晋西黄土区不同水文年土壤水分特征及其主要影响因子分析

【目的】晋西黄土区生态环境脆弱,土壤水分是制约植被生长的重要因子。为深入了解该区域土壤水分年际变化,明确制约该区域土壤储水量的关键因子,探讨晋西黄土区不同植被类型在生长季节内土壤含水量的变化。【方法】以定位观测法为主,对人工刺槐Robinia pseudoacacia林、天然三角槭Acer buergerianum林和野艾蒿Artemisia lavandulaefolia草地生长季(5−10月)内0~400 cm土壤含水量进行监测;在此基础上,根据含水量标准差对土壤进行活跃层划分,并通过生长季前后储水量的对比探究年际土壤储水量盈亏状况;测定了典型样地的土壤性质,并结合地形、不同水文年旱涝特征对土壤储水量的影响因子进行冗余分析。【结果】①人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地平均土壤含水量分别为8.36%~9.63%、10.01%~13.19%和15.43%~19.17%,野艾蒿草地表层土壤含水量显著高于人工刺槐林和天然三角槭林(P<0.05)。②天然三角槭林土壤水分活跃层最深可达180 cm,人工刺槐林和野艾蒿草地土壤水分活跃层较浅;中等湿润年土壤水分活跃层最深,严重干旱年土壤水分活跃层次之,平水年土壤水分活跃层最浅。③严重干旱年,人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地土壤水分亏缺土层深度分别为100~300、0~200和0~100 cm;平水年土壤水分的输入和输出达到平衡;中等湿润年0~200 cm土层水分得到不同程度补给,而200~400 cm土层的水分补给量接近于0。④不同深度土层土壤储水量受不同环境因子影响,其中植被类型和土壤容重是0~100 cm土层水分的主导因素,100~200 cm土层水分主要受容重和坡向控制,而不同水文年旱涝程度、土壤黏粒和粉粒含量是200~400 cm土层水分的主导因素。【结论】干旱水文年土壤水分亏缺严重,平水年及湿润年亏缺现象有所缓解,植被类型对土壤储水量影响最大。今后黄土高原地区的造林,不仅要考虑树种的耐旱能力,更应充分考虑地形、土质及生长季降水的分配情况带来的影响。

基于模糊综合评价与灰色关联分析的河流自然性评价

【目的】永定河是海河水系五大河之一,其自然性状况对北京地区居民饮水安全和海河流域水环境均有重要影响,基于“近自然”理念的河流自然性评价是保护和恢复河流自然状态的基础。【方法】以永定河北京山峡段为研究对象,从河流的水文要素、断面形态、水体理化性质、河岸带状况和社会生态价值5个方面,选取了25个定性、定量指标,构建了河流自然性评价指标体系。运用层次分析法与熵权法结合的组合赋权方式计算各指标在评价体系中的权重。用模糊综合评价法和灰色关联分析法分别对河流进行自然性评价和自然等级判定。【结果】模糊综合评价法和灰色关联分析法的评价结果总体一致,划分的21个调查河段中处于自然状态、近自然状态、退化状态和人工状态的河段分别占总河长的14.29%、28.57%、46.62%和9.52%,长度分别约为7.5、15.0、25.0和5.0 km。【结论】总体上,调查河段大部分处于退化状态,但仍具有潜在的近自然修复能力。采用的模糊综合评价法与灰色关联分析法均是可行的河流自然性评价方法。

不同处理下油松枯落物减流减沙效应试验研究

森林枯落物对坡面土壤侵蚀过程发挥着重要的调控作用,但其控制效应仍待明确。采用室内大型土槽及人工模拟降雨试验探讨油松枯落物的不同铺设方式对坡面产流产沙的影响,试验在4种雨强(30,60,90,120 mm/h)和油松枯落物的3种铺设方式(裸坡对照、枯落物直接铺设和枯落物隔网铺设)下进行,设置枯落物隔网铺设方式来研究枯落物降低雨滴动能减少击溅侵蚀作用,设置枯落物直接铺设方式来研究枯落物增大地表粗糙率阻滞拦截作用。结果表明:(1)枯落物存在使坡面初始产流时间延长2.3~5.5倍,且枯落物隔网铺设较直接铺设初始产流时间更长。(2)2种枯落物覆盖坡面与裸土坡面相比,枯落物减小坡面径流流速47.9%~62.3%,雨强越小,枯落物减弱径流流速作用越明显。(3)枯落物显著增加入渗并减小径流,在雨强较小时作用更加明显。(4)枯落物可减少径流泥沙75%以上,直接铺设减沙更加明显,这主要是由于枯落物增大地表糙度减小流速。研究结果为植被坡面土壤侵蚀模型建立提供一定理论基础,为面向水土流失防控的植被构建提供一定科学依据。

不同覆盖条件下坡面流水力学特征试验研究

【目的】坡面流水力学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理具有重要意义,本试验就不同覆盖条件下坡面的坡面流阻力及相关水力学特征进行了研究,探究不同覆盖条件下坡面流水力学特征,以期为指导水土保持坡面措施合理配置提供理论支持。【方法】试验使用自制定床冲刷水槽,选用不同覆盖度(0%、10%、15%、20%)砾石、草被床面,在不同流量(15~120 L/(min·m))、不同坡度(3°~15°)条件下进行室内定床冲刷试验。【结果】结果表明:(1)不同坡面上流速随着流量、坡度的增大而增大,且相同覆盖度下草被床面流速大于砾石床面流速,最高可达其2.2倍。(2)不同覆盖条件下弗劳德数(Fr)随着坡度的增大而增大,Darcy-weisbach阻力系数(f)随着覆盖度的增加而增加,相同覆盖度下砾石床面f大于草被床面,最高可分别为草被床面的10.9倍。(3)不同覆盖条件下坡面流阻力与流量呈线性正相关关系,相同覆盖度下砾石床面坡面流阻力大于草被床面,最高可达草被床面的2.2倍。(4)坡度与覆盖度对坡面流阻力均有显著影响,坡面流阻力随坡度的增大而增大,随着覆盖度的增大而增大,且呈较好的线性相关关系。【结论】本试验通过对不同覆盖条件下坡面流阻力的研究,可为建立基于径流动力学过程的山坡水文模型和侵蚀物理模型提供一定基础,为指导水土保持坡面措施合理配置提供理论支持。

华北土石山区草地过滤带布设方式对坡面产流产沙的影响

为治理华北土石山区坡耕地水土流失,提出坡面草地过滤带优化布设方式,以该区典型的土壤石灰岩母质发育的褐土为研究对象,在9°坡度、90 mm/h雨强条件下,利用室内人工降雨试验,分析草地过滤带的布设方式(坡下片状、坡下条状、坡上片状、坡上条状)对坡面侵蚀的影响。结果表明:(1)坡下条状布设方式可以有效延缓坡面初始产流时间,相比其他3种布设方式初始产流时间延长了1.3~1.6倍,且坡下条状布设方式可增加坡面径流入渗,减少产流量,在累计产流量上,坡下片状>坡上条状>坡上条状>坡下条状。(2)坡上布设方式下的累计产沙量是坡下布设方式的10~23倍,坡上布设方式的产沙率随时间变化波动明显,坡上布设方式下的产沙率是坡下布设方式的3~35倍,当在坡下布设草地过滤带时对泥沙的削减效益最优。(3)坡下布设可以抑制细沟侵蚀的发育,坡下条状布设方式可以有效控制细沟产生的数量和沟长,护坡效益最优。

雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响

为研究雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响,通过室内人工模拟降雨试验,以华北土石山区主要土壤类型黄土性褐土和石灰性褐土为研究对象,设计次降雨中平均降雨强度和降雨量相同的3种不同降雨类型(均匀型、增加型、减弱型对应的降雨强度组合分别为60,30~60~90,90~60~30 mm/h),分析不同雨型下华北土石山区坡面产流产沙的变化规律。结果表明:(1)不同雨型的产流时间与起始阶段降雨强度呈负相关,增加型降雨的坡面产流时间最长,且分别为均匀型和减弱型的1.98,4.15倍;减弱型降雨的总径流量和总侵蚀量最大,而均匀型降雨的最小,减弱型降雨的总径流量是均匀型和增加型降雨的1.05~1.12倍,总侵蚀量分别是增加型和均匀型的1.22,1.78倍。(2)在不同雨型下,同一降雨强度出现在不同降雨阶段,使得坡面产流产沙的过程不同。(3)同一降雨强度出现在雨型起始阶段的径流量和贡献率与结束阶段相比偏小。次降雨起始阶段的强度为30 mm/h时,黄土性褐土的侵蚀量和贡献率大于其在结束阶段的侵蚀量和贡献率,而石灰性褐土与之相反。