Soil surface roughness change and its effect on runoff and erosion on the Loess Plateau of China

As an important parameter in the soil erosion model, soil surface roughness（SSR） is used to quantitatively describe the micro-relief on agricultural land. SSR has been extensively studied both experimentally and theoretically; however, no studies have focused on understanding SSR on the Loess Plateau of China. This study investigated changes in SSR for three different tillage practices on the Loess Plateau of China and the effects of SSR on runoff and erosion yield during simulated rainfall. The tillage practices used were zero tillage（ZT）, shallow hoeing（SH） and contour ploughing（CP）. Two rainfall intensities were applied, and three stages of water erosion processes（splash erosion（I）, sheet erosion（II） and rill erosion（III）） were analyzed for each rainfall intensity. The chain method was used to measure changes in SSR both initially and after each stage of rainfall. A splash board was used to measure the splash erosion at stage I. Runoff and sediment data were collected continuously at 2-min intervals during rainfall erosion stages II and III. We found that SSR of the tilled surfaces ranged from 1.0% to 21.9% under the three tillage practices, and the order of the initial SSR for the three treatments was ZT〈SH〈CP. For the ZT treatment, SSR increased slightly from stage I to III, whereas for the SH and CP treatments, SSR decreased by 44.5% and 61.5% after the three water erosion stages, respectively, and the greatest reduction in SSR occurred in stage I. Regression analysis showed that the changes in SSR with increasing cumulative rainfall could be described by a power function（R2〉0.49） for the ZT, SH and CP treatments. The runoff initiation time was longer in the SH and CP treatments than in the ZT treatment. There were no significant differences in the total runoff yields among the ZT, SH and CP treatments. Sediment loss was significantly smaller（P〈0.05） in the SH and CP treatments than in the ZT treatment.

三峡库区坡耕地免耕秸秆覆盖下氮磷流失特征

为有效防治三峡库区坡耕地氮磷流失,在三峡库区长坪小流域连续进行两年野外径流小区监测试验。在自然降雨条件下进行免耕秸秆覆盖(SM)和对照(CK)两个处理的田间试验,研究了免耕秸秆覆盖措施对地表径流和氮磷养分流失的影响。结果表明:(1)降雨量与径流量极显著正相关,径流主要由几次暴雨事件造成,需要重点防范玉米季暴雨造成的水土流失。免耕秸秆覆盖能减少地表产流产沙,相比对照处理,免耕秸秆覆盖减少19.1%的径流流失,减少63.6%的泥沙流失。(2)免耕秸秆覆盖分别降低了21.3%,25.8%的总氮和总磷流失量,径流量和氮磷流失量呈极显著正相关,免耕秸秆覆盖主要通过减少径流量来减少氮磷流失。(3)坡耕地油菜—玉米种植制的氮磷流失风险期为6—7月初,该时期CK处理41.3%的径流量贡献了81.4%,52.1%的总氮和总磷流失,SM处理38.4%的径流量贡献了75.2%,48.2%的总氮和总磷流失,在该时期通过免耕秸秆覆盖可分别减少17.5%,31.7%的总氮和总磷流失。研究表明,免耕秸秆覆盖是控制三峡库区坡耕地氮磷养分流失的良好水土保持措施。

小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响

为系统研究小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性的影响,采用室内定床模拟试验,探究在不同流量(3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 L/min)和坡度(3°、5°、10°、15°)下,坡面流水动力参数随秸秆覆盖量(0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm^(2))的变化特征。结果表明:1)秸秆覆盖显著影响坡面流流型,在不同流量和坡度下,无秸秆覆盖时坡面流型均为急流,而在秸秆覆盖条件下,坡面流型均变为缓流。当流量≤7.5 L/min时,流态均为层流,当流量>7.5 L/min时,流态均为过渡流。2)随着秸秆覆盖量的增加,坡面流流速分别较裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。3)不同覆盖量下,坡面流流态指数随坡度的变化规律不一致。覆盖量≤2.5t/hm^(2)时,随坡度的增加,流态指数呈先增后减的变化趋势,覆盖量>2.5 t/hm^(2)时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小。4)不同覆盖量下,坡面流阻力系数随坡度的变化规律不一致。秸秆覆盖坡面阻力系数是裸坡的9.36~19.68倍。低覆盖量下(≤2.5t/hm^(2))阻力系数在10°坡度达最大值,高覆盖量下(≥3.5 t/hm^(2)),阻力系数整体上随坡度的增加而增加。该研究可为不同秸秆覆盖量下坡面水蚀过程的动力学机制提供科学依据。

模拟降雨下林下覆被结构对产流产沙过程的影响

植被具有良好的水土保持效益,深入了解覆被结构特征与产流产沙关系是研究植被防蚀功能的基础。以鄂中地区典型森林植被为对象,通过人工模拟降雨试验研究5种覆被结构(灌木、草本、枯落物、灌木+草本、灌木+草本+枯落物)和侵蚀性降雨(60,90,120 mm/h)对坡面侵蚀产沙过程的影响。结果表明:(1)坡面产流率、产沙率随降雨时间先迅速增大,后缓慢增大,最后达到稳定趋势。降雨强度是坡面侵蚀产沙的主导因素,与产流时间、产流率和产沙率呈显著正相关关系(p<0.01)。(2)在有/无枯落物存在的情况下,植被覆盖度、植株密度分别是坡面产流产沙的主要影响因素。径流含沙量在不同覆被结构覆盖下表现为:草本>灌木>枯落物>灌木+草本>灌草枯。(3)结构特征参数对产流产沙影响的优先等级为覆盖度、生物量、植株密度、多样性指标,即水平结构>竖直结构>物种组成>空间格局。研究结果旨在揭示覆被结构对坡面侵蚀产沙的作用机理,为南方林地土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。

苦驴河上游小流域水源涵养技术与效果评估

基于水资源现状,对苦驴河流域内水土流失产生的氮、磷污染进行监测,利用植物篱拦截、秸秆覆盖、坡面改造结合有机肥替代与沟塘水葫芦拦截技术组合对林坡地水土流失控制和清洁产流,促进水资源在系统内部循环,为该地区水土流失治理提供参考。结果表明:研究区不同土地利用类型下土壤养分含量和流失量差异明显,且氮磷流失形态均以吸附态为主,经济林地总氮(total nitrogen,TN)与总磷(total phosphorus,TP)的流失量分别为0.482 t/(km^(2)·a)和0.117t/(km^(2)·a);组合措施能有效降低林坡地径流57.32%的悬浮物(suspended solids,SS)、45.97%的TN和38.93%的TP含量,可增加土壤有机质50.06%,提升土壤含水率39.94%;经济林地土壤养分含量和流失量最高,增加水田用地方式或可以改善该地区水土流失;组合措施有效削减水土流失造成的泥沙侵蚀,TN、TP和SS含量并改善土壤,提高保水能力。

覆盖方式对浙西低丘橘园土壤碳库和养分流失的影响

设置了对照(清园)、秸秆覆盖、自然生草和人工种草4个处理,比较了不同覆盖方式对丘陵红壤区柑橘土壤有机质、养分、水分、地表径流量、地表径流中泥沙和养分流失量以及柑橘产量和品质等的影响,以期为南方果园科学管理提供依据。结果表明:3种不同处理方式促进了表土不同形态的有机质积累,提高了水稳定性团聚体含量和土壤水分贮量并降低了表层的土壤容重。3种覆盖方式的综合效果以秸秆覆盖最佳,秸秆覆盖后的土壤碳库管理指数较对照提高了55.00%,年累计径流量、泥沙流失量、全氮和全磷流失量较对照分别降低了61.27%、89.31%、79.24%和87.50%。秸秆覆盖处理可小幅提高柑橘产量,显著提高柑橘的糖度,降低其可滴定酸含量。综上所述,低丘果园行间覆盖农作物秸秆具有良好的生态效应,能够有效减少养分流失,改善土壤理化性质和生态环境,可作为南方丘陵果园生态优化的水保措施。

秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响

秸秆覆盖是防治水土流失最有效的措施之一。该文通过模拟降雨(降雨强度为60mm/h,降雨历时1h)研究坡耕地在不同土壤初始含水率状态下秸秆覆盖变化对产沙过程的影响。试验地位于中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为耕作铝质湿润淋溶土,试验小区为12m×3m,坡度为9%。处理分为5个水平的覆盖度(0、15%、30%、60%和90%)和2种土壤初始含水率(干态和湿态)。结果表明,在0、15%、30%、60%和90%覆盖度下,干态土壤平均产沙速率依次为24.5、15.8、10.4、11.2和1.0g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内略微增大。湿态土壤条件下平均产沙速率依次为115.6、70.0、49.6、34.8和31.9g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内下降明显。0、15%、30%、60%和90%覆盖度下平衡时产沙速率依次为52.5、30.5、22.8、19.8和15.4g/(m2·h)。另外,5个水平的覆盖度中,30%的花生秸秆覆盖降低不同前期含水率下土壤产沙速率50%以上。因此,不同前期含水率情况下土壤产沙速率对秸秆覆盖度变化的响应非常明显,30%秸秆覆盖具有较为经济的水土保持效果。

冻融期灌水和覆盖对南疆棉田水热盐的影响

为了探索不同冬灌定额和地表覆盖模式对棉田水热盐的影响,该文设置了冬灌裸地(winter irrigation with bare land,WIB)、冬灌留秆(winter irrigation with high cotton stubble,WICS)、冬灌玉米秸秆覆盖(winter irrigation with corn straw mulching,WICM)、免冬灌裸地(no winter irrigation with bare land,NWIB)、免冬灌留秆(no winter irrigation with high cotton stubble,NWICS)和免冬灌玉米秸秆覆盖(no winter irrigation with corn straw mulching,NWICM)6个处理。经过2013-11-15-2014-04-04和2014-11-15-2015-04-04冬季大田试验,得到:灌水和地表覆盖可以平抑土壤温度的变幅,免冬灌或冬灌条件下,温度变异幅度均为裸地>留秆>玉米秸秆覆盖。玉米秸秆覆盖更有利于土壤水分保持,WICM土壤储水量比WIB和WICS分别多29.10%和10.36%,NWICM土壤储水量比NWIB和NWICS分别多14.97%和2.21%,经过两年冻融过程NWIB、NWICS和NWICM 0~100 cm土壤储水量平均减少了18.32、7.36和2.62 mm。(免)冬灌0~30 cm土壤含盐量均为裸地>留秆>玉米秸秆覆盖;0~100 cm土壤范围冬灌盐分淋洗率为玉米秸秆覆盖(34.86%)>留秆(15.82%)>裸地(7.26%);免冬灌0~100cm积盐率为裸地(10.11%)>留秆(7.96%)>玉米秸秆覆盖(3.01%)。研究结果可为南疆冬季休闲期棉田土壤水热盐调控提供科学依据。

沟头秸秆覆盖对东北黑土区坡耕地沟蚀发育影响的试验研究

基于野外调查在室内采用模拟降雨和径流冲刷相结合的试验方法,研究沟头秸秆覆盖措施对黑土区不同阶段侵蚀沟发育的影响。结果表明:两种沟蚀发育阶段下,与沟头无秸秆覆盖处理相比,沟头秸秆覆盖处理的坡面总侵蚀量分别减少67.5%和76.7%,沟蚀量分别减少了72.3%和69.1%。随着沟蚀发育程度的增加,坡面总侵蚀量,沟蚀量和沟蚀比例呈现降低趋势。沟头秸秆覆盖使两种沟蚀发育阶段的沟内集中水流流速减小而阻力系数增加,对应的沟间薄层水流流速增加而阻力系数减小,相应的雷诺数和佛汝德数变化特征与流速相同。沟头秸秆覆盖对汇入沟内的坡面径流的拦截与分散作用,减弱了侵蚀沟内集中水流的侵蚀和搬运能力,从而有效防治了沟蚀的发育。因此,在东北黑土区推广沟头秸秆覆盖技术十分必要,尤其是在侵蚀沟发育活跃期应用这一技术会更好地发挥其防治沟蚀的效果。

紫色土丘陵区典型坡地产流及产沙模拟试验研究

应用人工模拟降雨实验,对紫色土丘陵区坡地产流及产沙特征进行了研究。(1)地表径流初始产流时间随着雨强和坡度的增加而加快,在0.7～9.5min之间变化;壤中流初始产流时间变化复杂,在2.6～46.4min之间变化,雨强是影响低坡度壤中流初始产流时间的主要因子;(2)地表径流累积量与雨强、坡度均成正比关系,壤中流累积量随着坡度和雨强的增大呈现出减小趋势;(3)地表径流雨后消退迅速,退水常数k(Barnes法)值为0.41～0.66,壤中流消退缓慢,退水常数为0.91～0.99;(4)同一降雨历时下,相对坡度而言,雨强是决定产沙量的主要因子,产沙量在23.4～972.3g/(m2.h)之间变化;在同一雨强下,产沙量随着坡度的增大而增加。就紫色土坡地而言,改良耕作制度和耕作措施,实施因地制宜的水保措施,提高坡地土壤入渗率和持水量,使降雨径流以壤中流形式产生,能更有效地防治水土流失。

稻草覆盖和聚丙烯酰胺对坡地红壤水蚀的阻控作用

通过室内土槽模拟和田间径流小区观测,研究不同条件下稻草覆盖、聚丙烯酰胺(PAM)表施及其组合措施对坡地红壤水蚀的影响。稻草覆盖、PAM表施明显提高了土壤入渗率,降低了产流率,推迟了稳定入渗、初始产流和稳定产流时间的到来,从而增加降雨入渗,减少产流,并明显提高了旱季0-45cm深度的土壤含水量。3种措施之间的入渗量和产流量差异与雨强正相关,与初始含水量负相关;稻草覆盖减沙的效果在大雨强、中高初始含水量更明显,而PAM表施在小雨强、中低初始含水量更好;组合措施增加入渗、减流、减沙的效果好于单一措施。结果表明,稻草覆盖和PAM表施对坡地红壤水蚀具有较好的阻控作用。

覆盖与生态拦截对旱地土壤地表径流和氮素流失的影响

采用田间径流小区定点观测试验,研究旱地土壤在降雨条件下产流量,氮素流失的特征。结果表明,旱地土壤上,采用秸秆覆盖与厢沟种植大豆,可有效的减少地表径流量以及因地表径流引起的氮素流失,且两者共同作用时,效果更明显。与传统的种植方式相比,秸秆覆盖、厢沟种植大豆、秸秆覆盖+厢沟种植大豆的径流总量分别减少21.7%,24.2%,39.5%;NH+4-N流失量分别减少40.8%,49.3%,64.4%;总氮流失总量分别减少23%,34.1%,62.2%;水溶性氮流失总量分别减少31.4%,60.3%,62.2%。同时,秸秆覆盖与厢沟种植大豆共同作用时比两者单独作用更能有效的减少NO-3-N流失总量。

人工毛竹林水文生态功能的初步研究

在2009年3—10月对浙江庙山坞自然保护区人工毛竹林的水文生态特征进行了定位样地和径流场观测研究,以探讨其林内降水分配规律和水土保持功能。结果表明：（1）观测期内,林外总降水量达1 220.8 mm,穿透雨量、茎流量、林冠截留量分别占总降水量的78.2%、7.3%和14.5%。随着林外降水量的增加,穿透雨量、茎流量呈线性增加,而林冠截留量先是迅速增加,当林外降水量达10 mm后增速减缓,并趋于稳定（5~6 mm）。（2）人工毛竹林林地凋落物现存量平均为4.37 t.hm-2,最大持水率为223%,在1次降水中最大的蓄水潜力为0.975 mm。（3）径流场的地表径流量为2.41 mm,仅占总降水量的0.20%,径流泥沙量为126.3 kg.hm-2,平均1.034 kg.hm-2.mm-1。表明本试验地人工毛竹林水土流失较少,水土保持效应较好。

用径流小区法研究不同耕作措施对土壤侵蚀的影响

用径流小区方法,研究了不同耕作措施对土壤侵蚀的影响。结果表明:B处理(沿等高线+薄膜覆盖+秸秆覆盖+开沟种植)能有效地减少土壤侵蚀,维护土壤耕作层,可促进农业的可持续发展。处理B、A、C总的径流量分别比处理D(CK)减少79.13%、69.76%、50.61%,总的侵蚀量减少的比例分别为86.81%、72.75%、50.90%。

云南典型丘陵区茶园有机管理措施对土壤侵蚀的影响

针对云南省典型丘陵区有机茶园管理措施,利用坡面土壤侵蚀机理模型——水蚀预报模型(WEPP),模拟了提高植被覆盖率与秸秆覆盖量对坡面土壤侵蚀的影响。结果表明,无论是常规茶园还是有机茶园,降雨强度显著影响坡面土壤流失量和泥沙输出量;但坡长不是主要影响因子。秸秆覆盖使得土壤表层养分含量明显增加,同时也明显降低土壤侵蚀量,特别是在大暴雨和特大暴雨情况下,下降程度更明显;当秸秆覆盖量提高至1.0 kg·m-2时,土壤侵蚀量明显降低。模拟结果表明,随着有机茶园植被覆盖率的增加,土壤侵蚀量有所降低。对不同植被覆盖率和秸秆覆盖量组合效应的模拟结果表明,不同管理措施的综合作用对土壤流失量和泥沙输出量有明显减缓作用,特别当有机茶园覆盖率低的情况下,秸秆覆盖对土壤侵蚀的减缓作用更明显。

耕作方式和土层厚度深度对紫色土胶体迁移的影响

【目的】研究不同的田间管理措施对不同粒径土壤胶体迁移的影响。【方法】通过微区试验,设置不同耕作措施(平作、垄作、平作+完整秸秆覆盖、垄作+完整秸秆覆盖、平作+粉碎秸秆覆盖、垄作+粉碎秸秆覆盖),并在平作条件下设置不同紫色土土层厚度(20、40、60、80、100、120 cm)处理,研究不同措施对地表径流和壤中流中产流量、不同粒径范围(0.45~2、0.22~0.45μm、<0.22μm)胶体出流浓度和流出量的影响。【结果】①秸秆还田覆盖处理能够显著减少地表径流的产流量,但是会增加壤中流的产流量,特别是完整秸秆还田覆盖;平作条件下,壤中流产流量会随着土壤深度的增加而减少。②垄作或垄作+秸秆覆盖处理与平作处理相比能够显著降低地表径流和壤中流中大粒径范围胶体的出流质量浓度和流出量,而且对壤中流中<0.22μm粒径的胶体出流质量浓度和流出量降低程度也比较显著。③小粒径的胶体容易随地表径流迁移,而壤中流中粒径较大的胶体更加容易迁移,小粒径胶体颗粒随着紫色土土层厚度的增加出流质量浓度和流出量都会减少。【结论】对于不同耕作措施而言,垄作+粉碎秸秆覆盖处理对于减少地表径流和壤中流产流量,以及减少地表径流和壤中流中胶体的流出质量浓度和流出量都比较显著。对于不同紫色土土层厚度处理而言,土层深度越深胶体流出量越少,而且小粒径胶体比大粒径胶体更难从壤中流中流出。

秸秆覆盖对坡面径流及土壤流失影响的研究

采用室内和野外试验相结合的方法，研究了秸秆覆盖对黄土残塬沟壑区坡耕地径流和土壤侵蚀的影响。结果表明：秸秆覆盖具有阻延流速（可达６－２５ｃｍ／ｓ）和增加糙率（可增加０．０２－０．０３）的功能，能够延缓起流时间，降低洪峰流量和沙峰值，减少泥沙含量和控制土壤侵蚀（可减少５０％－８０％），但其效果随坡度的增加而减弱，随覆盖的厚度增加而增加。

黄土风沙区根系强化抗冲性土体构型的定量化研究

为了探明黄土风沙区根系网络串连、根土黏结及生物化学作用对于创造抗冲性土体构型的相对重要性,以沙黄土为研究对象,通过含根土壤、无根土壤及模拟根系土壤冲刷试验,分析了根系固土总效应、物理固结效应及生物化学效应等参数。结果表明:物理固结效应在根系总效应中的贡献值平均为70.9%;与苜蓿密度90株/m^2相比,物理固结效应在处理360株/m^2中增加了6.8%;在物理固结效应中,根系串连作用较为关键,平均占比78.2%;根系物理固结效应与根表面积密度在极显著水平(P<0.01)上呈指数递增函数关系。植物根系物理固结效应是强化沙黄土抗冲性土体构型的主要表现形式,且根表面积密度可较好地反映根系固土效应。

衡水试验场冬小麦田土壤水流动系统分析

以土壤水流动系统理论为指导 ,进行了缩行密植、沟播、秸秆覆盖、不同灌水定额等多种措施的综合试验研究。研究表明不同灌水定额 (375 ,5 2 5 m3/ hm2 )对产量的影响较小 ,这主要与该地的土壤结构有关 ;沟播处理、缩行密植等优化土壤水流动系统技术 ,均能较大程度地提高作物的产量和水分生产率 ;而秸秆覆盖处理由于受气候因素的影响 ,没有达到预期的效果 。

土工格室坡面侵蚀特性

土工格室坡面由于其独特的结构特性,其侵蚀过程与传统坡面有较大差异.本文采用变坡试验水槽,研究土工格室坡面在坡面流作用下的侵蚀规律.分析土工格室坡面流的流动特点及其与普通坡面流的差异,揭示了坡面侵蚀量随坡度、流量、切应力,以及绕流雷诺数的变化规律.结果表明,坡面侵蚀量远小于无格室的坡面;坡面累计侵蚀量和绕流雷诺数之间呈良好的对数函数正相关关系;平均侵蚀率与坡度、流量、切应力之间均呈良好的幂函数正相关关系,且流量对坡面流侵蚀率的影响大于坡度,随着流量的增大土工格室坡面流侵蚀能力的增率增大.