实验实习指导书

1、 土壤侵蚀原理实验实习指导书水土保持与荒漠化防治专业适用）水保与水利工程系2008年4月-LX-1前言土壤侵蚀原理是水土保持与荒漠化防治科学研究的基础，在水土保持科学中具有十分重要的地位。土壤侵蚀原理是水土保持与荒漠化防治专业本科生一门必修的骨干性专业基础课程。通过本课程的学习，主要使学生具备土壤侵蚀方面的基本知识，认识土壤侵蚀的基本规律，并掌握水土资源管理及土壤侵蚀监测、调查和评价的基本技能，同时为本科生后续课程学习，如流域管理学、荒漠化防治工程学、水土保持工程学、林业生态工程学等专业课程，以及今后独立解决水土保持与荒漠化防治中的具体问题，奠定坚实的认知基础、理论基础和技术基础。为巩固和深化

2、土壤侵蚀原理课程所讲内容，不断提高学生动手能力，完成本课程实习实验是教学中的重要环节之一。目前本课程的实习实验分为室内和野外两个部分。根据安排的实验课时、实验室条件和经费投入情况，可全部或选择其中部分内容进行。编者2008.04 室内实验室内实验地点在山西农业大学林学院水保与水利工程系土壤侵蚀实验室、土力学实验室、水土保持规划实验室。实验一土壤自然含水量的测定方法原理将采回一定量的新鲜土样在105C2C烘至恒重（约68h），求出土壤失水重量占烘干土重的百分数。通常以100g干土中含水多少来表示。在进行土壤理化分析时，需要先在105C下烘干以测定风干土样的吸湿水含量，并以烘干样品重为相对统一的计

3、算标准，使得各项各次分析结果可互相比较。2测定步骤风干土壤吸湿水的测定取编有号码的水分皿或小铝盒（需打开盒盖），烘干后冷却，在电子天平上称得其恒重（WJ,平铺入约5g风干土样，再准确称重（Wp,放入烘箱中，在105110C烘烤8h取出，加盖后放在干燥器内冷却至室温，立即称重（W3）,必要时重复烘烤3h。冷却称重，以验证是否恒重（两次重量之差不大于3mg）。结果计算：（以烘干土壤为基础的水分）WWW%300WW31新鲜土壤水分测定取大的水分皿或大铝盒，在田间钻取代表性土样，挖取土钻中部土样20g左右，迅速装入已知重量（W）的铝盒，带回实验室再称重（W2）。同测定土壤吸湿水步骤相同。立即烘烤，冷却

4、称重（W3），依上式计算土壤水分。实验二土壤容重的测定1概念土壤容重是指土壤在未破坏自然结构的情况下，单位容积的干土重，以g/cm3表示。土壤容重及孔隙度是土壤松紧状况的反映，而它们和土壤质地、结构、有机质含量、土壤紧实度、耕作措施等有关，并可作为判断土壤肥力高低的一项重要指标。测定土壤容重的方法很多，如环刀法、蜡封法（用于求不规则样的体积）、水银排开法、丫射线法，常用的是前两种方法。现介绍常用的环刀法，此法操作简便，结果比较准确，且能反映田间实际情况。方法是利用一定容积的环刀，切割未搅动的自然状态的土样，使土样充满其中、称量后计算单位体积的烘干土重量。主要仪器环刀、环刀托、削土刀、铁铲、天平

5、（感量o.lg）、白瓷盘、滤纸。3测定方法先在田间选择挖掘土壤剖面位置，然后挖掘土壤剖面，观察面向阳，挖出的土放在土坑两边，挖的深度一般是lm或见到地下水为止。如测定耕作层土壤容重，则不必挖土壤剖面。用修土刀修平土壤剖面，并记录剖面的形态特征，按剖面层次，分层采样，每层重复三次。将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁稍擦凡士林。将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止。若土壤层坚实，可用手锄慢慢敲打，环刀压入时要平稳，用力一致。用修土刀切开环刀周围的上样，取出已装土的环刀，细心削去环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土。同时，在同层采样处，用铝盒采样，测定自然含水量。把装有样品的环刀

6、两端立即加盖，以免水分蒸发。随即称重（精确到O.Olg），并记录。将装有样品的铝盒烘干称重（精确到O.Olg），测定土壤含水量，或直接从环刀筒中取出样品测定土壤含水量。4结果计算环刀容积按下式计算V=r2h式中：V为环刀容积（cm3）；r为环刀内半径（cm）；h为环刀高度（cm）。按下式计算土壤容重Bg00si0o.W式中：s为土壤容重（g/cm3）；g为环刀内湿样重（g）；V为环刀容积（cm3）；W为样品含水量（）。允许误差此法允许平行绝时误差V0.03（g/cm3），取算术平均值。如不测定土壤自然含水量，则环刀内的土壤全部无损地移入已知重量的大铝盒中，烘干至恒重。按下式计算土壤容重。.Ws

7、V式中：s为土壤容重（g/cm3）；Ws为烘干土重（g）；V为环刀容积（cm3）。实验三不同粒径沙粒休止角测定实验目的维持坡面物质稳定的力主要由四个方面组成，一是组成坡面物质的休止角；二是坡面物质间的摩擦阻力；三是坡面物质之间的粘结力；四是穿插在土体中植物根系的固结作用力。本实验就是在排除（不考虑）后三种作用力的情况下，探讨组成坡面物质的休止角与坡面稳定之间的相关关系。实验原理沙粒的休止角大小受三方面影响：一是随其水分含量的变化而发生变化，水分含量升高时，其休止角变小，二者呈现负相关关系。二是沙粒的休止角受粒径大小的影响，其它条件相同时，沙粒的休止角与其粒径呈现正相关关系。三是沙粒的休止角受沙

8、粒形状的影响，其磨圆度较好时，沙粒的休止角较小，反之则较大。即沙粒的休止角与其磨圆度呈现负相关关系。当组成坡面物质的休止角大于或等于坡面坡度角时，无论坡面有多长，坡面都是处于稳定状态而不会发生重力侵蚀。一般情况下不同泥沙石块的休止角如表3.1和表3.2所示。表3.1几种岩石碎块的休止角（度）岩屑堆的成分最小最大平均砂岩、页岩（角砾、碎石、混有块石的亚砂土）254235砂岩（块石、碎石、角砾）264032砂岩（块石、碎石）273933页岩（角砾、碎石、亚砂土）364338石灰岩（碎石、亚砂土）274534表3.2几种含水量不同泥砂的休止角（度）泥砂种类干很湿水分饱和泥402515松软沙质粘土40

9、2720洁净的细沙402722紧密的细沙453025紧密的中粒沙453327松散的细沙373022松散的中粒沙373325砾石土373327实验样品制备将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.002.00mm、0.501.00mm、0.250.50mm、0.100.25mm和0.0740.10mm,筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0kg。将筛分后的沙粒用清水洗掉黏附在沙粒表面的粘土，以消除实验中粘土导致的粘结力。将洗净的每种粒径的沙粒分别放于干燥地表风干、收于小桶内备用。实验用具厚度为3.05.0mm、面积为50X50cm的平板玻璃1块；

10、分析化学用普通滴定试管架1个；玻璃漏斗1个；500ml量筒1个；（5）1000ml烧杯1个；（6）2.0m钢卷尺1个；记录及计算用具适量（记录纸，铅笔，计算器等）。实验步骤将平板玻璃水平放于实验台上，滴定试管架安放于平板玻璃一侧，将漏斗置于试管架并使玻璃漏斗的下端与平板玻璃的垂直距离保持在2.0cm左右（如图1所示）。从安置好的漏斗上部，将备好的风干沙粒（一个粒径范围内的）徐徐放下，同时进行观察。就会发现平板玻璃上的沙堆角度不断发生变化，即沙堆的半径和其高度的变化不是成比例的。在从漏斗上部不断补充沙粒的时候，应随时将安置漏斗的试管架横梁逐渐上移，以保持漏斗下部与沙堆顶部距离始终不小于1.0cm

11、左右。边逐渐上移试管架横梁，边继续向漏斗内加注沙粒，直至沙堆的半径与其高度比值不再发生变化，即沙堆的坡度不再发生改变为止。此时观测到的沙堆角度既为采用一定粒径沙粒风干时的休止角。观测到风干沙粒的休止角后，从漏斗上部徐徐滴入清水，就会发现原沙堆的高度逐渐降低，而其直径在不断增大，即沙堆的坡面角度在逐渐减小。再徐徐滴水并随时记录沙粒含水量与沙堆坡面角度的变化过程。继续滴水直至有水流从沙堆底部渗出为止，即沙堆水分含量近于饱和状态。此时沙堆的休止角既为水分饱和时的休止角。数据整理与分析列表计算风干沙粒数量与沙堆坡面角度的变化过程，直至测定计算到风干沙的休止角为止。列表计算沙堆水分含量与不同水分含量时的

12、休止角变化过程，直至沙堆水分达饱和时为止。实验报告编写将实验过程中观测到的现象进行描写，并分析所有数据得到特定粒径沙粒不同含水量时的休止角。实验四人工模拟降雨侵蚀实验实验目的通过本实验，了解人工模拟降雨机的工作原理，掌握降雨导致的土壤侵蚀作用、降雨侵蚀的发生过程、影响降雨侵蚀量的主要因素等。实验原理降雨导致的土壤侵蚀量大小，主要取决于降雨历时、降雨强度和降雨量等，同时还受到土壤种类（不同土壤的可蚀性不同）、地面坡度、地表覆盖物种类及其覆盖物数量等多种因素的影响。本实验室内人工模拟降雨系统，采用特定土壤（限于教学时数只能选择一种土壤），通过改变有限的因素（降雨量、降雨强度、降雨历时、地面坡度）探

13、讨土壤侵蚀量（土壤流失量）的大小，进而通过分析实验数据得到以上因素与土壤侵蚀量的相关关系。人工模拟降雨机的主要性能产品厂家：北京林业大学；有效降雨面积：0.8mX0.8m；雨滴发生器至地面垂直高度：2.0m；降雨强度：10mm/h200mm/h连续可调；雨滴直径：1.7mm3.0mm；降雨历时：024h自动控制；工作方式：手动、半自动、全自动三种方式任选。实验物品准备可变坡度土壤侵蚀槽1个（1.5mX1.5m）；供试土壤适量（1.0m3以上）装入土壤侵蚀槽；1000ml量筒10个；1000ml塑料瓶30个；塑料漏斗30个；20cm定性滤纸2盒；烘箱1个；1/100天平2个；记录及计算用品适量。

14、实验设计地面坡度设计地面坡度分为5、10、15、20、25、30和357个坡度级。降雨强度设计降雨强度分为30mm/h、40mm/h、50mm/h、60mm/h、70mm/h、80mm/h和90mm/h7个降雨级别。实验步骤将填充有土壤样品的可变坡度土壤侵蚀槽安置于人工模拟降雨机的正下方，向人工模拟降雨机注水并调整模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为10mm/h左右。将人工模拟降雨机的工作方式置于手动方式党，开启电源使人工模拟降雨机产生降雨约2h,以使土壤侵蚀槽内的土壤样品水分含量逐渐升高达到上下一致。（调节土壤侵蚀槽的倾斜程度，使被实验的土壤表面坡度达到5。并保持这一坡度。调节模拟降雨机的供水阀

15、门至降雨强度为30mm/h。保持这一降雨强度约10min左右以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致。用1000ml量筒从土壤侵蚀槽的集水口取含有泥沙的水样8001000ml并记录采取水样体积和所经历的时间段填入表2.1。将放好滤纸的漏斗置于塑料瓶，将含有泥沙的水样过滤备用。用同样方法连续再取水样两个，分别进行记录和过滤备用。再分别调节模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为40mm/h、50mm/h、60mm/h、70mm/h、80mm/h和90mm/h，各保持这些降雨强度约lOmin左右以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致，重复6.5过程及内容，将相关数据分别记录于表2.22.

16、7。胺不同地面坡度将水样编号用铅笔分别写在过滤纸上，放入干燥箱内（烘箱温度应80C）烘57h后，取出包有泥沙的过滤纸称重。扣除过滤纸重量后将泥沙重量分别记入表4.1表4.7的相关栏内。表4-2地面坡度为15时人工模拟降雨土壤侵蚀记录 表4-1地面坡度为5时人工模拟降雨土壤侵蚀记录 水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）153025303530454055406540755085509550105601156012560135701457015570165801758018580195902059021590实验时间年丿冃日记录人：水样编

17、号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）115302153031530415405154061540715508155091550101560111560121560131570141570151570161580171580181580191590201590211590实验时间年丿冃日记录人：表4-4地面坡度为25时人工模拟降雨土壤侵蚀记录 表4-3地面坡度为20时人工模拟降雨土壤侵蚀记录 水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/mh）12030220303203042040520406204

18、0720508205092050102060112060122060132070142070152070162080172080182080192090202090212090实验时间年丿冃日记录人：水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/mh）125302253032530425405254062540725508255092550102560112560122560132570142570152570162580172580182580192590202590212590实验时间年丿冃日记录人：表4-6地面坡度为35时人工模拟降雨土壤侵蚀记录

19、 表4-5地面坡度为30时人工模拟降雨土壤侵蚀记录 水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）130302303033030430405304063040730508305093050103060113060123060133070143070153070163080173080183080193090203090213090实验时间年丿冃日记录人：水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）1353023530335304354053540635407355083550935501035

20、60113560123560133570143570153570163580173580183580193590203590213590实验时间年丿冃日记录人： 7数据整理与分析将表2.1表2.7的地面坡度、降雨强度和产沙量栏内的实验数据整理（将相同地面坡度和同一降雨强度下的3个产沙量数据初步对比分析，如果相对相差均W5%时，取其3个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值；如其中一个数据的相对相差均5%时，则剔除该数据取另2个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值。）后，输入计算机以产沙量为因变量、以地面坡度和降雨强度为自变量进行多元线性回归分析，得方程如下式：yaxbxc12式中：y

21、土壤侵蚀量（g/m2h）；x1地面坡度（度）；x2降雨强度（mm/h）；a，b分别为变量X,x2的系数；c常数。8实验报告的编写描述实验过程，根据数据分析结果和构建的回归数学模型，讨论降雨强度、地面坡度对土壤侵蚀量的影响。实验五不同粒径泥沙起动流速实验目的了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措施规划和设计提供理论依据。实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.002.00mm、0.501.00mm、0.250.50mm、0.100.25mm和0.0740.10mm计5个粒

22、径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0kg。当泥沙只有一个粒径组时,常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何平均值的计算式如下:DD?iub式中D.某一粒径组的粒径平均值；iD某一粒径组的粒径上限值；uDb某一粒径组的粒径下限值。b以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。表5-1实验用沙粒的几何粒径值(mm)粒径范围1.01.02.02.05.05.010.0几何粒径0.2240.7071.4143.1627.071实验仪器及用品可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长2.0m、宽0.2m冲蚀槽和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱(

23、图5.1)。普通秒表一块。红、篮液体指示剂各400ml。测坡仪一个。记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量。(6)3.6Y250型毕托管4套。实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒(花岗岩风化沙粒)和特定的边壁糙率条件(糙率为0.0020)，通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。地面坡度设计和沙粒起动的判别标准地面坡度设计地面坡度设计为5、10、15、20、25和3

24、06种。沙粒起动判别标准泥沙在水流冲击下，不可能同时起动或同时不动。因此沙粒的起动判别就必须遵循一定的标准。我国学者窦国仁对克雷默(H.Kramer)提出的推移质运动状态进行了定量分析，他以近底流速u0作为标志泥沙起动的水力指标，据此他提出了相当于克雷默的三种推移质运动状态的起动概率Pc,它们分别为：个别起动PC=0.00135少量起动Pc2=0.0227大量起动Pc3=0.159本研究取Pc3=0.159作为判别泥沙起动的统一定量标准。图5.1泥沙起动流速实验装置示意图表5-25槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)c表5-310槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)c实验步骤将冲蚀槽的坡度调节

25、到5，分别将备好的5个粒径组的沙粒投放于实验槽内100300颗沙粒。在定床条件下逐渐加大流量Q以使流速V增大，当有15%以上沙粒开始在底床运动时，即为在该特定条件下的沙粒起动流速U。不同槽面坡度下非粘性C花岗岩沙粒起动流速如表3.1所示。CC剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值U.计算得U值。i将冲蚀槽的坡度分别调至10。、15。、20。、25。和30，依次放入备好的5种粒径的沙粒，通过调节供水水箱的阀门以改变所需的流量和流速，重复6.1中所述内容，将观测数据分别记录于表3.2、表3.3、表3.4、表3.5和表3.6。 表5-415槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)表5-520槽面底

26、坡时沙粒起动流速Uc(m/s)表5-625槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)c表5-730槽面底坡时沙粒起动流速Uc（m/s）c定，剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值U.计算得U值。cic实验数据整理将表3.1表3.6的槽面坡度和水流流速实验数据整理（将相同槽面坡度和同一沙粒粒径下的10个地表径流流速数据初步对比分析，如果相对相差均W5%时，取其10个径流流速的平均值作为该条件下的起动流速值；如其中一个数据的相对相差均5%时,则剔除该数据取另9个起动流速数据的平均值作为该种条件下的起动流速值。）后输入计算机进行计算。如果以沙粒起动流速为因变量、以不同槽面坡度下的沙粒的几何粒径值为自

27、变量进行回归分析，可得不同槽面坡度时的方程如下式：UAQbci式中：U沙粒的起动流速（m/s）；CA方程系数；D.某一粒径组沙粒的几何粒径（mm）；iB方程的指数。如果以沙粒起动流速为因变量、以槽面坡度、沙粒的几何粒径值为自变量进行回归分析，可得方程如下式：UCaQbi式中：C常数；槽面坡度（度）；A，B分别为和D.的指数。i其它符号意义同前。实验报告的编写描述实验过程，根据数据分析结果和构建的回归数学模型，讨论槽面坡度、沙粒粒径与其起动流速之间的关系。野外实习部分实习一土壤剖面的野外观察实习目的土壤的外部形态是土壤内在性质的反映，我们可以通过土壤的外部形态来了解土壤的内在性质，初步确定土壤类

28、型，判断土壤肥力的流失情况，为土壤的利用改良提供初步意见。本实习在土壤基本形态观察的基础上，要求学会掌握土壤剖面形态的观察描述技术。实习器材铁铲、土钻、皮尺、手罗盘、剖面刀、铅笔、塑料袋、标签、土壤速测箱、纸盒、文件夹。实习内容选择土壤剖面点选择原则：要有比较稳定的土壤发育条件，即具备有利于该土壤主要特征发育的环境，通常要求小地形平坦和稳定，在一定范围内土壤剖面具有代表性。不宜在路旁、住宅四周、沟道附近等受人为扰动较大，且没有代表性的地方挖掘剖面。土壤剖面的挖掘土壤剖面一般是在野外选择典型地段挖掘，剖面大小自然土壤要求长2m、宽lm、深2m（或达到地下水层），土层薄的土壤要求挖到基岩，一般耕种

29、土壤长1.5m,宽0.8m,深lm。挖掘剖面时应注意下列几点：剖面的观察面要垂直并向阳，便于观察。挖掘的表土和底土应分别堆在土坑的两侧，不允许混乱，以便看完土壤以后分层填回，不致打乱土层影响肥力，特别是农田更要注意。观察面的上方不应堆土或走动，以免破坏表层结构，影响剖面的研究。在垄作田要使剖面垂直垄作方向，使剖面能同时看到垄背和垄沟部位表层的变化。春耕季节在稻田挖填土坑一定要把土坑下层土踏实，以免拖拉机下陷和折断牛脚。土壤剖面发生学层次划分土壤剖面由不同的发生学土层组成，称土体构型，土体构型的排列入其厚度是鉴别土壤类型的重要依据，划分土层时首先用剖面刀挑出自然结构面，然后根据土壤颜色、湿度、质

30、地、结构、松紧度、新生体、侵入体、植物根系等形态特征划分层次，并用钢卷尺量出每个土层的厚度，分别连续记载各层的形态特征。一般土壤类型根据发育程度，可分为A、B、C三个基本发生学层次，有时还可见母岩层（D）,当剖面挖好以后，首先根据形态特征，分出A、B、C层，然后在各层中分别进一步细分和描述。土层细分时，要根据土层的过渡情况确定和命名过渡层：根据土层过渡的明显程度，可分为明显过度和逐渐过度。过渡层的命名，A层B层的逐渐过程可根据主次划分为AB或BA层。土层颜色不匀，呈舌状过渡，看不出主次，可用AB表示。反映淀积物质，如腐殖质淀积Bh，粘粒淀积Bt，铁质淀积Bir等。土壤剖面描述按照土壤剖面记载表

31、的要求进行描述记载土壤剖面所在位置、地形部位、母质、植被或作物栽培情况、土地利用情况、地下水深度、地形草图可画地貌素描图，要注明方向，地形剖面图要按比例尺画，注明方向，轮作施肥情况可向当地村民了解。划分土壤剖面层次，记载厚度，按土层分别描述各种形态特征，土层线的形状及过渡特征。进行野外速测，测定pH值、高铁、亚铁反应及石灰反应，填入剖面记载表。最后根据土壤剖面形态特征及简单的野外速测，初步确定土壤类型名称，鉴定土壤肥力，提出利用改良意见。土壤剖面样品的采集土壤剖面样品一般有纸盒标本，分析标本及整段标本3种。采集纸盒标本，根据土壤剖面层次，由下而上逐层采集原状土挑出结构面，按上下装入纸盒2，结构面朝上，每层装一格，每格要装满，标明每层深度，在纸盒盖上写明采集地点、地形部位、