坡面不同植被覆盖格局下的水文连通性变化特征

为深入探索不同植被盖度及其格局在不同冲刷流量下的坡面侵蚀过程机理,利用野外人工冲刷试验,以自然恢复草本植被小盖度格局、坡上相对聚集格局、坡中相对聚集格局、坡下相对聚集格局和较大盖度格局为研究对象,通过引入水流路径长度和水流阻抗指数,分析了不同植被盖度及格局对坡面侵蚀和水文连通性的影响作用。结果表明：（1）植被盖度及格局可影响坡面的侵蚀状况。坡面植被盖度为13.5%的产流产沙量分别是盖度为34.0%坡面对应值的2.36,3.02倍;同时与坡上和坡中相对聚集格局相比,坡下相对聚集格局的坡面产流产沙量最多,其中产流量分别增加16.42%和8.00%,产沙量分别增加26.53%和23.56%。但随着冲刷流量的增加,不同植被盖度和覆盖位置下的坡面产流产沙量差距减小。（2）植被盖度与水流路径长度和水流阻抗指数间均存在显著的线性关系。同时水流路径长度在不同覆盖格局下存在差异,其中坡上相对聚集格局的水流路径长度分别比坡中和坡下相对聚集格局减少10.89%和18.33%。而水流阻抗指数在不同覆盖格局下表示意义不明确,但可灵活反映不同试验条件下的水文连通性变化。（3）坡面产流产沙量随水流路径长度和水流阻抗指数增加呈显著的指数变化趋势。水流路径长度和水流阻抗指数均可作为反映坡面侵蚀过程及其机理的参数之一。该研究成果对于深入理解坡面侵蚀过程机理及定量评价水文连通性与植被和坡面侵蚀的作用关系具有参考价值,从而为坡面侵蚀预测模型完善和地区生态环境建设提供评价依据。     

不同草被格局下的坡面流水力学特性

通过室内放水冲刷试验,研究不同草被格局(随机格局、草方格、带状、斑块状及光滑玻璃对照)下的坡面流水力学特性变化。试验在8种流量(0.15,0.30,0.45,0.60,0.75,0.90,1.05,1.20 L/s)和3种坡度(3°,6°,9°)下进行。结果表明:(1)与光滑玻璃面相比,草被覆盖坡面可以雍高水位1.02～1.38倍,减缓流速6.52%～36.73%;随着流量和坡度的增大,流速呈幂函数递增(R~20.95)。(2)雷诺数与流量间存在显著的线性正相关关系(R~20.99),与坡度和草被格局无明显相关关系;草被覆盖可以有效降低坡面弗劳德数。(3)随流量和坡度的增大,草被覆盖下的坡面流型态从层流—缓流或急流过渡到紊流—急流。(4)随着流量的增大,坡面流阻力系数呈幂函数递减(R~20.86),坡度对坡面流阻力系数无显著影响(p0.05)。(5)不同草被格局雍高水位的作用为随机格局斑块状草方格带状,对流速的减缓作用为随机格局带状斑块状草方格,坡面弗劳德数为斑块状带状草方格随机格局,抗蚀能力为随机格局草方格带状斑块状。     

草被覆盖对坡面侵蚀形态与产沙过程的影响

通过径流冲刷模拟试验,采用三维激光扫描和常规观测相结合的方法,分析了草被覆盖对坡面侵蚀形态和产沙过程的影响。结果表明：与裸坡小区相比,草被小区坡面侵蚀发育不明显,其产输沙过程线也较低且平缓;产沙过程和侵蚀形态发育具有同步（趋势相同）性,试验条件下坡面产沙过程的峰值在侵蚀形态发育活跃期后2～4 min出现。     

黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系

为探究黄土和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(15°,20°)、2个雨强(60,90 mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%~6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RMI)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨强、坡度条件下,红壤稳定径流率为30~120 mL/s,黄土为100~220 mL/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,10 min之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。     

草带布设位置对坡沟系统水文连通性的影响

为研究坡面不同草带布设位置对坡沟系统水文连通性的影响,在模拟降雨条件下,选取地形收敛指数和地形湿度指数作为结构连通性指标、简化水文曲线和相对地表连接函数作为功能连通性指标分析了不同草带布设位置(坡面中上、中、中下、下部)坡沟系统水文连通性。结果表明:不同草带布设位置对坡沟系统的连通过程影响不同。植被布设越靠近沟坡部分产流时间越长;植被布设在中下坡位、下坡位比中坡位和中上坡位的总径流量小,对径流汇集影响大。中上坡位布置植被比其他位置有较好的结构连通性,其降雨后的地形更利于水系连通。不同格局地形收敛指数分布类似正态分布,地形湿度指数分布符合正偏态分布。中上坡位布置植被降雨后地形比其他格局更利于汇流;中上坡位布置植被降雨后的地形湿度指数均值比降雨前减少10.59%,整体变化最大,也更利于产流。植被布设越靠近坡顶部分其功能连通性越好,但对于降水的储蓄能力较差。中上坡位布置植被相比其他格局需要较少的水量达到产流,功能连通性最好。降雨停止时,中下部和下部坡位布设植被约有70%的总降雨量用于储蓄,而中上部和上部仅为50%。     

不同立地条件下坡面入渗与侵蚀关系试验研究

通过黄土坡面的冲刷试验,研究了不同立地条件、坡度、流量条件下坡面的侵蚀特征及坡面入渗与侵蚀的关系,研究结果表明,在其它条件相同时,裸坡的侵蚀量分别是草被覆盖度为30%,80%坡面的4倍和20倍;80%草被覆盖度坡面的稳定入渗率为30%覆盖度坡面的2倍,是裸坡的9倍;10°坡面的侵蚀产沙量只有20°,30°坡面的1/10;20°,30°坡面的入渗率约是10°坡面的1/10;1 L/min流量下的相对稳定侵蚀量是5 L/min和7.5 L/min流量的1%左右,而3 L/min的稳定侵蚀量则为后者的20%左右;在不同的流量条件下,坡面侵蚀量随入渗率的增加呈线性减少,两者之间有很好的相关性。     

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。     

降雨、汇流和坡度对黑土浅沟坡面侵蚀影响的试验研究

[目的]为研究降雨、汇流和坡度对浅沟侵蚀的影响,实施精确的水土保持措施。[方法]通过室内模拟降雨和汇流试验,设计2个降雨强度(50,100 mm/h)和2个坡度(3°,7°),并在4种降雨强度和坡度组合下设置5个依次增加的汇流强度(15,30,45,60,75 L/min),分析降雨、汇流和坡度及其交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响,明确浅沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献。[结果](1)坡度和汇流强度对浅沟坡面侵蚀的影响均大于降雨强度。当降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,3°和7°对应的坡面侵蚀量分别增加52.3%～81.8%和29.4%～88.4%;而当坡度从3°增大到7°,50,100 mm/h降雨强度对应的坡面侵蚀量分别增加114.3%～395.5%和130.0%～320.9%;当汇流强度由15 L/min增加至75 L/min,坡面侵蚀量增加4.6～13.5倍。同时,汇流强度的增加加剧坡度对坡面侵蚀的作用,而减弱降雨强度对坡面侵蚀的影响。(2)降雨、汇流、坡度双因子和三因子交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响以汇流强度—坡度交互作用和降雨强度—汇流强度—坡度三者的交互作用的影响最大,其...     

汇流强度、坡度及侵蚀泥沙颗粒分形对工程堆积体坡面侵蚀的影响

为了探讨汇流强度、坡度和侵蚀泥沙颗粒分形对堆积体坡面土壤侵蚀的影响,选用3种土壤(风沙土、红土、塿土),4个汇流强度(8,12,16,20 L/min),在3个坡度(28°,32°,36°)堆积体坡面上进行野外径流冲刷模拟试验.结果表明:(1)汇流强度和坡度的交互作用对坡面平均流速的影响最大.3种土壤坡面流流速均随汇流...     

多时间尺度小流域侵蚀产沙对土地利用/覆被格局的变化响应

为阐明多时间尺度小流域侵蚀产沙对土地利用/覆被格局的变化响应机制，该研究基于吕二沟流域1982-2020年逐日降雨、水沙实测资料和土地利用/覆被数据，综合运用 K-均值聚类法、多元回归分析等方法，从年际和年内月际2个时间尺度对比分析了不同土地利用/覆被格局下的流域侵蚀产沙变化及其与泥沙连通性指数的关系。结果表明：1）1982-2020年间，吕二沟流域由耕地为主体向农林草复合结构转变、泥沙连通性指数显著下降，可将整个研究期划分为1982-1985年、1986-1990年、1991-2000年和2001-2020年共4个阶段，分别对应土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。2）随着以林草地增加为主的土地利用/覆被变化，流域产流、产沙能力减弱。相较土地利用/覆被格局Ⅰ，土地利用/覆被格局Ⅳ的年均径流深显著降低；后期土地利用/覆被格局（Ⅲ和Ⅳ）下的汛期月产流产沙能力显著小于前期（土地利用/覆被格局Ⅰ）。3）基于月降雨量、月最大日降雨量和月侵蚀性降雨日数3个降雨指标，可将研究期内的汛期月降雨划分为4种类型：小雨量、弱侵蚀性的A型，中雨量、弱侵蚀性的B型，大雨量、中侵蚀性的C型，大雨量、强侵蚀性的D型；在大雨量中侵蚀性的C型降雨下，不同土地利用/覆被格局间的月际径流深和产沙模数均不存在显著差异。年际和月际尺度下，小流域产沙模数均与泥沙连通性指数呈指数递增关系，但C雨型下的关系减弱。研究为干旱半干旱区流域土地利用/覆被格局优化配置和功能提升提供科学依据。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

不同坡度下紫色土地表微地形变化及其对土壤侵蚀的影响

为了揭示川中丘陵区紫色土地表微地形变化对土壤侵蚀的影响,该文通过室内人工模拟降雨试验,从地表糙度角度出发,结合多重分形理论与方法,分析了不同坡度条件下紫色土地表微地形变化特征,探讨了地表微地形变化与土壤侵蚀间的关系。结果表明:1)雨强为1.5 mm/min,历时为40 min降雨条件下,10°、15°和20°坡面地表相对高程的变化量分别为-11.66、-3.52和-5.61 mm,仅20°坡面地表初始低洼部位被径流贯通形成细沟;各坡面地表糙度均有所减小,且表现为15°10°20°,其中10°和15°坡面不同坡位地表糙度均较雨前减小,20°坡面下坡地表糙度较雨前增大,不同坡度全坡面地表糙度均较雨前减小;2)地表微地形具有一定的多重分形特征,10°和15°坡面雨后多重分形参数广义分形维数跨度、奇异指数跨度和多重分形谱高差均较雨前增大,微地形空间分布差异增大,且地表变得圆润,20°坡面与之相反;3)随坡度增大,地表径流量呈先减小后增大的变化趋势,且地表糙度变幅越小的坡面,地表产流量越高,而侵蚀产沙量则随坡度的增大显著提高(P0.05)。研究成果为揭示水蚀过程中地表微地形变化的本质和作用机理提供了参考。     

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。     

长期野外监测红壤裸露坡地侵蚀性降雨分布及产沙分析

侵蚀性降雨及其侵蚀泥沙分布特征研究是掌握土壤侵蚀规律的基础,同时也可为水土保持综合治理提供理论依据。研究选择红壤裸地坡面径流小区为研究对象,利用实际观测法收集到2001-2016年的565次长序列侵蚀性降雨及其径流泥沙资料,运用数理统计方法分析侵蚀性降雨及其泥沙的发生频率和强度的分布特征,在此基础上分析降雨类型对侵蚀产沙的影响。研究结果表明,研究区侵蚀性降雨量占总降雨量的87.82%,主要分布在降雨量为25 mm以上和降雨强度5mm/h以下的降雨事件。次降雨侵蚀强度小于100t/km~2的侵蚀次数占总次数的76.81%,而其侵蚀总量只占总量的7.28%;侵蚀强度大于500t/km~2的降雨侵蚀次数只占总次数的6.36%,但其侵蚀泥沙量可占总量的60.96%,次降雨侵蚀产沙量分布极为不均。降雨量25～100mm且平均雨强小于20mm/h的降雨类型造成研究区土壤侵蚀量最大。次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h可作为红壤裸露坡地水土流失防御的设计暴雨特征值。研究结果有助于揭示红壤坡地次降雨侵蚀规律和水土保持措施布设。     

桂西北喀斯特峰丛不同土地利用方式坡面产流产沙特征

由于缺乏长期定位观测资料,西南喀斯特山区坡地水土流失规律一直不明确,严重影响了该区石漠化综合治理和水土流失防治工作的成效和进程。该文基于13个大型径流小区(宽20m、投影面积>1000m2)5a(2006-2010年)的定位观测资料,分析了桂西北喀斯特峰丛洼地不同利用方式坡面降雨产流规律和地表侵蚀产沙特征。结果表明:观测期内年降雨量为1300～2000mm,无论平水年还是丰水年,不同利用方式坡面次降雨径流系数<5%,地表产流很少,降雨几乎全部入渗。不同利用方式地表侵蚀产沙模数虽有较大差异,但土壤侵蚀以微度(<30t/(km2a))为主,部分甚至只有0～5t/(km2a)。植被类型、土地利用方式对坡面降雨产流的影响较小,但人为干扰会增加地表侵蚀产沙量。该文为喀斯特坡地植被恢复重建和水土流失防治提供参考。     

不同土地利用方式土壤团聚体组成及几种团聚体稳定性指标的比较

为分析比较不同土地利用方式以及种植年限土壤团聚体质量,获得较灵敏的团聚体状况指标与研究方法,揭示人为活动对土壤质量的作用与影响,以关中地区不同种植年限的菜园土壤和果园土壤为研究对象,经干筛法测定团聚体的组成状况后分别用平均质量直径（MWD）、几何均重直径（GMD）、分形维数D以及矩法参数为指标,分析菜园土壤和果园土壤在系列时间的振动筛分过程中团聚体组成变异特征,结果表明：用MWD和GMD作为团聚状况指标,只有在适宜的振动筛分时间范围内才能基本反映各种性状土壤的团聚水平差异;用分形维数作为指标,表征各类土壤的团聚水平的可信性值得商榷;用矩法的理论和其中的偏倚系数Cs能够较为灵敏地表征各类土壤的团聚水平。同时,研究发现菜园土壤和果园土壤的团聚化水平均有随着种植年限的增加有先提高后降低的趋势。研究得出了矩法的偏倚系数能够更清楚地区分各土壤之间的团聚水平,为评价土壤团聚水平提供更为灵敏的指标。     

The erosion threshold for a sustainable agriculture in cultures of bean (Phaseolus vulgaris L.) under conventional tillage and no‐tillage in Northern Nicaragua

Soil erosion by water is one of the main environmental problems of the tropical mountains of Central America. The fragility of these areas, the significant degree of human population pressure exerted and changes in traditional farming systems all contribute to the current state of degradation. In this study, we compare two types of agricultural management (conventional tillage with traditional ploughing and no‐tillage with a digging stick) and analyse the influence of land slope, the management of vegetation cover, and various soil features and properties related to erosion in fields dedicated to the cultivation of beans (Phaseolus vulgaris L.) to determine the erosion thresholds. The study area was located in the hills around El Cuá, in northern Nicaragua. The results showed the system of no‐tillage (NT) to be more effective at controlling erosion than conventional tillage (CT), such that 28.7% less land was affected by erosion. Erosion in plots under CT did not present any statistically significant relationship with the factors analysed. Conversely, the erosion in the plots under NT was significantly related to the coverage of vegetation residues, and we calculated an erosion threshold of 40% of the level of vegetation coverage, which significantly reduces erosion.     

Temporal change in land use and its relationship to slope degree and soil type in a small catchment on the Loess Plateau of China

We sought to detect the temporal change (1958–1999) in land use patterns and its relationship to physical landscape parameters in a small catchment in the semi-arid hilly area of the Chinese Loess Plateau. Degree of slope and soil type were selected as stable discriminating parameters that might constrain land use. With the help of GIS and canonical correspondence analysis, the relationship between rural land use distribution or transformation and the selected physical parameters was examined. The land use had undergone a general shift from farmland to woodland or grassland. Canonical correspondence analyses (CCA) indicated that a relationship between land use and the selected physical parameters was evident, farmland coincided with favorable conditions of fertile soil and gentle slope, while grassland and woodland were associated with conditions of poorer soil and steep slope. In the more favorable conditions the main land use change process was the intensification of farming, while in the less favourable conditions it was the abandonment of farmland. A thorough understanding of the relationship between land use temporal or spatial patterns and landscape physical parameters in the Loess Plateau of China, like degree of slope and soil type, will enhance our capability to predict landscape dynamics and lead to more sound and effective land use management strategies.