范文波[1]2001年在《坡耕地土壤结皮的成因及其作用研究》文中研究指明黄土结皮是黄土高原农耕地上广泛存在的一种自然现象，它在坡面降雨侵蚀过程中占有重要地位。本文以黄土高原南部坡耕地为对象，利用土壤学、侵蚀学、农学的原理和方法，采用室内人工模拟降雨和野外定位观测相结合，宏观试验和微观分析相结合的技术路线，系统地研究了坡耕地表土结皮的成因、特性及作用。 1.结皮的形成 有雨滴对地面的直接打击力，径流对地面的压力以及二者的交互作用，主要体现在对结皮坚实度、容重和厚度的影响上。从总效应看，降雨与径流的综合作用对结皮形成的作用强于降雨和径流单因子的作用，且降雨作用强于径流作用。2.结皮的物理特性主要体现在 （1）土壤结皮的机械组成以细砂和粗粉砂为主，但总量低于同种对照土壤；小于0.01mm的物理性粘粒结皮含量高于对照；（2）结皮有机质、碳酸钙的含量略低于无结皮土；（3）结皮强度与土壤含水率呈负相关与结皮厚度呈正相关，而平均容重降低；对于特定土壤，可以根据某一测量数值计算另一相应的数值。3.结皮的形成对土壤侵蚀产生很大的影响，主要表现为 （1）通过溅蚀研究发现，在单雨滴溅蚀情况下，结皮可减少土壤溅蚀量，随前期含水率、雨滴直径的变化均表现出如此规律，但随前期含水率、雨滴直径的增加，结皮影响减弱，溅蚀量都呈上升趋势，随厚度的递增溅蚀量逐渐减少。在场降雨试验中，小雨强情况下，结皮的抗蚀性相对增强，大雨强则相对减弱或作用不明显，仅延长溅蚀开始时间。（2）结皮具有降低降雨入渗促进地表产流的作用。在小雨强时，结皮影响作用显着，而大雨强，结皮影响微弱。结皮土壤的入渗过程在小雨强时可以分为叁个阶段（即初渗阶段、入渗减缓阶段、稳渗阶段），大雨强时，只有二个阶段（即入渗急剧下降阶段、稳渗阶段）。（3）结皮土壤的次降雨侵蚀效应明显。有结皮的坡地产流时间早，产流量增大，但含沙量小，总效应是减小土壤侵蚀，雨强愈大愈明显。多场降雨侵蚀效应试验表明，随着降雨强度、坡度的增加，有结皮坡地径流量有增加的趋势，侵蚀量则相反。此外，有结皮的土壤降雨侵蚀与前期含水量（C）、坡度（S）、降雨动能（PI）呈正相关。 4.结皮对小麦出苗的影响较大，对玉米影响较小；有结皮的农田小麦生长缓慢，平均苗高低，最终结果导致小麦、玉米的产量和生物量降低，这主要是结皮隔断了土壤与环境间的联系。有结皮表层土壤水分含量低，在小麦地，随坡度的增大而增大，在玉米地，随坡度变化规律不明显；有结皮的作物水分利用率较对照低。
李桂芳[2]2016年在《典型黑土区坡面土壤侵蚀影响因素与动力学机理研究》文中认为研究黑土区坡面侵蚀影响因素将为黑土区侵蚀防治和黑土资源保护提供重要的科学依据。本文以吉林省榆树市典型黑土区坡面土壤为研究对象,以降雨和汇流两种侵蚀动力为切入点,采用模拟降雨和上方汇流试验相结合的研究方法,阐明侵蚀动力条件(降雨能量、降雨强度和上方汇流)和地表条件(坡度、坡长、土壤结皮和翻耕深度)对黑土区坡面侵蚀过程的影响,揭示黑土区坡面侵蚀的水动力学机理。主要研究结论如下:(1)分析了降雨能量、降雨强度和汇流强度对黑土区坡面土壤侵蚀的影响。与消除降雨能量的试验条件相比,有降雨能量试验条件下的坡面径流量仅增加了12.8%~39.7%,而坡面侵蚀量则增加了1.7~1.9倍。降雨强度由50 mm h-1增加到100mm h-1时,坡面径流量和侵蚀量分别增加了1.4~12.4和4.2~6.1倍。汇流强度对坡面侵蚀过程的影响受坡面侵蚀方式的影响。当坡面以片蚀为主时,汇流强度由50 L min-1增加到150 L min-1,坡面侵蚀量无显着性变化,而当汇流强度由150 L min-1增加到300 L min-1,坡面侵蚀量呈明显增加趋势。而当坡面以细沟侵蚀为主时,坡面侵蚀量随汇流强度的增加而呈明显的增加趋势;与汇流强度50 L min-1相比,汇流强由100 L min-1增加到300 L min-1时,坡面侵蚀量增加了6.2~61.7倍。(2)剖析了降雨和汇流两种侵蚀动力条件下地形因子和地表条件对坡面侵蚀特征的影响。降雨侵蚀动力条件下,坡长由5 m增加到10 m时,在相同降雨强度和坡度试验条件下,坡面径流量和侵蚀量分别增加了0.1~3.1和2.1~2.9倍;坡度由5°增加到10°时,在相同降雨强度和坡长试验条件下,坡面侵蚀量增加了0.4~0.9倍。汇流侵蚀动力条件下,汇流强度由50 L min-1增加到300 L min-1时,坡度由5°增加到10°引起坡面侵蚀量增加了2.6~201.0倍。地表结皮对坡面侵蚀的影响受降雨强度、坡度和坡长的综合影响。翻耕深度由5 cm增加到20 cm时,坡面侵蚀量变化受降雨强度和坡度的综合影响;而汇流侵蚀动力条件下坡面侵蚀量变化随翻耕深度的变化受坡面侵蚀方式的影响。(3)分析了降雨和汇流两种侵蚀动力条件下影响黑土区坡面侵蚀的主要因素。降雨侵蚀动力条件下影响坡面侵蚀的主要因素是坡长;并建立了坡面侵蚀量与坡长、降雨强度—坡长交互作用的经验关系式。汇流侵蚀动力条件下影响坡面侵蚀的主要因素是汇流强度—坡度交互作用;建立了坡面侵蚀量与汇流强度—坡度交互作用的经验关系式;汇流侵蚀动力条件下坡面侵蚀量与径流量相关关系受侵蚀方式的影响较为明显。(4)探究了降雨侵蚀动力条件下的坡面侵蚀的水动力学机理。随降雨强度、坡度和坡长的增加,径流流速、雷诺数和弗汝德数均呈增加趋势,而Darcy-Weisbach阻力系数则呈减少趋势。土壤结皮的存在使得坡面Darcy-Weisbach阻力系数降低了25.6%~40.3%。翻耕深度由5 cm增加到20 cm时,坡面平均流速降低了36.8%~40.2%,Darcy-Weisbach阻力系数则分别增加了1.5~1.8倍。降雨侵蚀动力条件下坡面侵蚀量与径流剪切力、径流功率以及单位径流功率间无显着的线性关系;而坡面侵蚀量与径流流速和弗汝德数呈极显着正相关关系,与Darcy-Weisbach阻力系数呈显着负相关关系。(5)探讨了上方汇流侵蚀动力条件下的坡面侵蚀水动力学机理。随汇流强度和坡度的增大,径流平均流速、雷诺数和弗汝德数均有所增加;Darcy-Weisbach阻力系数则逐渐降低。翻耕深度对坡面水力学参数的影响受坡度和汇流强度的综合影响。分别建立了坡面侵蚀侵蚀量与径流剪切力、径流功率和单位径流功率的关系式。径流流速和单位水流功率是表征坡面侵蚀的最佳水力学和水动力学参数。
王玲[3]2016年在《陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制》文中研究表明坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起土壤分离、泥沙输移和沉积叁个子过程。泥沙颗粒性质与坡面水蚀过程密切相关,然而,以往的研究有的将泥沙分散后测定单粒粒径,也有的未经分散直接测定泥沙的有效粒径。导致研究结果缺乏可比性,水蚀过程中泥沙分选规律仍未定论,不同粒级泥沙颗粒搬运机制仍有待深入探讨。因此,本论文以黄土高原塿土、黑垆土和黄绵土为研究对象,采用人工模拟降雨等技术,研究降雨、径流、土壤等因素对陡坡水蚀过程与泥沙搬运机制的影响。主要结论如下:(1)阐明了降雨动能对陡坡侵蚀过程中泥沙颗粒分选的影响;揭示了不同降雨动能下各粒径颗粒在水蚀过程中的主要搬运形式及搬运机制。利用不同孔径铁丝网覆盖于表土上方5 cm处,通过改变雨滴直径大小设置5种降雨动能(76 J m-2 h-1、90 J m-2 h-1、105 J m-2 h-1、160 J m-2h-1和270 J m-2 h-1、518 J m-2 h-1)。试验结果表明,降雨动能通过影响侵蚀过程进而影响侵蚀泥沙的粒径分布情况。存在使侵蚀泥沙中团粒发生破坏的临界降雨动能,在本试验中,这个临界降雨动能为105 J m-2 h-1,当大于临界降雨动能时,降雨动能越大,团粒破碎越严重,因此侵蚀泥沙中细颗粒富集现象越明显。此外,侵蚀泥沙中包含团粒和单粒,<0.002 mm和>0.05 mm颗粒通常以团粒形式搬运,0.002 mm~0.05 mm颗粒通常以单粒形式搬运,降雨动能越大,各级泥沙以单粒形式搬运的可能性越高。泥沙的主要搬运机制包括悬移、跃移和滚动搬运。当降雨动能>105 J m-2 h-1时,降雨动能越大,悬移/跃移搬运所占的比例越高,相应的,滚动搬运所占的比例越低。因为降雨动能越大,团聚体被破坏越严重,释放的小颗粒更多,细小的土壤颗粒更容易发生悬移和跃移。降雨历时越长,悬移/跃移所占的比例越高,主要因为随着降雨历时的增加,径流的搬运能力增大。(2)探明了地表覆盖对泥沙颗粒分选的影响,明确了不同粒径泥沙颗粒的在水蚀过程中的主要搬运形式及其发生沉积或侵蚀的情况。通过在地表覆盖秸秆,采用不同秸秆覆盖量控制雨滴打击和坡面水流的动能,系统研究了秸秆覆盖下陡坡侵蚀过程中泥沙颗粒特征。试验结果表明,与裸土相比,秸秆覆盖量为0.075kgm-2、0.15kgm-2、0.25kgm-2、0.35kgm-2和0.45kgm-2条件下的径流系数分别减少了10.5%、20.5%、35.2%、68.8%和71.5%,分散前后泥沙中黏粒含量比值分别下降了6.5%,12.0%,18.7%,20.9%和29.7%。秸秆覆盖量越低泥沙以单粒形式搬运的可能性越大,因为覆盖量越高,雨滴和径流能量削减越多,进而降低泥沙中团粒破碎的几率。同时,通过研究黏粒、粉粒和沙粒的富集率(er=分散后侵蚀泥沙颗粒含量/分散后供试土样颗粒含量)可揭示水蚀过程中不同粒级泥沙颗粒的富集现象。结果表明,各秸秆覆盖量下,黏粒的富集率都小于1,说明对整个降雨侵蚀过程而言,黏粒易发生沉积,因为黏粒多以团聚体的形式存在于土壤中,团粒因为其自身质量较大,相比其他颗粒更难搬运。各秸秆覆盖量下,粉粒的富集率都大于1,说明对整个降雨侵蚀过程而言,粉粒容易被侵蚀,并表现为在侵蚀泥沙中发生富集。沙粒的富集率随着秸秆覆盖量的增加而减小,主要是因为降雨和径流的剥蚀能力和搬运能力随着覆盖量的增加而降低,沙粒由于自身密度大,在侵蚀过程中容易发生沉积。(3)揭示了土壤质地对水蚀过程中泥沙颗粒粒径分布的影响;明确了土壤质地能通过影响细沟发育情况进而影响颗粒的搬运形式。按照土壤中黏粒含量递减的规律选择黄土高原四种典型的农耕地土壤:塿土、黑垆土、黄绵土(安塞)和黄绵土(绥德)作为研究对象,试验结果表明,黏粒含量越高的土壤,侵蚀泥沙的团聚性越强,泥沙中团粒含量越高。细沟产生前,塿土、黑垆土、黄绵土(安塞)和黄绵土(绥德)侵蚀泥沙分散前颗粒中数直径分别为0.027mm、0.023mm、0.037mm和0.039mm;细沟产生后,相应的中数直径分别为0.040mm、0.029mm、0.040mm和0.044mm,即细沟产生后,四种土壤侵蚀泥沙颗粒粒径增大,主要因为细沟中股流的搬运能力强于薄层水流,更多的大颗粒能被搬运。黏粒含量越高的土壤,其土壤抗蚀性越强,因而其产生的细沟宽深比越小,侵蚀泥沙中大颗粒含量增加的幅度随着细沟宽深比增大而减小。黏粒含量相对较高的土壤其侵蚀泥沙表现出更强的分选性,呈现双峰分布的特征;而黏粒含量相对较低的土壤其侵蚀泥沙分选性差,侵蚀泥沙颗粒粒径分布与供试土壤颗粒粒径分布相似。除此之外,大颗粒(包括沙粒和团粒)含量越高的土壤,侵蚀泥沙以滚动方式搬运的可能性越高,特别在陡坡条件下,大颗粒沿下坡向的分力更大因而更易发生滚动。综上所述,本研究发现陡坡条件下泥沙颗粒粒径呈双峰分布,小粒径泥沙和大粒径泥沙较中间粒径泥沙更容易被搬运,侵蚀力会影响峰值对应的粒级。泥沙中包含单粒和团粒,降雨侵蚀条件下团粒受侵蚀力的作用主要以消散和机械破碎的形式发生不同程度的破坏,团粒破坏越严重,黏粒释放越多,泥沙中大粒径颗粒含量越低。同时,基于悬移质、跃移质和接触质对不同粒级泥沙颗粒搬运过程的分析,探明了不同粒径泥沙的搬运机制,发现陡坡条件下大粒径泥沙以滚动方式搬运,小粒径泥沙则以悬移/跃移方式搬运,但这两种搬运机制对中间粒径泥沙的输移效率均较低,结果阐明了悬移/跃移和滚动搬运机制分别输移不同粒级的泥沙颗粒,且各搬运机制的相对贡献率受到侵蚀内外因耦合的影响,揭示了缓坡研究结果不适用于陡坡侵蚀环境的根本原因,即只考虑了泥沙的悬移/跃移搬运机制而忽略了滚动搬运机制。本研究结论将有助于揭示坡面水蚀过程的内在规律,通过考虑滚动搬运机制从而提高陡坡水蚀模型的预测精度。
付智勇[4]2012年在《叁峡库区不同厚度紫色土坡面水文过程及侵蚀响应》文中研究指明本研究在水文土壤学的理论框架下,以紫色土剖面构造(包括土层厚度,层次,界面,孔隙,结皮,根系等)对紫色土坡面水文过程和侵蚀过程的影响机理为主要研究内容,在原位小区尺度紫色土坡面上,对典型厚度紫色土坡面水文和侵蚀过程进行了初步研究。通过野外调查和模拟降雨试验,初步得出了典型厚度紫色土坡耕地坡面水文过程和产流机制,揭示了地表径流和壤中流共同作用下紫色土坡面土壤侵蚀发生发展过程；研究了不同起始条件(降雨强度和地表结皮)对坡面薄层紫色土水分和壤中流过程的影响；探讨了紫色土性质与坡面水文和侵蚀过程间的内在联系,阐明了紫色土剖面构造对土壤过程的深刻影响。通过开展以上内容研究,探讨了紫色土坡面地表径流和壤中流共同作用下的土壤侵蚀机理,深化了对紫色土坡面产流和侵蚀机理的认识。论文主要结果如下：(1)所有小区土壤均表现为土体砾石含量高,土壤颗粒以砂粒和粉粒为主,剖面层次发育程度低,具有典型的幼年土特征；土层厚度为23cm,31cm以及45cm小区不含耕作淀积层,为新成土,而59cm和76cm小区存在较明显的耕作淀积层,为淋溶土,说明土层越厚的紫色土具有相对高的土体发育程度。所有小区耕作层土壤具有较高的饱和导水率(34mmh-1～78mmh-1之间),但随土层深度的增加,饱和导水率均表现出逐渐下降的趋势,然而,薄层土壤剖面各土层之间下降幅度大,厚层土壤剖面土层之间变化较为平缓。(2)在所有场次降雨过程中,所有降雨分配组分均与土层厚度间表现出线性相关性：地表径流和土壤蓄水量随土层厚度的增加而增加,壤中流和深层入渗量则随土层厚度的增加而减少。厚层紫色土坡面比薄层紫色土坡面表现出更高的地表径流量和土层蓄水能力,而壤中流和深层入渗则显着小于薄层紫色土。运用水文土壤学的方法,通过野外入渗试验和模拟降雨试验在小区尺度上探讨了设定雨强60mm h-1,历时2h恒雨强条件下,地表裸露的坡耕地上典型厚度紫色土坡耕地坡面产流特征。结果表明：对于地表径流,土层厚度为23cm小区表现为蓄满产流,而土层厚度为45cm和76cm小区均表现为超渗产流；对于壤中流,土层厚度为76cm小区以基质流为主,而土层厚度为23cm小区则表现出明显的优先流特征,45cm小区则在A层以基质流为主,在AC层以优先流为主。不同厚度紫色土剖面构造的差异是导致小区间水文过程和产流机制差异的主要原因。(3)不同雨强条件下,薄层紫色土小区存在比厚层小区更加明显的壤中流和深层入渗等水文过程,薄层小区侵蚀总量均显着小于厚层小区。侵蚀总量从23cm小区60mmh-1雨强条件下的105gm-2h-1增加到76cm小区120mm h-1雨强条件下的4220gm-2h-1。23cm,31cm小区随雨强的增加地表侵蚀强度增加幅度不大,表现出较强的抗侵蚀能力,相反,45,59,76cm小区随雨强的增加侵蚀速率急剧增加,反映出较弱的抗侵蚀能力。(4)通过原位人工模拟降雨试验,运用数理统计方法对描述土壤水分过程和壤中流过程的参数进行了分析,定量研究了降雨强度和表土结皮程度(用0-5mm表土容重表征)对薄层紫色土坡面土壤水分和壤中流的影响。结果表明：土壤水分湿润峰平均运移速率在0.28-1.63mm/s之间,优先流特征明显；降雨强度和表土结皮程度是影响土壤水分过程和壤中流过程的主要因素,降雨强度增加有利于优先流的发生和发展,而表土结皮的形成是阻碍优先流发生和发展的主要原因。本研究证明了紫色土剖面构造(包括层次,土层厚度,界面,孔隙,结皮,根系等)对土壤过程(包括水文过程和侵蚀过程)的重要影响。对于紫色土坡面上所体现出的各种错综复杂的产流机制和侵蚀过程,其原因不仅仅是土壤厚度本身,同时还有在土壤水文和侵蚀过程中起到决定性作用的土壤发育或成土特性以及人为影响因子。其中,土壤发育或成土特征包括土壤质地,机械组成,砾石含量,土壤剖面田间饱和导水率垂直变异趋势,土壤层次,土壤结皮等,而土壤人为影响方面则包括人为耕作扰动强度和耕作年限等。相比较于传统的土壤发生学和水文学,水文土壤学作为新兴交叉学科,在对叁峡紫色土地区不同厚度坡耕地坡面水文及侵蚀调查和研究过程中发挥了极其重要的作用,使得先前相互独立的传统意义上的土壤学和水文学得到有效融合,产生了很好的协同效应。作为新兴交叉学科的水文土壤学能为研究类似紫色土区域土壤异质性明显的生态系统过程提供新的思路。
宋州俊[5]2010年在《红壤季节性干旱对坡耕地水蚀土壤结构变化的响应》文中认为季节性干旱和坡地水蚀是影响南方丘陵红壤区作物生产和环境生态的两个重要制约因素,水蚀可以通过多个途径影响季节性干旱,研究二者的因果关系有助于深入掌握红壤坡地季节性干旱的发生发展规律,对探索红壤抗旱途径具有极其重要的意义。本文研究雨季采取不同水保措施控制下,红壤坡地土壤结皮状况、团聚体状况和孔隙状况等土壤结构的变化,结合旱季土壤干旱状况,探讨红壤季节性干旱对坡地水蚀土壤结构变化的响应,以期为本地区水土保持和季节性干旱防御提供理论依据。在田间径流小区种植夏玉米条件下,采用单因素随机区组试验方法,设置了对照(CK)、百喜草带(B)、稻草覆盖(S)、表土施聚丙烯酰胺(PAM)、稻草覆盖+聚丙烯酰胺(SPAM)和百喜草带+聚丙烯酰胺(BPAM)等6个不同水蚀处理。试验期间定期测定各处理径流量、泥沙量、土壤结皮状况、土壤团聚体状况和土壤孔隙状况。无降雨连续干旱期间,利用每天TDR监测的土壤含水量,计算各处理土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ。主要研究结果如下。不同处理都能降低坡地水蚀,阻止土壤结构退化,能有效缓解红壤季节性干旱。具体表现为,各处理中对照处理CK在雨季土壤流失量最大,水蚀程度最高,其土壤结皮个数和覆盖率最高、水稳性团聚体含量最低、孔隙度和孔隙平均面积A最小,对应的土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ最高；水蚀阻控处理的水蚀程度相比较轻,土壤结构指标优于对照,对应的土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ也较低；旱季时,随着水蚀土壤结构退化幅度的降低土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ逐渐降低。各土壤结构指标对土壤干旱有不同的影响方向。具体表现为,结皮数、结皮厚度和结皮覆盖率与土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ均呈显着正相关；MWD、WSA0.25、图像孔隙面积P、图像孔隙平均孔径Dp和孔隙平均面积A与土壤干旱程度D和干旱强度Ⅰ均呈显着负相关。各土壤结构指标变化对土壤干旱的影响程度不同。通过各结构指标与干旱强度Ⅰ的逐步回归分析的相关系数,得到各指标与土壤干旱状况的相关性从大到小的顺序为：WSA0.25>结皮覆盖率>图像孔隙面积P>结皮数>孔隙平均面积A结皮厚度>MWD>图像孔隙平均孔径DP。其中,水稳性团聚体与干旱强度Ⅰ的相关性显着水平达到极显着,结皮数、结皮覆盖率、图像孔隙面积P和孔隙平均面积A为显着。本文研究结果表明,坡耕地水蚀导致红壤结构退化是加剧红壤季节性干旱的重要原因,雨季水土保持措施应强调保护红壤结构,合理的水蚀阻断措施可以减轻季节性干旱发生程度。
蒋芳市[6]2013年在《花岗岩崩岗崩积体侵蚀机理研究》文中进行了进一步梳理崩积体是崩岗的重要组成部分，土质疏松，粗颗粒含量高，坡度大，易侵蚀，其侵蚀直接影响崩壁及坡面物质的再分配，进而影响崩岗的危害程度，但目前对其土体易侵蚀的特性及侵蚀机理的研究还处于空白。本研究以福建省安溪县龙门镇洋坑村花岗岩发育的崩岗崩积体为研究对象，针对散落形崩积体的侵蚀机理开展研究。通过野外调查对崩积体的类型进行了初步分类；利用室内理化分析和岩土工程实验方法对崩积体的土壤特性进行了分析；在野外调查的基础上，利用土槽冲刷试验分析了不同流量（1.1，2.2，3.3，4.4，5.5L·min~(-1)）和坡度（20，25，30，35，40°）条件下坡面水流特性及与散落型崩积体土壤分离的关系；利用人工模拟降雨试验，对不同雨强（1.00，1.33，1.67，2.00，2.33mm·min~(-1))和坡度（20，25，30，35，40°）、不同结皮程度（未结皮，5min结皮，10min结皮）、多场次降雨条件（1.00，1.67，2.33mm·min~(-1)分别降叁场雨）下散落型崩积体坡面的产流产沙特征，侵蚀沟特征，侵蚀泥沙的颗粒特性，侵蚀的水动力学机制进行了分析，以阐明崩积体坡面侵蚀的机理。主要结论如下：（1）崩积体的类型与形态特征。野外调查发现，根据崩积体的产生方式，崩积体可分为散落型和滑动型两类，以散落型为主。滑动型崩积体的坡度大，可达40-70°，而散落型崩积体的坡度在20-40°之间，主要分布在30°附近；崩积体侵蚀严重，侵蚀沟分布密集。（2）崩积体的土壤特性。崩积体有机质含量极低，颗粒主要为砾石、砂粒和粉粒，粘粒含量低，土壤颗粒分形维数较小；崩积体土质疏松，造成其土壤的抗剪强度和硬度低，土壤的抗冲抗蚀性能弱，入渗性能强，但疏松的土体，更易造成土体的崩解。（3）陡坡坡面水流的水力学参数特征及与土壤分离的关系。水流的流速、水深及阻力系数主要受流量的控制；阻力系数随雷诺数及弗罗德数的增加呈幂函数减小。可通过流量和坡度、水深和坡度对土壤分离速率进行模拟；崩积体土壤分离速率与流速及剪切力呈指数函数关系，而崩岗集水坡面土壤分离速率与二者呈幂函数关系，说明崩积体比自然土体更易被水流分离；可首选分离速率与剪切力的指数函数方程作为水流分离崩积体能力方程。（4）不同条件下人工降雨试验崩积体的产流产沙过程。不同雨强和坡度条件下：入渗过程符合Ir=aT-n+If方程，径流过程符合Rr=-bT-m+Rf方程；产沙率和含沙量的变化过程有单峰型和多峰型两种类型；入渗量、径流量及产沙量均随雨强的增大而增大；入渗量随坡度的增大呈线性减小；径流量随坡度变化存在临界值，在30°附近；泥沙侵蚀存在临界坡度，且是一个变化值（25°以上）；产沙率和含沙量随着径流量的增大而增加，含沙量与产沙量呈线性函数关系（Sr=aSc+b）；可利用雨强和坡度对崩积体的入渗、径流、产沙量及含沙量进行预测。结皮条件下产流产沙特征：结皮的存在可以减缓侵蚀发生，而随着结皮程度的增加，径流对地表冲刷能力更强，造成侵蚀量增大。多场次降雨条件下产流产沙特征：坡面地形及侵蚀方式的变化，引起不同雨强下不同降雨场次泥沙侵蚀量的差别，1.00和1.67mm·min~(-1)雨强条件下叁次降雨的侵蚀量差异不显着，但2.33mm·min~(-1)雨强下，随着降雨场次的增加，泥沙侵蚀愈加剧烈。（5）不同条件下人工降雨试验的细沟侵蚀特征。不同坡度和雨强下的细沟侵蚀特征：发生细沟的时间随着坡度和雨强的增大而缩短；随着雨强和坡度的增大，侵蚀沟密度增加，沟宽扩大；随着坡度的增大，宽深比减小；随着雨强和坡度的增大，侵蚀方式从片蚀为主逐渐转变至细沟侵蚀为主。不同结皮条件下的细沟侵蚀特征：结皮的出现使坡面出现细沟的时间延迟；结皮坡面的细沟侵蚀密度、侵蚀宽度、侵蚀深度均比未结皮的低；结皮坡面由细沟侵蚀引起的侵蚀量降低；结皮程度高的坡面细沟侵蚀程度大于结皮程度低的，说明结皮减缓侵蚀仅在一定程度上起作用。多场次降雨条件下的细沟侵蚀特征：由于侵蚀方式的差异，1.00和1.67mm·min~(-1)随着降雨场次的增加，宽深比呈减小的趋势，而2.33mm·min~(-1)雨强下却是相反；随着降雨场次的增加，侵蚀沟侵蚀程度愈严重。（6）崩积体侵蚀泥沙颗粒的分选特性及搬运机制。不同雨强和坡度条件下侵蚀泥沙颗粒特征：随着雨强和坡度的增大，泥沙粗颗粒含量及粗颗粒的富集率均增加，泥沙的流失呈粗颗粒化趋势；侵蚀泥沙颗粒随着坡面细沟间侵蚀-细沟侵蚀的过程逐渐变粗，最后趋于与供试土壤颗粒组成一致，表现出细沟侵蚀与泥沙的“整体搬运”相匹配的特性；崩积体侵蚀泥沙跃移质粒级较大，均大于0.537mm；在细沟间侵蚀阶段，悬移质+跃移质含量在71.26-97.64%之间，出现细沟侵蚀后，床移质的比列增加，达到了10.93-41.74%。不同结皮条件下侵蚀泥沙颗粒特征：结皮坡面表现出搬运较小颗粒的特征，但进入侵蚀后期，径流对泥沙颗粒的搬运也选择粗颗粒，且结皮程度高的10min结皮坡面对粗颗粒的选择搬运比5min结皮的早。多场次降雨条件下侵蚀泥沙颗粒特征：各雨强下叁次降雨产生的泥沙不同粒级含量均表现出粗颗粒含量比例增加，细颗粒含量减少；在小雨强下，随着降雨场次的增加，径流搬运逐渐选择粗颗粒，但大雨强下各场次均表现出对供试土壤的“整体搬运”的特征。（7）降雨条件下崩积体侵蚀的动力学机制。细沟流速、水深、雷诺数、弗罗德数及动力学参数比细沟间水流大，而阻力系数和粗度系数则比细沟间水流小。细沟间输沙率与流速、粗度系数和阻力系数呈幂函数关系；细沟输沙率仅与流速呈线性函数关系；整个坡面平均输沙率与流速、阻力系数和粗度系数呈幂函数关系，与水深、雷诺数和弗罗德数呈线性函数关系。输沙率与5个动力学参数均呈线性函数关系，可首选单位水流功率、单宽能耗及断面单位能量作为崩积体降雨输沙的动力学参数。
武雯昱[7]2016年在《基于Kostiakov-Lewis入渗模型参数的BP预报模型研究》文中研究说明鉴于我国水资源严重不足,农业用水量占全国总用水量的60%以上且用水浪费严重的现实,本文研究土壤水分入渗参数BP预报模型,为提高农业灌溉水利用效率和效果提供基础理论和技术支撑,对国家水资源可持续发展具有重要现实意义。本文基于区域性大田非冻结土壤、冻结土壤、盐碱化土壤的入渗试验,以Kostiakov-Lewis入渗模型的土壤水分入渗参数为主要研究对象,分析了大田土壤水分入渗参数的主要影响因素及冻结土壤、盐碱地的特有影响因素,建立了相应的土壤水分入渗模型参数的BP预报模型,实现了通过土壤基本理化指标对土壤水分入渗模型参数的预测。研究结果表明:大田土壤(非冻结、非盐碱地)水分入渗特性的主要影响因素主要有:土壤含水率、结构、有机质含量、质地,其中,土壤结构指标需要考虑备耕地在第一次灌溉过程中发生的结构变形。以这些主要影响因素为土壤水分各入渗参数BP预报模型的输入变量,可以获得满意的预测结果,其平均误差小于6%。其中:入渗系数k的平均误差小于6%,入渗指数a的平均误差小于5%,稳定入渗率f0的平均误差小于5%。与同样本线性回归预报模型、非线性回归预报模型比较、BP预报模型的预测精度好于非线性回归预报模型(其平均误差小为10%)和线性回归预报模型(其平均误差小为12%)。冻结土壤入渗参数的BP预报模型具有较好的可行性。以非冻结土壤非盐碱地的基本理化参数与冻结土壤特有影响因素(5cm处的地温)作为输入变量而建立的BP预报模型对冻结土壤入渗模型参数的预测精度较高,其预测平均误差都小于9%,具有较好的可行性。入渗系数k的BP预报模型预测平均误差为8.319%;入渗指数a的BP预报模型模型预测平均误差为6.773%;稳定入渗率f0的BP预报模型预测平均误差为4.1739%。盐碱地土壤入渗模型参数的BP预报模型具有较好的可行性。所建立的盐碱地各土壤水分入渗参数BP预报模型的预测平均误差都小于7%,其中:入渗系数k的BP预报模型平均误差为6.5583%;入渗指数α的BP预报模型的平均误差为6.2243%;稳定入渗率f0的BP预报模型的平均误差为5.8405%。本文在建立非冻结非盐碱的入渗参数BP预报模型,尤其是在建立冻结土壤、盐碱地土壤入渗参数BP预报模型中,感觉到样本数据不够充分、完善,即所能考虑的影响因素有局限性,在以后的研究中,力争通过扩充样本集,提高网络的泛化能力,从而提高网络的预测精度。
吴佳[8]2016年在《黄土高原旱坡地秋作入渗蓄水与防蚀作用特征研究》文中研究表明植被是陆地生态系统中地表物质的保护者。就土壤侵蚀的形成过程而言,许多研究证实植被及覆盖能够拦截降水、增加土壤入渗率,直接影响地表径流和土壤流失的强度和频率,同时,地表径流量和土壤流失量在很大程度上都随着植被覆盖度的增加而降低。作物坡地和林、灌、草地有着本质的区别,耕作频度高且无凋落层,而在苗期还与裸地基本相同,因此坡地作物对土壤侵蚀的影响有其自身的特征。然而,这种特征的研究目前还处在相对薄弱的状态。为此,本研究以黄土高原秋作物(玉米、谷子和大豆)种植坡地为研究对象,采用室内外人工模拟降雨,结合数学、土壤学、计算机等理论和技术方法,开展了黄土高原旱坡地秋作物降雨入渗蓄水及防蚀作用特征实验研究,取得以下主要结论:(1)谷子、玉米和大豆种植对坡耕地产流产沙有明显的影响,而影响作用的强弱不但与作物的生长阶段、叶面积指数的大小有关,而且受制于降雨强度和坡面坡度的作用。当试验条件基本相同时,苗期作物种植的影响程度低,而后期的影响作用不断加强。当谷子的叶面积指数为0.78时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为32.64L/m~2和167.65g/m~2,分别为对照裸地的95.33%和73.56%;叶面积指数为3.05时,平均值为19.86L/m~2和38.65g/m~2,分别为对照裸地的57.88%和16.96%。玉米叶面积指数为1.24时,平均值分别为29.30L/m~2和164.61g/m~2,是对照裸地的87.88%和69.16%;当玉米叶面积指数为4.30时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为19.97L/m~2和60.59g/m~2,为对照裸地的57.88%和16.96%;当大豆的叶面积指数1.85时,坡耕地产流量、产沙量平均值分别为30.18L/m~2,163.91g/m~2,为对照裸地的88.58%和74.48%;当大豆的叶面积指数为6.28时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为21.14L/m~2,51.46 g/m~2,为对照裸地的62.05%和23.38%。(2)谷子、玉米和大豆叁种秋作物均具有良好的蓄水保土功能。在试验条件下,谷子的蓄水效应的最大值、最小值和平均值分别为53.7%、4.6%和28.1%,保土效益的最大值、最小值和均值分别为92.8%、24.8%和65.1%;玉米为49.7%、4.9%、26.9%和87.1%、22.4%、55.4%;大豆为51.3%、5.2%、24.0%和87、3%、22.7%、54.1%。叁种作物蓄水效益的大小排序为谷子>大豆>玉米,而减沙效益为谷子>玉米>大豆。降雨强度、坡度和作物覆盖度对蓄水保土作用的综合影响可用通用公式△W=A(PI)~aS~bC~(-c)和△S=A(PI)~aS~bC~(-c)进行预测与估算。作物对蓄水保土作用的贡献可用植被减水系数和植被减沙公式CW=1.324(PI)~(0.33)S~(0.057)C~(-0.27)和CS=1.795(PI)~(0.105)S~(0.164)C~(-0.757)表示。经计算,谷子、玉米和大豆叁种作物的减水系数平均值分别为0.72、0.73和0.76,而减沙系数的平均值分别为0.35、0.45和0.35。(3)人工模拟降雨条件下作物坡度的入渗量随降雨历时的延长呈现波动性下降趋势。在降雨前10min左右,入渗量最大,土壤入渗能力大于了降雨强度,降雨全部就地入渗;当地表径流形成后在雨强、坡度、土壤含水量、结皮和作物叶面积指数等因素的综合作用下,入渗量在波动降低的过程中逐渐趋于相对稳定阶段。谷子地、大豆地和玉米地的平均入渗总量分别为对照的1.1、1.2和1.3倍,且初始产流时间分别延长6.4min、6.18min和10.36min,这可能是秋作物能够防治土壤侵蚀的根本原因。秋作物坡地的初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量随着作物的种类不同而不同,就同种作物而言其内部也存在明显的差异,玉米坡地、大豆坡地、谷子坡地的累积入渗量分别为104.6mm、62.64mm、36.18mm,这说明作物对土壤蓄水有着明显的影响作用。受各种因素的影响,4个特征参数的最大值、最小值和平均值的产生具有一定的随机性,但均可以用相应的经验模型估算。采用Kostiakov、Horton、蒋定生和Philip 4种模型对实验结果进行模拟后发现,Kostiakov模型能在一定程度上反映秋作物坡地土壤入渗的特征。(4)统计分析结果表明:逐步多元回归分析法和改进后BP神经网络法均能描述土壤平均入渗率的特征,且它们均考虑了主要因子及因子间的交互作用。对比分析结果表明,基于改进后的BP算法的土壤平均入渗率预测值与实测值十分接近,更能准确地描述不同条件下的土壤入渗状况。BP神经网络模型缺省因子检验与灰色关联度分析均证实,不同影响因素对土壤入渗的影响程度排序为降雨>叶面积指数>坡度。
陈正发, 夏清, 史东梅, 蒋光毅, 郭宏忠[9]2011年在《基于模拟降雨的土壤表土结皮特征及坡面侵蚀响应》文中指出土壤表土结皮对坡面侵蚀过程具有重要影响,利用模拟降雨条件下土壤贯入和产流产沙试验,对不同降雨场次紫色土和黄壤表土结皮特征及坡面侵蚀响应进行研究。结果表明:(1)PT型贯入仪测定的贯入数值(P)与含水率(θ)成标准指数函数关系。(2)不同降雨场次表土结皮存在"无结皮→弱结皮→强结皮→弱结皮→新结皮"的动态发育过程,相同降雨条件下黄壤表土结皮强度大于紫色土的。(3)持续降雨过程不同降雨场次土壤表土结皮对溅蚀影响不明显,而与产流存在显着的动态响应关系,结皮强度越大产流量也越大,结皮对产流的影响随着降雨进行而有增大趋势,黄壤表土结皮的径流增加量大于紫色土的,而紫色土坡面结皮对产流量变化敏感程度大于黄壤。不同场次降雨过程土壤表土结皮对坡面侵蚀产沙影响存在差异,前4场降雨表土结皮强度与坡面侵蚀产沙有相同的变化趋势,4次降雨后土壤表土结皮表现为对坡面侵蚀有抑制作用。
王峰[10]2017年在《亚热带红壤—作物系统对季节性干旱的响应与调控》文中研究说明干旱是造成农业损失最严重的自然灾害之一,即使在湿润多雨的亚热带红壤区也频发季节性干旱。人们对季节性干旱的发生机制及其调控进行了深入研究和实践,然而,多是单一研究土壤或作物对季节性干旱响应,缺乏对土壤-作物系统对季节性干旱响应及缓解季节性干旱对策的系统探讨。本研究在充分认识亚热带红壤区季节性干旱时空特征的基础上,通过设置不同的作物种植时期、耕作措施,探索从时间和空间上减缓季节性干旱的途径。通过设置不同的施肥措施和秸秆覆盖等水保措施,分析土壤水分、作物生长及根系分布、土壤结构变化与季节性干旱的关系;从土壤、作物、施肥、田间管理多方面探讨对土壤-作物系统对季节性干旱的响应及季节性干旱的发生机制,得到如下主要结论:1.亚热带红壤区季节性干旱具有鲜明的时空特征。该区每年7~10月蒸发量大于降雨量,7~8月份蒸发量是降雨量的2.1倍,两者相差达265.8 mm,此时段最易发生干旱。林地、草地、裸地和农田四种土地利用方式中,农田7~8月份处于作物需水旺盛期,且根系多分布在0-30 cm土层。因此,每年7~8月农田0-30 cm土层易发生季节性干旱,且连续干旱超过12天不利于玉米生长,玉米生长前期遇旱减产风险大于后期遇旱。调整播期或促进根系下扎可能会减少季节性干旱危害。2.错开作物需水旺盛期或关键期与季节性干旱易发时段将有利于避旱。连续两年从5月中旬开始每15天播种一期玉米,每年播种五期。以正常播期6月中旬为参照,播期前移,玉米产量无显着变化;播期后移,玉米籽粒产量显着下降,减产达23.3%-52.6%;不同播期间茎叶干重差异不显着。不同播期玉米成熟期的根系90%以上均分布在0-30 cm土层,且无明显分层,根质量密度也无显着差异。播期前移可能会避开作物后期遇旱,但是改变播期并没有改善根系分布,也没有明显的避旱效果,播期后移作物反而减产。通过调整播期来减缓季节性干旱的效果不佳。3.相对于常规耕作,短期的深耕、免耕和压实均改善0-40 cm土层水分状况,提高田间持水量3%-5%和有效水含量22%-50%,且主要影响0-20 cm土层。与常规耕作相比,短期的深耕提高玉米籽粒产量25.8%,15 cm×40 cm土体玉米总根质量密度21%;短期的免耕和压实则分别减产16.7%和21.6%,分别降低玉米总根质量密度21%和50.5%;短期的深耕降低了0-10 cm表层玉米根系比例约10%,提高30-40 cm深度根系比例43%;短期的免耕和压实分别提高10.5%和6.2%,降低30-40 cm深度根系比例10.5%和54.5%。该区季节性干旱多发于0-30 cm土层,下层土壤含水量充足,仅提高表层土壤有效水对缓解季节性干旱作用有限;而短期的深耕促进根系下扎,吸收深层水分。针对时空特征鲜明的亚热带红壤季节性干旱,短期深耕缓解红壤干旱效果优于其它耕作措施。4.与长期免耕不施肥相比(CK),长期免耕施用化肥(NPK)、有机肥(鸡粪,OM)和化肥配合秸秆覆盖还田(NPK+S)显着提高土壤有机质含量和土壤氮磷钾含量;轻微提高(小于7%)0-40 cm土层田间持水量、有效含水量和吸水速率,且主要影响0-20 cm土层;NPK和OM分别降低地表非饱和导水率50.7%和67.7%,NPK+S则提高128.0%;NPK、OM和NPK+S分别降低表层土壤第一阶段蒸发失水速率23.7%、36.8%和50.0%,分别提高夏玉米叶面积37.6%、45.1%和46.9%和根质量密度47.7%、133.0%和103.4%。玉米各生育期根干重、根深度、深层根系分布比例从高到低依次是NPK+S>OM>NPK>CK,且根系90%均分布在20 cm以上土层。与CK相比,叁种施肥均提高玉米产量和水分利用率3-4倍,但是在发生持续干旱时,均增大玉米CWSI1.1-5.2倍。长期免耕施肥虽然促进了根系生长,但是大量根系分布在20 cm表层土壤,加之施肥显着增大叶面积,导致在发生持续干旱时,表层土壤失水快,作物CWSI高,加剧表层土壤干旱和作物水分胁迫。5.亚热带红壤区前期水蚀后期干旱。本研究通过在作物间设置无水保措施的作物对照(CK)和百喜草带(B)、秸秆覆盖(SM)、聚丙烯酰胺表施(PAM)、稻草覆盖+PAM(SPAM)、百喜草带+PAM(BPAM)5种水保措施,研究雨蚀地表结构变化对旱季性干旱的响应,结果表明,夏玉米生育期0-30 cm土壤储水量CK与B、PAM和BPAM措施差异在5%以内,与SM和SPAM措施差异为7.4%和8.2%。与5种水保措施不同,降雨后作物对照(CK)显着(p<0.05)降低0-20 cm土壤的WSA0.25和0-30 mm土层孔隙率及平均孔径,显着(p<0.01)增加结皮覆盖率。CK措施下土壤的WSA0.25是5种水保措施土壤WSA0.25含量的63%-88%,土壤孔隙率是5种水保措施的79%-97%。我们用干旱强度I和干旱程度D量化土壤失水速率和土壤干旱状况。相关分析表明,干旱强度I与结皮大小、结皮覆盖率显着正相关,与WSA0.25显着负相关。干旱程度D与结皮覆盖率显着正相关,与WSA0.25和0-15 mm孔隙率显着负相关,且土壤0-15 mm孔隙率对I和D的影响最大。CK措施连续干旱20天的平均I值和最后D值分别是5种水保措施1.2-2.5倍和1.1-1.4倍。水蚀改变地表结构,虽然对土壤储水量影响很小,但是显着提高了表层土壤失水速率和干旱程度。雨蚀改变地表结构提高地表失水速率是季节性干旱形成的原因之一。6.秸秆覆盖作为一种水保措施被广泛运用。本试验通过设置叁个秸秆覆盖和施氮水平研究土壤-作物系统对土壤水热状况的响应,结果表明,秸秆覆盖轻微提高0-30 cm土壤含水量(小于5%),对土壤0-5 cm土层最大降温3.3℃-6℃,最大增温0.7℃-2.5℃,其降温效果大于增温效果。施氮提高玉米产量,施氮加覆盖增产更多。不施氮时高覆盖量玉米籽粒产量显着降低,不施氮时覆盖10000 kg/hm2玉米籽粒减产达21%。覆盖总体降低土壤NO3--N含量,提高NH4+-N含量;施氮总体提高土壤NO3--N含量,降低NH4+-N含量。覆盖和施氮总体分别提高玉米吸氮量超过16.9%和23.6%。覆盖时增施氮肥,氮素生产率提高。低氮水平下覆盖降低氮素生产率,高氮水平下覆盖提高氮素生产率。秸秆覆盖的作用受氮水平限制,覆盖和施氮相互弥补,既有利于改善田间水热状况,又有利于提高作物产量和水分利用率。7.在阐明亚热带红壤区季节性干旱时空特征的基础上,通过不同播期、耕作、施肥和水保措施,对季节性干旱发生的原因及对策进行了探讨,结果表明:亚热带红壤农田根系分布和地表失水是该区季节性干旱发生的两个原因。为促进根系下扎和减少地表失水,我们建议每年夏季作物尽量深松耕、早播种、早施肥,耕作深度最好超过30 cm,避免6月中旬以后播种,同时有机肥配合化肥作为基肥深施土壤;尽量保持全年秸秆覆盖。
参考文献：
[1]. 坡耕地土壤结皮的成因及其作用研究[D]. 范文波. 西北农林科技大学. 2001
[2]. 典型黑土区坡面土壤侵蚀影响因素与动力学机理研究[D]. 李桂芳. 中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心). 2016
[3]. 陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制[D]. 王玲. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心. 2016
[4]. 叁峡库区不同厚度紫色土坡面水文过程及侵蚀响应[D]. 付智勇. 华中农业大学. 2012
[5]. 红壤季节性干旱对坡耕地水蚀土壤结构变化的响应[D]. 宋州俊. 华中农业大学. 2010
[6]. 花岗岩崩岗崩积体侵蚀机理研究[D]. 蒋芳市. 福建农林大学. 2013
[7]. 基于Kostiakov-Lewis入渗模型参数的BP预报模型研究[D]. 武雯昱. 太原理工大学. 2016
[8]. 黄土高原旱坡地秋作入渗蓄水与防蚀作用特征研究[D]. 吴佳. 西安理工大学. 2016
[9]. 基于模拟降雨的土壤表土结皮特征及坡面侵蚀响应[J]. 陈正发, 夏清, 史东梅, 蒋光毅, 郭宏忠. 水土保持学报. 2011
[10]. 亚热带红壤—作物系统对季节性干旱的响应与调控[D]. 王峰. 华中农业大学. 2017
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