生物结皮坡面不同降雨历时的产流特征

黄土高原退耕还林(草)工程实施后,生物结皮广泛发育,显著影响坡面产流。已有大量研究探索了生物结皮对径流的影响,但相关结论存在较大分歧。该研究以黄土高原典型生物结皮坡面为研究对象,通过人工模拟降雨试验,研究了生物结皮坡面产流过程。结果表明:生物结皮坡面较翻耕后的裸土坡面显著降低了初始产流时间,裸土坡面初始产流时间是生物结皮坡面的1.59～3.04倍。生物结皮盖度与初始产流时间之间呈显著的负相关关系;降雨15min时与60 min时生物结皮对坡面径流的影响发生逆转,90 mm/h的雨强下,当降雨历时为15 min时,生物结皮坡面较裸土坡面增加75.42%的径流;当降雨历时为60min时,生物结皮坡面径流量较裸土坡面降低52.42%;生物结皮影响了土壤水分入渗速率,导致生物结皮坡面与裸土坡面随降雨历时变化的产流特征出现差异,裸土坡面降雨60 min时的入渗率较15 min时降低了34.30%,高盖度生物结皮坡面降低了6.38%;生物结皮对坡面入渗产流的影响与降雨历时有极大的关系,降雨历时不同,很可能得到截然相反的结论,考虑生物结皮因素的野外降雨试验,降雨历时应不少于45min。研究结果为解释生物结皮影响坡面入渗产流方面存在的分歧提供了科学依据,进一步明确了干旱半干旱地区生物结皮的水文效应。     

连续性与间歇性降雨下土壤结皮与入渗的关系模拟

[目的] 为探究连续性和间歇性降雨条件下土壤结皮与入渗性能间的变化关系。[方法] 选取3种典型耕作层黄土,通过室内模拟降雨试验,分析不同降雨条件下土壤结皮强度和黏结力与入渗性能的关系。[结果] (1)入渗性能随连续性降雨历时及间歇性降雨场次的增加而减小;同等降雨历时和降雨强度下,间歇性降雨的减渗效应高于连续性降雨。(2)土壤结皮强度和黏结力随连续性降雨历时和间歇性降雨场次的增加而增加;褐土和黑垆土的入渗性能与结皮强度和黏结力呈显著线性相关(p＜0.05),连续性降雨历时越长、间歇性降雨场次的越多,土壤结皮强度、黏结力以及减渗效应越大;沙壤土的入渗性能与结皮强度和黏结力则呈显著的非线性相关(p＜0.05)。(3)结皮的MWD和GMD越小,入渗性能越差,减渗效应越大;关联度分析结果显示,间歇性降雨对入渗性能的影响较高。[结论] 相同雨强条件下,间歇性降雨下能形成更坚实的结皮,对土壤入渗性能的削弱能力更强。研究结果可为黄土高原防治水土流失、有效利用水资源提供参考依据。     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

种植大豆条件下土壤结皮对坡耕地径流和侵蚀产沙的影响

研究作物生长覆盖条件下土壤结皮对坡耕地径流和侵蚀产沙的影响,可为坡耕地水土流失防治和水土资源合理利用提供科学依据。以种植大豆的坡耕地土壤结皮为研究对象,利用人工模拟降雨方法,观测前期土壤结皮和不同结皮厚度、覆盖度下的产流产沙,分析前期土壤结皮的存在和土壤结皮厚度、覆盖度对坡耕地土壤侵蚀的影响。结果表明:1)前期土壤结皮的存在对坡面的产流产沙量产生较大影响,使坡面径流量高于非结皮坡面,而坡面的土壤流失量又远低于非结皮坡面。2)裸地前期有土壤结皮的坡面径流量较非结皮坡面高5.27%,产沙量则较其降低了27.66%;种植大豆条件下,前期地表有土壤结皮坡面的径流量较非结皮坡面平均增加了24.81%,产沙量较非结皮坡面平均降低了14.26%。3)大豆作物的存在加大了土壤结皮与非结皮坡面之间径流量的差距,缩小了二者间产沙量的差异;坡耕地坡面土壤结皮厚度及其覆盖度的变化对坡面产流产沙的影响却不显著。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

人工降雨条件下土壤结皮的形成以及与土壤溅蚀的关系

通过人工模拟降雨溅蚀实验,测定土壤溅蚀速率,同时采样制作土壤切片,观察分析结皮的发育特征以及与土壤溅蚀的关系。结果表明,降雨过程中有两种类型结皮形成,即沉积结皮和结构结皮。土壤结皮随着土壤表面大团聚体或者大颗粒的分散而形成,并且伴随着下层大孔隙的出现。土表结皮的完善过程,也是土壤抗溅蚀能力增强的过程     

踩踏干扰下生物结皮的水分入渗与水土保持效应

为改善生物结皮对土壤水分的负面影响,通过野外定位观测试验,从入渗、产流产沙两方面探讨了黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮在3种踩踏强度下的水土保持效应。结果表明:(1)相比裸土,未被踩踏的生物结皮对水分入渗、地表径流的表现形式并非单一的增加或降低,在雨季初期增渗减流,初期过后减渗增流;(2)不同踩踏强度对水分入渗、地表径流的影响存在明显差异。同裸地对照相比,轻度踩踏结皮增渗12%,减流23.2%,中度踩踏结皮减渗3.6%,减流5.3%,重度踩踏结皮减渗25.5%,增流21.3%;(3)不论是否被踩踏,生物结皮产生的泥沙量都显著低于裸土。同裸土产生的泥沙量相比,轻度踩踏减少56.3%,中度踩踏减少43.5%,重度踩踏减少37.9%,但中度、重度踩踏结皮改变了原先土壤侵蚀格局,增加了泥沙含量。综合考虑入渗和土壤侵蚀认为:轻度踩踏生物结皮可在不增加土壤侵蚀的前提下,促进入渗,减少径流,改善土壤水分状况。     

翻耙干扰下生物结皮对水分入渗及土壤侵蚀的影响

为改善生物结皮对土壤水分的负面影响,通过野外定位观测试验,从水分入渗、产流产沙两方面探讨黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮在3种翻耙强度下的水土保持效应。结果表明:(1)相比裸土,生物结皮对入渗和径流的表现形式并非单一的增加或减少,在雨季初期增渗减流,随雨季推进入渗减少,径流增加;(2)翻耙生物结皮促进入渗,减少径流。同裸地对照相比,轻度翻耙结皮增渗15.0%,减流22.6%,中度翻耙结皮增渗36.6%,减流29.3%,重度翻耙结皮增渗14.4%,减流9.6%;(3)翻耙生物结皮对泥沙量有显著影响。与裸地相比,轻度翻耙结皮减少泥沙量54.8%,中度翻耙结皮减少泥沙量45.5%,重度翻耙结皮减少泥沙量10.4%。综合考虑入渗和土壤侵蚀认为,轻度、中度翻耙生物结皮可以在不明显增加土壤侵蚀的前提下,促进入渗,减少径流,改善土壤水分状况。     

不同植被下生物结皮的水分入渗与水土保持效应

通过野外定位观测试验,探讨了黄土区不同植被类型下生物结皮的土壤水分入渗和水土保持效应。分析结果表明:①单纯BSC降低入渗,减幅达8.3%,但入渗效应并非呈单一的增加或减少的表现形式。生物结皮与植被(长芒草和柠条)组合时,入渗增加作用进一步提高,但生物结皮的贡献率明显低于植被,长芒草、柠条下生物结皮的增渗幅度分别为8.5%,0.2%。②雨季初期BSC减少地表径流(减幅约50%),雨季后期径流反而增加。生物结皮同覆盖度较高的长芒草组合时,减流贡献很小,径流调控率15%,而与覆盖度较低的柠条组合时,减流作用明显,径流调控率达22.7%～43.0%。③BSC控蚀作用明显,全年减蚀量可达93.8%。植被类型对生物结皮的减蚀作用影响很大,长芒草植被下减蚀贡献率仅为3.1%,而柠条植被下减蚀贡献率高达37.6%。     

黄土高原典型生物结皮对坡面产流产沙过程的影响

[目的] 明确不同类型生物结皮坡面产流产沙过程及其影响因素,为评价生物结皮的水土保持功能提供理论依据。[方法] 选取黄土高原常见藻结皮和苔藓结皮为研究对象,系统研究降雨条件下结皮类型及破坏前后对坡面产流产沙的影响。[结果] ①生物结皮可显著增强土壤黏结力,藻结皮和苔藓结皮土壤黏结力是裸地（4.53 kPa）的1.52倍和1.25倍,结皮破坏后其土壤黏结力仍高于裸地,分别是裸地的1.22,1.10倍;②生物结皮可以增加坡面产流,抑制坡面产沙。藻结皮和苔藓结皮产流量分别增加了21.64%和55.75%,产沙量分别减少了94.06%和89.24%。结皮破坏后,产流量分别增加了58.76%和59.66%,产沙量分别减少了16.18%和29.45%,仍可促进产流,抑制产沙;③随累积径流量的增加,累积产沙量增长速度由大到小依次为：裸地 > 藻结皮去除 > 苔藓结皮去除 > 苔藓结皮覆盖 > 藻结皮覆盖。黏结力是表征生物结皮抑制土壤侵蚀的有效指标。随黏结力的增大,产沙量呈线性降低（R²=0.66）。[结论] 增加生物结皮覆盖并有效防止生物结皮被破坏,可最大程度发挥其水土保持功能。     

Tillage – impact on infiltration of the Loess Plateau of China

In arid and semiarid regions, water infiltration is often affected by the soil surface conditions, such as the soil crusts and soil roughness. The objective of this laboratory study was to assess the effects of soil crusts and tillage treatments on soil infiltration in the Loess Plateau of China. A simulated rainfall storm at 80 mm h^?1 rate was applied to soil boxes set to slopes of 5°, 10°, 15° and 20° with two soil surface conditions (crusted and uncrusted) and three tillage treatments (contour tillage [CT], artificial digging [AD] and straight slope [SS]) to investigate the infiltration rates. The results show that the infiltration rate was always lower under the SS treatment than under the CT and AD treatments. The time interval to the steady state was shorter under the SS (10 min) than under the CT and AD treatments (15–20 min). The final infiltration rate was nearly the same under the CT treatment and AD treatment; whereas, the SS treatment resulted in the lowest final infiltration rate. The infiltration rates were always greater in soils without crusts than in soils with crusts. The slopes, soil crusts and tillage treatments had significant (p < 0.001) effects on the cumulative infiltration rates. The combined effects of the slopes and tillage treatments on the cumulative infiltration rates were much more significant (p < 0.01) than the other combined effects (p < 0.05).     

等高耕作对不同坡度坡面土壤侵蚀过程的影响

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明：(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58～31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%～94.92%,20.69%～99.27%和2.46%～88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不...     

喷施中性多聚糖对黄土坡面降雨入渗的影响

中性多聚糖(Jag S)是一种新型高聚物,研究该高聚物对黄土坡面降雨入渗的影响可对采用土壤侵蚀化学调控技术措施防治黄土坡面土壤侵蚀提供新的理论基础。通过人工模拟降雨试验,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0 mm min-1),不同坡度(10°、15°、20°)条件下,坡面降雨入渗及产流时间与喷施不同剂量(1、3、5 g m-2)Jag S之间的关系。结果表明:在不同坡度不同雨强下,与裸露坡面相比,喷施3种剂量的高分子化学材料Jag S均减少了前期降雨入渗率,但1及3 g m-2剂量Jag S处理能够明显提高黄土坡面入渗性能,减缓入渗在整个降雨过程的下降趋势,提高稳渗率,强化入渗效应均值分别为21.53%及9.17%,大剂量(5 g m-2)Jag S反而降低了土壤入渗性能(小雨强下除外)。喷施不同剂量Jag S的坡面其产流开始时间差异很小,但均早于裸露坡面,且表现为Jag S喷施剂量越大,坡面越早产流,大坡度大剂量对降雨产流时间影响较大。三个剂量对应产流时间提前百分比均值分别为47.26%、50.47%及66.28%。总之,Jag S在一定程度上能改善黄土坡面土壤结构,提高黄土坡面降雨入渗性能,从而降低土壤侵蚀,为采用高聚物进行水土保持提供了科学依据。     

土壤翻耕对坡地水分转化与产流产沙特征的影响

坡耕地严重的水土流失是导致黄土高原土壤质量退化与生态环境恶化的重要原因。采用模拟降雨的方法研究了翻耕与压实对休闲黄绵土坡耕地水分转化与产流产沙特征的影响。结果表明，(1)与压实相比，土壤翻耕导致入渗率下降40%～60%，产流强度增加1至3倍，降雨向土壤水分的转化率降低50％以上。(2)翻耕条件下流失径流的平均含沙量增加近70％，坡地产沙量增加3倍，径流流失量增加1倍，因此对坡地实行免耕休闲可以有效减轻水土流失、遏制坡地土壤质量退化的态势。(3)降雨过程中，随着产流时间的延长，坡地产沙量呈加速增加的趋势，而且增加速度显著快于坡面径流，因此采取适当措施延长初始产流时间、减少产流量以及提高降雨向土壤水分的转化率均可有效减少坡地土壤流失量。     

地表糙度对径流和产沙影响的室内试验研究

该文通过室内人工模拟降雨的方法,分析了连续降雨过程条件下,不同糙度地表的径流量和产沙量的变化。研究结果表明：人工锄耕的地表,延缓径流的作用较为明显,但这一作用仅发生在降雨初期;随着降雨的进行,不同糙度地表的径流变化规律基本一致,先增加,随后趋于稳定的趋势,但径流总量没有明显变化。同样,人工锄耕的地表,延缓地表的产沙作用强于糙度小的地表,产沙率15°坡面要高于5°坡面,随着降雨的进行,在雨强1.0 mm/min条件下,这一变化更为明显,最终产沙总量变化不大。地表糙度对侵蚀的影响,不仅与降雨持续时间相关,同时与坡度密切相关,并初步证实黄土区地表糙度对侵蚀的影响存在着一定的临界条件。这为揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施。     

人工降雨条件下耕翻面积对水土流失的影响

[目的]探讨耕翻面积对水土流失的影响,为黄土高原地区农田水土流失防治提供依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了3种坡度下不同耕翻面积的产流和产沙特性。[结果]耕地的产流和产沙特征除了与坡度、雨强以及土壤前期含水量等因素有关外,还与耕翻面积有密切关系。坡度相同时,随耕翻面积的增加初始产流逐渐延后;耕翻面积相同时,随着坡度的增大径流量有增大的趋势,在坡度15°的情况下,耕翻50%时径流量最大。相同坡度下,随耕翻面积的增加,产沙量呈持续上升趋势;坡度为10°时,耕翻面积对产沙量的影响表现最为明显,翻耕的产沙量平均为不耕翻的8.66倍。15°坡度下径流量对累积产沙量的影响最显著。不同耕翻面积下的产流率在产流开始后10min左右趋于稳定。在不同坡度下全耕的产沙率均最大,不耕翻的最小。[结论]随着耕翻面积逐渐增大,初始产流时间逐渐延后,径流量逐渐减小,产沙量逐渐增大。     

喀斯特坡耕地块石出露对土壤水分入渗的影响

块石出露是喀斯特石漠化地区典型的地貌景观特征之一。为探索喀斯特坡耕地中块石出露对土壤水分入渗的影响，通过野外人工模拟降雨试验，研究3个坡度（15°、20°、25°）、3个面积（小、中、大）、5种形状（斜条形、横条形、近圆形、三角形、竖条形）块石出露下的土壤水分入渗特征。结果表明：1）3种坡度下，各形状块石出露下和裸露坡的入渗率均随着坡度增加而减少。总体上，块石面积越小坡度越缓，入渗过程变化越平稳且入渗率高，块石面积越大坡度越陡，入渗过程变化波动大且入渗率低。2）初始、稳定、平均入渗率的最大值均出现在15°坡面，最小值均出现在25°坡面。总体上坡度和块石面积越大，土壤的稳定入渗率越高。3）与裸露坡面相比，块石出露下，15°、20°、25°坡度对入渗增量的贡献率为2.63%、20.88%、76.49%。小、中、大面积块石对入渗增量的贡献率为46.39%、32.88%、20.73%。形状对入渗增量的贡献率为31.50%（斜条形）>27.66%（横条形）>27.08%（近圆形）>10.81%（三角形）>4.36%（竖条形）。4）3种模型的拟合结果，裸露坡拟合度最高，均大于0.89，而斜条形块石拟合度都最低，均为0.60左右。Horton模型的拟合度最好，Kostiakov模型的拟合度良好，Philip模型的拟合度一般，故Horton模型更适用于喀斯特坡耕地不同块石出露下土壤水分入渗过程的拟合。研究结果有助于了解喀斯特坡耕地块石出露下的土壤水分入渗特征，促进农业水土资源的管理保护和利用，为该区水土流失和石漠化工程治理提供借鉴。     

坡耕地土壤水分入渗影响因素分析

介绍了千年生态系统的目的、任务、概念框架、实施过程及服务对象等，并提出了中国应该采取的对策。千年生态系统评估的目的是提高对生态系统的管理水平，为决策者提供信息。其任务是评估生态系统现状、预测生态系统的未来变化、提出对策、在典型地区实施评估计划。     

黄土丘陵区不同坡度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

降雨特征和坡度是影响土壤入渗过程的重要因素,在植被恢复过程中,其对土壤入渗特征的影响可能会有所不同。选取黄土丘陵区6个坡度(5°,10°,15°,20°,25°和30°)的撂荒草地(2年)径流小区(5 m×20 m),观测自然降雨条件下(共计34场降雨,产流11场)植被生长旺期(7—9月)土壤入渗特征,研究降雨过程参数(降雨量、平均雨强、降雨历时和I_(30))、坡度和植被盖度对坡面入渗特征的影响。结果表明:(1)11场产流降雨不同坡度土壤入渗量总体变化范围为6.58～70.91 mm,入渗补给系数为0.83～1.00,入渗率为0.22～19.35 mm/h;(2)土壤入渗量随降雨量呈线性增加(R~2=0.99,p0.01),入渗补给系数随I_(30)呈指数降低(R~2=0.91,p0.01),平均入渗率随降雨强度呈线性增加(R~2=0.71,p0.01),随降雨历时呈幂函数降低(R~2=0.99,p0.05);(3)坡度增大使得径流位移增长,导致入渗量、入渗补给系数和平均入渗率整体随坡度增大而呈幂函数增加,但当坡度25°时,因径流势能沿坡面方向分量增加,径流流速加快,上述入渗特征参数略有降低;(4)由于降雨量在植被生长周期内呈下降趋势,很大程度上导致植被对入渗特征的影响受控于降雨量,土壤入渗量表现出随着植被盖度的增加呈幂函数显著下降的趋势。总体而言,降雨特征和坡度是影响土壤入渗的主要因素,且土壤入渗特征参数可表示为降雨过程参数和坡度的综合幂函数方程;在入渗补给系数较高的情况下,植被覆盖对土壤入渗特征的影响减弱。研究结果对于坡面尺度降雨径流调控机制和生态水文过程研究具有重要意义。