土壤侵蝕溝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究

土壤侵蝕溝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究

0侵蝕溝徑流沖刷是侵蝕產(chǎn)沙的主要來(lái)源中國(guó)是一個(gè)水土流失嚴(yán)重的國(guó)家。根據(jù)2005年國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)第三次水土流失調(diào)查的數(shù)據(jù)，侵蝕溝地表徑流是侵蝕沙的主要來(lái)源。全國(guó)侵蝕面積為賄賂掩蓋，占全國(guó)總面積的37.2%。了解侵蝕溝侵蝕已取得的研究成果，掌握其發(fā)展動(dòng)態(tài)，將為探討侵蝕溝的形成機(jī)制和制定合理的防治方案提供借鑒和指導(dǎo)。1水和土壤肥力影響下的土溝侵蝕研究方法1.1測(cè)定指標(biāo)和方法一般適用于小區(qū)坡面地塊尺度內(nèi)的侵蝕溝研究，主要開(kāi)展坡面因子的調(diào)查、原狀土抗沖試驗(yàn)、土壤入滲試驗(yàn)、崩解試驗(yàn)、抗剪切試驗(yàn)等；植被主要研究根的分布其抗拉性；采用徑流小區(qū)法觀測(cè)降雨和泥沙侵蝕量的變化；采用測(cè)針板法機(jī)型侵蝕溝調(diào)查。1.2不同降雨動(dòng)力條件的人工模擬降雨法通過(guò)人工模擬實(shí)驗(yàn)研究降雨徑流與土壤抗侵蝕性的定量關(guān)系，適用于小尺度的定位模擬。通過(guò)模擬天然降雨動(dòng)力條件對(duì)原狀土的侵蝕沖刷以取得不同土壤的的侵蝕量和侵蝕溝的演變，人工模擬降雨法的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)降雨，快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果；缺點(diǎn)是縮短了降雨的間歇時(shí)間，使土壤沒(méi)有重復(fù)性，降雨強(qiáng)度和到達(dá)地面的雨滴能量與天然降雨有很大差異，而且設(shè)備安裝比較麻煩。1.3抗侵蝕性能評(píng)價(jià)適用于各種尺度侵蝕溝土壤屬性現(xiàn)狀調(diào)查，主要是通過(guò)室內(nèi)測(cè)定土壤的機(jī)械組成、容重、孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、入滲特性、有機(jī)質(zhì)含量等評(píng)價(jià)土壤的抗侵蝕性能。利用室內(nèi)理化性質(zhì)、野外調(diào)查測(cè)定數(shù)據(jù)和侵蝕溝土壤抗侵蝕性數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行區(qū)域內(nèi)侵蝕溝侵蝕趨勢(shì)預(yù)測(cè)。1.4土壤侵蝕垂直分布的研究現(xiàn)代核素示蹤法包括穩(wěn)定性稀土元素示蹤法和放射性核素示蹤法。國(guó)內(nèi)首次將REE示蹤法應(yīng)用于黃土區(qū)土壤侵蝕垂直分布的研究。常用的放射性示蹤核素主要包括7Be,137Cs,210Pb和226Ra/232Th，這些核素在土壤剖面中具有獨(dú)特的垂直分布特征及分布深度。單一核素示蹤得到的結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)比較粗糙，而利用多種放射性核素復(fù)合示蹤研究小流域內(nèi)各地貌單元的產(chǎn)沙量，國(guó)內(nèi)研究較少。1.5全站儀遙感信息提取傳統(tǒng)的侵蝕溝調(diào)查方法精度低，周期長(zhǎng)，人為造成的誤差大，缺乏靈活性和動(dòng)態(tài)性?，F(xiàn)代科技的發(fā)展使土壤侵蝕調(diào)查趨于自動(dòng)化、智能化。全站儀包括測(cè)角系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)，完成二維地形數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)的采集；三維激光掃描包含三維信息x,y,z,RGB顏色信息、物體反色率的信息；利用遙感DEM屬性信息提取功能、GPS的定位和面積周長(zhǎng)功能；GIS的面線生成、數(shù)據(jù)查詢、屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)預(yù)處理、等高線附值、DEM的生成等功能，可以進(jìn)行區(qū)域侵蝕溝的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究。1.6我國(guó)區(qū)域水土保持侵蝕模型的建立國(guó)內(nèi)外對(duì)于侵蝕溝的研究還處于初階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者在美國(guó)的修正水土流失通用方程（RUSLE）、荷蘭學(xué)者開(kāi)發(fā)的土壤侵蝕預(yù)報(bào)方程（LISEM）和美國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)的土壤水蝕過(guò)程模型（WEEP）的大背景下，建立了一批我國(guó)區(qū)域水土侵蝕數(shù)學(xué)模型，如國(guó)內(nèi)修正K因子模型、土壤抗蝕性預(yù)測(cè)模型、土壤抗沖性模型。2土壤侵蝕溝蝕是指匯集在一起的地表徑流沖刷，破壞土壤及母質(zhì)，形成切入地表以下溝壑的土壤侵蝕形式，包括細(xì)溝、淺溝、切溝和沖溝等侵蝕形式，其演變機(jī)制分述如下。2.1地表細(xì)溝侵蝕坡面水流形成初期，水層較薄，速度較慢，由于地表凸起物的阻擋，形成繞流，流線不平行且沒(méi)有固定的路徑，只能均勻地帶走土壤表層中的細(xì)小顆粒，形成層狀侵蝕，地表徑流沿坡面漫流時(shí)，繼續(xù)接納沿途降水，到一定距離，引起地面凹陷，徑流集中，地表上會(huì)逐漸形成細(xì)小而密集的溝，稱為細(xì)溝侵蝕（如圖1a），表現(xiàn)為“V”型下切。2.2淺溝股流侵蝕形成機(jī)理溝頭不斷下切加深、下切溝頭間徑流對(duì)溝底沖刷加深、溝壁崩塌加寬、鄰近的細(xì)溝合并和溝頭溯源侵蝕加長(zhǎng)，使細(xì)溝間的差異更大，匯集較上一次更多的徑流，沖走更多的土壤，沖刷-耕作-沖刷如此不斷循環(huán)，再發(fā)生暴雨時(shí)，便能吸收更大范圍內(nèi)的徑流匯集，形成淺溝股流，繼而發(fā)生淺溝侵蝕(如圖1b)，沖槽表現(xiàn)為“U”型。2.3淺溝淺溝侵蝕機(jī)理流路上形成一系列跌水，繼而出現(xiàn)下切溝頭，溝頭的上溯下延形成淺溝溝槽，由于溝槽的襲奪作用，使淺溝間的水流匯入淺溝溝槽，水流對(duì)溝槽的沖刷，使溝槽內(nèi)再次出現(xiàn)下切溝頭，淺溝迅速加深，溝壁崩塌，淺溝溝槽不斷加寬，有多級(jí)跌水，在發(fā)展過(guò)程中，這些跌水不斷下切侵蝕和溯源侵蝕產(chǎn)生切溝侵蝕，比淺溝(如圖1b)形態(tài)深、寬。2.4不穩(wěn)定階段沖溝侵蝕的發(fā)生特點(diǎn)當(dāng)切溝深度發(fā)展到一定時(shí)，出現(xiàn)溝壁崩塌，形成溝床崩積物，坡面進(jìn)入不穩(wěn)定時(shí)期，溝槽兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)掉塊、小崩塌，隨后又被水流挾帶流失，產(chǎn)生沖溝侵蝕(如圖1c)，這時(shí)侵蝕溝發(fā)育到末期，進(jìn)入到不穩(wěn)定時(shí)期，溝底下切已緩和，溝頭的溯源侵蝕和溝坡溝岸的崩塌還在發(fā)生。3中國(guó)的溝雕刻研究3.1坡耕地細(xì)溝侵蝕陸兆熊等認(rèn)為在降雨條件下，坡面出現(xiàn)1～2cm的小溝即是細(xì)溝侵蝕的開(kāi)始；唐克麗的研究認(rèn)為細(xì)溝的寬、深變化在1～10cm。鄭粉莉等的描述則是細(xì)溝侵蝕深度一般不超過(guò)30cm，寬可達(dá)50cm，大多數(shù)的細(xì)溝深度小于20cm，寬小于30cm。細(xì)溝侵蝕是坡耕地上的主要侵蝕方式，產(chǎn)沙量較大。賈志軍等利用人工降雨，采用雨后量測(cè)的方法研究了細(xì)溝侵蝕量與坡度的關(guān)系，在集水區(qū)面積相等，降雨特征以及下墊面基本一致的前提下，坡度與單位面積細(xì)溝侵蝕量呈正相關(guān)。鄭粉莉等利用調(diào)查、量測(cè)的方法，研究了坡耕地細(xì)溝侵蝕的影響因素。細(xì)溝侵蝕影響因素以及各因素之間的關(guān)系的研究取得了豐碩的研究成果，對(duì)于促進(jìn)細(xì)溝侵蝕過(guò)程及侵蝕預(yù)報(bào)起到了重要作用。3.2淺溝泥沙主要因果制度因素淺溝侵蝕是我國(guó)黃土高原特有的侵蝕方式，對(duì)其研究是從土壤侵蝕分類(lèi)和坡面土壤侵蝕垂直帶劃分開(kāi)始的，而對(duì)其進(jìn)行定量分析起于20世紀(jì)80年代。目前研究仍局限在淺溝侵蝕量、淺溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)與坡度及其影響因素、集水面積、淺溝橫斷面形態(tài)等方面。淺溝水流水力學(xué)特性、淺溝槽與淺溝區(qū)泥沙輸移關(guān)系、淺溝侵蝕過(guò)程動(dòng)力機(jī)制等方面的較為系統(tǒng)的研究報(bào)道較少。唐克麗等通過(guò)定位觀測(cè)及人工模擬降雨試驗(yàn)得出發(fā)生淺溝的臨界坡度為15°～20°。張永光等根據(jù)地形臨界理論，確定了漫崗黑土區(qū)淺溝和切溝侵蝕發(fā)生的地形臨界（S-A）關(guān)系。龔家國(guó)等通過(guò)野外放水沖刷實(shí)驗(yàn)研究，得出在坡度18°左右時(shí)，淺溝攜沙水流的流速最小，阻力最大，此時(shí)水流的能量分配在侵蝕與攜沙之間達(dá)到平衡；淺溝水流在坡度26°左右時(shí)流速達(dá)到最大，水流功率達(dá)到最大。鄭粉莉等研究得出淺溝發(fā)育初期和中期階段，淺溝侵蝕量占總坡面侵蝕產(chǎn)沙的58%；淺溝發(fā)育后期，淺溝侵蝕量占總坡面侵蝕產(chǎn)沙的26%～59%。3.3切溝侵蝕研究切溝侵蝕在現(xiàn)代土壤侵蝕中具有重要位置。張新和、鄭粉莉等從切溝發(fā)展階段劃分、切溝發(fā)展過(guò)程的主要方式、切溝侵蝕影響因素、切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型和切溝侵蝕測(cè)量技術(shù)等方面較全面論述了切溝侵蝕研究現(xiàn)狀，提出了切溝侵蝕研究待加強(qiáng)的研究領(lǐng)域有：切溝侵蝕發(fā)生演變過(guò)程、切溝侵蝕影響機(jī)理，切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型，切溝侵蝕研究法與技術(shù)。游智敏，劉寶元等利用GPS進(jìn)行切溝侵蝕監(jiān)測(cè)研究，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)相的DEM來(lái)獲取該時(shí)間段的切溝侵蝕變化，展示了GPS在切溝侵蝕研究中的優(yōu)越性。秦高遠(yuǎn)，周躍等通過(guò)測(cè)定典型切溝土壤性質(zhì)，侵蝕釘法結(jié)合全站儀測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)研究地區(qū)土壤水保功能較差；在雨季切溝侵蝕程度較大，特別是溝頭溯源侵蝕，在一個(gè)雨季內(nèi)估計(jì)能推進(jìn)1m左右；全站儀測(cè)量生成的三維圖能有效表征侵蝕溝變化。4土壤侵蝕過(guò)程分析主要分為3個(gè)基(1）侵蝕溝發(fā)展過(guò)程和機(jī)理的研究：建立侵蝕溝動(dòng)態(tài)模型，如借鑒水土流失通用方