放牧对降雨条件下黄土高原退耕草地土壤水分补给的影响

降雨是影响土壤水分补给和坡面产流的关键因素,放牧可改变地表覆被特征和表层土壤结构,进而影响坡面产流和土壤水分补给。目前鲜有研究关注放牧对土壤水分补给的影响。本研究通过围栏放牧试验,定位监测自然降雨条件下土壤水分动态,对比了不同放牧强度(G1～G5:2.2、3.0、4.2、6.7、16.7羊·hm^-2)下地表覆被、土壤理化属性和降雨土壤水分补给特征。结果表明：放牧显著影响植被和生物结皮盖度,与不放牧样地(NG)相比,G1～G5放牧强度下植被盖度降低8.3%～16.4%,G2放牧强度下生物结皮盖度较NG增加106.9%。G1～G5放牧强度下地表粗糙度增加53.1%～152.5%,G5放牧强度下生物结皮厚度降低24.1%。土壤湿润锋速随降雨强度增加而降低,G2放牧强度下0～5 cm土层湿润锋速在不同降雨条件下(降雨量18.0～70.3 mm)与NG相比降低60.0%～83.3%。放牧对土壤湿润锋速的影响与生物结皮盖度和0～5 cm土壤容重显著相关。放牧未显著影响黄土高原降雨条件下土壤水分补给速率。综上,G2放牧可通过增加藻结皮盖度,延长土壤水分在表层土壤的运移时间,有益...     

三峡库区苔藓生物结皮对土壤水分入渗的影响

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明: 与裸地相比,生物结皮发育可显著提高表层土壤粘结力、孔隙度、黏粒含量、水稳性团聚体和有机碳含量,显著降低土壤容重和砂粒含量。生物结皮促进了土壤水分入渗,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量可达裸地的2.0倍及以上,土壤入渗性能随结皮盖度的增大呈先增加后减小的变化规律,在40%～60%盖度下最大。通径分析显示,土壤初始入渗率主要受结皮盖度、土壤容重和有机碳含量的影响,稳定入渗率主要受结皮盖度和土壤容重的影响。Horton模型对三峡库区生物结皮覆盖土壤的水分入渗过程拟合效果最佳。     

不同类型生物土壤结皮覆盖下风沙土的入渗特征及模拟

干旱荒漠区广泛分布的生物土壤结皮(BSCs)对土壤水分入渗过程有重要影响。以古尔班通古特沙漠南缘的BSCs为研究对象,基于野外采样与室内模拟实验等方法,探究藓类、地衣和藻等3种类型BSCs覆盖下沙土的入渗特征。结果表明:与无结皮覆盖的风沙土对照,3种类型BSCs均显著降低了沙土初渗速率,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮覆盖下初渗速率降低幅度依次为36.10%、46.42%、50.39%;藓类结皮、地衣结皮(P0.05)和藻结皮(P0.05)均明显降低了沙土稳渗速率,降低幅度依次为16.50%、33.98%和35.92%;3种类型BSCs均限制了湿润锋在沙土的推进过程,表现为:藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的渗漏时间分别为裸沙对照的2.13、3.04和2.98倍;各类型BSCs均减小了沙土累积入渗量,阻碍了沙土水分入渗,与裸沙对照相比,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的1 h累积入渗量分别降低16.10%、28.56%和26.56%。在实验条件下,Kostiakov模型最适用于模拟不同类型BSCs覆盖下土壤水分入渗过程,Horton模型模拟效果次之。     

黄土丘陵区生物结皮群落组成与水分入渗的关系

黄土丘陵区坡面尺度生物结皮多是由藻、藓和地衣等以不同比例、不同方式组合的一个复杂群落结构,显著影响水分入渗,但目前混合生物结皮水分入渗与其群落结构之间的关系仍不清楚,妨碍了对坡面尺度生物结皮土壤渗透性的评估。本研究测定了藻结皮、藓结皮及藓结皮盖度分别为<15%、15%～30%、30%～45%、45%～60%、＞60% 5个不同藻藓比例的混合生物结皮的稳定入渗速率,采用主成分分析和通径分析揭示混合生物结皮水分稳定入渗速率的影响因素,明确混合生物结皮水分稳定入渗速率与群落结构之间的关系。结果表明: 藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率分别为0.66和2.40 mm·min^-1。藓结皮盖度从<15%到>60%的混合生物结皮的稳定入渗速率为0.80～2.30 mm·min^-1。混合生物结皮水分稳定入渗速率主要与藓结皮盖度和藓结皮改善的土壤孔隙结构密切相关,相关系数分别为0.636(P=0.011)和0.835(P=0.000)。通过藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率与盖度加权预测的混合生物结皮水分入渗量(y)与混合生物结皮实测水分入渗量(x)具有极显著相关关系(r=0.945),二者拟合的线性函数为y=0.85x(R²=0.98,P<0.05)。本研究明确了混合生物结皮水分入渗与单一组成生物结皮水分入渗之间的关系,为准确评估该区生物结皮水文过程提供了科学依据。     

模拟放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮坡面土壤水分入渗的影响

水分是黄土高原地区植被恢复的关键影响因子,该区广泛分布的生物结皮显著影响土壤水分入渗。干扰影响生物结皮土壤水分入渗,但目前不同强度的干扰对生物结皮土壤水分入渗的影响仍不明确。本研究以黄土丘陵区吴起县合沟小流域的生物结皮坡面为对象,模拟羊蹄踩踏干扰,研究10%、20%、30%和40%干扰强度(以生物结皮破损度表征)对生物结皮坡面地表覆被的影响,采用线源入流入渗法观测了不同强度干扰后土壤水分入渗特征,通过结构方程模型和相关性分析,探索了干扰对生物结皮坡面土壤水分入渗的影响机制。结果表明:与对照(不干扰)相比,10%干扰强度下藻结皮盖度显著增加33.6%,20%干扰强度对藻结皮盖度无显著影响,30%和40%干扰强度下藻结皮盖度分别显著降低了36.1%和75.0%;40%干扰强度显著增加了枯落物盖度(34.3%),其他处理无显著影响;10%、20%和30%干扰强度下地表粗糙度分别显著降低了22.3%、11.1%和5.6%,40%干扰强度下增加了8.2%;40%干扰强度下初始入渗率显著增加了77.1%,其他干扰强度无显著影响;不同干扰对土壤稳定入渗率和平均入渗率无显著影响。可见,干扰主要通过降低藻结皮盖度,增加枯落物盖度和改变地表粗糙度,进而促进了土壤水分初始入渗。本研究可为黄土高原退耕地生物结皮管理提供科学依据。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型的土壤入渗特征

黄土高原退耕还林草生态建设改变了区域覆被格局和下垫面环境条件,对流域地表水文过程产生了重要影响。研究黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型下的土壤水分入渗特征,对揭示植被恢复驱动下的降雨-入渗机制变化具有重要的科学意义。基于坡沟系统土壤水分入渗过程的定位监测,阐明了坡沟系统土壤水分入渗特征对不同降雨类型的响应,并采用Horton、Mezencev、Kostiakov、USDA-NRCS模型进行土壤水分入渗过程模拟,筛选特定降雨类型下最佳的入渗模型。结果表明：（1）0-60 cm是降水-入渗过程响应的关键层次,沟坡总入渗蓄存量较坡面高约42.67%;（2）坡沟系统土壤水分入渗量与深度成反比,且沟坡土壤水分入渗量较坡面平均高约9.75%;（3）不同降雨类型下坡面湿润锋深度均小于沟坡,且以极端暴雨、长历时小雨强降雨最深,短历时中雨强次之,短历时小雨强降雨最浅;（4）坡沟系统各降雨类型土壤水分入渗量对降雨的响应表现出一定的滞后性,沟坡响应快于坡面,沟坡湿润锋深度平均较坡面深约5-10 cm;（5） Mezencev入渗模型对四种不同降雨类型入渗量的模拟均具有较高精度（Adj-R²>0.96;NSE>0.92）,Horton模型可用于模拟极端降雨类型（NSE>0.98）,而Kostiakov模型、USDA-NRCS模型适于模拟短历时中强度降雨和短历时低强度降雨类型。     

黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素

降雨强度、坡长、坡度是影响坡面产流产沙的重要因素。为定量分析降雨强度、坡长、坡度对黄土丘陵沟壑区安塞黄土坡面侵蚀过程的影响,本研究基于室内人工模拟降雨试验,分析2个坡长(5、10 m)、3个坡度(5°、10°、15°)、2个降雨强度(60、90 mm·h^-1)下安塞黄土坡面产流产沙规律。结果表明: 初始产流时间随坡长增加呈减小趋势,但总体变化不大;初始产流时间随降雨强度增加而减小,与60 mm·h^-1相比,90 mm·h^-1下缩短5.7～18 min;10°坡度上的径流起始时间最快。随降雨历时延长,产流率先快速增加,最终逐渐稳定在某一产流率值上下波动;产沙率在产流初期短时间内突然升高,达到最大值后减小,再逐渐达到稳定。产流率和产沙率随坡长和降雨强度的增加而增加,但随坡度变化规律不明显。随着降雨强度、坡长和坡度的增加,总产沙量相应增加。在降雨强度90 mm·h^-1时,坡长和坡度分别为10 m和15°的坡面产生了细沟,导致总侵蚀量最大(11885.66 g)。降雨强度为60 mm·h^-1时,随着坡长增加单位面积侵蚀量减小,在5～10 m坡段存在临界侵蚀坡长。坡长、坡度和降雨强度对坡面径流过程均有促进作用,降雨强度、坡长和两者之间交互作用对产流率和总侵蚀量的贡献率较大,其中,对产流率贡献最大的影响因素是降雨强度,贡献率为49.8%;坡长对总侵蚀的贡献率最大,为37.8%。     

覆被对桔园旱季土壤水分变化和利用的影响

稻草覆盖和自然覆被是解决红壤丘陵区季节性干旱的有效措施.2005～2006年在桃源农业生态试验站进行了稻草覆盖和自然覆被对桔园降雨入渗、土壤蒸发、土壤水分调控和利用结构影响的研究,结果表明:稻草覆盖和自然覆被更有利于雨水的储存和向深层入渗,雨后48h分别比裸地土壤储水增量多3.33mm和1.33mm,降雨入渗深度分别为40cm和80cm.此外,稻草覆盖和自然覆被分别抑制了69.10%和36.53%的土壤蒸发,其蒸发抑制作用在午间高温时段表现尤为明显,使得更多的水分以植物蒸腾(稻草覆盖15.71%、自然覆被7.30%)和土壤蓄留的方式支出,并且分别降低了20.55mm(稻草覆盖)和14.33mm(自然覆被)的水分支出.覆被下土壤水分结构发生明显改变,0～20cm土层受外界条件影响较大,土壤水分变异系数较大,自然覆被由于覆盖的植被消耗表层水分,水分亏缺较大,平均含水量为稻草覆盖>裸地>自然覆被;20～80cm土壤水分变异减小,平均含水量稻草覆盖>自然覆被>裸地;120～160cm深土层中,自然覆被下土壤水分得不到补给,变异系数增大,稻草覆盖和裸地水分变化稳定,平均含水量稻草覆盖>裸地>自然覆被.     

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

干热河谷区不同坡位土壤水分对降雨的响应特征

研究干热河谷地区土壤水分在降雨过程中的短时动态变化,有助于揭示该地区的土壤水文功能。本研究选取贵州花江干热河谷作为研究区,运用原位监测法,获取不同坡位的高频土壤水分监测数据,分析土壤水分对降雨的短时动态响应特征。结果表明: 在整个监测期间,无论是坡上还是坡中,研究区各层土壤水分均为中等变异水平(15.2%≤变异系数CV≤29.7%),坡上土壤水分的波动幅度(CV=21.1%)大于坡中(CV=19.1%),0～5 cm土层(CV=26.2%)大于20～40 cm土层(CV=16.5%)。与坡中相比,坡上土壤水分对降雨的响应速度更快,降雨对土壤水分的补给量大、补给速率快;坡上的土壤水分补给速率与消退速率之差(2.3%·h^-1)大于坡中(1.8%·h^-1)。随土层深度增加,下层土壤水分对降雨的响应早于或同步于上层,降雨对土壤水分的补给量减少、补给速率减慢,土壤水分的消退速率也减慢。与坡中相比,坡上土壤水分入渗能力更强,保水能力更优。干热河谷的微观环境和小气候影响土壤水分对降雨的响应特征,而岩-土界面优先流的快速补给则会加快下层土壤水分对降雨的响应速度,使得该地区的坡面更容易形成混合产流机制。     

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.     

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.     

基于SWMM模型的城市排水区域降雨及地表产流特征

以上海市中心城区典型排水区域为研究对象,基于SWMM模型连续模拟2009—2011年降雨径流,分析区域235场降雨及地表径流特征.结果表明: 该区域发生频率较高的降雨具有雨量小、强度低的特点,雨量为0～10 mm、平均降雨强度为0～5 mm·h^-1、降雨峰值为0～10 mm·h^-1的降雨发生频率最大,分别占所有研究降雨场次的66.4%、88.8%和79.6%,这对于该区域应用低影响开发措施削减小雨量或低强度降雨下的径流和面源污染具有重要意义;径流量总体随着降雨量增大而增大,区域降雨产流临界值不仅与降雨量有关,还与平均降雨强度和降雨历时有关,2 mm以下的降雨基本不产流;2～4 mm的降雨如降雨强度在1.6 mm·h^-1以下,产流量不到1 mm,当降雨量在4 mm以上、平均降雨强度大于1.6 mm·h^-1时,区域基本产流.基于SWMM径流模拟结果,建立适合该区域的径流量与降雨因子的回归方程,其调整R²均大于0.97,能较好反映该区域径流量与降雨因子的关系.研究结果可为该区域更好地规划低影响开发措施和削减排水系统溢流污染提供计算基础,并为类似区域的径流研究提供参考.     

桂西北白云岩坡地典型土体构型石灰土水文特征

综合运用传统水文学、氢氧稳定同位素和原位模拟降雨等方法,研究了桂西北白云岩坡地典型土体构型石灰土微区(2 m×1.2 m)土壤水文功能.白云岩峰丛坡地沿坡向下表现出通体砂、上壤下砂、通体壤、上黏下砂4种典型石灰土土链格局,所有构型土体微区地表稳定入渗速率高达41～48 mm·h^-1,地表径流少,且表现为蓄满产流,壤中流和深层渗漏是重要水文过程;壤中流依据土壤发生层层次分为A、C层壤中流,对于A层壤中流,通体砂、上黏下砂以及上壤下砂构型土体微区以基质流为主,通体壤构型土体表现为优先流;对于C层壤中流,所有构型土体微区均表现为优先流特征.白云岩坡地土壤连续分布,虽土层浅薄但仍表现出沿坡向下的土链格局,不同土体构型土壤水文性质的差异主要体现在地表以下各界面产流过程,研究证实该区土壤水文功能的研究应具备三维立体视角,发展更加侧重地下水文过程观测和研究的新方法,才能全面揭示喀斯特坡地近地表水文过程.     

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。     

外源输入氮素在藓类生物土壤结皮中各氮组分的分配特征与归趋途径

针对黄土高原典型藓类生物结皮,以无结皮裸地为对照,通过野外原位同位素标记试验,在标记后1~30 d连续取样测定,示踪外源添加¹⁵N在生物结皮中各氮组分的分配特征,并分析¹⁵N在土壤-微生物-藓植株中的归趋途径,对比揭示生物结皮对土壤氮循环的影响。结果表明: 1)生物结皮的全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮中¹⁵N含量分别平均比裸地高2.9、17.5、9.0倍,且藓植株固定的¹⁵N含量高达4.73 mg·kg^-1。2)生物结皮的¹⁵N残留率平均为13.0%,其氮固持能力是裸地(3.3%)的4.0倍;生物结皮中各组分¹⁵N占全氮的比率依次为微生物生物量氮(54.3%)>藓植株氮(22.5%)>可溶性有机氮(6.2%),而裸地则为微生物生物量氮(11.5%)>可溶性有机氮(2.6%),显示生物结皮中微生物和藓植株的氮固持能力合计比裸地高65.3%。3)生物结皮中微生物生物量¹⁵N的转移量和库容量分别比裸地高17.2和20.5倍,但其周转率为每月5.8次,低于裸地的每月7.2次,其周转期是裸地的1.2倍。综上,与无结皮裸地相比,生物结皮具有更高的氮固持能力,同时能够改变土壤各氮组分的分配率,因此,在干旱生态系统土壤氮循环过程中具有重要作用。     

西南喀斯特白云岩坡地土壤-表层岩溶带结构及水文特征

表层岩溶带是喀斯特关键带的核心区域,具有重要的水文调蓄功能,但岩溶发育程度对表层岩溶带水文特征的影响还不明晰.本研究采用地球物理勘探和水文地质钻探技术,结合水分和水位动态监测,量化坡地岩溶发育和水文特征,解析土壤-表层岩溶带对降雨的响应规律.结果 表明:地球物理勘探可以较好地运用到岩溶区关键带结构的探测,坡地土壤和表层...     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。