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。     

黄土高原子午岭大披针苔草能量与养分特征

对黄土高原子午岭林区不同植被群落的优势伴生种--大披针苔草的能量和养分特征进行了研究.结果表明:随着演替的进展,处于不同演替阶段群落的大披针苔草地上部分和地下部分去灰分热值呈下降趋势.狼牙刺群落的大披针苔草地上部分去灰分热值最高,沙棘群落的最低; 狼牙刺群落的大披针苔草地下部分去灰分热值最高, 辽东栎群落的最低.不同群落大披针苔草地上部分热值均明显高于地下部分, 且不同群落大披针苔草地下部分干质量热值和去灰分热值均呈极显著差异.处于演替早期的各群落(狼牙刺、沙棘、山杨和白桦群落)内的大披针苔草热值差异较大,而演替后期的油松和辽东栎群落的大披针苔草热值差异较小.大披针苔草地下部分干质量热值与C/N呈显著正相关关系.     

黄土旱塬区土壤水分状况与作物生长、降水的关系

土壤水分研究是统筹农业生产和生态环境建设的关键环节.本研究结合4年田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬冬小麦和春玉米2012—2015年土壤水分状况的研究,分析农田土壤干层形成情况、土壤水分对作物生长的影响、降水对土壤水库的影响以及作物对土壤水分状况的影响.结果表明: 降水年型是冬小麦地土壤干层形成的主导因素,年内降水分布不均是春玉米地土壤干层形成的主导因素.长武旱塬区冬小麦和春玉米一年一季的种植制度不会导致永久性干层的产生;相较于春玉米,冬小麦根系生长习性更符合黄土旱塬区土壤水分循环特征,黄土旱塬区土壤水分有效性可保证作物产量稳定;降水作用下,冬小麦土壤水库充、放水过程呈现收获期、休闲期和苗期连续充水、缓慢消耗期和大量消耗期连续失水相互交替的特点.0～300和300～600 cm土层土壤水库不一致性现象明显,以最大根深作为野外监测试验中土壤含水量的取样深度时,由于深层土壤水库负反馈作用,不同降水年型下,休闲期和苗期的蒸散均会被高估,缓慢消耗期和大量消耗期的蒸散均会被低估.冬小麦田间过渡层存在的范围为140～360 cm;作物生长的时间跨度影响土壤水库效应的发挥,土壤水库对冬小麦供水表现为年际间的调节作用,土壤水库对春玉米供水表现为季节间的调节作用.     

黄土高原生态分区及概况

黄土高原地域广阔,水土流失区域差异显著。为了有效治理水土流失,评估水土流失治理技术和模式及生态恢复建设工程的成效性,需要对黄土高原进行区域划分。依据自然条件、水土流失治理技术和模式的区域性特征及差异,基于国家基础地理信息系统数据的县级行政界,对其进行合并,进行生态分区的划分,并分别统计其气候、地形地貌、植被特征及水土流失现状,以期为黄土高原水土流失治理技术和模式的改良优化提供依据。主要结论如下:(1)黄土高原分为黄土高塬沟壑区,黄土丘陵沟壑区,沙地和农灌区,土石山区及河谷平原区。其中黄土高塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区分别划分为两个副区。(2)黄土高原的气候、植被、水土流失具有明显的分区差异。降水和植被覆盖度自东南向西北递减,二者在空间分布上具有很好的一致性,降水量大的分区,植被覆盖度也高。在年际变化方面,丘陵沟壑区B2副区降水量呈增加趋势,其他分区呈减小趋势,变化均不显著。80年代以来,黄土高原和各生态分区的植被覆盖度均逐渐增加,黄土丘陵沟壑区的增加量最大。各分区的面平均气温均呈非显著增加趋势,90年代以来增温明显。(3)1970年以来,黄土高原侵蚀产沙强度减弱趋势显著,至2002—2015年,多年平均输沙模数在0.13—3924 t km~(-2) a~(-1)之间,侵蚀强度最大为中度侵蚀(2500—5000 t km~(-2) a~(-1)),但面积较小,主要分布于第二高塬沟壑区的泾河流域。     

黄土丘陵区辽东栎和刺槐树干液流时滞效应与蒸腾特征的关联性

运用Granier热扩散探针法,于2016年7-9月对半干旱黄土丘陵区天然次生林树种辽东栎和人工林树种刺槐的树干液流进行连续测定,并同步监测气象因子和土壤含水量,用错位相关法分析液流通量密度与空气水汽压亏缺日变化的时滞长度,研究2个树种不同径级个体在不同土壤水分条件下液流通量密度与蒸腾驱动因子之间的时滞效应.结果表明:辽东栎和刺槐液流通量密度的日变化节律与气象因子显著相关,空气水汽压亏缺峰值的出现较辽东栎树干液流通量密度滞后118.2 min,较刺槐树干液流通量密度滞后39.5 min;而光合有效辐射的峰值通常滞后于辽东栎12.4 min,提前于刺槐68.5 min.液流通量密度和空气水汽压亏缺的时滞长度与树种和土壤含水量显著相关,辽东栎、刺槐在土壤含水量较高时段的时滞长度分别大于土壤含水量较低时段32.2和68.2 min.时滞长度与径级的相关性整体上未达到显著水平,但在土壤含水量较低时段小径级刺槐的时滞长度大于大径级21.4 min,差异达到了显著水平.两树种液流通量密度与空气水汽压亏缺之间的时滞效应反映了对蒸腾驱动因子的敏感性,较好的土壤水分条件有利于液流通量密度提早达到峰值,较低土壤水分会导致树干液流对气象环境因子响应的敏感性降低;刺槐树干液流受土壤水分的影响更显著.     

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>...     

黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响

利用统计学方法分析了黄土丘陵区中部700 km2区域土壤质量的变异性、影响因子及影响程度.结果表明:研究区不同土壤质量指标变异性有很大差异.土壤pH、结构系数、粉粒、比重、容重、总孔隙度和毛管孔隙度及过氧化氢酶为弱变异性指标;土壤养分(N、P、K)含量、CaCO3含量、阳离子交换量(CEC)、粘粒、微团聚体平均质量直径(MICMMD)、团聚体平均质量直径(MMD)、水稳性团聚体、呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸酶、呼吸熵及微生物生物量碳和氮为中等变异性指标;土壤活性有机碳、有效磷、抗冲性、渗透系数及脲酶为强变异性指标.土地利用类型变化对土壤有机质、氮含量、水稳性团聚体、渗透性、微生物生物量碳和氮、磷酸酶、蔗糖酶及呼吸强度等土壤动态质量指标的变异性起主导作用.变异性较小的CaCO3、全磷、全钾、CEC、质地、比重等内在土壤质量指标的变异性主要来源于地形等环境因子的差异.土地利用类型可解释97%的土壤质量指数的变异性,是黄土丘陵区土壤质量变异的主导因子.在黄土丘陵区土壤质量评价中,应当充分考虑土地利用类型和地形等环境因子的差异.     

渭河陕西段沉积物重金属空间分布及来源解析

为了了解渭河陕西段河道沉积物重金属空间分布特征,本研究对渭河陕西段干流及其支流17个采样点沉积物中的10种重金属元素(Cd、Sb、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn)含量进行测定及来源辨析。结果表明: 重金属元素Cd、Sb、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn的平均含量分别为0.10、1.24、11.73、11.95、24.90、24.91、29.31、54.18、72.74、626.85 mg·kg^-1, 除Cd的变异系数大于1以外,其他元素的变异系数均低于0.5。其中,Cd、Pb、Cr含量于灞河入渭处达到峰值,Co和Mn在黑河入渭处达到峰值,Cu和Zn在清姜河入渭处达到峰值, Sb、As和Ni分别于沙王渡、咸阳铁桥和林家村处达到峰值。相关性分析、主成分分析和聚类分析表明,Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn主要来源于以工业源和生活源为主的污染源;Sb、As主要来源于农业和地球化学污染源。     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。     

黄土区土质与土石质塿土堆积体水力侵蚀过程差异

利用室内模拟降雨试验,研究了不同雨强及坡度条件下黄土区土质(不含砾石)与土石质(砾石质量分数30%)塿土堆积体的水动力学特征、侵蚀特征及侵蚀动力机制的差异。结果表明: 砾石存在改变了堆积体坡面的水动力学特性,与土质坡面相比,土石质坡面的流速、弗汝德数、单位径流功率和过水断面单位能分别减少1.7%～49.7%、6.7%～60.6%、2.0%～44.6%和1.0%～26.7%;曼宁糙率系数、径流剪切力分别增加6.2%～169.4%、5.7%～79.3%。2.0、2.5 mm·min^-1雨强下,土石质坡面侵蚀速率较土质坡面降低26.2%～89.9%,砾石的减沙效益显著。2种堆积体的侵蚀速率与水动力学参数间均可用线性函数拟合,与土质坡面相比,土石质坡面的可蚀性参数均降低,降幅为56.1%～73.3%;而临界水动力学参数中径流剪切力增加11.1%,径流功率、单位径流功率和过水断面单位能分别减少25.4%、64.0%和5.0%。砾石的存在一定程度上控制了工程堆积体坡面降雨侵蚀过程。