黄土丘陵区坡耕地与撂荒地土壤水分对降雨的响应特征

为了揭示黄土丘陵区不同土地覆被方式下土壤含水量对不同强度降雨的响应过程,选取山西省冯家沟小流域农耕地和撂荒地为研究对象,基于2019年4—10月降雨和土壤含水量以小时为单位的观测数据,分析了土壤含水量对不同强度降雨的响应规律。结果表明:(1)小雨、中雨、大雨和暴雨对土层的影响深度分别为20、20、60 cm和60 cm,研究区降雨最主要的形式—小雨对土壤水分的补给作用较小。(2)各强度降雨过程中,除0—10 cm土层外,农耕地土壤含水量均大于撂荒地,且大雨条件下农耕地各土层土壤含水量变化较显著,而撂荒地仅0—10 cm和10—20 cm土层土壤含水量有所增加。(3)不同土层土壤含水量对降雨的响应不同,表层响应相对明显而深层相对减弱;农耕地土壤平均含水量最大值出现在50—60 cm土层,而撂荒地出现在30—40 cm土层。(4)本地区农耕地土壤含水量高于撂荒地,表明在该地区适当的作物种植有较好的储存土壤水分的作用。本研究的结果对地区水资源的高效利用和水土流失防控提供了一定的科学依据。     

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.     

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。     

枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响

为了研究枝条覆盖对林地土壤水分的影响,提高土壤水分利用效率。2013年5—9月,以半干旱黄土丘陵区平茬柠条林为对象,采用中子水分仪对未覆盖和枝条覆盖林地土壤水分进行定位观测,研究了枝条覆盖对林地土壤水分的影响。研究期间共观测到降雨28次,总降雨量达495.9 mm。未覆盖和覆盖林地降雨补给量与降雨量之间均呈极显著正相关关系。枝条覆盖使林地降水入渗补给系数由0.50增加至0.70,明显提高了林地次降水补给量和入渗深度。覆盖林地各月土壤水分消耗量均高于对照林地,整个生长季,前者比后者多消耗了37.56 mm土壤水分,仅相当于所增加的降雨补给量的1/3。在丰水年,覆盖一直表现出对林地土壤水分的正效应,剖面0—260 cm范围内土壤水分条件有明显改善。     

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.     

黄土地区小流域植被覆盖和降水对侵蚀产沙过程的影响

以1982~2000年吕二沟地区的水文气象观测资料与遥感资料为数据源,进行流域产沙强度与径流指标、降水指标、植被覆盖指标之间的相关与多元回归分析,结果表明,流域产沙强度随径流指标、降雨指标的增加而增大,随植被覆盖指标的增加而减小。为了区分人为因素与自然因素对侵蚀产沙的影响,采用对数据进行标准化处理之后再进行多元回归分析的方法,来确定相对贡献率。结果表明,植被盖度和降水变化对吕二沟流域土壤侵蚀量变化的贡献率分别为45·7%和54·3%,可见土壤侵蚀量受降水的影响要略大于受植被覆盖的影响。     

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.     

外来物种刺槐对黄土丘陵区植物群落功能结构的影响

在黄土丘陵区草原带、森林草原带和森林带3个植被带选取成对的刺槐群落和乡土植物群落功能性状值,研究不同植被带刺槐群落、乡土植物群落功能结构的变化,以及同一植被带下刺槐的引入对群落功能结构的影响.结果表明: 刺槐群落和乡土植物群落的叶碳、叶氮、叶磷、比叶面积、叶组织密度等功能性状随植被带的变化规律一致.刺槐群落叶碳、叶氮、比叶面积显著高于乡土植物群落,且2种群落功能多样性指数(FR_ic、FE_ve、FD_iv、FD_is、Rao)随植被带的变化趋势并不完全一致,在森林带刺槐的引入提高了植物群落功能多样性,在草原带降低了植物群落功能多样性.     

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。     

黄土丘陵区SCS-CN模型径流曲线数的计算与校正

由美国农业部土壤保持局开发的SCS-CN模型在其他国家地区使用过程中的适用性仍存在争议,直接采用其给定的初损率λ来计算CN值易出现问题,尤其对于中国黄土高原这样具有复杂自然环境的干旱半干旱生态系统来说,有必要针对CN模型参数做进一步校正。基于地处黄土丘陵区的定西共计47个径流小区连续五年生长期的观测数据,采用平均值法计算典型植被和整地类型下的CN值,并结合前人在不同坡度下对初损率λ的率定结果进行校正,同时运用经验公式法计算土壤饱和导水率、确定土壤水文组。结果表明：①陇中地区土壤质地以壤土、粉砂壤土为主,饱和导水率介于18-180mm/h之间,最小渗透率介于3.81-7.26mm/h之间;②土壤前期含水量、植被种类、植被盖度、土地利用、坡度以及整地工程措施等均对CN值存在影响,依照坡度校正后的CN值与之前计算的存在较大差异;③典型植被覆盖类型下的CN₁值为：灌木林地（沙棘） < 撂荒地（冰草） < 人工草地（苜蓿） < 坡耕地（小麦） < 乔木林地（油松）,相同坡度的同类型植被措施下,CN值随植被覆盖度增加而减小;④水平沟、水平阶和反坡台等整地措施在不同土壤湿度条件下均降低了CN值,有效提高了土壤饱和导水率。     

黄土区草地不同组分与土壤侵蚀关系及其对降雨情景的响应

随着气候变化黄土高原植被与坡面侵蚀关系面临更多复杂和极端降雨情景的挑战。以黄土丘陵区草地坡面为对象,选择3场当地典型降雨事件,研究植物冠层、枯落物和根系与土壤侵蚀的关系及其对不同降雨情景的响应规律。事件-Ⅰ为短历时、高强度和大雨量,事件-Ⅱ为中等历时、强度和雨量,事件-Ⅲ为长历时、低强度和小雨量,3场事件分别代表2015—2017年侵蚀性降雨事件聚类分析后的3种情景。从多年次降雨事件尺度来看,冠层主要作用于降低泥沙浓度,减少了48.20%的径流含沙量,占总贡献率的53.03%,并贡献了约1/3的减流和减沙效应;枯落物的减流效应最高,减少了28.43%的径流量,占总贡献率的50.75%,其减沙的相对贡献率仅为26.41%;根系的减沙效应最高,减少了36.33%的土壤流失量,占总贡献的37.95%,远高于其减流相对贡献率(15.58%)。说明草地植物对土壤侵蚀的作用机制受到冠层、枯落物和根系的影响,各组分越完整,减流减沙能力越高。单次事件分析表明,由事件-Ⅰ、事件-Ⅱ到事件-Ⅲ,冠层的减流率和减沙率均为负值(-77.97%至-0.91%),相对贡献呈逐渐减小趋势;而枯落物和根系的减流率和减...     

半干旱黄土丘陵沟壑区降水特征值和下垫面因子影响下的水土流失规律

水土流失是多种因素交互作用的结果,尤其在半干旱黄土丘陵沟壑区更具有典型性。选择定西市安家沟小流域(35°35′N,104°39′E)为典型区域,在其阴坡中部布设了15个径流小区,包括5种土地利用类型(农田、牧草地、灌丛、乔木林、自然草地)和3个坡度(10°、15°2、0°),进行径流、侵蚀和降雨前期土壤水分的测定。利用偏相关和方差分析等统计方法,研究了降水特征值及不同下垫面因子对水土流失的影响规律。结果表明,在黄土丘陵沟壑区:①径流量主要受降水量、最大30min雨强、以及降水量与最大30min雨强之积的影响。影响侵蚀量的决定性降水因子为降水量和最大30min雨强的乘积PI30与最大30min雨强,而与降水量、平均雨强的相关性较差;②坡度在10°~20°范围内的变化对径流量没有显著影响,而对侵蚀量有显著影响,在该范围内随着坡度的升高侵蚀量增加(尤以15°~20°范围内增加较快);③土地利用类型是影响径流侵蚀的一个极其关键的因素。在坡度和土地利用类型双重作用下,以土地利用为主导因素,坡度作用次之。即在一定范围内,人为扰动强烈且坡度高的农田和人工草地最易遭受土壤侵蚀;④径流与侵蚀主要与表层0~20cm的土壤水分呈正相关关系,而与下部其他层次土壤水分无明显相关关系。     

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.     

间作经济作物对黄土丘陵区旱作红枣土壤水分的调控效应

研究行间种植经济作物饲料油菜和黄花菜对黄土丘陵区旱作红枣林地土壤水分的调控效应.结果表明： 饲料油菜和黄花菜处理0～180 cm土层土壤含水量较无作物对照分别提高6.2%和10.1%;枣树生育期内土壤水分变化主要集中在0～60 cm土层,饲料油菜和黄花菜处理均明显增加了0～60 cm土层土壤含水量,保证枣树生育期内正常生长;持续干旱条件下,各处理土壤水分消耗主要在0～60 cm土层,其中0～20 cm土层土壤含水量与次降雨后干旱天数存在显著指数负相关,雨后18 d干旱期饲料油菜和黄花菜处理0～60 cm土层土壤水分含量均高于对照.该间作系统显著改善了红枣林土壤水分环境,是黄土丘陵区克服季节性干旱的有效措施.     

黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响——景观水平与多尺度比较

以黄土丘陵沟壑区河口-龙门区间内42个水文站控制流域土地利用和径流泥沙数据为基础,借助GIS和RUSLE,运用景观格局指数分析法,从景观水平和多尺度上探讨景观格局对流域水土流失过程的影响。结果表明:河龙区间流域景观格局和水土流失过程特征存在明显空间分异和相对差异。在斑块类型水平上草地的连结度(COHESION3)和分维数变异度(FRAC_CV3)、耕地和居民建设用地的丛生度(CLUMPY1、CLUMPY5)、居民建设用地边缘密度(ED5)是影响流域水土流失过程的重要指标,其中草地连结度对流域水土流失过程变异的解释度最高。在景观水平上景观连结度(COHESION)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观聚集度(AI)、景观丰富度(PR)是影响水土流失过程的主要因子,其中景观聚集度(AI)对流域水土流失过程变异的解释程度最高。斑块类型水平景观格局对水土流失过程空间变异的解释能力要高于景观水平。景观格局具有明显的嵌套特性并强烈影响着流域水土流失过程,在嵌套水平上草地连结度(COHESION3)和耕地丛生度(CLUMPY1)是控制流域侵蚀产沙的主要格局因子,草地分维数变异程度(FRAC_CV3)可以抑制流域泥沙输移过程。景观格局对水土流失过程的影响机制和景观指数与反应变量间的统计学关系随尺度不同而异。     

陕北黄土丘陵区露水量及影响因子

为探明中国黄土丘陵半干旱区露水量特征及其影响因子,利用叶片湿度传感器(LWS)在陕西安塞县进行1年的监测试验.结果表明: 安塞地区2015—2016水文年露水总量为29.85 mm,日最大露水量可达0.82 mm.露水凝结量主要呈现日变化和季节变化两种特征,日变化过程中露水凝结量大多发生在18:00至次日7:00;季节变化中露水在秋季凝结量最大,夏季次之,春、冬季最少.在时空分布上,露水和降雨高度互补,露水大多产生于晴朗无云夜间,但降雨前后几天更有利于露水凝结.空气相对湿度和气温-露点差是影响露水凝结的主要因素,露水量与相对湿度呈显著正相关(r=0.726,P<0.01),与气温-露点差呈显著负相关(r=-0.725,P<0.01);风速、风向在一定程度上影响露水凝结,但风速(r=0.133,P<0.01)、风向(r=0.219,P<0.01)与露水量之间的相关性较弱.     

湘南红壤丘陵区不同生态种植模式下土壤磷素流失特征

以湖南省祁阳县红壤坡地大型标准径流场为例,研究了湘南红壤丘陵区8种不同生态种植模式下土壤磷素的地表流失特征.结果表明: 总磷流失量以撂荒处理(T₁)最严重,顺坡种植模式处理(T₂、T₃)其次,5种梯田模式处理(T₄～T₈)均能有效减少土壤磷的流失,磷流失量分别是T₁处理的9.9%、37%、0.7%、2.3%和1.9%.生态种植模式直接影响红壤坡地土壤磷素的地表流失形态,研究区流失的磷素以颗粒磷为主.暴雨(日降雨量＞50 mm)情况下,降雨量对不同生态种植模式下磷流失量影响差异不大,但磷流失量随降雨强度增大而增加.红壤坡地土壤磷素地表流失主要集中在6-9月,降雨量和降雨强度是影响湘南红壤丘陵区土壤磷素地表流失时间分布的直接因素.