北方土石山区植株密度对坡面流粒径分选的影响

为研究和阐明植株密度对坡面流粒径分选的影响,通过野外10°草地坡面恒流放水冲刷试验,定量研究3种植株密度(0株/m~2,20株/m~2,60株/m~2)在不同流量下(1m~3/h,2m~3/h,3m~3/h)的坡面流粒径分选性规律,从水动力学和侵蚀方式演变角度分析了植株密度对坡面流粒径分选性的影响。试验结果表明:(1)苜蓿草地侵蚀泥沙中细粉粒组分含量最多,其次是粗粉和细砂组分含量,而粗砂和粘粒组分含量最少。固定流量下,随着植株密度的增加,各粒径组分百分比及平均重量粒径(MWD)随时间的波动性增加,在侵蚀泥沙中细颗粒组分(粘粒、细粉粒、粗粉粒,粒径50μm)富集比ER相应增加,而粗颗粒组分(细砂、粗砂,粒径50μm)富集比ER有所减少。固定植株密度条件下,随着流量增加,各粒径组分百分比及MWD随时间的波动性减小,侵蚀泥沙中细颗粒组分富集比ER相应增加,而粗颗粒组分富集比ER增加,细颗粒组分富集比基本大于1,而粗颗粒组分富集比基本小于1。MWD与细颗粒含量呈负相关关系,与粗颗粒含量呈正相关。(2)细沟阶段侵蚀泥沙MWD明显大于片蚀阶段,而粒径分选过程的波动性较小。(3)水流剪切力τ及水流功率ω的增加导致片蚀阶段的缩短和细沟阶段的延长(除植株密度为60株/m~2),水流剪切力τ及水流功率ω的增加导致水流侵蚀力的增加,进而水流分离、输移粗颗粒增加。     

坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究

植被是影响坡面水力侵蚀过程的重要因素,深入理解草本植物坡面不同降雨和径流特性对土壤分离的作用是研究土壤侵蚀动力学的基础。为此基于坡面土壤分离试验,通过定量测定2种草本植物草冠、根系对降雨和径流的影响,研究了不同侵蚀力作用下的土壤分离特征。结果表明,草本植物对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用,相同覆盖度下狗尾草坡面的径流含沙量低于青蒿坡面(P0.05)。对比草本植物结构对坡面土壤分离的影响,植物根系对坡面的减沙贡献率均高于其冠层(P0.05),其中,青蒿草冠对于坡面降雨的阻滞作用高于狗尾草草冠(P0.05),而狗尾草根系的减沙效益高于青蒿根系(P0.05),这主要与草本植物叶面积指数(LAI)及根系形态分布有关,不同植物的根长密度与土壤分离率呈指数函数关系。坡面土壤分离过程受到侵蚀阻力的影响,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加,颗粒阻力和波阻力均呈增大趋势。降雨侵蚀力和径流剪切力是坡面土壤分离的主要侵蚀动力,不同试验条件下草本植物对降雨和径流侵蚀力的降低值为189.21~698.92 J·mm/(m2·min)和6.27~20.38 kg/(m·s2),减弱系数分别为22.75%~84.04%和19.68%~63.97%。     

华北土石山区坡面溅蚀和片蚀泥沙颗粒特征研究

基于野外人工模拟降雨试验,研究3种降雨强度(35,65,100mm/h)、2种坡度(5°,15°)和3种植被盖度(0%,30%,80%)条件下,溅蚀和片蚀泥沙颗粒的粒径动态分布特征,及其与降雨强度、坡度和植被覆盖度的关系,揭示表层土壤团聚体在侵蚀过程中的破碎机制。结果表明,2种侵蚀方式下的泥沙颗粒主要集中在0.1~0.002mm粒级范围内,显著高于其它粒级颗粒含量。在溅蚀泥沙颗粒中0.1~0.05mm粒级颗粒含量较高,而片蚀泥沙颗粒中0.02mm粒级颗粒含量较高,溅蚀泥沙颗粒的平均重量直径均大于片蚀泥沙颗粒。对比泥沙颗粒粒径的变化特征,溅蚀泥沙颗粒中粗砂粒(2~0.25mm)和细砂粒(0.25~0.05mm)含量逐渐减少,粉粒(0.05~0.02mm)和粘粒(0.002mm)含量逐渐增加,而片蚀泥沙颗粒中砂粒(2~0.05mm)含量呈增加趋势,粘粒(0.002mm)含量呈减小趋势。2种侵蚀方式下不同粒径泥沙颗粒与坡面径流深和径流量的相关性分析表明,泥沙颗粒粒径分布与地表产流过程密切相关。同时,雨滴击溅侵蚀泥沙颗粒的分形特征与侵蚀土壤的相对机械破碎指数有关,能够有效预测侵蚀过程中降雨和径流对坡面土壤团聚体的分选特征。     

北京市延庆县不同土地利用方式下的土壤可蚀性研究

以北京市延庆县上辛庄小流域为研究区域,选择区内农地、杏林、侧柏林、乔灌混交林这4种土地利用方式,通过对土壤水稳性团聚体特征、有机质含量变化以及土壤可蚀性K值进行计算和分析,研究了该区不同土地利用方式下的土壤可蚀性差异特征。结果表明,不同地类土壤团聚体破坏率表现为:农地>杏林>侧柏林>乔灌混交林,林地土壤团聚体结构破坏率显著低于农地(p < 0.05)。农地土壤有机质含量随土层深度的增加呈现一定的上升趋势,林地的土壤有机质含量随土层深度的增加而减小。不同土地利用方式的土壤可蚀性K值存在差异,表现为:乔灌混交林<侧柏林<杏林<农地。表层0-20cm土层土壤可蚀性K值小于20-40cm土层,表明其土壤抗侵蚀能力高于深层土壤,反映出保护表层土壤的重要性。对土壤可蚀性影响因子的分析结果表明,土壤黏粒含量、有机质含量和水稳性团聚体与土壤可蚀性K值的相关关系最为密切(p < 0.05)。     

植被覆盖下坡面流阻力变化规律

通过野外径流小区放水试验,研究3种植株密度(0,20,30株/m~2)、2种植株布设方式(行紧密,随机)、2种坡度(5°和10°)、3种放水流量(1,2,3m~3/h)下坡面流阻力系数变化规律。结果表明:坡面流阻力系数平均状态随植株密度的增加而增加,植株行排列方式较随机排列增阻作用更明显。冲刷过程中,坡面流阻力系数随时间呈幂函数增长,其中,裸坡阻力系数动态变化过程较有植被覆盖坡面幅度大,且随植株密度的增加,坡面流阻力系数动态变化过程趋于平缓;同植株密度下,植株随机排列方式较行紧密排列更能有效抑制阻力系数增加;随放水流量增加,阻力系数增加趋势减缓,随植株密度减小,放水流量对阻力系数变化过程的影响降低。对阻力系数进行逐步回归:有植被覆盖坡面阻力系数f=0.000284T~(0.692)Q_1~(-0.426)c~(0.745);裸坡阻力系数f=0.004335T~(1.180)Q_2~(-0.476)。阻力系数动态变化过程与流量和植株密度关系密切,其中有植被坡面的阻力系数与出口断面流量关系密切,裸坡的阻力系数与供流量关系密切。逐步回归结果表明,阻力系数变化过程由下渗过程和坡面侵蚀过程共同决定,其中裸坡的侵蚀过程对阻力系数的影响较大,有植被坡面下渗过程对阻力系数的影响较大。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

基于模拟降雨的北京褐土坡地土壤团粒流失特征试验

选取20°北京典型褐土坡面径流小区为试验对象,基于野外人工模拟降雨试验和有无雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响,研究了坡面土壤团粒组成及其变化特征,揭示了坡面侵蚀过程中泥沙团粒的分离和输移规律。试验处理包括3种代表性降雨强度(35、65、100 mm/h)和3种植被盖度(0%、30%、80%)。结果表明,消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀特征变化明显,坡面含沙量和土壤分离率分别减少25.91%~31.15%和35.10%~41.20%,坡面侵蚀泥沙团粒中值粒径均小于雨滴击溅坡面。通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值(E/U)分析泥沙团粒的粒径分选特征,发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在,而粗粉砂以初级粒子形式存在;随着降雨历时延长,侵蚀泥沙各粒级的分离程度增加,泥沙颗粒逐步分解为初级粒子。坡面侵蚀泥沙分离规律表明,泥沙团粒结构变化与坡面水动力学特征密切相关,土壤团聚体分形维数(D)与时间(T)呈幂函数关系。坡面产流前雨滴击溅对土壤分离有重要作用,其对土壤分离贡献率为28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分形维数增量是有雨滴打击增量的48.43%。在该区坡地泥沙颗粒输移过程中,稳定性较差的砂粒被分解为细小颗粒,粗粉砂多以初级粒子形式存在,对坡面侵蚀泥沙颗粒分离过程具有重要影响,而粘粒在侵蚀坡面则逐渐富集。