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。     

极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响

植被恢复作为黄土高原防治水土流失的重要措施,但极端降雨诱发的浅层滑坡在植被恢复的沟坡上频繁发生,影响流域的产流产沙过程。基于野外原位模拟降雨试验,在60 mm/h降雨强度下,研究草被沟坡浅层滑坡发生特征及其发生前后的产流产沙差异。结果表明：（1）极端降雨所诱发的草被沟坡上的浅层滑坡深度为14-36 cm,与自然强降雨所导致的浅层滑坡深度相贴合,均是低于50 cm。（2）植被根系与土壤容重、孔隙度等土壤性质显著相关（P<0.05）,致使滑坡面上、下层土壤物理性质差异显著（P<0.05）。由于土壤性质的差异,在极端降雨下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和（饱和度>90%）,导致浅层滑坡的发生。（3）草被坡面浅层滑坡后的径流与产沙均显著增大（P<0.05）。三个小区的平均径流率在滑坡后增大了4.0-13.1倍,其平均含沙量和产沙率在滑坡后分别增大了9.9-54.9倍和70-841倍。研究结果有助于加深了解植被沟坡的侵蚀产沙机理,并为浅层滑坡防治提供科学依据。     

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。     

香根草及添加剂对模拟降雨条件下汞污染土壤和矿渣地表径流中汞含量的影响

通过盆栽试验,模拟降雨研究香根草(Vetiveria zizanioides)及添加剂(木屑、腐殖土)对汞污染土壤和汞矿渣中汞通过地表径流向周围迁移的影响,结果显示:(1)颗粒态汞占地表径流总汞的80%以上,是汞进行迁移的最主要途径.(2)在汞污染土壤中直接种植香根草,或者将香根草分别与木屑或腐殖土结合,能有效减少地表径流中的总汞(63%～85%)、颗粒态汞(63%～85%)和可溶态汞(27%～73%)向周围环境迁移,其效果显著高于直接在污染土壤中添加单一的木屑(5%)或腐殖土(23%).(3)在矿渣中直接添加低汞土壤或木屑、或直接种植香根草,或将香根草分别与低汞土壤、木屑、腐殖土结合均能有效固定矿渣中的总汞(29%～82%)、颗粒态汞(27%～84%)和可溶态汞(20%～70%).     

黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响

根据山西省吉县蔡家川流域198～2003年9个径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料,分析了植被对流域坡面尺度降雨产流产沙的影响.结果表明,坡面自然更新的次生林比人工刺槐林具有更好的涵养水源和保持水土功能,场降雨产流量和产沙量分别减少约65%～82%和23%～92%;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系,但随着林分郁闭度增大,相关关系减小.不同地类的降雨产流产沙差异显著,虎榛子灌木林和天然次生林最少,而人工刺槐、油松林约是虎榛子灌木林的倍,果农复合经营模式的产流产沙量分别是虎榛子灌木林的17.14倍和3.96倍;果农复合经营模式在高质量、大工程整地后产流产沙明显减少.对坡面产流产沙的影响因子灰色关联分析,林分郁闭度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著,关联度值均大于0.6.     

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.     

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.     

黄土和风沙土藓结皮土壤呼吸对模拟降雨的响应

生物结皮土壤呼吸是干旱和半干旱生态系统碳循环的重要组成部分,但目前其对降雨的响应规律尚不明确。针对黄土高原黄土和风沙土上发育的藓结皮,分别进行2、4、6、10、20、30、40 mm的模拟降雨,并使用便携式土壤碳通量分析仪测定雨前和雨后藓结皮的呼吸速率,对比分析降雨量对藓结皮呼吸速率的影响;同时,在40 mm降雨后的0—24 h连续测定藓结皮的呼吸速率变化,分析藓结皮呼吸速率随雨后历时的变化规律。结果显示,7种降雨量后两种土壤上藓结皮的呼吸速率均显著升高,黄土上藓结皮呼吸速度的增幅为2.89—6.38倍,风沙土上藓结皮呼吸速率的增幅为0.73—4.38倍。0—6 mm降雨中,两种土壤上藓结皮的呼吸速率均随降雨量增加而迅速升高,二者成显著线性正相关关系;6—40 mm降雨中,黄土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而缓慢升高,但风沙土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而快速降低。两种土壤上藓结皮的呼吸速率随雨后历时表现出相似的变化规律,即雨后迅速升高、之后逐渐降低,并在24 h左右回归到雨前水平;但黄土上藓结皮的呼吸速率在雨后即刻达到峰值,而风沙土上藓结皮的呼吸速率在雨后30 min左右方达到峰值。黄土上藓结皮的呼吸速率一致高于风沙土上的藓结皮,前者在不同降雨量和雨后历时中平均比后者高150.0%和59.6%。此外,藓结皮呼吸速率与表层土壤含水量存有显著相关关系,在含水量较低(小于约4%)时二者显著正相关,在含水量较高(大于约4%)时二者对于黄土上藓结皮为正相关、对于风沙土上藓结皮为负相关。研究表明,黄土高原藓结皮土壤呼吸对降雨响应快速而直接,但其响应规律对于黄土和风沙土上的藓结皮是不同的,总体而言黄土上藓结皮对降雨的响应更为持久有效。     

半干旱黄土区植被恢复对土壤团聚体稳定性及抗侵蚀能力的影响

土壤水稳性团聚体强烈影响土壤过程和功能,是反映土壤质量和土壤抗侵蚀能力的重要指标。为探究半干旱黄土区植被恢复对土壤抗侵蚀能力的影响,以甘肃省定西市龙滩流域为研究区,选取3种恢复方式（天然荒草、自然恢复、人工恢复）7种植被类型（大针茅草地、长芒草草地、赖草草地、苜蓿草地、柠条灌丛、山杏林以及油松林）为研究对象,通过测定0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm土壤水稳性团聚体,分析土壤团聚体组成、稳定性及抗侵蚀能力特征。结果表明：1）不同恢复方式不同植被类型间土壤水稳性团聚体稳定性差异显著（P<0.05）,自然恢复方式的土壤水稳性团聚体平均重量直径显著高于天然荒草和人工恢复方式,且7种植被类型土壤大团聚体质量百分比均在67.97%-90.12%之间;人工恢复方式土壤水稳性团聚体稳定性较差,其中油松林稳定性最差。2）土壤团聚体破坏率和土壤抗侵蚀能力均表现出自然恢复方式更有利于土壤结构稳定性的提高。3）土壤水稳性大团聚体含量越高,土壤团聚体越稳定,土壤结构稳定性就越好;平均重量直径与土壤可蚀性因子K值呈极显著性负相关（P<0.01）。本研究结果表明自然恢复方式能够显著提高土壤团聚体的稳定性,从而提升土壤的抗侵蚀能力,建议当地在未来植被恢复规划中采取自然恢复方式更有利于生态恢复的有效进行。     

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.     

植被恢复和气候变化对汾河源区径流及其组分的影响

近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关。但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰。因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用9种数值模拟法对1962-2018年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响。结果表明:(1)在9种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和0.68,基流是径流的主要组成部分。流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为78.1%-79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量。研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据。     

太行山片麻岩山区造地边坡植被恢复过程中植物多样性与土壤特性的演变

为了探究太行山片麻岩山区造地后坡面植被的演变规律,以太行山片麻岩山区不同治理年限的坡面为研究对象,研究了坡面的植被状况与土壤理化性状。结果表明:随着治理年限的增加,坡面植被覆盖度、地上生物量和植物种类均显著增加,分别由第2年的18.00%、67.52 g/m~2、10种增加到了第7年的92.67%、379.91 g/m~2、19种。随治理年限的增加,坡面土壤的理化性质得到改善,土壤容重由第2年的1.40 g/cm~3降低到了第7年的1.29 g/cm~3,土壤有机质含量由第2年的4.91 g/kg增加到了第7年的7.18 g/kg;土壤总孔隙度、全氮、碱解氮、速效钾含量分别由第2年的47.15%、0.17 g/kg、16.10 mg/kg、26.58 mg/kg增加到了第6年的51.60%、0.61 g/kg、62.18 mg/kg、57.40 mg/kg,在第7年又分别降低为51.42%、0.50 g/kg、37.80 mg/kg、30.90 mg/kg。坡面植被多样性与土壤多项理化性状表现为显著相关。随着治理年限延长,造地后的坡面土壤的理化性质发生改变,土壤有效养分增多,持水能力增强,植被覆盖度与植物种类均显著增加,植物多样性稳步提高,生态环境得到有效改善。     

黄土丘陵区不同恢复年限人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性

以空间代时间的方法研究不同恢复年限对人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性的影响,对于了解人工刺槐林在生态恢复过程中的土壤水分动态特征具有重要意义。基于长期定位观测,选取黄土丘陵沟壑区15、20、30、35 a等4个恢复年限人工刺槐林,自2014年5月至2018年10月每年生长季（5-10月）开展土壤水分自动观测。研究结果如下：（1）不同恢复年限刺槐林土壤水分差异显著,刺槐林土壤储水量随恢复年限增加呈现先增加后降低的趋势,排序依次为30 a（184.9 mm） > 20 a（184.6 mm） > 35 a（150.8 mm） > 15 a（128.8 mm）;不同恢复年限刺槐林土壤水分的时空分布特征差异明显,土壤水分变异性随土层增加而降低,但不随恢复年限而有规律的变化;土壤水分主要受到降水以及植被生长的影响,其变异性的时空格局也说明随土壤深度增加土壤水分的稳定性随之增加;（2）通过相对差分分析不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性,确定15、20、30、35 a的代表深度分别为80、100、80、150cm土层,都属于与100cm相近的土壤深度;（3）Spearman秩相关分析显示,上土层与下土层的土壤水分的时间稳定性特征差异明显;（4）线性回归与纳什系数结果表明通过相对差分与时间稳定性指数得到土壤水分代表深度的结果是可接受的,其中15 a恢复年限刺槐林的结果最好,决定系数R²和纳什系数NSE分别可达0.91和0.82,但总体结果仍存在误差,在区域土壤水分模拟时需考虑这一不确定性。（5）灰色关联分析表明,土壤质地（砂粒）,土壤总氮、土壤容重、土壤有机碳、土壤总孔隙度以及坡度是不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性主要影响因素。     

植被格局对侵蚀产沙影响的研究评述

土壤侵蚀是人类可持续发展的重要挑战,植被重建则是防控侵蚀产沙的有效手段。在当前水土资源日益稀缺的新形势下,优化植被布局将成为黄土高原等生态脆弱地区未来阻蚀减沙、改善环境的重要途径,有关植被格局对侵蚀产沙影响的科技需求更加急迫、意义更加重要。为此,从坡面与流域两个尺度,总结评述了侵蚀产沙研究中的植被格局表征、侵蚀产沙对植被格局的变化响应两个议题的研究进展。分析认为,目前主要存在缺乏反映侵蚀产沙过程的植被格局表征指数、较少考虑植被与地形叠置格局对侵蚀产沙的耦合影响、尚未建立侵蚀产沙对植被格局的直观响应关系等问题。为促进有关研究,今后在格局指数和耦合关系的构建中应重视植被和地形对侵蚀产沙过程的耦合影响,并选用具有良好应用精度的分布式物理成因模型,以获得反映植被格局影响的流域侵蚀产沙结果。同时,可通过采用GIS空间分析技术,设计获得更多的典型植被格局及对应情景的侵蚀产沙,以丰富基础资料,减少信息干扰。     

The effects of vegetation on restoration of physical stability of a severely degraded soil in China

Vegetative restoration may increase stability of degraded soil through enrichment of soil organic carbon (SOC). It is not clear whether hydrophobic fractions of dissolved organic carbon (DOC) function, although soil water repellency is generally linked to soil stability. The objectives of this study were to determine the effects of vegetative restoration and hydrophobic DOC fractions on soil hydrological and mechanical stability. Five investigated plots included eroded bare soil as a control, restored eroded soils planted either with Camphor tree (Cinnamomum camphora) or Lespedeza shrub (Lespedeza bicolor) since 1987, and two undisturbed soils with the same vegetation types. Water stability (WS), tensile strength (TS), and soil water repellency (SWR) of soil aggregates were measured at three water potentials, i.e., ?6, ?60 hPa and oven drying at 40 °C and at three depths (0–5, 5–10 and 10–20 cm). Reforestation of Lespedeza and Camphor trees for over 15 years increased SOC, hydrophobic DOC (H-DOC) and hydrophobic acid DOC (HA-DOC), WS and TS of the restored soils compared with the eroded bare soil, with more profound effects under Lespedeza shrubs than under Camphor trees, especially for TS. No significant differences were found between the restored and undisturbed soil under the same vegetation type. SOC was significantly correlated to total porosity, hydrological and mechanical stability and soil water repellency, suggesting the significant effect of SOC on soil restoration. SWR was more closely correlated to SOC and to H-DOC concentration than to total DOC and HA-DOC in the top soil. The humification and aromaticity indices of DOC indicated that greater SWR in the soils under Lespedeza than under Camphor trees can be attributed to greater amount of litter fall and more active microbial decomposition. Although WS and TS varied with soil water potentials, TS was strongly correlated to SWR, but no link was found with WS. This study suggests that the combined influences of soil organic compounds binding and coating soil particles, retarding water wettability and modifying soil porosity are probably extremely important mechanisms of mechanical stabilization in soil. Such intricate feedback during vegetation restoration needs further study.     

模拟增雨对巴里坤湖干涸湖底沉积物CO2通量的影响

明确湖泊沉积物碳过程对气候变化的响应,是全面了解湖泊生态系统碳收支的重要环节.为探究未来降雨增加对沉积物碳通量的影响,本研究以新疆哈密巴里坤盐湖干涸湖底原状沉积物为对象,基于1960年以来新疆哈密地区降雨量增加速率(4mm.10a-1)以及植物生长季多年降雨量分布特征,以2016年生长季(5-10月)降雨量(86 mm...     

Distribution and accumulation of trace elements in rhizosphere and non-rhizosphere soils on a karst plateau after vegetation restoration

Aims

The restoration of vegetation in the rocky desertified areas of karst plateaus is a major problem for present-day ecological studies. The aim of this study was to determine the effects of vegetation restoration on the distribution and accumulation of trace elements in rhizosphere and non-rhizosphere soils.

Methods

Four representative areas containing the plants Coriaria nepalensis Wall., Pinus armandii Franch., Elaeagnus pungens Thunb., and Cotoneaster hissaricus Pojark. were selected within a vegetation restoration area in the Karst Plateau of Caohai County, Guizhou Province, China. Soils were sampled using a grid method to measure the total contents of the trace elements iron (Fe), manganese (Mn), copper (Cu), and zinc (Zn) in rhizosphere and non-rhizosphere soils.

Results

The representative area containing Elaeagnus displayed the greatest amount of accumulation in the rhizosphere of both total and available trace elements, except for total Zn. Representative areas of the rhizosphere with other types of vegetation showed accumulation of only some of the trace elements studied. All types of vegetation were associated with the bioenrichment of available trace elements in both rhizosphere and non-rhizosphere soils, except for available Cu in areas associated with Cotoneaster.

Conclusions

Representative areas containing Pinus displayed the greatest degree of bioenrichment for both total and available trace elements in both rhizosphere and non-rhizosphere soils.