黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

黄土高原油松林地产流产沙及其过程研究

通过对径流小区的多年观测和人工模拟降雨试验,利用自制的径流自动记录装置,研究了油松林地不同处理的产流产沙及其动态过程。研究结果表明,油松林地、林地去枯枝落叶层和采伐林地上层林木等３种处理与农地比较,分别减少径流量８８．０％、２７．０％和８７．８％,减少产沙量９９．９％、９８．０％和９９．８％。产沙量与坡度和雨强关系密切,随坡度和雨强增加而迅速增加,以雨强的效应更甚。油松林地开始产流的降雨量一般在１     

黄土丘陵沟壑区林地水文生态效应

根据安塞水土保持试验站1993～2002年林地径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料及2002年土壤含水量资料,分析了不同树种对坡面尺度降雨产流产沙及土壤水分的影响.结果表明:场降雨径流小区的产流量、产沙量与降雨量具有较好的相关性;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和最大30 min 雨强的乘积呈正相关,与植被覆盖度呈负相关,场降雨产沙量回归方程复相关系数为0.253,各处理场降雨产流量回归方程复相关系数的变化范围为0.465～0.723,均达到了极显著的水平(P＜0.01).同时,各树种均具有良好的减流减沙功能,与农地相比,年均产流量和产沙量分别减少4.8%～52.9%和26.8%～86.0%;沙棘纯林及其混交林的减流减沙效益优于油松纯林.同时,沙棘纯林及其各混交林在造林初期就表现出良好的减流减沙效益,随着树龄的增长,其作用更加明显;而油松纯林在造林初期作用不明显,甚至出现产流量和产沙量大于农地的现象,但随着树龄的增长,减流减沙作用逐渐呈现并增大.沙棘纯林及其混交林30 cm 以下土壤含水量在整个生长季中均呈递减趋势,生长季初(4月份)土壤含水量最高,而生长季末(10月份)降到最低值.2002年沙棘纯林的耗水深度为220 cm,而其混交林的耗水深度达到300 cm.同时,在整个生长季节中,沙棘纯林及其混交林整个剖面平均土壤含水量存在着显著的差异,表现为:沙棘×杨树＜沙棘＜沙棘×油松.     

黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响

根据山西省吉县蔡家川流域198～2003年9个径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料,分析了植被对流域坡面尺度降雨产流产沙的影响.结果表明,坡面自然更新的次生林比人工刺槐林具有更好的涵养水源和保持水土功能,场降雨产流量和产沙量分别减少约65%～82%和23%～92%;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系,但随着林分郁闭度增大,相关关系减小.不同地类的降雨产流产沙差异显著,虎榛子灌木林和天然次生林最少,而人工刺槐、油松林约是虎榛子灌木林的倍,果农复合经营模式的产流产沙量分别是虎榛子灌木林的17.14倍和3.96倍;果农复合经营模式在高质量、大工程整地后产流产沙明显减少.对坡面产流产沙的影响因子灰色关联分析,林分郁闭度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著,关联度值均大于0.6.     

辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应

利用设置在不同地类内的径流小区,对辽西大凌河流域的沟壑丘陵区进行定位观察,探讨辽西半干旱区主要造林树种油松和沙棘的水文生态效应.结果表明：2002年6月～2004年6月平均降水量为238.9mm时,油松和沙棘平均林冠截留量分别为55.5mm和76.05mm,其截留率分别为23.08%和32.28%,即约有1/4～1/3降水被林冠截留.油松林中凋落物平均截留率为14.17%,沙棘林为20.8%.油松林和沙棘林年均径流深分别为2.516mm和0.893mm;侵蚀量为15.57t km^-2和0.76t km^-2;林地内径流深和侵蚀量约为荒地（对照）的1/20和1/50.林地土壤理化性质,除土壤容重之外,0～20cm土层的总孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量和非毛管持水量都高于2～40cm土层;油松林和沙棘林土壤有机质、全氮、全钾和速效钾含量均显著高于荒地;pH、全磷和速效磷在地类和不同土层深度中没有显著差异.沙棘林和油松林的非毛管持水量分别是荒地的275.9%和182.1%.     

华北石质山区油松林对降水再分配过程的影响

森林通过降水再分配过程影响着流域的水量平衡和物质循环。根据2005-2008年汛期华北石质山区主要造林树种油松林的林外降雨、穿透降雨、树干径流定位观测数据,探讨了人工油松林对降雨再分配过程的影响。结果表明,测定期间32场次降雨过程中油松林穿透雨量、树干径流量和林冠截留量平均值分别为8.67,0.11,1.07mm;透过率,树干径流率和林冠截留率分别为82.18%(57.74%-87.55%),1.07%(0.22%-2.07%),16.75%(11.01%-42.07%)。油松林冠层穿透降雨量、树干径流量和林冠截留量均与林外降雨量呈明显的线性关系(R2=0.995,R2=0.907,R2=0.855),根据回归方程,当林外降雨量大于0.3mm时,可发生穿透降雨,当林外降雨量大于3.51mm时,可发生树干径流;林冠截留率与林外降雨呈双曲线衰减趋势,回归方程为y=12.091+55.537/(x+0.426)(N=32,R2=0.685)。典型次降雨再分配过程表明,林冠不仅在量上对降雨进行再分配,还在时程上进行了再分配。     

山杨林的水文生态环境效应研究

 用定位观测的方法研究了山杨林(Populus davidiana)的水文生态效应。结果表明,山杨林6年林冠总截流量为309.5 mm,平均截留率为13.5%;山杨林的树干茎流率为3.3%;6年枯枝落叶的截流量为176.3 mm,截留率为7.7%;山杨林地的容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别比荒坡提高18.6%、13.8%、3.2%和59.8%;山杨林地的有机质、全氮、速效氮和阳离子交换量分别比农地增加1.6倍、1.1倍、1.3倍和0.65倍;山杨林地比采伐林木垦为农地的地表径流量和土壤侵蚀量大大     

反坡水平阶对坡耕地径流和泥沙的调控作用

基于天然降雨径流小区,动态监测了澄江抚仙湖一级支流尖山河小流域坡耕地降雨-径流过程及水土流失量,研究了反坡水平阶对云南红壤坡耕地水土流失的调控作用.结果表明：反坡水平阶对研究区地表径流调控率在49.5%～87.7%,产沙调控率在56.7%～96.1%,平均可削减地表径流65.3%、减少泥沙流失80.7%,产流产沙调控作用显著,且产沙调控作用更明显;原状坡面和反坡水平阶处理中各参数的变异系数均依次为：泥沙流失量>径流量>产径流降雨量.与原状坡面相比,反坡水平阶处理下径流量、泥沙量的相对偏离程度较小,说明反坡水平阶对研究区坡耕地水土流失调控作用显著.     

山杨林的水文生态环境效应研究

用定位观测的方法研究了山杨林(Populus davidiana)的水文生态效应。结果表明,山杨林6年林冠总截流量为309.5 mm,平均截留率为13.5%;山杨林的树干茎流率为3.3%;6年枯枝落叶的截流量为176.3 mm,截留率为7.7%;山杨林地的容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别比荒坡提高18.6%、13.8%、3.2%和59.8%;山杨林地的有机质、全氮、速效氮和阳离子交换量分别比农地增加1.6倍、1.1倍、1.3倍和0.65倍;山杨林地比采伐林木垦为农地的地表径流量和土壤侵蚀量大大     

三峡库区土质道路侵蚀产沙过程的模拟降雨试验

以三峡库区王家桥小流域为研究区,通过野外调查选择了5个典型路段,在1.0 mm min~(-1)模拟降雨条件下研究了土质道路降雨-径流-泥沙关系.结果表明,土质道路被高度压实,但使用强度和管护方式差异致使容重、路面浮土、杂草盖度、饱和导水率等差异显著.土质道路仅需1～3 mm降雨就能产生地表径流,7～10 mm的降雨使径流趋于稳定,径流系数超过60%,特别是车流量较大干道的径流系数超过70%,平均和峰值径流量达0.69 mm min~(-1)和0.84 mm min~(-1).土质路面大量浮土致使初始径流含沙量高,然后快速下降并趋于稳定.由于路面浮土量大和在降雨过程中能形成人工细沟的车辙等导致较大车流量干道的土壤流失率是其它路段3～4倍.土质道路的容重和路面浮土与径流系数和土壤流失量呈显著正相关,饱和导水率则呈显著负相关;路面杂草能显著减少径流,防治路面侵蚀.     

神府东胜煤田弃土弃渣体径流产沙过程的野外试验

采用野外模拟降雨试验方法,研究了神府东胜煤田开采造成的弃土弃渣体产流产沙规律及其减水减沙效益.结果表明： 随降雨强度的增大,弃土弃渣体产流的起始时间呈递减趋势,且差异达几倍至十几倍.弃渣体比弃土体更快到达稳定流速,平均流速大小为弃土体>沙多石少弃渣体>沙少石多弃渣体.弃土弃渣体产流6 min后的径流率达到稳定,与降雨强度呈显著相关.弃土弃渣体侵蚀主要发生在产流开始后的前6 min,弃土体产流后前6 min的平均含沙量是6 min后的0.43～4.27倍,弃渣体为1.43～54.93倍.弃土体和沙多石少弃渣体径流量与降雨强度呈线性函数关系,沙少石多弃渣体呈幂函数关系.弃土体和沙少石多弃渣体的次侵蚀量与降雨强度之间分别呈指数函数和幂函数相关.弃土体侵蚀量与径流量呈线性函数关系.在降雨强度为1.0和1.5 mm·min^-1条件下,弃渣体采用鱼鳞坑及植被防护的产流滞后降雨时间为24 min,减水效益为29.5%～52.9%,减沙效益为85.7%～97.9%.     

降雨条件下两种土壤类型工程堆积体坡面水沙关系与侵蚀动力特征

随着生产建设活动的日益频繁,其产生的工程堆积体逐渐成为人为水土流失的主要来源。本研究选取风沙土和红土堆积体,通过室内模拟降雨试验,研究了不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)和砾石含量(0、10%、20%、30%)条件下,两种土质工程堆积体坡面侵蚀过程中水沙关系和侵蚀水动力特征的变化。结果表明: 风沙土堆积体产沙率随时间呈波动式增大趋势;红土堆积体在1.0 mm·min^-1雨强时先增大后逐渐稳定,其他雨强则迅速下降后呈波动变化的趋势,且雨强越大、砾石含量越小,波动越剧烈。风沙土堆积体在0和10%砾石含量时存在坡面细沟侵蚀,细沟侵蚀阶段的产沙率是片蚀阶段的6.74～57.40倍;红土堆积体坡面侵蚀过程可划分为松散颗粒侵蚀阶段和土石侵蚀阶段,松散颗粒侵蚀阶段产沙率是土石侵蚀阶段的1.05～3.49倍。两类堆积体产沙率均随雨强增大而增大,1.0和1.5 mm·min^-1雨强时产沙率随砾石含量增大而波动变化,雨强＞1.5 mm·min^-1时则随砾石含量增大而减小,相同条件下,风沙土堆积体产沙率是红土的1.45～4.14倍。风沙土堆积体侵蚀过程中水沙关系由水大沙少向水大沙多转变,而红土堆积体则呈相反变化: 水大沙多时期,风沙土堆积体产沙增速是红土堆积体的1.94～37.60倍;水大沙少时期,红土堆积体产沙减速是风沙土的1.40～21.30倍。总体上,径流功率在描述两类堆积体侵蚀动力过程方面优于径流剪切力,临界径流功率均随砾石含量增大而增大,其中,风沙土堆积体在细沟侵蚀阶段的临界径流功率(0.02～0.04 W·m^-2)是片蚀阶段的2倍,且两阶段临界径流功率均低于红土堆积体。本研究结果可为工程堆积体侵蚀预测模型的建立提供科学参考。     

极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响

植被恢复作为黄土高原防治水土流失的重要措施,但极端降雨诱发的浅层滑坡在植被恢复的沟坡上频繁发生,影响流域的产流产沙过程。基于野外原位模拟降雨试验,在60 mm/h降雨强度下,研究草被沟坡浅层滑坡发生特征及其发生前后的产流产沙差异。结果表明：（1）极端降雨所诱发的草被沟坡上的浅层滑坡深度为14-36 cm,与自然强降雨所导致的浅层滑坡深度相贴合,均是低于50 cm。（2）植被根系与土壤容重、孔隙度等土壤性质显著相关（P<0.05）,致使滑坡面上、下层土壤物理性质差异显著（P<0.05）。由于土壤性质的差异,在极端降雨下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和（饱和度>90%）,导致浅层滑坡的发生。（3）草被坡面浅层滑坡后的径流与产沙均显著增大（P<0.05）。三个小区的平均径流率在滑坡后增大了4.0-13.1倍,其平均含沙量和产沙率在滑坡后分别增大了9.9-54.9倍和70-841倍。研究结果有助于加深了解植被沟坡的侵蚀产沙机理,并为浅层滑坡防治提供科学依据。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,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孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。     

降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响试验研究

东北黑土区上坡汇流对坡面土壤侵蚀有重要影响,因此辨析降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响对农田土壤侵蚀防治有重要意义。通过设计不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的模拟降雨及上方汇流试验,分析了降雨和汇流对黑土坡面侵蚀的影响及其贡献。试验处理包括两个降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)、两个汇流速率(50 mm/h和100 mm/h,即:10 L/min和20 L/min)、以及4种不同降雨强度和汇流速率的组合((50+50)mm/h、(50+100)mm/h、(100+50)mm/h和(100+100)mm/h)。结果表明,在50 mm/h和100 mm/h上方汇流引起的坡面侵蚀量仅分别是50 mm/h和100 mm/h降雨引起坡面侵蚀量的1.9%和0.6%;当降雨强度和坡上方汇流速率分别由50 mm/h增加至100 mm/h时,降雨试验处理下的坡面侵蚀量增加6.1倍,汇流试验处理下的坡面侵蚀量增加3.2倍,说明降雨对坡面土壤侵蚀的影响显著大于汇流的作用。在降雨和汇流组合试验中,总供水强度(降雨强度+汇流速率)为150 mm/h时,降雨强度为100 mm/h和汇流速率为50 mm/h组合试验的坡面侵蚀量是降雨强度为50 mm/h和汇流速率为100 mm/h组合试验坡面侵蚀量的7.9倍。在相同汇流条件下,降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,降雨强度的增加对坡面侵蚀量的贡献率为89.6%-99.5%;而在相同降雨条件下,坡面汇流速率由50 mm/h增加100 mm/h时,汇流速率的增加对坡面侵蚀量的贡献率为17.2%-78.7%,说明在东北黑土区防治坡面汇流对坡面土壤侵蚀影响也尤为重要。