风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征

风蚀和水蚀是黄土高原风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要方式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于准确评价该区土壤质量及环境影响有重要意义.本文采用风洞与模拟降雨试验相结合的方法,分析了风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征.结果表明： 在11、14 m·s^-1风速的风蚀下,坡面表层(0～1 cm)土壤颗粒粗化.其中,细颗粒(<0.01 mm)减小9.8%～10.8%,粗颗粒(>0.05 mm)增加16.8%～20.8%.风蚀改变了坡面物理性状,进而影响了降雨侵蚀泥沙颗粒变化.相对于未风蚀,风蚀处理的侵蚀泥沙细颗粒增加2.7%～189%,粗颗粒降低3.7%～9.3%.风蚀处理后,在不同雨强、不同降雨历时下,侵蚀泥沙颗粒变化趋势不同.雨强60、80、100 mm·h^-1时,侵蚀泥沙颗粒变化较大,而雨强150 mm·h^-1、产流>15 min时,变化趋势减缓.
     

黄土高原风蚀水蚀交错区侵蚀产沙过程及机理

黄土高原风蚀水蚀交错区由于风蚀、水蚀的耦合作用,侵蚀程度剧烈、过程复杂.采用风洞与模拟降雨相结合的方法,研究了风水交错侵蚀条件下坡面产沙变化过程及侵蚀作用机理,定量分析了风蚀对水蚀的影响程度及其与水蚀的关系.结果表明:风蚀与水蚀之间存在明显的正交互效应.风蚀促进了侵蚀形态的发展,改变了降雨产沙随雨强变化的量化关系.雨强60、80 mm·h-1时,未风蚀处理下,坡面产沙量随降雨历时呈下降趋势,并趋于稳定;但风蚀处理后,产沙量降低至一定谷值时,又呈波动增加趋势.60、80、100 mm·h-1雨强下,风蚀处理的坡面产沙量增幅为7.3％～27.9％(风速11m·s-1)、23.2％ ～ 39.0％(风速14 m·s-1);雨强120、150 mm·h-1时,降雨15 min内,各处理的坡面产沙量均呈下降趋势,但随着降雨历时的延长,风蚀处理的坡面产沙量较未风蚀处理呈先低后高的变化趋势.风水交错侵蚀作用机理复杂,在时空分布特征、能量供给、侵蚀力作用方式等方面相互联系、互相促进.     

土壤可蚀性研究述评

土壤可蚀性是土壤对侵蚀营力分散和搬运作用的抵抗能力,是建立土壤流失方程和侵蚀模型的必要参数.土壤可蚀性研究是认识土壤侵蚀机理的一个重要环节.本研究基于土壤可蚀性已有成果,总结评述了土壤可蚀性的相关研究进展.其中,土壤可蚀性的相关指标有土壤抗冲抗蚀性、K因子等;土壤可蚀性包括水蚀可蚀性、风蚀可蚀性、重力可蚀性和冻融可蚀性等不同类型;其评价指标体系可以分为基于土壤内在性质和外在侵蚀营力的两类评价指标体系;土壤理化性质测定法、仪器测定法、小区测定法、数学模型和图解法、水动力学模型求解法是目前常用的5种土壤可蚀性测定和估算方法;土壤可蚀性具有明显的时空分异特征,其影响因素主要包括土壤性质、气候、植被、地形和土地利用等不同方面.在土壤可蚀性的进一步研究中,应注重土壤可蚀性概念的界定、评价指标体系的规范统一、土壤可蚀性估算模型的区域适用性、土壤可蚀性动态变化作用机理等方面.     

土壤可蚀性研究述评

土壤可蚀性是土壤对侵蚀营力分散和搬运作用的抵抗能力,是建立土壤流失方程和侵蚀模型的必要参数.土壤可蚀性研究是认识土壤侵蚀机理的一个重要环节.本研究基于土壤可蚀性已有成果,总结评述了土壤可蚀性的相关研究进展.其中,土壤可蚀性的相关指标有土壤抗冲抗蚀性、K因子等;土壤可蚀性包括水蚀可蚀性、风蚀可蚀性、重力可蚀性和冻融可蚀性等不同类型;其评价指标体系可以分为基于土壤内在性质和外在侵蚀营力的两类评价指标体系;土壤理化性质测定法、仪器测定法、小区测定法、数学模型和图解法、水动力学模型求解法是目前常用的5种土壤可蚀性测定和估算方法;土壤可蚀性具有明显的时空分异特征,其影响因素主要包括土壤性质、气候、植被、地形和土地利用等不同方面.在土壤可蚀性的进一步研究中,应注重土壤可蚀性概念的界定、评价指标体系的规范统一、土壤可蚀性估算模型的区域适用性、土壤可蚀性动态变化作用机理等方面.     

不同土地利用方式下土壤风蚀主要影响因子研究——以内蒙古武川县为例

以内蒙古武川县为例,选取天然草场、旱作农田(马铃薯)和退耕人工灌木林3类农用地为研究对象,对影响土壤风蚀的气候、植被覆盖度、土壤特性等若干因子进行了野外实测、室内分析及风洞模拟试验.结果表明,降雨少、风大、风多、土壤质地粗糙以及冬春冻融交替作用造成土壤表层疏松干燥等原因,决定了春季是该地区土壤风蚀的易发期.植被覆盖度是影响土壤风蚀的重要因子.在冬春风蚀季节覆盖度高低依次为灌木地＞天然草地＞旱作农田,此时缺少地表覆盖物保护的旱作农田最易受到风蚀危害.土壤含水量是影响风蚀的另一个重要因子.通过风洞试验对土壤风蚀率与含水量的定量关系研究表明,土壤含水量越高,土壤启动风速越大,风蚀率越小.6%土壤含水量是旱作农田风蚀强度由强变弱的一个转折点.田间试验结果表明,不同土地利用方式下表层土壤含水量总体上表现为天然草地＞旱作农田＞灌木林.通过风洞试验对土壤水分和风速的定量化研究表明,土壤风蚀速率随风速的增大而增大,二者呈幂函数关系.在净风吹蚀的条件下,18 m·s^-1风速是风蚀强度急剧增加的一个转折点.     

黄土高原不同侵蚀类型区生物结皮中蓝藻的多样性

蓝藻是生物土壤结皮的重要组成部分,具有许多重要的生态功能.迄今为止,黄土高原地区生物结皮中藻类的种类组成及分布鲜有报道.通过野外调查、采样和室内观察、培养、鉴定,对黄土高原水蚀区、水蚀风蚀交错区、风蚀区的生物结皮中蓝藻的多样性及优势种进行了研究.结果表明,黄土高原3个侵蚀类型区生物结皮中蓝藻门植物共发现4科10属54种,其中丝状种类约占87％,占绝对优势;Shannon-Weiner多样性指数水蚀风蚀交错区最高,水蚀区次之,风蚀区最低,依次为2.22,2.20和2.14.水蚀风蚀交错区和水蚀区蓝藻多样性指数差异不显著,但均与风蚀区差异显著.3个侵蚀类型区的生物结皮中蓝藻的种类组成及优势种均有所差异,但均以颤藻科(Oscillatoriaceae)为优势科.水蚀风蚀交错区蓝藻种类最多(39种),以阿氏鞘丝藻(Lyngbya allorgei)为第一优势种;水蚀区次之(26种),以含钙席藻(Phormidum calciola)为第一优势种;风蚀区最少(20种),以颗粒颤藻(Oscillatoria granulata)为第一优势种.黄土高原不同侵蚀类型区生物结皮中蓝藻的多样性差异可能与土壤质地、土壤pH值、气候环境等有关.     

坡耕地紫色土养分空间变异对土壤侵蚀的响应

坡耕地土壤侵蚀导致土壤质量降低,并因此造成对作物产量的不利影响。利用土壤侵蚀测定的^137Cs示踪技术,结合土壤理化分析,研究了川中丘陵区紫色土坡耕地土壤侵蚀所引起的土壤再分配对养分空间变异性的影响。结果表明,川中丘陵区坡耕地土壤侵蚀是水蚀和耕作侵蚀共同作用的结果,强烈的耕作导致坡上部发生最为严重的土壤侵蚀。土壤侵蚀对土壤特性的空间变异性产生深刻影响,坡上部土壤有机质和养分贫瘠,而在坡下部相对富集;土壤有机质、全N、碱解N、有效P、K以及土壤粘粒含量在不同坡位之间出现显著差异。反映净余土壤再分配速率的^137Cs面积浓度与这些土壤理化特性均有密切的相关性。因此,^137Cs面积浓度可以作为表征侵蚀坡地土壤综合质量的指标。     

黄土高原不同侵蚀类型区生物结皮固氮活性及对水热因子的响应

在野外调查的基础上,采集不同侵蚀类型区内发育至稳定阶段的生物结皮,分析水分和温度变化对生物结皮固氮活性的影响.结果表明:水蚀区、水蚀风蚀交错区、风蚀区生物结皮固氮活性表现为水蚀区(127.7μmol.m-2.h-1)>水蚀风蚀交错区(34.6μmol.m-2.h-1)>风蚀区(6.0μmol.m-2.h-1);3个侵蚀类型区生物结皮固氮的最适温度分别为35、25和15℃.在最适温度条件下,水蚀区及水蚀风蚀交错区生物结皮固氮活性在100%～40%田间持水量时差异不显著;风蚀区生物结皮固氮活性对水分变化较为敏感,当含水量降至80%田间持水量时固氮活性开始显著降低,降至20%田间持水量时,生物结皮固氮作用停止.3个侵蚀类型区生物结皮固氮活性及其对水分与温度变化响应的差异与不同侵蚀类型区的气候、环境及生物结皮物种组成有关.     

典型黑土区坡面上方汇流和土壤管道崩塌对坡面水蚀的影响

分析坡面上方汇流和土壤管道崩塌对黑土坡面水蚀过程的影响,可为黑土侵蚀退化防治提供重要科学依据。本研究基于坡面汇流模拟试验,设计3个上方汇流强度和3种近地表土壤水文条件(无土壤管道、有土壤管道无管道流、有土壤管道流),研究坡面上方汇流和土壤管道崩塌对黑土坡面水蚀过程的影响,量化土壤管道侵蚀对黑土坡面侵蚀的贡献。结果表明：1)坡面侵蚀量随上方汇流强度的增加而增加,当上方汇流强度从30 L·min^-1增加到40和50 L·min^-1时,坡面侵蚀量分别增加100.0%～111.5%和214.8%～289.2%。2)土壤管道发生和管道流形成加剧了坡面水蚀过程,30、40和50 L·min^-1上方汇流强度下有土壤管道无管道流和有土壤管道流处理的坡面侵蚀量分别是无土壤管道处理的1.4～1.6倍和1.7～2.1倍。此外,3种上方汇流强度下有土壤管道无管道流和有土壤管道流处理的土壤管道侵蚀对坡面土壤侵蚀的贡献分别为26.7%～37.6%和40.5%～51.9%。3)土壤管道崩塌加剧了细沟侵蚀过程,30、40和50 L·min^-1...     

冻融条件下生物结皮覆盖对土壤饱和导水率的影响

生物结皮(BSC)是广泛分布的地被物,每逢冬春季节,受冻融交替作用影响,结皮土壤的理化性质和水文学特征明显改变且与裸土差异显著,从而影响该地区土壤可蚀性评估和土壤侵蚀防治。采用室内模拟实验,以蓝藻结皮土壤为对象,研究不同冻融交替次数和初始含水量下,土壤三相对温度变化的响应特征并定量分析结皮覆盖土壤在此条件下饱和导水率(Ks)的变化趋势和突变点。结果表明:初始含水量对Ks无显著影响(P>0.05),冻融交替次数对Ks有极显著影响(P<0.01),冻融条件下裸土的平均Ks为1.941 mm/min,结皮覆盖土壤平均Ks为0.325 mm/min,两者具有极显著差异(P<0.01),且随交替次数增加,Ks差异逐渐增大,并在10次时达到最大值为10.13倍。不同冻融含水量下的结皮土壤的Ks在冻融10—20次时趋近,平均值为0.219mm/min。冻融作用显著改变土壤结构,且在冻融7次时土壤结构变化较明显,冻融过程中<0.1 mm的土壤颗粒显著变化。试验条件下,Ks受因子影响程度大小为:冻融交替次数>土壤结构>结皮厚度>结皮容重>下层土壤容重>...     

聚丙烯酰胺(PAM)防治土壤风蚀的研究进展

在我国西北地区,风蚀是造成土地退化的主要影响因素之一.聚丙烯酰胺(PAM)是一种高效的土壤结构改良剂.因其具有特殊的物理化学性质,可以与土壤作用而改善土壤表层结构,近年来一直受到人们的广泛关注.本文介绍了PAM的物理化学性质,详细论述了PAM对土壤风蚀量、起动风速的影响,及PAM在风蚀防治中的不同使用量、使用方法和效果,及其与其他材料的对比,并通过PAM对土壤物理性质的改善进一步分析PAM防治风蚀的机理.综合分析得出,虽然PAM在风蚀防治中存在一些问题,但作为一种固沙剂,它不仅能提高土壤抗风蚀的能力,而且也能改善土壤的物理性状,可为植物生长创造良好的水土条件;提出若在风蚀治理和改良城市环境中将PAM与植物种植相结合,将能大大提高植物的成活率、改善风蚀区的风蚀状况和生态环境工程建设的质量.因此,PAM在防治风蚀方面具有重要的现实意义和广阔的应用前景.     

土壤表面电场对黑土团聚体破碎和侵蚀的影响

通过定量调控土粒表面电场强度,采用湿筛法和模拟降雨试验,研究了土壤表面电场对东北黑土团聚体稳定性和土壤侵蚀的影响。结果表明: 1)随着土壤本体溶液电解质浓度的降低,土壤颗粒表面电位绝对值和电场强度均不断增加,宾县黑土和克山黑土表面电场强度均可达10⁸ V·m^-1数量级;2)随着土粒表面电场增强,土壤团聚体的破碎程度增大,平均重量直径表现为先急剧减小而后保持不变;3)通过人工模拟降雨试验可知,随本体溶液电解质浓度降低,颗粒表面电场增强,土壤流失强度增大。当电解质浓度＜0.01 mol·L^-1,对应宾县黑土和克山黑土的表面电位绝对值分别大于210和209 mV时,土壤累积流失量随时间的分布曲线较为接近,表明0.01 mol·L^-1是影响土壤侵蚀强度的电解质临界浓度值;4)土壤累积流失量与团聚体平均重量直径之间表现出良好的线性关系。综上,当雨水进入土壤,土粒表面电场增强,引发土壤团聚体破碎并释放大量细颗粒,最后在雨水冲刷作用下发生侵蚀。该研究结果可为深入理解东北黑土区土壤水蚀机理提供新的思路。     

黄土高原水蚀风蚀交错区植被地上生物量及其影响因素

采用野外调查的方法,于2009年9月下旬测定了六道沟小流域不同土地利用方式下的地上生物量以及土壤水分含量和养分含量,研究了水蚀风蚀交错区典型小流域植被地上生物量水平及其影响因素.结果表明:六道沟小流域主要植被地上干生物量在177～2207g·m-2;其中,玉米、谷子、弃耕地、人工草地、天然草地和灌木地的地上干生物量分别为2097～2207、518～775、248～578、280～545、177～396和372～680 g·m-2.农田平均土壤含水量(0～100 cm土层)最高,达14.2%,灌木地最低,为10.9%;弃耕地土壤水分含量的变异系数最大,为26.7%,说明弃耕地土壤水分有很强的空间异质性.土壤平均储水量大小顺序为:农田>人工草地>弃耕地>天然草地>灌木地,苜蓿地和柠条地出现土壤干化现象.植被地上干生物量与0～100 cm土层土壤储水量存在显著正相关关系(r=0.639,P<0.05),地上鲜生物量与植被的株高呈极显著正相关,较高植被的地上生物量可以间接控制水蚀风蚀交错区土壤侵蚀.植被地上生物量与土壤水分、养分具有很高的相关性,但与海拔、坡度、坡向、容重等的相关性不显著.     

土壤有机碳动态:风蚀效应

土壤风蚀是引起土壤退化最广泛的形式和原因之一。土壤风蚀对土壤碳动态的影响机制一方面是土壤风蚀引起土壤退化使土壤生产力下降,输入土壤的碳数量减少;另一方面是富含有机碳的细粒物质直接移出系统。风蚀土壤碳的去向包括:(1)就近沉积,(2)沉积于水渠和河流,输入水体;(3)以粉尘形式运移,在远离风蚀区的地域沉积;(4)氧化释放至大气。风蚀引起土壤碳的迁移和沉积不仅导致土壤有机碳在地域间的再分布,使土壤性状的空间异质性增加,也显著改变了土壤系统中碳矿化的生物学过程。土壤有机碳的保持可以促进团聚体的形成,使土壤物理稳定性增加,减缓风蚀。对易风蚀土地进行退耕还林还草、实行保护性耕作等措施可以有效增加土壤碳的固存。     

红壤小流域不同利用方式氮磷流失特征研究

从红壤小流域坡地资源合理利用和保护的角度研究了不同利用方式土壤氮、磷流失的特征,结果表明：恢复保护性植被的试验区3,由于其水土流失量最低,氮、磷流失量最小。侵蚀严重的试验区5,由于水土失量最大,磷的流失量最大,但其有效磷、水溶性磷及氮素流失量低于不注重水土资源保持经营利用的试验区1、注重水土保持措施的试验区2和试验区4。由于采用了水土保持综合农林措施,有效地减轻了水土流失,试验区2和试验区4的土壤氮、磷流失量明显小于试验区1土壤氮、磷流失量,红壤小流域不同利用方式中水土保持综合措施能有效地控制土壤养分流失。2000年不同试验区土壤氮、磷的流失主要集中于5、6及8月份,其流失量占全年氮、磷流失量的90％以上,这与当地的降雨季节性分配特征有关。土壤氮、磷的坡面流失方式为推移质流失和径流流失,磷的流失形态主要为泥砂结合态,约占总磷流失量的70％以上。除试验区3以外,其它试验区泥沙结合态氮素的流失量大于水溶态氮素流失量。     

Losses of soil organic carbon under wind erosion in China

Soil organic carbon (SOC) storage generally represents the long‐term net balance of photosynthesis and total respiration in terrestrial ecosystems. However, soil erosion can affect SOC content by direct removal of soil and reduction of the surface soil depth; it also affects plant growth and soil biological activity, soil air CO₂ concentration, water regimes, soil temperature, soil respiration, carbon flux to the atmosphere, and carbon deposition in soil. In arid and semi‐arid region of northern China, wind erosion caused soil degradation and desert expansion. This paper estimated the SOC loss of the surface horizon at eroded regions based on soil property and wind erosion intensity data. The SOC loss in China because of wind erosion was about 75 Tg C yr^?1 in 1990s. The spatial pattern of SOC loss indicates that SOC loss of the surface horizon increases significantly with the increase of soil wind erosion intensity. The comparison of SOC loss and annual net primary productivity (NPP) of terrestrial ecosystem was discussed in wind erosion regions of China. We found that NPP is also low in the eroded regions and heavy SOC loss often occurs in regions where NPP is very small. However, there is potential to improve our study to resolve uncertainty on the soil organic matter oxidation and soil deposition processes in eroded and deposited sites.     

Assessment of wind and water erosion risk in the watershed of the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River,China

The watershed of the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River (NIMRYR) suffers from soil erosion by wind and water because of the wide distribution of deserts and arsenic sandstones in this region. The sediment generated by erosion fed into the Yellow River directly or by its tributaries, silting up the Yellow River and raising the elevation of the river bed. The silting of the Yellow River result in serious flood disasters in this watershed. Therefore, it is urgent to implement soil conservation projects to control wind and water soil erosion. To reach this objective, understanding the spatial and temporal variations of soil erosion in this watershed is very important. In this study, an assessment of soil erosion risk by wind and water was performed based on soil erosion models. The Integrated Wind Erosion Modeling System (IWEMS) and the Revised Wind Erosion Equation (RWEQ) were used to estimate the wind erosion modulus in this watershed, and the water erosion modulus was estimated by the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). The results show that during 2000s, the wind erosion modulus ranged from 0 to 31,440.4 t/km²/a, and the water erosion modulus was from 0 to 24,048.5 t/km²/a. Moreover, the total soil erosion modulus by wind and water has ranged from 0 to 32,792.7 t/km²/a. Due to the influence of regional weather and geomorphology, occurrences of wind and water erosion in this watershed are not identical in their spatial and temporal patterns. Based on the calculated soil erosion modulus, soil erosion risk was assessed according to the “Classification criteria for soil-erosion intensities” (SL190-2007). It was assumed that the areas with erosion intensity higher than slight were at risk of erosion; by this criterion, more than 34% of the total area of the watershed of the NIMRYR would be at erosion risk. Based on this estimation, it was also found that the NIMRYR watershed is not a region of wind–water erosion crisscross and that land-use conversions have a significant impact on soil erosion.