黄丘区野外坡面产流产沙过程对不同植被覆盖结构的响应

植被覆盖结构是影响坡面侵蚀过程的重要因素,通过在黄丘区罗玉沟流域开展自然植被覆盖坡面野外模拟降雨试验,分析了90 mm/h雨强条件下地下根系、地下根系+地表结皮层和地下根系+地表结皮层+植被冠层3种不同覆盖结构对坡面产流产沙过程影响。结果表明:植被根系层次对增强土壤入渗起主导作用,使土壤入渗量增加67%,稳定入渗率增加39.7%;3种植被覆盖结构中,地表结皮层对产流和产沙具有最好的调控作用,减流贡献率和减沙贡献率分别为43%和67%;根系小区和裸地小区累积产流量与累积产沙量之间呈幂函数关系,随着植被覆盖结构的叠加,累积产流量与累积产沙量之间呈线性函数的关系;多层次植被覆盖结构能够延长坡面侵蚀过程的发育期,缩短活跃期。研究结果对定量评价植被措施的减水减沙作用具有重要意义。     

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。     

茵陈蒿群落分布格局对坡面产流产沙的影响

植被分布格局对其水土保持功能有重要影响。植被斑块与裸地斑块的不同组合配置对调控坡面径流侵蚀的作用不同。本文通过野外人工模拟降雨,对黄土丘陵区演替初期茵陈蒿(Artemisia capillaries)群落不同格局下的侵蚀产沙特征进行了定量分析研究。结果表明:在2.43mm/min雨强下,盖度相同组合不同,分布均匀的小斑块格局(B)比大斑块格局(C)的减流量高,但减沙效益降低。与裸地小区相比,格局B、C减流效益分别为14.7%、9.5%,减沙效益分别为36.14%和63.86%。坡面累计产流量随降雨历时逐渐增加,且二者呈线性相关。累计产沙量随降雨历时先增后减,表现为二次函数关系。累计产沙量与累计产流量之间也为二次函数,即随着径流量的增加,累计产沙量先增加后减少。     

黄土丘陵区不同植被恢复阶段下的暴雨产流产沙研究

采用空间代替时间的方法,通过野外人工模拟降雨试验,对安塞县马家沟不同恢复年限的自然恢复草地、人工柠条林地和人工刺槐林地下的产流时间、径流率、产沙强度、产流产沙量的变化规律及相关关系进行研究,并以耕地为对照对各自的减流减沙效益进行分析。结果表明,初始产流和结束产流时间均随恢复年限的增加而增加,但增加的幅度变小;退耕年限是影响自然恢复草地和人工柠条林地坡面产流产沙的一个重要因素,且只对人工刺槐林地的产沙过程产生影响;不同恢复阶段的累计径流量(Qw)和累计产沙量(Qs)随降雨历时(t)变化的规律均满足Qw(Qs)=c+at+bt2的函数形式,而累计产沙量和累计产流量之间的相互关系可通过幂函数Qs=aQwb的关系式来反映;各恢复阶段的减沙效益都大于减流效益,自然恢复草地和人工柠条林地具有直接拦沙的水土保持功效,而人工刺槐林地的蓄水减沙作用更为突出。     

小麦秸秆长度、覆盖量对坡面产流产沙的影响

为定量研究小麦秸秆覆盖对坡面产沙产流过程及减水减沙效益的影响,采用室内人工模拟降雨试验,研究在降雨强度为90 mm/h时,不同秸秆长度和秸秆覆盖量下的坡面产流产沙特征和产流产沙过程规律,结果表明:(1)在相同秸秆长度下,随秸秆覆盖量增加,产流量产沙量极显著减少(p0.01)。相同覆盖量水平下随秸秆长度增加,产流量显著增加(p0.05),在4.5 t/hm~2覆盖量下产沙量极显著增加(p0.01)。(2)秸秆覆盖坡面的初始产流时间较裸露坡面延迟6.23倍,产流量平均下降19.5%,产沙量下降31.6%。覆盖措施通过保护土壤的结构有效抑制了细沟侵蚀过程向切沟侵蚀发展。产流产沙过程受秸秆长度和覆盖量的交互作用影响,交互效应对产流过程的影响更突出。(3)随覆盖量增加,减水减沙效益极显著增加(p0.01);随长度增加,减水减沙效益分别减少为17.26%,27.97%。不同覆盖条件下的坡面产流量、产沙量和减水、减沙效益均与秸秆长度、秸秆覆盖量呈二元线性关系。(4)在当前试验条件下,当秸秆长度为3～5 cm,覆盖量为4.5 t/hm~2时达到最优减水减沙效益。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。     

地面覆盖条件下雨强和坡度对红黏土坡面侵蚀过程的影响

为揭示地面覆盖条件下第四纪红黏土坡面在不同雨强和坡度时的侵蚀变化规律,选取3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min)和3个坡度(10°,15°,20°),通过人工模拟降雨试验,分析坡面产流、产沙、入渗特征,并以15°为例计算覆盖坡面的减流减沙效益。结果表明:(1)坡面产流时间随雨强和坡度增加而提前,覆盖对产流时间有明显的滞后作用,雨强的增加会削弱覆盖延缓产流的作用;坡面径流率呈现前期增长,后期趋于稳定的变化特征;(2)当坡度一定,雨强从1.0 mm/min增加至2.0 mm/min,累积侵蚀量增加1.89～2.96倍;雨强一定,坡度从10°增加至20°,累积侵蚀量增加1.91～3.45倍;(3)坡面初始入渗率和入渗总量随坡度的增加而减小,而雨强的增大会增加坡面初始入渗率,减少入渗总量;(4)15°条件下覆盖坡面的径流量和泥沙量较裸坡平均减少50.26%和95.31%,松针覆盖的水土保持效益显著,且减沙效应大于减流效应;(5)坡度对覆盖坡面累积产流量和累积产沙量的影响程度大于雨强,不同雨强、坡度下累积径流量与累积产沙量呈现幂函数关系(R~20.97)。研究结果可为南方红壤丘陵区林下水土流失治理与生态恢复提供参考。     

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。     

弃土坡面不同建植恢复方式的减流减沙效应

[目的] 生产建设项目弃土场进行植被恢复后能够有效防治水土流失。探讨弃土场不同植被恢复方式的减流减沙效果,可以为弃土场后续治理与监管提供理论依据。[方法] 选取皖西大别山区生产建设项目弃土,通过人工模拟降雨试验获得不同建植方式(撒播、条播、穴播)和植被恢复阶段(生长期、成熟期、枯萎期)的弃土坡面产流产沙特征,并利用累积距平等方法分析其规律和差异。[结果] 相对裸坡,植被恢复可有效延缓初始产流时间,撒播种植的效果最为明显。不同建植方式均起到一定的减流减沙效应,坡面累积产流产沙量呈现出:撒播<条播<穴播<裸坡以及生长期<成熟期<枯萎期的规律;坡面产沙与产流过程存在差异性,减流效应弱于减沙效应。[结论] 建植方式减流减沙效益表现为撒播优于条播,穴播最差。生长期减流减沙效益优于成熟期,枯萎期最差。撒播方式在生长期内呈现出最佳的减流减沙效益,减流率和减沙率分别达到49.6 %,95.5 %。     

毛乌素沙地植被类型对生物结皮及其下伏土壤养分的影响

为了解旱区荒漠生物结皮的养分效应及其同植被灌丛间的关系,研究以毛乌素沙地广泛分布的苔藓、藻结皮为对象,选取4类典型植被样地,深入探讨了植被对生物结皮及其下伏土壤的养分分布的影响。结果表明:(1)沙蒿植被冠层下的藻结皮及其下伏土壤的全氮、全磷、有机质含量显著高于植被冠层间,沙柳、柠条群落则为植被冠层下的相应值显著低于植被冠层间(p0.05)。(2)沙蒿、沙柳、柠条3种群落的生物结皮及下伏土壤养分含量均随土层加深逐渐降低,而草地则表现为5—10 cm土层的土壤养分显著高于上层土壤;苔藓结皮的全氮、有机质表现为:柠条草地沙柳沙蒿,苔藓结皮的全磷以及藻结皮的养分含量均表现为:草地柠条沙蒿沙柳。(3)总体上,各类型植被下的苔藓及藻结皮均能够显著增加表层0—10 cm土壤的养分含量,且苔藓结皮的养分富集作用优于藻结皮。     

城市高羊茅草坪绿地水沙调控效应

通过人工模拟降雨试验,研究了60%覆盖度城市高羊茅草坪绿地(种草当年)在不同坡度(5°,10°)、不同雨强(30,60,90mm/h)条件下的产流、产沙过程以及径流携带泥沙的作用机制,并用裸地作为对照,同时定量化分析城市高羊茅草坪绿地的水沙调控作用。结果表明:(1)高羊茅草坪绿地能够有效延缓初始产流时间,但随着雨强及坡度的增加其延缓效果降低,当雨强90mm/h、坡度10°时草坪绿地几乎没有延缓初始产流时间的效果;(2)各试验条件下高羊茅草坪绿地与裸地产流率差异性显著,但雨强90 mm/h、坡度10°时二者差异性不显著;(3)各试验条件下高羊茅草坪绿地总径流量是裸地的0.8倍左右,总产沙量是裸地的1/244.68~1/28.34倍;(4)60%盖度城市高羊茅草坪绿地能够有效削减径流量和土壤侵蚀量,但削减程度有差异,雨强为30,60,90mm/h时草坪绿地的平均减流效益分别为33.23%,23.04%,13.78%,在各场次降雨条件下减沙效益均可达95%以上;(5)试验条件相同时,高羊茅草坪绿地和裸地的径流挟沙能力有差异,同一径流量下草坪绿地的土壤侵蚀量远远低于裸地;(6)分别建立城市高羊茅草坪绿地、裸地的径流量与泥沙侵蚀量之间的水沙关系。     

黄河源区退化草地水土流失规律

为了阐明高寒草甸退化草地水土流失的规律,以黄河源区河南县退化草地为研究对象,采用野外现场原位人工模拟降雨试验方法,对不同降雨条件下土壤径流量、冲刷量随坡度、退化程度、降雨历时和降雨强度的变化规律进行了试验和分析。结果表明:天然退化草甸的含水量及密度均随坡度和退化程度呈递减趋势(P0.05);同等条件下径流量与植被覆盖度呈幂函数负相关关系(y=140.69x~(-0.4667),R~2=0.988 2),与降雨强度呈指数函数正相关关系(y=40.35e~(0.0252x),R~2=0.970 8);泥沙量与植被覆盖度呈指数函数的负相关关系(y=4294.3e~(-0.0418x),R~2=0.990 7),与降雨强度呈指数函数正相关关系(y=62.657e~(0.0201x),R~2=0.968 8);坡度为30°的小区径流量较10°和20°的坡度小区分别增加了3.6倍和1.7倍,泥沙量分别增加了16倍和1.4倍,表明径流量、泥沙量随坡度的增加而急剧增大;植被覆盖度40%以下的区域其径流和泥沙含量变化幅度较大;降雨开始30min内的地表径流量相对稳定,降雨时间30min后地表径流量开始缓慢上升,坡面泥沙流失量主要集中在降雨后的5~15min内,而降雨55~60min后泥沙量急剧降低,因此试验认为降雨历时1h为土壤颗粒流失的敏感期;天然边坡径流产生后坡面出现汇流冲蚀现象,是退化草地水土流失加剧的重要原因。     

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。     

黄土高原典型群落近地表特征对坡面流水动力学特征的影响

[目的]阐明植被群落近地表特征对坡面流水动力参数的影响,揭示植被群落近地表特征影响土壤侵蚀过程的作用机制,以期为评估黄土高原草地植被恢复的生态水文效应提供理论指导。[方法]选取黄土高原典型白羊草群落[Bothriochloa ischcemum(Linn.) Keng])和铁杆蒿群落(Artemisia vestita Wall. ex Bess),通过设置不同近地表要素,进行了人工模拟降雨试验(雨强：60 mm/h;降雨历时：60 min)。[结果](1)随植物群落各要素依次减少,流型从缓流变为急流。植被群落覆盖径流流速降低了8.66%～76.79%,径流量减少了-12.45%～49.30%,Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别增加了62.55%～4 346.92%和33.16%～717.25%。(2)生物土壤结皮对流速降低作用最大,分别较地上部分和根系增加了54.44%～199.32%和225.31%～425.95%;地上部分对Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数增加作用最强,分别较生物土壤结皮和根系增加了175.76%～4 676.57%和29.6...     

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。     

黄土区沟道阶梯状边坡水土流失防治措施与机理

陕北地区治沟造地工程中新修沟道阶梯状边坡抗蚀性较弱。研究利用室内人工模拟降雨试验,研究新开挖沟道阶梯状边坡在降雨作用下不同水土保持措施的水沙效应,并观测其侵蚀发育过程。结果表明:极端气象条件(120mm/h雨强)与坡顶部区域汇水作用是导致阶梯状边坡产生快速侵蚀破坏的两个主要条件。当边坡仅受到降雨作用,雨强在60mm/h~90mm/h之间变化时,产沙速率稳定,不同雨强下产沙速率呈现倍率关系,坡面侵蚀现象无明显差异,坡体无明显破坏;120mm/h雨强条件下,产沙速率显著上升,侵蚀发育过程出现明显变化,坡体破坏明显。阶梯状边坡平台反坡措施能有效减少60mm/h,90mm/h,120mm/h三种雨强下产沙量58.4%,35.2%,62.1%,减少径流量69.6%,26.6%,60.8%,并有效减缓坡体表面破坏及侵蚀发育速度。用放水试验模拟无截排水措施情况,发现截排水措施能够有效降低产沙量92.7%,同时改变了侵蚀发育的现象,将急剧下切发育的细沟侵蚀转变为了发育较为缓慢的层状面蚀。从减水减沙的角度,坡顶截排水措施与平台反坡措施皆为有效的阶梯状边坡水土流失防治措施。     

草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益分析

研究草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙效益对科学评价草被防止土壤侵蚀的作用有重要科学意义。采用模拟降雨试验，分析了草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益。结果表明，草被与森林植被一样，能有效防止土壤侵蚀。当草地地面覆盖达90％时，草被拦蓄径流效益达90％以上，而基本上无侵蚀发生。草被地上部分（茎枝＋枯落物）拦蓄径流效益为23．7％，其中茎枝部分拦蓄径流效益为9．0％和枯落物层拦蓄径流效益为14．7％，减少泥沙效益为44．6％；草被地下部分土壤体拦蓄径流效益为72．7％，拦蓄泥沙效益为55．4％。     

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。     

模拟降雨对工程建设区裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响

为揭示不同降雨强度下工程建设区裸露坡地土壤侵蚀过程和氮素流失特征,采用人工模拟降雨的方法,研究不同降雨强度(1,1.5,2mm/min)和处理(裸地、坡面覆盖纱网)对工程裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响。结果表明:(1)径流强度、径流含沙量、土壤剥蚀率都与降雨强度呈正相关关系,土壤入渗率与降雨强度呈现负相关关系。(2)累积泥沙量与累积径流量在裸地处理中呈现线性函数关系,在纱网处理中呈现幂函数关系。(3)地表径流中氮素流失浓度随降雨历时呈现"下降—稳定"趋势,氮素流失量随降雨强度的增加而增大,其中NO_3~-—N流失量占总氮比重高于NH_4~+—N。(4)土壤坡面覆盖纱网后能有效控制水土流失量和氮素流失量,其中径流量和NO_3~-—N流失量在小雨强处降低效果显著,分别降低了60.21%和56.74%;TN流失量和NH_4~+—N流失量在小、中雨强处降低效果较好,均达到59.26%以上;侵蚀泥沙量在小、中、大雨强处均降低了79%以上。说明土壤坡面覆盖纱网这一措施对降低工程建设区裸露坡地土壤侵蚀量和氮素流失量具有效果显著,可以作为工程建设区水土流失防止措施。