及减缓流速等途径实现水沙调控,具有蓄水减沙的水土保持功效;草地植被主要通过地表植被冠层拦截实现水沙调控,具有直接拦沙的水土保持功效;植被空间结构对水沙调控作用有明显差异,其中植被根系的存在对发挥植被水土保持作用至关重要。     

黄麻土工布覆盖对花岗岩红壤表土坡面侵蚀特性的影响

[目的]探究黄麻土工布覆盖条件下花岗岩红壤表土坡面侵蚀特性,为花岗岩红壤区坡面土壤侵蚀防治提供科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,在2个坡度(5°和15°坡度)、3种密度(无覆盖,6 cm×6 cm及3 cm×3 cm网格)的黄麻土工布覆盖条件下,研究极端降雨条件下(90 mm/h)花岗岩红壤表土的坡面侵蚀特性,并观测径流系数、土壤侵蚀速率、泥沙颗粒变化规律及富集率等指标。[结果]坡面径流随降雨历时增加而增加,土壤侵蚀速率则相反,表明侵蚀过程是一个分离受限的过程。和对照组相比,黄麻土工布覆盖在不同试验条件下都具有明显的减流减沙作用。另外,由侵蚀泥沙的粒径分选规律可知,坡面土壤中的黏粒和粉粒大小的颗粒倾向于被优先选择性搬运,其结果致使坡面石英粗颗粒富集,在缓坡(5°)与高密度黄麻土工布覆盖条件下(3 cm×3 cm网格)尤为突出。坡面石英粗颗粒随降雨历时增加不断富集进一步增加了原位坡面的侵蚀抗性,产生了土壤侵蚀速率随降雨历时不断降低的现象。[结论]高密度黄麻土工布的覆盖能够有效地减流减沙,增加原位坡面抗蚀性,是一种有效的水土保持措施,在今后的土壤侵蚀防治和劣地恢复工作中应该被重视。     

红壤坡地不同果园套种模式水土保持效果研究

果树种植是红壤丘陵区坡地利用的主要模式,传统的清耕与粗放经营,导致果园水土流失严重.为探讨坡地综合开发治理的模式与解决的途径,选择适宜的果园套种措施,通过5a的野外定位观测试验,研究了8种不同果园套种模式的水土保持效果差异.结果表明:不同套种模式具有很好的蓄水减沙效应,不同草类套种、不同耕作方式蓄水减沙效益不同;与果园清耕相比,套种草类蓄水减沙效应明显高于套种农作物,套种草类覆盖达80%以上时,其减流减沙效率可达92%以上,横坡耕作套种农作物模式的减流减沙效应比顺坡耕作套种模式高20%以上.     

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。     

模拟降雨下草被坡面水沙调控效应及水分转化研究

以黄土丘陵区四种多年生牧草(鸡脚草、白三叶、小冠花、百脉根)为研究对象,采用人工模拟降雨试验方法,定量研究不同草被措施不同生长阶段(5月上旬、6月上旬、7月中旬和8月下旬)的坡面水沙调控效应及土壤水分转化特征。结果表明:在整个生长周期内,四种草被措施坡面产沙率和含沙量均表现为鸡脚草坡面白三叶坡面小冠花坡面百脉根坡面裸地坡面。随着生长时间延长,四种草被措施坡面减流效益、减沙效益、土壤稳定入渗速率和土壤平均含水量增量均呈现先增大后减小的趋势。其中,鸡脚草坡面和白三叶坡面在结实期达到最大,小冠花坡面和百脉根坡面在孕蕾期达到最大。在不同生长阶段,鸡脚草坡面和白三叶坡面减流效益、减沙效益、土壤稳定入渗速率和土壤平均含水量增量均大于小冠花坡面和百脉根坡面,其中以鸡脚草坡面最为显著。四种草被措施在不同生长阶段坡面减沙效益都远大于减流效益。黄土丘陵区坡面水土流失主要来自7—9月份频率较高的降雨所产生的坡面径流,鸡脚草和白三叶生长旺盛期与水土流失频发阶段吻合,使其调控坡面水沙能力得以充分体现。     

不同水土保持耕作措施对径流泥沙与土壤碳库的影响

为了研究南方红壤坡地不同水土保持耕作措施的蓄水保土和固碳减排效应,通过江西省水土保持生态科技园5a的定位观测资料,对3种耕作措施（横坡间作,纵坡间作和果园清耕）条件下坡面产流产沙及土壤碳库的变化进行了分析。结果表明：（1）与裸露对照相比,3种耕作措施均具有一定的蓄水减流和保土减沙效应,其减流率在21.16%～75.32%,减沙率在38.08%～80.57%,红壤坡地不同耕作措施的蓄水保土效应从优至劣排序为：横坡间作〉纵坡间作〉果园清耕;（2）与裸露对照相比,3种耕作措施均具有提高土壤有机碳质量分数和增加土壤碳库的作用,其表层土壤总有机碳质量分数增加幅度为37.24%～66.34%,土壤碳储量增加幅度为35.23%～55.34%,红壤坡地各项耕作措施实施5a后的表层土壤碳库指数和土壤碳储量大小排序均为：纵坡间作〉横坡间作〉果园清耕;（3）间作措施的蓄水保土和固碳减排效益优于清耕措施,适宜在红壤坡地推广。     

耕作措施及雨强对南方红壤坡耕地侵蚀的影响

选择典型南方红壤区平均坡度为10°的坡耕地小区进行天然降雨观测,对横坡耕作、顺坡耕作、顺坡耕作+植物篱、稻草覆盖4种耕作措施在侵蚀过程中的径流泥沙和养分流失特征进行研究。结果表明,监测期间,径流深和泥沙流失量基本随雨强的增大而增加。随着耕作措施由顺坡耕作向顺坡耕作+植物篱、横坡耕作、稻草覆盖的转换,减流效益、减氮效益和减磷效益依次增大。稻草覆盖措施减流效益最佳,为91.77%;横坡耕作措施减沙效益最佳,为98.91%;稻草覆盖、横坡耕作和植物篱3种措施在防治高强度降雨引发的土壤侵蚀和养分流失具有较高的效益。耕作措施对泥沙粒径分布有影响。与顺坡耕作、横坡耕作相比,植物篱和稻草覆盖措施能够更有效地拦截径流中的粗颗粒。该研究可为南方红壤丘陵区坡耕地选择合适的耕作措施和防治农业非点源污染提供依据。     

不同土地利用方式下赤红壤坡面土壤侵蚀特征

为探究降雨和土地利用对南方赤红壤坡面侵蚀特征的影响,通过天然降雨观测试验,定量分析不同土地利用方式(坡耕地、果园、人工草地和撂荒地)下坡面径流和侵蚀泥沙特征,探讨降雨类型及土地利用对坡面侵蚀产沙的影响以及降雨特征参数与坡面水沙指标间的关系。结果表明:(1)2018年研究区降雨主要集中在5—9月,且每月降雨量主要由一场或几场暴雨及大暴雨组成;(2)坡耕地坡面年径流量和年侵蚀量均最大,分别是果园、人工草地以及撂荒地处理下的3.4,8.0,6.0倍和340.5,1605.3,1720.3倍;(2)次降雨下,坡面径流量在年内表现为前期平稳,后期波动增加,侵蚀量表现为前期波动较大,后期变化相对平稳,且侵蚀产沙主要集中在前期;(3)不同土地利用方式下,暴雨及大暴雨产生的径流量均占年径流量的75%以上,坡耕地、果园、人工草地以及撂荒地处理下由暴雨和大暴雨产生的侵蚀量分别占年侵蚀量的99.1%,71.8%,52.3%和51.6%;(4)降雨量和最大30min降雨强度是影响赤红壤坡面侵蚀最重要的降雨特征参数,降雨历时和植被覆盖度均显著影响果园、人工草地及撂荒地坡面径流量。研究结果有助于明晰南方赤红壤区不同土地利用现状土壤侵蚀特征,为区域水土保持提供参考依据。     

桂西北喀斯特区石灰土与红壤坡地幼龄橘园降雨侵蚀特征

为探究桂西北喀斯特区石灰土与红壤坡地幼龄橘园的降雨侵蚀特征，通过室内人工模拟降雨试验，研究3种降雨强度(30,60,90 mm/h)下，石灰土与红壤坡地幼龄橘园的产流产沙特征。结果表明：(1)降雨强度为30,60 mm/h时，红壤橘园的产流总量分别为石灰土橘园的2.46,1.83倍，且红壤橘园主要以地表产流为主，石灰土橘园主要以壤中流产流为主；当降雨强度为90 mm/h时，二者产流总量无显著性差异(p>0.05),均以地表产流为主。(2)石灰土橘园与红壤橘园地表径流强度随降雨强度增大而增大；但随着降雨强度增大，石灰土橘园的壤中流径流强度呈先增大后减小趋势，红壤橘园壤中流径流强度却在减小。(3)降雨强度为60 mm/h时，红壤橘园产沙总量为石灰土橘园的3.74倍，当降雨强度为90 mm/h时，石灰土橘园产沙总量为红壤橘园的2.86倍；在降雨过程中，石灰土橘园产沙量随着降雨历时增大上下波动较为剧烈，红壤橘园产沙量随降雨历时增大波动幅度较小。(4)当降雨强度≥60 mm/h时，石灰土橘园与红壤橘园累积产沙量与累积产流量存在显著线性关系，且降雨强度越大线性关系越明显。研究结果可为喀斯特地...     

清耕对赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征的影响

为探究降雨和管理措施对南方赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外原位径流小区观测试验,探讨清耕和刈割处理下赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征。结果表明:2018年研究区降雨主要集中在5—9月,2019年主要集中在3—8月,2018—2019年研究区80%以上降雨是侵蚀性降雨。2018年、2019年果园坡面年径流量和侵蚀量及次降雨下坡面径流量、侵蚀量均表现为清耕处理>刈割处理,且与径流量相比,二者的侵蚀量差异更为明显。次降雨下,2018年不同处理下果园坡面径流泥沙量在3—4月变化平稳且差异小,5—9月出现了不同程度的波动,且与刈割处理相比,清耕处理波动幅度更大; 2019年不同处理下坡面径流量在2—3月,7—9月波动较大,4—7月变化平缓,但侵蚀量在年内整体波动较大。与清耕处理相比,刈割处理可以减少暴雨和大暴雨降雨等级下果园坡面径流量; 同时刈割处理下中雨、大雨和暴雨降雨等级下果园坡面侵蚀量显著降低,且暴雨降雨等级下的降低作用尤为明显。刈割和清耕处理下坡面径流量与降雨历时呈显著相关关系,与降雨量呈极显著相关关系。研究结果可为南方红壤丘陵区果园坡面水土流失的防治提供理论依据和参考。     

自然降雨条件下红壤坡面有机碳的选择性迁移

依托江西水土保持生态科技园,2015年3月―8月期间,对裸地、草地、果园和湿地松人工林四种类型径流小区自然降雨条件下侵蚀过程中径流泥沙和土壤有机碳的流失特征进行了原位监测。结果表明,监测期间24场降雨下,径流系数和侵蚀模数基本上均随雨型的增大而增加。随着土地利用类型由裸地向果园、草地和林地的转换,减流效益和减沙效益依次增大。径流量和泥沙流失量最主要的影响因素分别是降雨量和径流量。裸地、草地、果园和林地四种类型坡面上,自然降雨下土壤有机碳随泥沙迁移的比例分别为64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳流失强度分别达到560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。径流有机碳含量与径流量之间、泥沙含碳量与泥沙量之间均呈负相关关系。裸地、果园、草地和林地四种径流小区泥沙有机碳富集比分别为1.27、1.10、0.80和0.58,即随着土壤侵蚀模数的降低,有机碳富集比也减小。泥沙有机碳富集比均随雨强的增大而减小,有机碳的选择性迁移在低强度降雨条件下表现更为明显。     

雨型和甘蔗种植对赤红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

为探究南方高强度、高频次降雨下甘蔗种植对赤红壤坡面土壤侵蚀的影响,基于径流小区原位观测试验,分析不同种植方式下(顺坡和横坡)蔗地和裸坡坡面径流和侵蚀泥沙特征,探讨甘蔗种植方式对坡面侵蚀产沙的影响,获得影响赤红壤坡面侵蚀的主要雨型。结果表明:(1)坡面径流量和侵蚀量均表现为裸坡>顺坡蔗地>横坡蔗地,裸坡坡面径流量和侵蚀量是顺坡蔗地和横坡蔗地的1.7~5.3倍;顺坡蔗地坡面径流量和侵蚀量是横坡蔗地的1.9,2.3倍。(2)次降雨条件下,裸坡坡面径流量与侵蚀量均整体高于蔗地处理,而顺坡蔗地整体上大于横坡蔗地,但二者差异随甘蔗生长逐渐缩小。(3)A型雨(中历时、小雨强、小雨量)发生频次最高,但B型雨(短历时、大雨强、中雨量)是引起裸坡和顺坡蔗地坡面产流产沙的主要雨型,径流量和侵蚀量分别占总量的49.9%,57.6%和62.3%,64.2%;D型雨(长历时、极大雨强、极大雨量)是造成横坡蔗地坡面水土流失严重的主要雨型,由其产生的坡面径流量和侵蚀量分别占总量的49.5%和72.2%。研究结果可为明晰南方赤红壤区蔗地土壤侵蚀特征及防治提供理论依据。     

模拟降雨条件下林木裸露根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响

为探究喀斯特地区林木根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响,采用人工模拟降雨方法,研究林木根系3类分布方式：根系横坡方向局部裸露（横向）、根系顺坡方向局部裸露（顺向）、根系垂直坡面（垂直）的土壤侵蚀特征。降雨强度为75 mm/h,降雨历时为90 min,坡度为25°。结果表明：（1）降雨过程中,横向和垂直生长根系影响土壤入渗,壤中流和地下径流产流时间表现为顺向>横向>垂直;顺向坡面地表径流初始产流时间比横向和垂直坡面略有提前,但差异不显著（p>0.05）;（2）横向、顺向及垂直坡面地表径流总量大小表现为顺向>垂直>横向,壤中流与地下径流产流速率在降雨过程中缓慢增加,降雨停止后急剧减小;（3）林木根系3类分布方式坡面间的地表减沙效益表现为横向>垂直>顺向。综上所述,顺向坡面的汇流作用促使地表产流产沙增加,垂直坡面增加土壤降雨入渗并减少侵蚀,横向坡面对坡面径流泥沙的拦蓄作用最为明显。研究结果对认识喀斯特石漠化坡地土壤侵蚀机理和水土流失防治措施提供了参考。     

紫色土坡面植被覆盖度对水土流失影响研究

植被是防止地面水土流失的积极因素,但在三峡库区紫色土关于植被对水土流失的影响还相对比较薄弱。本研究通过人工模拟降雨试验,分析不同草地覆盖度对紫色土坡地径流产沙的影响,定量研究不同草地覆盖度的减水减沙效益。结果表明:流量随草地植被覆盖度的增加而减小,小雨强时表现特别显著。特别是当植被覆盖度 > 60%后,径流量明显低于裸地及20%,40%植被覆盖度;植被覆盖度越高,植被降低径流含沙率的作用也就越明显,径流含沙量就越低;与草地的减沙功能相比,其削减径流作用明显弱于减沙效应,且盖度对坡面的减水特征值影响不太明显;植被覆盖的减流减沙效益在中小雨强时随雨强的增加而增加,在大雨强时,其减流减沙效益反而降低。     

植被对含碎石土壤坡面降雨入渗和径流侵蚀的影响

[目的]研究植被对含碎石土壤坡面入渗和径流侵蚀的影响,为合理配置三峡地区含碎石土壤坡面植被提供科学依据。[方法]在建立的径流小区内铺设含碎石土壤,并配置不同种类、不同覆盖度的植被,进行人工降雨试验。[结果]各类小区径流量排序为:裸坡灌木坡面草本坡面草灌混合坡面,入渗量与径流量排序相反,有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡;入渗率服从对数函数规律,产流强度呈幂函数变化;草地对水沙的调控机制更多的是直接拦沙;累计径流量和累计侵蚀量的关系均满足幂函数形式。[结论]植被措施可有效地减少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施减少的效益不同。     

碎石土坡地不同植被配置下的养分流失途径

为了解不同植被类型及覆盖度对碎石土壤坡地养分流失途径的影响,采用模拟径流小区降雨,研究了6种植被配置模式下地表径流、壤中流及侵蚀泥沙氮、磷养分流失特征。结果表明:植被覆盖坡地氮流失量比裸地减少了0.91~4.60倍,磷流失量减少了6.25~63.9倍,养分控制效果排序为草灌草本灌木裸地。6种植被配置下的地表径流、壤中流及侵蚀泥沙养分流失量存在显著差异,裸地氮、磷的主要损失途径是侵蚀泥沙,灌木是地表径流,草本与草灌结合处理则是地表径流和壤中流;而草本、灌木以及草灌结合土壤磷的主要损失途径是侵蚀泥沙与地表径流共同作用的结果。不同植物覆盖措施对含碎石土裸地氮、磷的流失起到显著的截留作用,主要通过由侵蚀泥沙向非侵蚀泥沙途径转化而实现对氮磷的截留。灌木覆盖度与地表径流的氮磷流失量、径流总量的氮磷流失量之间呈现显著的正相关性,与壤中流的氮磷流失量呈现显著的负相关性。