模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究

1、 硕士学位（毕业）论文模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究学位申请人：郭学尧指导教师：周大迈 研究员 王志刚 研究员学科专业：作物生产工程与技术推广学位类别：农学硕士授予单位：河北农业大学答辩日期： 分类号： 单位代码： 10086 密 级： 公开 学 号： 2009289 模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究Limestone soil water and soil erosion under simulated rainfall学位申请人：郭学尧 指导教师：周大迈 研究员 王志刚 研究员学科专业：作物生产工程与技术推广学位类别：农学硕士授予单位：河北农业大学答辩日期： 独创性声明&

2、#160;本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 河北农业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。  学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日    学位论文版权使用授权书  本学位论文作者完全了解 河北农业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件

3、和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日  学位论文作者毕业后去向：工作单位： 电话：通讯地址： 邮编：摘要本文针对太行山石灰岩区土壤，通过室内模拟降雨试验，研究了不同降雨强度、不同坡度石灰岩土壤坡面侵蚀产流产沙过程，并根据土壤的理化性质和人工模拟降雨试验所得数据，结合通用水土流失方程RUSLE模型和前人总结经验，探讨了石

4、灰岩土壤可蚀性K值的测定方法及其随雨强变化规律。取得的主要结论如下：（1）坡面动态径流量在其他条件相同，不同降雨强度下，随着降雨强度的增大而增加，即100mm/h85mm/h60mm/h；（2）坡面径流总量随雨强的变化，100mm/h时径流总量为540.97L-603.20L，85mm/h时径流总量为445.68-528.95L ，60mm/h时径流总量为332.28L-354.52L；（3）坡面径流泥沙含量变化，坡度为5°时，径流泥沙含量随着降雨强度的增大而增加，坡度为10°、15°、20°、25°时，85mm/h与100mm/h雨强下径流泥

5、沙含量十分接近，且均大于60mm/h雨强径流泥沙含量；（4）坡面累计产沙总量随雨强的变化，100mm/h时产沙总量为9293.57g-13670.34g，85mm/h时产沙总量为7201.51g-11855.19g，60mm/h时产沙总量为5273.98g-6144.86g；（5）坡面动态径流量与径流总量在其他条件相同，不同坡度下，随着坡度的增大而增加，即25°20°15°10°5°；（6）坡面径流泥沙含量在其他条件相同，不同坡度下，随着坡度的增大而增加，即25°20°15°10°5°；（7）坡

6、面累计产沙总量随坡度的变化，雨强为60mm/h时，产沙总量维持在5300g-6100g左右，其他雨强条件下，产沙总量随着度的增大而增加，即25°20°15°10°5°；（8）坡面径流系数变化规律，各降雨强度下径流系数曲线斜率大小顺序为85mm/h100mm/h60mm/h，在相同降雨强度条件下，径流系数随着坡度的增大而增大，即25°20°15°10°5°；（9）坡面径流深随着降雨强度的增大而增加，受坡度因素影响不大。在雨强60mm/h时，径流深为33.33mm-35.45mm，在雨强85mm/h

7、时，径流深为44.57mm-52.90mm，在雨强100mm/h时，径流深为54.10mm-60.32mm；（10）通过模拟降雨试验，运用RUSLE模型测得的石灰岩土壤可蚀性性K值平均值为0.0186 t·h/ (MJ·mm)，土壤抗蚀性Kwi平均值为0.0181kg/m2·mm。根据土壤可蚀性K值的计算关系式测得的K值为0.0194 t·h/ (MJ·mm)。关键词：石灰岩;土壤侵蚀;人工模拟降雨;RUSLE模型;降雨强度;坡度;可蚀性K值Limestone soil water and soil erosion under simulate

8、d rainfallAuthor: Guo XueyaoSupervisor: Zhou DamaiMajor: Crop Production and Technology ExtensionAbstractIn this paper, the Taihang Mountain limestone soil, indoor simulated rainfall experiments to study the different rainfall intensity, slope limestone soil slope erosion runoff and sediment process

9、 and test data obtained based on the physical and chemical properties of soil and artificial rainfall, combined with the universal soil loss equation RUSLE model and the previous sum up experience and explore the limestone soil erodibility K value determination method with rainfall intensity variati

10、on. The main conclusions obtained are as follows: (1) the slope dynamic runoff in other conditions the same, under different rainfall intensities increase with the increase of rainfall intensity of 100mm / h> 85mm / h> 60mm / h; (2) change of slope runoff with rainfall intensity, 100mm / h the

11、 runoff 540.97L-603.20L, 85mm / h runoff 445.68-528.95L The runoff 60mm / h 332.28L-354.52L; (3) Runoff sediment concentration change, the slope is 5 °, runoff and sediment content increased with the increase of rainfall intensity, slope 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 85mm / h, and

12、100mm / h rainfall intensity, runoff sediment concentration is very close, and were greater than 60mm / h rainfall intensity, runoff and sediment content; (4) slope cumulative production and sand total changes with rainfall intensity, a total of 100mm / h and the sediment yield 9293.57g-13670.34g 85

13、mm / h, total sediment yield is 7201.51g-11855.19g, 60mm / hThe total sediment yield 5273.98g-6144.86g; (5) slope dynamic runoff and runoff of other things being equal, a different slope, slope gradient increases, that is, 25 °> 20 °> 15 °> 10 °> 5 ° (6) Runoff s

14、ediment concentration in the other conditions the same, different slope, as slope increases, ie, 25 °> 20 °> 15 °> 10 °> 5 ° (7) slope cumulative production of sand total with slope gradient, rainfall intensity of 60mm / h, the sediment yield total maintained at

15、about 5300g-6100g, and the other conditions of rainfall intensity and sediment yield total with the degree of increaseincrease, ie, 25 °> 20 °> 15 °> 10 °> 5 ° (8) Runoff coefficient of variation of the order of each rainfall intensity, runoff coefficient curve s

16、lope for 85mm / h> 100mm / h> 60mm / h under the conditions of the same rainfall intensity, runoff coefficient as the slope increases with increasing, ie25 °> 20 °> 15 °> 10 °> 5 ° (9), the runoff depth increased with the increase of rainfall intensity by t

17、he slope factor has little effect. Rainfall intensity of 60mm / h, the runoff depth is 33.33mm-35.45mm, the rainfall intensity of 85mm / h, runoff depth is 44.57mm-52.90mm, when the rainfall intensity of 100mm / h, the runoff depth is 54.10mm-60.32mm ; (10) Simulated rainfall, the use of the nature

18、of the RUSLE model measured limestone soil erodibility K values are an average of .0186 t h / (MJ mm), the erodibility Kwi average 0.0181kg/m2 mm. Relation to the calculation of the soil erodibility K values measured K value of 0.0194 t h / (MJ mm).Keywords: limestone;soil erosion;artificial rainfal

19、l;the RUSLE model;rainfall intensity;slope;erodibility K values目 录1引言11.1研究背景11.2国内外相关研究回顾与研究进展11.2.1土壤侵蚀研究回顾11.2.2土壤侵蚀模型研究21.2.3土壤侵蚀测定方法51.2.4土壤可蚀性K值研究进展91.3本研究目的及内容111.4技术路线图122 试验材料与方法132.1试验土壤与设备132.1.1试验土壤132.1.2实验设备132.2试验方法152.2.1试验设计152.2.2试验测量指标与方法153 结果与分析183.1人工模拟降雨与天然降雨相似性分析183.1.1降雨强度18

20、3.1.2降雨均匀系数183.1.3雨滴直径大小193.1.4雨滴降落终点速度193.2不同降雨强度条件下石灰岩土壤坡面径流侵蚀产沙试验研究193.2.1不同降雨强度下动态净流量变化规律193.2.2不同降雨强度下径流总量变化规律223.2.3不同降雨强度下径流泥沙含量变化规律253.2.4不同降雨强度下径累计产沙量变化规律283.3坡度对石灰岩土壤侵蚀的变化影响313.3.1不同坡度下动态径流量变化规律313.3.2不同坡度下径流总量变化规律333.3.3不同坡度下径流泥沙含量变化规律353.3.4不同坡度下累计产沙量变化规律373.4坡度与降雨强度双因子影响下石灰岩坡面产流时间、径流系数和

21、径流深变化规律393.4.1降雨强度、坡度对产流时间的影响393.4.2降雨强度、坡度对径流系数和径流深的影响403.5石灰岩土壤可蚀性指标研究413.5.1土壤可蚀性因子（K值）测定413.5.2土壤可蚀性随降雨强度的变化433.5.3土壤抗蚀性（Kwi）测定434讨论455结论47参考文献48河北农业大学硕士学位（毕业）论文河北农业大学硕士学位（毕业）论文1 引言1.1 研究背景近年来，由于自然环境的恶化和不合理的人为活动，导致植被生存环境受到极大地破坏，引起严重的水土流失，成为世界上最严重的环境问题之一，全球有65%的土地存在不同程度的土地退化。我国是世界上土壤侵蚀问题最严重的国家之一，

22、面积大，范围广。根据遥感调查，全国现有土地侵蚀面积达357万km2，占全国面积的37.2%，其中水力侵蚀面积就占179万km2。年均侵蚀总量45.2亿吨，约占全球土壤侵蚀总量的五分之一。据估算，我国因土壤侵蚀造成的经济损失每年在100亿元以上1。土壤侵蚀造成大量水土资源流失，恶化生态环境，制约农业生产，严重威胁着人类的生存和发展。中国是一个多山的国家，山区面积约占全国国土面积的67%，我国山地丘陵区内耕地的面积约占全国耕地总量的五分之二，粮食产量占全国粮食产量的1/31/52，山区的生态环境对我国的粮食安全和农业的可持续发展具有重大的战略意义。河北省太行山石灰岩区面积约8977.24km

23、78;，地形起伏大，但沟底平坦、开阔、土层深厚，是农业生产用地的精华所在3。由于石灰岩土质松散，土壤水分易饱和，土层渗水性差，阻碍降水下渗，抗侵蚀能力差，再加上一定的人为因素，造成这一地区土壤侵蚀十分严重。土壤侵蚀已经成为制约山区经济社会发展的重要因素4。因此，开展石灰岩区土壤侵蚀研究具有重要意义。我国的研究人员对水土流失的防治进行了多年研究，取得了丰硕成果，如：水土保持学科体系建设、土壤侵蚀预报模型研究、水土流失规律研究、动态监测与效益评价，以及小流域为单元的水土流失综合治理与试验示范等方面取得了较大的进展。摸清了我国土壤侵蚀的基本规律，完善了土壤侵蚀研究方法和技术体系，逐步建立了多种适应于

24、我国各地土壤类型的侵蚀预报模型。与世界土壤侵蚀科学研究相比，我国在土壤侵蚀宏观区域分异规律和土壤侵蚀分类、侵蚀环境演变、土壤侵蚀研究技术、土壤侵蚀综合防治等方面已经达到或接近世界先进水平5。1.2 国内外相关研究回顾与研究进展1.2.1 土壤侵蚀研究回顾 我国对土壤侵蚀现象的认识可以追溯到3000年前，而将土壤侵蚀作为一门科学技术进行专门研究，则是从20世纪20年代开始的。当时金陵大学森林系开设了土壤侵蚀及其防治技术课程，主要在晋鲁豫进行了水土流失调查及径流观测。20 世纪40 年代, 黄瑞采等学者对陕甘黄土分布、特性与土壤侵蚀的关系等进行了深入的考察研究, 此后, 在天水( 1941) 、西

25、安、平凉和兰州( 1942) 、西江和东江( 1943) 、南京和福建( 1945) 相继建立了水土保持实验站, 开始了长期定位观测研究6。从20世纪50年代开始，我国大规模开展土壤侵蚀科学研究并取得重要进展。全国有20多所高等院校设立了水土保持系或水土保持专业, 黄秉维、席承藩、朱显谟、罗来兴等老一辈土壤学家对黄土高原土壤侵蚀分类、分区及侵蚀地貌划分等做了大量开创性的工作，为我国的土壤侵蚀科学发展奠定了基础7。20世界60年代，蒋德麒、钱宁进等对黄土高原沟壑谷地的产沙量以及黄河下游河床粗泥沙来源问题进行了研究8, 9。罗来兴和朱震达编制了1：50万黄土高原水土流失和水土保持图，黄土高原的侵蚀

26、分区图，片蚀、沟蚀和风蚀分布图等10。20世纪70年代末，随着我国改革开放的发展，土壤侵蚀科学研究也取得了长足的进步。美国通用水土流失方程（USLE）成为国际土壤侵蚀界的讨论中心并在这一时期引入我国，我国学者根据我国实际状况进行了应用尝试。20世纪80年代后我国在土壤侵蚀调查中开始运用遥感技术11, 12，并开始进行土壤侵蚀定量预报模型的研究13-15。1.2.2 土壤侵蚀模型研究土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度，掌握土地资源发展动态，指导人们合理利用土地资源，管理和维持人类长期生存环境的重要技术工具。根据土壤侵蚀模型的建模手段和方法，一般可以将其分为经验统计模型和理论物理模型16。经验

27、统计模型一般不考虑土壤侵蚀过程中的物理机制，主要从侵蚀因子角度入手，建立产流、产沙与降雨、土壤、地形、植被、土地利用类型、水土保持措施等因子之间的多元回归关系式，其特点是结构简单，使用方便。理论物理模型是以土壤侵蚀过程中的物理机制为基础，借助水文学、水力学、土壤动力学、河流动力学的基本原理，根据已知的降雨、径流条件来描述土壤侵蚀过程，其特点是能够较为详细的描述土壤侵蚀的物理过程及其机理。土壤侵蚀模型研究长期以来备受国内外学者的关注，只是各个时期的侧重点不同17。a国外土壤侵蚀模型研究进展国外土壤侵蚀经验模型，主要以通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equ

28、ation）USLE和修正的通用水土流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation）RUSLE为代表，这方面的研究工作大致分为三个阶段:第一阶段从1877年德国土壤学家 Ewald Wolly定量化研究土壤侵蚀开始到美国的通用土壤流失方程USLE建立以前结束。这一阶段的研究工作主要围绕影响水土流失的单个因子展开，诸如坡度、坡长、植被覆盖等。大量径流试验小区的建立，促进了统计模型的发展，其中Cook18、Zingg和Smith19等人的研究为USLE的建立奠定了基础。第二阶段从通用土壤流失方程USLE问世到20世纪80年代初期。1965年，Wischmeier

29、和Smith基于大量小区观测资料和人工模拟降雨试验资料建立了著名的通用土壤流失方程USLE20。该方程以美国东部30个州10000多个径流小区近30年的观测资料为基础进行统计分析，预报坡面或田间尺度年平均侵蚀量。通过降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度、作物覆盖与管理和水土保持措施五大因子进行定量计算。USLE的具体形式如下： A= R·K·L·S·C·P式中，A为单位面积上的土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S 为坡度因子；C为作物覆盖和管理因子；P为水保措施因子。该公式结构合理、参数代表性普遍、应用范围广，并在美

30、国和其他国家的侵蚀预测和水土保持规划方面得到广泛应用。第三阶段从20世纪80年代初期到现在。该阶段的研究工作主要是对USLE模型的改进，提出了修正的通用水土流失方程RUSLE。随着人工降雨试验技术的研制成功和对土壤侵蚀机理认识的不断深入，USLE的缺陷逐渐显露出来。由于该模型所使用的数据主要来自美国落基山脉以东地区，仅适用于平缓坡地，不太适合垄作、等高耕作等。另外，由于该模型是经验模型，不能描述土壤侵蚀的物理过程，缺乏对侵蚀过程的深入剖析21，USLE的局限性已被水土保持研究者所公认。随着计算机技术的发展和土壤侵蚀研究的深入，1985年开始对USLE模型进行修正，并在1992年12月首次推出旨

31、在完善USLE的新一代模型RUSLE。 RUSLE模型与USLE模型的因子结果相同但对各因子的含义和算法进行了修改，更加详细的考虑了土壤侵蚀的各个因子，并且预测精度有所提高，应用范围更加广泛。RUSLE与USLE模型有相同的基本结构：A= R·K·L·S·C·P式中：A为年平均土壤侵蚀流失量，主要指降雨及其径流使坡面上出现细沟或细沟间侵蚀所形成的多年平均土壤流失量，单位为t/(km2·a)。R为降雨和侵蚀因子，反应降雨引起土壤流失的潜在能力，单位为MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，是衡量

32、土壤抗侵性的指标，反应了土壤对侵蚀的敏感性，单位为t·h/ (MJ·mm)。L为坡长因子，是指在其他条件相同的情况下，任意坡长的单位面积土壤流失量与标准坡长单位面积土壤流失量之比，为侵蚀动力的加速因子。S为坡度因子，是指在其他条件相同的情况下，任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度下单位面积土壤流失量之比，为侵蚀动力的加速因子。C为覆盖与管理因子，是指在其他条件相同的情况下，在某一特定作物或植被覆盖下的土壤流失量与耕种后的连续休闲地的流失量的比值。该因子衡量植被覆盖和经营管理对土壤侵蚀的抑制作用。P为水土保持措施因子，是指采取水保措施后，土壤流失量与相应未实施保持措施

33、的土壤流失量的比值。由于物理模型能够较好地反映流域侵蚀机理，考虑因素全面合理，因此有关其研究逐步得到加强。国外土壤侵蚀物理模型主要包括以下几种：水蚀预报模型(Water Erosion Prediction Model ,WEPP) WEPP模型是目前国际上最为完整，也是最为复杂的土壤侵蚀预报模型，它几乎涉及到与土壤侵蚀相关的所有过程，主要包括天气变化、降雨、入渗、蒸发、灌溉、地表径流、地下径流、土壤分离、泥沙运输、植物生长、根系发育、农机影响等子过程。WEPP模型能较好地反映侵蚀产沙的时空分布,外延性较好,易于在其他区域应用。1986年美国农业部设立水蚀预报项目(Water Erosion

34、Prediction Project-WEPP) ,1987年完成了用户需求报告22,并针对USLE模型在实际应用中的一些不足和限制23，建立了WEPP的基本框架。目前开发成功的主要是坡面版本,流域版本处于完善阶段,网格版正在开发。欧洲土壤侵蚀预报模型 (European Soil Erosion Model , EUROSEM) Morgan等24根据欧洲土壤侵蚀的研究成果,开发了用于预报田间和流域的土壤侵蚀模型EUROSEM。EUROSEM模型采用了Yang的单位水流功率概念25,模型具有较好的物理基础,将侵蚀分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀。这一模型建立,主要是根据欧洲平原地区的侵蚀特点,考虑了

35、植被截流对下渗、降雨动能的影响,并考虑土壤表层岩石碎块覆盖对下渗、溅蚀的影响。Beasley等26提出非点源地区流域环境反应ANSWERS模型,该模型是分散基于场次的物理模型,模拟流域管理对土壤侵蚀和沉积的影响。最初的模型只研究地表水文过程27,Beasley等人又把侵蚀和泥沙运动等过程加入到模型中,随后模型中的泥沙输移计算进一步改进为不同粒径泥沙颗粒的产沙和输沙过程28。模型可输出流域水文、泥沙含量和沉积等结果,可以模拟暴雨期间和暴雨后流域的特性。模型的缺陷是未考虑沟蚀。b国内土壤侵蚀模型研究进展我国在土壤侵蚀模型方面的研究起步较晚，始于20世纪40年代，所作的研究一般是利用经验模型以及参考

36、USLE模型结合GIS技术对一些流域的水土流失进行研究。1953年刘善建根据径流小区观测资料提出的坡面年侵蚀量计算公式，之后朱显谟、黄秉维29对土壤侵蚀类型、特征、影响因素及分布区域的研究，以及后来引入的植被度因子等，这些研究都是建立在经验基础之上的。20 世纪 70 年代末期，USLE 引入我国，对我国土壤侵蚀模型的研究产生了重大影响。80年代初，我国一些学者在杂志上开始发表介绍和研究USLE的文章30, 31，1983年7月，牟金泽等翻译的美国农业部农业手册第537号铅印本，对普及和推广USL E起到了极大的作用。1989年，刘兴昌、张友顺编写了专著32，对USLE进行了较系统的介绍。此后

37、众多学者对土壤侵蚀的各个因子进行了系统研究，在雨滴分布、降雨溅蚀33、雨滴速度、植被截留34、降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长因子、植被覆盖因子35等诸多方面都取得了许多卓有成效的成果。刘宝元36等根据USLE的建模思路并结合我国的水土保持现状，将USLE中的作物和水土保持措施两个因子替换为水土保持的生物措施、工程措施与耕作措施三个因子，其他因子不变，提出了中国土壤流失预报方程（Chinese Soil Loss Equation，CSLE），提高了USLE的计算精度和速度，实现了在基层单位的推广与应用。经过多年多年的深入研究，也有学者建立了我国的土壤侵蚀模型。例如包为民37根据黄河中游、北方

38、干旱地区流域的产流水文特征和冬季积雪的累积及融化机制，提出了中大流域水沙耦合模拟物理概念模型。结合黄土地区小流域坡面产沙、汇沙和沟蚀产沙、汇沙计算公式，构成了中大流域水沙耦合模拟物理概念模型。该模型较好地处理了北方干旱地区中大流域用下渗曲线计算地面径流中存在的观测资料缺乏、数据处理量太大两大难题；考虑了大流域气候、下垫面因素空间的不均匀性和雨洪径流产沙与融雪径流产沙间的差异。祁伟等38建立了基于场次暴雨的小流域侵蚀产沙分布式数学模型。该模型能够模拟出流域在不同水土保持措施、不同土地利用类型下的径流和侵蚀产沙的时空过程，能够检验不同流域管理措施对径流泥沙过程的影响，进而为流域内水土保持和管理措施

39、的检验提供了一定的技术支持和科学依据。姚文艺39在前人研究成果的基础上，以侵蚀动力学、地貌学、水文学、泥沙运动力学的理论为基础,以黄河多沙粗沙区岔巴沟流域为研究区域,以地理信息系统为平台,构建了黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失数学模型,可用于计算小流域沟坡和沟槽部分的土壤流失量,并达到了产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合;提出了当量糙率系数的概念,初步解决了定量表达水土保持工程对产汇流的影响,使模型具备了预测评价不同水土保持治理方案效益的功能;利用3S技术实现了土壤流失预测模拟信息系统的自动提取。1.2.3 土壤侵蚀测定方法土壤侵蚀测定方法是土壤侵蚀研究的重要内容之一。土壤侵蚀测量方法概括起来

40、主要有三种：野外径流小区法，室内人工模拟降雨法和定量遥感法。本试验主要用到室内人工模拟降雨法。a野外径流小区法 径流小区法是土壤侵蚀测定的常规方法，在世界范围应用广泛。该方法是指用木板、铁皮或其它材料围成矩形小区，并在地势较低的一端放置收集槽和测量设备，以确定每次降雨的径流量和土壤的侵蚀量。1917年密苏里大学M.F. Miller建立的“侵蚀小区”是世界上最早的径流小区。70 年代德国科学家 Wollny 建立了世界上第一批径流小区，研究土壤、覆盖、坡度等与土壤侵蚀的关系，之后美国科学家Miller 建立了野外径流小区研究作物类型及其轮作对土壤侵蚀的影响，提出了著名的通用流失方程USLE。其

41、中标准小区定义为长22.13m，纵向坡面规整，坡度9%，至少连续休闲两年的顺坡翻耕小区。张科利等通过研究提出了适合中国国情的标准小区的概念，即坡度15度、坡长20米、坡宽为5米的清耕休闲地。并在此基础上对土壤可蚀性动态变化规律进行了研究，为土壤可蚀性模拟研究中的雨强选择提供了科学的依据40。利用野外径流小区进行土壤侵蚀试验，是获得研究区土壤侵蚀基础数据的有效手段，但由于其数据的收集需要很长时间，而且受一定自然条件影响，因此此方法适用于土壤侵蚀最基础的数据收集。b室内人工模拟降雨法人工模拟降雨试验是在径流小区试验的基础上发展起来的。在利用天然降雨时，常常受到地域或时间等条件的限制，给试验工作带来

42、极大的困难。人工模拟降雨法可以重现天然降雨，且不受时间和空间的限制，在短时间内重复试验，缩短试验周期。人工模拟降雨装置还可以根据试验的需要，模拟不同的降雨强度和各种特性。近年来随着人工模拟降雨装置的研制和性能的完善，它将为研究人员提供更精确、更可靠的资料41-43。最早的人工模拟降雨装置出现于1920年，美国开始使用喷壶作为雨滴发生器进行模拟降雨试验5。美国普渡大学国家土壤侵蚀实验室的L.D .Meyer于1958年提出的采用摆动式喷头的人工模拟降雨装置后来得到了广泛的应用44。从这以后很多学者继续从事这方面的研究，不断对降雨装置进行创新和改进，出现了各种不同类型的人工模拟降雨装置。1992年

43、，澳大利亚昆士兰大学的土地和食品学院建立了侵蚀过程实验室，有一套关于模拟降雨和地面径流的装置，是用来提供调查研究和量化侵蚀过程的有效方法。模拟降雨器是由4个喷头组成的振荡型间歇式降雨装置，喷头型号为V80100，提供27mm/h177mm/h 强度的降雨。1999年，印度技术学会农业食品工程部，利用人工迷你降雨装置观测入渗、表面径流和土壤侵蚀。利用计算机视觉技术测量降雨强度为 60mm/hl00mm/h 的雨滴大小。该降雨装置可以随着降雨强度的不同而校正，克服了传统的要随着雨滴直径的不同而改变观测方法的缺点45。英国伊利诺斯大学土木工程系的WES模拟降雨系统。降雨喷头采用滴水式，由安装有注射针

44、管的有机玻璃压力盒排列组合而成。在每个压力盒的底面上装有576根注射针管，对压力盒中的水面施加一定的压力，针管产生的水滴下落形成降雨。每4个压力盒组成一个降雨单元，每个降雨单元装有一套电子数字阀装置，独立地进行控制，可以获得某一种降雨强度的降雨。再由100个这样独立的降雨单元组合而成，每个降雨单元的电子数字阀装置统一由一台数字电子计算机控制。总的降雨覆盖面积为12m×12m，使用的模拟试验槽也相应地设计成组合形式，模拟不同的地形。这种设计的模拟降雨装置，能够模拟不同的降雨程度，不同降雨分布及不同历时的移动型降雨。日本科学技术厅国立预灾科学技术中心的降雨实验室，这是目前世界上最大的人工

45、模拟降雨实验室，降雨喷头是喷水式，供给的压力水流进入喷头后，经过旋流结构，使水流造成锥角为120°下喷洒出形成降雨。四个喷头排列成等边棱形为一降水单元，整个降雨面由这样的降水单元组合排列而成。这种布设使降雨分布具有均匀性，而且能获得由不同粒径组成的降雨。降雨覆盖面积为3700，阵雨高度是16m， 而且全套降雨装置安装在一个可以移动的大厅上，设有5个试验区，总面积达5×3700。美国Norton人工降雨模拟设备在世界范围内广泛应用，它具有便于运输和易操作的特点，性能稳定可靠。基本单元包括支架、喷头、摆动头、潜水泵、雨强控制器、发电机、水箱、压力表等。单元的降雨面积为2.4m长

46、、1.5m宽，4个喷头的单元降雨面积为4.8m长、15m宽。每个单元可以独立使用，也可以根据需要降雨的面积，将多个等宽的单元平行放置。该设备选用的喷头型号为Veejet 80100，喷射2.25mm的中型球状雨滴，喷射速度为6.8m/s。当喷头放置在距地面2.4m高时，喷出的所有雨滴对地面的撞击速度几乎是等于自然降雨雨滴的撞击速度。该设备在喷头的四周设计有水的回流槽，可使透过喷射窗口落到地面之外的水经回流槽流回水箱，提高了水的利用效率，为在水源紧张的山区做实验提供极大的便利。该设备的支架可拆卸，高度可以通过4个支腿的升降进行调节，适合在陡坡地区使用46。我国是在 50 年代开始用人工模拟降雨试

47、验做水土流失规律研究工作的，但真正用于水土保持研究方面的还不多，尤其是野外试验的更少。到了80年代，有关水保、水利、地理等科研机构选用或试制不同类型的人工降雨装置，进行野外或室内降雨试验，大大加快了水土流失规律研究的步伐。到目前为止，我国相关领域的科研人员己经研制出了适于室内与野外各种试验要求和研究目的的人工模拟降雨装置。孙超图等研制的掺气喷洒式极小雨强降雨装置，主要用掺气方法减小喷洒式降雨器的降雨强度，用移动方法提高降雨均匀度，从而使雨强达 0.013mm/min-0.36mm/min范围，均匀度达到90%以上。该装置已用于“干旱地区雨水利用”试验研究中47。陈文亮等研制的SR型野外人工模拟

48、降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置。其结构主要包括：降雨喷头、降雨座架、驱动机构、动力系统和供水系统。该装置在喷头处辅以使喷头往返摆动的机械传动装置，可增加喷头的散水面积和均匀度。以间歇方式降雨来满足其降雨强度、雨滴直径大小及其分布与自然降雨相似。装置采用铝合金材料制成，结构简单，易于安装拆卸，适用于野外工作48。叶翠玲等针对铁路建设过程中的典型坡面进行了野外人工模拟降雨试验，以定量研究铁路施工引起的水土流失量。试验采用中国科学院地理所的下喷式模拟降雨机。有效降雨面积为 5m×2m，采用率定的雨强 0.72 mm/min -1.2mm/min。试验过程中，由于受外界因素

49、的影响，实际雨量用量雨桶测得49。中国科学院水利部西北水土保持研究所研究的侧喷式降雨系统，降雨装置为侧喷式，喷头是喷水式喷头，这个喷头由喷头体，出流孔板和碎流档板等构件组成。它用来控制出流量的大小，更换不同孔径的孔板，可以获得不同强度，不同粒径大小的降雨。孔板还起集流作用，通过孔口的水流形成集中的水柱，射到方侧式的碎流档板上。碎流档板的作用，将通过出流孔口的水柱散碎，并向侧方成扇形面散落下来形成降雨。降雨高度16 m,满足所有降雨雨滴达到终点速度。降雨强度变化范围为40-260 mm/h,降雨均匀度大于80%,最大持续降雨时间12h。降雨区由两个独立降雨试验区组成,单个实验区有效降雨面积4 m

50、×9 m。降雨大厅总面积为1296m2。 北京师范大学人工模拟降雨实验室，内置10台人工模拟降雨机，该降雨机是槽式下喷式人工降雨机，通过调节水压和喷头摆动频率来调节降雨强度。单台降雨机包括5个喷头，降雨机喷头工作高度为2.4m，降雨强度可调范围为20-120mm/h， 单台降雨机单喷头的雨滴在面的降落范围为3m×2.2m。人工模拟降雨试验进行时，降雨机应至少两台以上并排使用，以便得到较为良好的降雨过程，形成均匀的降雨，并且这样也可大大提高测量数据的准确性。经测试计算，在两台降雨机间隔1.5m时，四个喷头有效降雨区域的1.5m×1.1m范围内， 降雨均匀性可达84%

51、以上，在0.9m×1.54m范围内，降雨均匀性可达89%以上。这套降雨装置不仅适用于室内使用，而且适用于野外模拟降雨试验。目前人工模拟降雨装置的均匀系数可达0.8以上，达到了一般农林田间和野外试验的要求。但目前国内外尚未建立起统一的人工模拟降雨机降雨特性检测标准，应用中有待根据各自的试验要求来选用。在研制人工模拟降雨装置时，需根据实际应用的需要来设计。目前国外已开发出利用工控机的模拟天然降雨测控系统，实现了数据采集、处理、显示与自动报表、数据保存等功能。采用计算机自适应控制技术的智能移动式模拟降雨方式将成为未来的发展方向50。c定量遥感法3S技术是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮

52、、更新、管理、分析和应用的3大支撑技术，是土壤侵蚀研究走向定量化的科学方法之一。随着GIS系统的进一步完善，土壤侵蚀治理规划、水土保持规划将走向科学化、现代化、数量化，并更具指导性和可操作性。在国外，Collins D等利用了GIS和遥感技术对尼泊尔中山区的土壤流失情况进行预测，表明在GIS平台上可以评价出土地利用和气候变化对坡面土壤侵蚀的影响趋势。保加利亚、西班牙、土耳其、印度尼西亚、斯诺文尼亚、叙利亚、德国、美国和印度的相关学者也将 USLE 与 RS、GIS 结合对土壤侵蚀量进行预测51。我国学者也研究了GIS在土壤侵蚀模型中的应用，但这类模型的建模手段基本一致，即利用RS和GIS提取出

53、所需因子，用回归分析的方法建立侵蚀计算公式，最后利用 GIS 的图形运算显示计算结果，这些模型的不同之处在于模型中所考虑的影响因素不同。徐天蜀等以ArcView3.2为分析平台，结合 USLE，证明了 GIS 与土壤侵蚀评价模型结合的强大决策支持功能。刘洪义在ArcGIS和ArcView平台下，研究证明徕山区域土壤侵蚀方式具有明显的垂直分带性。刘永能等近几年利用3S技术对江苏省水土流失严重的徐连地区进行了水土流失动态监测并收到了良好的效果。刘森等以GIS,RS和RUSLE为核心，对大兴安岭呼中地区土壤流失量进行了定量化分析51。遥感信息虽然都是信息源，但在不同的水土流失监测和调查中的具体应用是

54、不同的。研究土壤侵蚀的遥感法主要分为以下几类52：影像判读法，影像判读法也可以称作遥感影像的目视解译。遥感影像判读法主要是通过对影像的判读,对一些主要的侵蚀控制因素进行目视解译后,根据经验对其进行综合,进而在叠加的遥感图像上直接勾绘图斑(侵蚀范围),标识图斑相对应的属性(侵蚀等级和类型)来实现的。目视解译是土壤侵蚀调查中基于专家的方法中最典型的应用。这一方法利用对区域情况了解和对水土流失规律有深刻认识的专家,使用遥感影像资料,结合其它专题信息,对区域土壤侵蚀状况进行判定或判别,从而制作相应的土壤侵蚀类型图或强度等级图。指数提取法，植被作为影响水土流失的一个重要因子一直受到人们的广泛关注。陆地表

55、面的植被常是遥感观测和记录的第一表层,是遥感图像反映的最直接的信息,也是人们研究的主要对象。土壤侵蚀调查和风险评价常常利用遥感数据,提取植被指数,建立植被指数与生物物理参数(如植被覆盖度、叶面积指数)的关系,应用到不同的土壤侵蚀调查和风险评价方法中。遥感影像常用的数字影像分类方法也被运用到特定地区的土壤侵蚀调查,以区分地表侵蚀强度和空间范围。影像分类法是直接利用遥感记录的地表光谱信息进行土壤侵蚀评价的方法。由于土壤侵蚀本身并不是以特定的土地覆盖等地表特征出现,而且指示土壤侵蚀的土壤属性光谱信息往往被植被覆盖、田间管理和耕种方式等等这样的土壤表层信息所掩盖,理论上只利用遥感信息是难以提取土壤侵蚀

56、状况的,而需要通过地表环境因子的变化检测来获悉。单纯的利用遥感方法进行土壤侵蚀研究是十分困难的。影像分类法在土壤侵蚀研究中的应用往往局限在某些特定的半干旱地区,这些地区反映不同侵蚀状态的地表覆盖差异明显。1.2.4 土壤可蚀性K值研究进展土壤可蚀性研究在水土保持工作中具有重要意义，国际上把土壤可蚀性研究一直作为水土保持学科研究的主要内容之一。早在1751年，俄国科学家罗蒙诺索夫首次在论文中谈到暴雨对土坡的溅蚀作用，1753年他详细论述了土壤侵蚀对农业生产的影响53。1882年德国土壤学家Wollny54开始用径流小区观测的方法，深入研究了坡度、植被覆盖、土壤类型、坡向等对土壤侵蚀的影响。20

57、世纪以来，研究者们在对土壤侵蚀进行的大量研究中逐渐认识到：土壤对侵蚀营力固有的抵抗能力，或土壤可蚀性在土壤侵蚀过程中的重要性。Bennett于1926年首次提出土壤可蚀性与土壤类型有关，并测定了土壤质地、土壤结构、有机质含量和化学组成55 . 1936年，H.Lcook通过对大量径流小区的分析，首次提出了土壤可蚀性的三个主要影响变量，为土壤侵蚀预报的发展提供了思路56。1938年Peele等人把土壤渗透性作为土壤可蚀性指标并对其进行了研究57。随后，土壤可蚀性的概念被引入风蚀的研究中。1942 年，Chepil 提出了土壤风蚀度(Soil erodibility by wind)的概念，用来反映土壤遭受风蚀的脆弱性程度58。1954年Anderson提出以团聚体表面率作为土壤可蚀性评价指标。1956年Woodbum等用团聚体的稳定性和分散率作为土壤可蚀性指标，研究得出大于0.5mm的水稳性团聚体的重量百分数与土壤溅蚀量具有良好的负相关关系。1965年总结出的通用土壤流失方程USLE，土壤可蚀性K作为其中重要因子出现。1971年Wischmeier为使土壤可蚀性K值易于快速获取，根据土壤性质与实测到的土壤可蚀性因子值建立了土壤可蚀因子K与土壤性质之间的关系式，并将其绘制成了土壤可蚀性因子诺漠图59。随后，Wischmeier等又提出当土壤的粉粒与极细砂所占比例之和不大于7