基于REE示踪对红壤细沟间侵蚀团聚体周转和泥沙迁移特征的研究

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,土壤表层团聚体的粒径分布变化对土壤结构和侵蚀过程发育具有重要意义。为探究细沟间侵蚀过程中土壤团聚体周转和泥沙迁移路径过程,本研究基于微型土槽,设置90 mm·h-1雨强,10°坡度的条件,进行室内模拟降雨试验。利用稀土元素示踪技术标记土壤团聚体,通过ICP-MS测定稀土元素浓度,对不同粒径土壤团聚体(5~2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm、<0.053 mm)的破碎和形成过程进行定量分析,同时量化侵蚀泥沙的来源特征。结果表明,细沟间侵蚀过程中,侵蚀泥沙颗粒主要由同等粒径大小的团聚体受径流搬运形成,且该粒径泥沙含量随降雨时间增加而减少;残留团聚体呈明显的周转过程,<0.25 mm的团聚体更易粘结或吸附至大粒径团聚体上,而>0.25 mm团聚体倾向于发生破碎(破碎率分别为45.8%和43.3%),且破碎程度不断增加;<0.053 mm和2~0.25 mm大小的泥沙含量及相应粒径的团聚体在泥沙中的贡献率对径流系数和泥沙粒径分形维数具有重要作用。所以,细沟间侵蚀过程中土壤表土结构变化、泥沙迁移与团聚体粒径密切相关,该成果进一步为土壤侵蚀过程模型和水土保持措施提供理论依据。

片蚀与细沟间侵蚀过程中地表微地形的变化

采用室内人工模拟降雨和地统计分析相结合的方法,对4种人为管理措施地表微地形在片蚀和细沟间侵蚀过程中的变化特征进行了研究。结果表明,不同雨强下,各管理措施坡面地表微地形表现出了一定程度的不规则性。不同雨强和管理措施条件下,各等级的高程在片蚀阶段和细沟间侵蚀阶段都发生了相互转移;其中第Ⅰ级和第Ⅱ级转移出最多,且在细沟间侵蚀阶段后也只有很少部分转移至第Ⅰ级、第Ⅱ级;第Ⅲ级地表高程转移最少,且有大部分的其他等级的高程转入第Ⅲ级,这两个侵蚀阶段在0～0.01 m和0.01～0.03 m区域最易发生土壤堆积。

^7Be示踪坡耕地次降雨细沟与细沟间侵蚀

对于坡面细沟与细沟间侵蚀过程的了解是建立侵蚀预报模型的基础,但传统方法难以对其进行深入研究。利用7Be示踪技术并结合人工模拟降雨,考虑坡脚沉积作用,研究了25°坡耕地径流小区次降雨过程中细沟与细沟间侵蚀动态。结果表明:根据流出径流小区泥沙7Be含量变化计算坡面明显细沟出现时间,由于坡脚沉积作用使得A、B两试验小区这一时间比实际细沟出现分别延迟了45min和11min;根据坡面-侵蚀泥沙中7Be总量守恒和泥沙质量平衡原理,坡面细沟间侵蚀及细沟侵蚀在坡面总侵蚀、坡脚沉积区泥沙及流出径流小区泥沙中的比例被定量区分开;总体上,细沟间侵蚀量在径流泥沙中的比例逐渐减少,而细沟侵蚀量逐渐增加。两试验小区中7Be示踪计算坡面细沟侵蚀量和坡脚沉积量与实测值相比相对误差均较小,因此7Be示踪技术可以对土壤侵蚀进行较为准确地定量研究。

细沟间侵蚀影响因子交互作用定量分析

细沟间侵蚀是多种影响因子共同作用形成的复杂过程,不同因子的作用依赖于其他因子的变化而变化。利用前人已发表数据,基于多元线性回归分析,定量分析土壤类型、雨强、坡度和坡长对坡面细沟间侵蚀过程影响及因子间交互作用效应。结果表明:雨强、坡度、细沟间可蚀性及坡长对细沟间侵蚀率的影响具有正向效应,雨强对细沟间侵蚀率的贡献最大(62.93%)。因子间交互作用分析表明,坡长的增加对坡度因子的贡献具有促进作用,对雨强因子的贡献具有抑制作用;坡度增加对坡长因子的贡献具有先促进后抑制的作用,对雨强因子的贡献则相反,20%为坡度对坡长和雨强交互作用方向变化的拐点;雨强增加对坡长因子和坡度因子具有正向交互作用,但是与坡长相比,坡度对雨强的依赖性更强。

自然降雨雨型变化对坡面细沟间侵蚀的影响

通过野外微小区原位观测试验,基于降雨过程中降雨的集中时段对2017—2021年34次侵蚀性降雨雨型进行划分,系统分析雨型变化对黄土坡面细沟间侵蚀的影响及坡度效应。结果表明:研究区以前期型降雨为主,占总场次的52%,中期型和后期型降雨各占24%。中期型降雨对总产流量的贡献(25.56%±3.83%)显著低于前期型(36.70%±2.07%)和后期型(37.74%±4.01%)(p<0.05)。不同雨型场均径流量依次为后期型>中期型>前期型,后期型和中期型降雨显著高于前期型。而降雨的场均产沙量则表现为后期型>前期型>中期型,且后期型降雨显著高于中期型(p<0.05)。雨型对细沟间侵蚀影响的坡度效应变化不明显,但随着坡度增大,后期型降雨的场均径流量和产沙量均大于前期型和中期型,说明后期型降雨的产流产沙对坡度变化相对较为敏感。次降雨径流量、坡度和降雨参数组合与次降雨产沙非线性拟合中,方程决定系数后期型(0.939~0.942)>中期型(0.776~0.845)>前期型(0.220~0.537),说明区分雨型模拟可提高模拟精度。

黄土坡面细沟间和细沟侵蚀对有机碳流失贡献的定量分析

细沟间和细沟侵蚀剥离和输移土壤的机制不同导致有机碳输移存在差异,然而因研究手段限制,这两种侵蚀方式对有机碳输移的贡献、影响等研究有待深入。本文利用模拟降雨与7Be示踪技术,在定量化分析细沟间和细沟侵蚀对黄土坡面侵蚀产沙贡献的基础上,进一步分析其对有机碳输移的贡献及影响。结果表明5°小区以细沟间侵蚀为主,其产沙贡献率为86%,大于5°的小区以细沟侵蚀为主,其产沙贡献率介于61%~71%之间,在降雨过程中甚至可达96%。降雨过程中坡面侵蚀泥沙有机碳平均富集比为1.16±0.15,细沟间侵蚀泥沙有机碳平均富集比为1.50±0.50,富集可导致有机碳流失率增加0.008~0.028 g·m^(–2)·min^(–1)。坡度大于5°的小区细沟侵蚀对有机碳流失贡献率介于55%~62%之间,低于对侵蚀产沙的贡献,但仍占主导地位。坡面侵蚀产沙量可解释有机碳流失量变化的97%,细沟间侵蚀产沙可解释细沟间有机碳流失量变化的89%。侵蚀过程中剧烈的细沟侵蚀可导致细沟间侵蚀泥沙有机碳的富集比增大。

不同降雨条件下土质开挖坡面的细沟间侵蚀特征

土质开挖坡面的细沟间侵蚀受降雨影响较大,因此,为了更加科学地治理土质开挖坡面水土流失问题,本研究开展野外人工模拟降雨试验,设计了0.60、1.10、1.61、2.12、2.54 mm·min^(-1)这5个不同雨强以及10°、15°、20°等3个坡度的原位试验,研究其在不同降雨条件下的侵蚀特性。结果表明:(1)土质开挖坡面以地表径流为主要的水文过程,地表径流量占总降雨量的67.2%~85.4%;(2)径流流速和雷诺数与雨强和坡度-雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(P<0.01),曼宁系数、阻力系数和水流功率与雨强均不相关,弗劳德数与雨强、坡度及其交互作用均不相关,各坡度开挖坡面雷诺数为48.98~392.92,阻力系数与雷诺数之间不存在明显关系,土质开挖坡面存在“增阻”现象;(3)采用3种常用的细沟间侵蚀模型计算土质开挖坡面土壤剥蚀率,数据拟合效果表明,模型1>模型3>模型2,且凸曲线型坡度因子指标更适用于土质开挖坡面土壤剥蚀率的计算。根据WEPP细沟间侵蚀方程(模型1)计算得到土质开挖坡面土壤可蚀性因子为0.332×10^(6) kg·s·m^(-4)。研究成果可为建立土质开挖坡面水土流失量预测模型提供数据基础。

陡坡的细沟间侵蚀与径流

本文测定了504mm×504mm土盒中扰动Hagerstown粉砂粘壤土的细沟间侵蚀和径流,试验持续降雨20min,雨强为92mm/h,坡度为5%~85%。稳定状态下的土壤流失量(径流中的土壤悬移质)随坡度的增加而增加,5%坡侵蚀率为3.34g/m^2·min,85%坡增到22.47g/m^2·min。随坡度的增加土壤溅蚀的变化为:坡面下部增加,坡面上部减小,侧面稍有增加。土壤溅蚀总量(坡顶+坡底)与净坡底溅蚀量(坡顶-坡底)也随坡度的增加而增加。85%坡净土壤溅蚀达3.5g/m^2·min,85%的坡面上99%的土壤溅蚀运动到坡底。15%~85%坡面的稳定径流率没有区别,其平均径流率为66.5mm/h。单位面积的冲蚀和溅蚀总量同坡度呈线性关系。比较了实测的冲蚀和溅蚀总量与WEPP模型的估算值,结果表明坡度大于30%时实测值要大于WEPP模型的预测值(85%时要大1倍)。

细沟与细沟间侵蚀的发生形态研究进展

细沟和细沟间侵蚀是水力侵蚀的主要过程,其发生和发育过程会导致坡面土壤和养分流失,严重危害农业生产和生态环境,对坡面地形地貌的形成和发育具有重要影响。本文旨在总结细沟与细沟间侵蚀研究已取得的研究成果,掌握其发展动态,为明确细沟侵蚀的形成机制、开发更加精确的预测预报模型和制定合理的防治方案提供借鉴和指导。

人工模拟降雨下细沟与细沟间流速的沿程分布

径流流速不仅是坡面径流的重要水动力学特性，而且是计算其他水力特性及侵蚀产沙的重要参数，本文目的在于研究坡面细沟流和细沟间薄层水流流速沿坡面的变化过程，比较细沟和细沟间径流流速的差别。实验选取1m、2．5m、4m、5．5m、7m、8．5m和10m共7个坡长的小区（均为5。），装填粉壤土，采用历时2h、总雨量121mm的变雨强人工模拟降雨，在固定的降雨时段用染色法测量不同坡段细沟和细沟间的径流流速，每个坡长进行干、湿运行降雨各1场，两者间隔24h。结果表明：（1）在各坡长上，细沟间薄层水流流速小于相应坡段细沟内的径流速度，细沟间流速变化于0．03～0．1m／s，而细沟内流速的变化范围为0．15～0．45m／s，整个坡面平均细沟流速是细沟间流速的2～4倍。（2）细沟和细沟间流速是距坡顶距离L的幂函数，对于细沟流速，L的指数为0．409～0．420，对于细沟间流速，L的指数为0．175～0．218。（3）平均来说，各坡长细沟流速为湿运行大于干运行，且随着距坡顶距离增加，湿运行细沟流速增加较快；而细沟间流速正好相反。本文揭示了细沟和细沟间流速沿坡面变化的基本特征及其差异，有助于深入认识细沟、细沟间侵蚀机理的差异。

含碎石紫色土坡面降雨入渗和产流产沙过程

在室内土槽模拟降雨试验基础上，观测了具有不同碎石体积含量紫色土的降雨人渗地表产流产沙量以及细沟间径流和细沟径流的流速，以期建立碎石含量与土壤流失的定量关系。研究结果表明：土壤中碎石混合对降雨人渗有正负两方面的影响，当碎石含量为20％～30％时，碎石的存在增强土壤入渗能力，当碎石含量提高到30％时，土壤的入渗能力被削弱。土壤中碎石混合通过不同的作用机制对坡面细沟间径流流速和细沟径流流速产生不同的影响，随着碎石含量的增加，细沟间径流平均流速逐渐增加，细沟径流的平均流速逐渐降低。土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构，增强土壤的抗蚀性和抗冲性，随着碎石含量的增加，径流含沙率和土壤流失量显著降低，土壤流失比与碎石含量呈极显著指数负相关关系。

东北典型黑土区剖面粒径分布特征及其可蚀性研究

为了更好的了解黑土区土壤剖面粒径分布以及可蚀性因子特征,本研究以东北典型黑土区鹤北流域为研究区,利用沉降法对不同土地利用方式下土层表面至母质的土壤样品进行粒径分布规律研究,并基于粒径及有机碳分布特征,计算了土样的可蚀性K值,最后对土壤可蚀因子K与WEPP模型中土壤的细沟间侵蚀因子(Inter- rill Erodibility)K_i、细沟侵蚀因子(Rill Erodibility)K_r和临界剪切力因子(Critical Shear)Tc进行相关分析。结果表明:(1)不同剖面下土壤粘粒含量逐层变化不大。而粉粒含量呈现出随土层深度增加而含量减少,砂粒呈现出随土层深度增加而含量增大;(2)除人工林外,其余6个剖面土壤可蚀性因子K值均表现出随土层深度增加而含量增大的趋势;(3)对农地剖面土样分析发现,可蚀性因子K值与细沟侵蚀因子K_r呈极显著正相关,与临界剪切力因子Tc呈极显著负相关,而与细沟间侵蚀因子K_i的正相关性略有降低。

短坡条件下侵蚀产沙与坡长的关系

采用变雨强人工模拟降雨,选择1~10 m共7个坡长,在5°条件下研究了侵蚀产沙量及其过程与坡长的关系,每个坡长进行干运行和湿运行降雨。结果表明：（1）干运行降雨40~80 min,虽然雨强逐渐减小,但4 m及以上坡长小区的径流含沙量保持较高的水平并出现跳跃,而1 m和2.5 m的小区的径流含沙量在整个降雨过程中较平滑;湿运行含沙量总体上小于干运行,且波动幅度较干运行小。（2）2 h降雨平均含沙量随着坡长的增加而增加,可用二次多项式、幂函数及直线来拟合。（3）侵蚀模数与坡长呈幂函数关系,细沟间和细沟侵蚀模数的坡长指数分别为0.101~0.240和0.757~1.609,表明随着坡长增加,细沟间侵蚀增加较小,而细沟侵蚀增加迅速;干运行的坡长指数均大于湿运行的波长指数。

模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究

为科学治理工程开挖坡面水土流失问题,采用野外人工模拟降雨试验,设计了5种雨强(30,60,90,120,150 mm/h)和3种坡度(10°,20°,30°),系统分析了不同情景下雨强、坡度、径流率、径流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:工程开挖坡面剥蚀率Di与坡度S相关性不显著(p> 0.05),与雨强I、坡度和雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(p <0.01);采用3种常用的细沟间侵蚀模型来计算工程开挖坡面土壤剥蚀率,就拟合效果而言,幂函数型坡度因子指标更适用于工程开挖坡面土壤剥蚀率的计算;采用径流流速、水流剪切力和水流功率为代表的水动力学参数来计算土壤剥蚀率,就拟合效果而言,水流功率是描述其细沟间侵蚀动力过程的最理想水力参数。研究成果可为建立工程开挖坡面水土流失量预测模型提供技术参数和依据。

土壤可蚀性在WEPP模型中的应用

影响土壤侵蚀过程的关键因素是侵蚀力和土壤可蚀性。土壤可蚀性是定量计算土壤流失的重要指标和土壤侵蚀预报模型中的必要参数。WEPP是由美国农业部开发的新一代水蚀预测模型 ,该模型以土壤可蚀性为必要参数 ,并将其分解为细沟间可蚀性 (Ki)、细沟可蚀性 (Kr)和临界剪切力 (τc)

美国有关覆盖作物对水土流失影响的研究

在美国衣阿华大豆地中种植的燕麦、黑麦具有较强的减蚀作用。 1995～ 1997年 8月T C Kaspar等人在一块免耕的大豆地中种植了燕麦和黑麦 ,1996～ 1998年 4月在降雨强度为 12 5mm h的人工降雨后对该坡地的入渗、径流、细沟间侵蚀和细沟侵蚀进行了测定。为区分覆盖作物和车痕对土壤特性和入渗的影响 ,及其二者之间的关系 ,在覆盖作物种植前 ,在有无车痕的垄沟内进行了同样的测定。试验结果表明 :1996年覆盖作物对入渗、侵蚀没有影响 ;1997年燕麦和黑麦都减少了细沟间侵蚀 ,但是在 1998年只有黑麦增加入渗 ,并且减少了细沟间侵蚀和径流。无车痕与有车痕的垄沟相比具有较少的细沟间侵蚀、径流和较大的入渗。 1997年和 1998年燕麦和黑麦都减少了细沟侵蚀 。

福建省LS因子赋值方法的适用性分析

为分析福建省LS赋值方法的区域适宜性,提高福建省水土流失的估算精度,本文利用福建省实测数据、南方红壤区多种母岩(花岗岩、第四纪红黏土、泥质页岩)下的细沟侵蚀与细沟间侵蚀数据及相关参照值,对Wischmeier、McCool、刘宝元、陈明华等坡度坡长赋值算法的估算结果与参照值间的关系进行讨论。结果表明通过福建省实测值比值的方式,刘宝元算法具有较好的拟合效果。在南方红壤区的多种母岩条件下福建省细沟与细沟间侵蚀比率低,综合考虑细沟与细沟间侵蚀比率低、坡度陡及福建省实测数据和降雨情况,认为刘宝元算法对福建省具有更为普遍的适用性。