模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大,其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白,而雨强和地下孔(裂)隙度(以下简称地下裂隙)对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下裂隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明:雨强对地表产流产沙影响显著(P0.05),其产流产沙量均随雨强增大而增加,且地表产流产沙临界雨强在30~50 mm/h之间;雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮(TN)输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著(P0.05)。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著(P0.05),而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷(TP)输出负荷总体以径流为主,而全钾(TK)输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子,地下裂隙度对其养分流失影响不大,但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。     

坡度和雨强对崩岗崩积体侵蚀泥沙颗粒特征的影响

不同侵蚀条件下崩积体的侵蚀产沙特性是阐明崩积体侵蚀机理的关键。采用人工模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:随着雨强和坡度的增大,泥沙粗颗粒含量及粗颗粒的富集率均增加;侵蚀物质随降雨过程逐渐变粗,后趋于稳定,大雨强条件下细沟侵蚀阶段表现为对供试土壤的"整体搬运";侵蚀泥沙颗粒的平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)随雨强的增大而增大,1.00 mm min-1和1.33 mm min-1雨强下,细沟间及细沟侵蚀泥沙的MWD随坡度变化均存在临界坡度(30°~35°之间),其他雨强条件下则无此种情况;雨强对侵蚀泥沙MWD的影响大于坡度。     

水分胁迫和粉煤灰添加对风沙土颗粒分形维数及肥力的影响

探讨不同比例粉煤灰在水分胁迫下与风沙土复配对沙土颗粒分形维数及肥力的影响,为毛乌素沙地土壤肥力提升提供理论依据。采用盆栽控水方法,设置4个粉煤灰水平(F0、F1、F2、F3,分别占风沙土干重的0,1%,5%,10%)和3个水分梯度[W1、W2、W3,分别占田间持水量的(75±5)%,(55±5)%,(35±5)%],采用分形维数反映在水分和粉煤灰作用下风沙土粒径分布特点,利用主成分分析结合聚类分析方法评价不同处理下风沙土肥力变化。结果表明：(1)在相同水分条件下,风沙土分形维数随着粉煤灰复配比例的增加而增加。(2)在相同粉煤灰复配比例下,风沙土中硝态氮(NO₃^-—N)含量随着水分胁迫利用效率提高,呈现出增加的趋势。(3)粉煤灰和水分处理条件下风沙土中全氮(TN)含量均处于较低水平,在实际生产过程中应考虑配施氮肥。(4)对风沙土肥力综合评价结果表明,粉煤灰10%复配比例效果较好,且在干旱情况下有一定的适用性。     

降雨强度对黄土坡面矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验，研究了黄土区土壤矿质氮素随地表径流迁移流失和入渗的动态变化，初步探讨了径流与土壤矿质氮素的作用深度EDI，并提出了EDI深度的确定方法。结果表明：土壤矿质氮素流失是降雨、径流与表层土壤矿质氮素作用的结果，随径流流失量显著高于随泥沙流失量，地表产流过程径流养分浓度呈现高—低—较高变化；降雨(降雨强度)和径流是土壤溶质迁移的动力，对土壤矿质氮素随径流流失和入渗有着重要影响。雨强增大，土壤矿质氮素流失量、径流作用深度(EDI)和土壤硝态氮入渗锋值深度均增加；同一坡面不同坡位土壤NO^－₃-N与径流有效作用深度(EDI)和浓度锋值深度不同，坡中下部最深，坡顶部和坡底部较浅；土壤NO^－₃-N和土壤NH⁺₄-N入渗和再分布过程截然不同。     

纳米碳对不同植被覆盖下黄土坡地降雨侵蚀的抑制效果

纳米碳对黄土高原地区土壤水分运动具有显著影响。该文基于野外人工模拟降雨试验,研究了不同植被覆盖(空地、柠条、苜蓿、黄豆和玉米)条件下,在黄土坡面上中下位置条施不同质量分数纳米碳(0、0.1%、0.5%、0.7%和1.0%)对坡地产流产沙过程的影响。该文试验设计1.0 m×1.0 m降雨小区,前期在小区坡面种植植被以及埋入不同质量分数纳米碳,其中未做植被覆盖处理和未施加纳米碳的小区作为对照,共25个试验小区。采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨,雨强为60 mm/h,降雨历时40 min。降雨过程中定时收集径流及泥沙,用以研究在不同植被覆盖条件下纳米碳对黄土区坡地径流与泥沙的调控机理影响。研究结果显示,在土壤中施入纳米碳,对坡面初始产流时间的影响显著。随着施入纳米碳质量分数的增加,不同植被覆盖的初始产流时间总体随之增加,在4种植被覆盖中,苜蓿延缓产流时间效果最明显,较之空白对照最大增加了287.1%。纳米碳的施入,使各植被覆盖中坡面径流量明显降低,施入不同质量分数纳米碳,各植被覆盖中减流效果最显著的仍为苜蓿,径流量较之对照减少了66.47%,而空地、柠条、黄豆、玉米这4种处理减流幅度均在31.5%~33.6%之间。同时,纳米碳对于坡面径流减沙效果亦非常显著。施入纳米碳后,各植被减沙效果排序依次是:苜蓿柠条玉米黄豆。通过纳米碳对产流产沙量的影响进行相关性分析,得出纳米碳对试验结果具有显著的影响;在水土流失调控效果评价值影响分析中,纳米碳对水土流失调控效果较合适的质量分数为0.5%。综上,在黄土区土壤中施加纳米碳并提高施入纳米碳的比例,对于该地区水土流失的治理具有积极作用。     

土壤结皮对降雨入渗和产流产沙的影响

 依据250场次人工降雨和相应的径流、泥沙资料,采用对比法,分析结皮与无结皮土壤对降雨入渗和产流产沙的影响。结果表明,非结皮土壤的平均入渗率是结皮土壤的1.25倍,平均产沙总量为1.28倍,而结皮土壤的平均产流总量是非结皮土壤的1.15倍。因此,土壤结皮具有减缓降雨入渗、增大地表径流和抑制产沙的作用,且雨强愈小影响作用愈大,雨强愈大,影响作用愈小。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。     

雨强和土地利用方式对黄土丘陵区水土流失的影响

为了更好掌握黄土丘陵区雨强和土地利用方式对水土流失的影响规律和机理,利用人工降雨模拟器,设计了5种雨强和4种土地利用方式的区组试验,对水土流失进行了定量研究。结果表明：雨强对不同土地利用方式的产流产沙都呈极显著的正效应,4种土地利用方式的地表平均产流产沙与雨强均呈幂函数显著增长趋势;5种雨强的平均地表产流量为林地＞休闲耕地＞栽培草地＞草地,平均产沙量分别为休闲耕地＞栽培草地＞草地＞林地,产流与产沙没有呈现完全的对应关系。如果没有林冠层、灌木层和枯枝落叶层对降雨的截留、阻滞和消弱,林地产流量高于其他土地利用方式,但具有良好的保土效果,而草地具有良好的保水和保土效果。     

农田土壤颗粒尺寸分布分维及颗粒体积分数的空间变异性

盐渍土膜下滴灌过程中的土壤理化性质存在空间变异性,对灌溉管理有一定影响。该文根据3个不同尺度下土壤采样及颗粒尺寸分布（PSD）测定结果,探讨了土壤PSD分维和颗粒体积分数之间的定量关系,分析了各尺度和综合尺度下土壤PSD分维和颗粒体积分数的经典统计特征和地质统计特征,根据颗粒体积分数的半方差函数计算了不同尺度颗粒体积分数的分形维,并做出了等值线图。研究表明,土壤PSD分维与黏粒的体积分数呈正相关关系,黏粒体积分数增大引起PSD分维增加的原因在于细颗粒的比表面积比粗颗粒的大;各尺度土壤PSD分维及颗粒体积分数均无强变异特征;不同尺度下土壤PSD分形维的半方差函数中块金和基台值均非常低;50 m尺度土壤PSD分维和黏粒体积分数的等值线图具有类似的集中度和走势,而砂粒体积分数和粉粒体积分数则具有相反的集中度和走势。该研究说明土壤PSD分维和颗粒体积分数都有一定的尺度依赖性。     

植被类型对黄土坡地产流产沙及氮磷流失的影响

植被类型影响黄土坡地径流、土壤侵蚀和和养分迁移过程。该研究通过野外水流冲刷试验,对比分析了6种植被条件下坡面产流产沙及氮磷流失特征。研究结果表明,大黄花拦蓄径流作用最为明显,而大豆最弱;产沙量随时间的变化会出现峰值特征,其中苜蓿控制土壤侵蚀作用要优于其他植被;径流中硝态氮和水溶性磷的浓度在放水初期随时间迅速衰减,而后趋于稳定,幂函数比指数函数能更好的描述径流中硝态氮和水溶性磷浓度变化过程;泥沙中的硝态氮含量随时间迅速衰减,而有效磷的含量则随着时间逐渐波动减小,二者的最高含量均发生在苜蓿地。养分的富集率与土壤侵蚀量成反比;径流硝态氮流失总量的大小关系为谷子苜蓿柠条玉米大豆大黄花,水溶性磷流失总量的大小关系为谷子玉米柠条大豆大黄花苜蓿,谷子、玉米、柠条、大豆、大黄花各自硝态氮和水溶性磷的流失总量基本相同(P0.05);土壤剖面硝态氮含量随着深度增大呈现出峰值特征,且峰值存在的深度不同,土壤有效磷主要积聚在表层5 cm以上,5 cm以下含量极低。综上可知,野外草本植被在拦截径流、减少土壤侵蚀和控制养分流失方面要优于农田作物,在植被恢复中应广泛采用农地撂荒的方式进行恢复。     

南方红壤区植被结构类型与降雨模式对林下水土流失的影响

植被和降雨是水土流失的关键因素,探究二者对水土流失的影响对开展水土保持具有重要意义。该研究基于鹰潭红壤生态试验站5种植被结构类型的径流小区2016-2018年93次降雨、径流、泥沙观测资料以及各小区植被结构参数,利用自组织映射(self-organizing maps,SOM)方法,根据雨量、历时、60 min最大雨强、平均雨强、降雨集中性等特征指标划分降雨模式,研究了不同降雨模式和植被结构类型的水土流失特征,并采用冗余分析(RDA)定量研究降雨与植被对林下水土流失的影响。结果表明,SOM方法能客观识别红壤区4种典型侵蚀降雨模式,R_Ⅲ模式(短历时、大雨强、雨量集中)是造成水土流失的主要降雨模式,R_Ⅳ模式(多雨量、大雨强、长历时)最具侵蚀性破坏力;植被结构类型显著影响水土流失,水土保持功能从大到小依次为:灌草混交林、草地、低灌林、乔木林、高灌林。RDA分析表明,降雨模式与植被结构类型能够改变降雨、植被对水土流失的影响,随着降雨模式由弱到强转变,植被的水土保持功能逐渐减小,降雨影响增强,水土流失由植被主控演变为平衡控制、降雨主控;随着植被结构类型...     

模拟降雨条件下灌草配置对坡面侵蚀泥沙颗粒分布的影响

为探究不同灌草配置方式对侵蚀泥沙颗粒的分布特征的影响,以种植胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）及紫花苜蓿（Medicago sativa L.）的灌草褐土坡面为研究对象,分别进行降雨强度为30、60、90 mm/h的室内模拟降雨试验。设计3种灌草覆盖度（灌草覆盖度比例分别为1：2(Ⅰ)、2∶1(Ⅱ)、1∶1（Ⅲ））及3种灌草空间配置方式（灌木位于坡上（US）、坡中（MS）、坡下（LS））,以裸坡作为对照组,分析降雨条件下灌草不同覆盖度及空间配置交互作用下侵蚀泥沙颗粒分布特征。结果表明：1）粉粒是侵蚀泥沙中的主要颗粒组成,均值为73%。随着降雨强度的增大,侵蚀泥沙逐渐粗化。90 mm/h雨强条件下,不同灌草配置方式下的粉粒含量值中Ⅱ-LS配置最大（84.8%）,Ⅲ-US最小（40.4%）。2）平均重量直径变化范围为0.023～0.078 mm,分形维数变化范围为2.184～2.740。分形维数和富集率大小规律与平均重量直径相反,细颗粒富集率均大于1。平均重量直径和分形维数的大小主要取决于粗颗粒（极细砂、细砂、中砂）的含量。3）灌草覆盖度和空间配置交互作用对泥沙颗粒分选的作用并不显著（P>0.05）。灌木位于坡下且灌木覆盖度50%、草本覆盖度25%时（即Ⅱ-LS）,对坡面径流泥沙起到较好的水土保持效果。该研究可为华北土石褐土区水土保持措施布设提供理论参考与技术依据。