CN111366705A - 研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，包括以下步骤：(1)选取研究样地；(2)建造径流小区；(3)安装稳流箱；(4)测定基本指标；(5)率定径流流量；(6)监测过程指标；(7)处理后期样品；(8)开展后一次径流冲刷试验；(9)对流失比例和流失速率进行结果分析；本发明基于野外原位坡耕地开展连续径流冲刷试验，研究径流冲刷过程中不同粒级土壤颗粒和团聚体随时间的过程变化特征；既克服了试验土槽规格较小及土壤扰动的不足，又将土壤颗粒与团聚体作为一个整体，揭示了其过程变化特征，有助于深化水土流失机理，为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学支撑。

Description

研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法
技术领域
本发明涉及水土流失防治技术领域，具体涉及一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法。
背景技术
坡耕地在我国不同地区均表现出严重的水土流失现象，从而影响生态环境、降低粮食产量、制约经济发展。由降雨、融雪、浇地产生的径流优先搬运含有大量养分的表层土壤，导致坡耕地土壤质量退化以及土地资源流失。因此，探究连续径流冲刷条件下坡耕地土壤颗粒及团聚体流失的过程特征，有助于科学合理地制定水土保持防治措施，保护宝贵的土壤资源。
胡宏祥等(2007)通过分析天然降雨前后坡耕地土壤颗粒组成的变化，指出试验样地在降雨后呈现黏粒与粉粒含量减少，砂粒含量相对增加的趋势；张兴昌等(2000)通过研究黄土丘陵区不同地貌类型土壤及泥沙中颗粒组成变化，指出土壤细颗粒更容易随径流流失，而泥沙中细颗粒的富集程度随之增加；郭伟等(2007)采用室内人工模拟降雨试验方法，研究泥沙特性以及土壤团聚体粒径对坡面土壤侵蚀过程的影响，表明红壤中小粒径团聚体稳定性较高，<2mm团聚体侵蚀泥沙颗粒较粗，3-5mm团聚体侵蚀泥沙颗粒较细，由此指出侵蚀泥沙粒径分布能够表征径流选择性搬运规律及其挟沙能力的变化等；卢嘉等(2016)基于室内模拟降雨试验，研究降雨过程中坡面土壤团聚体流失特征及其破碎机制，指出含沙量最大值出现在降雨初期，土壤团聚体流失以<0.25mm粒径为主。
综上可见，现有技术还存在下属缺陷：(1)现有技术多探究次降雨前后土壤颗粒或团聚体的总体变化特征，对侵蚀过程中不同粒级泥沙变化的分析不足。(2)现有技术多基于室内试验土槽开展试验，难以保证试验土壤的原状特性，且受土槽规格及人工模拟降雨试验覆盖范围所限，使得模拟试验结果与野外原位试验结果存在一定差异。(3)现有技术多将土壤颗粒和团聚体分离进行研究，但是，侵蚀泥沙通常由不同粒径土壤颗粒和团聚体共同组成，所以应将二者合并，综合分析其流失过程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，旨在基于野外原位坡耕地，采用连续径流冲刷的方法，定量表征不同粒级土壤颗粒及团聚体的流失比例、分析各粒级土壤颗粒和团聚体随时间的过程性变化特征，以期深化土壤侵蚀机理研究，为坡耕地水土流失防治提供科学依据。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，包括以下步骤：
(1)选取研究样地；
(2)建造径流小区：在已选取的研究样地上，根据研究目的和经费情况，修建径流小区；完备的径流小区包括边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流泥沙收集装置、保护带及排水系统；
(3)安装稳流箱：稳流箱宽度与径流小区相同；
(4)测定基本指标：试验开始前，测定土壤含水量、土壤容重、土壤pH值、土壤有机质、土壤机械组成以及不同粒级试验土壤颗粒及团聚体含量；
(5)率定径流流量：依据试验设计的径流流量，通过调节稳流箱阀门，测定并调节实际径流流量，当二者的差值小于5％时即可开展正式径流冲刷试验；
(6)监测过程指标：试验开始后，记录产流时间，其后每隔3-7min接取径流泥沙样品，并按照试验历时从中均匀取出8-12个径流泥沙样品，将其通过5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.25mm的套筛进行过筛处理；
(7)处理后期样品：径流冲刷结束后，称取径流泥沙的总质量，将其静置6-8h后，倒掉上清液并转移至铝盒中，与筛分处理得到的各粒级泥沙一并放入烘箱，在105℃条件下进行烘干，并称取其质量；
(8)开展后一次径流冲刷试验：为了详细监测坡耕地水土流失特征，采用连续径流冲刷方法，至坡耕地土壤侵蚀速率明显小于200g/(m2·h)时停止冲刷，后一次冲刷是在前一次冲刷坡耕地的基础上进行；
(9)对流失比例和流失速率进行结果分析。
优选地，步骤(1)中，选取研究样地时，具体为根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地，其土壤、地形、气候、水文等自然条件以及人类活动方式应与研究区整体情况相近。
优选地，步骤(1)中，坡耕地的坡度为5°-10°。
优选地，步骤(2)中，其中边埂采用水泥板或金属板等材料围成，边埂高出地面20cm、埋入地下30cm；集流槽表面光滑，上部与地面同高，下部向下并向中间倾斜；径流泥沙收集装置常采用集流桶。
优选地，步骤(3)中，稳流箱末端设置过渡平板或砂布，以保证径流均匀流向坡面。
优选地，步骤(4)中，采用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法分层测定土壤容重；采用玻璃电极法测定土壤pH值；采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质；采用Mastersizer2000激光粒度仪法测定土壤机械组成；采用湿筛法测定不同粒级试验土壤颗粒及团聚体含量。
优选地，每次径流冲刷试验冲刷历时为50-70min；相邻两次径流冲刷试验时间间隔为24h。
优选地，一共进行5-8次径流冲刷试验。
本发明的有益效果是：
1.本发明针对目前研究中存在的主要问题，基于野外原位坡耕地开展连续径流冲刷试验，研究径流冲刷过程中不同粒级土壤颗粒和团聚体随时间的过程变化特征。既克服了试验土槽规格较小及土壤扰动的不足，又将土壤颗粒与团聚体作为一个整体，揭示了其过程变化特征，有助于深化水土流失机理，为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学支撑。
2.本发明基于野外原位坡耕地开展模拟试验，试验结果与土槽试验结果相比，前者更有助于揭示不同粒级土壤颗粒和团聚体的真实流失规律。
3.采用径流冲刷试验方法，可以快速实现野外较大尺度条件下的水土规律研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明径流小区的简易结构示意图；
图2为6次径流冲刷条件下＜0.25mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化；
图3为6次径流冲刷条件下0.25-0.5mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化；
图4为6次径流冲刷条件下0.5-1mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化；
图5为6次径流冲刷条件下1-2mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化；
图6为6次径流冲刷条件下2-5mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化；
图7为6次径流冲刷条件下＞5mm粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，包括以下步骤：
(1)选取研究样地：选取研究样地时，具体为根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地，其土壤、地形、气候、水文等自然条件以及人类活动方式应与研究区整体情况相近。坡耕地的坡度为5°-10°。
(2)建造径流小区：在已选取的研究样地上，根据研究目的和经费情况，修建径流小区；完备的径流小区包括边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流泥沙收集装置、保护带及排水系统；其中边埂采用水泥板或金属板等材料围成，边埂高出地面20cm、埋入地下30cm；集流槽表面光滑，上部与地面同高，下部向下并向中间倾斜；径流泥沙收集装置常采用集流桶。
(3)安装稳流箱：稳流箱宽度与径流小区相同；稳流箱末端设置过渡平板或砂布，以保证径流均匀流向坡面。
(4)测定基本指标：试验开始前，采用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法分层测定土壤容重；采用玻璃电极法测定土壤pH值；采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质；采用Mastersizer2000激光粒度仪法测定土壤机械组成；采用湿筛法测定不同粒级试验土壤颗粒及团聚体含量。
(5)率定径流流量：依据试验设计的径流流量，通过调节稳流箱阀门，测定并调节实际径流流量，当二者的差值小于5％时即可开展正式径流冲刷试验。
(6)监测过程指标：试验开始后，记录产流时间，其后每隔3-7min接取径流泥沙样品，并按照试验历时从中均匀取出8-12个径流泥沙样品，将其通过5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.25mm的套筛进行过筛处理；
(7)处理后期样品：径流冲刷结束后，称取径流泥沙的总质量，将其静置6-8h后，倒掉上清液并转移至铝盒中，与筛分处理得到的各粒级泥沙一并放入烘箱，在105℃条件下进行烘干，并称取其质量；
(8)开展后一次径流冲刷试验：为了详细监测坡耕地水土流失特征，采用连续径流冲刷方法，至坡耕地土壤侵蚀速率明显小于200g/(m2·h)时停止冲刷，每次径流冲刷试验冲刷历时为50-70min；相邻两次径流冲刷试验时间间隔为24h，后一次冲刷是在前一次冲刷坡耕地的基础上进行；一共进行5-8次径流冲刷试验。
(9)对流失比例和流失速率进行结果分析。
验证方案效果：
为了验证本发明技术方案的实际效果，选取黑土区典型坡耕地为研究对象，采用6次连续径流冲刷试验方法，定量研究径流冲刷条件下黑土土壤颗粒及团聚体流失过程；径流小区水平投影长度为20m，宽度为5m；试验土壤为典型黑土，砂粒、粉粒和黏粒含量分别为10.2％、80.2％和9.6％，有机质含量为25.6g/kg；耕作层平均土壤容重为1.20g/cm3；坡度依据东北黑土区地形的主要特征，设计为5°；径流流量依据研究区典型降雨强度60mm/h进行换算，为1L/min，试验历时1h，两次试验间隔为24h，共开展6次径流冲刷试验；
结果分析(流失比例)：对于黑土区典型坡耕地流失的泥沙，<0.25mm粒级土壤颗粒和团聚体的流失比例最大，6次径流冲刷试验条件下，其流失比例变化于37.1％-57.3％，平均值为43.0％；其次为1-2、2-5、0.5-1、0.25-0.5、>5mm粒级土壤颗粒和团聚体的流失比例(表1)；随着径流冲刷次数的增加，<0.25mm粒级土壤颗粒和团聚体流失比例主要呈现减小的趋势，原因是随着试验的持续进行，坡耕地可供侵蚀搬运的土壤颗粒及团聚体逐渐减少，而<0.25mm粒级土壤颗粒和团聚体中含有大量养分；因此，防治前期径流冲刷对坡耕地水土流失的影响，有助于保护宝贵的黑土资源，维持土地生产力，保障区域粮食安全。
表1连续6次径流冲刷条件下不同粒级土壤颗粒和团聚体的流失比例
Figure BDA0002414736780000071
Figure BDA0002414736780000081
结果分析(流失速率)：通过对比6次径流冲刷条件下不同粒级土壤颗粒和团聚体流失速率随时间的变化，发现<0.25mm粒级土壤颗粒和团聚体的流失速率最大，最大值达3961g/(m2·h)，其波动幅度较大；1-2和0.5-1mm粒级土壤颗粒和团聚体的流失速率仅次于<0.25mm粒级；其余粒级土壤颗粒和团聚体的流失速率均较小，随时间呈现波动变化，但是未表现出明显的增减变化趋势(图2-图7)。此外，对于<2mm(<0.25、1-2、0.5-1、0.25-0.5mm)粒级土壤颗粒和团聚体的流失速率随着径流冲刷次数的增多而减小。结果表明，<0.25和1-2mm粒级土壤颗粒及团聚体应作为东北黑土区重点保护的泥沙，从而有助于水土保持措施的科学布设。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取研究样地；
(2)建造径流小区：在已选取的研究样地上，根据研究目的和经费情况，修建径流小区；完备的径流小区包括边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流泥沙收集装置、保护带及排水系统；
(3)安装稳流箱：稳流箱宽度与径流小区相同；
(4)测定基本指标：试验开始前，测定土壤含水量、土壤容重、土壤pH值、土壤有机质、土壤机械组成以及不同粒级试验土壤颗粒及团聚体含量；
(5)率定径流流量：依据试验设计的径流流量，通过调节稳流箱阀门，测定并调节实际径流流量，当二者的差值小于5％时即可开展正式径流冲刷试验；
(6)监测过程指标：试验开始后，记录产流时间，其后每隔3-7min接取径流泥沙样品，并按照试验历时从中均匀取出8-12个径流泥沙样品，将其通过5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.25mm的套筛进行过筛处理；
(7)处理后期样品：径流冲刷结束后，称取径流泥沙的总质量，将其静置6-8h后，倒掉上清液并转移至铝盒中，与筛分处理得到的各粒级泥沙一并放入烘箱，在105℃条件下进行烘干，并称取其质量；
(8)开展后一次径流冲刷试验：为了详细监测坡耕地水土流失特征，采用连续径流冲刷方法，至坡耕地土壤侵蚀速率明显小于200g/(m2·h)时停止冲刷，后一次冲刷是在前一次冲刷坡耕地的基础上进行；
(9)对流失比例和流失速率进行结果分析。
2.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，步骤(1)中，选取研究样地时，具体为根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地，其土壤、地形、气候、水文的自然条件以及人类活动方式应与研究区整体情况相近。
3.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，步骤(1)中，坡耕地的坡度为5°-10°。
4.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，步骤(2)中，其中边埂采用水泥板或金属板等材料围成，边埂高出地面20cm、埋入地下30cm；集流槽表面光滑，上部与地面同高，下部向下并向中间倾斜；径流泥沙收集装置常采用集流桶。
5.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，步骤(3)中，稳流箱末端设置过渡平板或砂布，以保证径流均匀流向坡面。
6.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，步骤(4)中，采用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法分层测定土壤容重；采用玻璃电极法测定土壤pH值；采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质；采用Mastersizer2000激光粒度仪法测定土壤机械组成；采用湿筛法测定不同粒级试验土壤颗粒及团聚体含量。
7.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，每次径流冲刷试验冲刷历时为50-70min；相邻两次径流冲刷试验时间间隔为24h。
8.如权利要求1所述的研究径流冲刷条件下土壤颗粒及团聚体流失过程的方法，其特征在于，一共进行5-8次径流冲刷试验。
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