人工模拟降雨条件下坡面侵蚀特性的模型试验研究

工程斜坡体水土流失主要由水力侵蚀的导致,为研究土壤侵蚀的水动力过程,通过足尺模型试验,人工模拟降雨条件下不同降雨强度和坡度对坡面侵蚀特征的影响。试验结果表明,坡度由15°增大至53°、降雨强度由50 mm/h上升至100 mm/h时:①坡面初始产流时间减小,径流强度曲线以指数型增长,坡度与径流强度成负相关,这是由于雨滴打击作用致使降雨初期径流强度缓慢增长,后快速增大至峰值;②由于径流作用,径流含沙量前阶段出现短时间减小,随后恢复增大趋势,且降雨强度和坡度增幅越明显,径流含沙量越大,两者交互作用大于单指标对径流含沙量的影响程度,这是由于雨滴击溅作用加强了水流对泥沙的迁移能力,进而增大了径流含沙量,且产沙量与径流量的关系密切,径流强度直接影响产沙量的大小,两者的增长趋势成正相关;③坡面侵蚀最先产生细沟,细沟侵蚀导致产沙量快速增加,随着降雨历时的推移,侵蚀类型最终发展为浅沟、切沟,并成为侵蚀产沙的主要方式,这是由于雨滴打击作用促进了侵蚀沟的发育,增强了径流对颗粒的分选能力,从而增加了细粒土的流失。     

Br-在不同黏粒含量非饱和土中运移的试验研究

研究了Br-在不同黏粒含量非饱和土中的入渗及残留特征。结果表明:1)随黏粒含量的增加,Br-溶液湿润锋的初始运移速率不断减小,运移速率达到平衡的时间变长,平衡运移速率变小,穿透土柱的时间变长。2)随着黏粒含量的增加,同一深度处的土柱中Br-残留量明显上升;在相同土柱中,Br-残留量随土柱深度的增大先增大后减小;当黏粒含量小于25%时,Br-残留量的峰值出现在土柱5/8深度处,随着黏粒含量的增加,Br-残留量峰值的出现位置略有上升。     

山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征

掌握降水及降雨侵蚀力的时空分布和演变特征对于揭示区域气候变化规律,有效预防和科学评估水土流失等环境问题具有重要意义。基于34个气象站点1961—2015年的降水日值数据,采用降雨侵蚀力计算模型、Mann-Kendall检验、小波分析和Kriging空间插值等研究方法,分析研究了山东省内山地、丘陵和平原等不同地形区的降水和降雨侵蚀力时空变化特征。结果显示：近55年间,全省及各地形区的降水量和降雨侵蚀力均呈波动下降趋势,年内分配均集中在夏季,降雨侵蚀力在时间尺度上存在25年左右的变化周期。空间上,降水和降雨侵蚀力均呈现鲁中南山区＞胶东半岛丘陵区＞鲁西北平原区;分界线由东北至西南沿福山—莱阳—淄博—定陶等站呈“S”型贯穿山东省,界线东南侧降雨侵蚀力高,西北侧降雨侵蚀力较低。其原因主要是受海拔和地形的影响,东南季风携带湿润气流受胶东半岛丘陵及鲁中南山地的阻挡抬升,致使“S”型分界线东南侧迎风面降水及降雨强度相对较高;西北侧背风面形成焚风效应,降水及降雨侵蚀强度较低。该结果可为山东省水土流失空间特征分析奠定数据基础,同时为区域水土资源利用与调控及生态环境保护与改善提供决策支撑。     

鄂西北房县降雨侵蚀力的研究

雨滴高度对色斑直径有一定影响,实验率定色斑直径和雨滴直径的关系为d=0.478D0.610,依此作为研究滤纸色斑法的基础.根据从房县径流实验小区获得的2002-2005年的降雨和径流资料,建立了该地区R指标的最佳组合为E30·I30及R值与降雨量的关系,以月R值=2.766Pi 1.151为最好.     

太行山脉不同量级降雨侵蚀力时空变化特征

基于太行山脉及其周边地区76个气象监测站点1954-2016年逐日降雨数据,建立了基于不同量级侵蚀性年降雨量模拟年降雨侵蚀力的简易模型,并采用气候倾向率、小波周期分析、重心模型、Co-Kriging插值、Mann-kendall非参数趋势检验以及突变分析等方法,分析了不同量级降雨侵蚀力时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1）太行山脉地区年降雨侵蚀力简易模型为y=0.182x₁^1.095+5.463x₂^0.982+9.401x₃^1.017+15.258x₄-26.753,且多年降雨侵蚀力呈小幅上升趋势,10年间上升了2.4 MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1,同时存在约20年的主周期和6年的小周期变化,并在1996年发生显著突变;中雨和大雨侵蚀力63年间均呈上升趋势,而暴雨和特大降雨侵蚀力呈下降趋势;春秋两季主要受中雨和大雨侵蚀力的影响,而夏季则主要受特大降雨侵蚀力的影响。（2）太行山脉地区各量级降雨侵蚀力最大值主要分布于太行山脉东南部以及五台山地区,最小值主要分布于地区的东北部;运用重心模型发现各量级降雨侵蚀力重心在春夏季节整体向东部以及东北部地区进行迁移,而秋冬季节则向南部以及西南地区迁移,形成一个循环,且与冬夏季风的控制时间相符。（3）太行山脉地区不同量级降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量均呈显著正相关（P<0.01）,大雨和特大降雨侵蚀力分别与纬度、海拔呈显著负相关（P<0.05）,这主要与副热带高压移动、地形、海拔以及自然地理环境等因素有关。     

黄土丘陵区不同有机碳背景下侵蚀坡面土壤呼吸特征

以黄土丘陵区5个不同有机碳背景的坡面S型小区(坡顶为对照区、坡中为侵蚀区、坡脚为沉积区)为研究对象,通过对土壤呼吸速率的动态观测,分析坡面不同类型区土壤呼吸特征及其与土壤温湿度、有机碳和坡位的关系.结果表明,土壤温度的变化对沉积区土壤呼吸影响较大,土壤湿度的变化对侵蚀区土壤呼吸影响较大.有机碳是影响土壤呼吸的首要因子,可解释土壤呼吸变异的54.72%;其次是土壤湿度、坡位和土壤温度,分别可解释土壤呼吸变异的18.86%、16.13%和10.29%.侵蚀对坡面土壤呼吸的影响具有明显的原位和异位效应,侵蚀导致坡面侵蚀区土壤呼吸减小了21.14%,沉积区土壤呼吸增大了21.93%.侵蚀坡面土壤碳排放的源汇效应与有机碳水平有关,当土壤有机碳含量大于6.82 g·kg-1时,坡面侵蚀趋向于碳汇过程;当有机碳含量小于3.03 g·kg-1时,坡面侵蚀趋向于碳源过程.文中模型可以较好地反映有机碳和土壤温湿度与土壤呼吸的关系.     

模拟降雨条件下沉积物对磷的富集机理

通过模拟降雨径流实验，在７２ｍｍ／ｈ的大暴雨备件下，研究侵蚀性颗粒从土壤中的径流流失过程及其对磷的富集作用和机理。结果表明，深积物中不同粒长团聚体的组成和原来土壤中的组成有很大差异。径流流失的沉积物主要以０．２５ｍｍ以下的团聚体为主，径流中８０％以上的磷以颗粒态形式流失，而颗粒态磷的６０％－９０％随０．１ｍｍ以下的团聚体流失。不同粒径团聚体对磷的富集作用和富集系数不同。模拟实验建立了沉积物富集系数     

降雨资料时间序列长度对降雨侵蚀力平均值置信度的影响

降雨资料时间序列长度是计算多年平均降雨侵蚀力过程中的重要不确定性因素.论文以中国601个气象站1980-2009年逐月降雨资料为数据源,利用Wischmeier经验公式计算了各气象站逐年降雨侵蚀力(R因子),用简单随机抽样方法抽取样本容量分别为30 a、 20 a、 10 a和5 a 四种不同的R值样本,计算了R平均值相对允许误差10%和25%条件下抽样估计的置信度.结果表明:降雨资料的时间序列长度对R平均值的估计置信度有显著影响;R平均值置信度存在明显的地域差异,长江以南、 青藏高原东部以及河西走廊南部的祁连山地区置信度较高;在降雨资料有限的情况下,必须根据土壤侵蚀研究的精度要求分析R平均值的抽样误差及其置信度,以保证土壤侵蚀定量预报的客观性与准确性.     

人工模拟降雨条件下黄土坡面水-沙-氮磷流失特征

黄土坡沟水沙及养分流失严重,不仅造成土地生产力下降,对水环境也存在潜在威胁.为探索黄绵土坡面水沙氮磷流失相关关系,采用人工模拟降雨试验,研究不同雨强（45、60、75、90、105、120 mm/h）、不同坡度（5°、10°、15°、20°、25°）下黄土裸地水沙氮磷的流失规律.结果表明:①产流量可用坡度的二次多项式表达,确定系数（R2）达0.83以上,产沙量随雨强变化规律不明显,但随坡度增加呈显著增加趋势.②各雨强下,25°与5°坡面的ρ（TN）比值范围为1.63~5.42,波动较大,而ρ（TP）随坡度的增加基本呈增加趋势,但整体数值低于ρ（TN）.③各雨强下ρ（吸附态氮）随降雨历时的延长呈剧烈起伏变化;大雨强（105和120 mm/h）下ρ（吸附态磷）随降雨历时的延长逐渐减少至稳定值,其他雨强下ρ（吸附态磷）随降雨历时的延长呈现波动增加.各雨强与坡度下,ρ（吸附态氮）与ρ（吸附态磷）分别占ρ（TN）、ρ（TP）的60.66%、96.62%,是黄土裸坡氮磷的主要流失形式.④随水沙流失的氮磷中,TN占主要部分,其流失量是TP流失量的1.43~22.46倍,径流量增加时TN流失量显著增加,而产沙量增加时TP流失量显著增加.研究显示,雨强和坡度变化对水沙氮磷流失影响各异,吸附态氮磷是黄土养分流失的主要途径,可为黄土坡耕地水土流失治理提供科学依据.      

黄土高原清水河流域土地利用/覆盖和降雨变化对侵蚀产沙的影响

近50 a来,在气候变化和生态恢复与治理工程实施的背景下,黄土高原的侵蚀产沙特征发生了明显的变化。以黄土高原典型中尺度流域清水河流域(面积436 km2)为研究对象,利用1959、1986、2007年的土地利用解译结果和1960—2005年该流域实测输沙和降水资料,采用非参数Mann-Kendall趋势分析法和滑动t检验法研究了该流域年输沙量、降雨量的变化趋势和突变点,并与通用土壤流失方程相结合分析了该流域土地利用和降雨变化对输沙量变化的贡献率。结果表明:该流域年输沙量47 a间有显著的下降趋势,突变点位于1980年;降雨量没有明显的趋势性变化,极端降雨指数下降。降雨因素对输沙量减少的贡献率为9.89%,土地利用的贡献率为90.11%,土地利用变化中工程措施淤地坝的贡献率为5.56%,植被变化的贡献率为84.55%。该流域47 a间乔木林地面积增加了944.27%,灌木林地增加了19.33%,表明清水河流域林地面积增加是导致输沙量减少的主要原因。     

降雨条件下岩溶地下水微量元素变化特征及其环境意义

对降雨期间青木关岩溶地下河水的化学特征进行连续监测,获取了Ba、Sr、Fe、Mn、Al这5种微量元素及其他常量元素质量浓度的高分辨率数据.运用相关性分析和浓度变化曲线分析微量元素来源及其迁移路径,并结合流域地质背景探讨地下河微量元素变化特征的形成过程.研究发现,Ba和Sr元素为碳酸盐岩溶解的产物,储存于岩石裂隙、孔隙等介质中,经扩散作用进入地下河,质量浓度变化较小;而Fe、Mn、Al均来源于土壤,其中Fe、Al元素主要通过落水洞直接进入地下河,而Mn则通过土壤-岩石多孔介质补给地下河,三者浓度变化很大,对降雨响应强烈.结果表明,5种微量元素质量浓度均低于1 mg·L-1,Fe、Mn、Al元素最高质量浓度均超过饮用水限值.地下河Al、Fe元素质量浓度变化在一定程度上指示着水土流失和水质变化状况,因此有必要加强落水洞附近的环境保护和治理,从源头控制污染源.     

1960—2014年松花江流域降雨侵蚀力时空变化研究

基于松花江流域及其邻近61个气象站1960—2014年逐日降雨数据,采用Mann-Kendall非参数趋势检验、小波周期分析和地统计插值方法,分析流域内不同地形区和子流域年降雨侵蚀力时空分异特征及其影响因素。结果表明：1）松花江流域多年平均降雨侵蚀力为1 717.6 MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1,呈波动变化趋势,存在以15.2 a为主周期和4.7 a为小周期的周期性变化特征,且在1982和1998年发生显著突变;2）松花江流域降雨侵蚀力空间分布特征与降雨量分布特征基本一致,自东南向西北递减,与东南季风的影响区域相吻合;流域年降雨侵蚀力变化趋势呈现明显的区域分异,在流域西北地区年降雨侵蚀力呈增加趋势,而在中部平原区的东北部和西南部呈现下降趋势;3）年降雨侵蚀力随地形的变化表现为东部丘陵山地区>中部平原区>西部山地区。在东部丘陵山地区年降雨侵蚀力与经度、纬度显著相关（P<0.01）,而在中部平原区和西部山地区降雨侵蚀力与海拔、经度和纬度关系不甚明显;4）流域内各子流域年降雨侵蚀力存在明显分异,年降雨侵蚀力在各子流域的变化趋势表现为从第二松花江流域到流域中游再到嫩江流域呈依次降低趋势,其分布特征与降雨量的分布一致,各子流域年降雨侵蚀力均呈不显著的降低趋势。     

自然降雨下蔬菜地土壤侵蚀及氮素流失特征

为探究自然降雨下露天蔬菜地土壤侵蚀及氮素养分流失特征,基于径流小区原位观测试验,设置叶菜类和果菜类这2种处理,测定次降雨下不同类型蔬菜地坡面地表径流、侵蚀及其氮素(铵态氮和硝态氮)流失量,探讨露天蔬菜种植坡面土壤侵蚀及氮素流失特征及影响因素.结果表明：(1)果菜类(茄子-辣椒)蔬菜地的地表径流、侵蚀量及铵态氮、硝态氮流失量显著高于叶菜类(油麦菜-红薯叶),是后者的1.27～2.00倍.不同处理下第二季蔬菜坡面地表径流、侵蚀及其铵态氮和硝态氮流失占总流失量的50.86%～68.83%,是第一季蔬菜的1.03～2.04倍.蔬菜地坡面地表径流、侵蚀及其氮素流失集中在6月和7月,地表径流和侵蚀泥沙中氮素主要以地表径流中的硝态氮形式流失.(2)次降雨下,不同处理蔬菜地坡面地表径流、侵蚀及其养分流失在蔬菜生长期内呈波动变化,且流失量主要集中在几场典型降雨.整体上不同处理下第一季蔬菜地表径流和侵蚀泥沙中硝态氮和铵态氮流失量及含量低于第二季蔬菜,果菜类地表径流、侵蚀量及铵态氮、硝态氮流失量高于叶菜类.(3)蔬菜地坡面地表径流、侵蚀及其铵态氮和硝态氮流失量与降雨量和最大30 min降雨强度等降雨参数呈极...     

不同雨强条件下太湖流域典型蔬菜地土壤磷素的径流特征

以太湖流域典型区域无锡市近郊区鸿声镇的蔬菜地为研究对象,采用人工模拟降雨的方法,通过野外径流小区试验,研究了不同雨强对菜地土壤磷素径流流失的影响.结果表明,初始产流时间随雨强的增大呈幂函数减小(R²=0.99),径流量在雨强较小时,缓慢上升,但随着雨强的增大急剧上升,在雨强0.83、1.17和1.67 mm·min^-1时,总磷(TP)和颗粒态磷(PP)都表现为初始流失浓度较高,随降雨历时延长略有下降,最终趋于稳定,而在大雨强2.50 mm·min^-1时,TP和PP呈现波浪式起伏,没有明显的变化趋势;在整个降雨-径流过程中,溶解态磷(DP)变化比较平缓,占TP的比例为20%～32%,而PP占TP的比例为68%～80%,其变化规律与TP相一致,由此可见,PP是土壤磷素流失的主要形态;通过对比不同雨强下不同形态磷素的流失率,发现TP的流失率,大雨强2.50 mm·min^-1是小雨强0.83 mm·min^-1的20倍,而DP的流失率,却是33倍,这表明随着雨强的增加,加速土壤PP流失的同时,也大大促进了DP的流失,主要原因是降雨前表施磷肥,使得磷肥中大量的无机态磷溶解释放到水环境中,增加了DP的流失,从而会加重受纳水体富营养化的程度.     

六盘山林区几种土地利用方式土壤呼吸时间格局

测定分析了六盘山林区典型的天然次生林[灌木林、山杨(Populus davidanda dode)林和辽东栎(Quercesliaotungensis koiz)]林、农田、草地和人工林[13a、18a和25a华北落叶松(Larix principis-rupprechtil mayr)]土壤呼吸时间格局.结果显示:随着温度升高,土壤呼吸速率逐渐升高,温度最高值在13:00～15:00点钟、最低值在凌晨4:00～8:00点钟,土壤呼吸速度最高和最低值也在这个时间范围.5～10月,土壤呼吸速率呈现增加而又降低的趋势,在8～9月达最大值,10月下降,这种变化主要与土壤温度变化基本一致.农田和草地土壤呼吸速率的昼夜或月变化幅度比天然次生林和人工林中大,且农田和草地土壤呼吸速率在昼夜或月变化中的最高值比天然次生林和人工林高、最低值比天然次生林和人工林低.天然次生林土壤年呼吸量平均在3.96～4.51 t/(hm²·a)、农田在1.91 t/(hm²·a)、草地在5.08 t/(hm²·a)、人工林在4.11～5.55t/(hm²·a).结果说明天然次生林变成农田或草地后,将使土壤呼吸速率的昼夜或月变化幅度增大,而农田或草地上造林后又将使这些变化幅度减小.另外,土地利用变化也将使土壤的年呼吸量改变.     

模拟降雨试验研究神东矿区不同阶段堆积弃土的水土流失

选择了神东矿区内坡度范围在30°～35°之间,弃土时间分别为2002～2003年、2000～2001年、1998～1999年、1996～1997年、1994～1995年、1992～1993年、1990～1991年以及原状土共计8个试验区进行强度为1.5和2.5mm·min-1的土壤侵蚀模拟试验.经过数据处理,获得了16场降雨的累积产沙曲线;利用统计软件SPSS11.5进行因子分析,确定了影响土壤侵蚀的主要因子为弃土堆积时间和土壤的植被覆盖度.结果表明,不同阶段弃土具有明显不同的抗侵蚀能力;随着堆积时间的增加,弃土的植被覆盖度和抗侵蚀能力都有较明显的提高;弃土时间超过7a的地区植被和抗侵蚀能力都有较好的恢复,而堆积时间超过10a的弃土基本达到原状土土壤的抗侵蚀水平.     

冻融循环条件下武汉红土物理力学性质试验研究

2008年我国南方出现了历史上罕见的"低温雨雪冰冻"天气,由于土体冻融破坏,产生了很多地质灾害。而在土体冻融过程中,温度和含水量具有重要的影响。通过对取自武汉市汉阳地区的红色黏土进行不同含水量下的冻融循环试验,并连同原状土一起,进行了一系列土体物理性质和工程力学性质变化规律的研究,以验证冻融过程对土体强度的影响。     

水分调控下旱地土壤中毒死蜱的消解研究

为探讨水分调控下旱地土壤中毒死蜱的消解特性,通过盆栽试验及通径分析方法,研究了不同水分条件下旱地土壤中毒死蜱消解速率及其与土壤性质之间的关系.结果表明:①土壤中毒死蜱的消解速率随时间的延长而逐渐减缓,并且不同水分条件下土壤中毒死蜱的消解速率不同,施药45 d后,5个水分处理（20% FC、40% FC、60% FC、80% FC和100% FC,表示田间持水量依次为20%、40%、60%、80%和100%）下毒死蜱的消解率分别为65.58%~85.56%、70.71%~89.64%、76.30%~95.33%、72.53%~97.60%和70.57%~90.80%,其中以80% FC下的消解速率最快,60% FC下次之.②一级动力学方程能较好地描述土壤中毒死蜱的消解过程（R2>0.88）,消解速率常数（k）最大为0.099 0 d-1.③土壤中毒死蜱的消解速率与w（有机碳）、w（DOC）（DOC为可溶性有机碳）和w（MBC）（MBC为微生物量碳）均呈显著相关.通径分析结果显示,水分条件的改变致使土壤中w（有机碳）、w（DOC）和w（MBC）发生变化,进而对土壤中毒死蜱的消解速率产生较大影响.④大豆、玉米和小麦根际土壤中毒死蜱消解速率均快于非根际土壤,根际土壤中毒死蜱消解速率表现为大豆土壤（0.099 0 d-1）>玉米土壤（0.080 6 d-1）>小麦土壤（0.069 6 d-1）.研究显示,改变土壤水分含量可有效调节土壤中毒死蜱的消解,并为农业生产中毒死蜱的安全施用提供参考依据.      

不同降雨条件下植被对绿色屋顶径流调控效益影响

植被是绿色屋顶的重要组成部分,可通过截留雨水和蒸散耗水等过程影响绿色屋顶的径流调控效益.本文基于太阳花(Portulaca grandiflora)、佛甲草(Sedum lineare)、高羊茅(Festuca elata)和无植被等4种植被覆盖类型绿色屋顶2017年雨季26场降雨径流过程的监测数据,从径流和洪峰削减、产流和峰现时间延迟四方面定量分析植被在不同降雨条件下对绿色屋顶径流调控效益的影响.结果表明,绿色屋顶径流削减率与降雨量呈显著负相关(P 0. 01),降雨量10 mm时,绿色屋顶径流削减率等于或接近100%;降雨量超过30 mm,所有绿色屋顶的径流削减率降低到70%以下;当降雨量达到监测期内最大的81. 4 mm时,各绿色屋顶径流削减率都低于55%.植被覆盖类型对绿色屋顶径流调控效益的影响随降雨条件而改变,大雨条件下不同植被覆盖类型绿色屋顶的径流削减率差异最大,中雨和暴雨条件下次之,小雨条件下因各绿色屋顶几乎都不产流而无明显差异.在中雨、大雨和暴雨条件下,有植被覆盖绿色屋顶的径流削减率、洪峰削减率、产流和峰现时间延迟等4个指标都明显优于无植被覆盖的绿色屋顶.株高和单位面积地上生物量最高的太阳花绿色屋顶的径流调控效益优于佛甲草绿色屋顶.