野外模拟降雨条件下高寒草甸区植被退化和人工植被恢复坡面的产流产沙过程

[目的]青藏高原是我国重要生态屏障,高寒草甸是其重要组成部分,水土保持功能是高寒草甸重要生态服务功能。开展青藏高原高寒草甸区水土流失过程研究对减少人为扰动水土流失、保障西南地区生态安全具有重要意义。[方法]选取青藏高原高寒草甸未退化、轻度退化、中度退化、裸坡与人工植被恢复5种不同类型坡面,通过野外模拟降雨试验,分析不同雨强条件下,不同植被退化与恢复坡面产流产沙过程,揭示植被退化与人工植被恢复坡面土壤侵蚀机理与水沙关系。[结果](1)高寒草甸未退化坡面与人工植草恢复坡面因其根系较为致密,其水分下渗能力相对较弱,故初始产流时间相对较短;而对于轻度退化坡面,侧流与纵向入渗能力相对较强,初始产流时间相对较长。(2)在常规降雨条件下(30,60 mm/h),轻度退化坡面产流量最小,减流效益最高,达到77.13%;人工恢复坡面产流量与未退化坡面接近,略高于轻度退化坡面;而裸土坡面累计产流量最大,且显著高于其他坡面;极端降雨条件下(90 mm/h)未退化坡面产流量激增,仅低于裸坡并明显高于人工植被恢复坡面。(3)在常规降雨条件下(30,60 mm/h),人工恢复植被坡面减沙效益最高,分别达到81.97%和89.82%,其次是未退化坡面,且随着植被退化程度增大,减沙效益逐渐降低;但在极端降雨条件下,人工恢复植被和未退化坡面减沙效益几乎相同,而中度退化坡面产沙量是未退化坡面的4.59倍;轻度退化坡面虽然具有较好的减流效益,但是减沙效益相对较差。[结论]研究结果可为高寒草甸区植被恢复与生态安全提供重要科学依据。

条带垄覆对西南黄壤坡耕地径流和高粱水分利用的影响

针对西南区坡耕地季节性干旱突出、降水径流损失大、高粱低产低效益等问题。2020—2021年,在黔西南山区以前茬种植春玉米的7°黄壤缓坡耕地为研究对象,研究了横坡种植模式(作物行向与坡向垂直)下传统露地平作(CK)、条带垄覆地膜(RFM)和条带垄覆玉米整秆(RSM)3种不同处理对径流、以及高粱耗水特性、水分利用效率、产量和纯收效益的影响。结果表明,与CK相比,在横坡垄作模式下,RFM和RSM处理高粱生育期内的降雨径流深度分别平均显著下降27.3%和42.1%,纳水系数分别平均增加9.5和14.6个百分点。2个条带垄覆横坡种植较CK显著增加高粱生育期的耗水量,其中拔节至抽穗阶段、灌浆至成熟阶段耗水量与产量分别呈显著(r=0.51^(*))和极显著(r=0.81^(**))正相关。与CK相比,RFM、RSM显著增加高粱成熟期生物量、穗粒数和千粒重,籽粒产量分别平均显著增加8.5%和6.2%,但水分利用效率分别平均显著下降12.6%和21.4%。主要原因是,条带垄覆可显著增加高粱全生育期0~100 cm土壤贮水量,提高拔节至抽穗、灌浆至成熟阶段的耗水量,促进了高粱植株的生长发育和产量形成,且高粱秸秆产量的增幅(21.4%)显著高于籽粒产量增幅(7.3%),秸秆产量的大幅增加虽然降低了水分利用效率,但秸秆产量的增加是籽粒增产的重要保障。RSM处理的纯收益和产投比分别平均较CK增加2962.9元hm^(-2)和2.3%,而RFM处理由于增加了劳动强度、机械和地膜投入,导致纯收益和产投比分别平均较CK下降1502.6元hm^(-2)和32.6%。因此,条带垄覆玉米整秆横坡种植在显著提高降水有效性的同时,可实现产量和纯收益双增的目的,是西南黄壤旱坡耕地高粱增产增收的可行模式。

宁夏黄土丘陵沟壑区产流产沙特征及其影响因素量化

土壤侵蚀是造成土地退化最严重的生态环境问题之一,而水土保持措施是防治土壤侵蚀的重要举措。目前,量化水土保持措施、降雨特征和坡度对黄土丘陵沟壑区径流量和泥沙量的直接和间接影响仍具有挑战性。在调查2015~2019年宁夏黄土丘陵沟壑区犁尖沟小流域19个径流小区25次典型侵蚀性降雨事件中的径流量和泥沙量基础上,利用结构方程模型分析降雨特征、水土保持措施和坡度对径流和土壤流失的直接和间接作用,同时采用冗余分析方法定量化各影响因素对减流效益和减沙效益的贡献率。结果表明:①20°坡度减流效益最好,陡坡则具有更好的减沙效益;不同水土保持措施中,人工灌木林地的减流效益和减沙效益较高。②降雨特征、水土保持措施和坡度对径流和泥沙没有间接影响,最大30 min雨强对径流和泥沙的直接影响最大,直接路径系数分别为0.77和0.46。③降雨特征是影响径流、泥沙和减流效益的主导因素;与降雨特征相比,水土保持措施和坡度是控制减沙效益的主要因素。④全球变暖引起的极端侵蚀性降雨事件导致径流和土壤流失加剧;水土保持措施对于防止径流和土壤流失是非常必要的;在陡坡上,实施以灌木为主的植被组合有望实现更大的减流效益和减沙效益。

宁夏南部黄土丘陵区坡面水土保持植物效果研究

以宁夏南部黄土丘陵区坡面水土保持植物措施为研究对象,采用双累积曲线及分离评判法计算分析封育草地、人工草地、人工灌木林、人工乔木林和农业种植在各坡度上的减流减沙效果。研究成果显示,低坡度农地种植马铃薯的减流减沙效益优于天然草地,人工草地和人工灌木林的减流减沙效益相近。人工灌木林地在15°~20°坡度的减沙效益最佳,坡度大于20°后,人工灌木林比人工草地的效益突出。人工灌木林与人工乔木林在20°坡度的减流减沙效果接近,当降水持续增多时,灌木林的产流产沙量略少于乔木林,有更好的水土保持效益。该研究成果可为海原县及宁夏南部黄土丘陵区坡面上的水土保持植物配置和农业种植提供技术参考。

漳泽水库兴利调度研究

建设漳泽水库兴利调度系统能够有效提高水库水资源利用率,缓解水资源“多与少”的矛盾。水库兴利调度的关键在于入库水量预报,采用BP神经网络建立中长期径流预报模型。漳泽水库兴利调度系统以数据库为基础,以预报调度计算为核心,以辅助防汛抗旱决策为目标,集中服务于水资源管理工作。

基于SWAT模型的水电站上游流域径流及发电效益预测

不同气候环境对河流径流量以及水电站的发电效益具有显著影响,以SWAT模型为基础,引入不同的气候条件,建立径流预测模型。通过对韶关地区2030-2050年的年径流量进行预测发现,其最大值出现在2030年RCP2.6气候条件下,为44.05m^(3)/s;最小值出现在2050年RCP8.5气候条件下,为31.85m^(3)/s。通过对其发电效益进行预测发现,2030-2050年RCP4.5场景下,其发电量降低14.47%;RCP8.5场景下,其发电量降低15.94%。预测结果有助于发电站提前调整用电规划,提升供电效率。

黄土高原不同林地类型水土保持效益分析

研究黄土高原北部水蚀风蚀交错区——陕西吴起县退耕还林以来各林地的水土保持效益,对油松沙棘混交林(Pinus tabuliformis+Hippophae rhamnoides)、沙棘林地(Hippophae rhamnoides)、油松林地(Pinus tabuliformis)、达呼里胡枝子+赖草地(Lespedeza davurica+Leymus secalinus)径流小区的产流产沙情况、土壤物理性质(土壤孔隙度和容重)、土壤抗冲性、土壤水分状况进行分析。得出以下结论:(1)不同植被类型的林地土壤抗冲性有明显的差异,相同植被类型的林地抗冲性随坡度的增大而降低;林草植被措施具有极强的提高土壤抗冲性的能力;(2)达呼里胡枝子+赖草地、油松林地的径流量最大,油松沙棘混交林的径流量次之,沙棘林地径流量最小;植被类型相同但坡度不同的林地,坡度大的林地地表径流量高;每种林地的径流量随着降雨强度的增大而增大;(3)侵蚀模数按从小到大的林地顺序是:沙棘纯林、沙棘油松混交林、达呼里胡枝子+赖草、油松林地;在植被类型相同、坡度不同的小区,地表径流量和侵蚀模数随坡度增大而增大。从5个径流小区水土保持效益分析结果看,试验小区保水保土效益油松林地最低,其中沙棘纯林水土保持效益最为显著,说明退耕还林后,林草植被的恢复及土壤物理性质的改良,减少了风力、水力等外营力的破坏,能有效地控制水土流失。

中国北方地区水土保持措施减沙水代价分析

水土保持措施是减少河流泥沙的主要措施。水土保持措施在减少土壤侵蚀的同时也会减少地表径流和地表水资源量。根据目前我国北方地区水土保持对径流量和泥沙量的研究结果,比较分析了在坡面和沟道上梯田、造林、种草和坝地等水土保持措施减沙水代价,并对不同流域尺度水土保持综合措施减沙水代价进行了综合分析。研究表明,同一区域不同水土保持各单项措施减沙水代价不同;同一措施和综合措施减沙水代价存在明显的区域分异,通过选择减沙水代价较小的水土保持措施的类型和区域配置,可以在减少相同泥沙量的同时,相对增加河流水资源量。

塔里木河流域2006年“四源一干”河川径流及输水运行分析

2006年塔里木河四条源流出山口天然径流量268.9×108m3,比正常年份偏多17.4%,属偏丰水年.其中,阿拉尔站以上的三条源流(阿克苏河、叶尔羌河、和田河)出山口天然径流量为228.6×108m3,比正常年份偏多18.0%;开都河-孔雀河为40.33×108m3,比正常年份偏多20.4%,属偏丰水年.四条源流入塔里木河总水量为50.26×108m3,占出山口天然径流总量的18.7%.其中:阿拉尔站以上三条源流入塔里木河水量为47.58×108m3,占三条源流出山口天然径流总量的20.8%.2006年塔里木河干流上游段耗水量33.55×108m3,占阿拉尔站年径流量的58.8%,是塔里木河干流最大的耗水区段;中游段耗水量16.56×108m3,占阿拉尔站年径流量的29.0%,比多年平均耗水量22.51×108m3减少5.95×108m3;下游段耗水量6.97.16×108m3.上游耗水量在增加,中游耗水量在减少,下游耗水量接近多年平均值.2006年第8次向干流下游输送生态水2.33×108m3,其中由博斯腾湖下泄0.26×108m3,由塔里木河自身来水下泄2.07×108m3.此次输水由前7次的应急输水转变为功能性输水,由以往输往塔里木河尾闾台特玛湖,转变为以扩大下游生态灌溉面积为目的,尝试以激活天然种子库,高效利用水资源,进一步恢复塔里木河下游生态植被范围.2000-2006年连续共8次生态输水,已累计由大西海子水库向塔里木河下游输送生态水22.75×108m3,生态、经济、社会效益日益显著.

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。

梯田、林地、草地减水减沙效益指标初探

通过对各地坡面径流场试验资料的系统整理，结合梯田、林地、草地的减水减沙机理，引入径流、泥沙水平和措施质量概念，分析得出了不同质量的梯田、林地、草地在不同的径流、泥沙水平年份的减水减沙效益指标，形成了一套较为完善的梯田、林地、草地减水减沙效益指标体系。

太湖流域典型稻麦轮作农田稻季不施磷的农学及环境效应探究

以太湖流域典型稻麦轮作农田为研究对象开展大田试验,通过设置稻麦季均施磷(PR+W,当前农民施肥习惯)、麦季施磷稻季不施磷(PW)、稻季施磷麦季不施磷(PR)以及稻麦季均不施磷(Pzero,对照)四种施磷处理,提出麦季施磷稻季不施磷(PW)的减磷措施。四年八季作物研究结果表明:与传统PR+W处理相比较,PW处理的作物籽粒和秸秆产量均无显著变化,但却提高磷肥利用率3.54%,同时降低土壤速效磷累积量10.5%~36.7%,减少径流总磷浓度12.0%。据此推算,如果一个稻季不施磷肥,太湖流域1.02×106hm^2水稻土四年可节约P_2O_5约24万t,估算该流域每年可直接节约肥料投入成本3.06亿元。这表明采取麦季施磷稻季不施磷的减磷措施不仅能够保持稳产,而且可节约磷肥(磷矿)资源,降低水环境污染风险,具有农学、环境以及经济效益的三赢潜力。

黄土丘陵沟壑区水土保持人工林减蚀效应研究

根据黄土高原绥德、延安、离石、安塞等地的径流小区观测资料 ,以降雨指标大于坡耕地侵蚀性降雨标准为条件 ,即PI30 >3 2 0mm2 ·min- 1 和I30 >0 2 8mm·min- 1 ,分析了不同次降雨条件下人工林地相对于坡耕地的减水减沙效益 ,及整地工程对林地减蚀作用的影响 ,建立了不同降雨条件下不同盖度林地减水减沙效益的关系式 (V =0～ 10 0 ;PI30 =3 2 0～ 10 0mm2 ·min- 1 ) :R% =16 0 4 2 6 - 2 8 90 6 4 4 (1 V) - 37.4 4 2log(PI30 ·V) ,r =0 .835 , n =88S% =16 1 95 3- 31 0 3189(1 V) - 30 .985log(PI30 ·V) ,r=0 .6 82 , n

不同密度杉木幼林系统生产力和生态效益研究

杉木幼林系统是由 4个不同密度级处理系列小区组成 ,栽植密度分为 1 6 6 5、3330、4995和 6 6 6 0株 /hm2 (以下分别用A、B、C和D代替 )。这些小区土壤质地及地形别无二致 ,都是用 1年生实生苗 1 987年春天定植。 8年生时调查了这些幼林系统林木生长、冠层厚度、枝下高以及生态效益等。随着密度由A增加到D :平均胸径生长量从 8 1cm降到 6 6cm ;平均树高生长量由 5 9m降至 5 4m ;平均冠层厚度自 4 9m变薄到3 3m ;平均枝下高由 1 0m上升到 2 3m ;这些系统生产力从A到D分别为 :4 6、7 3、9 5和 1 0 3t/hm2 ·a。不同密度系统迳流系数、液体迳流与固体迳流等 ,在A密度区依次为 1 35 %、1 9 4mm/hm2 ·a和 334kg/hm2 ·a ;在B密度区分别是 0 5 2 %、8 1mm/ /hm2 ·a及 1 38kg/hm2 ·a ;在C密度区先后是 0 6 9%、8 9mm / /hm2 ·a与 1 96kg/hm2 ·a ;在D密度区顺序为 0 75 %、1 1 8mm/ /hm2 ·a和 2 84kg/hm2 ·a ,B与C密度区生态效益比较好。最后根据 5个项目中 1 5个类目值排序综合评价 ,得分结果从大到小的次序是 :C密度得 5 0分 ,B密度得43分 ,D密度得 36分 ,A密度得 2

官厅水库上游典型植物措施特性及在侵蚀性降雨下的水沙效应分析

为了研究官厅水库上游地区水土保持典型植物措施的减水减沙效益,选取5个标准样地,通过分析该地区侵蚀性降雨特性和植物多样性程度,研究不同典型植物措施的减水减沙效益随雨量、雨强和时间的变化,并评估不同植被盖度对径流深、产沙量的影响,得出在官厅水库上游布设水土保持典型植物措施的有效方法。结果表明：1）草坡盖度越高减水减沙效益越好,在大暴雨和特大暴雨条件下时效果明显,但盖度在45%~60%的草坡即可以达到水土保持典型植物措施的有效盖度,因此这一盖度适宜在北京山区范围内推广。灌草结合可在减少径流和泥沙方面达到较好效果,在官厅水库上游布设较草坡安全。2）合理的植被群落配置可以增强该群落自身对不良环境的抵抗力,其中多样性程度是关键,可促进坡面植被的盖度和稳定性保持在一定水平。保证植物盖度的同时,多样性程度越高,其退化速度越慢,从而可以保证植物的盖度和正常生理活动,减少径流和泥沙的产生。在进行水土保持植物措施的布设时,需要考虑到植物种类的多样性,将盖度与多样性指数、丰富度指数、均匀度指数作为布设措施时需要考虑的因素,并逐年进行补植。该研究为比较相应措施的水土保持效益打下基础,从而为北京山区生态安全的研究提供一定理论基础。

黄土堆积体植物篱减沙效益与泥沙颗粒分形特征研究

为探究植物篱措施对工程堆积体边坡的减流减沙效益及其对侵蚀泥沙颗粒分形维数的影响,以堆积体未防护边坡为对照,以不同放水流量对不同坡度堆积体植物篱防护边坡进行了放水冲刷试验。结果表明:与对照相比,植物篱边坡初始产流时间滞后100~500 s,其产流率、产沙率整体均较小,产流率在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱减流效率在4%~60%之间,减沙效率范围在15%~50%之间,减流减沙效率均随坡度和放水流量的增加呈幂函数形式减小;各处理侵蚀泥沙颗粒中粉粒均占主导地位,黏粒次之,砂粒含量最少。与对照小区相比,植物篱防护边坡侵蚀泥沙砂粒体积分数降低,黏粒和粉粒体积分数升高;黏粒富集率增加,砂粒富集率减小,泥沙颗粒分形维数增大。分形维数与黏粒和砂粒体积分数之间均呈极显著线性相关,侵蚀泥沙颗粒分形维数主要由黏粒体积分数决定。

香根草植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀的影响

紫色土坡地是三峡库区水土流失的主要来源,严重影响着三峡工程的运行安全。植物篱是三峡库区坡地的重要水土保持措施之一,具有明显的减流减沙效益,然而植物篱地上及地下部分对坡面侵蚀的影响尚不明确。为此,该研究通过设置2个坡度(15°和25°)、2个降雨强度(60和120mm/h)和3个坡面条件(裸坡对照、植物篱和仅有植物篱根系),开展人工降雨试验,分析各试验条件下初始产流时间、径流量和侵蚀量的变化特征。结果表明:植物篱、地下部分和地上部分的平均减沙效益分别为75.59%、29.45%、46.13%,是对应的平均减流效益的4.79、4.60、4.92倍;地上部分和地下部分延缓初始产流时间、减流和减沙平均贡献率分别为48.28%和51.72%、62.25%和37.75%、60.44%和39.56%,表明植物篱对减沙作用更明显,且地上部分对产流产沙的影响大于其地下部分。以上结果加深了香根草植物篱对坡地侵蚀过程影响的理解,可为三峡库区紫色土坡地水土流失防治提供科学依据。

黄土丘陵沟壑区流域景观格局调控与减水减沙效益

以小流域为单元进行景观格局的调控,是探索流域水土保持措施分布格局及评价治理效益的一条重要途径。以甘肃黄土丘陵沟壑区吕二沟流域为研究实例,应用地理信息系统建立流域数字高程模型,与土地利用格局图叠置运算,进行综合分析。结合利用“水保法”,计算出土地利用景观格局调整后,水土保持措施的减水、减沙效益,比未调整前分别提高了20．36％和21．55％。

草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益分析

研究草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙效益对科学评价草被防止土壤侵蚀的作用有重要科学意义。采用模拟降雨试验,分析了草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益。结果表明,草被与森林植被一样,能有效防止土壤侵蚀。当草地地面覆盖达90%时,草被拦蓄径流效益达90%以上,而基本上无侵蚀发生。草被地上部分(茎枝+枯落物)拦蓄径流效益为23.7%,其中茎枝部分拦蓄径流效益为9.0%和枯落物层拦蓄径流效益为14.7%,减少泥沙效益为44.6%;草被地下部分土壤体拦蓄径流效益为72.7%,拦蓄泥沙效益为55.4%。

岷江上游森林对紫坪铺工程与都江堰灌区的影响

本文利用自建的森林流域水文模型分析计算了龙门山地区的森林水文效应规律，并得出该区森林径流效应为正效应和森林洪峰效应为负效应的结论．在此基础上，评价了岷江上游地区森林水文效应对紫坪铺水库和都江堰灌区的影响，认为森林有助于提高工程与灌区的兴利效益与抗洪能力，河工措施与生物措施结合治理岷江势在必行．