初始含水率和降雨能量对黑土团聚体溅蚀特征的影响

[目的]为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法]选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果](1)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均在初始含水率4%时最大,其中初始粒径<0.25 mm团聚体溅蚀量是相同降雨能量下各粒径团聚体溅蚀量的1.21~5.50倍。随初始含水率的增加各初始粒级团聚体溅蚀量呈减小趋势,而初始含水率>25%后则呈增大现象。(2)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均随降雨能量的增加而增大。相较于降雨能量305 J/(m^(2)·h)(1 m)条件,当降雨能量增加至909 J/(m^(2)·h)(5 m)时,不同初始粒径团聚体溅蚀量分别增加15.37~20.70(<0.25 mm),52.30~417.60(0.25~1 mm),51.58~359.36(1~3 mm),68.73~777.99倍(3~5 mm)。不同初始粒径黑土团聚体溅蚀量存在明显的阈值,当降雨能量达到529 J/(m^(2)·h)(2 m)以上时,不同降雨能量梯度下的溅蚀量存在显著差异。(3)降雨能量是影响溅蚀量的关键因素。降雨能量对溅蚀量的直接效应为0.811,存在显著正向影响,且相关程度最高;初始含水率和团聚体初始粒径的直接效应分别为0.193和0.352,存在显著负向影响。[结论]研究结果可为东北黑土区坡面土壤侵蚀过程机制研究和土壤侵蚀机理模型构建提供科学依据。

雨滴击溅下表土孔隙变化及其对入渗能力的影响

为探究雨滴击溅下土壤结构与入渗能力的变化规律,为雨滴击溅下土壤侵蚀状况预测提供参考,以黄土高原褐土为对象,基于雨滴击溅试验、土壤渗透试验和同步辐射CT扫描方法,对降雨条件下表土孔隙结构与土壤渗透能力的关系进行了分析。结果表明:①雨滴击溅导致土壤总孔隙度和渗透系数显著降低(P<0.05)。2.67、3.39和4.05 mm直径雨滴击溅后土壤的总孔隙度分别降低了20.64%、36.05%和44.88%,土壤渗透系数分别降低了15.69%、40.42%和71.77%。雨滴击溅后土壤孔隙的碎片化程度加剧,导致孔隙形状更不规则,连通性降低。②土壤孔隙大小、形状和连通性对土壤渗透能力有显著影响(P<0.01):孔隙越大,形状越规则,对土壤渗透能力的影响越大。从孔隙连通性角度看,土壤连通孔隙的孔喉半径和孔隙率对入渗能力的影响程度最大。基于以上分析,建立了土壤渗透系数(K)与总孔隙度(P_(T))、大孔隙率(P_(lp))、规则孔隙率(P_(rp))、连通孔隙率(P_(cp))和孔喉半径(R_(th))的预测模型:K=0.402P_(T)+0.104P_(lp)+0.1401P_(rp)+0.350P_(cp)+0.003R_(th)-0.415,R^(2)=0.93,P<0.05。综上可见,雨滴击溅通过改变土壤孔隙的大小、形状和连通状况,导致土壤孔隙结构破坏,从而降低了土壤入渗能力。

降雨驱动下红壤团聚体的溅蚀特征及周转过程

[目的]研究降雨驱动作用下土壤团聚体受雨滴打击发生破碎和形成的过程,丰富土壤侵蚀研究机理。[方法]基于稀土元素示踪法,对各粒径土壤团聚体同时进行标记。在90 mm/h降雨溅蚀条件下,通过各粒径土壤团聚体(2~5 mm,0.25~2 mm,0.053~0.25 mm,<0.053 mm)在不同降雨特征参数(降雨历时、雨滴大小)下的质量变化和稀土元素含量变化,定量分析了团聚体间的周转路径和溅蚀颗粒特征。[结果]降雨驱动作用下,溅蚀量和溅蚀率会随着降雨动能的增加而变大,溅蚀颗粒主要分布于0.25~2 mm粒径范围内;除>2 mm的颗粒为大团聚体直接飞溅产生,<0.25 mm粒级溅蚀颗粒均主要源于大粒级团聚体破碎形成,最高可达到73.83%,其次为该粒级直接被击飞形成,同时会有小粒级颗粒吸附黏结形成;在残余团聚体的动态周转过程中,主要是相邻级别的团聚体间形成和破碎过程占比较高,其中大团聚体破碎产生小团聚体和粉黏粒团聚形成小团聚体分别对原粒级团聚体的破碎和形成方向的贡献率较高,分别达到24.06%~42.15%和36.83%~70.76%,且随着降雨时间的变化,大团聚体首先破碎成小团聚体,再逐级破碎成更小粒级的团聚体,未参与动态周转的团聚体比例会逐渐下降。[结论]降雨溅蚀不断驱动土壤团聚体的周转过程,并对溅蚀特征产生较大影响,未来应引入土壤营养物质迁移研究,完善土壤侵蚀过程定量模型。

不同初始含水率黄土雨滴溅蚀试验

降雨特性、土质类型及其改良措施是影响土壤侵蚀的重要因素,为了给黄土高原地区土壤侵蚀防治及相关研究提供参考,以延安地区某边坡上更新统原状黄土为研究对象,制备原状、干燥、增湿3种圆柱体试样(初始含水率分别为14.5%、4.5%、33.6%),试验方案为2个雨滴直径(3.0、5.0 mm)、3个雨滴频率(10、50、100滴/min)、雨滴落差1000 mm、降雨历时60 min,利用自行设计的单雨滴溅蚀试验平台进行不同初始含水率黄土的雨滴溅蚀试验,结果表明:1)随着降雨历时延长,雨水从雨滴降落点不断向四周渗透扩散,在雨滴连续击溅作用下试样表面形成由小到大、由浅变深近似圆形的溅蚀坑;溅蚀坑深度随降雨历时延长而增大、随降雨强度提高而增大,不同初始含水率黄土试样溅蚀坑深度随降雨历时的变化趋势基本一致,大致可分为快速增长、持续强化、稳定渐变3个阶段。2)相同初始含水率条件下,试样溅蚀破坏直径和溅蚀扩散直径随降雨强度提高而明显增大;相同降雨强度条件下,干燥试样雨水入渗量和入渗范围较大,增湿试样溅蚀坑内的薄层积水使雨滴溅蚀破坏减弱;小雨情况下初始含水率较高的土体易被溅蚀,而强降雨情况下初始含水率较低的干土易被溅蚀。3)溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的2.1~3.3倍,溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径和溅蚀量(体积)受土体初始含水率影响显著。

冻融作用对坡面侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

为了探究冻土和解冻土对水力侵蚀的影响,利用室内模拟降雨试验对冻土和解冻土两种坡面的坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特征进行了研究。结果表明:在降雨条件下,相对于解冻坡面(TS),冻土坡面(FS)的产流时间提前了173s,而产流量、产沙量分别增加了9%和105%;两种坡面侵蚀过程中的土壤颗粒平均重量直径(MWD)大小次序均为溅蚀颗粒>径流冲刷泥沙颗粒,且冻土坡面溅蚀颗粒及冲刷泥沙颗粒MWD均显著大于解冻土坡面(p<0.05);随着降雨进行,解冻土坡面侵蚀泥沙中的黏粒、细粉粒含量呈先迅速增大后减少的趋势;粗粉粒和砂粒含量则呈先减小后增大的趋势,侵蚀泥沙逐渐向粗颗粒发展;而冻土坡面各粒级颗粒随时间变化相对稳定。研究成果可为进一步揭示冻融作用下坡面水力侵蚀机理提供一定的参考依据。

模拟降雨条件下黑土溅蚀与团聚体分选特征

以典型黑土耕地表层土壤为对象．通过对溅蚀量、水稳性团聚体组成、团聚体平均重量直径（MWD）以及团聚体富集率（ER）等指标的测定、计算与分析，研究了人工模拟降雨条件下典型黑土溅蚀过程中团聚体粒级分布及其分选特征。结果表明：溅蚀盘内不同收集区域（上坡、下坡）溅蚀量及净迁移量均与溅蚀距离呈显著指数递减关系，R^2值达0．8344～0．9911；土壤团聚体富集率的变化幅度范围为0．00～1．79，溅蚀对团聚体产生富集作用与损耗作用的临界粒级为1．0mm溅蚀颗粒土壤水稳性团聚体组成上表现出在水平空间上随距离的增加，小粒级团聚体比例逐渐增加的趋势，2～5mm粒级的团聚体只出现在上坡的0～5cm和下坡的0～10cm范围之内，1～2mm粒级的团聚体在上坡的最大分布距离仅为28cmMWD变化幅度为0．32～O．80mm，并随溅蚀距离的增加而减少，其中下坡10～17cm范围内的MWD分别与0～10cm和17～40cm范围内MWD的差异达到显著水平（P〈0．05）。研究结果为进一步系统研究黑土侵蚀发生规律与水土流失治殚提供了参考。

溅蚀研究进展

溅蚀是水蚀的初始阶段,是雨滴对地表击打直接作用的结果,是一个动能减少,地表土壤颗粒发生位移的过程。溅蚀主要发生在坡面产生径流之前和刚产生径流时,是水蚀的主要形式之一。国内外学者对溅蚀的影响因素的研究主要集中在降雨特征、土壤特性以及地形因素等方面,其中主要影响因子包括:坡度、降雨特征、植被覆盖和土层结构。溅蚀量随坡度的增大逐渐增多,但是坡度超过临界坡度时,随坡度增大而减小;随降雨强度和雨滴大小增大而增大;地表植被对降雨有直接的再分配的过程,主要表现为截流、透流和干流3方面,当地表覆盖物超过1cm时,溅蚀可以完全消失;不同级配的土壤颗粒抗溅蚀能力不同,粒径在0.15mm附近的颗粒最容易被溅蚀,溅蚀同时随着土壤结皮厚度增大,土壤抗溅蚀能力增强。然而目前国内外对溅蚀的研究主要是在实验室模拟条件下完成的,较少有野外实地的研究,更缺乏在实际农业生产条件下的研究。所以需要在前人的基础上结合我国有些地方坡耕地较多的情况,在不同作物、作物生产方式和土地耕作方式等条件下,探讨坡耕地溅蚀规律。

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。

土壤侵蚀与地表坡度关系研究

本文阐述了坡度影响土壤侵蚀机理，并对土壤侵蚀临界坡度进行了初步探讨，分析其存在的原因，指出临界坡度与土壤内在性质、植被、泥沙粒径、降雨特性、入渗等因素有关，并不是一个常数。最后结合小区径流场试验资料分析了坡度对土壤侵蚀的影响。

降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响

选用黄土高原地区的安塞黄绵土、绥德黄绵土、杨陵粘黄土、杨陵农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验 ,研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响。结果表明 :土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数 ;将降雨动能与雨滴中数直径的乘积 ( Ed50 )定义为降雨溅蚀力 ,降雨溅蚀力与溅蚀量呈线性相关关系。降雨溅蚀力是降雨潜在溅蚀能力的反映 ,对溅蚀降雨侵蚀力因子的研究有一定参考价值 ;溅蚀总量随降雨历时的增加而增加 ,而溅蚀率则随降雨历时的增加而减小 ,其变化过程可用幂函数描述 ;原状土的溅蚀量仅为其扰动土溅蚀量的2 2 %～ 3 0 % ,随降雨强度增大 ,雨滴打击力对土壤结构的破坏作用增强 ,使原状土与扰动土溅蚀量间的差异缩小。

裸地雨滴溅蚀对坡面微地形的影响与变化特征

为了探讨溅蚀作用与坡面微地形之间的相互关系,该文通过模拟降雨试验方法,研究了黄土区坡耕地无植被条件下雨滴对坡面微地形的溅蚀作用与变化特征。微地形由不同的耕作管理措施形成,包括锄耕措施、掏挖措施和等高耕作措施,以平整坡面为对照措施。降雨强度分别为60,90和120mm/h。试验小区大小为0.5m2。用溅蚀板测定坡面向下和向上2个方向的溅蚀量。利用激光扫描仪测定微地形,并结合GIS技术建立大比例DEM(分辨率2cm)。结果表明,在耕作管理条件下,坡面微地形具有降低坡面溅蚀量的作用。微地形的变化特征主要表现为微坡度的变化,而微坡向对溅蚀作用的变化不敏感。因此,微坡度可以作为研究雨滴溅蚀作用与微地形变化的一个反映指标。

聚丙烯酰胺(PAM)对黄土溅蚀的影响

采用人工模拟降雨方法,用摩根溅蚀盘测定土壤的溅蚀量,研究聚丙烯酰胺(PAM)对溅蚀的影响。结果表明,使用聚丙烯酰胺(PAM)会改变土壤的溅蚀速率,不同浓度PAM溶液对溅蚀速率的影响程度不同,而且随降雨历时的延长结皮对溅蚀速率的影响作用会占主导地位。一般来说,在降雨初期,由于PAM的聚合作用,使得土壤团聚体的稳定性增加,土壤溅蚀速率较小,随着时间的延长,溅蚀速率开始上升,但是当土壤表面开始发育结皮时,结皮的形成使土壤表面抗溅蚀的强度增强,土壤溅蚀速率减小。

前期土壤含水率对红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响

为了探究前期含水率对南方红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响，选取泥质页岩和第四纪红黏土发育的4个典型红壤为研究对象，就5个前期含水率（3％、5％、10％、15％、20％）条件下3～5mm团聚体水稳定性特征及其与溅蚀的关系进行了初步的探讨。结果表明，消散作用是团聚体破碎最有效的机制，土壤前期含水率越大，团聚体破碎程度越小。随着前期含水率的升高，泥质页岩发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径（MWDwa）显著增大；第四纪红黏土发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径（MWD。。）先增大后减小，拐点出现在含水率为15％条件下。泥质页岩发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高显著减小；第四纪红黏土发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高呈现先减小后增大的趋势，在含水率为15％时达到最小。团聚体水稳性较高的土样，溅蚀粒径分布呈双峰曲线分布，主要分布1～0．5和〈0．05mm范围内，且前期含水率越高，〈0．05mm溅蚀颗粒含量越大；而团聚体水稳定性较差的土样，除前期含水率为20％外，溅蚀粒径分布呈单峰曲线分布，主要分布在0．25～1mm。该结果为红壤区农业水土工程及机侵蚀机理研究提供一定的参考，对完善坡面水蚀模型具有一定的参考价值。

土壤结皮与降雨溅蚀的关系研究

在单雨滴和次降雨溅蚀实验的基础上 ,讨论了结皮土壤的溅蚀规律。通过与无结皮土壤的对比分析得知 ,两者的变化特征完全相同 ,但溅蚀量差异明显 ,即有结皮土壤的溅蚀量总是小于无结皮土壤 ,且两者溅蚀量的大小与坡度、前期含水率、雨滴直径、结皮厚度和降雨强度的因素有关 ,可用式 W =1.6915 S0 .1 777θ0 .4 6 6 7D0 .76 32 H- 0 .4 92 5和 W =0 .4 5 2 3 ( PI) 0 .7538S0 .1 450进行估算。

坡面土壤侵蚀产沙机理及数学模拟研究综述

国内 外在坡 面土壤侵 蚀的物理 过程模 拟模型研 究方面 已取得了 丰富的成 果。主要 对降雨 作用下 土壤侵蚀 的基本规 律及侵 蚀和产沙 的数 学模 拟研 究现 状作 了 简短 的综 述， 在总 结前人 工作的 基础上，提 出了今 后的发展 方向。

地表压实对雨滴溅蚀量的影响

雨滴击溅是坡面水力侵蚀的主要动力之一,溅蚀量多少直接受制于地表土壤状况。通过雨滴击溅实验,分析了雨滴直径、土壤密实度等对土壤溅蚀量的影响。结果表明:土壤密实度与土壤溅蚀量呈负相关,雨滴直径与土壤溅蚀量呈正相关;溅蚀量随着距溅蚀杯的距离的增大而减小,呈指数函数分布;溅蚀量受雨滴直径和土壤密实度的影响,其关系可用Ms=0.029d3.764.5ρ.128来描述。

模拟降雨下黄土表土结皮的侵蚀响应

基于室内模拟降雨实验,对比分析有表土结皮、无表土结皮表面的溅蚀、坡面侵蚀过程,探讨表土结皮的侵蚀响应。结果表明,表土结皮对溅蚀量的影响与降雨历时有关,在短历时降雨(<20min)下,因有表土结皮表面存在松散细小颗粒,其溅蚀量大于无表土结皮表面;降雨历时>20min时,有表土结皮表面的溅蚀量表现出明显大于无表土结皮表面的趋势。有表土结皮表面的入渗率明显低于无表土结皮表面,因产流与入渗有紧密关系,表土结皮进而影响产流时间、产流量和产沙量;与无结皮表面相比,有表土结皮表面的产流时间提早,产流量快速增加,产沙量递增,易于发育细沟侵蚀。

山杨林地枯落物层对溅蚀的影响

天然降雨下３０年生山杨林内溅蚀试验结果表明，当Ｉ＿（３０）（最大３０分钟雨强）为０．０７６ｍｍ／ｍｉｎ或Ｐ＿ｏ（林内降雨量）为３．３ｍｍ时，清除枯落物层林地发生溅蚀，在Ｉ＿（３０）为０．３５ｍｍ／ｍｉｎ或Ｐ＿ｏ为２５．５６ｍｍ时具１ｃｍ枯落物层的林地不发生溅蚀；从溅蚀月动态看出７、８月份占全年溅蚀量的６０％以上；在同一土壤和坡度条件下，Ｉ＿（３０）、Ｐ＿ｏ、Ｈ＿１（枯落物层厚度）是溅蚀发生的主要因素，且溅蚀量（Ｓ＿ｔ）与其呈二次多项式回归关系，但当枯落物层具有一定厚度时溅蚀与其他因素无关。溅蚀主要发生在清除枯落物层的林下，随枯落物层厚度增加，溅蚀量剧减，当枯落物层积累到１ｃｍ时防止土壤溅蚀量达９７．５０％。

油松林枯落物层防止溅蚀的研究

２８年生油松人工林内天然降雨的溅蚀试验结果表明，当Ｉ３０为０．０７ｍｍ／ｍｉｎ或Ｐ０为３．５７ｍｍ时，无枯落物层覆盖的林地发生溅蚀，当Ｉ３０为０．２５ｍｍ／ｍｉｎ或Ｐｏ为４５．８ｍｍ时，具１ｃｍ枯落物层的林地不发生溅蚀。从溅蚀月动态看出，７、８月份占全年溅蚀量的７０％以上。在同一土壤和同一坡度条件下，Ｉ３０、Ｐ０、Ｈ１是溅蚀发生的主要因素，且溅蚀量与其呈二次多项式回归关系。但当枯落物层具有一定厚度时溅蚀与其它因素无关。具有１ｃｍ厚的枯落物层即可防止土壤溅蚀量的７９．７％。

雨滴机械打击和消散作用对土壤团聚体的破坏特征

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,其稳定性是描述土壤抵抗侵蚀过程中破坏作用的重要指标。但溅蚀过程中,雨滴对团聚体的消散和机械打击两种破坏作用的相对贡献及其破坏机制尚未明晰。利用酒精和超纯水作为雨滴形成材料,模拟机械打击单独作用及消散和机械打击共同作用,分别在五个高度(0.5、1、1.5、2和2.5 m)对塿土和黄绵土进行溅蚀实验。结果表明:当降雨动能相同时,塿土的溅蚀率均小于黄绵土。同时,超纯水雨滴对土壤的机械打击和消散共同作用所导致的溅蚀率均大于酒精雨滴单一机械打击作用的溅蚀率。随着降雨动能增加,两种雨滴对两种土壤的溅蚀率均呈幂函数增加;团聚体因消散破坏作用和机械打击作用的溅蚀率均亦随之增加。但两种土壤的消散破坏作用和机械打击作用的贡献率分别随着降雨动能增加而减小和增加。在相同降雨动能时,塿土消散破坏作用的贡献率均大于黄绵土,而机械打击作用贡献率均小于黄绵土。研究结果对深入理解溅蚀过程中团聚体破坏机理及评价溅蚀过程中团聚体稳定性具有重要意义。