濑溪河流域存在严重的水力侵蚀,同时伴随着水土流失分布点多线长面广的特点.而现有模型几乎只考虑了流域尺度上的坡面和河流侵蚀过程,或者是坡面和流域尺度的基本结合,导致对土壤侵蚀全过程的物理模拟产生高度不确定.为此提出不同尺度模型相互耦合的水土流失监测体系,从三级顺序"坡-沟-河"结构,全面反演流域水沙的时空动态迁移过程.基于多模型耦合体系的流域应用表明:①单一模型在濑溪河流域都表现出良好的适用性和准确性.RUSLE模型预测结果与实际侵蚀规律高度吻合,SWAT模型参数率定的纳什效率系数(NSE)和决定性系数(R2)均达到0.6以上,模拟预测结果鲁棒性较好.②不同侵蚀模型的特征反演相互关联程度都达到极显著相关水平.WEPP和SWAT模型间R2为0.96,RUSLE和WEPP模型间R2为0.77,RUSLE和SWAT模型间R2为0.58,分析表明坡面、细沟和河道尺度下的侵蚀物理过程是紧密耦合的.③多模型耦合的水土流失全过程风险评价较单一模型更为全面.通过对土壤侵蚀物理过程的空间耦合,实现流域土壤侵蚀、细沟冲刷和河道沉积等相关侵蚀过程的整体性评价,利于从不同尺度全面反演流域水沙输移的时空动态迁移过程和预测侵蚀风险发生规律.

为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响.结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型Ⅱ(长历时、大雨量、大雨强)＞雨型Ⅲ(短历时、小雨量、中雨强)＞雨型Ⅰ(中历时、中雨量、小雨强).降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子.(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42％、20.8％以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型Ⅰ＞雨型Ⅲ＞雨型Ⅱ.(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布＜聚集分布＜随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33％以上.(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上.产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关.坡面产流量(Y1)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y1=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R2=0.905.以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强.研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑.

揭示亚热带森林土壤有机碳流失规律是制定相应措施以巩固和维持森林生态系统碳汇的关键.然而已有研究存在的监测对象单一、频率过低、时间过短等问题,导致对这一规律的认识仍然不足.选择亚热带典型的常绿阔叶林和杉木人工林为研究对象,每次降雨过后监测其径流量、泥沙量,分析径流和泥沙中的可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)含量以及颗粒有机碳(Particle organic carbon,POC)含量.旨在比较两种森林DOC和POC流失量的差异,并分析二者与降雨量、降雨强度、5 min最大雨强和降雨侵蚀力四个降雨特征值的关联.拟验证以下两个问题:(1)杉木人工林的DOC和POC流失量是否高于常绿阔叶林;(2)降雨侵蚀力对DOC和POC的解释是否优于降雨量、降雨强度和5 min最大雨强.研究结果发现常绿阔叶林径流量、泥沙量、径流水中DOC浓度和POC浓度、DOC和POC流失量均显著高于杉木人工林.回归分析表明常绿阔叶林和杉木人工林DOC和POC流失量与降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力呈显著的线性或幂函数相关,其中降雨量与DOC和POC流失量之间的拟合关系最优.常绿阔叶林产流和产沙量高于杉木人工林可能与前者的林下植被生物量较低有关,前者径流水中DOC浓度和POC浓度较高可归因于其较高的总生物量和土壤有机碳含量.在未来森林经营过程中应合理管理林下植被,尽量减少和避免林下植被的抚育伐,从而能够降低有机碳的水土流失,达到巩固和维持森林碳汇的目的.在未来气候变暖导致降水变化背景下,利用降雨量作为预测指标能够较好评估我国亚热带森林有机碳流失的风险.

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素.为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征.结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程.(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显.(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6％-46.2％,TN在7.0％-48.5％之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5％-57.0％之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5％以上.研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据.

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区,如何合理开展坡改梯工程对防治水土流失具有重要意义.本研究应用WEPP模型模拟坡面尺度降雨-侵蚀过程,模拟分析径流小区(10 m坡长)在不同坡度的水土流失特征和二阶、三阶水平阶在不同台面宽度(1,1.5,2m)的减流阻蚀效应.结果表明:1)坡面尺度上,径流量和侵蚀量随坡度增加而增加.坡度达到20°时,径流量随坡度增加保持稳定,产沙量增加趋势渐缓;2)与坡面小区对比,二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从6.5％增加到61.2％,从10.1％增加到69.7％;二阶水平阶在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨强下,台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面,泥沙调控率从1.1％增加到68.8％,三阶水平阶泥沙调控率从1.4％增加到82.3％;3)依据单位台宽减沙量,合理设计水平阶,使其减沙效益最大化.小雨强(0.5 mm/min)时,二阶、三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1 m时可发挥优良的水土保持效果;中雨强(1.0 mm/min)时,台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳;大雨强(1.5 mm/min)时,则以2m台宽的三阶水平阶效果更好.应用WEPP模型为定量评价工程措施的水土保持效益提供技术支撑.

黄土高原因土壤侵蚀严重被视为生态脆弱地带,探讨植被盖度及其所处坡位对土壤侵蚀的响应,对坡面侵蚀产沙的预测和调控具有重要意义.基于WEPP模型情景模拟,分析了分布广泛、耐旱性强的长芒草和典型恢复灌木植被柠条在不同雨强(0.5、1.0、1.5 mm/min)、不同植被盖度(20％、40％、60％、80％)和不同坡位(坡上、坡中、坡下)条件下的土壤侵蚀变化情况,运用双因素方差分析和相关贡献指数阐明坡面侵蚀产沙特征对坡位和植被盖度交互作用的响应,并提出植被配置的优化模式.结果表明:(1)提高植被有效覆盖度是减小土壤侵蚀的重要举措,且当植被分布在下坡位时坡面土壤侵蚀最少;(2)植被盖度可以有效减少产沙量.小雨强时,柠条和长芒草随盖度增加对泥沙的拦截率分别从38％增加到90％,64％增加到96％;中、大雨强时,植被盖度小于20％或者大于80％时,长芒草坡面产沙量大于柠条坡面.盖度为40％-60％时,长芒草坡面产沙量小于柠条坡面;(3)双因素方差分析表明:坡位和植被盖度对坡面侵蚀产沙量有极显著的影响(P＜0.001);当植被是长芒草时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙有显著影响(P＜0.01),植被是柠条时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙作用不显著;(4)通过模拟柠条和长芒草不同配置情景得出:长芒草分布在坡面下部产沙量较小,且当柠条和长芒草配比为1∶2时产沙量最小.

借助室内人工模拟降雨试验为研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地侵蚀泥沙颗粒组成及土壤团聚体稳定性变化特征与规律为研究目的,分别在不同坡长(2,3,4m)、不同植被覆盖度(0,30％,60％,90％)条件下进行了有效模拟降雨试验共计12场次,每场次降雨试验的产流历时设计为30min,固定雨强为2.0mm/min.试验结果表明:1)侵蚀泥沙中颗粒粒径以＜2μm粘粒和2-20μm细粉粒为主.在原土中,粘粒(0-2μm)和细粉粒(2-20μm)含量之和占总量的43.92％,在泥沙中粘粒和细粉粒之和占总量的约57.08％,均出现不同程度的增加;2)在不同处理中,坡面土壤＞1mm干筛法团聚体含量明显大于湿筛团聚体(＞1mm)的含量,可认为水稳性团聚体的含量更能作为衡量土壤结构的稳定性的指标.＞ 0.25mm团聚体分散度(PAD0.25)和＞2mm团聚体分散度(PAD2)含量均出现增大,而＞0.25mm水稳性团聚体含量(WAS0.25)减少,植被覆盖度对土壤团聚体稳定性影响明显强于坡长;3)WAS0.25含量是影响侵蚀泥沙的颗粒粒径分布的主要因素,随着坡面土壤中WAS0.25的增加,侵蚀泥沙的平均重量直径逐渐降低.同时,泥沙颗粒平均直径与土壤团聚体平均重量直径(MWD团聚体)含量呈极显著负相关,可知坡面大团聚体越稳定,坡面土壤的粗化过程越不易形成.

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的一种重要侵蚀类型.以往研究多侧重于农地浅沟,有关自然恢复草被对浅沟侵蚀影响的研究甚少.本研究采用野外原位冲刷试验,以裸地浅沟为对照,探究放水流量为5、10、15、20和25 L·min-1条件下草地浅沟的径流产沙特征及侵蚀机理.结果表明:与裸地相比,草地浅沟平均流速、稳定径流率、雷诺数、弗劳德数分别减小25.4％～67.3％、8.4％～26.6％、54.9％～80.5％、18.6％ ～65.1％,阻力系数增大0.09～7.18倍.草地浅沟最大产沙率、稳定产沙率和平均产沙率较裸地浅沟分别减小55.1％～90.9％、61.8％～95.4％和64.8％～92.4％;5～25 L·min-1放水流量下,自然恢复草被的减沙效益可达65.9％～88.8％,且随放水流量增大,减沙效益呈减小趋势.与裸地相比,草地浅沟的平均径流功率和平均径流剪切力分别减小54.9％ ～ 80.5％和12.4％～51.1％,临界径流功率增大1.43倍,临界剪切力增大33.7％;草地和裸地浅沟平均产沙率与平均径流功率、平均径流剪切力均呈显著线性相关.自然恢复草被显著增加了浅沟抗蚀性能,降低了浅沟径流侵蚀能力.

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度.结果表明:次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25％时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.

土壤保持服务作为一项重要的生态系统调节服务,是防止区域土地退化、降低洪涝灾害风险的重要保障.针对在全球范围内影响最大的土壤水蚀,基于土壤侵蚀、运移和输出过程,对土壤保持服务的概念、评估方法进行了梳理总结.土壤保持服务是指生态系统防止土壤流失的侵蚀调控能力及对泥沙的储积保持能力.土壤保持服务的评估往往是基于通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation),以潜在土壤侵蚀量(裸地时土壤侵蚀量)与实际土壤侵蚀量之差,作为指标衡量.由于生态过程具有尺度依赖性,对土壤保持服务的有效评估,需要采用多尺度方法.土壤保持服务与人类需求紧密相关,在未来土壤保持服务研究中应强调连接土壤保持服务与人类福祉,对土壤保持服务产生、流动、使用的全过程及土壤保持服务时空动态与人类福祉变化的关系进行探究.