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)沙的主要來源中國是一個(gè)水土流失嚴(yán)重的國家。根據(jù)2005年國家發(fā)展計(jì)劃委員會第三次水土流失調(diào)查的數(shù)據(jù)，侵蝕溝地表徑流是侵蝕沙的主要來源。全國侵蝕面積為賄賂掩蓋，占全國總面積的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)法觀測降雨和泥沙侵蝕量的變化；采用測針板法機(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。通過模擬天然降雨動(dòng)力條件對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，主要是通過室內(nèi)測定土壤的機(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)侵蝕溝侵蝕趨勢預(yù)測。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)果相對來說比較粗糙，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，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。全站儀包括測角系統(tǒng)、測距系統(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我國區(qū)域水土保持侵蝕模型的建立國內(nèi)外對于侵蝕溝的研究還處于初階段，國內(nèi)學(xué)者在美國的修正水土流失通用方程（RUSLE）、荷蘭學(xué)者開發(fā)的土壤侵蝕預(yù)報(bào)方程（LISEM）和美國學(xué)者開發(fā)的土壤水蝕過程模型（WEEP）的大背景下，建立了一批我國區(qū)域水土侵蝕數(shù)學(xué)模型，如國內(nèi)修正K因子模型、土壤抗蝕性預(yù)測模型、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，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，有多級跌水，在發(fā)展過程中，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，對于促進(jìn)細(xì)溝侵蝕過程及侵蝕預(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黃土高原特有的侵蝕方式，對其研究是從土壤侵蝕分類和坡面土壤侵蝕垂直帶劃分開始的，而對其進(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。唐克麗等通過定位觀測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。龔家國等通過野外放水沖刷實(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)測研究，通過對比不同時(shí)相的DEM來獲取該時(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)，周躍等通過測定典型切溝土壤性質(zhì)，侵蝕釘法結(jié)合全站儀測量，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；全站儀測量生成的三維圖能有效表征侵蝕溝變化。4土壤侵蝕過程分析主要分為3個(gè)基(1）侵蝕溝發(fā)展過程和機(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