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.     

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%。     

次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响

以野外径流小区的次降雨产流产沙数据为基础,对不同次降雨条件下坡面产流产沙随坡度的变化规律进行研究.结果表明:降雨性质的差异对坡面产流随坡度而变化的影响较小,在研究区的6场次降雨中,坡面产流量随坡度的变化规律基本一致,坡面径流量均随坡度增大而增大,但坡面径流量随坡度增加而增加的趋势较弱,这主要由降雨量与入渗量之间的转化程度所决定;次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响,一般情况下存在临界侵蚀坡度,但临界坡度不是唯一值,而是随着降雨特性的不同而不同,临界侵蚀坡度随径流量的增大而增大,临界坡度较大时,坡面产沙量随坡度变化而变化的趋势也往往较大.     

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.     

南方红壤丘陵区杜仲人工林产流产沙与降雨特征关系

杜仲是我国南方红壤丘陵区重要的水土保持经济树种,为了阐明人工杜仲林地表径流和土壤侵蚀的特征及其与降雨特征的关系,2002-2005年在典型的杜仲人工林设置径流小区,进行定位观测,结果表明:1)观测期间,研究区主要以降雨量(R)＜25 mm、降雨强度(I)＜5 mm·h-1的降雨为主;2)降雨量(R)、降雨量与降雨强度的乘积(R·I)、降雨侵蚀力(R30)与土壤侵蚀量和径流均表现出极显著的线性相关关系;在对特定的降雨条件下的坡面侵蚀进行预测的时候,用R30进行预测比用R·I更接近通用土壤流失方程降雨影响因子的内涵;3)对杜仲人工林径流深(Rd)与降雨侵蚀力(R30)的乘积(Rd·R30)与土壤侵蚀量进行拟合,结果表明,二者达到极显著线性相关性(r=0.685,P＜0.01),比单一用径流进行坡面侵蚀预测更符合水蚀产沙过程.     

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.
     

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.     

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.     

黄土丘陵小流域土壤侵蚀的时空变异及其影响因子

采用土壤侵蚀模型LISEM(Limburg Soil Erosion Model)模拟黄土丘陵沟壑区大南沟小流域5种土地利用格局下立地尺度上土壤侵蚀量的空间分布,从土壤侵蚀量与环境因子的关系分析入手,研究黄土丘陵小流域立地尺度上土壤侵蚀的时空变异性及其影响因子.研究结果表明,立地尺度上平均土壤侵蚀强度以1975年>1998年>退耕格局,可见优化土地利用格局(陡坡农地退耕)可以有效地降低立地尺度上的土壤侵蚀强度.各种土地利用方案下土壤侵蚀强度的空间变异都很显著,相对来说以1975年<1998年<退耕格局,可见优化土地利用格局可以提高土壤侵蚀的空间变异性,降低土壤侵蚀危险的空间聚集度.土壤侵蚀量与降雨呈现显著正相关性,相关性以LU75>LU98>退耕格局,可见合理的土地利用格局可以有效地削弱降雨对土壤侵蚀强度的影响.土地利用方式对土壤侵蚀空间分布具有显著影响.从1975年、1998年到3种退耕格局,陡坡农地退耕还林还草,植被覆盖度增加,林地/灌木地、果园/经济林地、农地和休闲地的平均土壤侵蚀强度都逐渐降低.相关分析表明,林地/灌木地上土壤侵蚀量最小,荒草地相对最严重;果园、休闲地和农地居中.土壤侵蚀强度还存在显著的地形分异.水平凹凸度和相对海拔对土壤侵蚀空间分布的影响比较显著,而坡向、坡度和垂直凹凸度的影响较小.土壤侵蚀强度以水平凸坡大于水平凹坡、垂直凹坡略大于垂直凸坡、偏南坡大于偏北坡、低海拔大于高海拔.对1975年和1998年土地利用格局来说,土壤侵蚀强度以偏西坡大于偏东坡、陡坡大于缓坡;对3种退耕格局而言则正相反.可见,优化土地利用格局(陡坡农地退耕),可以有效地削弱甚至逆转地形对土壤侵蚀强度的影响.     

黄土区土质道路浮土侵蚀过程

基于野外原位调查采样、室内人工模拟降雨试验研究道路浮土侵蚀规律.结果表明:浮土产流起始时间和路面侵蚀起始时间随雨强和坡度增大呈递减趋势.路面侵蚀起始时间随浮土厚度增大滞后2～5 min.浮土厚度≤0.5 cm时径流率在产流后2 min趋于稳定,平均径流率随雨强增大而递增,随坡度增大而递减;浮土厚度≥1.0 cm时,径流率在产流后3 min趋于相对稳定,平均径流率随雨强增大呈线性递增,随坡度增大而先递增后递减.侵蚀临界点随坡度和雨强增大呈递减趋势.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀速率随雨强增大而递增幅度达24.5％～434.4％,坡度8°和16°可达2°和4°的2.4倍;浮土厚度≥1.0 cm时,侵蚀速率在产流开始后9min左右趋于相对稳定,且随雨强和坡度增大而递增,随坡度增大侵蚀形式发生由“片蚀-细沟侵蚀-溯源侵蚀”的转变.浮土厚度≥1.0 cm时,平均10 min次降雨侵蚀量可达浮土厚度≤0.5cm的1.3倍,而单独浮土侵蚀时段侵蚀量前者是后者的2.7倍.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀量与雨强的相关性显著,产流量与坡度的相关性显著;浮土厚度≥1.0 cm时,10 min次降雨产流、产沙与雨强呈显著相关.随浮土厚度增大,浮土侵蚀量在组合侵蚀中所占比例增大,而薄层时主要以道路侵蚀占主导.     

喀斯特裸坡产流产沙过程试验研究

运用可调坡度、地下孔(裂)隙度试验钢槽装填土石模拟喀斯特裸坡,采用人工模拟降雨的方法探索了喀斯特裸坡产流产沙过程。结果表明:降雨强度、坡度和地下孔(裂)隙度对喀斯特裸坡产流产沙均有明显的影响。(1)在30、50、80mm/h降雨强度下地表产流产沙存在临界降雨强度,临界降雨强度在50—80mm/h之间,地下孔(裂)隙产流量和产沙量均随降雨强度增大呈现先增大后减小的变化趋势,产流量随降雨强度变化顺序为503080mm/h,产沙量随降雨强度大小变化顺序为508030mm/h。(2)随着坡度增大,地下输沙模数减小,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°;同一降雨历程内,坡度越小,单位时间内的地下输沙模数减小量越大,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°。(3)地下孔(裂)隙度对地下产流产沙影响显著,地下孔(裂)隙度的增大使地下流失量增大。地下产流比重、产沙比重均随地下孔(裂)隙度的增大而增大,大小顺序均为1%3%5%。研究有助于深入了解喀斯特坡地土壤侵蚀机理,为喀斯特石漠化治理和生态修复提供理论依据。     

模拟降雨条件下砾石含量对塿土工程堆积体坡面产流产沙的影响

为探究砾石含量对塿土堆积体坡面产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验,以土质坡面为对照,研究5种砾石含量(10%、20%、30%、40%、50%)堆积体坡面在不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)下的产流产沙特征。结果表明:不同试验条件下的平均径流率在2.18～13.07 L·min^-1,不同雨强条件下平均径流率均在砾石含量10%(或20%)和50%时分别达到最大值与最小值;平均流速在0.06～0.22 m·s^-1,流速变化复杂,砾石含量越小,流速变幅越大,变异系数也越大,砾石含量10%时平均流速最大。砾石的存在可有效抑制产沙,最大减沙效益可达84.2%,雨强相较于砾石含量对平均产沙率的影响更大。偏相关分析表明,平均径流率、流速、产沙率均与砾石含量呈极显著负相关;平均产沙率与平均径流率、平均流速以及二者交互项均呈极显著线性函数关系,其中,与平均径流率的相关性最强。本研究可为塿土区工程堆积体水土流失治理和侵蚀模型的建立提供参考。     

Phytoplankton response to changed nutrient level in Lake Peipsi (Estonia) in 1992–2001

To clarify the sediment yield processes following a disturbance by a forest fire in a mountainous catchment, and considering the hydrological and geomorphological processes in the headwater, we measured bedload sediment yield at rainfall events in disturbed and secondary forest catchments in the western part of Japan. The three catchments were under different hydrogeological conditions. The IK, TB and TY catchments were disturbed by forest fires in 2000, 1994, and 1978, respectively. In the IK catchment, although runoff response to rainfall was fastest with high peak flows, the catchment also had the highest base flow. Moreover, the annual sediment yield there was about ten times as high as in the other two catchments, and it was found that there was a steep linear curve in the relationship between precipitation and bedload sediment yield. This is thought to be caused by overland flow generation following water repellency on the slopes, and by the accumulated sediment that forms the thick soil layer on the valley bottom. On the other hand, in the TB catchment runoff experienced high peak flows at rainfall events and low base flows, and there was a gradual linear curve in the precipitation–sediment yield relationship. This might be the result of there being a thin soil layer on the hillslope and on the valley bottom because of successive erosion after the fire. In the TY catchment, runoff had a low peak flow at rainfall events and a high base flow; and the bedload sediment yield increased exponentially with increasing precipitation. Therefore, sediment yield in the TB catchment was more than that in the TY during storm events with precipitation of less than 100 mm, whereas it was the opposite during heavier rainfalls. It indicates that there is a thick soil layer on the slope and a thin soil layer on the valley bottom in the TY catchment following the recovering of vegetation, and that the sediment yield process predominates only during big rainfall events, only then does subsurface flow generate.     

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。     

不同降雨条件下坡长对喀斯特坡面土壤侵蚀的影响

基于2012—2014年对贵州省石桥小流域布设的5个坡长(5、10、15、20、25 m)径流小区的59次侵蚀性降雨条件下的产流产沙数据,分析不同降雨条件下喀斯特裸坡产流产沙与坡长的关系。结果表明: 研究区坡面产流量随坡长的增加总体呈先减少后增加再减少的趋势,产沙量随坡长的增加先上升后下降。研究区59次侵蚀性降雨按降雨量、降雨历时和平均雨强可分为3种雨型,分别为A雨型(短历时、大雨强、小雨量)、B雨型(中历时、小雨强、中雨量)、C雨型(长历时、中雨强、大雨量)。不同雨型下坡面产流产沙量与坡长的关系存在一定差异,A和B雨型下存在20 m左右的临界产沙坡长,C雨型下产沙量随坡长的增加逐渐加大。不同雨型下,坡长与产流产沙量均存在较好的三次函数关系。不同坡长间产流产沙量的变幅不同,除15~20 m坡长外,C雨型产流产沙量变幅相对较大,尤其产沙量的变幅显著高于其他雨型。不同雨型的坡面产流总量依次为A雨型＞B雨型＞C雨型;B雨型坡面产沙量最小,20 m坡长处A雨型产沙量最大,其他坡长处C雨型产沙量最大。A雨型(研究区常见雨型)下降雨复合因子较降雨单因子与产流产沙量的相关性更好,降雨量(P)、降雨历时与最大30 min雨强的乘积(TI₃₀)、降雨历时与平均雨强的乘积(TI)、降雨量与降雨历时的乘积(PT)与产流产沙呈极显著相关,其中,P和TI与产流量的相关性最强,二者与产流量在不同坡长间的关系可用线性方程和S型曲线表示,各坡长产沙量与其对应的降雨因子均存在较好的3次函数关系。     

黄土丘陵区坡面植被盖度及其配置格局的水蚀效应模拟

黄土高原因土壤侵蚀严重被视为生态脆弱地带,探讨植被盖度及其所处坡位对土壤侵蚀的响应,对坡面侵蚀产沙的预测和调控具有重要意义。基于WEPP模型情景模拟,分析了分布广泛、耐旱性强的长芒草和典型恢复灌木植被柠条在不同雨强(0.5、1.0、1.5 mm/min)、不同植被盖度(20%、40%、60%、80%)和不同坡位(坡上、坡中、坡下)条件下的土壤侵蚀变化情况,运用双因素方差分析和相关贡献指数阐明坡面侵蚀产沙特征对坡位和植被盖度交互作用的响应,并提出植被配置的优化模式。结果表明:(1)提高植被有效覆盖度是减小土壤侵蚀的重要举措,且当植被分布在下坡位时坡面土壤侵蚀最少;(2)植被盖度可以有效减少产沙量。小雨强时,柠条和长芒草随盖度增加对泥沙的拦截率分别从38%增加到90%,64%增加到96%;中、大雨强时,植被盖度小于20%或者大于80%时,长芒草坡面产沙量大于柠条坡面。盖度为40%—60%时,长芒草坡面产沙量小于柠条坡面;(3)双因素方差分析表明:坡位和植被盖度对坡面侵蚀产沙量有极显著的影响(P0.001);当植被是长芒草时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙有显著影响(P0.01),植被是柠条时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙作用不显著;(4)通过模拟柠条和长芒草不同配置情景得出:长芒草分布在坡面下部产沙量较小,且当柠条和长芒草配比为1∶2时产沙量最小。     

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.

     

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.