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.     

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。     

平衡施肥及雨强对紫色土养分流失的影响

利用人工降雨装置模拟3种不同强度的降雨,采用模拟径流小区,研究了四川紫色丘陵区玉米净作条件下雨强及平衡施肥对土壤养分损失量及载体的影响.结果表明:雨强是影响地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量的最主要因素.在小雨强条件下,无地表径流及土壤侵蚀发生;随着雨强的增大,地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量都急剧增加.磷素和钾素流失总量也随雨强的增加而增加,而雨强对氮素流失的影响不大.在3种雨强条件下,3种施肥处理的氮素流失总量表现为:高氮施肥>农户习惯施肥>平衡施肥,平衡施肥能减少氮素流失,而高氮施肥增加氮素的流失.农户习惯施肥处理的磷流失总量和钾流失总量均高于平衡施肥和高氮施肥两种施钾处理,在紫色土坡耕地增施钾肥能减少磷、钾养分的流失.     

模拟降雨下麻栎林地表径流和壤中流及氮素流失特征

为探讨人工林地地表径流和壤中流产流机制及其氮素流失规律,选择鲁中南山区典型林地麻栎林为研究对象,采用模拟降雨试验方法,研究麻栎林与荒草地的产流及氮素流失特征。结果表明:(1)麻栎林的总产流量、地表径流量、壤中流量分别是荒草地的80.5%、61.4%、162.2%。地表径流产流呈不断增加且趋于稳定的特征;壤中流产流时间明显滞后于地表径流的,产流过程径流量波动比较小,保持相对稳定。地表径流量和壤中流量随时间的变化过程可分别通过对数函数和多项式函数进行模拟。(2)麻栎林的全氮总流失浓度、地表径流全氮流失浓度、壤中流全氮流失浓度为11.5、13.1、8.9 mg/L,分别比荒草地低19.0%、13.8%、8.2%。地表径流全氮流失浓度一般前期较大,而后递减并趋于稳定;壤中流全氮流失浓度在整个产流过程中保持相对稳定。地表径流和壤中流全氮流失浓度随降雨时间的变化过程可分别通过幂函数和多项式函数进行模拟。(3)在整个降雨产流过程中,麻栎林和荒草地的地表径流量分别占总产流量的61.8%和81.1%,麻栎林和荒草地的地表径流全氮流失量分别占全氮总流失量的70.4%和87.0%,径流、氮素的流失都以地表径流为主。与荒草地相比,麻栎林具有明显增加壤中流,减少氮素流失效果。     

不同农作方式下红壤坡耕地土壤磷素流失特征

研究了6种农作方式红壤坡耕地土壤P素流失特征。结果表明,红壤坡耕地土壤P素的坡面流失主要通过径流和推移质2种方式,顺坡农作处理径流流失P素的比例占土壤全P流失量的55．26％,通过推移质流失的P素和径流流失的P素基本相当,其它处理土壤P素的流失主要以径流方式流失。流失量占土壤全P流失量的67．59％～88．11％。在流失的土壤P素中,泥砂结合态占多数,其比例为57．79％～77．59％,其中有效P的流失基本上通过径流方式,与传统的顺坡耕作的坡耕地利用方式相比。其它5种不同农作措施均有控制和防治土壤P素流失的作用。能减少P流失总量40．73％～84．70％。水平土埂、等高农作措施、休闲措施效果优于水平革带、水平沟农作措施。土壤P素流失时间主要集中在5～8月,占全年土壤P素流失量的89．15％～100％。     

腾格里沙漠东南缘沙质草地灌丛化对地表径流及氮流失的影响

以腾格里沙漠东南缘沙质草地和灌丛生境为研究对象,采用人工模拟降雨实验对草地样方、灌丛间裸地样方及含灌丛斑块样方的产流及氮流失过程进行观测,揭示了地表径流及其引起的氮流失对沙质草地灌丛化的响应.结果表明:(1)草地样方出现表面积水和地表径流的时间及开始产流需要的降雨量均大于含灌丛斑块样方和灌丛间裸地样方,裸地样方最小;灌丛生境径流系数为34.46％,显著小于裸地样方,大于含灌丛样方,产流量是沙质草地生境的2.26倍;表明灌木入侵造成的植被盖度下降引起了土壤水分入渗率的减小和地表产流的增加.(2)含灌丛样方单位体积径流含氮量瞬时值大于裸地样方,小于草地样方,三类样方瞬时值与单位时间径流量均呈线性负相关;草地样方单位时间氮流失量略小于含灌丛样方,两者均显著小于灌丛间裸地样方;灌丛生境氮流失总量为0.23 g/m2,是草地生境的2.09倍,灌丛和草地生境单位体积径流含氮量总体平均值分别为0.011 g/L、0.012 g/L;表明沙质草地灌丛化引起了养分流失的显著增加.     

水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响

通过选取缙云山针阔混交林(马尾松×四川大头茶)和常绿阔叶林(四川大头茶×四川山矾)内2个标准径流小区,结合野外观测和室内分析研究降雨及径流的化学性质径流盐基离子变化特征,为该地区水环境保护提供依据。结果表明:1)针阔混交林与常绿阔叶林中p H值变化趋势相同均为:地表径流壤中流大气降水。p H与降雨量之间存在显著相关关系。2)在大气降雨-地表径流-壤中流过程中,NH+4的地表径流及壤中流输出总量小于降雨输入量,表明了土壤对NH+4有一定的吸附持留能力。其他盐基离子径流输出量均高于大气降雨的输入量,且主要以壤中流输出为主,元素发生流失。从盐基离子总量来看,径流输出量均增加:针阔混交林(2.86 kg/hm2),常绿阔叶林(2.47 kg/hm2),说明在两种林分内养分均流失。(3)K+、Ca2+、Mg2+和Na+盐基离子输出量与径流量之间存在相关关系,随着径流量的增大径流输出量增加。而NH+4输出量与径流量之间的相关性不明显,说明了NH+4的变化除受径流量的影响外,可能还受微生物、季节等其他因素的影响。     

聚丙烯酰胺对坡地苹果园水土流失和土壤养分流失的影响

为了改善坡地苹果园的土壤环境,遏制水土流失和土壤养分流失,探寻聚丙烯酰胺适宜的干撒施用量,2010—2012年在陕北丘陵沟壑区的坡地苹果园,以不施聚丙烯酰胺为对照,分别撒施0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 g·m^-2的聚丙烯酰胺,监测果园地表产流、土壤流失、养分流失和苹果植株生长状况.结果表明: 坡地果园的径流量和5—7月的产流次数均随聚丙烯酰胺撒施量的增加呈“V”型变化,其中撒施量为1.0 g·m^-2时最低,但果园侵蚀泥沙量则随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低.地表径流和侵蚀泥沙中的铵态氮、速效磷和速效钾的浓度均随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低;聚丙烯酰胺可显著降低地表径流中的硝态氮含量,对侵蚀泥沙中的硝态氮含量则无显著影响;侵蚀泥沙中的有机质、全氮、全磷和全钾含量均随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低.聚丙烯酰胺提高了苹果单果质量及产量,但对苹果植株生长及果实风味品质无显著影响.聚丙烯酰胺在坡地苹果园中的适宜撒施量应为1.0 g·m^-2.     

竹林坡地径流中泥沙及氮磷载荷特征模拟

采用人工模拟降雨的试验手段,设定6个降雨强度(31.8～114.0 mm·h-1),通过测试径流量、泥沙量、径流中总氮(TN)和总磷(TP)浓度,研究了浙江省2种不同经营方式竹林(用材竹林和笋竹林)坡地(坡度20°)径流的载荷特征及机理.结果表明:用材竹林地的总径流量和径流系数均高于笋竹林地;笋竹林地的径流含沙量和总产沙量远大于用材竹林地;相同雨强下,笋竹林地降雨径流中的TN浓度为用材竹林地的5～6倍,笋竹林坡地径流中TN浓度随雨强增大而减小;用材竹林地降雨径流中TP浓度高于笋竹林地,笋竹林地泥沙中TP流失量是用材竹林地的数百倍;在TN和TP随径流泥沙的流失过程中,产流前期浓度起主要作用,后期径流量和产沙量起决定作用.     

土壤翻耕影响坡地磷流失试验研究

以黄绵土为试验材料,通过模拟降雨试验研究了翻耕与压实(分别代表大田条件下土壤翻耕与免耕两种休闲方式)条件下坡地土壤中不同形态P的流失特征。结果表明,翻耕条件下,由于坡面产流产沙量增加,流失径流中溶解态磷(DP)、泥沙浸提态磷(SEP)以及泥沙全磷(STP)的含量与流失量均明显增加,增幅达10倍以上,P的流失形态以泥沙结合态为主,压实条件下,DP／生物有效磷(BAP)与BAP／径流总磷(TP)比率分别为15％和2．4％;而翻耕条件下DP／BAP与BAP／TP比率分别为12％和2．6％,在黄土高原地区实行免耕或者夏季留茬休闲,可有效降低坡地土壤与养分的流失量,有效遏制土壤退化,对于保护下游水环境具有重要意义。     

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。     

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.     

小流域林草植被控制土壤侵蚀机理研究

从坡面水动力学角度研究了坡面乔木林、草本植物和林地枯落物对坡面径流流速和动能的影响机理.结果表明,坡面径流水头损失与坡面坡度、林木密度、净雨强、坡长等有关,水头损失与林木间距(b)和树木地径(D)间的关系为：E∝(D/b)4/3;坡面草本植物在水流作用下易弯曲,增大水流底层的阻力,减小床面的切应力;枯枝落叶使径流速度减小,从而大大降低径流挟沙能力.对甘肃省天水市桥子东沟和桥子西沟两个对比小流域的实测单次降雨、径流、泥沙资料分析可见,在相同降水条件下,已治理小流域内的径流量、产沙量、洪峰流量、最大输沙率等指标均小于未治理小流域,说明林草植被在小流域中的涵养水源、保持水土的作用明显.     

不同植被防护措施对三峡库区土质道路边坡侵蚀的影响

道路建设形成的大量裸露边坡缺乏防护常常导致严重的水土流失,是山区流域重要的侵蚀源.本文以三峡库区新修土质道路边坡为研究对象,布设草本、草灌结合、草灌+梯坎组合、植生带、坡耕地、草本+坡耕地组合进行边坡防护,结合野外自然降雨观测,研究降雨及植被防护对边坡侵蚀的影响.结果表明:草灌结合措施的植被恢复速度最快,平均盖度由20.2％增加到91.6％,对土壤容重和导水率改善最明显,降低容重9.5％,增加导水率678.1％,其次是草本措施和植生带;梯坎+草灌结合的抗侵蚀能力最强,截流效率和阻沙效率分别为72.3％和80.2％,适用于坡度＞45°路堑,其次是草灌结合和草本,草本对路堤的防护效果高于路堑,草灌结合对路堑的防护效果更理想;在15°缓坡路堤,草本+坡耕地处理对径流的拦截效率很低,仅2.0％,但拦截泥沙效率与草本和草灌相当,为23.0％,当坡度＜15°路堤被用作耕地时,必须在路肩设置2 m长的草本缓冲带以满足侵蚀防护的要求.     

喀斯特坡面生物结皮发育特征及其对土壤水分入渗的影响

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响。为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28%、40%、70%、97%)和2个雨强(42和132 mm·h^-1)。结果表明: 在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显。与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗。在小雨(42 mm·h^-1)和强降雨(132 mm·h^-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍。在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65%～70%,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱。Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型。综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著。     

林地土壤水源涵养多因素复合模拟研究——以苕溪流域为例

为了研究不同植被覆盖度、不同林相及不同林种林下土壤水源涵养的特性,以浙江省苕溪流域上游区为例,采用野外不同林种土壤持水能力定时定点实测取样、室内不同植被覆盖度(0,15%,30%,45%,60%,75%,90%)、不同林相(上层覆盖、下层覆盖、上下层覆盖)的物理模型人工模拟降雨试验方法,通过不同深度土壤水分含量测试、产汇流和入渗系数计算,探索了林地不同经营管理方式下土壤涵养水源的特性,结果表明:(1)地表入渗系数随植被覆盖度的增加而增大,随坡长增加入渗系数的增长比率增加,降雨过程中植被覆盖度对入渗系数的影响比坡长的影响大。(2)不同林相的模拟试验结果表明,地表入渗系数排序为上下层覆盖上层覆盖下层覆盖裸地。随着产流历时增加,林下土层的蓄水量呈线型增加,与裸坡比较,累积蓄水量增加百分数为:上层覆盖为23%,下层覆盖为29%,上下层覆盖为37%。(3)通过监测不同林地不同深度土壤含水率的变化,并与裸地进行对比得出不同林地涵养水源能力的强弱。其蓄水能力排序分别为板栗林茶园竹林。研究结果为林地管理、林相培育和林下土壤持水能力的提高具有科学方法论上的支撑和生产实践方面的借鉴。     

Grass mulching effect on infiltration, surface runoff and soil loss of three agricultural soils in Nigeria

Mulching the soil surface with a layer of plant residue is an effective method of conserving water and soil because it reduces surface runoff, increases infiltration of water into the soil and retard soil erosion. The effectiveness of using elephant grass (Pennisetum purpureum) as mulching material was evaluated in the laboratory using a rainfall simulator set at rainfall intensities typical of the tropics. Six soil samples, two from each of the three major soil series representing the main agricultural soils in South Western Nigeria were collected, placed on three different slopes, and mulched with different rates of the grass. The surface runoff, soil loss, and apparent cumulative infiltration were then measured under each condition. The results with elephant grass compared favorably with results from previous experiments using rice straw. Runoff and soil loss decreased with the amount of mulch used and increased with slope. Surface runoff, infiltration and soil loss had high correlations (R = 0.90, 0.89, and 0.86, respectively) with slope and mulch cover using surface response analysis. The mean surface runoff was correlated negatively with sand content, while mean soil loss was correlated positively with colloidal content (clay and organic matter) of the soil. Infiltration was increased and soil loss was reduced greatly with the highest cover. Mulching the soils with elephant grass residue may benefit late cropping (second cropping) by increasing stored soil water for use during dry weather and help to reduce erosion on sloping land.     

放牧制度对草地产流产沙及氮磷流失的影响

研究不同放牧制度草场水土流失过程,对草原生态环境保护和治理具有重要的理论意义。以内蒙古呼伦贝尔草原不同放牧草场为研究对象,设置选取三种放牧制度草场(自由放牧、轮牧、休牧),采用人工模拟降雨的方法进行0.74mm/min和1.5mm/min雨强的降雨模拟试验,测定径流量,含沙量,径流和泥沙中总氮,总磷浓度,并探讨植被截留对径流的影响规律。结果表明:植被截留对减少降雨径流具有明显的作用,休牧草场径流系数减小最多,自由放牧草场减小最少,产沙量显示为自由放牧草场轮牧草场休牧草场。降雨强度对径流中的氮磷浓度影响显著,自由放牧草场总氮浓度和休牧草场总磷浓度受雨强影响最大,氮磷流失过程浓度变化曲线更符合幂函数分布。休牧草场泥沙氮含量和泥沙磷含量均为最高,自由放牧草场与休牧草场的总氮富集率基本相等且均大于轮牧草场,总磷富集率为自由放牧休牧轮牧,三种放牧草场氮磷和泥沙流失主要影响因素为径流量和含沙量。因此,适当的将呼伦贝尔草原自由放牧草场向休牧和轮牧草场转变,将有利于减少草场水土营养元素流失及草原生态可持续发展。     

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。