影响土壤侵蚀的因素.ppt

第四章 影响土壤侵蚀的因素,教学目标：掌握影响土壤侵蚀的因素和作用机理。 也就是搞清楚两个问题： 哪些因素影响土壤侵蚀？ 这些因素是如何起作用的？ 主要参考书： 唐克丽主编. 中国水土保持. 科学出版社，2004年 黄炎和等著.闽南地区的土壤侵蚀与治理.中国农业出版 社,2002年,E=f（ctgspcm） E：土壤侵蚀 c：气候 t：地形 g：地质 s：土壤 pc：植被 m：人类活动,第一节 气候,主要内容： 降水、风。对于南方来说，最重要的是降雨。,1986年4月20日安溪官桥水保站的一场降雨过程,一场降雨过程中，雨强是不断变化的！,降雨对土壤的作用： 雨滴打击地面：溅蚀和堵塞土壤孔隙（与雨滴特征有关）； 产流冲刷：水蚀区的侵蚀动力（与降雨量、雨强、降雨侵蚀力等有关）。,一、主要降雨参数,1、雨滴特征 大小、分布、终点速度、动能等。 雨滴大小 雨滴大小的测定方法：滤纸色斑法。,滤纸色斑法的具体做法是： 取一张滤纸，在其表面薄薄地涂上一层水溶性的1：10的曙红（干时无色、遇水变红）和滑石粉的混合粉未，当雨滴落在滤纸上后，每一个雨滴就产生一个永久性的粉红色圆形色斑。 实际雨滴在滤纸上所形成的色斑直径与雨滴直径密切相关（窦葆璋率定）: d=0.365D 0.712 d为雨滴直径；D为色斑直径。,雨滴色斑直径还受到滤纸性能的影响。 但是，就同一滤纸而言，其性能是一定的。 所以，只要采用与窦褒璋相同的滤纸，就能采用以上式子计算雨滴直径。 滤纸是：新华造纸厂出品的直径为150mm的定性中速滤纸。 通过这一实验，可以得到什么数据？ 雨滴直径：d,色斑直径,雨滴直径,利用色斑法测得闽南的雨滴直径： 最小雨滴直径为0.58，最大雨滴直径为6.09。, 雨滴的分布(Best分布) 一定雨强下，大小雨滴的比例构成。 F=1exp(d/a)n 其中 a=AIP 式中 : F为雨滴中直径小于或等于d的雨滴 累积体积（%）； d为雨滴直径(mm)； I为降雨强度（mm/min）； n、a、p为常数。(实际应用时发现n、a不是常数） 福建： a=3.39I0.27 n不是常数，nI关系受地理位置影响。 闽南： n=5.19I0.11,1990年4月11日14:35-53时段雨滴分布特征,雨滴大小分布的例子: 闽南地区天然降雨雨滴的分布是遵守如下的函数关系的： F=1exp(d/a)n 其中 a=AIP （A=3.39，P=0.27） n=5.19I0.11,雨滴的中数直径 指所有大于这一直径的雨滴总体积等于小于这一直径的雨滴总体积时的雨滴直径。,假如告诉你雨强，能计算中数直径吗（以闽南为例）？ 以闽南为例: F=1exp(d/a)n 其中 a=AIP （A=3.39，P=0.27） n=5.19I0.11,降雨的终点速度 雨滴降落到地面时的速度。 当d1.9时，用修正的沙玉清公式计算，即： V=0.496antilog(28.32+6.524log0.1d-(log0.1d)2)-3.665 当d1.9时，用修正的牛顿公式计算，即： V=（17.20-0.844d）（0.1d） 式中： V 雨滴的降落速度（m/s） d 雨滴的直径（） 闽南雨滴最小终点速度是2.28m/s，最大的雨滴降落终点速度是9.41m/s。,1990年4月11日14:35-53时段雨滴分布特征,降雨动能 E=1/2*mv2 根据每次降雨雨滴组成，即可计算该次降雨在单位面积上每1mm降雨量的降雨动能。 很多人研究建立了雨强与动能的关系 福建省动能与雨强关系是幂函数关系： e=34.32I0.27,降雨动能的简便算法: 通过回归建立动能与容易获得的降雨参数的关系,寻找简便算法. （以闽南为例）： 一场降雨总动能ET与降雨量P的回归关系： ET=11.36P1.17 月降雨量与月降雨总动能的回归关系： EMT=9.85PM1.14 年降雨量与月降雨总动能的回归关系： EYT=（EMT） M=1，2，3，12。,2、 降雨侵蚀力,是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力。 是通用土壤流失方程（USLE）的一个计算参数。 USLE: A=RKLSPC 威斯奇迈尔(Wischmeier)的研究工作 REI30 式中：E 一次降雨总动能； I30 一次降雨过程中连续30分钟最 大降雨强度。 是经验公式，用于研究区以外要校正！, R值的雨量算法（经验式）,R1.73510（1.5lgP1/P-0.818） 式中： P1 多年平均月降雨量； P 多年平均年降雨量； R 年降雨侵蚀力。,其他研究者的成果,不同研究条件下，有不同的值计算方法。 比如黄土高原： RE60I10 东北黑土地区： RE60I30,降雨侵蚀力R最佳计算组合的确定,原则：保留威氏结构，同时又与土壤流失量有显著相关，用于 通用土壤流失方程（USLE）时能合理预测土壤流失量。 以闽南为例： REI60 式中：R 降雨侵蚀力指标（J.cm/m2.h）； E 一场侵蚀性降雨总动能（J/m2）； I60 该场降雨最大60min雨强（cm/h）；,降雨侵蚀力R值的简便算法,以闽南为例： R0.0016Pi1.9288 式中：R 年降雨侵蚀力指标（英制单位） Pi 各月降雨总量（mm）,闽南地区的R值年内分布,闽南地区多年平均R值年内分布图,R值及其分布,以闽南为例,闽南地区 R 值的年际分布,典型站点的R值年际变化图,闽 南 降 雨 侵 蚀 力 R 值 的 空 间 分 布,3、降雨量,降雨量的大小、分布, 降雨量的年际分布特征,降雨的年际变化很大。 以闽南为例： 闽南地区降雨量的年际变化很大 最大年降雨量一般为平均降雨量的1.31.8倍 最大年降雨量一般为最小年降雨量的1.73.0倍。,闽南地区主要站点的降雨量的年际变化, 降雨量的年内分布特征,有三种模式：,温带降雨,热带降雨,亚热带降雨,闽南地区：,弱双峰分布,降雨的空间分布特征,4、降雨强度,单位时间的降雨量。 平均雨强：一场降雨的单位历时降雨量。 时段雨强：均匀雨强段内的单位历时降雨量。 最大时段雨强：一场雨中的时段最大降雨量。,1986年4月20日安溪官桥水保站的一场降雨过程,闽南地区的降雨强度,均匀雨强段发生次数最多、历时最长的是小于2 mm/hr的降雨 大于等于20 mm/hr的均匀雨强段发生的次数不多、历时不长，然而其降雨量却很大，占全年降雨的31.1%。,1987年均匀雨强段发生的次数、雨量和历时分布图,二、降雨与土壤侵蚀,1、降雨量与土壤侵蚀量 可蚀性降雨 所谓可蚀性降雨是指能产生地表径流而引起土壤流失模数1t/km2的降雨量。 在闽南，顺坡抛荒地可蚀性降雨的临界雨量标准为10.7，其它各处理小区的可蚀性降雨的临界雨量标准变化于15.124.6之间。,不同处理的可蚀性降雨的临界雨量标准,闽南地区多年平均总降雨量中有80%以上属于可蚀性降雨。可蚀性降雨的年内分布规律与降雨年内分布规律相似，集中在至月份。,月土壤侵蚀量与降雨量的关系, 土壤侵蚀与次降雨量的关系,顺坡休耕抛荒区 采取了工程和植物措施后 缓坡 14 22 26 18,不同处理降雨量与土壤侵蚀量的回归分析表,顺坡休耕抛荒区： y=a+bx b0， 采取了工程和植物措施后的变化规律因坡度而异 在较缓坡度下，降雨量与土壤侵蚀量不存在显著相关。,当坡度提高到14时遵循y=axb，且有a0，b1的回归特征，其图象如图。,当小区坡度为22时，土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）之间遵守y=aebx的指数曲线变化规律，且都有a0，b0的回归特征，其图象如图,当小区坡度为26时，土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）之间遵守y=axb的幂函数变化规律，且有a0，0b1的回归特征，其图象如图。,18各工程+植物措施小区土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）的回归关系既包含了y=aebx，且有a0，b0的函数变化规律；也包含了y=axb,且有a0，b1的函数变化规律。各小区土壤侵蚀量与降雨量的关系图象如图。,18各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象,26各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象,14各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象,22各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象,小结,第一，顺坡抛荒区的土壤侵蚀量与降雨量呈线性关系。 第二，采取了一定工程和植物措施后低坡度区二者没有显著关系。,第三，采取了工程和植物措施后1422各小区的土壤侵蚀量随降雨量的变化遵守y=axb且a0，b1或y=aebx，且a0，b0的函数规律。 第四，当坡度达到26时，各工程和植物措施区的土壤侵蚀量随降雨量的变化遵守y=axb，且a0，0b1的函数规律。,降雨强度与土壤侵蚀量,顺坡抛荒区降雨强度与土壤侵蚀,平均雨强和各时段最大雨强（x）与顺坡抛荒区土壤侵蚀量(y)之间存在极显著的相关关系。且土壤侵蚀量随雨强变化规律遵守y=axb，且a0,b1的函数图象。, 顺坡植草区降雨强度与土壤侵蚀,与顺坡抛荒区比较，雨强与土壤侵蚀量之间关系也发生了一定的变化： 首先是相关系数普遍下降。 第二，关系方程中幂指数发生了明显变化 10和26坡度级的幂指数b值由顺坡抛荒区的b1降为0b1，这一变化改变了土壤侵蚀量随雨强的变化规律。 顺坡区植草后，不变的是雨强与土壤侵蚀量仍然遵守y=axb的曲线变化规律。,工程措施区降雨强度与土壤侵蚀,水平梯田 10区雨强与土壤侵蚀没有显著关系 14区时段最大雨强与土壤侵蚀量呈极显著的相关关系，并遵守y=axb,且b1的函数变化规律 等高平台区 14、26小区时段最大雨强与土壤侵蚀量之间存在极显著的相关关系，并遵守y=axb，且b1的函数变化规律 10的等高平台区平均雨强和60分钟最大时段雨强与土壤侵蚀量没有显著相关，而I10、I20和I30与土壤侵蚀量之间存显著的相关性，并遵守y=axb，且0b1的函数变化规律。,小结,第一、平均雨强和时段雨强与土壤侵蚀量之间恒遵守y=axb的函数变化规律。 第二、关系式中的b值 顺坡抛荒区的b=1.6383.3281 工程和植物措施区的b变化较大，有些b1，有些区0b1，摇摆不定。 第三、以|r| 0.7为标准判断因子的主次 顺坡抛荒区：各时段最大雨强是主导因子 工程和植物措施各小区：各时段最大雨强是次要影响因子，有的小区甚至不存在相关关系。,3、降雨动能与土壤侵蚀量,降雨动能与土壤侵蚀量的关系，大部分情况下，遵守y=axb的函数变化规律，但是决定着y随x递增规律的b值，在不同的下垫面条件下是有变化的，顺坡抛荒区b恒大于1，顺坡植草区恒01。,第二节 地形,主要受坡度、坡长、坡向、坡形、沟壑密度等次级因子的影响。,一、坡度 1、坡度对渗透量的影响 水分入渗量与坡度成反比关系： 坡度小，流速小则入渗量大；坡度大，流速大则入 渗量小。 2、坡度对径流的影响 关系比较复杂（径流与坡度、降雨和入渗有关）。 不考虑入渗时，坡度与径流成反比关系。 为什么？ 受雨面积不同！坡度大，受雨面积小，径流小；反之也然！,3、坡度与土壤侵蚀的关系 哈德逊（N.W.Hudson）指出，随着坡度的增大，土壤侵蚀量增加得更快； 津格（A.W.Zingg）的研究也表明，坡度增加一倍，土壤侵蚀量增加2.61-2.80倍； 霍顿（R.E.Horton）认为，在较小坡度下，侵蚀量与坡度之间的关系可表达为E=Asb b为1.35-1.40,因此，土壤侵蚀量与坡度之间的关系可以描述为： 随着坡面坡度的增加，土壤侵蚀量呈幂函数方式（幂指数b大于1）递增。 土壤侵蚀量与坡度的幂函数关系规律，只有在较低坡度下是存在的，当坡度增加到一定的界限时，随着坡度的增加，土壤侵蚀量反而下降,出现临界坡度。 临界坡度: 当坡度增加到一定值，土壤侵蚀量不随坡度增加而增加，反而出现下降趋势，这一坡度就叫临界坡度。 福建25-27.6,二、坡长,在其他条件相同的情况下，水力侵蚀强度决定于坡长。 土壤侵蚀量随坡长的变化遵守幂函数规律，但其变化速率却因研究条件不同而异。,坡度(S)坡长(L)因子与土壤侵蚀的关系: 坡度(S)坡长(L)因子是美国通用土壤流失方程（USLE）中的因子，含义是： 任一坡度坡长条件下的土壤流失量与特定坡度、坡长（22.13m，9%）的标准小区土壤流失量的比值。 根据研究，闽南地区的LS值可用下式表达： LS=0.080.350.66 为坡长（m） 为坡度（） 上式的含义：LS值指任一坡度坡长条件下土壤流失量与坡度为10、坡长为20 m的径流小区土壤流失量的比率。,三、坡形,自然界的坡形一般可分为直线形坡、凸形坡、凹形坡和阶段形坡四种基本类型。,1、直线形坡 从分水岭到坡底坡度保持不变。 严重侵蚀发生在下半部。 2、凸形坡 坡度随着距分水岭距离的增大而增大。 侵蚀严重程度也随着增加。 3、凹形坡 坡的上半部较陡，下半部较缓。 上部侵蚀，下部沉积。 4、阶段形坡 斜直坡与阶地相间的复式坡形。 可增加入渗，减少径流量，降低径流流速。,第三节 地质,地质因素中主要是岩性和构造运动对土壤侵蚀有较大的影响。 一、岩性 岩石的基本特性，对风化过程、风化产物、土壤类型及抗蚀能力都有重要影响。 容易风化的岩石易受强烈侵蚀，如花岗岩等； 块状坚硬的岩石可抵抗较大的冲刷； 岩石透水性对于降雨的渗透、地表径流和地下潜水的形成有重要影响。,二、新构造运动 是引起侵蚀基准变化的根本原因。土壤侵蚀地区如果地面上升运动比较显著，就会引起这个地区冲刷的复活。,第四节 土壤,是侵蚀作用的主要对象，所以它的特性，尤其是透水性、抗蚀性和抗冲性对土壤侵蚀有很大影响。 一、土壤的透水性（渗透性） 透水性决定着地表径流的大小。所以土壤对水分的渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因子。 如何测量土壤的渗透性？,降雨-径流的关系,T, min,入渗率, cm/min,入渗率, i,Unit: cm3 per unit area (cm2) per time (min), i.e., e.g., = (cm3/cm2)/(min) = cm/min,单位时间入渗土壤的水量,稳定入渗率, is,Unit: cm3 per unit area (cm2) per time (min), i.e., e.g., = (cm3/cm2)/(min) = cm/min,入渗的测定方法,径流观测法； 单（双）环法。,单环法,Keep water head in the infiltrometer to be about 5 cm depth.,双环法,Keep water head to be about 5 cm depth. Maintain water level to be the same in both inside and outside rings.,Rainfall Simulator,土壤透水能力决定于土壤质地、结构性、孔隙度、剖面构造、土壤湿度等。 质地越粗，透水越好； 结构越好，透水性与持水量越大； 持水量取决于孔隙度； 透水性与孔隙大小有关； 透水性较小的土层距地面越近，越易侵蚀； 湿度大，透水性差。,二、土壤的抗蚀性 指土壤抵抗雨滴打击分散和抵抗径流悬浮的能力。 可用分散率、分散系数和侵蚀率表示。 分散率：土壤在水中的分散程度的指标。 测定方法：1%的悬浊液1000ml，震荡20次，然后测定粉粒（0.02-0.002mm）和粘粒（0.002mm）的含量与机械法全分散粉粒和粘粒的含量的比值的百分数。,计算： 分散率=（水散粉粒+水散粘粒）/（粉粒+粘粒）*100% 分级： 5.2%-15%为耐蚀性土壤；15%-55%为易蚀性土壤。南方花岗岩在25%-64%。 分散系数：土壤团聚体在水中破坏的指标。 随有机质和粘粒含量的增高而降低。 东北黑土：11.4 河田侵蚀红壤：41.0,侵蚀率：表示土壤可蚀性程度的指标。 三、土壤抗冲性 土壤抵抗地表径流的机械破坏和推动下移的能力。 用土壤崩解度表示。,第五节 植被,一、拦截雨滴 次降雨量（10-20mm）有15-40%首先为树冠截流；5-10%林内蒸发；50-80%入渗土壤。 二、调节地表径流 枯枝落叶吸收降雨，很少形成地表径流， 好的植被只有1%的降雨形成地表径流。,三、固结土体 四、改良土壤性状 五、降低风速，防止风害,第六节 人类活动,一、人类加剧土壤侵蚀的活动 破坏森林 陡坡开荒 过度放牧 不合理的耕作方式 工程建设,二、人类控制土壤侵蚀的积极作用 改变地形 改良土壤 改善植被,