黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80％和20.56%～47.81％,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20 cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

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。     

黄土丘陵沟壑区自然恢复草被对浅沟侵蚀的影响

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的一种重要侵蚀类型.以往研究多侧重于农地浅沟,有关自然恢复草被对浅沟侵蚀影响的研究甚少.本研究采用野外原位冲刷试验,以裸地浅沟为对照,探究放水流量为5、10、15、20和25 L·min^-1条件下草地浅沟的径流产沙特征及侵蚀机理.结果表明: 与裸地相比,草地浅沟平均流速、稳定径流率、雷诺数、弗劳德数分别减小25.4%～67.3%、8.4%～26.6%、54.9%～80.5%、18.6%～65.1%,阻力系数增大0.09～7.18倍.草地浅沟最大产沙率、稳定产沙率和平均产沙率较裸地浅沟分别减小55.1%～90.9%、61.8%～95.4%和64.8%～92.4%;5～25 L·min^-1放水流量下,自然恢复草被的减沙效益可达65.9%～88.8%,且随放水流量增大,减沙效益呈减小趋势.与裸地相比,草地浅沟的平均径流功率和平均径流剪切力分别减小54.9%～80.5%和12.4%～51.1%,临界径流功率增大1.43倍,临界剪切力增大33.7%;草地和裸地浅沟平均产沙率与平均径流功率、平均径流剪切力均呈显著线性相关.自然恢复草被显著增加了浅沟抗蚀性能,降低了浅沟径流侵蚀能力.     

模拟降雨条件下含砾石红壤工程堆积体产流产沙过程

生产建设项目开发过程中形成的工程堆积体具有特殊的结构和复杂的物质组成,坡面侵蚀特征明显有别于一般农地.采用室内人工模拟降雨试验方法,研究降雨强度对红壤区不同砾石含量(0%、10%、20%、30%)工程堆积体产流产沙过程的影响.结果表明: 坡面产流开始时间随降雨强度和砾石含量的增大而减小,减幅分别为48.5%～77.9%和4.2%～34.2%,且与降雨强度呈显著的幂函数关系.坡面径流流速和径流率均随产流历时呈先上升随后趋于稳定的变化趋势,降雨强度是其主要影响因素,砾石含量对其影响不显著.砾石对径流量的影响存在一个10%左右的阈值,1.0 mm·min^-1雨强、10%砾石含量时坡面产流量最小;雨强＞1.0 mm·min^-1时,10%砾石含量坡面产流量最大.随雨强增大径流量增加10%～60%.坡面含沙量在产流前6 min急剧下降后趋于稳定,随砾石含量增大,降雨强度对含沙量的影响减小.雨强＞1.0 mm·min^-1时,砾石具有显著的减沙效应,产沙量与降雨强度和砾石含量呈显著的线性函数关系.     

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.     

黄土高原多沙粗沙区侵蚀产沙的多维临界

黄土高原多沙粗沙区侵蚀产沙受到自然要素和人文要素的综合作用。从该地区侵蚀产沙的自然和人文影响要素识别入手,比较系统地揭示了各主要影响因子侵蚀产沙过程的单维临界响应及其发生的内在机理,在此基础上建立了侵蚀产沙要素交互作用的多维临界综合集成模型,并依据该模型定量计算出目前该地区自然和人文要素及各主要影响因素分别对侵蚀产沙的贡献,最后提出了该地区水土流失治理的调控目标和现有治理措施的调整思路。研究结果表明:(1)由于该地区自然和人文要素的交互作用,使得各影响因素侵蚀产沙的单维临界响应发生位移和变化,达到复合临界极值的多维临界点趋于降低或基本保持不变。(2)该地区的侵蚀强度在自然和人文要素的交互作用下仍在加剧。其中,可分离的自然因素作用占80%左右,人为因素作用占20%左右。就自然因素而言,降水对产沙强度的贡献最大约为61%;(3)该地区水土流失的治理速度抵不上人为破坏速度;(4)在多沙粗沙区人为因素产沙贡献中,农业结构的贡献最大。这意味着该地区生态环境治理与建设首先要把农业结构调整和优化置于第一位。     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

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.     

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...     

植被和梯田对黄土高原小流域泥沙连通性的影响

黄土高原经过长期水土流失治理,泥沙问题得到有效解决,但植被恢复和梯田修建对泥沙空间输移的影响尚未完全揭示。通过土地利用数据和Landsat影像确定梯田分布和植被覆盖情况,使用能表征植被和梯田对泥沙输移的阻滞作用的植被覆盖与作物管理因子和工程因子计算泥沙连通性指数(IC),分析泥沙连通性的时空动态变化,量化植被与梯田共同影响下黄土高原第三副区典型流域泥沙连通性。调整权重因子模拟不同情景下泥沙连通性指数的计算,分析植被与梯田对泥沙连通性的单独影响。结果表明由于植被快速恢复和梯田大面积修建,IC在35年间(1986—2020年)从-3.42到-9.17显著下降。情景模拟发现,在1986—1999年间,梯田为泥沙连通性减弱主要驱动因素,1999年后植被与梯田共同作用。植被影响下的IC从1986年到2020年下降73.05%,在1986—2020年间梯田影响下IC下降26.75%。在空间上梯田及高植被覆盖度区域呈弱泥沙连通性,中下游主沟及部分支沟区域为强泥沙连通性。总体而言,植被恢复和梯田修建减弱泥沙输移能力,流域输沙路径集中于主沟中下游及部分支沟区域。研究结果有助于深化黄土丘陵区小流域植被恢复...     

近50年黄土高原水土流失的时空变化

在降水变化和人类活动的影响下,近50a黄土高原水土流失发生了深刻变化.利用黄土高原115个水文站的输沙量数据和276个雨量站的降水数据,分析了近50a来黄土高原输沙强度的时空变化特征,并评估了降水变化对其影响.研究表明:近50a黄土高原输沙强度呈现明显下降趋势,尤其是自20世纪80年代以来,下降趋势非常显著.从水土保持措施实施前后两时期对比来看,黄土高原输沙强度整体呈现减弱态势,并存在明显的空间差异.输沙模数＞5000t/(km2·a)区域的输沙强度减弱明显,其面积较前期减少了44.3%.输沙强度减弱最为明显的区域位于无定河中下游以及山西中北部地区,输沙强度减少在40%以上.降水减少是近50a黄土高原输沙强度减弱的重要原因,它们时空变化格局在空间上一致.从黄河中游10条主要支流来看,人类活动对输沙量减少可能起主要作用,其贡献率在61%～93%之间.     

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。     

黄土高原极端气温变化特征及其与平均气温的相关性

近几十年来,黄土高原极端气候频发,研究和预测极端气候的发生显得尤为重要。目前,关于极端气候的研究多关注事件本身的变化特征,而忽略了平均气温与其变化趋势的相关分析。本研究基于1986—2019年黄土高原79个气象站的逐日最高气温、最低气温和平均气温资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendall检验、滑动t检验以及Pearson相关分析方法,对黄土高原地区极端气温的变化趋势及其与平均气温的相关性进行研究。结果表明: 研究期间,黄土高原地区极端气温暖指数呈显著上升趋势,冷指数呈显著下降趋势,极端高温事件发生频率增加;大多极端气温指数在20世纪90年代中后期和2012年发生突变,且极端气温在1998—2012年整体呈现下降趋势,较好地响应了全球变暖停滞现象;平均气温在西部黄土高塬沟壑区、土石山区及河谷平原区的上升趋势较其他区域明显,且极端气温指数大幅变化趋势的站点几乎都发生在平均气温大幅上升的区域;平均气温的小幅上升显著增加了极端高温事件发生的频率,其中,极端低温的变化幅度和速率大于极端高温,气候变暖对极端气温指数产生了不同影响,平均气温的微小变化使得黄土高原整体气候分布向着更易发生热浪的方向转移。     

基于模拟降雨试验的喀斯特坡耕地土壤侵蚀特征

探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及机理对该区水土流失及石漠化治理具有重要的现实和指导意义.本文采用人工模拟降雨的试验方法,探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及特征.结果表明: 降雨强度较小时(30、50 mm·h^-1),水土流失以地下孔(裂)隙流失为主,当降雨强度较大时(80 mm·h^-1),土壤侵蚀以地表流失为主;地表径流模数和输沙率均随坡度的增加而增大,随孔(裂)隙度的增加而减小.地下径流模数在0.37～0.52 L·m^-2·min^-1,地下输沙率在0.81～1.93 g·min^-1,二者均随坡度的增加而减小,随降雨强度的增加呈先增大后减小的变化趋势.     

黄土高原典型坝系流域碳氮湿沉降与水体碳氮流失特征

本研究通过对黄土高原坝系流域的碳(C)、氮(N)湿沉降过程、降雨径流过程及其基流过程的动态监测,揭示C、N湿沉降对流域水体碳氮流失的贡献,探讨C、N流失负荷在降雨-径流中的分布,进一步评估黄土高原雨季水体碳氮流失状况。结果表明,研究区域碳、氮湿沉降通量分别为173.95 kg km~(-2)mon~(-1)和43.01 kg km~(-2)mon~(-1),而通过径流的碳、氮流失量为11.52 kg km~(-2)mon~(-1)和2.19 kg km~(-2)mon~(-1)。雨季C、N湿沉降对该地区水体C、N流失的贡献率分别为65.81%和100%,其中流水侵蚀引起的C、N流失贡献率为59.20%和56.16%。黄土高原主要以流水侵蚀为主,C、N主要集中在降雨径流后期,因此截留后期径流可以有效控制养分流失。