不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明:1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。

秸秆覆盖对喀斯特不同类型坡耕地降雨产流的影响

喀斯特地区土层不连续且常有岩石出露,坡耕地类型多样。为研究秸秆覆盖对不同类型喀斯特坡耕地降雨产流特征的影响,通过野外人工模拟降雨试验,研究裸坡地(BS)、岩石出露型(RE)和砾石覆盖型(RF)3种典型坡耕地类型在4个秸秆覆盖度(0、20%、50%、80%)下的地表径流和壤中流产流特征。研究结果表明:①3种类型喀斯特坡耕地中,RE的平均地表径流系数显著高于其他类型,分别为BS和RF的1.8和7.8倍,而RF的平均壤中流径流系数显著低于其他类型,分别较BS和RE减少了83.7%和78.9%;②秸秆覆盖在BS和RE减少地表径流的效果优于RF,其中20%覆盖度在BS的减流效果最好,较无覆盖减少了26.2%,50%覆盖度在RE的减流效果最好,较无覆盖减少了44.5%;③秸秆覆盖对壤中流的影响较为复杂。秸秆覆盖在RF均会增加壤中流量,在BS均会减少壤中流量,但对RE壤中流的影响无明显规律。研究结果可为喀斯特坡耕地水土保持措施的合理布设提供参考。

模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大,其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白,而雨强和地下孔(裂)隙度(以下简称地下裂隙)对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文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裂隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明:雨强对地表产流产沙影响显著(P<0.05),其产流产沙量均随雨强增大而增加,且地表产流产沙临界雨强在30~50 mm/h之间;雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮(TN)输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著(P<0.05)。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著(P<0.05),而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷(TP)输出负荷总体以径流为主,而全钾(TK)输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子,地下裂隙度对其养分流失影响不大,但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。

岩溶地区坡耕地时空动态变化及其生态服务功能评估

中国西南岩溶地区坡耕地受人类活动强烈作用,生态问题突出,定量评估其时空动态变化与生态服务功能,对于区域石漠化治理、生态建设、扶贫开发都具有重要意义。该研究以贵州省为例,利用2000年、2005年、2010年3 a多时相、多源遥感影像建立土地利用数据,结合坡度、岩性、聚落、交通条件,运用土地利用动态模型、综合热区域模型、生态服务价值模型,对2000年以来贵州岩溶地区坡耕地时空动态变化及生态服务功能进行分析,旨在弄清岩溶地区坡耕地时空动态变化的特征,为坡耕地管理利用提供参考。结果表明：1）10 a来贵州岩溶地区耕地资源减少0.44万km2,80%是坡耕地;坡度6°-15°区域集中分布了最多的耕地资源;随着坡度梯度增加,坡耕地减少幅度增大,分布比例大幅下降;2）岩溶地区坡耕地分布与基质岩性具有明显相关性,灰岩地区坡耕地（尤其陡坡耕地）比例、数量规模明显高于白云岩地区;白云岩地区坡耕地较多地分布在缓坡地带;3）空间上,一方面,10 a来距聚落大于900 m地区成为坡耕地转出的主要区域,但目前这一区域的陡坡耕地仍较多,应加快其退耕步伐;另一方面,坡耕地退耕过程表现出明显的公路指向性,在坡耕地转出土地距公路500 m内集中了近30%的坡耕地转出土地,随着距离增加,坡耕地转出土地的比例降低;4）贵州岩溶地区坡耕地转出形成了2个热点地区：临长江的乌江下游遵义东北和铜仁、黔中高原面的贵阳和安顺市周边;5）2000年以来贵州岩溶地区坡耕地退耕产生了良好的生态效应,坡耕地转出土地生态系统的生态服务价值估算为4399.81万元/a。总之,岩溶地区坡耕地10 a来变化显著,生态效应明显,但现存坡耕地的分类管理、高效利用仍任重道远。

西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量C、N、P空间变异特征

土壤微生物是陆地生态系统中最活跃的成分,它推动着生态系统的能量和物质循环,被公认为土壤生态系统变化的预警及敏感指标。以西南峡谷型喀斯特坡地为研究对象,基于网格法取样,结合经典统计学和地统计学方法,揭示了土壤微生物生物量的空间分布与格局及其主要影响因子。结果表明,西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)、碳氮比(MBC/MBN)、碳磷比(MBC/MBP)适宜,MBC、MBN、MBP变异均很大;空间自相关性明显,除MBP最佳拟合模型为球状模型外,其他指标均为指数模型。C0/(C0+C)均<25%(4.9%—6.2%),呈强烈的空间相关,这主要由结构性变异引起。Kriging等值线图表明,MBC、MBN的高值区集中在坡中上部;MBP的格局明显不同,高值区集中在坡脚;MBC/MBN斑块较大,变化缓和;MBC/MBP的空间分布规律不明显,斑块多而破碎。西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量空间分布的影响因子很多,其中,影响土壤微生物量碳和氮的主要因子有土层厚度、pH、碱解氮。西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物不仅存在着小尺度的空间分布格局,而且不同土壤微生物属性的空间分布不同。因此,应采取适宜措施,激活土壤微生物活性。

云贵高原喀斯特坡耕地土壤微生物量C、N、P空间分布

土壤微生物是地球生物演化进程中的先锋种类,具有重要的生态修复功能,但空间分布格局是否存在的争议很大。以云贵高原典型喀斯特坡耕地为对象,基于网格法取样,用经典统计学和地统计学综合分析了土壤微生物生物量的空间变异特征。结果表明,云贵高原喀斯特坡耕地土壤微生物生物量碳(Cmic)、磷(Pmic)以及碳氮比(Cmic/Nmic)适宜,氮(Nmic)的含量较低,变异均很大,空间自相关性明显,最佳拟合模型均为指数模型。块金值C0较小(0.0016—0.0087),C0/(C0+C)均<25%(2.6%—10.2%),变程a较短(22.2—51.0 m),其强烈的空间变异主要由结构性变异引起。Kriging等值线图表明,Cmic、Nmic和Cmic/Nmic的高值区分布在坡的中上部,Pmic的高值区则在坡的中下部和坡脚。云贵高原喀斯特坡耕地土壤微生物不仅存在着小尺度的空间分布格局,而且不同土壤微生物属性的空间分布不同。

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。

喀斯特裸坡地地下孔(裂)隙流养分流失特征研究

通过人工模拟试验,研究喀斯特坡耕地地下孔(裂)隙流养分流失特征,结果表明:(1)地下产流、产沙量与雨强、地下孔(裂)隙度呈正相关关系,与坡度呈负相关关系。(2)雨强对地下径流流失浓度影响不显著,不同坡度全钾流失浓度随坡度呈波浪型变化,全磷流失浓度在缓坡(5~10°)地上径流流失浓度最大,是陡坡(15°以上)地上磷素淋失浓度的2~3倍,氮素流失浓度呈现出随着坡度增大而逐渐减小的变化趋势,地下径流全钾流失浓度与地下孔(裂)隙之间没有明显的变化趋势。(3)全钾、全磷和全氮流失量与雨强变化均呈指数函数关系,R^2分别为0.718 7,0.817 1,0.849 2;不同坡度条件下,全钾、全磷和全氮流失量随坡度的变化趋势一致,拟合曲线均为线性关系;全钾和全磷与地下孔(裂)隙度均可用指数函数拟合,全氮流失量与地下孔(裂)隙度可用幂函数拟合,地下径流中养分流失以氮素为主。

粤北石漠化地区土地利用优化配置及资源利用研究

以粤北典型石漠化地区秀水小流域为例,综合考虑流域地形、地貌、土地利用等因素,探讨土地利用时空优化布局及资源利用。研究表明:(1)流域内缺水比较严重,分别与地形指教<4.702、4.702～8.05和>8.05对应的土壤低、中、高含水区所占总面积比例依次为79.94%、10.72%、9.35%;(2)坡耕地是秀水小流域水土流失的重要区域。为此,对于流域土地利用配置,坡度<10°的耕地宜采用等高耕作和覆盖耕作相结合的措施,坡度在10°～25°的耕地可采用植物篱措施,坡度>25°的耕地则必须退耕还林。此外,受海拔高度和灌溉条件影响,玉米最好种植在海拔400～500 m的区域;由于上半年降雨量多、下半年少,在缺乏灌溉条件的区域,耗水量较大的作物宜主要安排在上半年,下半年主要以种植玉米等耐旱作物为主。

中梁山岩溶区坡耕地土壤侵蚀^137Cs法研究

采用137Cs法对重庆中梁山岩溶区坡耕地进行了土壤侵蚀研究,结果表明:两个样地顶部侵蚀速率都大于10000t/(km2·a),是坡耕地土壤侵蚀最强烈的地方,坡耕地上部侵蚀速率为3000~4000t/(km2·a)左右,而在耕地下部土壤出现堆积.样地多年平均土壤侵蚀速率分别为2765,3202t/(km2·a),其均值相当云贵高原坡耕地土壤侵蚀的40.3%,三峡库区的39.9%,嘉陵江流域的54.1%,黄土高原的39.1%.土壤侵蚀绝对量不大、相对侵蚀强烈是岩溶山区的坡耕地土壤侵蚀的基本特点.

秸秆覆盖对岩溶区坡耕地产流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究秸秆覆盖对西南岩溶区坡耕地产流产沙的影响。试验处理按照2个雨强(63,100mm/h)和5个秸秆覆盖度水平(0,20%,50%,80%和100%)进行。结果表明:在中雨强(63mm/h)条件下,秸秆覆盖减少了地表径流的径流系数和径流强度,增加了壤中流径流系数和径流强度,在较大秸秆覆盖度下(50%,80%和100%),秸秆覆盖能有效减少土壤流失量;但在大雨强(100mm/h)条件下,秸秆覆盖导致地表径流增加并同时显著减少了壤中流,地表径流的增加同时导致土壤流失量的增加。

坡度和雨强对喀斯特地区坡面产流产沙的影响

利用径流小区观测法,分析了坡度和雨强对贵州喀斯特地区4种地类坡面产流产沙的影响。结果表明,随坡度的增大,各地类坡面产流产沙量并没有表现出一致增大或减小的趋势,它们在很大程度上受土地利用方式和土壤类型的制约;随最大30 min雨强(I)的增大,坡面的产流产沙量增大。坡度为13°时,坡耕地在各地类中的产流产沙量最小,随坡度增大逐渐超过其他地类;除13°径流小区外,经济林地(梨树)在各种坡度、雨强范围内的产流产沙量均为各地类中最少;水保林地(香樟)在各种情况下的产流量虽较大,但产沙量相对较小;裸地在观测条件下的产流产沙量均较大。

贵州喀斯特地区不同生物措施的水土保持效果

为了进行水土保持生物措施的合理配置,因地制宜地治理贵州喀斯特地区的水土流失,通过野外径流小区观测试验,对贵州喀斯特地区不同生物措施的水土保持效果进行了研究。结果表明,各种生物措施的水土保持效果为经济林>人工草地>水保林,其中,经济林措施中梨树>桃树>板栗,人工草地措施中黑麦草>白三叶,水保林措施中杨树与墨西哥柏混交林>墨西哥柏>杨树。与撂荒坡耕地相比,经济林(梨树)的保土效果和保水效果均比较好,而香樟、柏树、马尾松等水保林在坡度较陡时不具备保水效果。

黔中喀斯特山区坡耕地产流产沙对无籽刺梨种植的响应

产流产沙是坡耕地土壤侵蚀的主要形式,为探讨无籽刺梨对黔中喀斯特山区坡耕地土壤侵蚀治理效应,采用径流小区野外定位观测法和相关性分析法,分析了坡度15°和25°坡耕地共6个自然坡面径流小区2016年6—9月15次野外实测侵蚀性降雨产流产沙数据。结果表明:(1)在同坡度同降雨量同I_(30)下,无籽刺梨地较自然恢复地有显著保水保沙能力,无籽刺梨+自然荒草地模式优于无籽刺梨单种模式。(2)无籽刺梨种植模式减流减沙效果坡度25°优于15°,减沙效果优于减流效果。其中无籽刺梨+自然荒草地减流减沙效果最优,在小雨、中雨、大雨、暴雨4种雨型下,坡度15°度时较自然恢复地分别平均减流59.08%,65.23%,56.96%,54.87%,分别平均减沙87.32%,71.64%,51.10%,74.69%;坡度25°度时分别平均减流53.11%,76.09%,76.72%,46.12%,分别平均减沙85.40%,86.87%,71.55%,73.99%。(3)研究区产流产沙量与降雨参数(P、I_(30))高度相关且在0.01水平上显著,在不同雨型下无籽刺梨减流减沙均有明显效果,小雨、中雨时减流减沙效果最佳。研究证实了研究区无籽刺梨种植能抵御不同雨型的降雨侵蚀,可作为贵州省喀斯特山区生态修复的极优经济选种。

喀斯特坡耕地微地貌特征及土壤质量评价

以典型喀斯特坡耕地为研究对象,采用野外样方调查,以土壤侵蚀现状为基础,分析微地貌成因,结合坡耕地外部特征划分裸岩、土被、土窝、土槽、土面5种微地貌类型。采用K-均值聚类分析,划分土面型、土面-土槽型、土面-裸岩型、土面-土窝型、土面-土被型5种基本微地貌类型组合。选择方差/均值比率法研究微地貌空间分布格局,运用主成分分析法评价微地貌土壤质量,结果表明:土面、土槽、土窝、土被在坡耕地的空间分布属于均匀分布,裸岩呈集群分布;土面土壤质量全部属于第一等级,土槽属于第二等级,土窝72.45%属于第三等级、27.55%属于第四等级,土被1.65%属于第三等级、8.92%属于第四等级、89.43%属于第五等级。

喀斯特地貌不同海拔坡耕地水土流失及防治模式

为喀斯特坡耕地水土流失治理提供依据,以贵州省水土流失最严重地区之一的六盘水市为研究对象,通过野外调查与统计分析,研究不同海拔高度坡耕地的水土流失及防治方法。结果表明:六盘水市耕地以坡度大于15°的坡耕地为主;石漠化面积以海拔2 000~2 480m的最多,为4 269.92km2,海拔640~1 400m的最少,为1 086.47km2;水土流失总面积为4 254.86km2,占全市土地总面积的42.92%,其中,海拔640~1 400m的水土流失面积为711.3km2,海拔1 400~2 000 m的为1 806.96km2,海拔2 000~2 840m的为1 736.6km2,分别占水土流失面积的16.72%、42.47%和40.81%。海拔640~1 400m的地区水土治理选择石坎坡改梯+粮食生产为主,或采用石坎坡改梯+经果作物(如猕猴桃、车厘子等);海拔1 400~1 800m的地区采用坡改梯+经济作物的治理模式,或采用聚土垄作与农林复合为基础组装坡耕地粮经果复合垄作技术;海拔1 800~2 840m段采取土坎坡改梯+耐寒经济作物(茶叶、油菜、药材)的治理方式,或采用石坎坡改梯+植物篱生态过滤网带技术,或修建复式田坎(石坎+植物护坎),或采取生物修复的方式。

喀斯特典型坡耕地模拟降雨条件下的土壤侵蚀响应

为了定量研究不同降雨强度、坡度和孔（裂）隙度条件下坡耕地土壤侵蚀响应和空间分布特征,采用人工模拟降雨试验,通过模拟喀斯特典型坡耕地耕作层和微地貌特征以及孔裂隙构造特征,研究土壤侵蚀响应和空间分布特征。结果表明：（1）15,30mm/h降雨强度时地表不产流,水土流失形式为地下漏失;50mm/h降雨强度时地表产流产沙,水土流失也以地下漏失为主,地下径流出现最大值。50mm/h以上降雨强度时,土壤侵蚀逐渐向地表侵蚀转变,地表、地下径流泥沙分配呈负相关;（2）在一定条件下,坡度增大,地表径流泥沙量增加,地下径流量减小,当坡度在10°-15°时地表径流泥沙量急剧增加,25°时坡面产流产沙量达到最大值,其中20°坡面径流泥沙与25°接近;地下泥沙与坡度、孔（裂）隙度间变化规律不明显。（3）径流空间分配特征以地下径流为主,其中90 mm/h降雨强度以地表侵蚀为主。（4）降雨强度、坡度和孔（裂）隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次为降雨强度〉坡度〉孔（裂）隙度。总之,喀斯特坡耕地以地下漏失为主,地表产流之前随雨强增大而增大,地表径流产生后则反之,极端暴雨（90mm/h）下以地表侵蚀为主;降雨强度对水土流失影响程度最大,其次坡度,再次孔（裂）隙度。

喀斯特坡耕地微地貌土壤养分空间变异性研究

为评价喀斯特坡耕地不同微地貌的土壤质量和土地生产力,指导科学耕作施肥,预测水土流失趋势,研究水土流失机理,在喀斯特坡耕地微地貌分类及特征研究的基础上,运用地统计学方法对西南喀斯特坡耕地区域不同微地貌类型中7种土壤养分含量的变化范围、最佳理论拟合模型、平均变异程度、空间相关性大小等进行了分析比较。结果表明:不同微地貌类型中,土面土壤有机质、氮、磷、钾的含量最高,其次是土槽土壤,再次是土窝土壤,土被土壤最低;生境条件越严酷,变异程度越大,空间相关性最小。

模拟降雨条件下喀斯特坡耕地氮磷元素地下漏失特征

为揭示不同降雨强度和地下裂隙度对喀斯特坡耕地地下养分漏失的影响,采用人工模拟降雨的方法,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其微地貌及地下裂隙度构造特征,探索不同降雨强度和地下裂隙度条件下喀斯特坡耕地氮磷元素地下漏失特征。结果表明:1)地下产流量与降雨强度和地下裂隙度成正相关;2)全氮全磷浓度随降雨强度呈波状变化,全氮浓度总体上随降雨强度呈增大趋势,地下裂隙度对全磷浓度的影响不大,对全氮浓度的影响呈显著正相关,相关系数R为0.906;3)全氮全磷流失总量与降雨强度可用线性拟合,与地下裂隙度可用多项式拟合;4)累积径流量与地下径流中全氮全磷的累积流失量有显著关系,进行线性拟合相关系数R分别为0.986 3和0.997 4。喀斯特坡耕地养分地下漏失浓度总体上与地下裂隙度没有显著的变化规律,而降雨强度则是喀斯特地区土壤养分流失的一个关键因子,本研究结果可为解决水土及养分流失问题对社会经济,生态环境,人类生活发展的影响提供理论依据。

短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响

探索短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响,为喀斯特区坡耕地应对极端天气的水土流失防治提供理论依据。研究采用人工室内模拟降雨试验的方法,对喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征在短历时强降雨作用下的影响因素开展研究。结果表明:(1)短历时强降雨导致喀斯特坡耕地地表输沙模数和产沙量随降雨强度的增大而增大,而地下输沙模数和产沙量与降雨强度无明显变化规律,坡耕地土壤侵蚀以地表为主。地表产沙临界雨强为30~50 mm/h。(2)坡度增大时地表产沙比重大于地下产沙比重,地表土壤侵蚀以地表为主。产沙比重发生转折的坡度值为15°~20°。70 mm/h降雨强度和5°坡度下,降雨强度对地下土壤侵蚀可能存在“负效应”。(3)喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征与降雨强度和坡度密切相关,但降雨强度因子起主导作用。强降雨主要影响地表土壤侵蚀,因此,对喀斯特坡耕地土壤侵蚀治理应以地表为主。研究结果有助于深入了解短历时强降雨对喀斯特坡耕地土壤侵蚀的影响,为对喀斯特坡耕地应对极端天气和水土流失防治以及维持生态环境健康持续发展提供理论依据。