溅蚀过程中红壤团聚体周转路径的定量表征

为研究土壤团聚体的形成和破碎过程对于降雨侵蚀的响应机制,对降雨打击作用下不同粒径红壤团聚体在溅蚀过程中的周转路径进行了探讨。该研究基于稀土元素示踪法,对各粒径团聚体分别进行了标记,电感耦合等离子体质谱测定,实现全土样团聚体的周转路径追踪;然后通过室内模拟降雨试验,在90和30 mm/h降雨溅蚀条件下,对不同粒径大小团聚体（2～5、0.25～<2、0.053～<0.25、<0.053 mm）随降雨历时的周转变化规律进行了定量化研究。结果表明：稀土元素标记得到的标记团聚体效果较好且在湿筛过程中回收率达到90%以上,吸附稳定;不同降雨强度下,土壤团聚体的周转过程呈现出向破碎方向转化的趋势;90 mm/h降雨下团聚体更快发生破碎并到达稳定状态,其累积破碎率在降雨40 min后基本不发生改变,而30 mm/h下土壤团聚体会随降雨动能的累积逐步发生破碎;结合相关性分析可以发现小团聚体的变化对于整个溅蚀过程的累积破碎率和累积团聚率均表现出显著相关（P<0.01）,>0.25 mm团聚体与其他粒级团聚体间的周转不显著相关（P>0.05）,但<0.25 mm团聚体可能通过逐级团聚影响到其他粒级团聚体。不同团聚体在溅蚀过程中的双向转化过程,研究结果为侵蚀过程中土壤结构的动态变化模型提供理论参考。     

不同粒径红壤团聚体坡面溅蚀特征

为揭示不同粒径团聚体坡面溅蚀规律,以第四纪粘土发育红壤为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验(雨强75mm/h,历时45min)研究0.25,0.25~0.5,0.5~1,1~2,2~5mm粒径团聚体溅蚀规律,系统分析了降雨条件下各粒径团聚体破碎、溅蚀率变化、溅蚀搬运量以及溅蚀搬运后的空间分布特征。结果表明:(1)降雨条件下团聚体粒径越大越容易破碎,除2~5mm团聚体破碎量高达96.06%外,2mm团聚体破碎量均小于50.00%。(2)0.25mm团聚体溅蚀率具有陡涨陡落特点,表土结皮发育迅速;0.25~0.5mm团聚体溅蚀率陡涨缓落,表土泥浆化过程明显;0.5~5mm团聚体溅蚀率则能保持较长时间增长,随后降低。(3)不同粒径团聚体溅蚀总量、上下坡溅蚀量与净搬运量变化趋势一致,一次降雨过程中,溅蚀搬运量峰值出现在粒径0.25~0.5mm范围内,而后随着粒径的增大逐渐降低。(4)团聚体粒径越小,溅蚀搬运后的平均重量距离越大,各粒径团聚体溅蚀量基本全部分布在半径60cm范围内。研究结果能为降雨侵蚀防治及侵蚀过程模型提供理论参考。     

模拟降雨条件下黑土溅蚀与团聚体分选特征

以典型黑土耕地表层土壤为对象,通过对溅蚀量、水稳性团聚体组成、团聚体平均重量直径(MWD)以及团聚体富集率(ER)等指标的测定、计算与分析,研究了人工模拟降雨条件下典型黑土溅蚀过程中团聚体粒级分布及其分选特征。结果表明:溅蚀盘内不同收集区域(上坡、下坡)溅蚀量及净迁移量均与溅蚀距离呈显著指数递减关系,R2值达0.834 4~0.991 1;土壤团聚体富集率的变化幅度范围为0.00~1.79,溅蚀对团聚体产生富集作用与损耗作用的临界粒级为1.0 mm;溅蚀颗粒土壤水稳性团聚体组成上表现出在水平空间上随距离的增加,小粒级团聚体比例逐渐增加的趋势,2~5 mm粒级的团聚体只出现在上坡的0~5 cm和下坡的0~10 cm范围之内,1~2 mm粒级的团聚体在上坡的最大分布距离仅为28 cm;MWD变化幅度为0.32~0.80 mm,并随溅蚀距离的增加而减少,其中下坡10~17cm范围内的MWD分别与0~10 cm和17~40 cm范围内MWD的差异达到显著水平(P<0.05)。研究结果为进一步系统研究黑土侵蚀发生规律与水土流失治理提供了参考。     

前期土壤含水率对红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响

为了探究前期含水率对南方红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响,选取泥质页岩和第四纪红黏土发育的4个典型红壤为研究对象,就5个前期含水率(3%、5%、10%、15%、20%)条件下3~5 mm团聚体水稳定性特征及其与溅蚀的关系进行了初步的探讨。结果表明,消散作用是团聚体破碎最有效的机制,土壤前期含水率越大,团聚体破碎程度越小。随着前期含水率的升高,泥质页岩发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径(MWDwa)显著增大;第四纪红黏土发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径(MWDwa)先增大后减小,拐点出现在含水率为15%条件下。泥质页岩发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高显著减小;第四纪红黏土发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高呈现先减小后增大的趋势,在含水率为15%时达到最小。团聚体水稳性较高的土样,溅蚀粒径分布呈双峰曲线分布,主要分布1~0.5和0.05 mm范围内,且前期含水率越高,0.05 mm溅蚀颗粒含量越大;而团聚体水稳定性较差的土样,除前期含水率为20%外,溅蚀粒径分布呈单峰曲线分布,主要分布在0.25~1mm。该结果为红壤区农业水土工程及机侵蚀机理研究提供一定的参考,对完善坡面水蚀模型具有一定的参考价值。     

有机质影响溅蚀破坏土壤团聚体的主要作用机制

土壤有机质是团聚体的重要组成部分,其在团聚体形成过程中作用机制已有大量研究,但有机质在团聚体破坏过程中起何种作用尚未明晰,其对团聚体破坏过程中雨滴机械打击和消散作用贡献的影响也有待深入研究。为研究不同有机质含量对土壤团聚体的影响,选取5种不同退耕还林年限的土壤为研究对象,利用95%酒精和超纯水作为降雨液体,分别在4个高度下(0.5、1、1.5和2 m)对其进行溅蚀试验。结果表明:随有机质含量的增加,团聚体稳定性逐渐增强,土壤对雨滴机械打击和消散作用的敏感程度越来越弱,土壤抵抗侵蚀的能力越来越强;降雨前后大团聚体数量随着有机质含量的增加逐渐趋近相似,且酒精雨滴作用下的大团聚体含量明显大于超纯水作用下的大团聚体含量;在相同的降雨动能条件下,有机质含量增加使消散作用的贡献率呈现减小的趋势,且其对消散作用的影响在降雨动能较小时较为显著。研究结果对深入理解溅蚀过程中团聚体稳定性评价以及团聚体破坏因子具有重要作用。     

不同类型土壤团聚体斥水性及其对溅蚀的影响

为明确土壤的斥水性特征及其对土壤溅蚀的影响,以3种不同类型及利用方式土壤为研究对象,探究了土壤斥水性分布规律及其影响因素,系统分析了土壤斥水性对土壤溅蚀的影响。结果表明:(1)耕地土壤的斥水性最低,表层土壤斥水性高于下层,黄褐土斥水性(13.15sec)高于其他类型土壤,整体上看,斥水性受到土壤机械组成和游离铁、铝氧化物的显著影响(R2-0.40,p0.01);(2)土壤溅蚀过程呈现为倒V形,即一个陡涨陡落的特点,土壤累计溅蚀量随降雨历时变化关系用对数函数可以很好地拟合(R2≥0.90,p0.01);(3)在一定雨强范围内,斥水性对土壤溅蚀有着显著影响,斥水性越大土壤发生溅蚀的程度也越大,对数函数模型也可以很好地表达溅蚀指标随斥水性变化趋势。研究结果能为降雨侵蚀机制研究与侵蚀过程模型提供理论参考依据。     

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度（30、60和90 mm/h）和2个坡度（3°、5°）,研究降雨强度和坡度对典型黑土（Mollisol）农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明：当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5～17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%～74.08%。当降雨强度为30和60 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以<1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5～1 mm粒级最多,2～5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为<0.25和<2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中<0.25 mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1～5和<0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中<0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。     

人工模拟降雨条件下红壤团聚体流失特征研究

以第四纪红粘土发育红壤为研究对象,通过室内模拟降雨和放水冲刷组合试验,研究了不同降雨强度(0,60,90,120mm/h)和放水流量(5,7.5L/min)下红壤坡面团聚体流失特征,分析了团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GDM)、分形维数(D)和平均重量比表面积(MWSSA)的变化特征。结果表明:侵蚀泥沙中0.05mm微团聚体初始含量在19%~58%之间,随产流时间的延长先降低后趋于稳定;0.25mm大团聚体含量最高,随产流时间的延长先升高后趋于稳定。相同降雨强度下,当放水流量由5L/min增大到7.5L/min时,团聚体MWD和GMD有所增大,D和MWSSA有所减小。无降雨时,泥沙中团聚体的MWD和GMD低于有降雨时的MWD和GMD,而D和MWSSA高于有降雨时的D和MWSSA。相同放水流量下,随着降雨强度增强,团聚体的MWD和GMD呈增大趋势,D和MWSSA呈减小趋势。     

红壤团聚体特征与坡面侵蚀定量关系

为明确红壤结构特征对坡面侵蚀过程的影响,选取6种典型红壤为研究对象,通过团聚体稳定性分析和野外原位人工模拟降雨试验,就红壤团聚体稳定性特征与坡面侵蚀过程定量关系进行了初步探讨。结果表明：在野外尺度上,红壤团聚体稳定性是影响坡面侵蚀的重要因素;能定量描述土壤可蚀性的团聚体特征参数Ka,与径流强度、产沙强度等侵蚀参数显著相关;将Ka代入WEPP模型,建立了细沟间侵蚀预测方程,方程可决系数较高（R2＝0.86）,显示了较好的预测性能。该研究扩展了团聚体稳定性作为土壤可蚀性指标的适用范围,为红壤侵蚀机理研究提供了新思路。     

鄱阳湖流域3种典型母质发育红壤溅蚀特征

为了研究鄱阳湖流域3种典型母质对土壤溅蚀的影响,设计一种可收集过程样的溅蚀盘,通过室内模拟降雨试验,分析不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和母质(第四纪沉积物母质、花岗岩母质、红砂岩母质)条件下红壤溅蚀特征。结果表明:第四纪沉积物母质红壤总溅蚀量最低,其次是花岗岩母质红壤,红砂岩母质红壤总溅蚀量最高,土壤质地、有机质、游离氧化铁等指标对总溅蚀量影响较大;随着雨强的增大,总溅蚀量呈对数函数关系增加;总溅蚀量80%以上分布在0—15 cm范围内,随着雨强增大,溅蚀颗粒分布越集中。     

初始含水率和降雨能量对黑土团聚体溅蚀特征的影响

[目的] 为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法] 选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果] (1)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均在初始含水率4%时最大,其中初始粒径＜0.25 mm团聚体溅蚀量是相同降雨能量下各粒径团聚体溅蚀量的1.21~5.50倍。随初始含水率的增加各初始粒级团聚体溅蚀量呈减小趋势,而初始含水率＞25%后则呈增大现象。(2)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均随降雨能量的增加而增大。相较于降雨能量305 J/(m²·h)(1 m)条件,当降雨能量增加至909 J/(m²·h)(5 m)时,不同初始粒径团聚体溅蚀量分别增加15.37~20.70(＜0.25 mm),52.30~417.60(0.25~1 mm),51.58~359.36(1~3 mm),68.73~777.99倍(3~5 mm)。不同初始粒径黑土团聚体溅蚀量存在明显的阈值,当降雨能量达到529 J/(m²·h)(2 m)以上时,不同降雨能量梯度下的溅蚀量存在显著差异。(3)降雨能量是影响溅蚀量的关键因素。降雨能量对溅蚀量的直接效应为0.811,存在显著正向影响,且相关程度最高;初始含水率和团聚体初始粒径的直接效应分别为0.193和0.352,存在显著负向影响。[结论] 研究结果可为东北黑土区坡面土壤侵蚀过程机制研究和土壤侵蚀机理模型构建提供科学依据。     

降雨过程中红壤表土结构变化与侵蚀产沙关系

通过人工模拟降雨和表土微形态观测,研究了发育于泥质页岩、第四纪红粘土和花岗岩3种母质的红壤在降雨侵蚀过程中表土土壤结构的变化及其对侵蚀的影响。结果表明:降雨过程中,泥质页岩红壤极易形成土壤结皮,增加径流,响应结皮的形成,径流速率和含沙量较高,且迅速达到最大值,随后径流稳定而含沙量持续下降。第四纪红粘土红壤团聚体稳定,较难形成结皮,且结皮易被破坏,导致侵蚀过程中产流产沙量较低,均随降雨时间的延长而呈缓慢上升趋势。花岗岩红壤基本上不能产生结皮,粗化现象严重,因此产流量和产沙量也较低;由于土壤团聚体稳定性差以及径流的选择性运移,泥质页岩红壤和花岗岩红壤侵蚀泥沙中细颗粒(<0.02mm)含量远高于土壤中该粒径颗粒。而第四纪红壤侵蚀泥沙中粗颗粒较多,以多级团聚体的团聚体为主。     

模拟降雨条件下坡度对关中地区塿土溅蚀的影响

为掌握关中地区坡耕地上坡度对溅蚀量以及溅蚀距离的影响,深入探究不同坡度对单位面积溅蚀量影响的潜在机理。以陕西关中地区塿土为研究对象,选用5个具有不同坡度(0°,5°,10°,15°,20°)的装土槽进行单位面积土坡的模拟。使用针头式模拟降雨机进行模拟降雨试验,通过溅蚀收集装置对模拟降雨结束后的不同方向和不同距离范围的溅蚀量进行收集。结果表明:在0°～20°坡度范围内,溅蚀总分散量,溅蚀净搬运量以及向下坡溅蚀量随着坡度的增大呈现出不同的上升趋势。向上坡溅蚀量在0°～15°范围内呈减少趋势,在15°～20°范围内呈增加趋势。溅蚀距离随着坡度的增大而增大。研究结果对深入探究溅蚀的潜在机理有着重要作用。     

土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性研究

土壤溅蚀是土壤侵蚀的初始阶段,是降雨雨滴直接打击土壤表层引起的土壤颗粒分散和位移发生的过程。为研究土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性,研究通过人工模拟降雨溅蚀试验测定土壤溅蚀速率,运用SPSS 20.0软件,对土壤理化性质与土壤溅蚀速率进行了Pearson相关系数分析。结果表明:土壤渗透性、分散率、团聚度和土壤粒级与土壤溅蚀速率相关性最大。土壤的渗透系数在整个降雨历时阶段对土壤的溅蚀速率一直呈现负影响。分散率在降雨历时为15min时对土壤溅蚀速率呈显著负影响。团聚度对土壤溅蚀速率的影响由T=15min时的显著正相关变成T=20min时的极显著正相关。土壤粒级和土壤溅蚀速率相关性很大,且关系较为复杂。相较于其他4种粒级中,粒级范围在D0.002mm的土壤颗粒对土壤溅蚀速率影响最大,且在降雨历时为15~20min时,对土壤溅蚀速率皆有显著正相关性。另外,粒级范围在0.2≤D2mm和0.02≤D0.2mm的土壤颗粒分别在T=15min和T=20min时对土壤溅蚀速率有显著负相关性。土壤粒级对土壤溅蚀速率的相关性随降雨历时的变化可能与土壤结皮有关。     

我国水土流失典型区土壤溅蚀特征研究

基于室内模拟降雨试验,分析了我国水土流失典型区代表性土样的溅蚀特征,探讨了溅蚀与土壤理化性质的关系.结果表明,溅蚀量明显受土壤理化性质的影响,黑土土样因团聚体含量及稳定性高,溅蚀量最低;采自内蒙古自治区东胜市的黄土土样因砂粒含量(易被溅蚀的颗粒范围)高,溅蚀量最高;其它黄土土样、红壤土样及紫色土土样或因粉粒含量为主或因团聚体稳定性差而导致溅蚀量居中.模拟降雨条件下,除黑土土样和内蒙古自治区东胜市的黄土土样外,其它土样均发育表土结皮,导致溅蚀率呈现波动态势.     

稀土元素示踪法在土壤侵蚀与泥沙来源研究中的应用

[目的]掌握稀土元素(REE)示踪土壤侵蚀和泥沙来源的方法,明确其不确定性来源,对正确运用该方法获得可靠的侵蚀速率和泥沙源地贡献结果具有重要意义。[方法]基于前人运用REE示踪土壤侵蚀速率和泥沙来源的研究成果,总结了REE示踪土壤侵蚀的基本技术路线及其在水蚀、风蚀和泥沙来源研究中的应用,探讨了REE示踪土壤侵蚀和泥沙来源研究中的不足。[结果]分析认为REE虽是理想的示踪剂,但REE示踪法仍存在影响示踪土壤侵蚀和泥沙来源准确性的关键方面需要改进,包括REE与土壤结合方式与机理、长期监测或复杂环境下随淋溶、径流的迁移以及植被吸收利用等。在未来研究中应重点关注大量释放REE对土壤、植物、环境健康的影响以及REE示踪法与复合指纹识别法的结合运用等。[结论]研究结果为提高REE示踪土壤侵蚀结果的准确性,运用该方法开展其他侵蚀类型研究,与复合指纹识别法结合辨别大区域的泥沙来源奠定基础。