黄土高原50余年来降雨侵蚀力变化及其对土壤侵蚀的影响

采用Mann-Kendall非参数检验法和累积量斜率变化率分析等方法,分析了黄土高原1960—2011年降雨侵蚀力变化及其对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)黄土高原年均降雨侵蚀力呈显著下降趋势,平均年下降速率为3.64MJ·mm/(hm^2·h·a);(2)年降雨侵蚀力在空间上呈现"大者变小,小者变大"的变化趋势,以400mm等降雨线为分界线;(3)降雨侵蚀力变化不是影响河流输沙变化的主导因素,渭河、泾河、北洛河、延河、无定河和汾河的贡献率分别为1.54%,0.11%,10.87%,16.47%,5.71%;(4)不同流域降雨侵蚀力对土壤侵蚀作用程度不同,主要支流侵蚀产沙率泾河>无定河>渭河>延河>北洛河>汾河。降雨侵蚀力的分布特征和变化趋势,结合不同流域侵蚀产沙率,可作为评价流域内气候变化对土壤侵蚀作用的指标。

我国土壤侵蚀科学研究回顾和展望

本文回顾了我国土壤侵蚀科学研究的历史,基于对我国土壤侵蚀科学研究面临的机遇与挑战分析,提出了今后我国土壤侵蚀研究应加强的研究领域,包括土壤侵蚀过程与机理,土壤侵蚀预报模型,土壤侵蚀环境效应评价,侵蚀灾害预警,重大工程及全球变化对侵蚀环境影响和土壤侵蚀研究新技术与方法。

黄土高原南部水平梯田的土壤水分特征分析

以淳化试区的水平梯田为系统研究对象,休闲坡地为对照,对其剖面土壤水分变化进行动态监测。发现由于作物对梯田土壤水分的吸收利用,以及蒸发散的原因,导致水平梯田的土壤贮水量比休闲坡地小。梯田土壤水分季节变化分为蓄墒期、快速失墒期、补充期和缓慢消耗失墒期4个时期,其剖面分为剧变、活跃、相对稳定4个层次。降水、地形地貌部位、土地利用方式以及梯田宽度与种植年限均对土壤含水量有着不同程度的影响。观测期间,除在梯田表层土壤含水量出现低于有效水的现象外,其它层次都在有效水范围内,无论在丰水、枯水年,梯田土壤中的有效水或中效、易效水都可以满足作物的生长和非生长耗水的需求。

基于^7Be示踪和细沟沟网分形维数研究坡面土壤侵蚀

本文试图结合7Be示踪和分形理论定量化描述降雨对坡面的侵蚀过程。7Be示踪结果显示,降雨初期,坡面细沟间侵蚀贡献率高,细沟侵蚀贡献率低,随着降雨的进行,细沟间侵蚀贡献率降低,而细沟侵蚀贡献率增大并处优势,在降雨后期,细沟间侵蚀贡献率又有增大的趋势。整个降雨过程坡面细沟沟网分形维数整体呈增大趋势,在细沟发育中前期增加快,后期增加变缓,中间有波动。细沟沟网分形维数与总侵蚀量和细沟侵蚀量均呈正相关,分维变与相对应总侵蚀量和细沟侵蚀量也均呈正相关,但与细沟侵蚀量的相关性最好,说明细沟沟网分形维数可表征细沟发育过程和坡面侵蚀强度的变化。

黄土高原作物生长模型DSSAT3数据库组建

介绍了 DSSAT3模型的结构与功能 ,组建了黄土高原地区 DSSAT3模型气象、土壤和作物品种参数数据库 ,包含了 2 8个气象台站逐日气象资料数据、6 0种主要农耕土壤土种特性数据和 7种作物 1 3 6个品种的遗传特性数据 ,覆盖了黄土高原不同生态类型区。还特别介绍了 CERES-小麦和 CERES-玉米模型品种遗传特性参数的确定方法与取值范围 。

变雨强对黄土坡地水土养分流失机制研究

通过人工降雨装置模拟了一次降雨事件中3种雨强变化(100,130,160mm/h)对黄土坡地径流、泥沙及养分含量变化的影响。结果表明:(1)降雨过程中,雨强的变化是影响地表产流的重要因素,雨强由大到小降低的产流量明显高于雨强由小到大渐增的产流量;(2)径流产沙过程中,雨强由小到大渐增的降雨产流携沙量最多,对坡面土壤侵蚀最严重;(3)变雨强对养分流失影响与径流相似,雨强由大到小降低的降雨养分流失累计量高于另外2种降雨,表明初期雨强较大的降雨对于坡地养分流失最严重。

^7Be示踪法估算土壤侵蚀速率模型计算结果比较

在总结现有7Be示踪法估算土壤侵蚀速率模型的基础上,通过坡耕地径流小区野外模拟降雨实测侵蚀资料,比较了Walling、杨明义和Wilson等所建的利用7Be示踪法估算土壤侵蚀速率模型的计算结果,并验证各模型的准确度。结果表明,对于不发生细沟侵蚀的小区,3个模型的计算值都有较高的准确度,但Wilson模型相对其它两个模型计算结果误差较大;对于发生细沟侵蚀的小区,Walling模型和杨明义模型估算坡面细沟间侵蚀量的绝对差值较小,但大于不发生细沟侵蚀小区的绝对差值;Wilson模型能够比较准确计算坡面的总侵蚀量,与实测值相比较,相对误差为3.59%～14.47%,不发生细沟侵蚀的小区相对误差大于发生细沟侵蚀的小区。随着侵蚀强度的增大,3个模型计算结果的准确度呈降低趋势。

黄土坡耕地地表糙度的空间异质性研究

【目的】探讨微尺度下(2 cm×2 cm)地表糙度在侵蚀过程中的空间异质性规律,为进一步理解和定量化描述地表糙度与土壤侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土高原坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。【方法】以黄土高原不同耕作措施条件下(4种常见的农业耕作措施:人工锄耕、人工掏挖、等高耕作、直线坡(对照)的坡耕地为研究对象,通过室内人工模拟降雨实验,利用激光扫描仪获取地表糙度数据,运用地统计学和分形维数方法对地表糙度的空间分布特征及变异性进行研究。【结果】基本统计特征分析表明,黄土坡耕地地表糙度在整体上的分布较均匀,具有较弱的空间变异特征。半方差函数分析表明,黄土坡耕地地表糙度均表现出中等以上的空间自相关性,其空间自相关尺度范围为2.02—3.82 m。由空间结构特征引起的异质性占总异质性的比例较大。分形维数分析表明,黄土坡耕地地表糙度具有良好的分形性质,其分形维数介于1.59和1.91之间;随坡度的增大,各坡面地表糙度的空间分布趋向复杂,空间异质性增强;人工锄耕、人工掏挖、等高耕作坡面的空间异质性在小尺度范围内依次增强,具有良好的水土保持作用。【结论】造成地表糙度空间异质性差异的主要原因是由人为耕作和坡度所形成的空间结构特征。地表糙度的空间配置格局在小尺度范围上由人为耕作和坡度、在大尺度范围上由降雨及其侵蚀过程所控制。该研究结果可为进一步理解地表糙度与侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土坡耕地的水土流失防治提供一定的科学依据。

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。

基于M-DEM的黄土人工锄耕坡面水系分维特征研究

该文旨在微观尺度上对地表微地形水系形成过程及其几何分形特征进行研究与分析,为研究坡面流水侵蚀过程及其防治提供科学依据。通过构建90mm/h雨强、15°坡度下不同水蚀阶段(雨前—溅蚀—片蚀—细沟侵蚀)黄土人工锄耕坡面微地形数字高程模型,设置不同集水面积阈值提取微地形水系,并基于格网法计算相应的水系分维值。结果表明:(1)分形理论用于研究微地形水系及其形成过程具有可行性;(2)降雨前、溅蚀、片蚀和细沟侵蚀阶段的最适集水面积阈值分别为15,20,25,30cm2,对应的最佳分维值分别为1.067,1.088,1.068,1.079;(3)人工锄耕坡面在各侵蚀阶段均处于侵蚀发育的幼年期。该研究不仅为微观层面研究黄土耕作坡面水系分维提供方法指导,也可为进一步揭示土壤侵蚀机理提供数据支持。

不同农业利用条件对黄土胶结物质组成与团聚特征的影响

以陕西安塞自然植被土壤和农田土壤(包括施有机肥、施无机肥、不施肥对照)为研究对象,通过分析各粒级团粒中有机质和碳酸钙的分布特征及去除胶结物质前后的粒度组成,探讨不同农业利用条件对黄土团聚特征的影响。结果表明:不同利用方式下的土壤均以粒径>0.05 mm(45%~65%)和粒径0.002~0.05 mm(30%~45%)的团粒为主;相对于自然土壤,农业活动对粗粒级团粒中碳酸钙的溶解再沉淀过程具有促进作用,增加粒径<0.002mm次生碳酸钙含量;不施肥和施用无机肥显著降低粒径<0.002 mm团粒的有机质含量,而施用有机肥显著增加粒径>0.05mm和粒径<0.002mm团粒的有机质含量,有利于大团聚体(250~1 000μm)的形成;逐步去除胶结物质过程中,不同利用方式的土壤团粒逐渐破碎,粒度分布曲线和累计曲线均向左不同程度推移。不同利用方式的土壤中碳酸钙和有机质均对土壤颗粒产生胶结作用,且施用有机肥的土壤中碳酸盐和有机质的胶结团聚作用最强。

黄土沟壑区小流域不同地形条件下土壤锰的形态分布及其有效性

黄土高原复杂的地形条件因改变了土壤的基本性质而成为影响土壤锰素有效性的主要原因,本文研究了黄土沟壑区不同地形条件对锰的形态分布及其有效性的影响。结果表明,研究区土壤有效锰的含量因地形条件不同差异很大,有效锰在土壤剖面呈下降趋势,在塬面土壤含量最高,沟道土壤含量最低。交换态锰在塬面、梯田土壤含量较低,在坡地和沟道土氧化物结合态锰的含量显著低于沟道土壤;矿物态锰以塬面土壤最低,沟道和梯田土壤较高,坡地土壤居中。土壤交换态锰是有效锰的直接来源,但因其含量低而对锰的有效性贡献很小;有机结合态锰是有效锰的潜在来源,对锰的有效性贡献最大。

坡沟产沙关系及其侵蚀机理研究进展

坡沟系统侵蚀过程及其机理研究是当前土壤侵蚀过程研究的热点和难点所在。回顾了对坡沟侵蚀形态垂直分带、坡沟侵蚀产沙特征、上方来水来沙对土壤侵蚀过程的影响、坡沟侵蚀水力学机理以及坡沟侵蚀动力学机制的研究进展。分析了研究中存在的问题,提出了有待于进一步开展的研究工作。

农业污染物在多孔介质中迁移的研究进展

为有效地预测和控制农业污染物对土壤及地下水资源的污染 ,需要建立相应的数学模型。在数学模型的应用中 ,模型参数的确定是关键。本文简要回顾了农业污染物在多孔介质迁移模型研究的进展 ,指出了各自的适用条件及存在的问题。

间歇性降雨对黄土坡地水土养分流失的影响

坡面水土养分流失是研究农业非点源污染方面的核心问题,涉及土壤侵蚀、坡地水文和环境治理等方面的内容。以黄土坡地为研究对象,利用人工降雨模拟试验,分析间歇降雨时坡地产流-入渗-土壤侵蚀过程,以及通过预先在坡地喷施养分(NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P),研究间歇降雨时坡面水土流失以及土壤溶质的迁移规律。试验采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨,对试验坡地间歇性进行3次降雨,雨强恒为100mm/h,每次降雨历时60min,降雨间隔时间60min。结果表明:(1)3次降雨的初始含水率不同,但产流规律相似,降雨径流率均为先增大后趋于平稳。(2)3次降雨产生的泥沙累积量分别为250.91,100.20,79.76g,第1次降雨的泥沙量远高于第2,3次。泥沙率先迅速增大到峰值然后缓慢减少,平均泥沙率随降雨次数的增多而递减。(3)对于非吸附性的NO_3^-、NH_4^+,3场降雨过程中溶质浓度均呈现由高降低并逐渐平稳的变化趋势;PO_4^(3-)-P浓度的变化规律却略显不同,降雨初期溶质浓度先短暂升高,然后再由高降低并逐渐平稳。(4)3次降雨的NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P的径流总流失量分别为535.33,1 058.18,400.79mg,其中NO_3^--N流失量最多,PO_4^(3-)-P流失量最少。随着降雨次数的增加,不同降雨次数下的NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P径流流失量均逐渐减少,流失量较前次降雨分别降低了19%,14%、3%,62%和57%,28.3%。因此,通过对间歇性降雨条件下黄土坡地水土溶质迁移特征的研究,对揭示降雨-径流-土壤相互作用过程和土壤养分迁移机理具有重要意义。

膜下滴灌水盐运移影响因素研究

通过室内盐碱土入渗模拟试验 ,探求了膜下滴灌滴头流量、灌水量、土壤初始含水量、土壤初始含盐量等因素对土壤水盐运移的影响。研究结果表明 :滴头流量的增加 ,地表积水范围增大 ,湿润体垂直距离减小 ,滴头附近的含水量增加 ,不利于作物正常生长的淡化区的形成 ;灌水量的增加使得湿润体的范围增加 ,同时有利于作物正常生长的淡化区的形成 ;土壤初始含水量增加 ,湿润体范围增大 ,滴头附近的含水量增加 ,但不利于作物正常生长的淡化区的形成和超过作物耐盐度的淡化区的发展 ;土壤初始含盐量的增加使得达标脱盐系数减小。这对合理利用膜下滴灌技术体系开发盐碱地提供一定的指导 ,有利于为滴灌系统的设计提供更合理的技术参数和进行膜下滴灌条件下的盐分管理。

冻融作用对坡面侵蚀过程的影响

为了探究降雨条件下冻融作用对坡面土壤侵蚀的影响,利用室内人工模拟降雨试验研究了未冻融及冻融2种条件下,冻融前后土壤物理性质、产流、产沙和颗粒分选过程。结果表明:经过冻融作用后,土壤含水量增加了14.86%,土壤容重降低了4.13%,孔隙度增大了3.05%;相比于未冻融坡面,冻融坡面产流时间延迟了30.18%,产流后前4min内冻融坡面的产流率减小了16.69%,坡面入渗率表现为冻融坡面>未冻融坡面,冻融坡面稳渗率为未冻融坡面2倍;冻融坡面的侵蚀速率波动较剧烈,在产沙后前21min内,冻融坡面侵蚀的速率大于未冻融坡面,冻融坡面的泥沙流失量比未冻融坡面增加了4.67%;2种试验条件下坡面侵蚀过程中溅蚀颗粒、冲刷泥沙颗粒与土壤本底物颗粒的平均重量直径(MWD)相比,表现为溅蚀颗粒>本底物颗粒>冲刷泥沙颗粒。经t检验,2种试验条件下坡面侵蚀过程中溅蚀分别与本底物颗粒、冲刷泥沙颗粒MWD之间均表现为极显著性差异(p<0.01)。经ANOVA检验,冻融作用对坡面侵蚀过程中冲刷泥沙颗粒MWD表现为极显著性影响(p<0.01)。

羧甲基纤维素钠对土壤团粒结构及水分运动特性的影响

土壤改良剂的应用研究对改善土壤环境,促进作物生长有着重要意义。该文通过向土壤中添加不同质量的羧甲基纤维素钠(sodium carboxyl methyl cellulose,简称CMC),研究了不同含量的CMC对土壤团粒结构及水分运动的影响。结果表明:随着CMC含量的增大,土壤水稳性团聚体含量增大,土壤分形维数减小,土壤黏粒和粉粒比例减少,砂粒比例增多,黏粒和粉粒均与土壤分形维数呈正相关关系,砂粒与分形维数呈负相关关系,黏粒含量对土壤分形维数影响最为显著,土壤中<0.1 mm的颗粒含量减少,而≥0.1 mm的颗粒含量均有不同程度的增加;随CMC含量的增大,土壤的入渗能力减弱,稳定入渗率显著减小,Philip公式中吸渗率减小,Kostiakov公式中的经验系数减小,经验指数增大;随着CMC含量的增大,土壤的持水能力增强,van Genuchten公式中土壤滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关的系数均有所增大,形状系数逐渐减小。该研究对可为CMC的田间土壤改良应用提供理论依据。

WEPP模型坡面版在黄土丘陵沟壑区的适用性评价——以坡长因子为例

利用安塞试验站1985—1992年的气象观测数据和野外坡长径流小区径流量和土壤侵蚀量监测资料,评价了WEPP模型在黄土丘陵沟壑区不同坡长条件下的适用性。结果表明,在10,20,30和40m这4个坡长条件下,WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均径流量的模拟结果略差;而WEPP模型对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟结果较好,无论是模拟值在不同坡长之间的差值,还是模拟值随坡长变化趋势均与实测值接近。WEPP模型对次降雨和年平均径流量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.915和0.879;对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.853和0.758。WEPP对多年平均径流量和侵蚀量的模拟效果可满足要求。I30对WEPP模型模拟次降雨径流量有重要影响,当I30大于0.92mm/min,模型模拟误差较大。WEPP模型对次降雨土壤侵蚀量的模拟与PI30密切相关,当PI30大于129mm2/min时,模型模拟误差较大。∑PI30对WEPP模型模拟年平均径流量和侵蚀量有重要影响,当∑PI30大于150mm2/min时,模拟精度明显下降,且∑PI30对径流模拟的影响明显大于对土壤侵蚀模拟的影响。