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水对土壤的侵蚀的实验(一)
北京林业大学2005—2006学年第一 学期考试试卷答案
试卷名称： 土壤侵蚀原理A卷 课程所在院系： 水土保持学院 考试班级 学号 姓名 成绩 试卷说明：
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本次考试为闭卷考试。本试卷共计1 页，共五大部分，请勿漏答； 考试时间为120分钟，请掌握好答题时间； 答题之前，请将试卷和答题纸上的考试班级、学号、姓名填写清楚； 第一大题可直接在试题纸上答题；从第二大题开始可直接在试卷上写题号后答题 答题完毕，请将试卷和答题纸正面向外对叠交回，不得带出考场； 考试中心提示：请你遵守考场纪律，参与公平竞争！
一、简释下列名词(3分/个×8个=24分)。
1.水土流失:
在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土地表层侵蚀及水的损失，亦称水土损失。
2.风力侵蚀:
土壤颗粒或沙粒在气流冲击作用下脱离地表，被搬运和堆积的一系列过程，以及随风运动的沙粒在打击岩石表面过程中，使岩石碎屑剥离出现擦痕和蜂窝的现象。
3.侵蚀沟:
坡面径流冲刷土壤或土体,并切割陆地表面形成沟道的过程，也称为线状侵蚀或沟状侵蚀。
4.侵蚀模数:
在单位时间内单位面积上,因土壤侵蚀导致的侵蚀总重量，常以t/a·km2为单位表示。在同一地区侵蚀模数仅能综合反映某一较大范围内土壤侵蚀发生的概略状况,而不能确切表达出任一具体土壤侵蚀形式的发生发展程度。
5.土壤侵蚀程度:
开始,截止到目前为止的发展状况。
6.水力侵蚀:
在降雨雨滴击溅、地表径流冲刷和下渗水分作用下,土壤、土壤母质及其他地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。
7.沟壑密度:
沟壑密度是指单位面积上侵蚀沟道的总长度，常以 km/km表示。
8.开析度:
开析度是指单位面积上水文网的总长度，常以 km/km2表示。 2
二、试述水力侵蚀的主要形式及其影响因素 (20分)。
水力侵蚀的主要形式为溅蚀、面蚀、沟蚀、山洪侵蚀、海岸浪蚀和库岸浪蚀（4分）。 其发生机理主要为在水流作用下（包括雨滴击溅、地表径流冲刷等），地表物质被破坏、剥蚀、搬运、沉积（12分）。
其影响因素主要为侵蚀应力的大小、地形条件（包括地面坡度、坡长、坡型和坡位等）、地质条件、土壤种类、地表植被覆盖等（4分）。
三、试述重力侵蚀发生的力学机制（20分）。
重力侵蚀的发生机理主要为，由于在下渗水分影响下，土体、岩体等在重力作用下，沿坡面向下运动产生位移（10分）。
当岩土体在重力作用下，其抗滑阻力小于下滑力时，则发生重力侵蚀（8分）。 其影响因素主要为降雨、下渗水分、地形、地质、地震动等（2分）。
四、试述我国一级土壤侵蚀类型区的大致范围(20分)。
土壤侵蚀类型一级区的划分依据是外营力种类，将全国划分为水力侵蚀类型区，其大致范围为内蒙的阴山以南、青藏高原的东缘线以东地区；风力侵蚀类型区，其大致范围为内蒙的阴山以北、大兴安岭以西、青藏高原北部的东缘以东地区；冻融侵蚀类型区，主要指青藏高原。
五、试述土壤侵蚀调查的主要目的及调查内容(16分)。
1.通为防治措施规划设计提供依据：过土壤侵蚀调查，掌握调查地区的土壤侵蚀类型、土壤侵蚀形式、每种形式的强度及程度、各土壤侵蚀形式的平面分布，通过土壤侵蚀调查，还要查明调查范围内影响土壤侵蚀的自然因素和人为不合理活动对土壤侵蚀的影响，为土壤侵蚀防治措施的规划、设计提供依据（6分）。
2.为水土资源综合利用规划提供依据：在进行土壤侵蚀调查的同时，还要查明调查区域内水土资源现状（包括利用状况）、水土资源利用中存在的问题，尤其是水土资源不合理利用对土壤侵蚀的影响等，为保护、改善和合理利用水土资源提供依据（5分）。
3.查明调查范围内土壤侵蚀形式、各种形式的面积、平面分布、发生程度和其发展强度及土壤侵蚀发生的主要影响因素（5分）。
水对土壤的侵蚀的实验(二)
12水土保持应用技术 2006年第5期
试验平台
土壤物理特性对水力侵蚀的影响
夏 青 何丙辉
(西南农业大学资源环境学院,重庆 400716)
中图分类号:S152.9 文献标志码:B 文章编号:1673-5366(2006)05-0012-04
摘要:水力侵蚀是世界上分布最广、危害也最为普遍的一种土壤侵蚀类型。土壤特性对水蚀的影响主要表现在土壤的抗蚀能力、土壤的入渗能力、土壤的抗冲———抗剪能力。这三种能力的协同效应又综合的表现为土壤抗侵蚀力。,、水稳性团聚体含量、前期土壤含水量、。
关键词:水力侵蚀;土壤抗蚀性;土壤颗粒组成;; 滴击溅、,土壤、土壤母质及其他地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程
[1]
,土壤结构体易遭破坏并解体,形成细小颗粒堵塞土壤孔隙,降低渗速,引起地表泥泞,促使径流汇集,冲走分散土粒而发生侵蚀
[5]
。
。土壤水力侵蚀取决于引起侵蚀水从两个方面使团聚体崩解:一是雨滴破坏团聚体之间的裸露的土壤,下降雨滴的碰撞是土壤表层的团聚体显著分散的主要原因;二是水的水化作用,经过差异性膨胀过程和土体孔隙中的空气的爆炸力,可使团聚体瓦解。干土湿润时,水的迅速进入,引起整个土块的不等同膨胀,从而沿裂面破碎;此外,水被吸进毛细管,首先使封闭气体压缩,最后当陷入的气体的压力超过颗粒的黏结力时,土块就崩裂。1.2 入渗过程
的降雨和径流的侵蚀力与土壤抵抗侵蚀能力的组合,研究揭示土壤抗侵蚀能力成为认识降雨侵蚀过程机制的一个重要环节
[2]
。土壤特性对水力侵蚀
的影响主要是通过抵抗侵蚀动力对其分散、搬运及[3]
侵蚀动力的一些特征(如入渗)表现出来的。土壤因子影响入渗等侵蚀动力的特征,实际上是直接影响了侵蚀动力条件,间接地影响了土壤侵蚀
[4]
。
1 影响水蚀土壤因子的过程和机理
土壤特性对水蚀的影响主要表现在三种能力上:第一,影响降雨或径流时侵蚀动力对土壤物质的分散崩解,即土壤的抗蚀能力;第二,决定雨水的入土速度,即土壤的入渗能力;第三,在降雨或径流期间表现出来的抵抗搬运冲刷的特性,即土壤的抗冲———抗剪能力。这三种能力的协同效应又综合的表现为土壤抗侵蚀力1.1 分散崩解过程
[4]
土壤入渗是指地表水体经过土壤孔隙进入土体并在整个土壤剖面上运移的全过程。降雨到达地表以后,水分在土中的运动是在分子力、毛管力与重力的综合作用下寻求平衡的过程。入渗过程按水分所受作用力及运动特征可分为渗润过程、渗漏过程和渗透过程3个阶段:当土壤干燥时,水分主要是在分子力作用下渗入土壤表层,被土壤颗粒吸附而成为薄膜水,这是第一阶段,称为渗润阶段;当土壤含水量大于田间持水量时,入渗水分主要是在毛管力与重力作用下在土壤孔隙中间做不稳定运移,并逐渐充填土粒空隙,直到空隙饱和,这是第二阶段,称为渗漏阶段;当土壤孔隙被水充满达到饱和时,水分在重力作用下向下运行,此为第三阶段,称为渗透阶段,渗透属于饱和水流运动。
。朱显谟先生将土壤的抗
侵蚀力分为抗蚀性和抗冲性。
降雨或径流发生时影响侵蚀量的土壤特性是土壤分散的难易。土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮的能力就是土壤的抗蚀性。抗蚀性大小主要与土壤对水的亲和力以及土粒间的胶合力有关。胶合力小,
就土壤侵蚀而言,如果土壤入渗速率大,水就会迅速渗过土壤表面蓄纳于土体之中,从而减少地表径流量和冲刷量,减缓水蚀过程和强度,可见土壤入渗性能可以直接影响地表产生汇流过程,进而决定地表径流的冲刷能力和水蚀过程。土壤的入渗能力大小主要取决于3个因素:一是以通气孔隙度为代表的表层土壤条件;二是降雨时的土壤含水量;三是土壤剖面表层的有机质含量分布状况。
土壤接纳雨水能力的大小主要影响还未形成径流时的降雨对地面的溅蚀作用。土壤接纳雨水的能力越强,产生溅蚀的临界值越大,越不易产生水力侵蚀;反之,越易产生溅蚀。它取决于:降雨时的土壤含水量;以通气孔隙度为代表的表层土壤条件;土壤剖面的渗透度。剖面渗透度表明了水分穿过土壤的
[6]
速率,同时也与通气孔隙度有关。1.3 抗冲———抗剪过程
流的机械破坏和搬运的能力。它主要取决于土壤抵
抗径流推移的强弱。在冲刷过程中,土壤颗粒或土块不一定在水中分散和悬浮,但只要能被径流推动就可发生侵蚀。在抗冲过程和机理方面,吴普特初步研究了土壤抗冲性的动力过程问题,认为土壤抗冲与径流冲刷的关系实际上是以径流为动力、土壤
[7]
抗冲为阻力的一种动力过程。对于一定的降雨,地表径流的大小与土壤入渗密切相关,入渗量大则径流量小,反之径流量大。因此土壤抗冲性与土壤的入渗性质有关。
蒋定生对黄土高原土壤抗蚀性的影响因素进行了深入研究,3个,、根系在、,降雨及其产生的径流“水力侵蚀性”,与之相应可把土壤因子对它们的抵抗作用称为“土壤的抗侵蚀性”,水力侵蚀性与土壤抗蚀性的对应变换关系见表1。
。表1 水力侵蚀性与土壤抗侵蚀性的对应变换关系分析[4]水力侵蚀性
水蚀力能
性能来源
水蚀方式
水蚀过程化学过程
水蚀效应负效应
水蚀结果就地提供悬移质,降低渗透速率减少径流量
产生推移质,并剪切冲刷推移
水蚀类型溅蚀、沟蚀、片蚀,以溅蚀为主
基本性能抗蚀性
土壤抗侵蚀性
力能来源土毛管力、土粘接力、水粘接力、水土亲和力重力、毛管力、水压力、范德华力
基本
效应正效应
最佳评价指标崩解速率
分散降雨、雨滴和径流分性 径流散、悬浮土粒
入渗降雨、雨滴和径流入渗性 径流土层剪切降雨、雨滴剪切、径流推移径流冲刷和剪切推移性 土粒
物理
过程物理过程
正效应 负效应
片蚀、沟蚀,以片蚀为主沟蚀、溅蚀、片蚀,以沟蚀为主
抗渗性
负效应 正效应
稳渗速率 抗剪强度抗冲系数
抗剪、土间胶结力、土粒抗冲内摩擦力性
2 影响水蚀的土壤物理因子
土壤因子对水力侵蚀的影响,主要是通过抵抗
侵蚀动力对它的分散崩解、冲刷搬运、水分入渗来体现的。土壤抵抗水力侵蚀的能力最终取决于土壤自身的理化性质。目前已确定的反映土壤属性的指标有很多,有反映土壤质地的粒径、黏粒率、粉/黏,反映土壤结构的相对密度、密度、孔隙度、大于0.5mm或大于0.25mm风干土水稳性团粒含量、团聚体表面率、团聚体不稳定指标、水稳性指数,还有阳离子交换量、盐基饱和度、pH值、有机质含量、含水量等。
相关研究结果表明,决定土壤抗冲性的主导因素是粗粉粒、沙粒、紧实度、水稳性团聚体含量、总孔
隙度;土壤入渗性受到土壤的孔隙度、前期土壤含水
量、土壤质地、土壤团聚体的水稳性、有机质含量和有效根密度等土壤物理和生物化学特性的影响;影响土壤团粒崩解的主要因素有大于0.25mm的风干土水稳性团粒含量、有机质含量、pH值、含水量、粉/黏、相对密度;土壤抗剪强度主要受土壤相对密度、天然含水量、有效根密度、粉/黏、土壤有机质含量等的影响。总体来说,影响土壤水力侵蚀的土壤物理因子主要是土壤颗粒的组成、水稳性团粒含量、前期含水量、孔隙度等。2.1 土壤颗粒的组成
土壤的颗粒组成状况是影响土壤抗蚀特性的重要因素。颗粒组成越细的土壤,其抗打击力的能力
[8]
也越高。颗粒越小,越容易黏结,在一定程度上
使土壤形成团块状结构体,出现较大孔洞,因而使土壤排列时单位体积质量降低,相对密度变小,土壤孔
[9]
隙度增大。湿土层的抗分散能力明显地随黏粒含量的增大而加强。黏粒含量超过30%～35%的土壤,凝聚力较大,并形成稳定的土壤团粒结构,这种团粒结构对雨滴打击和溅蚀阻力较大。赵晓光等试验表明土粒愈粗,临界黏结力愈小,也就是说土体发生溅蚀的临界值随土粒粒径增大而降低,即土壤抗蚀性越小。
粒径的组成越均匀,其稳定性越差;粒径的组成越不均匀,即均匀系数越大,则越稳定。因为小颗粒可以填充空隙,使颗粒间的接触面积增大,相互结合
[12][12]
就会越紧密。根据曹银真研究,在黄土地区,黄土的粒度组成与产沙量存在着线形关系,粒度越粗,粒间结合力越小,量越大。张翼(组成是粉沙粒径组织疏松,缺乏团粒结构,土粒间主要靠碳酸盐胶结,极易在水中崩解与分散,抗蚀力薄弱。2.2 水稳性团粒含量
[13]
[10]
之间是通气孔隙,可以透水通气,把大量雨水甚至暴
[18]
雨吸入土壤。降雨时,水分通过通气孔隙很快进入土壤,当水分经过团粒附近时,能较快地渗入团粒内部的毛管孔隙并得以保蓄,使团粒内部充满水分,多余的水继续下渗湿润下面的土层,从而减缓了土壤的地表径流造成的冲刷、侵蚀。2.3 前期土壤含水量的作用
降雨时的土壤含水量对产流和侵蚀产沙过程有着重要影响,尤其是对初始产流状态有不可忽视的
[20～23]
作用。当雨水降到已经湿润的土壤上时,土壤将很快达到终渗率。通常,侵蚀量与一个季度或一年中的降雨总量具有相关性,冬春两季常,,土壤长时
]
,土体越干燥,渗;土壤较湿润,渗透速度小,土
[1]
粒分散相对慢。
[25]
蔡强国等得出10min降雨溅蚀分散量y与前期土壤含水量w(%)之间的关系如下:溅蚀率
2
y=14.44+0.64w-0.022w,相关系数r=0.91。并得出实验结论:当w=14.7%时,溅蚀量达到最大值;w=2%,即土壤基本风干时,10min的降雨过程中溅蚀率的变化是从小到大的;当w=35%,即前期土壤含水量饱和时,溅蚀率由最大逐渐变小。赵晓
[26]
光、吴发启实验结果表明在同一雨滴直径下,土壤含水量越大,溅蚀开始越早,这说明单雨滴对土体发生溅蚀的临界值随土壤含水量增大而降低。另外,前期土壤含水量不仅影响产流历时,而且影响土
[24]
壤强度,从而作用于细沟的发生与发育。2.4 土壤孔隙度土壤孔隙度直接影响土壤的透水性能,而土壤的透水性能又是影响土壤水力侵蚀的一个主要原[24]
因。透水性能越强,越不易产生侵蚀。一般来讲,土壤的透水性能随孔隙度的增大而增大。土壤总孔隙越大,其透水性和持水性就越大,土壤水力侵蚀就越轻。非毛管孔隙———大孔隙(孔径>0.1mm)通气透水能力强,可减少地面径流的损失,但如果此孔隙比重过大,又容易产生渗漏引起水土垂直淋失。毛管孔隙———小孔隙(孔径<0.1mm),降雨时,水分经过非毛管孔隙顺利地渗入土体后,被毛管力保持于毛管孔隙内贮存而不致于水土流失。
不同类型的土壤由于其结构、质地及生物化学性质的差异抗侵蚀能力也不同,见表3。
[17]
[19]
郭培才等通过对不同土壤剖面(0～10cm,20～30cm,40～50cm)层次的草地、林地、农地的采样分析得出水稳性团粒含量是反映土壤抗蚀性的最佳指标,并对土地类型作了定性定量分析,将土壤抗蚀性划分为极弱、弱、中等、强、极强五个等级(表2);唐克丽、查轩等[15]对子午岭林区林草地不同地形部位土壤剖面的水稳性团粒含量分析后得出,水稳性团粒含量是反映土壤抗蚀性的重要参数。查小春等研究表明水稳性团粒含量与单位降雨侵蚀力引起的侵蚀量的关系最密切,对水蚀的影响作用最大
[16]
[14]
。
表2 土壤抗蚀性强弱等级表
等 级
>0.25mm风干土
极弱
<15
弱
15～22
中等
22～43
强
43～57
极强
>57
水稳性团粒含量
水稳性团聚体从土壤结构体的角度来说是指用
水筛后留下的大于0.25mm的团聚体。水稳性团聚体愈多,土壤的抗蚀性越强,即使在地表形成径流时,团聚体结构也不分散,被径流带走的泥沙就[17]
少。水稳性团粒具有多级孔隙,总的孔度大,又在各级结构体之间发生了不同大小的孔隙通道,大小孔隙兼备,蓄水与透水同时进行;而且团粒与团粒
2006年第5期 夏 青等:土壤物理特性对水力侵蚀的影响
表3 不同类型土壤的抗冲性、入渗性、崩解性、抗剪性大小对比[4]
测试土壤 黄壤 赤红壤石灰土紫色土红壤砖红壤黄棕壤暗棕壤棕壤褐土黑土黑钙土粟钙土
抗冲性抗冲系数均值
23.5617.8015.3615.2215.1514.735.484.944.904.894.424.413.41
15
入渗性
稳渗速率均值
0.270.220.020.070.240.210.190.170.200.080.110.090.16
崩解性