水力侵蚀下砒砂岩坡面植被格局对土壤颗粒空间分布的影响

[目的] 研究内蒙古鄂尔多斯市典型砒砂岩地区不同植被格局下表层土壤颗粒组成空间分布特征,探明水力侵蚀下土壤颗粒分选搬运机制,为该区域生态环境恢复提供理论基础。[方法] 基于野外径流小区的原位监测试验,采用三维激光扫描与地统计学相结合的方法分析自然降雨条件下,砒砂岩坡面不同植被格局对表层土壤颗粒空间分布的影响。[结果] ①均匀分布的植被格局可有效抑制坡面的产流产沙。与裸露坡面相比其侵蚀区面积、平均径流量、平均泥沙量分别降低了5.35%,63.16%,76.47%。②均匀分布的植被格局下土壤黏粒、粉粒的含量分别较雨前增加了1.3%,2.2%,砂粒含量减少了3.2%;随机分布、聚集分布的植被格局下砂粒的含量分别增加了5.8%,15.3%,使土壤质地粗化。③不同的植被格局是引起土壤颗粒空间变异的主要因素。与降雨前相比,均匀分布、随机分布的植被格局使粉粒、砂粒的块金系数变高,空间自相关性降低;聚集分布的植被格局使黏粒、粉粒的块金系数由95.06%,83.89%降为0.07%,0.06%,表现出强烈的空间自相关性。[结论] 均匀分布的植被格局对砒砂岩坡面有着良好的水土保持作用,可显著减少坡面产流产沙过程并抑制土壤粗化。     

岩土覆被格局对西南喀斯特坡地产流产沙的影响

为研究不同岩土格局对喀斯特坡地水土流失/漏失的影响,利用人工模拟降雨试验,以裸坡为对照组,研究镶嵌格局、横坡格局、顺坡格局3种岩土覆被格局下的坡面产流产沙特征。结果表明：(1)顺坡格局的地表产流量最多,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡的地表产流量增加88.6%,67.1%,576.1%,同时顺坡格局的地下产流量最少,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡减少37.5%,36.1%,39.2%。(2)地表产沙量顺坡格局>镶嵌格局>横坡格局>裸坡,地下产沙量镶嵌格局>横坡格局>顺坡格局>裸坡。3种岩土格局的地表产沙量较裸坡均有明显增加,但地下产沙量相对增加较少。(3)岩土格局可改变地表径流泥沙关系,地表累积径流量与地表累积产沙量呈幂函数关系,镶嵌格局明显改变地表径流泥沙关系,使坡面地表侵蚀量显著提升。研究结果可进一步深化对喀斯特坡地降雨侵蚀规律的认识,为喀斯特地区的石漠化治理提供参考依据。     

新型亲水性聚氨酯对砒砂岩边坡抗降雨侵蚀的影响

通过人工模拟降雨试验,研究新型亲水性聚氨酯材料(W-OH)对不同坡度和降雨强度条件下砒砂岩边坡抗降雨侵蚀的影响。结果表明:(1)坡度和降雨强度两个因素均对砒砂岩边坡受降雨侵蚀影响明显,随着坡度和降雨强度的增加,侵蚀产沙量不断增加,其中降雨强度的影响较坡度更为显著;(2)W-OH处理以后,坡面侵蚀产沙主要由雨滴击溅造成,在所选用的坡度范围内,坡度对坡面侵蚀的影响基本可以忽略;(3)W-OH对砒砂岩边坡抗降雨侵蚀方面减蚀效果非常明显,不同条件下减沙比均超过了98%;(4)W-OH处理以后,在砒砂岩表面形成了一层稳定的保护层,不仅起到了隔离水与砒砂岩的效果,同时又增加了坡面的光滑度使得径流可以快速疏导。     

砒砂岩区水力侵蚀下坡面微地貌变化特征及过程研究

解决砒砂岩区坡面的产流产沙问题对黄河流域生态安全具有重要意义,选取砒砂岩裸露坡面为研究对象,在自然降雨条件下采用野外径流小区实测结合三维激光扫描技术,分析13次有效降雨过程砒砂岩坡面微地貌的变化过程及产流产沙特征.结果表明,径流小区内坡面土壤平均侵蚀深度为26 mm,侵蚀区占径流小区总面积的95.27％,单位面积上侵蚀...     

砒砂岩区坡面微地貌变化与侵蚀产沙的响应关系

为了定量描述坡面微地貌变化与侵蚀的响应关系,通过三维激光扫描仪,以严重侵蚀的砒砂岩区裸露坡面为研究对象,在自然降雨条件下进行野外原位监测,试验分析了两个雨季13次有效降雨下坡面微地貌与坡面侵蚀的空间变化特征。结果表明:(1)13次降雨中,重度侵蚀3次、中度侵蚀5次、轻度侵蚀3次、微度侵蚀2次,且均与降雨强度密切相关。(2)各地形因子均在R₄降雨时达到变化峰值,且其变化规律因坡位不同而有所差异,其中坡中与坡下变化规律基本一致,而上坡部地形因子波动起伏较为明显。(3)各地形因子间均存在一定的相关性,且坡位不同与产流产沙关系也不尽相同,其中产流量与微坡度相关性显著,随着坡位越靠下相关性越强。产沙量则在坡上及坡中与地表粗糙度表现为极显著相关,在下坡部与地表起伏度呈现出极显著相关。综上,坡面微地貌的变化一定程度上可以反映坡面侵蚀强度。     

植被覆盖对砒砂岩地区边坡侵蚀的减流减沙效益

为研究植被覆盖对砒砂岩地区自然边坡坡面侵蚀产流产沙规律的影响,阐明植被覆盖的减流减沙效益,在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的西召沟内选取坡度在10°左右的裸地、草地、柠条、沙棘和油松5种植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡,在冲刷流量为200L/h时分别对各植被覆盖边坡进行野外实地放水冲刷试验,对不同植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡坡面侵蚀的减流减沙效益进行了研究。结果表明:植被覆盖可明显增加砒砂岩自然边坡水流冲刷的稳定性。不同植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡坡面径流强度大小排序为裸地油松草地柠条沙棘;产沙强度大小排序为裸地草地柠条油松沙棘。相对于草地、柠条和油松覆盖的坡面,沙棘覆盖的砒砂岩自然边坡减流和减沙效益均最大。     

植被斑块格局对砒砂岩坡面土壤侵蚀强度的影响

选取水力侵蚀极其剧烈的砒砂岩区为研究对象,基于野外径流小区的连续监测试验,采用三维激光扫描、无人机航拍与方差均值比率法相结合,对比分析砒砂岩坡面3种典型自然植被格局(聚集分布、均匀分布、随机分布)下的产流产沙特征与坡面微地形的演变规律。结果表明:(1)均匀分布格局对减缓水力侵蚀条件下砒砂岩坡面土壤侵蚀强度的效果最明显,与裸坡相比,减流率达到64%,减沙率达到72%,土壤流失量最少,为0.05 kg/m²。径流泥沙量之间存在多项式曲线关系,拟合函数为y=-0.0462X²+0.5355X-0.865,R²=0.736。(2)均匀分布格局的侵蚀区面积最小,为12.28 m²;沉积区面积最大,为3.44 m²,土壤侵蚀强度较其他坡面弱,以轻度侵蚀为主。(3)均匀分布格局的径流泥沙量与平均沉积深度之间的相关性较强,与径流量呈显著正相关(p＜0.05),相关系数为0.603;与泥沙量呈极显著正相关(p＜0.01),相关系数为0.771。     

坡面降雨侵蚀和径流侵蚀研究

降雨侵蚀过程包括径流侵蚀作用和雨滴打击作用两个方面,传统的单径流小区降雨试验难以区分二者对坡面侵蚀的贡献。通过双土槽人工降雨试验,研究了降雨侵蚀和径流侵蚀的关系及二者对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明;在坡度和降雨强度一定时,坡上方来水量引起坡下方侵蚀产沙量随着上方来水量的增大而增大;在坡度一致和坡面径流量基本相同时,降雨侵蚀产沙量大于供水径流的侵蚀产沙量,降雨强度增大１倍时,坡面侵蚀产沙量增大约５０     

草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响,并从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果,结果表明草本植被覆盖深刻影响降雨侵蚀动力,并最终对坡面径流侵蚀量产生较大的影响。植被覆盖度为0%～60%时,产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低,植被覆盖度>80%时,覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降,植被水沙调控作用趋于稳定,确定本研究的临界植被覆盖度为60%～80%;以径流深和洪峰流量模数表示的坡面径流侵蚀功率以及降雨侵蚀力等侵蚀动力指标均与侵蚀产沙量呈正相关关系,但径流侵蚀功率与产沙量具有更强的相关性,说明径流侵蚀功率能更好地模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示植被覆盖度对侵蚀结果的影响,反映了临界植被覆盖度的存在,可以作为评价植被侵蚀动力调控效应的一个指标。     

砒砂岩区小流域坡沟系统地形及侵蚀分异规律

作为黄河流域典型生态脆弱区之一的砒砂岩区,水土流失治理难度大,区域地形、侵蚀在坡沟系统的分布迥异。区域土壤侵蚀研究多集中于刻画侵蚀空间分布及不同地类差异性研究,从坡沟系统细化开展研究工作较少,不能较好地为后续精细化治理提供支撑。因此,选取位于准格尔旗的3个典型砒砂岩区小流域,结合目视解译的流域沟沿线,开展了流域地形、水力侵蚀分布规律及其关联性研究。结果表明：流域地形因子分布特征与地貌特征分布一致,高值集中分布在沟道,低值则集中在坡面,且特拉沟小流域(覆沙)沟道处的地形因子统计值最大;砒砂岩典型流域水力侵蚀在坡面、沟道空间分布存在差异,流域坡面以微度侵蚀为主,占比达87%～97%,沟道微度侵蚀占比较坡面该值下降54%～72%,什卜尔泰支沟(裸露)沟道处的水力侵蚀模数均值最高,达97.5 t/(hm²·a);坡度、地表粗糙度、地表切割深度与水力侵蚀模数呈显著正相关关系(p<0.001),阳坡成为强度侵蚀以上单元的主要分布坡向,占比达56.8%～75.8%。因此,该区在后续小流域综合治理过程中,沟道及其阳坡是亟待加强的区域。     

天然降雨条件下裸露砒砂岩区人工植被的减流减沙效应

裸露砒砂岩区是黄土高原上侵蚀最为剧烈的地区之一,研究裸露砒砂岩区天然降雨下人工植被的减流减沙效应,对于提升砒砂岩区水土流失治理成效与质量有重要意义。以裸露砒砂岩区鲍家沟小流域的典型人工植被为研究对象,运用系统聚类和线性回归相结合的方法,划分裸露砒砂岩区降雨类型,研究不同降雨类型下坡面产流产沙的特征,分析不同人工植被的减流减沙效应。结果表明:(1)裸露砒砂岩的自然降雨可以分为长历时暴雨、长历时的中到大雨、短历时暴雨以及短历时的小到中雨4种类型。(2)天然降雨的降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和最大10 min雨强(I₁₀)与各植被类型坡面的产流量、产沙量间呈y=ax₁+bx₂+cx₃+d的多元线性关系。(3)各植被类型的减流能力依次为沙棘林>油松林>山杏林>柠条林>草地;减沙能力依次为沙棘林>山杏林>油松林>柠条林>草地。营造人工植被可以有效防治裸露砒砂岩区坡面的水土流失问题,现有的人工植被类型中以沙棘林的抗蚀能力最强。     

不同坡形坡面侵蚀规律试验研究

采用室内人工模拟降雨方法,研究不同坡形坡面侵蚀规律.结果表明产流量和含沙量、总径流量和侵蚀量大体上是凹形坡大于凸形坡,其次是内聚直坡,直线形坡最小,并且随着雨强和坡度的增大而增大.坡面上部和坡脚侵蚀较弱,坡面侵蚀的剧烈段在坡面中下部,并随雨强和坡度增大而逐渐上移.细沟的宽度和深度随雨强的增大而增大,产生细沟后侵蚀量将迅速增大,最大占总侵蚀量的91%.     

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。     

不同坡面草被格局下的侵蚀产沙量及其连通性指数表征

为探寻植被格局的定量表征参数,并建立其与侵蚀产沙的关系,深入揭示植被格局阻蚀减沙作用机制,该研究采用室内人工模拟降雨试验,以40%盖度的高羊茅草被坡面为研究对象,探讨了不同坡度（5°、15°和25°）和植被分布格局（裸地、带状横坡、带状顺坡、块状镶嵌、点状均匀格局）下的坡面侵蚀产沙过程变化,并分析了不同草被格局下平均汇流路径长度指数（Mean Flow Length Index,MFLI）、连通性指数（Index of Connectivity,IC）变化及其同坡度和土壤侵蚀量的关系。结果表明：带状顺坡、点状均匀、块状镶嵌和带状横坡的草被坡面平均侵蚀量分别较裸地减小42.9%、55.7%、62.4%和78.0%,带状横坡的阻蚀减沙作用最优。不同草被格局坡面间的MFLI和IC总体也与平均侵蚀量的差异关系一致,从小到大依次为：带状横坡、块状镶嵌、点状均匀、带状顺坡、裸地。MFLI和IC可分别与坡度结合用于模拟评价不同草被格局坡面的侵蚀产沙,决定系数（R2）达0.84以上。其中,IC与坡度的协同性更佳、依赖性更小,是表征植被格局对坡面侵蚀产沙影响的较佳参数。结果可为快速优选水土保持型植被格局、促进生态脆弱区林草植被格局优化和提质增效提供依据。     

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。     

降雨和植被覆盖对铁路路基边坡土壤侵蚀的影响

[目的] 探究不同植被覆盖对边坡径流泥沙的削减作用,为改善道路路基边坡的植被配置,减少公路边坡的水土流失量提供科学参考。[方法] 选取江苏省南通市境内在建的南京市—启东市铁路路基为研究对象。利用坡面观测小区,选取观测期内不同降雨强度（15,28,40,63,82 mm/h）的自然降雨条件,对3种植被覆盖（灌草坡面、植草坡面和裸坡坡面）的坡面产流与产沙进行分析,揭示植被覆盖对径流和泥沙的拦蓄作用。[结果] 降雨强度对初始产流时间影响显著（p<0.05）,3种植被覆盖的初始产流时间随降雨强度的增加逐渐减少,植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面对初始产流时间的延缓作用显著。随着降雨强度的增加,3种下垫面坡面径流量均呈增大的趋势,植草和草灌结合坡面相比裸坡坡面有较好的削减坡面径流作用。试验条件下,草灌结合坡面削减率在54.20%～63.68%,植草坡面削减率在38.59%～55.37%。随着降雨强度的增加,裸露坡面所产生的泥沙量呈指数型递增,在降雨强度大于63 mm后尤为明显,由662.66 g （15 mm/h）陡增至2 002.95（82 mm/h）。植草和草灌结合坡面随降雨强度的增大产沙量增加不明显,泥沙产生量在0.9～4.9 g。[结论] 路基边坡产流产沙随着降雨强度的增大而增加,降雨对坡面产流产沙影响显著;植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面有非常明显的减少土壤侵蚀的效果。     

自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征

[目的] 研究自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,为区域土壤侵蚀机制研究提供理论参考。[方法] 选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,采用野外径流小区原位监测与三维激光扫描技术结合的方法,分析砒砂岩坡区13次降雨过程中坡面细沟数量、形态以及几何特征的动态变化特征,揭示细沟微形态变化过程对坡面产流产沙的影响机制。[结果] 观测期研究区总降雨量为267.40 mm,总降雨历时为5 893 min,总径流量为294.05 L,总泥沙量为111.34 kg。降雨对径流和泥沙的贡献率表现为：中雨（10.0～24.9 mm）>大雨（25.0～49.9 mm）>小雨（<10.0 mm）。中雨对坡面侵蚀影响程度最高。水力侵蚀导致坡面细沟形态上趋于复杂化,其总长达为40.52 m,平均宽度为4.31 cm,平均深度为1.22 cm。次降雨坡面细沟的发育过程表现为：溅蚀—片蚀—宽浅型细沟—连续细沟网—沟壁坍塌—沟道稳定;细沟趋于向窄深型发育。[结论] 细沟各形态指标均呈现明显的二次多项式相关关系,细沟宽深比与沟壑密度对坡面产沙量存在显著影响。     

子午岭林区林地和开垦地土壤侵蚀特征研究

利用大型坡面径流场和小流域的观测资料研究了子午岭林区林地开垦前后土壤侵蚀特征,其结果为林地土壤侵蚀很轻微,侵蚀强度小于15t/（km²·a）,径流模数小于2400m³/（km²·a）。地形和降雨特征对土壤侵蚀的影响不甚明显,植被和土壤成为影响土壤侵蚀的决定性因子。而当林地被开垦后,土壤侵蚀由自然植被覆盖下的自然侵蚀转变为人为加速侵蚀,侵蚀模数达1000t/（km²·a）以上,径流模数在27480m³/（km²·a）以上。降雨和地形特征对土壤侵蚀的影响非常明显。土壤加速侵蚀量与10min 或15min 最大雨强（Ⅰ₁₀或Ⅰ₁₅）的关系最为密切,坡面汇流增加,谷坡侵蚀产沙系数为27.7%。     

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。