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坡面片蚀泥沙有机碳组分及C同位素不均匀富集对水动力学参数的响应

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水土保持通报 2023年

作者：屈久祁刘琳王善琦山东师范大学地理与环境学院

[目的]探究片蚀泥沙轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法]以陕西省咸阳市杨陵区塿土为研究对象,采用改进“三区”移动式变坡钢制土... 详细信息

[目的]探究片蚀泥沙轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法]以陕西省咸阳市杨陵区塿土为研究对象,采用改进“三区”移动式变坡钢制土槽,结合人工模拟降雨技术,测定径流水动力学参数和泥沙各粒径团聚体有机碳组成及其δ13C值,并辅以棕壤侵蚀泥沙有机碳δ13C值和水力参数,验证塿土试验结果的准确性。[结果](1)雨强和坡度较小时,侵蚀泥沙LFOC和HFOC易发生富集,且相较黏粉粒和微团聚体,大团聚体LFOC与HFOC含量受雨强和坡度的影响更大;(2)侵蚀泥沙黏粉粒中有机碳δ13C值与其有机碳活跃分数(λ)呈负相关,而其他粒径团聚体有机碳δ13C值与其λ呈显著正相关(p片蚀过程中流速越大,黏粉粒中LFOC越易于优先输移,而紊流加剧则促进低δ13C值团聚体有机碳的优先输移;(4)对于侵蚀泥沙黏粉粒,流速和雷诺数越大,其有机碳δ13C值越小,λ越大;对于微团聚体和大团聚体,雷诺数越小,其有机碳δ13C值与λ越大。[结论]片蚀过程中轻重组有机碳流失与流速和雷诺数密切相关,并进一步验证了13C同位素对侵蚀泥沙有机碳示踪的有效性。

关键词：片蚀轻组有机碳重组有机碳水动力学特征 δ C 分馏效应

饱和紫色土坡面片蚀与细沟侵蚀水动力特征研究

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饱和紫色土坡面片蚀与细沟侵蚀水动力特征研究

作者：谭文浩西南大学

学位级别：硕士

紫色土是我国西南地区主要土壤类型之一,具有物理风化作用强烈,入渗性能好的特征,但其母质层透水能力弱,阻碍了降雨入渗,导致在持续降雨过程中表层土壤易处于饱和状态。与非饱和土壤相比,饱和土壤颗粒间的黏结力弱,抗蚀性能差,会加剧土... 详细信息

紫色土是我国西南地区主要土壤类型之一,具有物理风化作用强烈,入渗性能好的特征,但其母质层透水能力弱,阻碍了降雨入渗,导致在持续降雨过程中表层土壤易处于饱和状态。与非饱和土壤相比,饱和土壤颗粒间的黏结力弱,抗蚀性能差,会加剧土壤侵蚀。片蚀与细沟侵蚀作为坡面土壤侵蚀的两种重要方式,其侵蚀强度与坡面流水动力学特性密切相关。因此,研究饱和土壤坡面片流和集中流水动力学特性及片蚀和细沟侵蚀变化特征,厘清片流和集中流水动力学特性与片蚀和细沟侵蚀特征的定量关系,对于深入认识片蚀和细沟侵蚀水动力学机理,提高土壤侵蚀预报模型的精度具有重要意义。鉴于此,本研究通过室内人工模拟降雨试验,结合饱和供水装置,测定了不同坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和降雨强度(30,60,90 mm/h)条件下饱和紫色土坡面径流流速、侵蚀量、坡面侵蚀由片蚀转为细沟侵蚀(即坡面径流由片流转为集中流)的临界坡长。根据临界坡长区分了坡面发生片蚀的坡段和发生细沟侵蚀的坡段,计算了坡面片流和集中流的径流深、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率等水动力学参数以及坡面片蚀和细沟侵蚀率,系统分析了不同坡度和降雨强度条件下饱和紫色土坡面片流与集中流水动力学特性及片蚀与细沟侵蚀率变化特征,明确了片蚀和细沟侵蚀率与不同水动力学参数的相关关系,采用多元逐步回归分析构建基于水动力学参数的饱和土壤坡面片蚀和细沟侵蚀率预测方程,主要研究结论如下:(1)饱和紫色土坡面细沟发生的临界坡长随坡度和降雨强度增大而减小。坡面集中流平均流速是片流平均流速的2.01～2.77倍,均随坡度和降雨强度的增大而增大。相同工况下集中流径流深比片流径流深大,片流和集中流径流深均随坡度增大而减小,整体上随降雨强度增大而增大。片流均为层流,集中流在小雨强(30 mm/h)条件下为层流,在中雨强(60 mm/h)和大雨强(90 mm/h)条件下为过渡流。在小坡度(2°,5°,10°)条件下,片流为缓流,大坡度(15°,20°)条件下,片流多为急流,而集中流在不同条件下多为急流。相同条件下,片流阻力系数比集中流阻力系数大,片流阻力系数随坡度和降雨强度增大而减小。不同坡度和降雨强度下饱和土壤坡面集中流剪切力、水流功率、单位水流功率均大于片流,二者的水动力学参数均随坡度和降雨强度的增大而增大。降雨强度对径流剪切力的影响比坡度大,而坡度对径流单位水流功率的影响比降雨强度大,但对于水流功率,降雨强度对片流水流功率的影响更大,坡度对集中流水流功率的影响更大。(2)饱和土壤坡面片蚀率随坡度增大呈对数函数增加,随降雨强度增大呈幂函数增加;细沟侵蚀率随坡度增大呈线性函数增加,随降雨强度增大呈幂函数增加。随着坡度和降雨强度增大,细沟侵蚀率对片蚀率的倍数从2°坡、30 mm/h降雨强度条件下的0不断增加到20°坡、90 mm/h降雨强度下的6.05。降雨强度对片蚀率和细沟侵蚀率的贡献率大于坡度。(3)片蚀率与径流平均流速、弗劳德数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率呈极显著正相关关系,与径流深、阻力系数呈极显著负相关关系,其中,水流功率与片蚀率相关性最好;细沟侵蚀率与径流平均流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率均呈极显著正相关关系,其中,径流平均流速与细沟侵蚀率相关性最好。片蚀率可以很好地用水流功率来预测,预测方程的决定系数R为0.96,纳什有效系数NSE为0.96,平均绝对百分比误差MAPE为6.2%;细沟侵蚀率可以很好地用径流平均流速来预测,预测方程的R为0.91,NSE为0.91,MAPE为19.5%。

关键词：片蚀细沟侵蚀水动力学特性饱和紫色土模拟降雨

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土壤侵蚀中的片蚀研究综述

地球科学进展 2021年第7期36卷 712-726页

作者：李芦頔吴冰李鑫璐杨洁林良国西安交通大学人居环境与建筑工程学院陕西西安710049 长安大学土地工程学院陕西西安710054

土壤侵蚀制约着社会、经济、环境的协调发展,危害极大,片蚀是坡面土壤侵蚀过程的第一阶段,又是土壤坡面水蚀过程中分布面积最大且最为复杂和独特的侵蚀类型。研究片蚀过程和机理对于深入揭示坡面水蚀机制,建立区域水蚀模型具有重要意义... 详细信息

土壤侵蚀制约着社会、经济、环境的协调发展,危害极大,片蚀是坡面土壤侵蚀过程的第一阶段,又是土壤坡面水蚀过程中分布面积最大且最为复杂和独特的侵蚀类型。研究片蚀过程和机理对于深入揭示坡面水蚀机制,建立区域水蚀模型具有重要意义。归纳总结了国内外现有的片蚀研究现状,包括片蚀动力学过程与机理,雨滴动能、降雨强度、坡度、植被覆盖、土壤类型和地表粗糙度对片蚀的影响,坡面片蚀分离、搬运及其限制性过程,基于不同影响因子的坡面片蚀预测模型等,虽然学者从各个角度定性定量地研究了片蚀对不同影响因子的响应,但是研究仍存在一定的区域限制性,因此可进一步开展相关研究建立具有广泛应用性的片蚀预测模型。研究结果可为我国水土流失综合治理及生态文明建设提供科学依据。

关键词：片蚀坡面径流降雨土壤侵蚀

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黄土坡面片蚀过程动力学机理试验研究

农业工程学报 2012年第7期28卷 144-149页

作者：刘俊娥王占礼高素娟张宽地西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持研究所杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

片蚀是坡面侵蚀演变的初始形态,揭示片蚀动力学机理,找出与片蚀关系最密切的水动力学参数对有效防治片蚀具有重要意义。该文采用人工模拟降雨方法,对黄土坡面片蚀过程动力学机理进行了研究,结果表明:1)一次降雨过程的黄土坡面片蚀模数... 详细信息

片蚀是坡面侵蚀演变的初始形态,揭示片蚀动力学机理,找出与片蚀关系最密切的水动力学参数对有效防治片蚀具有重要意义。该文采用人工模拟降雨方法,对黄土坡面片蚀过程动力学机理进行了研究,结果表明:1)一次降雨过程的黄土坡面片蚀模数对水动力学参数平均值响应关系的相关系数大小顺序为平均断面单位能量>平均水流功率>平均单位水流功率>平均水流切应力;2)降雨过程中黄土坡面片蚀率对水动力学参数瞬时值响应关系的相关系数大小顺序是断面单位能量>水流功率>单位水流功率>水流切应力;3)水流断面单位能量是与试验条件下黄土坡面片蚀动力学过程关系最密切的水动力学指标,是描述试验条件下片蚀动力学过程最好的动力学参数。试验条件下黄土坡面片蚀动力学过程的发生发展根源于坡面片蚀中水流断面单位能量的动力作用。

关键词：切应力降雨试验黄土坡面片蚀水流功率断面单位能量

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黄土坡面片蚀过程稳定含沙量及其影响因素

地理科学进展 2016年第8期35卷 1008-1016页

作者：盛贺伟孙莉英蔡强国西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室北京100101

黄土高原地区坡面土壤侵蚀具有明显的垂直分带性,溅蚀片蚀带是坡面侵蚀的最上方地带,研究片蚀过程含沙量变化有助于阐明坡面侵蚀规律。本文采用人工模拟降雨试验方法研究了黄土坡面片蚀稳定含沙量及其影响因素;试验处理包括2种质地的黄... 详细信息

黄土高原地区坡面土壤侵蚀具有明显的垂直分带性,溅蚀片蚀带是坡面侵蚀的最上方地带,研究片蚀过程含沙量变化有助于阐明坡面侵蚀规律。本文采用人工模拟降雨试验方法研究了黄土坡面片蚀稳定含沙量及其影响因素;试验处理包括2种质地的黄土(塿土和黑垆土),2个雨强(90和120 mm/h)和4个坡度(10°、15°、20°和25°)。结果表明:在不同质地黄土、降雨强度和坡度条件下,水流含沙量均呈现先减小后平稳的规律;稳定含沙量与土壤颗粒体积分形维数、降雨强度和坡度呈幂函数关系,稳定含沙量随土壤颗粒体积分形维数的增大而减小,随降雨强度和坡度的增大而增大,影响程度依次为土壤颗粒体积分形维数、降雨强度和坡度;所分析的水动力学指标中单位水流功率与稳定含沙量关系最密切,降雨强度对稳定含沙量的影响大于单位水流功率。

关键词：片蚀稳定含沙量降雨强度坡度黄土质地单位水流功率

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片蚀与细沟间侵蚀过程中地表微地形的变化

土壤学报 2011年第5期48卷 931-937页

作者：郑子成吴发启何淑勤赖腊四川农业大学资源环境学院成都611130 地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 四川农业大学林学院四川雅安625014

采用室内人工模拟降雨和地统计分析相结合的方法,对4种人为管理措施地表微地形在片蚀和细沟间侵蚀过程中的变化特征进行了研究。结果表明,不同雨强下,各管理措施坡面地表微地形表现出了一定程度的不规则性。不同雨强和管理措施条件下,... 详细信息

采用室内人工模拟降雨和地统计分析相结合的方法,对4种人为管理措施地表微地形在片蚀和细沟间侵蚀过程中的变化特征进行了研究。结果表明,不同雨强下,各管理措施坡面地表微地形表现出了一定程度的不规则性。不同雨强和管理措施条件下,各等级的高程在片蚀阶段和细沟间侵蚀阶段都发生了相互转移;其中第Ⅰ级和第Ⅱ级转移出最多,且在细沟间侵蚀阶段后也只有很少部分转移至第Ⅰ级、第Ⅱ级;第Ⅲ级地表高程转移最少,且有大部分的其他等级的高程转入第Ⅲ级,这两个侵蚀阶段在0～0.01 m和0.01～0.03 m区域最易发生土壤堆积。

关键词：微地形起伏管理措施变化特征片蚀细沟间侵蚀

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紫色土区玉米季坡耕地片蚀过程研究

水土保持学报 2015年第1期29卷 70-74页

作者：黄成龙何淑勤郑子成宫渊波四川农业大学林学院成都611130 四川农业大学资源环境学院成都611130

通过采用人工模拟降雨与微小区试验相结合的方法,研究玉米种植下紫色土坡耕地片蚀过程,分析雨强变化对片蚀产流产沙的影响。结果表明:随着雨强增加,玉米各生育期片蚀出现时间不断提前,片蚀过程产流总量不断减少,产流强度不断增加;含沙... 详细信息

通过采用人工模拟降雨与微小区试验相结合的方法,研究玉米种植下紫色土坡耕地片蚀过程,分析雨强变化对片蚀产流产沙的影响。结果表明:随着雨强增加,玉米各生育期片蚀出现时间不断提前,片蚀过程产流总量不断减少,产流强度不断增加;含沙量和产沙强度不断增加,但增幅有所降低。不同雨强条件,片蚀出现时间均表现为抽雄期>拔节期>苗期>成熟期;1.0mm/min,2.0mm/min雨强条件,片蚀过程径流总量和产流强度均表现为成熟期>苗期>拔节期>抽雄期;1.5mm/min雨强条件,表现为成熟期>拔节期>苗期>抽雄期。1.0mm/min雨强条件,产沙强度表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期;1.0mm/min雨强含沙量及1.5mm/min,2.0mm/min雨强含沙量和产沙强度均表现为苗期>拔节期>成熟期>抽雄期。不同雨强下,玉米各生育期片蚀过程中地表产流产沙过程均呈波动变化。

关键词：玉米坡耕地片蚀径流产沙量

坡面片蚀泥沙有机碳组分及^(13)C同位素不均匀富集对水动力学参数的响应

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水土保持通报 2024年第1期44卷 399-409,431页

作者：屈久祁刘琳王善琦山东师范大学地理与环境学院山东济南250000

[目的]探究片蚀泥沙轻组有机碳(LF_(OC))和重组有机碳(HF_(OC))不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法]以陕西省咸阳市杨凌区土为研究对象,采用改进“三区”移动式变坡钢... 详细信息

[目的]探究片蚀泥沙轻组有机碳(LF_(OC))和重组有机碳(HF_(OC))不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法]以陕西省咸阳市杨凌区土为研究对象,采用改进“三区”移动式变坡钢制土槽,结合人工模拟降雨技术,测定径流水动力学参数和泥沙各粒径团聚体有机碳组成及其δ^(13)C值,并辅以棕壤侵蚀泥沙有机碳δ^(13)C值和水力参数,验证土试验结果的准确性。[结果]①雨强和坡度较小时,侵蚀泥沙LF_(OC)和HF_(OC)易发生富集,且相较黏粉粒和微团聚体,大团聚体LF_(OC)与HF_(OC)含量受雨强和坡度的影响更大;②侵蚀泥沙黏粉粒中有机碳δ^(13)C值与其有机碳活跃分数(λ)呈负相关,而其他粒径团聚体有机碳δ^(13)C值与其λ呈显著正相关(p片蚀过程中流速越大,黏粉粒中LF_(OC)越易于优先输移,而紊流加剧则促进低δ^(13)C值团聚体有机碳的优先输移;④对于侵蚀泥沙黏粉粒,流速和雷诺数越大,其有机碳δ^(13)C值越小,λ越大;对于微团聚体和大团聚体,雷诺数越小,其有机碳δ^(13)C值与λ越大。[结论]片蚀过程中轻重组有机碳流失与流速和雷诺数密切相关。并进一步验证了^(13)C同位素对侵蚀泥沙有机碳示踪的有效性。

关键词：片蚀轻组有机碳重组有机碳水动力学特征 δ^(13)C 分馏效应

聚丙烯酰胺(PAM)对三峡库区紫色土坡面片蚀的影响

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水土保持学报 2022年第5期36卷 32-37页

作者：肖海向瑞刘畅叶朝欢高峰张伦夏振尧崔磊三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 三峡大学土木与建筑学院湖北宜昌443002 水电水利规划设计总院北京100120

设置不同PAM施加量(0,0.4,0.8,1.6 g/m^(2)),在不同坡度(15°,20°,25°)条件下开展不同雨强(60,90,120 mm/h)的模拟降雨试验。研究不同PAM施加量紫色土坡面片蚀产流产沙过程及其对产流产沙量的影响程度和主要因素,并分析了PAM对坡面片... 详细信息

设置不同PAM施加量(0,0.4,0.8,1.6 g/m^(2)),在不同坡度(15°,20°,25°)条件下开展不同雨强(60,90,120 mm/h)的模拟降雨试验。研究不同PAM施加量紫色土坡面片蚀产流产沙过程及其对产流产沙量的影响程度和主要因素,并分析了PAM对坡面片蚀可蚀性的影响。结果表明:坡面产流过程呈现先持续增加后趋于波动稳定的变化趋势,产沙过程则呈现先迅速减少并趋于稳定的变化趋势,PAM对片蚀的产流产沙过程变化趋势没有影响。和空白对照组相比,PAM施加量为0.4,0.8,1.6 g/m^(2)的产流总量平均分别减小7.71%,35.16%,21.12%,产沙总量平均分别减小35.80%,49.39%,17.85%,PAM施加量为0.8 g/m^(2)时产流总量和产沙总量最小。同种雨强下,不同施加量减流效益的大小顺序为0.8 g/m^(2)>1.6 g/m^(2)>0.4 g/m^(2),而减沙效益则受到坡度影响,在15°坡面减沙效益大小顺序是0.8 g/m^(2)>1.6 g/m^(2)>0.4 g/m^(2),在20°和25°坡面减沙效益大小顺序为0.8 g/m^(2)>0.4 g/m^(2)>1.6 g/m^(2)。施加PAM能有效降低片蚀可蚀性,与空白对照组相比,施加PAM后降低效果依次为0.8 g/m^(2)>0.4 g/m^(2)>1.6 g/m^(2),片蚀可蚀性依次降低54.40%,40.94%,18.21%。

关键词：聚丙烯酰胺(PAM) 片蚀紫色土片蚀可蚀性