不同坡度条件下的水土流失特征研究

近年来随着生产建设项目的扩增,济南市南部山区水土流失显著加剧。为保护济南泉水的重要补给区,亟需对南部山区水土流失特征及其治理措施进行深入研究。本研究基于济南市水文局济西水土保持监测实验站径流小区产流产沙数据,结合降雨、土壤和植被因素,对不同坡度下的水土流失特征进行系统分析。研究表明:(1)径流深和土壤侵蚀量随坡度增加而增大,最大值出现在2025°坡面;(2)不同坡度径流深均值与平均雨强具有明显相关性,径流深随降雨强度的增加而增大;土壤侵蚀量除与降雨特征有关外,同时受地表植被与土壤特征影响明显,土壤侵蚀量随降雨强度的增加而增大,随着植被覆盖度的增加而减少,通过坡面植物措施,水土流失程度明显减弱。     

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。     

农业耕作措施减沙的能量分析

从径流能量入手,在室内人工降雨试验的基础上,分析了坡面耕作措施对径流能量的削减作用。耕作措施可有效减少坡面产流、产沙,其径流能量消减率可达26.84%～51.58%,在径流能量传递过程中,3种耕作措施能量传递均小于对照,其中等高耕作对径流能量消减率最大,减沙作用与径流能量消减之间呈对数关系,耕作措施对径流能量的消减作用受雨强和坡度的影响,随雨强和坡度增大,消减作用减弱。     

植物篱在坡耕地水土保持中的作用研究综述

坡耕地不仅是人们赖以生存的重要生产资料,同时,也是水土流失最为严重的一种耕地类型,成为水土流失的主要策源地。在多年的实践中探寻到植物篱结构能有效改善坡耕地水热条件、加强渗透水流、减少地表径流,从而达到控制坡耕地水土流失的效果。本文概述了国内外植物篱的起源发展,植物篱在国际上的研究始于20世纪70年代末,80年代末引入贵州,90年代初期植物篱模式在我国开始兴起,90年代后期植物篱的试验研究逐步扩大。国内外学者主要针对植物篱种类、植物篱水土保持生态经济效应、植物篱减蚀机理、植物篱根土复合体固土机理等开展了大量研究,取得了丰硕的科研成果。最后,对植物篱模式的建设提出了几点建议。     

旱涝急转条件下红壤坡地径流养分流失特征研究

为了研究旱涝急转条件下红壤坡地地表径流、壤中流及其养分流失规律,通过径流小区试验,分析对比在旱涝急转条件下,裸露(CK)、百喜草全园敷盖(T1)和百喜草全园覆盖(T2)措施下红壤坡地地表径流和壤中流产流及总氮、总磷流失特征。结果表明,旱涝急转条件下,地表径流产流过程随着雨强的变化而变化,壤中流产流开始后径流过程与地表径流相似;地表径流和30cm壤中流养分流失呈现先增大后减小最终趋于稳定的趋势,60cm壤中流和105cm壤中流养分质量浓度相对稳定;T2处理对于减少径流养分流失的效果最好,地表径流和壤中流径流量分别为CK的32.89%和45.05%,径流中养分质量浓度也明显降低。     

黑土区坡耕地施加生物炭对水土流失的影响

为了探索生物炭对黑土区坡耕地的水土保持作用效果,于2015年在东北黑土区典型黑土带上的黑龙江省北安市红星农场3°坡耕地上的径流小区内,开展了不同生物炭施用量(0、25、50、75、100 t/hm~2)对土壤结构、持水性能、径流泥沙控制等影响的试验研究。结果表明:生物炭可有效改善黑土区土壤结构,随着生物炭添加量的增加,土壤容重随之减小,而土壤孔隙度则会明显提高;土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力均随生物炭施用量的增加而增加;适当施加生物炭对黑土区坡耕地降雨径流及水土流失具有较好的控制作用,75 t/hm~2处理具有最好的径流泥沙控制效果,其中径流控制效果好于泥沙控制;施加生物炭还可以不同程度地减少黑土区坡耕地土壤养分流失,并可以改善养分的空间分布,4种生物炭用量处理的养分含量不仅在数量上高于对照处理,而且在均匀程度上有较大的改善,减缓了坡度对土壤养分造成的坡上与坡下的差异。研究结果为东北黑土区秸秆资源的高效、绿色、循环利用提供了一条新的途径,可为黑土区坡耕地水土流失防治提供理论依据和技术支撑,对该区农业可持续发展具有重要意义。     

不同坡度下紫色土坡耕地径流与氮素流失特征

采用野外径流小区对紫色土丘陵区2013年4次典型降雨产流事件进行了监测,研究了不同坡度下地表径流和壤中流产流及氮素流失特征。结果表明：自然降雨条件下,地表径流与壤中流径流量随坡度的增加呈先增大后减小的趋势。径流方式对紫色土坡耕地径流氮素质量浓度和排放通量具有明显影响。壤中流中的总氮排放浓度与氮流失通量在不同降雨条件不同坡度下的变化趋势与壤中流径流量的变化一致。在不同坡度下,壤中流中的氮素浓度比地表径流低,但氮排放通量是地表径流的1.15～4.18倍,以壤中流形式形成的氮素损失是紫色土坡地氮素迁移的主要方式。紫色土坡地径流量和径流中流失的氮浓度及通量都存在一个临界坡度值。研究结果可为调控长江上游紫色土丘陵区氮素流失提供参考。     

基于自动监测径流场的秸秆覆盖坡耕地产流产沙过程

设计了一个可用于坡面侵蚀过程研究的自动监测径流场,该径流场主要由6个径流小区和1套模拟降雨装置组成。采用德国UGT径流测量装置,实现地表径流的自动采样和记录。用设计的径流场对秸秆覆盖坡耕地的产流产沙过程进行了研究,结果表明相对于裸露地表,秸秆覆盖能明显降低各径流小区的产流率和产沙率,延缓产流增加趋势,减少产沙总量达54.5%~63.8%。因此,增加坡耕地土壤表面的秸秆覆盖量可有效避免产流在短时间内急剧增加,并能减少对土表的冲刷作用。     

土壤表面微形貌加工对红壤坡面侵蚀定量调控

为科学地量化分析和准确评估土壤表面微形貌加工整地措施对红壤丘陵区坡耕地的土壤侵蚀调控作用,以衡量土壤表面微形貌加工作业对云南省红壤丘陵区坡耕地的适用性和有效性,进行了人工模拟降雨(240 min,55 mm/h),在不同坡面坡度(7.5°,9.0°,12.0°和15.0°)条件的试验小区进行径流试验,将产流量、产沙量和产流时间作为关键参数进行了测定.研究结果表明,在不同坡度的坡面,与控制组(土壤表面无微坑)相比,经土壤表面微形貌加工作业后的地表均可明显延长产流时间、减少产流量和产沙量,产流时间最大可延长51.18%,产流量最多可减小43.04%,产沙量最多减小25.14%.本研究可为南方红壤丘陵区坡耕地水力侵蚀的防治提供新的方法和数据基础.     

模拟降雨条件下农田裸地氮素随地表径流流失特征

为了研究模拟降雨条件下农田裸地的氮素随地表径流流失的规律,在室外模拟降雨条件下,采用表面撒施和沟施两种施肥方式,设置不同的降雨强度,研究初始含水率及雨强对径流流量的影响,以及农田裸地的氮素随地表径流流失的规律。结果表明,在产流过程及径流量上的差异,主要是土壤初始含水率和雨强这两个因素共同作用的结果。对于初始含水率和雨强这两个影响因素而言,氨态氮(NH_4~+-N)更易受到初始含水率的影响,而硝态氮(NO_3~--N)更易受到雨强的影响。农田氮素随地表径流累积流失量与农田累积径流量呈现正相关关系,两者之间的关系曲线拟合的结果较好,R2均在0.96以上,表明降雨径流是影响氮素流失量的重要因子。在较大的雨强条件下,农田裸地径流流失氮素的主要形态为颗粒态氮,而水溶性氮素的流失形态以NH_4~+-N为主。在两种不同的施肥方式下,在撒施情况下随径流流失的氮素流失量要显著高于沟施。     

黑土区坡耕地几种耕作措施水土保持效益研究

我国东北黑土区作为全国水土流失重点区域,其坡耕地的水土流失问题早已备受关注。【目的】采取保护性耕作措施可以大大降低坡耕地的水土流失强度,起到保水保肥的作用。【方法】在10°坡径流小区上,对比分析了黑土区不同耕作措施对坡耕地坡面产流、土壤侵蚀以及土壤养分的影响。【结果】竹节垄Ⅱ与横坡耕作相比,产流起始时间延长38 min,单次降雨径流量减少57.1%,产沙量减少51.9%;0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾平均质量分数分别提高5.89%、11.48%、16.54%、21.75%。【结论】在相同降雨条件下,横坡耕作、竹节垄Ⅰ、竹节垄Ⅱ较顺坡耕作均有不同程度的减流减沙作用,竹节垄Ⅱ效果最为明显。     

Field evaluation of sand-ditch water harvesting technique in Jordan

Water harvesting is viable alternatives for rainfed agricultural production in semiarid lands. A field experiment was conducted to evaluate the efficiency of a relatively new water harvesting technique, called sand ditch, for moisture and soil conservation. Twelve field plots of 10 m × 2 m were constructed in two adjacent fields having silt loam soils but varied in soil depth, 0.75 m and 2 m, and slope of 10% and 12%. A 130 L barrel was installed at the downslope end of the plots to collect water and sediments at the end of each rainstorm along the rainy season. Three types of treatments were used in duplicates (12 plots in total); sand-ditch plots in which a ditch of 2-m long, 1 m wide and 0.8 m deep was constructed in the middle of plots across the slope (2 in each field), two compacted plots and two plots covered with plastic mulch in addition to four control plots, 2 in each field. The total amount of runoff, sediment concentration, total infiltration and sediment loss for the experimental plots were measured or calculated after each storm during the winter season 2004/2005. Experimental results showed that sand-ditch technique significantly reduced runoff and sediment loss and increased infiltration and soil moisture compared to control or compacted plots. The overall average runoff and sediment reductions in the sand-ditch plots were 46% and 61% compared to control plots. Sediment losses from compacted plots were about 2.2 and 6 folds higher than control and sand-ditch plots, respectively making soil compaction unsuitable technique for rainfall harvesting under the current experimental and climatic conditions. Construction of sand ditch also increased the dry matter yield of native grass by an average of 62% and 40% in the two experimental fields compared to control.     

坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响

利用人工模拟降雨对黑龙江西部半干旱区坡耕地不同坡度和不同降雨强度下的土壤水分入渗规律进行了试验研究,采用产流历时和稳定入渗速率二项指标进行分析,发现随着地面坡度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐减小,坡面产流历时与坡度呈对数函数关系,土壤稳渗速率与坡度呈幂函数关系;随着降雨强度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐增大;坡面产流历时与降雨强度呈指数函数关系,土壤稳定入渗速率与降雨强度也呈指数关系。     

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。     

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。     

玉米苜蓿间作对黄土坡耕地养分流失的影响

在渭北黄土高原坡地建立24个径流小区,对玉米苜蓿间作、玉米单作、苜蓿单作、裸地降雨后侵蚀泥沙各养分含量进行测量和监测,结果表明:土壤全氮、全磷和有机质的损失量表现为裸地>玉米单作>玉米苜蓿间作>苜蓿单作;不同带宽间表现出随着玉米带宽的增大,全氮、全磷和有机质的损失量也增大;不同坡度土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮的损失量随着坡度的增大而增大;间作下土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮的损失量均小于玉米单作和裸地,但大于苜蓿单作。     

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。     

Water balance and water use efficiency of different land uses in western Himalayan valley region

Various land uses, including sole plantations of leucaena and eucalyptus, maize–wheat, chrysopogon grass or turmeric and their tree crop mixtures were compared for period of nine years in two sequences for runoff, water use and water use efficiency on nine large erosion plots on 4% slope. Availability of water during summers and climatic evaporative (EP) demand during winters appear to be the governing factors for seasonal water use. About 70% of annual water consumption occurs during the four months (July to October) of rainy season. During this season water use was about 3–4 times to EP for trees and grass and 2.5 times for maize. The water use equals EP regardless the land use during winter season, while it reduced to about one-third to half of EP in the summer season. Annual water use is found to be closely linked with runoff reduction efficiency of the land use. Sole plantations of leucaena and eucalyptus showed negligible runoff losses and their water use approximated annual rainfall. Agroforestry land uses also reduced runoff and increased water use and water use efficiency. Seasonal crops exploited 1.5 m depth of profile more exhaustively than trees, whereas trees used soil water down to 3.0 m depth. Therefore, in tree crop mixtures more efficient soil water use was observed as compared to monocropping systems. Results of this study indicate that water conserved under sole tree plantations and due to tree intervention in agroforestry land uses through runoff reduction, is utilised to meet increased evapotranspiration demand, and hence ground water recharge in appreciable quantities is unlikely.