我国东南典型侵蚀区坡地磷素流失机制模拟研究

为了研究侵蚀区坡地坡面径流和壤中流磷素流失特征,以浙江省湖州市安吉县花岗岩风化母质上发育的红壤为研究对象进行人工模拟降雨试验.结果表明,坡面径流和壤中流中的总磷流失浓度、总磷流失量均随着降雨强度的增大而增大,随着降雨强度的增大产流初期坡面冲刷效应显现;坡面径流总磷流失量所占每场降雨总磷流失量百分比分布在51%~92%;坡面径流总磷流失浓度在整个过程中波动幅度很大;坡面径流中总磷流失浓度在坡度25°下最高,壤中流中的总磷流失浓度在坡度8°下最高;坡度8°下坡面TP流失量最大,坡面总磷流失量受坡面径流量和雨强影响极显著(p0.01);壤中流总磷流失量较小,受雨强影响极显著(p0.01);磷素流失以坡面径流流失为主,壤中流流失为辅,磷素主要以颗粒态通过坡面径流流失,以溶解态通过壤中流流失.     

不同雨强下黄土裸坡水-沙-氮磷流失耦合模拟

采用室内人工模拟降雨试验研究6种雨强3种坡度下黄土裸露坡面水沙及氮磷养分流失规律.结果表明：1）降雨强度与土壤入渗速率,坡面产流产沙量的线性拟合决定系数均大于0.8,有较好的正相关关系;2）25°黄土坡面下：NO₃^--N初始浓度较高,随降雨历时呈波动性减少,具有明显的初期冲刷效应;NH₄⁺-N初始流失浓度由90mm/h雨强下0.6057mg/L增至120mm/h的1.3076mg/L,但其浓度随降雨历时均不断减小;TN流失浓度在雨强为90,105和120mm/h时分别为0.6056,0.8011和1.3076mg/L,随雨强增大而增大;TP初始流失浓度在105mm/h时最大,90mm/h时最小,且不同雨强下TP流失浓度相互交错,不稳定;3）养分流失与坡面产流量具有较强的线性相关性,与产沙量呈显著的幂函数关系.15°坡面时,氮素流失在6种雨强下均以颗粒态为主,平均约占72%,但在雨强增大过程中,颗粒态所占比例先减少后增加;而磷素流失颗粒态所占比例均大于90%,与降雨强度和坡度均没有直接关系.     

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.      

稻草覆盖对赣南稀土尾渣坡面产流产沙的影响

生物覆盖措施能显著降低敏感脆弱带及裸露坡地水土流失,且具有成本低、见效快等特点,适合在矿区推广.为研究稻草覆盖对稀土尾渣坡面水土流失过程的影响,采用人工模拟降雨试验,对比研究不同雨强（60和90 mm/h）和不同稻草覆盖度（0%、50%和100%）条件下稀土尾矿地表产流、产沙情况.模拟降雨试验在位于江西省九江市德安县的江西省水土保持生态科技园开展,不同雨强采用西安清远测控技术有限公司设计的QYJY-503人工模拟降雨系统进行控制.结果表明:雨强为60 mm/h时,50%和100%稻草覆盖度处理坡面径流开始时间分别比0%稻草覆盖度坡面延迟46%和91%;雨强为90 mm/h时,延迟幅度分别为3.0和4.8倍.0%、50%和100%稻草覆盖度条件下稀土矿渣坡面单位时间产流量分别在产流开始后6、31和41 min达到稳定值.60 mm/h雨强条件下稀土矿渣坡面1 h总产流量呈现0%稻草覆盖度> 100%稻草覆盖度> 50%稻草覆盖度（P < 0.05）,而90 mm/h雨强条件下则为0%稻草覆盖度> 50%稻草覆盖度> 100%稻草覆盖度（P < 0.01）.雨强为60 mm/h时,50%和100%稻草覆盖度稀土矿渣坡面土壤侵蚀量分别比0%稻草覆盖度坡面降低73.46%和84.53%;而雨强为90 mm/h时,2种措施土壤侵蚀量降幅分别为54.83%和72.14%.研究显示,稻草覆盖措施可以有效降低矿区土壤坡面径流、泥沙产量.      

坡度和植被盖度对河岸坡面侵蚀产沙特征的影响

坡度和植被盖度是影响坡面土壤侵蚀的重要因子,探讨坡面土壤侵蚀产沙对坡度和植被盖度的响应,对坡面土壤侵蚀产沙的预测和调控具有重要意义。研究基于野外模拟径流冲刷试验,分析了不同坡度（5°、10°、15°、20°）和植被盖度（0、15%、30%）条件下坡面径流系数、泥沙量、时段径流含沙量和侵蚀泥沙粒径组成的变化过程,并运用双因素方差分析和相对贡献指数阐明黄河下游河岸坡面侵蚀产沙特征对坡度和植被盖度交互作用的响应。结果表明：不同植被盖度下坡面径流系数随冲刷历时增加而增加,在冲刷历时前5 min增幅较快,之后增幅变慢并趋于平缓;坡面径流含沙量随冲刷历时呈逐渐下降趋势,随后趋于平缓。坡度小于15°时,不同植被盖度之间的径流系数和时段径流含沙量差异较为明显,坡度大于15°后差异减小。侵蚀产生的泥沙量随冲刷历时和坡度的增加而增加;在同一坡度上,植被覆盖越低,侵蚀产生泥沙量越大。侵蚀泥沙的主要富集粒级中,Dx(10)以粉粒为主,Dx(50)以粗粉粒和极细砂粒为主,Dx(90)以极细砂粒和细砂粒为主。双因素方差分析表明,坡度对河岸坡面侵蚀产生的径流系数、产沙量和径流含沙量均有极显著影响（P<0.001）,植被盖度对产沙量和径流系数有极显著影响（P<0.001）,而坡度和植被盖度的交互作用仅对径流系数有显著影响（P<0.01）,同时相对贡献指数表明,在坡度和植被盖度对坡面侵蚀产沙的交互作用中,植被盖度的作用随坡度的增加逐渐减弱,而坡度的作用逐渐增强,并成为影响坡面水土流失的主导因素。     

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.     

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。     

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。     

PAM对不同坡度坡地产流产沙及氮磷流失的影响

聚丙烯酰胺(PAM)是一种高效土壤改良剂,能影响土壤入渗、产流及溶质迁移、淋失.通过人工模拟降雨试验,研究了5°、15°和25°3个坡度水平下PAM对黄土高原沟壑区黑垆土坡地土壤侵蚀及氮磷流失情况的影响.结果显示:施加PAM后增加了5°和15°坡面的总产流量却减少了25°坡面的总产流量;PAM组初始产沙量较大,8 min以后,施加PAM组与对照组产沙速率出现差异并开始降低,表明施用PAM的起作用时间约为8~10 min,5°、15°和25°3个坡度的减沙率分别为38.2%、3.7%和53.9%.PAM对3个坡度径流中磷浓度有减小作用且不受坡度变化的影响,对5°和15°坡面铵态氮浓度影响不明显,但对25°坡面铵态氮浓度有明显减小作用,此外,PAM的施用能降低铵态氮初始流失浓度.施加PAM能影响土壤水分的再分配过程并减少3个坡度坡面硝态氮和磷的向下淋失.施加PAM后,5°、15°和25°坡面磷流失总量显著减少,减小幅度分别为77.6%、64.5%和85.1%;径流硝态氮流失总量随着坡度的增加先增加后减少,在15°~20°之间存在改变PAM对硝态氮影响作用的转折坡度值,PAM处理后的硝态氮流失量与径流量在0.05水平上显著相关,相关系数为0.998;PAM能够显著减少陡坡25°坡面溶解态铵态氮的流失量,减少幅度为60.1%.该项研究结果可为当地PAM的合理有效施用和提高水分及养分利用率提供科学指导.     

Effects of land-use pattern change on rainfall-runoff and runoff-sediment relations: a case study in Zichang watershed of the Loess Plateau of China

The purpose of this article is to identify the effect of land-use pattern on rainfall-runoff and runoff-sediment relations in Zichang Watershed of the Loess Plateau. From 1986 to 1997, many farmlands changed into grassland or woodland, especially the farmland in steep slope positions or far away from the river. The change of land-use pattern altered the rainfall-runoff and runoff-sediment relationships, and led to higher slope of trend curves(STCs) of annual rainfall-runoff mass curve and runoff-sediment mass curve in 1990s than that in 1980s. It is implied that more soil and water loss yielded in 1990s. In order to reduce soil loss, more attentions should be paid to land-use pattern and some grass or other herbaceous filter strips should be built along rivers.     

不同类型植被河岸缓冲带对模拟径流及总磷的消减研究

在九龙江上游北溪流域,选择杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)、红花檵木(Loropetalum chinense var.rubrum)、红叶石楠(Photinia fraseri)3种植物及原生撂荒杂草地,构建对照(A)、草本(B)、灌草(C)和灌木(D)4种不同处理的植被缓冲带,通过模拟不同浓度面源污染下的农田径流,探讨不同植被组合对径流量及总磷的消减效果.结果表明:各缓冲带不同植被对径流量及总磷的消减效果均表现为草本灌草灌木,其中,草本缓冲带对径流量的消减率最高,达到86.93%,在高、低浓度进水时对总磷浓度的消减分别为95.20%、80.69%;4种不同植被缓冲带对总磷浓度的消减效果随缓冲带宽度的增加均出现上升的趋势,其中,前半段消减效果最佳,后半段消减趋势减缓;高浓度污染进水条件下缓冲带对总磷的消减效率高于低浓度进水;4种缓冲带对磷总量的消减量分别为27.70、28.02、28.06和26.94 g.研究成果可为九龙江上游河岸缓冲带建设及流域氮磷污染率治理和生态评价提供科学示范及理论依据.     

雨强和坡度对裸地径流颗粒物及磷素流失的影响

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强（0~100mm/h）和坡度（0°~10°）条件下,北方砂壤土裸地降雨径流中颗粒物（SS）、总磷（TP）、颗粒态磷（PP）的流失量及径流污染物之间的相关关系,并分析了雨强和坡度对污染物流失量的影响.研究结果表明,雨强和坡度越大,SS和TP流失量越大;径流中SS与TP、TP与PP的单位面积流失量呈显著线性相关关系（R²>0.946）;在实验条件范围内,雨强对颗粒物及磷素流失量的影响比坡度更显著;径流中颗粒物及磷素单位面积流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系,相关系数大于0.911,由于0°裸地和有坡度裸地的下渗及产流情况差异较大,在模拟雨强和坡度对颗粒物及磷素流失量影响时需分别考虑.结果可为我国北方砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素单位面积流失量的估算提供计算方法和科学依据.     

坡度和降雨影响土壤CO2通量和有机碳流失的模拟研究

坡度和降雨是影响土壤侵蚀发生和发展的重要因素,分析二者对土壤CO_2通量变化的影响,有助于深入理解侵蚀条件下土壤和大气CO_2之间交换的机理.选取黄土高原典型侵蚀性土壤黄绵土,于中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅,研究不同坡度(5°、15°和25°)、降雨强度(30、60和90 mm·h-1,即I30、I60、I90)及历时(0.5、1和1.5 h,即H0.5、H1、H1.5)下土壤CO_2通量变化.结果表明:同历时和雨强下,坡度显著影响土壤CO_2通量变化(p0.001),且各坡度下土壤CO_2通量呈现出5°15°25°的趋势,但5°与15°之间差异未达到显著水平,而25°坡度下土壤CO_2通量较5°、15°下显著下降(16.3%~36.5%,10.8%~27.1%);同坡度和历时(H1)下,随着雨强的增加,土壤CO_2通量呈现下降的趋势,相较I30雨强下,I60、I90雨强下对应坡度的土壤CO_2通量降低了2.3%~14.3%,但差异均未达到显著性水平;同坡度和雨强(I90)下,随着历时的增加,土壤CO_2通量也表现出降低的趋势,H1、H1.5历时下,土壤CO_2通量相较H0.5下降1.7%~20.9%,历时对土壤CO_2通量影响达显著性水平(p0.1);土壤CO_2通量的变化与坡面SOC流失量呈线性负相关关系(R2=0.69~0.77,r=-0.83~-0.88,p≤0.1).SOC的流失是导致坡面土壤CO_2通量降低的重要因素.     

不同降雨特征下缓冲带水分及TN分配规律

以3种典型植被缓冲带为研究对象,基于现场监测、质量平衡、相关分析等方法,探明缓冲带水分分配与降雨、土壤因子的关联性,确定水分及总氮(TN)污染负荷去除分配系数.结果表明,径流与降雨量呈高度正相关(0.980～0.987,P<0.01),渗流与降雨量、降雨历时呈显著正相关(0.595～0.828,P<0.01).植被缓冲...     

不同水肥管理对太湖流域稻田磷素径流和渗漏损失的影响

于2010和2011年在太湖流域开展了为期2年的田间定位试验,对2种灌溉模式(常规连续淹灌与干湿交替节灌)和4种施肥管理(不施氮、常规尿素、控释BB肥与树脂包膜尿素)条件下稻田田面水和渗漏水总磷(TP)、溶解态磷(DP)和颗粒态磷(PP)浓度的动态变化及磷素径流和渗漏损失进行了研究.结果表明:田面水TP和DP浓度变化趋势相同,均在施肥后1 d达到最高值,之后急剧下降;渗漏水TP和DP浓度变化趋势也相同,均在施肥后7 d达到最高值,然后逐渐下降.PP是田面水磷素的主要形态,DP是渗漏水磷素的主要形态.节灌降低了田面水和渗漏水磷浓度但对DP/TP影响不大,同时降低了TP径流流失量(24.7%~57.4%)和渗漏淋失量(21.0%~25.3%).施氮增加了田面水和渗漏水的磷浓度,也导致了更高的TP径流和渗漏损失.与常规尿素相比,控释BB肥提高了田面水和渗漏水的磷浓度及TP损失量,而树脂包膜尿素降低了田面水和渗漏水的磷浓度和TP损失量.综上,干湿交替节灌结合树脂包膜尿素施用能有效降低稻田磷素径流和渗漏损失,削减农业面源污染.     

Spatial and temporal variation of nitrogen exported by runo from sandy agricultural soils

The eutrophication problem has drawn attention to nutrient leaching from agricultural soils, and an understanding of spatial and temporal variability is needed to develop decision-making tools. Thus, eleven sites were selected to monitor, over a two-year period, spatial and temporal variation of runoff discharge and various forms of N in surface runoff in sandy agricultural soils. Factors influencing the variation of runoff discharge and various forms of N in surface runoff were analyzed. Variation of annual rainfall was small among 11 sites, especially between 2001 and 2002. However, variation of annual discharge was significant among the sites. The results suggest that rainfall patterns and land use had significant effect on discharge. The concentrations of total N, total kjeldahl N （TKN）, organic matter-associated N （OM-N）, NO3- -N, and NHn＋-N in the runoff ranged widely from 0.25 to 54.1, 0.15 to 20.3, 0.00 to 14.6, 0.00 to 45.3, and 0.00 to 19.7 mg/L, respectively. Spatial and temporal variations in the N concentration and runoff discharge were noted among the different sites. Annual loads of N in the runoff varied widely among monitoring sites and depend mainly on runoff discharge. High loads of total N, OM-N, NO3--N, and NHn＋-N in the runoff either in citrus groves or on vegetable farms occurred from June to October for each year, which coincided with the rainy season in the region. This study found that N in surface runoff was related to rainfall intensity, soil N level, and fertilizer use.