模拟降雨条件下侧柏林地枯落物对坡面产流产沙的影响

以北京山区人工侧柏林地坡面为研究对象,基于2个2m×5m径流小区,设枯落物覆盖自然坡面与裸露坡面2种处理、大小2种雨强(126,70mm/h),通过对比分析2种处理下坡面产流产沙过程,揭示林下枯落层覆盖对北京山区坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)与裸坡相比,枯落物覆盖自然坡面产流产沙分别减少了67.0%和90.6%,其中,减沙效益大于减水效益。(2)无论是枯落物覆盖自然坡面还是裸坡,坡面产流过程均表现为先增大后趋于稳定的变化规律,但枯落物覆盖坡面产流趋于稳定的时间较裸坡有所提前。(3)枯落物覆盖坡面70,126mm/h降雨平均产沙速率分别为2.8,80.8g/min,裸坡分别为51.4,872.7g/min,枯落物覆盖坡面产沙率显著小于裸坡(p0.05)。当地表有枯落物覆盖时,产沙速率与含沙量随产流历时均波动变化不大,坡面产沙是一个基本稳定的过程;于裸坡而言,产沙速率与含沙量在小雨强条件下呈现先增加后趋于稳定的变化规律,而大雨强条件下,两者随产流历时先急剧增加后波动降低。(4)枯落物覆盖坡面产沙量与产流量为线性关系,而裸坡产沙量随产流量的增加呈幂函数急剧上升。研究结果可为评价北京山区人工林恢复水土保持效益提供理论依据,同时增进了对北京山区林地坡面产流产沙机制的认识。     

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。     

地面覆盖条件下雨强和坡度对红黏土坡面侵蚀过程的影响

为揭示地面覆盖条件下第四纪红黏土坡面在不同雨强和坡度时的侵蚀变化规律,选取3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min)和3个坡度(10°,15°,20°),通过人工模拟降雨试验,分析坡面产流、产沙、入渗特征,并以15°为例计算覆盖坡面的减流减沙效益。结果表明:(1)坡面产流时间随雨强和坡度增加而提前,覆盖对产流时间有明显的滞后作用,雨强的增加会削弱覆盖延缓产流的作用;坡面径流率呈现前期增长,后期趋于稳定的变化特征;(2)当坡度一定,雨强从1.0 mm/min增加至2.0 mm/min,累积侵蚀量增加1.89～2.96倍;雨强一定,坡度从10°增加至20°,累积侵蚀量增加1.91～3.45倍;(3)坡面初始入渗率和入渗总量随坡度的增加而减小,而雨强的增大会增加坡面初始入渗率,减少入渗总量;(4)15°条件下覆盖坡面的径流量和泥沙量较裸坡平均减少50.26%和95.31%,松针覆盖的水土保持效益显著,且减沙效应大于减流效应;(5)坡度对覆盖坡面累积产流量和累积产沙量的影响程度大于雨强,不同雨强、坡度下累积径流量与累积产沙量呈现幂函数关系(R~20.97)。研究结果可为南方红壤丘陵区林下水土流失治理与生态恢复提供参考。     

黑土区坡耕地不同秸秆还田方式的水土保持效果分析

为了揭示黑土区坡耕地不同秸秆还田方式的水土保持效果，基于野外原位坡耕地人工模拟降雨试验，以传统顺坡垄作处理为对照，分析50，100 mm/h降雨强度下3种具有代表性的秸秆还田方式（秸秆深还、秸秆碎混和免耕+残茬覆盖）对坡耕地产流产沙过程、径流量、侵蚀量及其减流减沙效益的影响。结果表明：（1）不同秸秆还田方式的产流率皆随降雨量的增加而增大，产流率和产沙率大小均表现为顺坡垄作 > 秸秆深还 > 秸秆碎混 > 免耕+残茬覆盖。（2）与顺坡垄作相比，50，100 mm/h降雨强度下，秸秆还田处理分别延缓产流时间14.0，4.8 min，产流时间的滞后可以体现秸秆还田措施的水土保持效果。（3）秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖处理的平均减流效益分别为36.8%，53.9%，65.8%，平均减沙效益分别为84.9%，90.3%，96.8%。可见，免耕+残茬覆盖方式的水土保持效果最好，其次为秸秆碎混和秸秆深还。     

黄丘区野外坡面产流产沙过程对不同植被覆盖结构的响应

植被覆盖结构是影响坡面侵蚀过程的重要因素,通过在黄丘区罗玉沟流域开展自然植被覆盖坡面野外模拟降雨试验,分析了90 mm/h雨强条件下地下根系、地下根系+地表结皮层和地下根系+地表结皮层+植被冠层3种不同覆盖结构对坡面产流产沙过程影响。结果表明:植被根系层次对增强土壤入渗起主导作用,使土壤入渗量增加67%,稳定入渗率增加39.7%;3种植被覆盖结构中,地表结皮层对产流和产沙具有最好的调控作用,减流贡献率和减沙贡献率分别为43%和67%;根系小区和裸地小区累积产流量与累积产沙量之间呈幂函数关系,随着植被覆盖结构的叠加,累积产流量与累积产沙量之间呈线性函数的关系;多层次植被覆盖结构能够延长坡面侵蚀过程的发育期,缩短活跃期。研究结果对定量评价植被措施的减水减沙作用具有重要意义。     

黄土丘陵区不同植被恢复阶段下的暴雨产流产沙研究

采用空间代替时间的方法,通过野外人工模拟降雨试验,对安塞县马家沟不同恢复年限的自然恢复草地、人工柠条林地和人工刺槐林地下的产流时间、径流率、产沙强度、产流产沙量的变化规律及相关关系进行研究,并以耕地为对照对各自的减流减沙效益进行分析。结果表明,初始产流和结束产流时间均随恢复年限的增加而增加,但增加的幅度变小;退耕年限是影响自然恢复草地和人工柠条林地坡面产流产沙的一个重要因素,且只对人工刺槐林地的产沙过程产生影响;不同恢复阶段的累计径流量(Qw)和累计产沙量(Qs)随降雨历时(t)变化的规律均满足Qw(Qs)=c+at+bt2的函数形式,而累计产沙量和累计产流量之间的相互关系可通过幂函数Qs=aQwb的关系式来反映;各恢复阶段的减沙效益都大于减流效益,自然恢复草地和人工柠条林地具有直接拦沙的水土保持功效,而人工刺槐林地的蓄水减沙作用更为突出。     

香根草植物篱带宽对紫色土坡地产流产沙的影响

为研究植物篱篱带宽度对紫色土坡地产流产沙过程的影响,寻求有效控制水土流失的最优植物篱带宽度,采用人工模拟降雨试验对3种篱带宽度(20,30,40cm)、不同雨强(30,60,90mm/h)下的紫色土坡地产流产沙过程进行研究。结果表明:(1)植物篱能有效延缓紫色土坡面产流时间,坡面产流量与篱带宽度能拟合为二次方程(R2=0.99)。随篱带宽度的增大,流速减小,且篱带内部的流速下降最明显,流速变化曲线波动幅度变小。(2)植物篱在产沙过程前期有效抑制坡面产沙量的增长,坡面产沙量随篱带宽度的增大而减少,且当雨强为30,90mm/h时,二者拟合的二次方程R2达到0.99。(3)篱带宽度对产流、产沙量的影响均为极显著。30mm/h雨强下、宽度为30cm的篱带可达到显著的减流减沙效益,是能有效控制水土流失的最优植物篱带宽度。     

覆沙坡面径流冲刷试验研究

通过室内模拟冷冻和放水冲刷试验,采用2个放水流量(1,2L/min)、2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3cm)研究不同处理对覆沙黄土坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)相同流量条件下,覆沙坡面初始产流时间延长,随着覆沙厚度的增加,延长效果越明显,而冻融作用使坡面初始产流时间缩短;不同处理坡面的产流产沙峰值均增大,并且产流量与产沙量的峰现时间具有不同步性。(2)不同流量条件下,不同处理坡面总产流量是对照坡面的1.02~1.28倍,冻结坡面和冻结-覆沙坡面的总产流量与对照坡面有显著差异(p0.05),坡面总产沙量是对照坡面的1.97~10.94倍,冻结坡面、对照-覆沙坡面和冻结-覆沙坡面的总产沙量与对照坡面有显著差异(p0.05)。(3)不同流量条件下,相同处理坡面产流强度随产流时间变化趋势大致相同,裸坡坡面产沙强度随着产流时间的变化趋势较为平稳,而覆沙坡面产沙强度波动程度较大,覆沙是影响坡面产沙过程的主要因素;相同流量条件下,不同处理坡面产流强度大致分为"快速上升-相对稳定"和"相对稳定"两种变化趋势。(4)相同流量条件下,裸坡坡面的产流强度受冻融作用的影响较大,冻融和覆沙处理对产沙强度的影响均较大,冻融作用在裸坡条件下对产沙过程的影响大于覆沙坡面,覆沙坡面在土壤未冻结的情况下对产沙过程的影响大于在土壤冻结的情况。     

秸秆覆盖对三峡库区坡面侵蚀的影响

[目的]分析农作物秸秆不同覆盖处理对坡面产流、产沙影响,为三峡库区坡耕地水土保持措施优化提供技术支持。[方法]利用人工模拟降雨技术,分析了5种不同雨强下不同秸秆覆盖处理的径流、泥沙过程。[结果]坡面覆盖秸秆能推迟坡面初始产流。在小雨强时,秸秆覆盖推迟初始产流显著,但随着雨强的增加,推迟初始产流的作用降低。在坡面下坡段覆盖秸秆推迟初始产流效果优于在坡面上坡段覆盖秸秆。对于产流产沙而言,在坡面上坡段覆盖秸秆与无覆盖差异不显著,但在坡面下坡段覆盖秸秆时径流模数和侵蚀模数为无覆盖的61.57%~69.1%和14.54%~18.31%,且减少地表径流和泥沙流失效果优于在坡面上坡段覆盖。秸秆覆盖后土壤流失比(SLR)介于0.022~0.611之间,且随着覆盖率的增加而降低,在坡面下坡段覆盖秸秆SLR值在上坡段的1/4。[结论]合理选择农作物秸秆在坡面覆盖的坡位及覆盖度,能有效降低坡面产流与侵蚀产沙,产生较好的水土保持效应。     

黔西喀斯特区秸秆覆盖对坡耕地产流产沙特征的响应

基于2018-2019年野外径流小区定位观测资料,以玉米单作无秸秆覆盖处理(M0)为对照,探索了玉米单作处理和不同秸秆覆盖量(M1~M5,1111,2222,3889,5556,6944 kg/hm^2)对贵州省黔西喀斯特区坡耕地产流产沙特征的影响。结果表明:(1)不同降雨等级下,秸秆覆盖具有较好的水土保持效果,并随覆盖量的增加,产流、产沙总量逐渐减少,但M4与M5处理之间无显著差异(p>0.05);(2)玉米苗期—拔节期各处理产流和产沙量大于后2个阶段,并且各阶段各覆盖处理产流产沙均低于对照;(3)秸秆覆盖对地表产流产沙影响显著,与对照相比,年均径流深减少21.85%~50.46%,土壤侵蚀模数减少50.10%~85.87%;(4)随着秸秆覆盖量的增加,各处理产流、产沙呈下降趋势,但当秸秆覆盖量超过5556 kg/hm^2后,继续增加秸秆至6944 kg/hm^2时,水土保持效果变化不明显。秸秆覆盖是控制喀斯特地区坡耕地水土流失的有效途径,6000 kg/hm^2左右的覆盖量即可起到较好的水土保持效果。     

北京山区河岸植被的水土保持效益

通过野外简易径流小区的放水冲刷试验,研究北京山区河岸带不同植被类型水土保持效果差异。试验设计4,6,8L/min 3种上方来水流量以及6种植被类型小区坡面,冲刷历时31min,试验过程收集径流泥沙样,分析不同径流小区的产流产沙特征。结果表明:(1)各植被类型小区平均总产流产沙量(43.29L/m~2,0.71kg/m~2)均显著小于裸坡下平均总产流产沙量(65.86L/m~2,3.21kg/m~2)(p0.05)。植被具有明显的减流减沙效益,且减沙效益(78.66%)大于减流效益(36.16%);(2)不同植被类型间减流减沙效果不同,随着放水流量的上升,坡面产流速率、产沙速率不断上升,其中以狗牙根小区平均产流速率(6.16L/min)、平均产沙速率(55.50g/min)最小,水土保持效益较好;(3)不同植被类型小区稳定入渗速率差异显著(p0.05),均大于裸坡条件下的稳定入渗速率(42mm/h),其中以狗牙根小区坡面的径流稳定入渗速率最大(129.0mm/h)。综上所述,植被具有明显的蓄水保土效益,且不同的植被类型间减流减沙效果差异显著。研究结果为北京山区河岸带进行生态环境安全建设以及生态修复提供了基础理论依据,并且为河岸边坡的植被修复物种选择提供了参考依据。     

工程堆积体坡面不同植被格局的控蚀效果研究

为探明不同植被格局对工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀的影响,采用10,20,30 L/min 3种放水流量,对黄土区不同格局（裸坡、坡顶、坡中、坡底、条带）下的高陡边坡（32°,20 m×1 m）进行模拟放水试验,选取径流率、产沙率、减流效益、减沙效益等因子对堆积体坡面植被的控蚀效果进行分析。结果表明：3种放水流量下,条带、坡顶、坡中、坡底的平均径流率较裸坡分别减小57.33%,61.17%,41.62%,24.78%,平均产沙率较裸坡分别减小74.99%,61.10%,55.01%,46.43%,且径流率与产沙率的线性关系（R²=0.57~0.80,p<0.01）整体上弱于裸坡（R²=0.71,p<0.01）。不同植被格局中,条带及坡顶格局的减流效益分别是65.97%,60.52%,减沙效益分别为71.44%,57.22%,二者的控蚀效果远高于其他格局。产沙率与径流功率的线性相关性（R²=0.61~0.83,p<0.01）高于径流剪切力（R²=0.29~0.76,p<0.01）,径流功率能更好地反映堆积体坡面土壤侵蚀机制。     

草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响

径流含沙量的大小体现水沙关系的消长和演变，可以作为评价植被影响下径流和产沙的交互演变过程特征的重要指标。通过人工降雨试验，研究不同草被覆盖度变化在不同雨强和不同坡度条件下对黄土坡面径流含沙量的综合影响特征。结果表明：(1)草被盖度越大，坡面径流的初始产流时间越滞后。有草被覆盖坡面的径流含沙量随降雨历时变化为降雨前15 min有波动，但总体上呈降低趋势，之后达到稳定，且有草被覆盖坡面的径流含沙量显著低于裸地。(2)径流平均含沙量均随雨强和坡度的增大而增大，平均含沙量对雨强和坡度的响应均可用幂函数方程描述，R²分别为0.823～0.974和0.880～0.971。随着盖度的增加，平均含沙量降低，且雨强对平均含沙量的影响随盖度的增加而减弱。平均含沙量对盖度的响应可用线性方程描述，R²为0.732～0.979。(3)径流平均含沙量对盖度和雨强(R²=0.822,NE=0.921,p<0.01)及对盖度和坡度(R²=0.975,NE=0.697,p<0.01)的响应关系皆可用二元幂函数方程描述，径...     

工程堆积体产流产沙及水沙效益对植被近地表特征的响应

针对陡坡工程堆积体水土流失严重的问题,通过野外模拟降雨试验开展植被不同近地表特征对堆积体产流产沙和蓄水减沙效益特征影响的定量研究。选择土石混合堆积体（10%砾石质量分数,坡度30°）作为工程侵蚀下垫面的典型代表,并以裸坡（bare slope, BS）为对照,定量分析了植被在3种近地表特征条件下（完整植株（intact grass,IG）,不含叶（not leaf,NL）,只含根系（only root,OR））对堆积体产流产沙特征和蓄水减沙效益影响。结果表明：1）植被在IG条件下延缓坡面径流发生使其较BS滞后,效益达50.74%～188.98%,但不完整植被（NL、OR）会加速径流发生使其较BS提前2.19%～70.12%;2）植被在NL和OR下的瞬时径流率比IG增大0.20%～185.58%,在降雨强度1.8 mm/min的瞬时径流率甚至比BS高1.20%～169.10%;植被在IG和NL条件下瞬时侵蚀速率比BS减少0.91%～98.71%,但在降雨强度达到1.8 mm/min时OR条件下甚至增大侵蚀使其比BS高6.76%～75.63%;3）随降雨强度增大,植被在NL和OR条件下的减沙效益由95.18%和68.31%分别递减至46.58%和-68.13%,但对IG下的减沙效益影响小（效益差异＜2%）,平均蓄水效益随降雨强度增大而减小。不同堆积体水沙呈显著线性相关（R²在0.40～0.88）,且径流率达到4 L/min会显著改变植被对堆积体坡面防护效益。提出开展堆积体生态修复时选择冠层丰富的植被,同时要避免外部因素对植被造成损害。研究结果对于揭示植被防护扰动边坡侵蚀机制具有重要意义,可为堆积体植被修复提供实践指导。     

模拟降雨条件下崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系

[目的]研究崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系,为崩岗治理提供理论基础与科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,探讨不同覆盖度(0%,25%,50%,75%,100%)和坡度(25°,30°,35°)组合坡面在90mm/h雨强条件下的产流产沙时空特征及其响应关系。[结果]不同覆盖度和坡度条件下,坡面产流时间的变化范围在33~292s;同一坡度条件下,坡面产流时间与覆盖度呈线性正相关关系;同一覆盖度条件下,坡面产流时间与坡度呈幂函数关系。通过双因素方差分析可知,坡度对径流量的影响达到极显著水平,覆盖度对产沙量的影响达到显著水平。当坡度为25°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为50%;当坡度为30°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为75%;当坡度为35°时,坡面径流量的临界覆盖度为50%。[结论]针对不同坡度崩积体坡面,可以选择合适的秸秆覆盖度以达到较好的水土保持效果。     

植被空间配置对凸型坡侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

针对黄土高原水土流失严重的问题,结合该地区缺水的现状,在有限的植被措施条件下,以凸型坡为研究对象,将草带布设在上坡面5种不同位置,利用室内放水冲刷试验对不同植被空间配置下坡面侵蚀过程和泥沙颗粒分选特征进行了研究,阐明了植被能够有效发挥水土保持功效的作用,并初步提出在低植被覆盖度下植被发挥水土保持功效的最优植被空间配置。结果表明:(1)不同植被空间配置的产流强度Cv值为10.26%～15.50%,产流强度的波动程度较小,其中配置A的产流强度与配置B和配置F的产流强度表现为显著性差异(p0.05),不同植被空间配置的产沙强度Cv值均在26.00%以上,配置A的产沙强度与其他配置的产沙强度均表现为显著性差异(p0.05),在坡面布设草带对产沙过程的影响大于对产流过程的影响;(2)在凸型坡的上坡面种植植被后,总产流产沙量与裸坡(配置A)相比均有不同程度的降低,其中配置F的减水效益达到19.65%,配置B的减沙效益高达70%以上;(3)不同植被空间配置下泥沙颗粒平均重量直径(MWD)的平均值表现为配置A配置F配置D配置E配置C本底物配置B,MWD的平均值随着产流时间的延长逐渐稳定并接近于本底物,在有植被覆盖坡面的水力侵蚀条件下,侵蚀颗粒以细颗粒为主,粉粒含量较高,砂粒含量相对较小,并且植被布设位置距离坡顶越远更容易侵蚀0.002～0.05 mm的粉粒。研究结果有助于加深植被空间配置对坡面侵蚀产沙作用机理的理解。     

秸秆覆盖红壤径流养分流失效益及径流剪切力影响研究

采用模拟降雨试验的方法,研究秸秆覆盖条件下红壤侵蚀效益及动力影响因素。模拟降雨强度2.0mm/min,坡度20°,径流小区(长1.5m,宽0.5m,深0.3m)条件下,供试土壤为赤红壤。结果表明:(1)秸秆覆盖减流效益达到69.3%,减沙效益达到99.2%;明显提高土壤的入渗速率,渗透效益达到了32%,秸秆覆盖有较好的水土保持效益。(2)秸秆覆盖有效减少径流总氮、径流溶解态氮、径流颗粒态氮、径流总磷、径流溶解态磷、径流颗粒态磷的流失,减少径流中氮流失效益均达到74%以上,减少径流中磷流失效益均达到78%以上,径流中元素流失均以溶解态氮磷元素大于颗粒态氮磷元素,秸秆覆盖减少径流中磷养分流失的效益大于氮养分的流失效益。(3)建立单位面积单位时间径流剪切力和产沙率、径流总氮、径流溶解态氮、径流颗粒态氮和径流总磷、径流溶解态磷、径流颗粒态磷流失速率的模型,初步推断径流剪切力是土壤侵蚀的主要动力因素。(4)秸秆覆盖和未覆盖的临界启动径流剪切力分别为2.8N/m2和1.5N/m2。