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《西北农林科技大学》 2017年
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黄土坡面片蚀动力学过程草被调控试验研究

王栋栋  
【摘要】:黄土高原是全球水土流失最严重地区。该区以往严重土壤侵蚀给当地可持续发展及黄河下游两岸安危造成严重影响和威胁。1999年国家开始实施退耕还林草工程以来,黄土高原草被覆盖度显著提高,土壤侵蚀过程发生了重要变化,黄河水沙发生了历史性剧减。片蚀是坡地上分布面积最大及最重要侵蚀过程之一,草地坡面占优势侵蚀方式也已属于片蚀。阐明黄土坡面片蚀动力学过程草被调控,可深入认识黄土坡面退耕还草驱动下的土壤侵蚀变化过程,促进草地侵蚀过程研究及土壤侵蚀科学进一步发展,并可为黄土高原坡面水土流失治理与生态建设、黄河泥沙剧减原因揭示与黄河健康管理提供重要科学依据。论文采用草地小区与裸土小区模拟降雨试验方法,在同坡度不同雨强不同草被盖度(坡度15~o,雨强0.7 mm/min、1.0 mm/min、1.5 mm/min、2.0 mm/min、2.5 mm/min与草被盖度0%、30%、40%、50%、60%、70%完全组合)及同雨强不同坡度不同草被盖度(雨强1.5 mm/min,坡度7°、10°、15°、20°、25°与草被盖度0%、30%、40%、50%、60%、70%完全组合)下,开展了黄土坡面片蚀动力学过程草被调控试验研究,研究了草被对黄土坡面片蚀过程中的水沙、片蚀动力学特征、土壤可蚀性的调控效应,以及对片蚀过程调控效应的机理,主要结论如下:1.研究了草被对坡面片蚀过程中水沙的调控效应。(1)不同雨强、坡度下,草地坡面径流深随草被盖度增大而减小,皆可用线性方程描述;不同雨强、坡度下,盖度从30%增加到70%,草被减水效应皆随草被盖度增大而增大,皆可用对数方程很好地描述,减水效应分别从3.30%-21.69%及9.03%-19.42%增加到23.73%-53.90%及22.96%-40.57%,平均分别从12.15%及12.14%增加到35.79%及30.77%,其中,盖度30%-40%和60%-70%间平均减水效应增大更明显,分别增大8.61%及5.79%和5.90%及5.02%;(2)不同雨强、坡度下,草地坡面片蚀率随降雨过程变化与裸坡基本相似,总体皆随降雨历时延长先急速递增,后缓慢递增或趋于稳定,皆可用幂函数方程描述;不同雨强、坡度下,草地坡面片蚀模数随草被盖度增大而减小,皆可用线性方程描述,随雨强、坡度及盖度变化可用三元幂函数方程很好地描述,与雨强和坡度呈正相关,与盖度呈负相关;不同雨强下,盖度30%-70%草被的减沙效应为11.40%-72.91%,平均为37.13%,草被减沙效应皆随草被盖度增大而增大,皆可用线性方程很好地描述,盖度从30%增加到70%,减沙效应从11.40%-23.42%增加到41.44%-72.91%,平均从17.38%增加到57.11%,其中,盖度30%-40%和60%-70%间平均减沙效应增大更明显,分别增大11.24%和11.48%;不同坡度下,盖度30%-70%草被的减沙效应为11.42%-61.26%,平均为33.24%,草被减沙效应皆随草被盖度增大而增大,皆可用线性方程描述,盖度从30%增加到70%,减沙效应从11.42%-23.28%增加到44.10%-61.26%,平均从16.57%增加到49.45%,其中,盖度30%-40%和60%-70%间平均减沙效应增大更明显,分别增大10.12%和9.19%;草被减沙效应随雨强、坡度及盖度变化可用三元对数方程很好地描述,与盖度及坡度呈正相关,与雨强呈负相关;不同雨强、坡度下,草被覆盖与管理因子(C因子)随草被盖度增大而减小,皆可用线性方程描述,随盖度、雨强、坡度变化可用三元对数方程很好地描述,与盖度和坡度呈正相关,与雨强呈负相关;(3)不同雨强、坡度下,草地坡面径流含沙量、草被对含沙量调控效应皆分别随草被盖度增大而减小、随草被盖度增大而增大,分别可用线性方程、指数方程描述,表明随草被盖度增大减沙效应大于减水效应。2.揭示了草被对坡面片蚀动力学特征的调控效应。(1)不同雨强及坡度下,裸坡及30%、40%、50%、60%、70%盖度草地坡面片蚀模数与平均水流切应力、水流功率、单位水流功率、断面单位能量耦合关系的决定系数、决定系数平均值大小顺序皆为水流功率(0.956;0.9568)切应力(0.921;0.9136)断面单位能量(0.839;0.8976)单位水流功率(0.486;0.5876)。水流功率是与试验条件下不同处理坡面(裸坡及不同盖度草地坡面)片蚀耦合关系最好、关系最密切的水动力学参数,表明裸坡生长草被后不会改变片蚀动力根源;(2)草地坡面水流功率随草被盖度增大而减小,不同雨强、坡度下皆可用线性方程、幂函数方程分别描述;不同雨强、坡度下,盖度从30%增加到70%,草被对水流功率调控效应皆随草被盖度增大而增大,皆可用对数方程很好地描述,调控效应分别从3.48%-20.28%及9.68%-20.80%增加到21.91%-49.90%及20.56%-39.15%,平均分别从12.30%及12.67%增加到32.90%及28.27%,其中,盖度30%-40%和60%-70%间平均调控效应增大更明显,分别增大8.11%及5.68%和5.22%及3.74%。3.分析了草被对坡面土壤可蚀性的调控效应。(1)不同坡度草地坡面土壤可蚀性系数随草被盖度增大而减小,皆可用线性方程描述,盖度从30%增加到70%,7~o、10~o、15~o、20~o、25~o草地坡面土壤可蚀性系数分别为0.0121-0.0156s~2/m~2、0.0111-0.0144s~2/m~2、0.0100-0.0140s~2/m~2、0.0110-0.0133s~2/m~2、0.0156-0.0170s~2/m~2。盖度30%-40%及60%-70%间,土壤可蚀性系数减小相对较明显的占较多坡度;(2)草被盖度和坡度对草地坡面土壤可蚀性系数影响可用二元指数方程描述,该系数与盖度呈负相关,与坡度呈正相关,这较好地体现了草被盖度与坡度在草地坡面土壤可蚀性调节中的作用。盖度系数(0.534)远大于坡度系数(0.007),表明草被盖度的影响显著大于坡度;(3)雨强1.5mm/min,坡度7~o-25~o下,盖度30%-70%草被对土壤可蚀性系数调控效应为0.27%-33.20%,平均调控效应14.63%,草被对土壤可蚀性系数调控效应皆随草被盖度增大而增大,可用线性方程很好地描述,盖度从30%增加到70%,调控效应从0.27%-13.30%增加到8.32%-33.20%,平均调控效应从6.10%增加到23.99%,其中,盖度60%-70%间平均调控效应增大最明显,增大5.40%;草被对土壤可蚀性系数调控效应随盖度及坡度变化可用二元线性方程描述,与盖度呈正相关,与坡度呈负相关,草被盖度系数(0.439)远大于坡度系数(0.009),表明草被的影响显著大于坡度。4.阐明了草被对坡面片蚀过程调控效应的机理。(1)不同雨强、坡度下,草被对片蚀水流功率调控效应随草被盖度及植基盖度变化皆可用二元对数方程很好地描述;草被盖度及植基盖度对片蚀水流功率调控效应影响的贡献率,不同雨强下分别为82.86%-97.51%及1.48%-14.82%,不同坡度下分别为86.36%-97.51%及1.48%-20.44%,表明草被对片蚀水流功率的调控效应主要通过草被盖度的调控作用实现;(2)不同坡度下,草被对土壤可蚀性调控效应随草根体积与土壤容重变化可用二元对数方程描述;不同坡度下,草根体积与土壤容重对土壤可蚀性调控效应影响的贡献率分别为73.61%-97.94%及0.04%-0.22%,表明草被对土壤可蚀性的调控效应主要通过草根体积的调控作用实现,通过改善土壤容重达到对土壤可蚀性的调控作用微乎其微;(3)不同雨强、不同坡度、不同雨强及坡度下,草被对片蚀调控效应(草被减沙效应)对于草被对片蚀水流功率调控效应及草被对土壤可蚀性调控效应的响应关系皆可用二元线性方程很好地描述,与草被对片蚀水流功率调控效应及对土壤可蚀性调控效应皆呈正相关;不同雨强、不同坡度、不同雨强及坡度下,草被对片蚀水流功率调控效应及草被对土壤可蚀性调控效应对于草被对片蚀调控效应影响的贡献率分别为70.17%和23.27%、45.41%和52.29%、61.02%和33.55%。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S157.1

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