黄土区草地不同组分与土壤侵蚀关系及其对降雨情景的响应

随着气候变化黄土高原植被与坡面侵蚀关系面临更多复杂和极端降雨情景的挑战。以黄土丘陵区草地坡面为对象,选择3场当地典型降雨事件,研究植物冠层、枯落物和根系与土壤侵蚀的关系及其对不同降雨情景的响应规律。事件-Ⅰ为短历时、高强度和大雨量,事件-Ⅱ为中等历时、强度和雨量,事件-Ⅲ为长历时、低强度和小雨量,3场事件分别代表2015—2017年侵蚀性降雨事件聚类分析后的3种情景。从多年次降雨事件尺度来看,冠层主要作用于降低泥沙浓度,减少了48.20%的径流含沙量,占总贡献率的53.03%,并贡献了约1/3的减流和减沙效应;枯落物的减流效应最高,减少了28.43%的径流量,占总贡献率的50.75%,其减沙的相对贡献率仅为26.41%;根系的减沙效应最高,减少了36.33%的土壤流失量,占总贡献的37.95%,远高于其减流相对贡献率(15.58%)。说明草地植物对土壤侵蚀的作用机制受到冠层、枯落物和根系的影响,各组分越完整,减流减沙能力越高。单次事件分析表明,由事件-Ⅰ、事件-Ⅱ到事件-Ⅲ,冠层的减流率和减沙率均为负值(-77.97%至-0.91%),相对贡献呈逐渐减小趋势;而枯落物和根系的减流率和减...     

牧草调控绵沙土坡面侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,从坡面水动力学角度,结合土壤抗冲性分析,对不同坡度和雨强组合下牧草调控黄土高原风蚀水蚀交错区绵沙土坡面侵蚀机理进行了定量研究,为揭示植被调控土壤侵蚀机理及黄土高原水土保持植被选择提供科学参考.结果表明:覆盖度约为40％的牧草沙打旺能够有效控制坡面土壤侵蚀,减沙效益达70％以上,而且根系减沙效益大于草冠.裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面水流流速与雨强、坡度均呈V=DJ0.33i0.5的函数关系,其中,J为坡度比降,i为雨强(mm·min-1),下垫面不同,综合系数D取值不同.牧草根系和冠层能够显著减小流速,增加阻力,根系的减速作用大于草冠,而增阻作用小于草冠.根系调控坡面阻力主要通过增加坡面泥沙颗粒阻力实现,而草冠通过增加坡面形态阻力和波阻力来实现.利用薄层水流坡面产沙概念模型对土壤抗冲性进行评价,得到试验条件下裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面的临界径流切应力分别为0.533、0.925和1.672 Pa.     

模拟降雨下黄土坡面水沙过程对3种灌草植被垂直结构变化的响应

植被对坡面产流产沙过程的影响随植被类型及其垂直结构组分的变化而变化,然而这些因素如何影响坡面水沙过程却缺乏定量分析。利用野外径流小区和人工模拟降雨试验,研究了黄土丘陵区3种典型灌草（沙棘、柠条、苜蓿）及其不同垂直结构组分（叶、茎、枯落物、根系）对坡面产流和产沙过程的影响。结果表明：3种灌草均具有较好的减流减沙效益,且减沙作用强于减流作用,与裸地相比,灌草植被减少径流量32.49%-44.86%,减少侵蚀量72.99%-80.63%,降低坡面流速29.17%-45.83%。苜蓿的减流效益最佳,为44.86%,柠条的减沙效益最佳,为80.63%。3种植被的减流效益在不同产流时期差异明显,从产流初期到中期和后期逐渐减少,减沙效益在不同产流时期则没有明显变化。植被垂直结构不同组分对于减流减沙效益的相对贡献与其形态特征以及其空间分布方式有着密切的关系。地上部分对于减流效益和减速效益有较大的相对贡献率,平均为75.42%和68.38%,而不同植被茎、叶和枯落物的相对贡献具有一定的差异。根系则发挥较大的减沙作用,平均相对贡献为78.44%。植被垂直结构组分越完整,减流减沙效益越显著。研究对黄土丘陵区水土保持、植被恢复和建设提供重要的科学依据和理论指导。     

自然降雨下黄土丘陵区草灌植物垂直覆盖结构的减流减沙效应

黄土高原是我国水土流失和生态环境问题最为严重的地区之一,植被恢复是防治水土流失的重要措施。植物垂直覆盖结构包括地上冠层、地表枯落物和地下根系,各组分具有不同的水土保持作用,是研究植被与水土流失关系的基本单元。目前,关于植物垂直覆盖结构不同组分对土壤侵蚀影响的研究主要是基于人工模拟降雨,缺少自然降雨条件下不同植物的垂直覆盖结构对产流、产沙和入渗等多过程影响的系统研究。本研究以黄土丘陵区典型的草本(须芒草)、半灌木(铁杆蒿)和灌木(绣线菊)为研究对象,每种植物进行三种处理(自然状态、去除枯落物和仅留根系)以及裸地对照,观测2015—2016年降雨事件的产流产沙量和入渗量,分析植物不同垂直覆盖结构的减流减沙效益及其相对贡献。结果表明:三种植物均具有较好的减流(45.9%—73.2%)、减沙效益(87.5%—94.6%)和增加入渗作用(4.7%—10.8%),灌木的减流效果(73.2%)显著高于草本(45.9%)和半灌木(63.5%),但三种植物间的减沙效益没有显著性差异。冠层的减流作用最大,贡献率接近一半(48%—50%),草本枯落物的减流贡献率与根系基本一致,而半灌木和灌木枯落物的减流贡献...     

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.     

水蚀风蚀交错区退耕坡面植被利用对产流产沙的影响

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度. 结果表明: 次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25%时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.     

模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响

通过模拟降雨实验的方法,分析研究了坡度10°和20°,降雨强度30mm/h和60mm/h条件下不同盖度黑麦草对坡面产流产沙的调控过程,并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。研究结果表明:雷诺数随坡度增加而相对增大,随降雨强度增大有明显增大趋势。黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数,在各降雨强度和坡度条件下,雷诺数随黑麦草盖度增加而减小,雷诺数大小一般呈现:裸坡20%40%60%80%。黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响,随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小,并且弗劳德数随盖度变化为:裸地20%40%60%80%,坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系,随坡面阻力系数的增大,坡面产沙率呈对数减小,并且阻力系数在0—1时减小速率很大,阻力系数大于1以后减小曲线较为平缓。     

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.     

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。     

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.     

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。     

Distinguishing the effects of vegetation restoration on runoff and sediment generation on simulated rainfall on the hillslopes of the loess plateau of China

Aims

Since the 1970s, extensive croplands were converted to forest and pasture lands to control severe soil erosion on the Loess Plateau of China. We quantify the direct and indirect effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield on hillslopes in the field to improve environmental governance.

Methods

An artificial rainfall experiment at a rainfall intensity of 120 mm h⁻¹ and a slope gradient of 22° were used to distinguish the effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield.

Results

Compared to the farmland slopes, vegetation restoration directly prolonged the time-to-runoff by 140%, reduced the runoff rate by 20%, and increased the soil infiltration capacity by 15%. Vegetation restoration indirectly delayed the time-to-runoff by 120%, reduced the runoff rate and sediment yield rate by 50% and 94%, respectively, and increased the soil infiltration capacity by 58% on the hillslopes with vegetation restoration.

Conclusions

The direct effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield were lower than its indirect impacts. Vegetation cover, decreases in soil bulk density, and increases in belowground root biomasses and > 0.25 mm aggregate stability were the primary causes of runoff and sediment yield reduction on the slopes with vegetation restoration.

     

黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素

降雨强度、坡长、坡度是影响坡面产流产沙的重要因素。为定量分析降雨强度、坡长、坡度对黄土丘陵沟壑区安塞黄土坡面侵蚀过程的影响,本研究基于室内人工模拟降雨试验,分析2个坡长(5、10 m)、3个坡度(5°、10°、15°)、2个降雨强度(60、90 mm·h^-1)下安塞黄土坡面产流产沙规律。结果表明: 初始产流时间随坡长增加呈减小趋势,但总体变化不大;初始产流时间随降雨强度增加而减小,与60 mm·h^-1相比,90 mm·h^-1下缩短5.7～18 min;10°坡度上的径流起始时间最快。随降雨历时延长,产流率先快速增加,最终逐渐稳定在某一产流率值上下波动;产沙率在产流初期短时间内突然升高,达到最大值后减小,再逐渐达到稳定。产流率和产沙率随坡长和降雨强度的增加而增加,但随坡度变化规律不明显。随着降雨强度、坡长和坡度的增加,总产沙量相应增加。在降雨强度90 mm·h^-1时,坡长和坡度分别为10 m和15°的坡面产生了细沟,导致总侵蚀量最大(11885.66 g)。降雨强度为60 mm·h^-1时,随着坡长增加单位面积侵蚀量减小,在5～10 m坡段存在临界侵蚀坡长。坡长、坡度和降雨强度对坡面径流过程均有促进作用,降雨强度、坡长和两者之间交互作用对产流率和总侵蚀量的贡献率较大,其中,对产流率贡献最大的影响因素是降雨强度,贡献率为49.8%;坡长对总侵蚀的贡献率最大,为37.8%。     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction,EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响．结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流-扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加．覆盖度越大,EDI值越大．与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34．52％、32．67％和6．00％,地表径流量分别减少了4．72％、9．84％和12．89％,侵蚀泥沙量分别减少了83．55％、87．11％和89．01％．60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95．73％和84．05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109．04％．草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量．两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量．     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

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。