土壤侵蚀沟网络结构的研究

土壤侵蚀沟网络结构的研究

0侵蚀沟径流冲刷是侵蚀产沙的主要来源中国是一个水土流失严重的国家。根据2005年国家发展计划委员会第三次水土流失调查的数据，侵蚀沟地表径流是侵蚀沙的主要来源。全国侵蚀面积为贿赂掩盖，占全国总面积的37.2%。了解侵蚀沟侵蚀已取得的研究成果，掌握其发展动态，将为探讨侵蚀沟的形成机制和制定合理的防治方案提供借鉴和指导。1水和土壤肥力影响下的土沟侵蚀研究方法1.1测定指标和方法一般适用于小区坡面地块尺度内的侵蚀沟研究，主要开展坡面因子的调查、原状土抗冲试验、土壤入渗试验、崩解试验、抗剪切试验等；植被主要研究根的分布其抗拉性；采用径流小区法观测降雨和泥沙侵蚀量的变化；采用测针板法机型侵蚀沟调查。1.2不同降雨动力条件的人工模拟降雨法通过人工模拟实验研究降雨径流与土壤抗侵蚀性的定量关系，适用于小尺度的定位模拟。通过模拟天然降雨动力条件对原状土的侵蚀冲刷以取得不同土壤的的侵蚀量和侵蚀沟的演变，人工模拟降雨法的优点是可根据实验需求，设计降雨，快速获得实验结果；缺点是缩短了降雨的间歇时间，使土壤没有重复性，降雨强度和到达地面的雨滴能量与天然降雨有很大差异，而且设备安装比较麻烦。1.3抗侵蚀性能评价适用于各种尺度侵蚀沟土壤属性现状调查，主要是通过室内测定土壤的机械组成、容重、孔隙度、水稳性团聚体含量、入渗特性、有机质含量等评价土壤的抗侵蚀性能。利用室内理化性质、野外调查测定数据和侵蚀沟土壤抗侵蚀性数据建立数学模型，进行区域内侵蚀沟侵蚀趋势预测。1.4土壤侵蚀垂直分布的研究现代核素示踪法包括稳定性稀土元素示踪法和放射性核素示踪法。国内首次将REE示踪法应用于黄土区土壤侵蚀垂直分布的研究。常用的放射性示踪核素主要包括7Be,137Cs,210Pb和226Ra/232Th，这些核素在土壤剖面中具有独特的垂直分布特征及分布深度。单一核素示踪得到的结果相对来说比较粗糙，而利用多种放射性核素复合示踪研究小流域内各地貌单元的产沙量，国内研究较少。1.5全站仪遥感信息提取传统的侵蚀沟调查方法精度低，周期长，人为造成的误差大，缺乏灵活性和动态性。现代科技的发展使土壤侵蚀调查趋于自动化、智能化。全站仪包括测角系统、测距系统，完成二维地形数据和高程数据的采集；三维激光扫描包含三维信息x,y,z,RGB颜色信息、物体反色率的信息；利用遥感DEM属性信息提取功能、GPS的定位和面积周长功能；GIS的面线生成、数据查询、属性数据关联预处理、等高线附值、DEM的生成等功能，可以进行区域侵蚀沟的时空动态研究。1.6我国区域水土保持侵蚀模型的建立国内外对于侵蚀沟的研究还处于初阶段，国内学者在美国的修正水土流失通用方程（RUSLE）、荷兰学者开发的土壤侵蚀预报方程（LISEM）和美国学者开发的土壤水蚀过程模型（WEEP）的大背景下，建立了一批我国区域水土侵蚀数学模型，如国内修正K因子模型、土壤抗蚀性预测模型、土壤抗冲性模型。2土壤侵蚀沟蚀是指汇集在一起的地表径流冲刷，破坏土壤及母质，形成切入地表以下沟壑的土壤侵蚀形式，包括细沟、浅沟、切沟和冲沟等侵蚀形式，其演变机制分述如下。2.1地表细沟侵蚀坡面水流形成初期，水层较薄，速度较慢，由于地表凸起物的阻挡，形成绕流，流线不平行且没有固定的路径，只能均匀地带走土壤表层中的细小颗粒，形成层状侵蚀，地表径流沿坡面漫流时，继续接纳沿途降水，到一定距离，引起地面凹陷，径流集中，地表上会逐渐形成细小而密集的沟，称为细沟侵蚀（如图1a），表现为“V”型下切。2.2浅沟股流侵蚀形成机理沟头不断下切加深、下切沟头间径流对沟底冲刷加深、沟壁崩塌加宽、邻近的细沟合并和沟头溯源侵蚀加长，使细沟间的差异更大，汇集较上一次更多的径流，冲走更多的土壤，冲刷-耕作-冲刷如此不断循环，再发生暴雨时，便能吸收更大范围内的径流汇集，形成浅沟股流，继而发生浅沟侵蚀(如图1b)，冲槽表现为“U”型。2.3浅沟浅沟侵蚀机理流路上形成一系列跌水，继而出现下切沟头，沟头的上溯下延形成浅沟沟槽，由于沟槽的袭夺作用，使浅沟间的水流汇入浅沟沟槽，水流对沟槽的冲刷，使沟槽内再次出现下切沟头，浅沟迅速加深，沟壁崩塌，浅沟沟槽不断加宽，有多级跌水，在发展过程中，这些跌水不断下切侵蚀和溯源侵蚀产生切沟侵蚀，比浅沟(如图1b)形态深、宽。2.4不稳定阶段冲沟侵蚀的发生特点当切沟深度发展到一定时，出现沟壁崩塌，形成沟床崩积物，坡面进入不稳定时期，沟槽两侧开始出现掉块、小崩塌，随后又被水流挟带流失，产生冲沟侵蚀(如图1c)，这时侵蚀沟发育到末期，进入到不稳定时期，沟底下切已缓和，沟头的溯源侵蚀和沟坡沟岸的崩塌还在发生。3中国的沟雕刻研究3.1坡耕地细沟侵蚀陆兆熊等认为在降雨条件下，坡面出现1～2cm的小沟即是细沟侵蚀的开始；唐克丽的研究认为细沟的宽、深变化在1～10cm。郑粉莉等的描述则是细沟侵蚀深度一般不超过30cm，宽可达50cm，大多数的细沟深度小于20cm，宽小于30cm。细沟侵蚀是坡耕地上的主要侵蚀方式，产沙量较大。贾志军等利用人工降雨，采用雨后量测的方法研究了细沟侵蚀量与坡度的关系，在集水区面积相等，降雨特征以及下垫面基本一致的前提下，坡度与单位面积细沟侵蚀量呈正相关。郑粉莉等利用调查、量测的方法，研究了坡耕地细沟侵蚀的影响因素。细沟侵蚀影响因素以及各因素之间的关系的研究取得了丰硕的研究成果，对于促进细沟侵蚀过程及侵蚀预报起到了重要作用。3.2浅沟泥沙主要因果制度因素浅沟侵蚀是我国黄土高原特有的侵蚀方式，对其研究是从土壤侵蚀分类和坡面土壤侵蚀垂直带划分开始的，而对其进行定量分析起于20世纪80年代。目前研究仍局限在浅沟侵蚀量、浅沟发生的临界坡长与坡度及其影响因素、集水面积、浅沟横断面形态等方面。浅沟水流水力学特性、浅沟槽与浅沟区泥沙输移关系、浅沟侵蚀过程动力机制等方面的较为系统的研究报道较少。唐克丽等通过定位观测及人工模拟降雨试验得出发生浅沟的临界坡度为15°～20°。张永光等根据地形临界理论，确定了漫岗黑土区浅沟和切沟侵蚀发生的地形临界（S-A）关系。龚家国等通过野外放水冲刷实验研究，得出在坡度18°左右时，浅沟携沙水流的流速最小，阻力最大，此时水流的能量分配在侵蚀与携沙之间达到平衡；浅沟水流在坡度26°左右时流速达到最大，水流功率达到最大。郑粉莉等研究得出浅沟发育初期和中期阶段，浅沟侵蚀量占总坡面侵蚀产沙的58%；浅沟发育后期，浅沟侵蚀量占总坡面侵蚀产沙的26%～59%。3.3切沟侵蚀研究切沟侵蚀在现代土壤侵蚀中具有重要位置。张新和、郑粉莉等从切沟发展阶段划分、切沟发展过程的主要方式、切沟侵蚀影响因素、切沟侵蚀预报模型和切沟侵蚀测量技术等方面较全面论述了切沟侵蚀研究现状，提出了切沟侵蚀研究待加强的研究领域有：切沟侵蚀发生演变过程、切沟侵蚀影响机理，切沟侵蚀预报模型，切沟侵蚀研究法与技术。游智敏，刘宝元等利用GPS进行切沟侵蚀监测研究，通过对比不同时相的DEM来获取该时间段的切沟侵蚀变化，展示了GPS在切沟侵蚀研究中的优越性。秦高远，周跃等通过测定典型切沟土壤性质，侵蚀钉法结合全站仪测量，研究发现研究地区土壤水保功能较差；在雨季切沟侵蚀程度较大，特别是沟头溯源侵蚀，在一个雨季内估计能推进1m左右；全站仪测量生成的三维图能有效表征侵蚀沟变化。4土壤侵蚀过程分析主要分为3个基(1）侵蚀沟发展过程和机理的研究：建立侵蚀沟动态模型，如借鉴水土流失通用方