一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法

摘要

本发明提供一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法，涉及土壤侵蚀研究领域，包括如下步骤：确定研究区域，筛选研究样地；修建径流小区；测定基本指标、率定径流流量；开展连续径流冲刷试验；数据处理；验证方案效果；结果分析，本发明在探究坡耕地土壤侵蚀问题时，涉及的指标既包括总径流量、总土壤侵蚀量、径流比、土壤侵蚀比，又包括径流率及土壤侵蚀率随时间的变化过程，从更深层次的机理角度揭示坡耕地径流侵蚀特征，丰富了土壤侵蚀机理研究数据库，有利于对土壤侵蚀的研究发展。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀研究领域，具体为一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法。

背景技术

土壤侵蚀是土壤或其他地面组成物质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程，狭义的土壤侵蚀仅指土壤被外营力分离、破坏和移动，根据外营力的种类，可将土壤侵蚀划分为水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀等。侵蚀的对象也并不限于土壤及其母质，还包括土壤下面的土体、岩屑及松软岩层等。

在现代侵蚀条件下，人类活动对土壤幔蚀的影响日益加剧，它对土壤和地表物质的剥离和破坏，已成为十分重要的外营力，人们对于土壤侵蚀的研究也越来越多，其中，坡耕地作为我国重要的耕地资源，其土壤侵蚀问题严峻，属于农村生态环境中最脆弱的部分，直接影响我国的粮食安全及经济发展，由于外营力，其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，不同季节的连续降雨或冻融作用等可产生对应的连续径流冲刷现象，其对坡耕地土壤侵蚀的影响必然与单次径流冲刷条件下存在差异。因此，探究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征的影响，有助于深化土壤侵蚀机理研究，为坡耕地水土保持措施的布设提供科学指导。

但是，现有技术多基于定位监测方法获取野外原位坡耕地的土壤侵蚀特征总量，而关于径流和侵蚀的过程性研究结果较少；而且，现有技术基于人工模拟降雨试验方法开展的土壤侵蚀相关研究，受人工模拟降雨系统覆盖面积及试验条件的影响，径流小区或者试验土槽规格相对较小，且多为模拟坡面，从而难以保证试验土壤的原状特性；此外，现有技术多关注土壤侵蚀的年际变化特征，较少关注基于连续径流冲刷条件下不同季节的坡耕地土壤侵蚀特征及其径流侵蚀变化过程，基于此，本发明设计了一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法，包括如下步骤：

S1:确定研究区域，筛选研究样地；

S2:修建径流小区；

S3:测定基本指标、率定径流流量；

S4:开展连续径流冲刷试验；

S5:数据处理；

S6:验证方案效果；

S7:结果分析。

优选的，所述测定基本指标、率定径流流量包括如下步骤：首先根据需求及研究方案，确定适宜于本发明开展的研究区，一级土壤侵蚀类型区均可根据需求，应用本发明开展相关研究；再选择气候、地形地貌、土壤、水文、土地利用、治理状况、植被等自然条件以及人为生产活动等均与研究区整体情况相近且具有代表性的坡耕地作为研究样地。

优选的，所述修建径流小区包括如下步骤：1)计算设计暴雨标准，对于在坡耕地上修建的径流小区，通常可按20年一遇暴雨进行设计；2)修建径流小区，在坡面上按一定坡度、坡长和宽度修建的长方形(或近似长方形)集流设施，用以研究土壤侵蚀因素与土壤侵蚀量的关系。径流小区一般由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成；3)安装观测仪器设备，包括小型气象站、自记雨量计、径流泥沙采样器及烘箱、天平和分析仪器等；4)布设稳流装置，在径流小区上部布设稳流装置，稳流装置宽度与径流小区相同，其长度与深度可设计为0.3-0.5m，稳流装置中上部设置多孔稳流板，其末端设置过渡平板或砂布，以保证径流稳定且均匀地流向坡面；5)在径流小区及稳流装置上部布设供水系统，供水系统由恒定水头箱、供水管、供水阀和溢流管等组成。

优选的，所述测定基本指标、率定径流流量包括如下步骤：首先在不同季节试验开始前，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，以及采用Mastersizer2000激光粒度仪法测定土壤机械组成；再通过调节供水阀门，测定实际径流流量，确保至少3次的实测径流流量与研究方案中的目标径流流量的差值小于5％，可以开展正式模拟试验；

优选的，所述开展连续径流冲刷试验包括如下步骤：1)监测试验过程指标：记录坡耕地填洼情况及产流时间等，并接取第一个径流泥沙样品，其后每隔1或2min持续接取径流泥沙样品，收集的径流泥沙量约为塑料桶体积的2/3，并用秒表记录取样时间；同时用普通温度计测量径流温度，以计算水流黏滞系数，此外，用数码相机频繁拍照，并用摄像机全程录像，以记录径流冲刷条件下不同季节坡耕地地表变化过程；2)径流泥沙样品后期处理：径流冲刷试验结束后，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已知质量的铝盒中，其后将其放入设置恒温为105℃的烘箱进行烘干称重；3)为了详细监测坡耕地土壤侵蚀特征和侵蚀过程，可根据研究需求，采用连续径流冲刷试验方法，至坡耕地土壤侵蚀速率降低到相对稳定时停止冲刷，每次冲刷历时可设计为0.5-1h，冲刷间隔为24-48h，后一次冲刷是在前一次冲刷坡耕地的基础上进行。

优选的，所述数据处理包括如下步骤：绘制连续径流冲刷试验处理下不同季节径流率及土壤侵蚀率随时间的变化趋势图；采用SPSS19.0中单因素方差分析、独立样本T检验和多重比较，进行显著性水平检验，并通过径流比和土壤侵蚀比的计算，从而可以揭示连续径流冲刷作用对不同季节总径流量和总土壤侵蚀量的影响。

优选的，所述验证方案效果包括如下步骤：选取黑土区典型坡耕地为研究对象，在夏季和次年春季，采用连续径流冲刷试验方法，定量研究径流冲刷作用对黑土区坡耕地土壤侵蚀特征的影响，径流小区水平投影长度为20m，宽度为5m，坡度分别为5°和10°，径流小区上部稳流装置的长度为0.5m，宽度为5m，深度为0.5m，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，每个季节分别开展5次连续径流冲刷试验，试验土壤为典型黑土，砂粒、粉粒和黏粒质量百分数分别为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。

优选的，所述结果分析包括如下步骤：1)分析总径流量及径流比：通过增加径流冲刷次数以及改变温度分析连续径流冲刷作用在不同季节对坡耕地径流特征的影响，得出不同季节对总径流量的影响：2)分析总土壤侵蚀量及土壤侵蚀比：通过增加径流冲刷次数，获得不同温度下的土壤侵蚀量变化趋势，得出不同季节对总土壤侵蚀量的影响；3)分析径流过程：通过对比不同温度下径流率随时间的变化趋势，得出连续径流冲刷及不同季节因素对坡耕地径流过程产生的影响；4)分析土壤侵蚀过程：通过对于不同场次径流冲刷试验，其土壤侵蚀率随时间的变化趋势分许得出连续径流冲刷及不同季节均对坡耕地土壤侵蚀过程产生的影响，得出坡耕地水土保持措施的筛选，应考虑其用于缓解连续径流冲刷作用及其调节季节差异的作用大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在探究坡耕地土壤侵蚀问题时，涉及的指标既包括总径流量、总土壤侵蚀量、径流比、土壤侵蚀比，又包括径流率及土壤侵蚀率随时间的变化过程，从更深层次的机理角度揭示坡耕地径流侵蚀特征，丰富了土壤侵蚀机理研究数据库，有利于对土壤侵蚀的研究发展。

(2)本发明基于野外原位坡耕地，采用连续径流冲刷试验方法开展模拟研究，与应用试验土壤或者小型径流小区开展的相关研究相比，本发明的研究结果更有助于揭示坡耕地的土壤侵蚀规律及其持续动态的变化过程；同时有助于快速实现更大尺度条件下的土壤侵蚀特征研究。

(3)本发明基于不同季节开展模拟试验，能够缩短时间尺度，阐明不同季节的土壤侵蚀规律，从而制定行之有效的水土保持措施，以精准防治坡耕地土壤侵蚀，保护宝贵的土地资源。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明供水系统模拟图；

图2为本发明稳流箱和稳流板的剖面图；

图3为本发明多孔稳流板示意图；

图4为本发明采用的径流小区示意图；

图5为本发明连续5次径流冲刷条件下夏季和次年春季径流量及土壤侵蚀量对比数据表；

图6为本发明连续5次径流冲刷条件下夏季和次年春季径流比及土壤侵蚀比对比数据表；

图7为本发明连续5次径流冲刷条件下夏季和次年春季坡耕地径流率随时间的变化趋势图。

图8为本发明连续5次径流冲刷条件下夏季和次年春季坡耕地土壤侵蚀率随时间的变化。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-稳流箱，2-稳流板，3-降水，4-集流口，5-试验土槽，6-坡度调节装置，7-稳流槽，8-供水槽，9-恒定水头箱，10-供水管，11-溢流阀。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种研究连续径流冲刷作用对不同季节土壤侵蚀特征影响的方法，包括如下步骤：

S1:确定研究区域，筛选研究样地；

首先根据需求及研究方案，确定适宜于本发明开展的研究区，一级土壤侵蚀类型区均可根据需求，应用本发明开展相关研究；再选择气候、地形地貌、土壤、水文、土地利用、治理状况、植被等自然条件以及人为生产活动等均与研究区整体情况相近且具有代表性的坡耕地作为研究样地。

S2:修建径流小区；

1)计算设计暴雨标准，对于在坡耕地上修建的径流小区，通常可按20年一遇暴雨进行设计；

2)修建径流小区，在坡面上按一定坡度、坡长和宽度修建的长方形(或近似长方形)集流设施，用以研究土壤侵蚀因素与土壤侵蚀量的关系。径流小区一般由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成；

3)安装观测仪器设备，包括小型气象站、自记雨量计、径流泥沙采样器及烘箱、天平和分析仪器等；

4)布设稳流装置，在径流小区上部布设稳流装置，稳流装置宽度与径流小区相同，其长度与深度可设计为0.3-0.5m，稳流装置中上部设置多孔稳流板，其末端设置过渡平板或砂布，以保证径流稳定且均匀地流向坡面；

5)在径流小区及稳流装置上部布设供水系统，供水系统由恒定水头箱、供水管、供水阀和溢流管等组成。

S3:测定基本指标、率定径流流量；

首先在不同季节试验开始前，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，以及采用Mastersizer2000激光粒度仪法测定土壤机械组成；再通过调节供水阀门，测定实际径流流量，确保至少3次的实测径流流量与研究方案中的目标径流流量的差值小于5％，可以开展正式模拟试验；

S4:开展连续径流冲刷试验；

1)监测试验过程指标：记录坡耕地填洼情况及产流时间等，并接取第一个径流泥沙样品，其后每隔1或2min持续接取径流泥沙样品，收集的径流泥沙量约为塑料桶体积的2/3，并用秒表记录取样时间；同时用普通温度计测量径流温度，以计算水流黏滞系数，此外，用数码相机频繁拍照，并用摄像机全程录像，以记录径流冲刷条件下不同季节坡耕地地表变化过程；

2)径流泥沙样品后期处理：径流冲刷试验结束后，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已知质量的铝盒中，其后将其放入设置恒温为105℃的烘箱进行烘干称重；

3)为了详细监测坡耕地土壤侵蚀特征和侵蚀过程，可根据研究需求，采用连续径流冲刷试验方法，至坡耕地土壤侵蚀速率降低到相对稳定时停止冲刷，每次冲刷历时可设计为0.5-1h，冲刷间隔为24-48h，后一次冲刷是在前一次冲刷坡耕地的基础上进行。

S5:数据处理；

绘制连续径流冲刷试验处理下不同季节径流率及土壤侵蚀率随时间的变化趋势图；采用SPSS 19.0中单因素方差分析、独立样本T检验和多重比较，进行显著性水平检验，并通过径流比和土壤侵蚀比的计算，从而可以揭示连续径流冲刷作用对不同季节总径流量和总土壤侵蚀量的影响。

S6:验证方案效果；

选取黑土区典型坡耕地为研究对象，在夏季和次年春季，采用连续径流冲刷试验方法，定量研究径流冲刷作用对黑土区坡耕地土壤侵蚀特征的影响，径流小区水平投影长度为20m，宽度为5m，坡度分别为5°和10°，径流小区上部稳流装置的长度为0.5m，宽度为5m，深度为0.5m，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，每个季节分别开展5次连续径流冲刷试验，试验土壤为典型黑土，砂粒、粉粒和黏粒质量百分数分别为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。

S7:结果分析。

1)分析总径流量及径流比：通过增加径流冲刷次数以及改变温度分析连续径流冲刷作用在不同季节对坡耕地径流特征的影响，得出不同季节对总径流量的影响：

2)分析总土壤侵蚀量及土壤侵蚀比：通过增加径流冲刷次数，获得不同温度下的土壤侵蚀量变化趋势，得出不同季节对总土壤侵蚀量的影响；

3)分析径流过程：通过对比不同温度下径流率随时间的变化趋势，得出连续径流冲刷及不同季节因素对坡耕地径流过程产生的影响；

4)分析土壤侵蚀过程：通过对于不同场次径流冲刷试验，其土壤侵蚀率随时间的变化趋势分许得出连续径流冲刷及不同季节均对坡耕地土壤侵蚀过程产生的影响，得出坡耕地水土保持措施的筛选，应考虑其用于缓解连续径流冲刷作用及其调节季节差异的作用大小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。